Enzymy (z řeckého „enzyme“ = v kvasnicích) jsou látky působící jako biokatalyzátory, tzn. že jsou podmínkou průběhu biochemických přeměn v živých organismech. Mají vysokou účinnost (působí už v nepatrném množství, a jejich nepatrné množství stačí, protože se reakce zúčastňují jen dočasně a nejsou zabudovány do výsledné sloučeniny. Působí specificky, tzn. že působí pouze v určitém typu reakce. Enzymy se vyskytují v živočišných i rostlinných organismech i mikroorganismech. Aktivita enzymů závisí na řadě podmínek (zejména na koncentraci substrátu, teplotě, pH, aktivátorech a inhibitorech).
Co je to vazba mezi enzymem a substrátem
Substrát se váže na povrch enzymu do aktivního centra, kde probíhá samotná biochemická reakce. Aktivní centrum je tvořeno aminokyselinovými zbytky s funkcí vázat reaktivní části molekuly substrátu. Na vazbě mezi enzymem a substrátem se podílejí nevazebné interakce (H-můstky, elektrostatické a hydrofobní interakce, van der Waalsovy síly). Původní model interakce, tzv. „lock and key“, předpokládal, že molekula substrátu přesně zapadá do molekuly enzymu; později Koshland navrhl myšlenku konformační změny místa, na něž se váže substrát. Přesného tvaru zámku a klíče se tedy dosáhne až po navázání.
Struktura enzymů a koenzymy
Enzymy jsou látky bílkovinné povahy. Jednoduché enzymy obsahují pouze bílkovinnou část, zatímco složené enzymy obsahují i nebílkovinnou složku - apoenzym a kofaktor. Celý složený enzym se nazývá holoenzym. Některé enzymy potřebují pro činnost nebílkovinné látky zvané koenzymy, které mohou být součástí enzymu (1) nebo volně v buňce (2). Koenzymy plní funkci donorů či akceptorů protonů, elektronů či dalších funkčních skupin, často bývají vitamíny ve formě esteru s H3PO4.
Rychlost a kinetika enzymových reakcí
Rychlost enzymových reakcí závisí na množství substrátu a enzymu, teplotě, pH, aktivátorech a inhibitorech. Při vysoké teplotě může dojít k denaturaci a ztrátě aktivity. KM (Michaelisova konstanta) vyjadřuje afinitu substrátu k enzymu; z Lineweaver-Burkova grafu se odvodí vmax a kinetika reakce. V živých organismech probíhají reakce rychleji než in vitro, protože enzymy umožňují průběh reakcí za podmínek neutrálního pH a nižších teplot.
Klasifikace enzymů a jejich specifita
Enzymy lze rozdělit do 6 tříd dle typu katalyzované reakce: oxidoreduktázy, transferázy, hydrolasy, lyázy, izomerázy a ligasy. Každý enzym má specifickou reakci a často i substráty; některé jsou stereospecifické. Z hlediska názvosloví se názvy enzymů odvozují od substrátu a typu reakce s koncovkou -asa; např. oxalát dekarboxylasa. Názvosloví a klasifikace umožňují identifikaci enzymů v biochemických procesech a diagnostice.
Enzymová specifita a příklady
Enzym obecně katalyzuje jen jeden typ reakce a často reaguje jen s určitým substrátem (substrátová specifita). Některé enzymy katalyzují reakce několika podobných substrátů s různou afinitou (KM). Příkladem je karboxypeptidáza B, která hydrolyzuje peptidy z karboxylového konce. Dále
Vazba enzym substrat: Klíčové aspekty biokatalýzy v živých organismech
Enzymy, označované také jako biokatalyzátory, jsou nezbytné látky působící jako biokatalyzátory, tzn. že jsou podmínkou průběhu biochemických přeměn v živých organismech. Mají vysokou účinnost, neboť působí už v nepatrném množství, protože se reakce zúčastňují jen dočasně a nejsou zabudovány do výsledné sloučeniny. Působí specificky, tzn. že působí pouze v určitém typu reakce. Enzymy se vyskytují jak v živočišných, tak rostlinných organismech i mikroorganismech.
Struktura a vlastnosti enzymů
Enzymy jsou látky bílkovinné povahy. Jestliže je určitý enzym tvořený pouze bílkovinou, označuje se jednoduchý (jednosložkový) enzym. Pokud je v enzymu kromě bílkovinné části obsažena i jiná složka, hovoříme o složeném (dvousložkovém) enzymu, přičemž bílkovinná část se označuje apoenzym a nebílkovinná složka kofaktor. Celý složený enzym je označován za holoenzym.
Vyskytování a rozdělení enzymů
Enzymy se nacházejí v živočišných i rostlinných organismech, stejně jako v mikroorganismech. Asiatický počet enzymů v lidském těle je přibližně 3000 druhů. Jsou nepostradatelné při metabolických procesech, při nichž se rozkládají nebo vytvářejí tuky, sacharidy a bílkoviny, a také se podílejí na regulaci řady dalších dějů v organismu.
Podmínky a faktory ovlivňující aktivitu enzymů
Aktivita enzymů závisí na řadě podmínek, především na koncentraci substrátu, teplotě, pH, aktivátorech a inhibitorech. Vzhledem k tomu, že se jedná o bílkoviny, dochází působením vysokých teplot k jejich inaktivaci - denaturaci. Některé enzymy vyžadují ke své katalytické činnosti další látku, tzv. kofaktor, který je důležitý pro jejich správné fungování. Při změnách teploty či pH mohou enzymy ztratit svou aktivitu nebo se inaktivovat.
Spektrum enzymů podle substrátu a funkce
V organismu jsou enzymy označovány také podle typu reakce, kterou štěpí nebo katalyticky ovlivňují. Například lipázy štěpí tuky, proteinázy rozkládají bílkoviny, glykosidázy obecně sacharidy, amylázy škroby, celulázy celulózu, a laktáza štěpí laktózu.
Vztah aktivity enzymu ke koncentraci substrátu a dalších podmínkách
Reakční rychlost enzymové reakce závisí především na koncentraci substrátu a enzymu, stejně tak na teplotě a pH. Rostoucí teplota zvyšuje efektivitu reakce do určitého bodu, kdy dochází k denaturaci enzymu. Optimální pH pro enzymy v organismu je většinou neutrální, avšak některé, například pepsin, mají specifické optimální hodnoty pH.
Velký vliv na rychlost reakce mají aktivátory, které urychlují průběh, a inhibitory, které jeho účinnost snižují. Inhibice enzymů je klíčovým mechanismem regulace metabolických drah a je základem například působení mnoha léků.
Typy inhibice enzymů
Rozlišujeme kompetitivní inhibici, kdy inhibitor soutěží s substrátem o aktivní centrum enzymu a vazba je vratná, a nekompetitivní inhibici, kdy se inhibitor váže mimo aktivní centrum a mění konformaci enzymu, čímž blokuje jeho aktivitu. Inhibitor může být i nevratný, například prostřednictvím kovalentní modifikace enzymu.
Aktivace enzymů a jejich klasifikace
Aktivace enzymů může nastat například díky iontům kovů, které zvyšují katalytickou schopnost. Enzymy jsou klasifikovány do šesti hlavních tříd podle typu katalyzované reakce, například oxidoreduktasy, transferasy, hydrolasy, lyasy, izomerasy a ligasy.
Interakce enzymu s substrátem a modelem zámku a klíče
Substrát interaguje s enzymem v aktivním místě. Podle modelu zámku a klíče, vytvořeného Emilem Fischerem, přesně zapadá do enzymu a tvoří specifický komplex. Novější teorie naznačuje, že substrát indukuje konformační změnu, která umožní správné navázání.
Kinetika enzymových reakcí
Rychlost enzymové reakce je při nízkých koncentracích substrátu přibližně lineární, avšak při vysoké koncentraci dojde k nasycení vazebných míst, což vede k dosa
Vazba enzym substrat: principy, struktura a regulace
Enzymy (z řeckého „enzyme“ = v kvasnicích) jsou látky působící jako biokatalyzátory, tzn. že jsou podmínkou průběhu biochemických přeměn v živých organismech. Mají vysokou účinnost (působí už v nepatrném množství, a jejich nepatrné množství stačí, protože se reakce zúčastňují jen dočasně a nejsou zabudovány do výsledné sloučeniny. Působí specificky, tzn. že působí pouze v určitém typu reakce. Enzymy se vyskytují v živočišných i rostlinných organismech i mikroorganismech. Aktivita enzymů závisí na řadě podmínek (zejména na koncentraci substrátu, teplotě, pH, aktivátorech a inhibitorech).
Vzhledem k tomu, že se jedná o bílkoviny, dochází působením vysokých teplot k jejich inaktivaci (denaturace). Některé enzymy vyžadují ke své katalytické činnosti další látku, tzv. - transferázy přenášejí různé funkční skupiny (např. - ligázy způsobují spojení dvou molekul). Kromě tohoto třídění jsou enzymy označovány také podle toho jaký substrát štěpí: lipázy štěpí tuky, proteinázy štěpí bílkoviny, glykosidázy štěpí sacharidy, amylázy štěpí škroby, celulázy štěpí celulózu, laktáza štěpí laktózu apod.
V lidském organismu je asi 3000 různých druhů enzymů. Jsou nepostradatelné především při metabolických procesech, při nichž se rozkládají nebo vytvářejí tuky, sacharidy a bílkoviny, ale také se nejrůznějším způsobem podílejí na regulaci řady dalších procesů v organismu.
Enzym-substrát: místo a síla vazby
Substrát se váže na povrch enzymu, do místa zvaného aktivní centrum, kde probíhá samotná biochemická reakce. Aktivní centrum je tvořeno aminokyselinovými zbytky, které mají schopnost vázat reaktivní části molekuly substrátu. Na vazbě mezi enzymem a substrátem se podílejí nevazebné interakce (H-můstky, elektrostatické a hydrofobní interakce, van der Waalsovy síly).
Komplex enzym-substrát se následně rozpadá za současného uvolnění produktů reakce. Pro lepší představu je možné aktivní centrum enzymu přirovnat k zámku, do kterého pasuje pouze ten správný klíč (substrát). Aby se "dveře odemkly" - enzymová reakce proběhla - musí "klíč zapadnout do zámku".
Kofaktory a apoenzymy
Některé enzymy potřebují pro svoji činnost nebílkovinné látky zvané koenzymy. Ty mohou být na začátku reakce buď již součástí enzymu (1), anebo se mohou vyskytovat volně v buňce a do reakce vstupovat společně se substrátem (2). Koenzymy plní funkci dárce (donora) či příjemce (akceptora) protonů p+, elektronů e- či celých funkčních skupin. Koenzymy jsou často vitamíny ve formě esteru s kyselinou fosforečnou H3PO4.
Celý složený enzym je označován za holoenzym. Pokud enzym obsahuje pouze bílkovinnou část, mluvíme o apoenzymu; pokud je v něm ještě nebílkovinná složka, hovoříme o kofaktoru. Kofaktor společně s apoenzymem tvoří aktivní molekulu enzymu.
Činnost a rychlost enzymů
Na začátku reakce se enzym váže s látkami vstupujícími do reakce (substráty) a vytváří se komplex enzym-substrát. Aktivní centrum je tedy místem, kde probíhá samotná biochemická reakce. Některé koenzymy mohou být na začátku reakce součástí enzymu (1), anebo volně v buňce a do reakce vstupovat společně se substrátem (2).
Rychlost enzymových reakcí ovlivňuje množství substrátu, množství enzymu, teplota, pH, aktivátory a inhibitory. Pro porovnávání rychlostí se zavádí jednotka katal, která udává množství enzymu potřebné pro přeměnu 1 molu substrátu за 1 sekundu. V praxi se častěji používá jednotka U = 1 μmol za 1 min.
Optimální teplotní rozsah pro reakce v živých organismech bývá zhruba 10-40 °C. Při teplotách nad 55-60 °C dochází k denaturaci bílkovin a poklesu aktivity. Hodnota pH má rovněž klíčový vliv; většina enzymů pracuje při neutrálním pH, s výjimkou některých enzymů like pepsin, které vyžadují kyselé prostředí.
Specifita a klasifikace enzymů
Enzymy mají substrátovou specifitu. Enzym obecně katalyzuje jeden typ reakce a mnohé jsou stereospecifické. V chemické klasifikaci se enzymy dělí podle typu reakce na šest tříd (oxidoreduktasy, transferasy, hydrolasy, lygasy, izomerasy a ligasy). Každá třída zahrnuje podtřídy a specifikační mechanismy, často s kofaktory a koenzymy.
Oxidoreduktázy katalyzují redoxní reakce; transferasy se podílejí na přenosu různých skupin; hydrolasy štěpí substráty hydrolytickým způsobem; lyasy štěpí vazby bez vody; izomerasy zprostředkovávají izomerické změny; ligasy spojují molekuly za použití energie z ATP.
Kinetyka a Michaelisova konstanta
Rychlost enzymových reakcí v závislosti na koncentraci substrátu bývá popsána kinetikou, často s použitím Michaelisovy konstanty KM. KM je koncentrace substrátu, při které je rychlost reakce poloviční vzhledem k vmax. Grafické vyjádření ukazuje hyperbolickou závislost; nicméně praxe používá Lineweaverův-Burkův dvojitě reciproční graf pro přesnější odhad KM a vmax.
Koncentrace substrátu a enzymu, stejně jako teplota a pH, mohou ovlivnit Km a vmax. Vysoké teploty mohou denaturovat enzymy a snížit jejich aktivitu, nízké teploty rovněž zpomalují reakce. Enzymy jsou citlivé i na změny pH, které mohou ovlivnit denaturaci a ionizaci skupin v aktivním místě.
Regulace a inhibice enzymů
Inhibice enzymů je klíčovým mechanismem regulace metabolických drah. Mezi hlavní typy patří kompetitivní inhibice, where inhibitor soutěží s substrátem o aktivní místo, a nekompetitivní inhibice, kdy inhibitor váže mimo aktivní místo a mění konformaci enzymu. Kompetitivní inhibice neovlivňuje vmax, ale vyžaduje vyšší koncentraci substrátu k překonání inhibice.
Nekompetitivní inhibice zmenšuje vmax a často i KM, ale změna není kompenzována vyšším množstvím substrátu. V průběhu nevratné inhibice dochází ke kovalentní modifikaci molekuly enzymu a snižuje se celkové množství aktivních enzymů. Allosterické enzymy mohou mít modulátory, které se váží na allosterické místo a vyvolávají konformační změny ovlivňující afinitu k substrátu. Homotropní modulační aktivátory jsou zároveň substrátem; heterotropní modulátory a substrát jsou odlišné molekuly.
V praxi se aktivita enzymů měří v tekutinách (např. plazmě) a slouží k diagnostice místa a rozsahu poškození tkání. Některé enzymy jsou specifické pro určité buněčné kompartmenty a slouží jako markery např. cytochromoxidáza pro mitochondrie. Zastoupení enzymů v orgánech a jejich izoenzymy poskytují informace o funkčnosti tkání a metabolismu.
V některých případech jsou enzymy produkovány v zymogenech (proenzymy) a aktivují se teprve na místě, kde jejich aktivita je požadována. Hlavní buňky žaludeční sliznice mohou sekretovat pepsinogen, který se aktivuje na pepsin díky koncentraci HCl. Poté, co se aktivuje, enzymy zůstávají aktivní jen po potřebnou dobu a mohou být inaktivovány či vyřazeny z proteolytické cesty.