Enzýmy

Existencia života je založená na obrovskom množstve biochemických reakcií. Tieto reakcie prebiehajú v prostredí s pomerne nízkou koncentráciou reaktantov, pri nízkych teplotách, za normálneho tlaku a za zhruba neutrálneho pH, to znamená, že bez prítomnosti enzýmov, by vôbec nemohli prebiehať. Enzýmy sa teda označujú ako biokatalyzátory.

Enzýmy majú tieto vlastnosti:

  • znižujú hodnotu aktivačnej energie, čím urýchľujú priebeh chemickej reakcie,
  • zúčastňujú sa chemickej reakcie, ale po jej skončení zostávajú v nezmenenom stave,
  • sú špecifické pre daný typ reakcie,
  • pôsobia len v mieste aktívneho centra (nie celým povrchom),
  • chemickú reakciu nielen urýchľujú, ale aj regulujú.

Zloženie enzýmu

Enzýmy sú proteíny a môžu byť jednoduché, alebo môžu obsahovať ešte aj nebielkovinovú časť. Bielkovinovú časť nazývame apoenzým a nebielkovinovú časť, ktorá je nízkomolekulová, nazývame kofaktor.

Kofaktorom môžu byť niektoré katióny kovov, napr. Zn2+, Mg2+, alebo organické molekuly nazývané koenzýmy, napr. NAD. Koenzýmom často bývajú vitamíny. Niektoré koenzýmy sú s molekulou daného enzýmu spojené iba prechodne a pôsobia na seba len slabými medzimolekulovými silami, príp. stačí ak sú spolu s enzýmom prítomné v danom reakčnom prostredí. Iné koenzýmy, ktoré sú s apoenzýmom po celý čas viazané pevnou kovalentnou väzbou, označujeme ako prostetická skupina (napr. hem v hemoglobíne).

Tab. Zloženie enzýmov
bielkovinová časťnebielkovinová časť
kofaktoranorganická molekula (Zn2+, Mg2+)
apoenzýmkoenzýmorganická molekula (NAD)
prostetická skupinakovalentne viazaná s apoenzýmom (hem)

Mechanizmus pôsobenia enzýmu

Priebeh reakcie bez prítomnosti enzýmu vyžaduje veľkú spotrebu energie. Bunka si takéto výdavky nemôže dovoliť, tak siaha po enzýmoch, ktoré výrazne túto aktivačnú energiu (ΔG) znižujú. Pri biokatalyzovanej reakcii reaguje enzým (E) so súbstrátovou molekulou - substrátom (S), čím vznikne komplex enzým-substrát (ES). Po jeho aktivácii (ES*) sa tento komplex zmení na komplex enzým-produkt (EP) a až na konci reakcie sa z enzýmu uvoľní produkt (P).

So substrátom nereaguje enzým celým svojim povrchom, substrát sa viaže len na určité miesto povrchu, označované ako aktívne centrum. Je to miesto, kde sú vytvorené vhodné väzbové a priestorové podmienky na naviazanie substrátu. Molekula substrátu sa viaže na aktívne miesto enzýmu tak, že jej určité charakteristické skupiny sú priťahované medzimolekulovými interakciami aminokyselín aktívneho centra.

Rýchlosť enzýmovej reakcie

Pre väčšinu faktorov ovplyvňujúcich rýchlosť enzýmovej reakcie platia určité optimálne hodnoty (podmienky), za ktorých prebieha reakcia najrýchlejšie.

Faktory, ktoré ovplyvňujú rýchlosť enzýmovej reakcie, sú:

  • koncentrácia substrátu
  • koncentrácia enzýmu
  • teplota prostredia
  • pH prostredia
  • vplyv aktivátorov
  • vplyv inhibítorov

Koncentrácia substrátu

Pre rýchlosť enzýmovej reakcie platia tie isté kinetické zákony ako pre rýchlosť akejkoľvek inej reakcie. V prípade, že je koncentrácia enzýmu konštantná, rýchlosť enzýmovej reakcie bude priamo úmerná koncentrácii substrátu. Táto závislosť je lineárna až dovtedy, kým nebude obsadená väčšina aktívnych miest enzýmu, teda kým koncentrácia substrátu nedosiahne saturačný bod. Ďalšie zvyšovanie koncentrácie substrátu už rýchlosť reakcie neovplyvní, pretože enzým už ďalšie aktívne miesto nemá.

Koncentrácia enzýmu

Pri výraznom nadbytku substrátu bude rýchlosť enzýmovej reakcie lineárna v závislosti od zvyšovania koncentrácie enzýmu. Lineárne narastanie reakčnej rýchlosti bude však platiť iba na začiatku reakcie. Ak koncentrácia substrátu v reakčnej zmesi klesne, dochádza k vytváraniu rovnovážneho stavu.

Teplota prostredia

Zvyšovanie teploty vedie spočiatku k urýchleniu enzýmovej reakcie, pretože molekuly substrátu majú väčšiu energiu, a tým aj väčšiu pohyblivosť, čím sa zvyšuje pravdepodobnosť zrážky substrátu s enzýmom. Enzýmy sú však bielkoviny, ktoré sa príliš vysokým teplom denaturujú. To znamená, že zahrievaním reakčnej zmesi spočiatku rýchlosť enzýmovej reakcie stúpa, ale po dosiahnutí určitého kritického bodu (väčšina bielkovín sa denaturuje pri teplote 40°C až 60°C) rýchlosť reakcie výrazne klesne a napokon sa zastaví v dôsledku úplnej denaturácie enzýmu.

Vplyv teploty je jedným z typických faktorov, ktorým sa líšia od seba anorganické katalyzátory a biokatalyzátory - enzýmy. Pre anorganické katalyzátory všeobecne platí, že so zvyšovaním teploty rastie priamo úmerne rýchlosť chemickej reakcie, zatiaľčo pre enzýmy to tak nie je.

pH prostredia

Pre väčšinu enzýmov je optimálna hodnota pH prostredia od 6,0 do 8,0. Extrémne hodnoty pH (veľmi kyslé a veľmi zásadité prostredie) vedie takisto k denaturácii enzýmu, ako pôsobenie vysokých teplôt. Mechanizmus ovplyvňovania rýchlosti enzýmovej reakcie v závislosti od pH prostredia je asi takýto:

Aktívne miesto enzýmu ako aj komplementárna časť substrátu k aktívnemu centru obsahujú určité charakteristické skupiny, ktorých stupeň disociácie (napr. COOH na COO- a pod.) závisí práve od pH prostredia. Zmenou pH sa teda mení tento stupeň, čo výrazne ovplyvňuje schopnosť naviazania substrátu na enzým, príp. sa môže meniť aj samotná konformácia enzýmu.

Vplyv aktivátorov

Aktivácia, teda zvýšenie činnosti enzýmu, prebieha viacerými spôsobmi. Premenou neaktívnej formy enzýmu, tzv. proenzýmu, odštiepením časti molekuly proenzýmu. Zvyčajne sa jedná o odštiepenie časti polypeptidového reťazca s nízkou molekulovou hmotnosťou, čím sa uvoľní prístup substrátu k aktívnemu miestu enzýmu.

Enzým môžeme aktivovať aj jeho chemickou modifikáciou (napr. fosforylovaním) alebo pôsobením katiónov kovu (napr. Zn2+, Mg2+). Enzým s kovom môže vytvoriť komplex, alebo sa len zúčastňuje reakcie enzýmu, alebo sa môže naviazať na substrát.

Alosterická aktivácia

Alosterická aktivácia enzýmu značí, že aktivátor sa naviaže na enzým mimo aktívneho centra (na alosterické miesto), čím sa nepriamo vytvoria vhodné podmienky na naviazanie substrátu na aktívne miesto enzýmu.

Vplyv inhibítorov

Inhibítory enzýmov sú látky, ktoré znižujú rýchlosť enzýmovej reakcie, alebo ju úplne zastavujú. Inhibícia môže byť vratná, keď po odstránení inhibítora enzým obnoví svoju aktivitu, alebo nevratná, keď inhibítor spôsobí trvalú zmenu enzýmu a jeho aktivitu už nemožno obnoviť.

Poznáme niekoľko typov inhibície:

Kompetitívna (konkurenčná) inhibícia

Kompetitívna inhibícia znamená toľko, že inhibítor a substrát si navzájom konkurujú o naviazanie sa na aktívne centrum enzýmu. Enzým je pritom úplne špecifický pre obidve tieto látky, čiže inhibítor a substrát musia mať podobnú štruktúru. Tento typ inhibície je vratný, pretože nadbytkom substrátu inhibíciu odstránime.

Nekompetitívna inhibícia

Nekompetitívna inhibícia sa nedá odstrániť nadbytkom substrátu. Inhibítor sa naviaže na aktívne centrum enzýmu a vytvorí neaktívny komplex enzým-inhibítor.

Efekt zvýšenia koncentrácie substrátu pri kompetitívnej a nekompetitívnej enzýmovej inhibícii

Alosterická inhibícia

Alosterická inhibícia je principiálne zhodná s alosterickou aktiváciou. Inhibítor sa naviaže na alosterické centrum (mimo aktívneho centra) enzýmu, pričom spôsobí zmenu konformácie povrchovej štruktúry enzýmu a tým aj zmenu aktívneho centra. Takto zmenený enzým nemôže ďalej viazať substrát.

Klasifikácia enzýmov

Základným kritériom klasifikácie enzýmov je typ reakcie, ktorú daný enzým katalyzuje. Na označenie enzýmov používame triviálne alebo systémové názvoslovie. Triviálny názov sa zvyčajne zvorí z názvu substrátu, ktorý do reakcie vstupuje a prípony -áza (napr. enzým maltáza katalyzuje hydrolýzu disacharidu maltózy na dve molekuly glukózy).

Systémový názov enzýmu je zložený z názvu typu reakcie, ktorú katalyzuje, a prípony -áza. Podľa tohto kritéria zaraďujeme biokatalyzátory do šiestich hlavných tried:

Tab. Klasifikácia enzýmov
skupina enzýmovpôsobenievšeobecná chemická rovnicapríklad
oxidoreduktázyprenos elektrónov a protónov H+ pri redoxných reakciáchA(reduk.) + B(oxid.) ↔ A(oxid.) + B(reduk.)etanol ↔ acetaldehyd
transferázyprenos charakteristickej skupiny medzi dvoma substrátmiA-B + C ↔ A + B-CATP + glukóza ↔ glukóza-6-fosfát
hydrolázyhydrolytické štiepenie substrátovA-B + H2O ↔ A-H + B-OHtriacylglycerol ↔ glycerol + mastné kys.
lyázy (syntázy)nehydrolytické štiepenie väziebA + B ↔ A-Bdekarboxylácia aminokyselín
izomerázyvzájomné premeny izomérovA ↔ IzoAglukóza-6-fosfát ↔ fruktóza-6-fosfát
ligázy (syntetázy)syntéza dvoch substrátov v prítomnosti ATPA + B + ATP ↔ A-B + ADP + P(anorg)