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. V jednej eukaryotickej bunke sa bežne nachádza niekoľko desiatok tisíc druhov enzýmov.
Enzýmy majú tieto základné vlastnosti:
- znižujú hodnotu aktivačnej energie, čím urýchľujú priebeh chemickej reakcie
- zúčastňujú sa chemickej reakcie, ale po jej skončení zostávajú v nezmenenom stave
- vyznačujú sa vysokou špecifickosťou, a to substrátovou (enzým katalyzuje premenu len jedného konkrétneho substrátu), funkčnou (účinkovou) (katalyzuje len jeden konkrétny typ chemickej reakcie so substrátom) a stereošpecifickosťou (reagujú takmer výlučne len s L-aminokyselinami alebo D-sacharidmi)
- pôsobia len v mieste aktívneho centra (nie celým svojím povrchom)
- chemickú reakciu nielen urýchľujú, ale aj aktívne regulujú
Zloženie enzýmu link
Enzýmy sú proteíny a môžu byť jednoduché, alebo môžu obsahovať aj nebielkovinovú časť. Bielkovinovú časť nazývame apoenzým a nebielkovinovú časť, ktorá je zvyčajne nízkomolekulová, nazývame kofaktor. Ich spojením vzniká plne funkčný a katalyticky aktívny celok, ktorý nazývame holoenzým.
Kofaktorom môžu byť niektoré katióny kovov (napríklad Zn²⁺, Mg²⁺) alebo zložitejšie organické molekuly nazývané koenzýmy (napríklad NAD). Koenzýmom veľmi často bývajú vitamíny. Niektoré koenzýmy sú s molekulou daného enzýmu spojené iba prechodne a pôsobia na seba len slabými medzimolekulovými silami, prípadne úplne stačí, ak sú prítomné spolu s enzýmom v danom reakčnom prostredí. Iné koenzýmy, ktoré sú s apoenzýmom po celý čas viazané pevnou kovalentnou väzbou, označujeme ako prostetická skupina (napríklad hem v hemoglobíne).
| Bielkovinová časť | Nebielkovinová časť | |
| kofaktor | anorganická molekula (Zn²⁺, Mg²⁺) | |
| apoenzým | koenzým | organická molekula (NAD) |
| prostetická skupina | kovalentne viazaná s apoenzýmom (hem) | |
Mechanizmus pôsobenia enzýmu link
Priebeh reakcie bez prítomnosti enzýmu vyžaduje veľkú spotrebu energie. Bunka si takéto obrovské energetické výdavky nemôže dovoliť, preto siaha po enzýmoch, ktoré výrazne túto aktivačnú energiu (\(E_a\)) znižujú. Pri biokatalyzovanej reakcii reaguje enzým (\(E\)) so substrátovou molekulou – substrátom (\(S\)), čím vznikne dočasný komplex enzým-substrát (\(ES\)). Po jeho aktivácii (\(ES^*\)) sa tento komplex zmení na komplex enzým-produkt (\(EP\)) a až na samom konci reakcie sa z enzýmu uvoľní hotový produkt (\(P\)).
So substrátom nereaguje enzým celým svojím povrchom. Substrát sa viaže výlučne len na určité miesto povrchu, označované ako aktívne centrum. Je to miesto, kde sú vytvorené presné väzbové a priestorové podmienky na naviazanie konkrétneho substrátu. Molekula substrátu sa viaže na aktívne miesto enzýmu tak, že jej určité charakteristické skupiny sú priťahované slabými medzimolekulovými interakciami aminokyselín tvoriacich aktívne centrum. Tento presný vzťah sa v minulosti vysvetľoval pomocou hypotézy zámku a kľúča (substrát presne zapadne do pevného, nemenného aktívneho miesta). Dnes sa však preferuje hypotéza indukovaného prispôsobenia (induced fit) – aktívne centrum nie je úplne rigidné a svoj tvar definitívne prispôsobí substrátu až po jeho priblížení a naviazaní.
Rýchlosť enzýmovej reakcie link
Pre väčšinu faktorov ovplyvňujúcich rýchlosť enzýmovej reakcie platia určité optimálne hodnoty (podmienky), za ktorých prebieha reakcia najrýchlejšie. Rýchlosť enzýmovej reakcie ovplyvňujú najmä tieto faktory:
- koncentrácia substrátu
- koncentrácia enzýmu
- teplota prostredia
- pH prostredia
- vplyv aktivátorov
- vplyv inhibítorov
Koncentrácia substrátu link
Pre rýchlosť enzýmovej reakcie platia tie isté kinetické zákony ako pre rýchlosť akejkoľvek inej chemickej 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 nijako neovplyvní, pretože enzým už žiadne ďalšie voľné aktívne miesto nemá.
Koncentrácia enzýmu link
Pri výraznom nadbytku substrátu bude rýchlosť enzýmovej reakcie lineárna v závislosti od zvyšovania koncentrácie enzýmu. Lineárne narastanie reakčnej rýchlosti bude však platiť iba na úplnom začiatku reakcie. Ak koncentrácia substrátu v reakčnej zmesi klesne, dochádza k vytváraniu rovnovážneho stavu.
Teplota prostredia link
Zvyšovanie teploty vedie spočiatku k urýchleniu enzýmovej reakcie, pretože molekuly substrátu majú väčšiu kinetickú energiu, a tým aj väčšiu pohyblivosť, čím sa priamo zvyšuje pravdepodobnosť zrážky substrátu s enzýmom. Enzýmy sú však bielkoviny, ktoré sa príliš vysokým teplom nevratne denaturujú. To znamená, že zahrievaním reakčnej zmesi spočiatku rýchlosť enzýmovej reakcie stúpa, až kým nedosiahne takzvané teplotné optimum (teplota, pri ktorej je reakcia najrýchlejšia). Po dosiahnutí určitého kritického bodu (väčšina bielkovín sa denaturuje pri teplote 40 °C až 60 °C) však rýchlosť reakcie výrazne klesne a napokon sa zastaví v dôsledku úplnej denaturácie enzýmu.
Výnimku tvoria napríklad enzýmy termofilných baktérií žijúcich v horúcich prameňoch (napríklad Thermus aquaticus), ktoré si zachovávajú svoju aktivitu aj pri teplotách okolo 85 až 95 °C. Na ich teplotne stabilnom enzýme DNA-polymeráza stojí celá moderná genetická metóda PCR.
pH prostredia link
Hodnota pH, pri ktorej je rýchlosť danej enzýmovej reakcie maximálna, sa nazýva pH optimum. Pre väčšinu enzýmov je optimálna hodnota pH prostredia v rozmedzí od 6,0 do 8,0 (takzvané fyziologické pH v bunkách). Výraznou výnimkou sú však tráviace enzýmy, ktoré sú prispôsobené extrémnym podmienkam – napríklad žalúdočný enzým pepsín má svoje pH optimum v silne kyslom prostredí (pH 1,5 – 2,5), zatiaľ čo črevný enzým trypsín funguje najlepšie v mierne zásaditom prostredí (pH 7,5 – 10). Ak sa bežné enzýmy dostanú do takýchto extrémnych hodnôt pH (veľmi kyslé a veľmi zásadité prostredie), vedie to k ich rovnakej denaturácii ako pôsobenie vysokých teplôt.
Mechanizmus ovplyvňovania rýchlosti enzýmovej reakcie v závislosti od pH prostredia je nasledovný: Aktívne miesto enzýmu, ako aj komplementárna časť substrátu k aktívnemu centru, obsahujú určité charakteristické funkčné skupiny, ktorých stupeň disociácie (napríklad −COOH na −COO⁻ a podobne) závisí práve od pH prostredia. Zmenou pH sa teda dramaticky mení tento stupeň disociácie, čo výrazne ovplyvňuje schopnosť naviazania substrátu na enzým, prípadne sa môže meniť aj samotná konformácia (tvar) enzýmu.
Vplyv aktivátorov link
Aktivácia, teda zvýšenie činnosti enzýmu, prebieha viacerými spôsobmi. Jedným z nich je premena neaktívnej formy enzýmu, takzvaného proenzýmu (často označovaného aj ako zymogén), odštiepením časti jeho molekuly. Zvyčajne ide o odštiepenie ochrannej časti polypeptidového reťazca s nízkou molekulovou hmotnosťou, čím sa otvorí a uvoľní prístup substrátu priamo k aktívnemu miestu enzýmu. Typickým biologickým príkladom sú tráviace enzýmy (napríklad neaktívny pepsinogén sa až v žalúdku mení na aktívny pepsín). Organizmus ich produkuje v neaktívnej forme cielene preto, aby zabránil samovoľnému agresívnemu rozkladu vlastných buniek, ktoré ich tvoria.
Enzým môžeme aktivovať aj jeho chemickou modifikáciou (napríklad fosforylovaním) alebo pôsobením katiónov kovov (napríklad Zn²⁺, Mg²⁺). Enzým s kovom môže vytvoriť komplex, alebo sa kov len zúčastňuje reakcie enzýmu, prípadne sa môže naviazať priamo na substrát.
Alosterická aktivácia link
Alosterická aktivácia enzýmu znamená, že aktivátor sa naviaže na enzým mimo aktívneho centra na takzvané alosterické miesto. Týmto naviazaním sa nepriamo (cez zmenu konformácie) vytvoria vhodné priestorové podmienky na naviazanie substrátu do aktívneho miesta enzýmu.
Vplyv inhibítorov link
Inhibítory enzýmov sú látky, ktoré znižujú rýchlosť enzýmovej reakcie, alebo ju úplne zastavujú. Inhibícia môže byť:
- vratná (reverzibilná) – keď po odstránení inhibítora enzým opäť obnoví svoju aktivitu
- nevratná (ireverzibilná) – keď inhibítor spôsobí trvalú zmenu enzýmu a jeho aktivitu už nemožno nijako obnoviť
Poznáme niekoľko typov inhibície:
- kompetitívna (konkurenčná) inhibícia
- nekompetitívna inhibícia
- nevratná inhibícia (otrava enzýmu)
- alosterická inhibícia
Kompetitívna (konkurenčná) inhibícia link
Kompetitívna inhibícia znamená, že inhibítor a substrát si navzájom konkurujú o naviazanie sa na aktívne centrum enzýmu. Enzým je pritom úplne špecifický pre obidve tieto látky, čo znamená, že inhibítor a substrát musia mať veľmi podobnú chemickú štruktúru. Tento typ inhibície je vratný, pretože obrovským nadbytkom substrátu dokážeme túto inhibíciu odstrániť (substrát inhibítor „vytlačí“ z aktívneho miesta).
Nekompetitívna inhibícia link
Nekompetitívna inhibícia sa na rozdiel od kompetitívnej nedá odstrániť pridaním nadbytku substrátu. Inhibítor sa totiž neviaže na aktívne centrum, ale na iné miesto na enzýme. Týmto naviazaním vyvolá zmenu priestorového tvaru (konformácie) aktívneho centra na neaktívne, čím znemožní naviazanie substrátu.
Nevratná inhibícia (Otrava enzýmu) link
Zvláštnym typom je nevratná inhibícia, pri ktorej sa inhibítor naviaže priamo na aktívne centrum enzýmu silnou, najčastejšie kovalentnou väzbou a vytvorí trvalo neaktívny komplex. Enzým je tak definitívne znefunkčnený (otrávený). Takto pôsobia mnohé prudké jedy, napríklad kyanid, ktorý nevratne blokuje kľúčové dýchacie enzýmy v bunkách.
Alosterická inhibícia a spätná väzba link
Alosterická inhibícia je principiálne zhodná s alosterickou aktiváciou. Inhibítor sa naviaže na alosterické centrum (nachádzajúce sa mimo aktívneho centra enzýmu), pričom spôsobí zmenu priestorovej konformácie povrchovej štruktúry enzýmu, a tým logicky aj zmenu tvaru samotného aktívneho centra. Takto zmenený enzým nemôže ďalej viazať substrát.
V biológii má alosterická inhibícia obrovský význam pri takzvanej spätnoväzbovej inhibícii (feedback regulácii). Funguje ako regulačný mechanizmus celých metabolických dráh – koncový produkt dlhej série reakcií pôsobí ako alosterický inhibítor pre úplne prvý enzým tejto dráhy. Keď bunka vyrobí dostatok produktu, reakcia sa sama zastaví. Keď sa produkt spotrebuje, enzým sa opäť uvoľní a výroba sa spustí.
Klasifikácia enzýmov link
Základným kritériom klasifikácie enzýmov je typ reakcie, ktorú daný enzým katalyzuje. Na označenie enzýmov používame triviálne alebo systémové názvoslovie. Triviálny názov sa zvyčajne utvorí z názvu substrátu, ktorý do reakcie vstupuje, a prípony -áza (napríklad enzým maltáza katalyzuje hydrolýzu disacharidu maltózy na dve molekuly glukózy, zatiaľ čo glykánsyntetázy katalyzujú syntézu polysacharidov spájaním monosacharidov do dlhších reťazcov).
Systémový názov enzýmu je zložený z názvu typu reakcie, ktorú katalyzuje, a prípony -áza. Podľa tohto kritéria zaraďujeme biokatalyzátory do šiestich hlavných tried:
| Skupina enzýmov | Pôsobenie | Všeobecná chemická rovnica | Príklad |
| oxidoreduktázy | prenos elektrónov a protónov H+ pri redoxných reakciách | \ce{A_{reduk.} + B_{oxid.} <=> A_{oxid.} + B_{reduk.}} | etanol ↔ acetaldehyd |
| transferázy | prenos charakteristickej skupiny medzi dvoma substrátmi | \ce{A–B + C <=> A + B–C} | ATP + glukóza ↔ glukóza-6-fosfát |
| hydrolázy | hydrolytické štiepenie substrátov | \ce{A–B + H2O <=> A–H + B–OH} | triacylglycerol ↔ glycerol + mastné kys. |
| lyázy (syntázy) | nehydrolytické štiepenie väzieb | \ce{A + B <=> A–B} | dekarboxylácia aminokyselín |
| izomerázy | vzájomné premeny izomérov | \ce{A <=> IzoA} | glukóza-6-fosfát ↔ fruktóza-6-fosfát |
| ligázy (syntetázy) | syntéza dvoch substrátov v prítomnosti ATP | \ce{A + B + ATP <=> A–B + ADP + P_{anorg}} |
