Úvodní informace o enzymech

Historie poznávání enzymů

Biologické katalyzátory, jak se enzymům občas říká, jsou známy od 18. století, kdy byla popsána funkce žaludečních šťáv. Tehdy se enzymy nazývaly fermenty, protože byly využívány k výrobě potravin a nápojů v procesu fermentace. Tento pojem zavedl v roce 1787 Fabrony. O několik desítek let později (1834) napsal J. Berzelius, že v živočiších i rostlinách probíhají tisíce reakcí, které jsou katalyzovány. Pojem enzym zavedl v roce 1878 W. Kühne. V roce 1898 Duclaux navrhl a také prosadil, aby názvy enzymů končily na koncovku -áza.

Prvním popsaným enzymem byla v roce 1814 amyláza ze sladu, následovaly slinná amyláza a pepsin (1830 - 1840). V roce 1833 byla Payenem a Persozem objevena diastáza, která se nacházela v alkoholové sraženině sladového extraktu. Na počátku minulého století, přesněji 1902, prokázal Brown, že kvasničná invertáza rozkládá sacharózu na glukózu a fruktózu. O dva roky později zjistil Armstrong, že maltáza a laktáza rozkládají své disacharidy v závislosti na koncentraci. Pokud je koncentrace vysoká, pak enzymy rozkládají disacharidy nehledě na hodnotu koncentrace. Pokud je naopak koncentrace nízká, je hydrolýza disacharidů přímo úměrná koncentraci.

V roce 1913 byl objeven Michaelisem a Mentenovou mechanismus jednosubstrátové reakce, kdy se komplex enzym-substrát rozkládá na enzym a produkt. V roce 1926 byla objasněna Sumnerem bílkovinná povaha enzymů.

Od té doby jsou enzymy zkoumány ve všech možných směrech. Je jich popsáno více než 3000 a u velkého množství z nich jsou známy jejich účinky, význam i prostorová orientace. Enzymy lze nalézt nejen v živých buňkách a tělech, ale hojně jsou využívány i v průmyslu, např. do pracích prášků.

Struktura enzymů

Jelikož jsou enzymy bílkovinné povahy, jejich základními stavebními jednotkami je 20 biogenních aminokyselin. Tyto aminokyseliny jsou typu α, to znamená, že COOH i NH2 skupiny jsou napojeny na stejný α uhlík (Cα). Tento uhlík je ve všech aminokyselinách kromě glycinu chirální, aminokyseliny se proto mohou vyskytovat jako dva enantiomery. Na papíře je lze od sebe rozpoznat poměrně snadno. C z COOH (COO-) skupiny by měl být zakreslen nahoře. Pokud se následně aminoskupina nachází na pravé straně, jedná se o D-enantiomer, pokud na levé, jedná se o L-enantiomer. Pro nás jsou důležité L-enantiomery, protože ty se vyskytují přirozené v bílkovinách. Více se o aminokyselinách lze dočíst v této kapitole.

Aminokyseliny jsou v bílkovinách vzájemně spojeny peptidickou vazbou. Řetězec, na kterém je volná aminoskupina, se nazývá N-konec, opačný řetězec s karboxylovou skupinou je C-konec, přičemž N-konec je brán jako začátek a C-konec jako ukončení řetězce.

Existuje nepřeberné množství kombinací, kterými mohou bílkoviny vzniknout. V přírodě se vyskytuje asi 10^10 různých bílkovin, které jsou schopny existovat, skládat se do terciárních a dalších struktur a jsou stabilní. Pokud je enzym nesprávně složen, může to mít fatální následky pro organismus. Nemoci vyvolané nefunkčností některého enzymu, jeho nedostatek nebo nepřítomností, lze shrnout pod pojem enzymopathie.

Primární struktura nejen enzymů, ale všech bílkovinných látek představuje údaje o sekvenci monomerů. Říká tedy, z jakých aminokyselin se bílkovina (enzym) skládá. Z primární struktury lze také vyčíst data o konstituci a konfiguraci.

Sekundární struktura vyjadřuje prostorovou orientaci molekuly monomerů.
Terciární struktura také vyjadřuje prostorovou orientaci, nikoliv však monomerů, nýbrž delších řetězců. Lze tak vyčíst tvar, jak celá makromolekula vypadá.
V kvartérní struktuře je zahrnuta informace o vzájemné orientaci jednotlivých molekulových jednotek.

Kovalentní struktura enzymů je mj. určena přítomností disulfidických můstků, které vznikají spojením dvou cysteinylových zbytků. Pokud dojde ke spojení na jednom řetězci, vznikají smyčky. Jsou-li enzymy složitější, lze mezi kovalentní strukturu zařadit i strukturu kofaktoru a způsob napojení na bílkovinnou část.

Součástí enzymů mohou být i kovy, pak se nazývají metaloenzymy. Mezi takové enzymy patří metaloproteázy, alkoholdehydrogenáza a karbonáthydroláza. Kovy mohou být i součástí kofaktorů, jako je tomu u hemu, kobalaminu nebo ferredoxinu.

Pojmy

• Apoenzym - bílkovinná složka enzymu
• Holoenzym - komplex apoenzymu a koenzymu
• Koenzym - kofaktor, který je slabě vázán na bílkovinnou složku a může se snadno oddělit
• Kofaktor - nízkomolekulární neaminokyselinová struktura enzymu, přenášení skupin jednotlivých atomů nebo elektronů
• Kosubstrát - snadno odštěpitelný koenzym, který funguje jako druhý substrát
• Prostetická skupina - kofaktor, který je pevně navázán na bílkovinnou složku enzymu, nemusí jít jen o kofaktor, ale o jakoukoliv skupinu, která je vázána na bílkovinnou složku, třeba i s nekatalitickou funkcí (např. hem v hemoglobinu)

Koenzym a prostetická skupina se od sebe odlišují hlavně ve způsobu regenerace. Zatímco koenzym se po proběhnutí reakce naváže na jiný apoenzym, prostetická skupina skupina je ve spolupráce se stále tím stejným apoenzymem.

Klasifikace a názvosloví enzymů

Vedle triviálních názvů, které známe všichni (trypsin, pepsin) je od roku 1961 zavedeno systematické názvosloví, které mělo za úkol sjednotit nomenklaturu enzymů. Od té doby bylo několikrát revidováno, v roce 1976 bylo vytvořeno české názvosloví, které se snaží co nejvíce přiblížit mezinárodní nomenklatuře. Proto systematické názvy enzymů končí na "-áza" a píšou se jako jedno slovo.

Enzymy se dělí do šesti tříd: oxidoredutázy, transferázy, hydrolázy, lyázy, izomerázy a ligázy.

Oxidoreduktázy katalyzují redoxní reakce. Krásným příkladem je laktátdehydrogenáza, která katalyzuje přeměnu laktátu na pyruvát a zpět. Oxidoreduktázy nejčastěji katalyzují přenos protonu (transhydrogenázy, dehydrogenázy), elektronů (transelektronázy) nebo vestavění kyslíku do substrátu (oxygenázy).
Transferázy katalyzují přenos skupin z donoru na akceptor. Typickým příkladem jsou aminotransferázy, které přenášejí aminoskupiny. Transferázy mají nejvyšší zastoupení, tvoří 27,6 % ze všech enzymů
Hydrolázy štěpí hydrolyticky vazby vzniklé kondenzací. Typicky se jedná o vazby amidové (peptidové), glykosidové a esterové. Patří sem např. proteázy štěpící peptidickou vazbu.
Lyázy stejně jako hydrolázy katalyzují štěpení vazeb, tentokrát však bez účasti vody (nehydrolyticky) většinou tak, že buď odštěpí ze substrátu malou molekulu nebo ji do substrátu vloží. Např. pyruvátdekarboxyláza katalyzuje přeměnu pyruvátu na acetaldehyd, která je umožněna odštěpením CO2 z pyruvátu.
Izomerázy katalyzují intramolekulární přesuny atomů nebo skupin. Typickým příkladem je reakce glykolýzy, kdy se ustanovuje rovnováha mezi glyceraldehydem-3-fosfátem a dihydroxyacetonfosfátem, tyto přeměny katalyzuje enzym triózafosfátizomeráza.
Poslední třídou enzymů jsou ligázy, které katalyzují vznik makroergickým vazeb, současně dochází k rozkladu látky doprovázené uvolnění energie. Např. enzym pyrovátkarboxyláza katalyzuje vznik oxalacetátu z pyruvátu, přičemž dochází k zabudování CO2.

Jak bylo uvedeno výše, enzymy se dělí do tříd, následně do podtříd a skupin. Každému enzymu tak přísluší čtyřčíselné označení, podle kterého je snadno identifikovatelný. Např. alkoholdehydrogenáza  (triviální název) má kód EC 1.1.1.1 a systematický název alkohol:NAD+-oxidoreduktáza.
Systémové názvy enzymů se tvoří podle dvou pravidel:

Shrnutí

• od 18. st.
• 1787 Fabrony - fermenty, fermentace
• 1814 sladová amyláza
• 1830 - 40 slinná amyláza, pepsin
• 1833 Payen, Persoz - diastáza
• 1834 Berzelius - reakce v rostlinách a živočiších
• 1878 Kühne - "enzym"
• 1898 Duclaux - -áza
• 1902 Brown - invertáza + sacharóza -> glc + frc
• 1904 Armstrong - laktáza, maltáza, koncentrace
• 1913 Michaelis, Mentenová - mechanismus jednosubstrátové reakce
• 1926 Sumner - bílkovinná povaha enzymů
• bílkoviny - 20 AMK, α
• až na Gly chirální, L (AMK sk. nalevo)
• peptidická vazba
• 10^10 blk
• enzymopathie
• primární (sekvence monomerů), sekundární (prostorová orientace monomerů), terciární (prostorová orientace řetězců), kvartérní (tvar)
• disulfidické můstky - 2x cysteinyl
• metaloenzymy - MP, AD, KH, kofaktory (hem, kobalamin, ferredoxin)
• pojmy: apoenzym, holoenzym, koenzym, kofaktor, kosubstrát, prostetická skupina
• Pokud enzym katalyzuje přeměnu substrátu S reakcí typu R, pak jeho název má tvat SRáza. Např. enzym, který katalyzuje přeměnu D-glyceraldehyd-3-fosfátu se nazývá D-glyceraldegyd-3-fosfátfosfohydroláza.
• Pokud enzym katalyzuje reakci substrátu S1 se substrátem (nebo kofaktorem) S2 reakcí typu R, pak má název tvar S1:S2-Ráza. Např. enzym, který katalyzuje reakci mezi laktátem a NAD+ se nazývá laktát:NAD+-oxidoreduktáza.
• 1961 mezinárodní, 1976 české (-áza, 1 slovo)
• oxidoreduktázy - redoxní reakce, přenos H+, e-, O do substrátu, např. LD
• tranferázy - skupiny, nejvíc, např. aminotranferáza
• hydrolázy - hydrolytické štěpení, např. proteáza
• lyázy - nehydrolytické štěpení, např. PD
• izomerázy - intramolekulární přesuny, např. TFI
• ligázy - makroergické vazby, uvolnění E, např. PK
• názvosloví: čtyřčíselný kód, systematické: SRáza nebo S1:S2-Ráza