Enzymy (katalýza biochemických reakcí) Enzymy (fermenty) *Biokatalyzátory chemických reakcí (globulární proteiny) *Ve velmi malých množstvích specificky urychlují průběh chemických reakcí tak, že snižují jejich aktivační energii *Neovlivňují rovnovážnou konstantu (K) rce *Základem enzymů jsou molekuly proteinů *Adsorpce látek na enzym je velmi specifická *Látka se na povrchu enzymu orientuje tak, aby mohla proběhnout enzymatická reakce ¯Ne všechny enzymy jsou jednoduché proteiny ¯ Koenzym – neproteinová organická součást enzymu Apoenzym – proteinová část enzymu Proenzym (zymogen) – prekurzor enzymu (např. trypsinogen) *S výchozí látkou (substrátem) tvoří enzym labilní meziprodukt, který se posléze samovolně rozpadá na produkt reakce a regenerovaný katalyzátor Na vytvoření meziproduktu substrát-katalyzátor je zapotřebí podstatně méně energie, než na průběh nekatalyzované reakce *Katalyzátory snižují aktivační energii chemických reakcí *Katalytickou činnost enzymů umožňuje adsorpce molekul z roztoku na jejich povrch *Aktivita enzymu – schopnost enzymu urychlit průběh určité reakce, tj. přeměňovat substrát na produkt v závislosti na čase Enzymatická reakce probíhá v několika stupních: • Tvorba komplexu enzym-substrát: E + S D ES • Aktivace komplexu ES: ES  ES* • Chemická přeměna substrátu, přičemž vzniká komplex enzym-produkt: ES* D EP • Oddělení enzymu od reakčního produktu: EP  E + P Aktivní (katalytické) centrum enzymu *Skupina atomů na povrchu molekuly enzymu, na které se váže substrát *Nejčastěji několik zbytků aminokyselin s reaktivními skupinami ve vedlejších řetězcích *Vytváří prostorové a vazebné podmínky pro navázání substrátu a jeho aktivaci pro určitou reakci *Vazba aktivního centra na substrát je vysoce specifická *U mnoha enzymů nestačí samotné aktivní centrum pro vazbu substrátu " substrát se váže i prostřednictvím koenzymu, který zde hraje roli aktivátora *Aktivátor – je látka, která jakýmkoliv způsobem zvyšuje katalytickou schopnost enzymu *Isoenzymy (isozymy) – různé formy určitého enzymu, lišící se primární strukturou, ale katalyzující stejnou reakci Specificita enzymů *Specificita účinku – enzym katalyzuje pouze jednu z několika termodynymicky možných přeměn substrátu *S.Ú. určuje především koenzym *Substrátová specificita – schopnost určitého enzymu katalyzovat přeměnu pouze určitého substrátu *S.S. určuje apoenzym (aktivní centrum) *S.S. může být úzká (enzym má pouze jeden substrát) nebo široká (enzym katalyzuje přeměnu několika chemicky příbuzných substrátů) Činitelé ovlivňující aktivitu enzymů *Fyzikálněchemické podmínky reakčního prostředí ve kterém enzymatické reakce probíhají (T, pH, I, C[M] subst.) *Teplota – při jejím zvyšování se obecně zvyšuje rychlost enzymové reakce - současně se ale zvyšuje rychlost degradace enzymu - při snižování teploty se zvyšuje viskozita prostředí " zhoršená difúze substrátu k enzymu - optimální teplota většiny enz. rcí je 22 – 45 °C *pH - optimum pH znamená takovou koncentraci H[3]O^+ iontů, která je optimální pro vznik vazby mezi enzymem a substrátem, protože při něm jsou funkční skupiny aktivního centra, příp. substrátu, v nejvhodnějším disociačním stavu pro vazbu Inhibitory enzymů *Látky, které snižují nebo úplně zastavují rychlost enzymatické reakce (enzymové jedy) *Jsou to sloučeniny, které reagují s některou důležitou složkou prostetické skupiny (H[2]S, HCN s Cu či Fe v prostetické skupině oxidáz) nebo proteinové části enzymu *Inhibice reverzibilní – inhibitor lze z enzymu odstranit (např. dialýzou) a aktivita enzymu se obnoví *Inhibice ireverzibilní – aktivitu enzymu nelze žádným zásahem obnovit *Kompetitivní inhibice – enzym není absolutně specifický pouze pro substrát, ale reaguje i s inhibitorem (kompetice) *Nekompetitivní inhibice – závisí pouze na koncentraci inhibitoru (čím je vyšší, tím je inhibice větší) *Akompetitivní inhibice – inhibitor se navazuje na komplex enzym-substrát, nikoli na samotný enzym *Alosterická inhibice – spočívá ve vzniku vazby mezi inhibitorem (alosterický efektor) a tzv. alosterickým centrem, které není totožné s aktivním (katalytickým) centrem - vazbou alosterického efektoru dojde ke vzniku konformačních změn v povrchové struktuře enzymu, který ztrácí schopnost vázat substrát Enzymy v živé buňce *Většina enzymů je v buňce vázána na buněčné struktury (lysosomy, mitochondrie, ribosomy, membrány,…) *Enzymy jsou v buňce umístěny tak, že umožňují vznik metabolických drah (enzym a zpracová produkt enzymu b) *Regulace aktivity enzymů podle aktuálních fyziologických potřeb buňky probíhá nejčastěji mechanismem: prezymogen → zymogen → aktivní enzym *Potenciální soubor enzymů – všechny enzymy, které je buňka schopna produkovat (pro každou buňku typický) *Aktuální soubor enzymů – enzymy, které buňka za daných podmínek vlastní (závisí na vlivech okolního prostředí) *Konstitutivní enzymy – buňka tvoří za všech podmínek, pro život buňky nezbytné *Induktivní enzymy – buňka tvoří jako odpověď na stimulaci z vnějšího prostředí (obyčejně specifický substrát), nejsou pro život buňky nezbytné *Enzymová indukce Ø je základní adaptační mechanismus, který umožňuje buňce regulovat svůj metabolismus - z fyziologických stimulů mají na enzymovou indukci největší vliv hormony Ø Př.: Farmaka – dokáží indukovat zvýšení tvorby specifických enzymů účastnících se na detoxikaci organismu (např. indukce oxigenáz jaterními buňkami) *Regulovatelnost funkce enzymů: Ø Na úrovni genomu (indukce, represe) Ø Na úrovni enzymu (allosterický efekt, kovalentně) Ø Proteolyticky (prekurzory - zymogeny) Enzymy jako makromolekuly * Enzymy musí být makromolekuly – biokatakatalytickou fci nemohou vykonávat nízkomolekulární látky z důvodů vlastností, které musí biokatalyzátory splňovat: • Shromažďují substráty a nutí je navázat se ve vhodné prostorové orientaci na aktivní místo • Vlastní kyselé i zásadité skupiny, které umožňují přenos H^+ protonu do substrátu • Některé enzymové skupiny (nukleofilní) mohou vytvářet kovalentní vazby se substrátem ª vznikají reaktivnější strukury • Enzymy dokáží indukovat zkroucení nebo napnutí molekuly substrátu, čímž se v ní změní vazebné síly mezi jednotlivými atomy *Všechny tyto vlastnosti vyplývají z trojrozměrné struktury aktivního místa, v kterém se vyskytuje několik specifických aminokyselinových jednotek *Jejich poloha musí být přesná, správně orientovaná, dostatečně pevná, ale zároveň musí dovolovat určité přesně definované konformační změny po vazbě substrátu *Každý enzym vytváří pro substráty určité mikroprostředí, v kterém se mohou uskutečňovat jejich přeměny *Nebílkovinné složky enzymů: ^Ø Dvojmocné kationty: Zn^2+, Mg^2+, Mn^2+, Cu^2+, Ca^2+ Ø Koenzymy (vztah k vitaminům) – připojeny nekovalentně Ø Prostetická skupina (hem) – vázána kovalentně Ø Nezbytné pro mechanismus účinku některých enzymů Klasifikace enzymů • Oxidoreduktázy Ø Katalyzují různé redoxní rce nejčastěji s využitím koenzymů jako např. NADH, NADPH, FADH[2] nebo hemu Ø Triviální názvy v této třídě: dehydrogenázy, oxidázy, cytochromy, peroxidáza, kataláza • Transferázy Ø Katalyzují přenos skupin: amino-, metyl-, acyl-, glykosyl-, fosforyl-, Ø Kinázy katalyzují přenos fosfátové skupiny z ATP nebo jiných nukleosidtrifosfátů Ø Triviální názvy v této třídě: aminotransferázy (transaminázy), acyltransferázy, fosfotransferázy • Hydrolázy Ø Katalyzují štěpení vazeb mezi atomem uhlíku a jinými atomy prostřednictvím spotřebované molekuly H[2]O Ø Obvyklé triviální názvy: esterázy, peptidázy, amylázy, fosfatázy, lipázy, proteázy (pepsin, trypsin, chymotripsin) • Lyázy Ø Katalyzují, adiční rci na dvojné vazbě nebo eliminační rci mezi 2 atomy C za vzniku dvojné vazby Ø Příklady: karbonátdehydratáza (karboanhydráza), aldoláza, citrátlyáza, dekarboxylázy • Izomerázy Ø Katalyzují racemizaci optických izomerů nebo vytvoření polohových izomerů: epimerázy, racemázy, mutázy • Ligázy Ø Katalyzují tvorbu vazeb mezi uhlíkem a jinými atomy spojenou se štěpením ATP (spřažení exergonické a endergonické rce): karboxylázy, syntetázy (glutaminsyntetáza) Koenzymy *Názvy koenzym (kofaktor) a prostetická skupina se používají k označení výpomocných nízkomolekulárních látek, které podmiňují katalytické působení enzymu *Prostetická skupina – váže se kovalentně na enzym *Koenzym - váže se nekovalentně na enzym *Mnohé z koenzymů jsou v podstatě vitaminy (buď čistě nebo jako součást koenzymu) *Víceré koenzymy obsahují kyselinu fosforečnou, často spolu s monosacharidem (ribóza) a některou zásadou, takže tvoří nukleotidy *Nikotinamidové nukleotidy (NAD, NADP) Ø (amid kyselina nikotinové + riboza + 2 (3) fosfáty + adenin) Ø Nejdůležitější přenašeče vodíku při biologické oxidaci *Flavinové nukleotidy (FMN, FAD) Ø (riboflavin-5-fosfát) Ø Účastní se přenosu vodíku a elektronů (oxidačně-redukční rce) *Ubichinon (koenzym Q) Ø (p-chinonové jádro ªREDUKCEª p-difenolové jádro) Ø Účastní se oxidačně-redukčních rcí ve všech živých organismů *Deriváty porfyrinu Ø Spolu se železem ª prostetické skupiny enzymů Ø Zajišťují přenos elektronů (Fe^3+  Fe^2+) *Adenozinfosfáty Ø Základní donory a akceptory H[3]PO[4] ve všech živých systémech Ø Molekuly ATP mohou přenášet různé části a aktivovat tak příslušné sloučeniny pro potřebné rce: Ø Cyklický AMP (cAMP) jako tzv. druhý posel přenáší dovnitř buňky signály hormonů *Koenzym A Ø Účinná složka transacyláz přenášejících zbytky karboxylových kyselin (acetylkoenzym A – přenos acetylových skupin) *Koenzym F (formylační) Ø Účinná složka enzymů přenáčejících jednouhlíkové zbytky Ø Biosyntéza purinových a pyrimidinových zásad a aminokys *Thiaminpyrofosfát Ø Koenzym lyáz při dekarboxylačních a karboxylačních rcích (tzv. kokarboxyláza) Ø Přenos aktivního acetaldehydu a aktivního glykolaldehydu *Pyridoxal-5-fosfát Ø Koenzym transamináz přenášejících aminoskupinu mezi aminokyselinami a ketokyselinami Ø Koenzym (lyáz) dekarboxyláz aminokyselin *Biocytin Ø Prostetická skupina enzymů katalyzujících přenos CO[2] (karboxylační procesy) *Koenzym B12 (5- deoxyadenozylkobalamin) Ø Jako součást komplexu enzymů katalyzuje 1ª2 přesun atomu H (spojeno s 2ª1 přesunem jiné skupiny) *Metylkobalamin Ø Koenzym přenášející metylovou skupinu z kyseliny tetrahydrolistové na některé akceptorové molekuly *Kyselina askorbová – hydroxylace prolinu na hydroxiprolin *UDP-glukóza – biosyntéza sacharozy *CTP – biosyntéza fosfolipidů *Glukóza-1,6-bisfosfát – koenzym fosfoglukomutázy *Kyselina 2,3-bisfosfo-D-glycerová – koenzym fosfoglyceromutázy