13. Enzymy

Katalýza – Berzelius 1835

Chemické katalyzátory

- jsou to látky, jež urychlují chemické reakce

- nemění přitom rovnováhy chemických reakcí

- snižují aktivační energii

Lze tedy předpokládat, že katalyzátor se podílí na tvorbě labilních meziproduktů, jejichž vznik je provázen menší spotřebou aktivační energie než je tomu u reakce nekatalyzované

V živých organismech od organismů prokaryontních po eukaryotní probíhá obrovské množství reakcí, z nichž téměř všechny probíhají za účasti biokatalyzátorů, jinak by tyto reakce probíhaly pomalu.

Vzhledem ke komplexnímu charakteru biochemických reakcí plynou na biokatalyzátory některé charakteristické požadavky

A. Reakce, které katalyzují, probíhají cíleně podle přesného genetického plánu.

B. Průběh reakcí musí být specifický.

C. Jejich aktivita musí být přesně regulována podle potřeb organismu.

Proto se biokatalyzátory liší od běžných chemických katalyzátorů:

1) Vyšší reakční rychlostí

2) Mírnějšími podmínkami reakce – T, pH, tlak.

3) Vyšší specifitou.

4) Schopnosti regulace

Za tyto přednosti ale příroda platí daň – biokatalyzátory jsou citlivé na řadu vlivů a rychle se opotřebovávají.

Biologické katalyzátory

Globulární proteiny – enzymy

RNA – ribozymy 1986 Cech, Altman (Nobelova cena)

Enzymy

Enzymy - nejpočetnější skupina globulárních bílkovin, která katalyzuje jak velmi komplexní reakce – DNA polymerasa, takt reakce velmi jednoduché – karbonátdehydratasa :

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃

Nachází se ve všech živých organismech E.coli cca 3000, člověk cca 20 000.

Historie poznávání enzymů

Kühn 1878 – „Enzym“ en zyme – v kvasnicích

Paster 1860 – fermentace je katalyzovány látkami, tuto schopnost však nelze oddělit od živých buněk, které jsou vybaveny tzv. životní sílou vis vitalis

Liebig – fermenty jsou schopny katalyzovat tyto reakce i mimo živou buňku – spor s Pasterem.

Buchner 1897 – tyto reakce je schopen katalyzovat i samotný extrakt kvasinek

Sumner 1926 – bílkovinná povaha enzymů – ureasa

Názvosloví enzymů

A. Triviální – názvy souvisely s místem výskytu nebo funkcí – trypsin, pepsin

B. Název substrátu nebo reakce + koncovka asa – amylasa

C. Systematické názvosloví

a. Substrát A + reakce R + asa

glukosa-6-fosfátdehydrogenasa

b. Substrát A + substrát B + reakce R + asa

alkohol:NAD:oxidoreduktasa

Systematické názvy jsou však pro praktické použití příliš složité a proto se v dané publikaci používají jenom při prvním představení enzymů.

Klasifikace enzymů

IUB – 1961

6 tříd podle typu reakce, kterou katalyzují, dále podtřídy podle vazby, kterou vytvářejí, případně štěpí, dále podle případného kofaktoru a nakonec podle místa uvnitř skupiny

1.třída oxidoreduktasy – oxidačně redukční reakce – nejpočetnější třída

laktatdehydrogenasa

2.třída transferasy – přenos skupin

aspartataminotransferasa

3.třída hydrolázy – hydrolyticky (za účast H₂O) štěpí vazby – početná skupina

ureasa

4.třída lyasy – nehydrolyticky (bez účast H₂O) štěpí vazby

karbonatdehydratasa

5.třída izomerasy – intramolekulární přesuny atomů či skupin

glukosa-6-fosfatizomerasa

6.třída ligasy – vznik energeticky náročných vazeb nejčastěji za spotřeby ATP

asparaginsyntethasa

Číslování enzymů :

alkohol:NAD:oxidoreduktasa (alkoholdehydrogenasa) EC 1.1.1.27

EC 1 – oxidoreduktasy

EC 1.1. – skupina CHOH

EC 1.1.1. – kofaktor NAD

EC 1.1.1.27 – číslo uvnitř skupiny

Vyjadřování katalytické účinnosti enzymů

Vzhledem ke skutečnosti, že enzymy jsou většinou přítomny v komplexní proteinové směsi, nelze u konkrétního enzymu přímo stanovit jeho koncentraci. Proto se jejich množství vyjadřuje nepřímo ve formě aktivity tj. rychlosti enzymové reakce – jako množství přeměněného substrátu či vzniklého produktu za časovou jednotku.

Jednotky aktivity:

A) Smluvní jednotky – např. u amylasy - množství enzymu, které rozštěpilo za 30 min při 40 ^oC dané množství škrobu aby ten nedává reakci s jodem

B) IU mezinárodní jednotky 1961 – množství enzymu, jež přeměnní 1 µmol substrátu za 1 minutu za standardních podmínek (pH, T. přebytek substrátu, přítomnost aktivátorů)

C) Katal (podle soustavy SI) 1971 - množství enzymu jež přeměnní 1 mol substrátu za 1 sekundu za standardních podmínek (pH, T. přebytek substrátu, přítomnost aktivátorů)

Specifická aktivita – aktivita vztažená na celkovou koncentraci bílkoviny (katal/gram)

Číslo přemeny – množství substrátu přeměněné molem enzymu za časovou jednotku

Struktura enzymů

1) Jednoduché enzymy – složené pouze z proteinu

2) Složené enzymy – obsahují nebílkovinou složku – tzv kofaktor

Kofaktor (neaktivní) + aponezym (neaktivní) ↔ holoenzym (aktivní)

Kofaktor :

Kovový ion – tzv metaloenzymy

Zn2+ - alkalická fosfatasa, alkoholdehydrogenasa

Cu2+ - tyrosinasa, diaminoxidasa

Organická látka

A) Kovalentně vázaná – prostetická skupina

B) Nekovalentně vázaná - koenzym

Jak prostetická skupina, tak koenzym vstupují do enzymové reakce, liší se však způsobem regenerace :

prostetická skupina – na téže enzymové bílkovině, je kovalentně vázáná

koenzym – disociuje z dané enzymové bílkoviny a může se regenerovat v jiné enzymové reakci

Enzymové bílkoviny

Chemickou strukturou a konformací se enzymy neliší od molekul jiných globulárních proteinů. Podle složitosti lze rozlišovat enzymy monomerní, tvořené jedinou podjednotkou, oligomerní, tvořené z více podjednotek a na tzv.multienzymové komplexy, tvořené vlastně několika molekulami enzymu.