Enzymy Enzymy jsou bílkoviny, které působí jako biologické katalyzátory. Podobně jako ostatní katalyzátory snižují aktivační energii chemické reakce a tím urychlují její průběh. Enzymy neovlivňují hodnotu rovnovážné konstanty reakcí, pouze způsobují, že systém dosáhne rovnováhy rychleji. Účinkem enzymů jsou tak umožněny děje, které by jinak za normálních teplot vůbec neprobíhaly. Většina reakcí probíhajících v živých organismech probíhá za účasti enzymů. Látky, které podléhají přeměnám v enzymových reakcích, se nazývají substráty. Při enzymové reakci se substrát (S) přechodně váže k enzymu (E) za vzniku komplexu enzym-substrát (ES). E + S D ES " E + P K vazbě substrátu na enzym dochází v tzv. aktivním centru, což je specifická oblast bílkovinného řetězce, která vzniká přiblížením postranních skupin určitých aminokyselin (v řetězci často i dosti vzdálených). Vazba mezi enzymem a substrátem v aktivním centru je zpravidla nekovalentní (vodíkové můstky, elektrostatické a hydrofobní interakce), zřídka může být i kovalentní. V aktivním centru dochází k místnímu zvýšení koncentrace substrátů a jejich optimální orientaci, což vede ke zvýšení reakční rychlosti. Po skončení reakce je produkt (P) uvolněn z aktivního místa enzymu. Katalytický účinek některých enzymů závisí také na neproteinové složce, nazývané obecně jako kofaktor. Kofaktory pevně vázané na strukturu enzymů se označují jako prostetické skupiny (např. ionty kovů Mn^2+, Mg^2+, FMN, FAD), kofaktory vázané volněji jako koenzymy (např. NADH). Kofaktory jsou často deriváty vitaminů. Enzymy jsou vysoce specifické, katalyzují vždy pouze určitý typ chemické přeměny, působí specificky na jediný substrát (nebo na skupinu strukturně blízce příbuzných látek). Enzymy jsou regulovatelné. Řízenou proteosyntézou může být ovlivněno množství enzymu, které má buňka k dispozici a tím i množství produktů enzymové reakce. Další úroveň regulace enzymové aktivity spočívá v aktivaci a inaktivaci enzymů (např.působením aktivátorů a inhibitorů, částečnou proteolýzou, kovalentní modifikací). Názvosloví enzymů V názvosloví enzymů se nejvíce uplatňují triviální názvy. Jsou nejčastěji utvořeny připojením koncovky –asa k názvu substrátu (amylasa, lipasa, sacharasa), případně je v názvu zahrnut i typ katalyzované reakce (laktátdehydrogenasa, pyruvátdekarboxylasa). U některých enzymů přetrvávají názvy historické, např. trypsin, pepsin, trombin, rennin). V současné době je vypracován zcela jednoznačný systém nomenklatury enzymů Mezinárodní biochemickou unií (IUB). Pro každý enzym je zde uveden systémový název a doporučený triviální název. Např. enzym katalyzující transaminační reakci mezi alaninem a 2-oxoglutarátem má systémový název L-alanin:2-oxoglutarát-aminotransferasa, jeho doporučený název je alaninaminotransferasa. Rozdělení enzymů Podle zásad nomenklatury IUB se enzymy se rozdělují do základních tříd, z nichž každá má své podtřídy. Každý enzym má své kódové číslo (EC), ze kterého plyne jeho zařazení do třídy, podtříd a jeho specifické označení. V následujícím přehledu je uvedeno zjednodušené rozdělení enzymů do 6 hlavních tříd, podle typu katalyzované reakce. 1. Oxidoreduktasy katalyzují oxidačně redukční reakce. Přenášejí vodík, elektrony, případně vestavují do molekul substrátu kyslík. 2. Transferasy přenáší skupiny atomů z jednoho substrátu na druhý. Na základě charakteru přenášených skupin se rozdělují do podtříd např. aminotransferasy, acyltransferasy, fosfotransferasy atd. 3. Hydrolasy katalyzují hydrolytické štěpení substrátů. Podtřídy se označují podle typu štěpené vazby, např. esterasy, glykosidasy, peptidasy. K hydrolasám patří většina trávicích enzymů, např. pepsin, trypsin jsou peptidasy, dále amylasa, sacharasa, maltasa jsou glykosidasy a lipasy jsou esterasy. 4. Lyasy katalyzují nehydrolytické odštěpení malé skupiny ze substrátu nebo adici malé skupiny na dvojnou vazbu. Při těchto reakcích se štěpí nebo tvoří vazby C-C (např. dekarboxylasy nebo karboxylyasy), vazby C-O (např. karbonátdehydratasa) nebo vazby C-N. (V případě, že katalyzují syntézu větší molekuly ze dvou menších se označují také jako synthasy). 5. Isomerasy katalyzují intramolekulární přesuny vazeb nebo skupin v substrátech (dochází k tzv. isomeraci substrátů). Na základě typu isomerace se dělí do podtříd např. epimerasy, racemasy, cis-trans isomerasy. 6. Ligasy (synthetasy) katalyzují vznik vazby mezi dvěma substráty za současné hydrolýzy ATP, která poskytuje energii pro vznik nové vazby. Aktivita enzymů Při analýze biologického materiálu je často potřeba vyjádřit množství enzymu, které je v něm obsažené. Poněvadž koncentrace enzymů jsou obecně velmi nízké, není běžnými metodami možné zjistit jejich látkovou nebo hmotnostní koncentraci. Namísto koncentrace se uvádí tzv. katalytická aktivita enzymu, která hodnotí rychlost, jakou je v enzymové reakci přeměňován substrát na produkt. Jednotkou katalytické aktivity je katal (kat). Aktivita 1 kat odpovídá takovému množství enzymu, jehož účinkem se přemění 1 mol substrátu za 1 sekundu. V běžné praxi se používají jednotky menší např. mkat, nkat. Katalytická aktivita enzymů v biologických tekutinách se obvykle vztahuje na jednotku objemu např. mkat/l. Faktory ovlivňující rychlost enzymových reakcí Rychlost enzymové reakce může být ovlivňována řadou faktorů, k nejdůležitějším patří následující. Teplota. Rychlost enzymové reakce stoupá se zvyšující se teplotou (zvýšení teploty o 10 ^oC zvyšuje rychlost přibližně na dvojnásobek). Při vyšších teplotách se však začíná uplatňovat tepelná denaturace enzymu a při teplotách kolem 60 ^oC se většina enzymů stává inaktivními.Pro každý enzym existuje teplotní optimum, při kterém je aktivita enzymu je nejvyšší, pro enzymy lidského organismu je v oblasti kolem 37 ^oC. pH. Koncentrace H^+ iontů ovlivňuje disociaci ionizovatelných skupin enzymu a substrátu. Hodnota pH, při které enzym vykazuje nejvyšší aktivitu, se označuje jako pH optimum. Pro většinu enzymů leží jejich pH optimum v blízkosti neutrální oblasti. Výjimkou je např. pepsin v žaludku, jehož pH optimum je kolem 1,5. Koncentrace substrátu. Se zvyšující se koncentrací substrátu se zvyšuje rychlost enzymové reakce. Při dostatečně vysoké koncentraci substrátu dochází k nasycení enzymu substrátem a další zvyšování koncentrace substrátu již nemá na rychlost reakce vliv. Reakce pak probíhá maximální rychlostí (za dané koncentrace enzymu). Aktivace a inhibice. Katalytickou aktivitu enzymů může ovlivnit navázání některých nízkomolekulárních látek.. Aktivátory jsou látky zvyšující aktivitu enzymu, inhibitory aktivitu snižují. Jako aktivátory působí často ionty kovů (např.Mg^2+), jako inhibitory vystupují různorodé látky (např. sloučeniny podobné strukturou substrátům enzymů, ionty těžkých kovů). Vazba inhibitorů k enzymům může být vratná nebo nevratná. Účinek řady léčiv (např. sulfonamidy, acetylsalicylová kyselina, allopurinol) i toxických látek (např. kyanidy, oxid uhelnatý, ionty těžkých kovů) je založen na jejich inhibičním působení na některý enzym. Některé enzymy mohou být aktivovány i odštěpením části své molekuly. Neaktivní forma těchto enzymů ze označuje jako proenzym (zymogen), do aktivní formy se dostává odštěpením části peptidového řetězce. Tímto způsobem jsou aktivovány např.pepsin v žaludku, trypsin v tenkém střevě, enzymy kaskády krevního srážení a další. Aktivita některých enzymů může být ovlivněna také fosforylací (katalyzované proteinkinázami) nebo defosforylací (katalyzované proteinfosfatázami). Izoenzymy Některé enzymy se mohou vyskytovat ve více formách, které vykazují tentýž katalytický účinek. Liší se však některými fyzikálními a chemickými vlastnostmi (vlivem malých rozdílů v aminokyselinovém složení daném genetickým kódem). Tyto různé formy enzymu se nazývají izoenzymy. Lze je od sebe rozlišit fyzikálně-chemickými metodami (např. elektroforézou). Izoenzymy daného enzymu se často nachází v různých typech tkání, čehož se někdy užívá k diagnostickým účelům v lékařství. V klinické biochemii jsou běžné např. izoenzymy laktátdehydrogenasy, alkalické fosfatasy, kreatinkinasy.