Enzymy

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 13. října 2021; kontroly vyžadují 22 úprav .

Enzymy (z latinského  fermentum  „sourdough“) nebo enzymy [1] (z řeckého ζύμη , ἔνζυμον „ sourdough “) jsou obvykle komplexní proteinové sloučeniny RNA ( ribozymy ) nebo jejich komplexy, urychlující chemické reakce v živých systémech. Každý enzym, složený do specifické struktury, urychluje odpovídající chemickou reakci : reaktanty v takové reakci se nazývají substráty a výsledné látky se nazývají produkty. Enzymy specifické pro substrát: ATPázakatalyzuje rozklad pouze ATP a fosforyláza kináza fosforyluje pouze fosforylázu [2] .

Enzymatická aktivita může být regulována aktivátory (zvýšení) a inhibitory (snížení).

Proteinové enzymy jsou syntetizovány na ribozomech , zatímco RNA  je syntetizována v jádře .

Termíny enzym a enzym se již dlouho používají jako synonyma : první je hlavně v ruské a německé vědecké literatuře, druhý - v angličtině a francouzštině.

Věda o enzymech se nazývá enzymologie , nikoli fermentologie (aby nedošlo k záměně kořenů latinských a řeckých slov).

Historie studia

Na konci XVIII - zač. 19. století již bylo známo, že maso se tráví žaludečními šťávami a škrob se působením slin přeměňuje na cukr . Mechanismus těchto jevů však nebyl znám [3] .

V 19. stol Louis Pasteur , který studoval přeměnu sacharidů na ethylalkohol působením kvasinek , dospěl k závěru, že tento proces ( kvašení ) je katalyzován určitou vitální silou ( enzymem ) umístěným v kvasinkových buňkách, a věřil, že tyto „síly“ jsou neoddělitelné od struktury živé buněčné kvasinky. Tento úhel pohledu dominoval vědě na dlouhou dobu [4] a byl v rozporu s tehdy převažující teorií fermentace J. Liebiga , podle níž byly všechny fermentační procesy prezentovány jako čistě chemické jevy katalytické povahy (jako by došlo k alkoholové fermentaci vzhledem k tomu, že molekulární vibrace rozkládajících se částic kvasnice přecházejí na cukr a cukr se začíná rozkládat na alkohol a oxid uhličitý, kvasnice tedy nezpůsobují kvašení během života, ale až po své smrti) [5] .

Rozdílné názory na povahu alkoholového kvašení v teoretickém sporu mezi L. Pasteurem na jedné straně a mechanisty M. Berthelotem a J. Liebigem  na straně druhé vedly k oddělení dvou odpovídajících termínů ve vědeckém společenství. Enzymy (z lat.  fermentum – zákvas) se vlastně  začaly nazývat „organizované enzymy“, tedy samotné živé mikroorganismy. Na rozdíl od tohoto přístupu navrhl W. Kuehne v roce 1876 termín enzym (z řeckého ἐν-  - in- a ζύμη  - kvasnice , sourdough, tedy "v kvasnicích"), aby se vztahoval na "neorganizované enzymy" vylučované buňkami. například v žaludku ( pepsin ) nebo střevech ( trypsin , amyláza ).

Dva roky po smrti L. Pasteura v roce 1897 publikoval E. Buchner práci „Alkoholické kvašení bez kvasinkových buněk“, ve které experimentálně prokázal, že bezbuněčná kvasnicová šťáva provádí alkoholové kvašení stejným způsobem jako nezničené kvasinkové buňky. V roce 1907 mu byla za toto dílo udělena Nobelova cena. Vysoce čištěný krystalický enzym ( ureáza ) byl poprvé izolován v roce 1926 J. Sumnerem . Během následujících 10 let bylo izolováno několik dalších enzymů a konečně byla prokázána proteinová povaha enzymů.

Katalytická aktivita RNA byla poprvé objevena v 80. letech 20. století v pre-rRNA Thomasem Checkem , který studoval sestřih RNA u řasnatého Tetrahymena thermophila . Ukázalo se, že ribozym je částí molekuly pre-rRNA Tetrahymena kódované intronem extrachromozomálního genu rDNA; tato oblast prováděla autosplicing, to znamená, že se sama vyřízla během zrání rRNA.

Funkce enzymů

Existují dva hlavní způsoby, jak zvýšit rychlost chemické reakce. Prvním způsobem je zvýšení teploty, tedy zrychlení tepelného pohybu molekul, což vede ke zvýšení podílu molekul, které mají dostatečnou vnitřní energii k dosažení přechodového stavu. Zpravidla zvýšení teploty o 10 °C způsobí zrychlení chemické reakce přibližně 2krát (viz van't Hoffovo pravidlo ).

Druhým způsobem, jak urychlit chemickou reakci, je přidání katalyzátoru. Katalyzátory urychlují chemické reakce tím, že nacházejí „řešení“, která molekulám umožňují překonat aktivační bariéru na nižší energetické úrovni. Katalyzátor (označený písmenem K ) v mezistupni interaguje s činidlem A za vzniku nové komplexní sloučeniny KA , jejíž přechodový stav odpovídá výrazně nižší aktivační energii ve srovnání s přechodovým stavem činidla A v ne - katalyzovaná reakce. Poté se komplex činidlo-katalyzátor ( CA ) rozloží na produkt P a volný katalyzátor, který se může opět spojit s další molekulou A a celý cyklus zopakovat. Katalyzátory tímto způsobem snižují aktivační energii chemické reakce, v jejich přítomnosti vstoupí do reakce za jednotku času mnohem větší část molekul dané populace. Enzymy, stejně jako ostatní katalyzátory, se během katalytického cyklu spojují se svými substráty [6] .

Enzymy jsou přítomny ve všech živých buňkách a přispívají k přeměně některých látek na jiné. Enzymy působí jako katalyzátory téměř ve všech biochemických reakcích probíhajících v živých organismech. Do roku 2013 bylo popsáno více než 5000 různých enzymů [7] [8] . Hrají důležitou roli ve všech životních procesech, řídí a regulují látkovou výměnu v těle .

Stejně jako všechny katalyzátory i enzymy urychlují dopřednou i zpětnou reakci snížením aktivační energie procesu. V tomto případě se chemická rovnováha neposune ani vpřed, ani v opačném směru. Charakteristickým rysem enzymů ve srovnání s neproteinovými katalyzátory je jejich vysoká specificita : vazebná konstanta některých substrátů k proteinu může dosáhnout 10–10 mol/l nebo méně. Každá molekula enzymu je schopna provést několik tisíc až několik milionů „operací“ za sekundu.

Například jedna molekula enzymu rennin obsažená v žaludeční sliznici telete srazí asi 106 molekul mléčného kaseinogenu za 10 minut při teplotě 37 °C.

Přitom účinnost enzymů je mnohem vyšší než účinnost neproteinových katalyzátorů - enzymy urychlují reakci milionkrát a miliardkrát, neproteinové katalyzátory - stokrát a tisíckrát. (viz také Katalyticky dokonalý enzym )

Konvence pojmenovávání enzymů

Enzymy jsou obvykle pojmenovány podle typu reakce, kterou katalyzují, přidáním přípony -ase ke jménu substrátu ( například laktáza je  enzym zapojený do přeměny laktózy ). Různé enzymy, které vykonávají stejnou funkci, tedy budou mít stejný název, nebo stejný enzym má dvě nebo více jmen. Tyto enzymy se vyznačují dalšími vlastnostmi, jako je optimální pH ( alkalická fosfatáza ) nebo lokalizace v buňce (membránová ATPáza ). Mnoho enzymů má historicky triviální názvy, které nesouvisejí s názvy jejich substrátů, jako je pepsin a trypsin . Kvůli těmto a dalším obtížím a také kvůli stále se zvyšujícímu počtu nově objevených enzymů byla přijata mezinárodní dohoda o vytvoření systematické nomenklatury a klasifikace enzymů [9] .

Klasifikace enzymů

Podle typu katalyzovaných reakcí se enzymy dělí do 7 tříd podle hierarchické klasifikace enzymů ( EC , EC  - Enzyme Comission code). Klasifikace byla navržena Mezinárodní unií biochemie a molekulární biologie ( International Union of Biochemistry and Molecular Biology ). Každá třída obsahuje podtřídy, takže enzym je popsán sadou čtyř čísel oddělených tečkami. Například pepsin má název EC 3.4.23.1. První číslo zhruba popisuje mechanismus reakce katalyzované enzymem:

Druhé číslo v názvu enzymu odráží podtřídu, třetí - podtřídu a čtvrté - pořadové číslo enzymu v jeho podtřídě [11] .

Všechny enzymy jako katalyzátory urychlují dopředné i zpětné reakce , proto jsou například lyázy schopny katalyzovat zpětnou reakci - adici dvojných vazeb.

Kinetický výzkum

Nejjednodušším popisem kinetiky jednosubstrátových enzymatických reakcí je Michaelis-Mentenova rovnice (viz obr.).

V letech 1972-1973. vznikl první kvantově-mechanický model enzymatické katalýzy (autoři M. V. Volkenshtein , R. R. Dogonadze, Z. D. Urushadze a další) [12] [13] [14] [15] . Předpokládejme, že koncentrace enzymu je konstantní a je nutné měřit vliv změny koncentrace substrátu na počáteční rychlost enzymatické reakce. Při velmi nízkých koncentracích substrátu je reakční rychlost velmi pomalá, ale neustále se zvyšuje, jak se koncentrace substrátu postupně zvyšuje. S každým zvýšením koncentrace substrátu se však přírůstky rychlosti katalytické reakce zmenšují a zmenšují. Konečně nastává okamžik, kdy jakékoli zvýšení koncentrace substrátu způsobí pouze nekonečně malé zrychlení reakce: bez ohledu na to, jak se koncentrace substrátu zvyšuje, rychlost reakce se může pouze přiblížit k plošině, ale nikdy jí nedosáhne. Na této úrovni, nazývané maximální reakční rychlost ( Vmax ), je enzym nasycen substrátem a nemůže fungovat rychleji. Tento saturační efekt je charakteristický téměř pro všechny enzymy.

Hodnotu V max lze z uvedeného grafu určit aproximací. Přesné stanovení je v tomto případě nemožné, protože jak se koncentrace substrátu zvyšuje, počáteční reakční rychlost se pouze blíží Vmax , ale nikdy jí nedosáhne. Koncentrace substrátu, při které je reakční rychlost poloviční než maximum (v grafu označeno jako ½ Vmax ) , je Michaelis- Mentenova konstanta ( KM ). Lze ji určit buď z grafu, také aproximací, nebo algebraickými transformacemi Michaelis-Mentenovy rovnice [16] .

Struktura a mechanismus účinku enzymů

Aktivitu enzymů určuje jejich troj- a čtyřrozměrná struktura [17] .

Stejně jako všechny proteiny jsou enzymy syntetizovány jako lineární řetězec aminokyselin, který se skládá specifickým způsobem. Každá aminokyselinová sekvence se skládá specifickým způsobem a výsledná molekula ( proteinová globule ) má jedinečné vlastnosti. Několik proteinových řetězců se může spojit a vytvořit proteinový komplex . Terciární a kvartérní struktury proteinů jsou zničeny teplem, změnami pH nebo vystavením určitým chemikáliím.

Dosud bylo popsáno několik mechanismů působení enzymů. Jednoduchá enzymatická reakce může zahrnovat pouze jednu molekulu substrátu C, která se váže na enzym F za vzniku produktu P:

S + F → F S → P + F .

Ve skutečnosti se však v mnoha enzymatických reakcích metabolismu účastní dvě a někdy i tři molekuly různých substrátů a váží se na enzym. Takové reakce obvykle zahrnují přenos atomu nebo funkční skupiny z jednoho substrátu na druhý. Takové reakce mohou probíhat dvěma různými mechanismy. V reakcích prvního typu, nazývaných reakce jediné substituce , se dva substráty C1 a C2 vážou na enzym F buď specificky nebo náhodně za vzniku komplexu F C1C2 , který se pak rozkládá na produkty P1 a P2 :

C1 + C2 + F → F C1 C2 → P1 + P2 + F. _ _ _ _

Druhou třídu dvousubstrátových reakcí tvoří reakce probíhající mechanismem dvojité substituce (mechanismus typu ping-pong):

C1X + C2 + F → F C1 X C2 → P1 + P2 X + F. _ _ _ _ _

Při těchto reakcích je pouze jeden ze dvou substrátů v daném čase navázán na katalytické centrum enzymu. Připojení prvního substrátu je doprovázeno přenosem jeho funkční skupiny na molekulu enzymu. Teprve po odstranění vzniklého produktu z prvního substrátu se druhý substrát může vázat na enzym a přijmout funkční skupinu [18] .

Aktivní místo enzymů

Studium mechanismu chemické reakce katalyzované enzymem spolu se stanovením meziproduktů a konečných produktů v různých fázích reakce předpokládá přesnou znalost geometrie terciární struktury enzymu, povahy funkční skupiny jeho molekuly , poskytující specifičnost působení a vysokou katalytickou aktivitu na daném substrátu , stejně jako chemickou povahu místa (míst) molekuly enzymu, což zajišťuje vysokou rychlost katalytické reakce. Typicky jsou molekuly substrátu zapojené do enzymatických reakcí relativně malé ve srovnání s molekulami enzymů. Při tvorbě komplexů enzym-substrát tak do přímé chemické interakce vstupují pouze omezené fragmenty aminokyselinové sekvence polypeptidového řetězce – „aktivní centrum“ – unikátní kombinace aminokyselinových zbytků v molekule enzymu, která zajišťuje přímý interakce s molekulou substrátu a přímá účast na aktu katalýzy [19] .

Aktivní centrum je podmíněně rozlišeno [19] :

Aby se reakce katalyzovala, musí se enzym vázat na jeden nebo více substrátů. Proteinový řetězec enzymu je složen tak, že se na povrchu globule vytvoří mezera neboli prohlubeň, kde se vážou substráty. Tato oblast se nazývá vazebné místo substrátu. Obvykle se shoduje s aktivním místem enzymu nebo se nachází v jeho blízkosti. Některé enzymy také obsahují vazebná místa pro kofaktory nebo kovové ionty.

Enzym se váže na substrát:

Obvykle k připojení enzymu k substrátu dochází v důsledku iontových nebo vodíkových vazeb, zřídka v důsledku kovalentních vazeb. Na konci reakce se její produkt (nebo produkty) oddělí od enzymu.

V důsledku toho enzym snižuje aktivační energii reakce. Je to proto, že v přítomnosti enzymu probíhá reakce jinou cestou (ve skutečnosti dochází k jiné reakci), například:

V nepřítomnosti enzymu:

A+B = AB

V přítomnosti enzymu:

  1. A+F = AF
  2. AF+V = AVF
  3. AVF \u003d AV + F

kde A, B jsou substráty, AB je reakční produkt, F je enzym.

Enzymy samy o sobě nemohou poskytnout energii pro endergonické reakce (které vyžadují energii). Proto je enzymy, které provádějí takové reakce, spojují s exergonickými reakcemi, které probíhají s uvolňováním více energie. Například reakce syntézy biopolymerů jsou často spojeny s reakcí hydrolýzy ATP .

Aktivní centra některých enzymů se vyznačují fenoménem kooperativnosti .

Specifičnost

Enzymy obvykle vykazují vysokou specificitu pro své substráty (substrátová specificita). Toho je dosaženo částečnou komplementaritou tvaru, distribuce náboje a hydrofobních oblastí na molekule substrátu a na vazebném místě substrátu na enzymu. Enzymy také typicky vykazují vysoké úrovně stereospecifičnosti (vytvářejí pouze jeden z možných stereoizomerů jako produkt nebo používají pouze jeden stereoizomer jako substrát), regioselektivity (vytvářejí nebo přerušují chemickou vazbu pouze v jedné z možných poloh substrátu) a chemoselektivita (katalyzovat pouze jednu chemickou reakci) několika možných podmínek pro tyto stavy). Navzdory obecně vysoké úrovni specifičnosti může být stupeň substrátové a reakční specifičnosti enzymů různý. Například endopeptidáza trypsin přeruší peptidovou vazbu pouze po argininu nebo lysinu , pokud nejsou následovány prolinem, a pepsin je mnohem méně specifický a může přerušit peptidovou vazbu po mnoha aminokyselinách.

Model zámku na klíč

V roce 1890 Emil Fischer navrhl, že specifičnost enzymů je určena přesnou korespondencí mezi formou enzymu a substrátem [20] . Tento předpoklad se nazývá model zámku a klíče. Enzym se váže na substrát za vzniku komplexu enzym-substrát s krátkou životností. Nicméně, ačkoli tento model vysvětluje vysokou specificitu enzymů, nevysvětluje jev stabilizace přechodného stavu, který je pozorován experimentálně.

Model indukovaného přizpůsobení

V roce 1958 navrhl Daniel Koshland úpravu modelu „rukavice“ [21] . Enzymy obecně nejsou tuhé, ale flexibilní molekuly. Aktivní místo enzymu může po navázání substrátu změnit konformaci. Postranní skupiny aminokyselin aktivního místa zaujímají pozici, která umožňuje enzymu vykonávat jeho katalytickou funkci. V některých případech molekula substrátu také změní konformaci po navázání na aktivní místo. Na rozdíl od modelu key-lock model indukovaného fitu vysvětluje nejen specifičnost enzymů, ale také stabilizaci přechodného stavu. Tento model byl nazýván "rukavice".

Úpravy

Mnoho enzymů prochází po syntéze proteinového řetězce modifikacemi, bez kterých enzym nevykazuje svou aktivitu v plném rozsahu. Takové modifikace se nazývají posttranslační modifikace (zpracování). Jedním z nejběžnějších typů modifikací je přidání chemických skupin k postranním zbytkům polypeptidového řetězce. Například přidání zbytku kyseliny fosforečné se nazývá fosforylace a je katalyzováno enzymem kinázou . Mnoho eukaryotických enzymů je glykosylovaných, tj. modifikovaných sacharidovými oligomery.

Dalším běžným typem posttranslačních modifikací je štěpení polypeptidového řetězce. Například chymotrypsin ( proteáza zapojená do trávení ) se získá odštěpením polypeptidové oblasti z chymotrypsinogenu. Chymotrypsinogen je neaktivní prekurzor chymotrypsinu a je syntetizován ve slinivce břišní a odtud je transportován do duodena , kde je tato neaktivní forma aktivována trypsinem a přeměněna na chymotrypsin.

Enzymové kofaktory

Některé enzymy vykonávají katalytickou funkci samy o sobě, bez jakýchkoli dalších složek. Existují však enzymy, které pro katalýzu vyžadují neproteinové složky. Kofaktory mohou být buď anorganické molekuly (kovové ionty, shluky železa a síry atd.) nebo organické (například flavin nebo hem ). Organické kofaktory, které jsou silně spojeny s enzymem, se také nazývají protetické skupiny. Organické kofaktory, které lze od enzymu oddělit, se nazývají koenzymy.

Enzym, který vyžaduje, aby kofaktor vykazoval katalytickou aktivitu, ale není na něj vázán, se nazývá apoenzym. Apoenzym v kombinaci s kofaktorem se nazývá holoenzym. Většina kofaktorů je spojena s enzymem nekovalentními, ale poměrně silnými interakcemi. Existují také prostetické skupiny, které jsou kovalentně spojeny s enzymem, jako je thiaminpyrofosfát v pyruvátdehydrogenáze.

Vliv podmínek prostředí na aktivitu enzymů

Aktivita enzymů závisí na podmínkách v buňce nebo organismu – tlak, kyselost prostředí, teplota, koncentrace rozpuštěných solí (iontová síla roztoku) atd.

Regulace enzymů

Aktivita enzymu není v čase konstantní. Citlivě reagují na situaci, ve které se buňka nachází, na faktory, které ji ovlivňují jak zvenčí, tak zevnitř. Hlavním cílem takové citlivosti enzymů je reagovat na změny prostředí, adaptovat buňku na nové podmínky, správně reagovat na hormonální a jiné podněty a v některých situacích získat šanci na přežití [22] .

Inhibice

Činnost většiny enzymů může být potlačena nebo inhibována některými chemikáliemi. Mechanismus účinku některých léků spočívá právě v tom, že inhibují určité enzymy v buňkách s narušenými funkcemi.

Existují dva hlavní typy inhibitorů: ireverzibilní a reverzibilní. Reverzibilní inhibitory se váží na enzym slabými nekovalentními vazbami a za určitých podmínek se snadno oddělí [23] . Ireverzibilní inhibitory vážou nebo ničí funkční skupinu molekuly enzymu. Například diisopropylfluorfosfát (DPP, jeden z prvních nervových látek) se váže na OH skupinu serinového zbytku v aktivním místě acetylcholinesterázy, která hraje důležitou roli v přenosu nervových vzruchů, a enzym přestává fungovat. DPP je schopen inhibovat celou třídu enzymů, které katalyzují hydrolýzu peptidů nebo esterových vazeb, mezi které kromě acetylcholinesterázy patří trypsin , chymotrypsin, elastáza, fosfoglukomutáza a kokonáza (enzym vylučovaný larvou bource morušového k hydrolýze hedvábných vláken a uvolnění z kukly). Charakteristickým znakem všech těchto enzymů je přítomnost serinového zbytku v aktivním centru. Další ireverzibilní inhibitor, jodacetamid, může interagovat s SH skupinami cysteinových zbytků nebo s imidazolovými skupinami histidinových zbytků obsažených v aktivních místech jiné řady enzymů.

Reverzibilní inhibitory jsou svou povahou kompetitivní, nekompetitivní a nekompetitivní. Kompetitivní inhibitor soutěží se substrátem o vazbu na aktivní místo, ale na rozdíl od substrátu kompetitivní inhibitor vázaný na enzym nepodléhá enzymatické konverzi. Charakteristickým rysem kompetitivní inhibice je to, že ji lze zeslabit nebo úplně odstranit pouhým zvýšením koncentrace substrátu. Ve své trojrozměrné struktuře se kompetitivní inhibitory obvykle podobají substrátu daného enzymu. Díky této podobnosti „oklamou“ enzym a navážou se na něj. Klasickým příkladem je inhibice sukcinátdehydrogenázy aniontem kyseliny malonové ( -OOC - CH2 - COO- ) , který se podobá sukcinátu ( -OOC - CH2 - CH2 - COO  = 7,0 ionizovaná (deprotonovaná) forma, ale obsahuje 3 , nikoli 4 atomy uhlíku. Sukcinátdehydrogenáza není schopna odstranit vodík z malonátu, ale malonát zaujímá aktivní místo enzymu a brání mu v interakci s normálním substrátem. Zvýšení koncentrace sukcinátu při fixní koncentraci malonátu snižuje stupeň inhibice enzymu. Oxalacetát ( − OOC–CO–CH 2 —COO − ) také působí jako kompetitivní inhibitor sukcinátdehydrogenázy .

V případě nekompetitivní inhibice se látka naváže na enzym nikoli v aktivním centru, ale na zcela jiném místě, nicméně v tomto případě se konformace molekuly enzymu změní tak, že její katalytické centrum je reverzibilně inaktivované. Nekompetitivní inhibitory se reverzibilně vážou jak na volný enzym, tak na komplex enzym-substrát a tvoří neaktivní komplexy enzym-inhibitor a enzym-substrát-inhibitor. Nejdůležitějšími nekompetitivními inhibitory jsou metabolické meziprodukty vznikající v živých organismech, které se mohou reverzibilně vázat na specifická místa na povrchu regulačních enzymů. Příkladem je inhibice L-threonin dehydratázy L-isoleucinem [24] .

Při nekompetitivní inhibici se inhibitor váže pouze na komplex enzym-substrát, ale ne na volný enzym. Substrát, který se váže na enzym, mění svou konformaci, což umožňuje vázat se na inhibitor. Inhibitor zase mění konformaci enzymu takovým způsobem, že další katalýza je nemožná.

Metabolická dráha je řetězec po sobě jdoucích enzymatických reakcí. V některých případech se molekuly konečného produktu metabolické dráhy vážou na enzym, který je produkoval, a brání další tvorbě stejného produktu, takže konečný produkt může být také inhibitorem enzymu. Tato situace je zvláštním případem nekonkurenční inhibice. Zpravidla v takových případech hovoříme o zablokování úplně první reakce této metabolické dráhy. Pokud je koncového produktu příliš mnoho, působí jako inhibitor pro úplně první enzym, a pokud se poté koncový produkt příliš zmenší, pak se znovu aktivuje první enzym (v tomto případě produkty metabolické dráhy se samy o sobě ukážou jako substráty). Inhibice konečným produktem tedy vytváří příležitost pro negativní zpětnou vazbu  , což je důležitý způsob, jak udržet homeostázu (relativní stálost podmínek vnitřního prostředí těla), a tento typ regulace se nazývá inhibice zpětné vazby nebo retroinhibice . Klasickým příkladem takové inhibice je bakteriální enzymový systém katalyzující přeměnu L-threoninu na L-isoleucin pod vlivem threonindehydratázy, což je proces, který zahrnuje 5 enzymatických reakcí. Threonindehydratáza je inhibována produktem poslední reakce, isoleucinem, a isoleucin se neváže na substrátové centrum enzymu, ale na jiné specifické místo jeho molekuly, které se nazývá regulační centrum . Tato interakce není doprovázena tvorbou silných kovalentních vazeb a je tedy snadno reverzibilní. Žádný z meziproduktů v tomto řetězci reakcí neinhibuje threonindehydratázu a žádný z ostatních enzymů v řetězci není inhibován isoleucinem, takže jej lze klasifikovat jako vysoce specifický inhibitor threonindehydratázy [25] .

Aktivace

V mnoha situacích se působení enzymů stává nezbytným pro zvýšení, to znamená pro aktivaci enzymů. Aktivátory jsou různé látky organické i anorganické povahy, které zvyšují rychlost enzymatických reakcí.

Příklady organických aktivátorů: žlučové kyseliny (aktivují pankreatickou lipázu), enterokináza (aktivuje trypsinogen), glutathion, cystein, vitamín C (zvyšují aktivitu oxidoreduktáz), některé tkáňové enzymy (oxidoreduktázy, katepsiny, argináza, rostlinná proteináza atd.) ve velké míře jsou aktivovány sloučeninami obsahujícími volné SH-skupiny (glutathion, cystein).

Příklady anorganických aktivátorů: HCl aktivuje pepsinogen, kovové ionty (Na + , Cl - , K + , Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ ) aktivují řadu enzymů, protože:

  1. podporovat tvorbu komplexu enzym-substrát;
  2. slouží jako donory a akceptory elektronů;
  3. podílet se na tvorbě aktivního centra enzymů (Zn 2+  - ve složení karbanhydráza, Fe 2+  - ve složení cytochromů , katalázy , peroxidázy);
  4. působí jako alosterické regulátory (z řeckého ἄλλος  - "jiný", στερεός  - "místo"; účinek regulátoru nastává na konkrétní regulační centrum enzymu, které v důsledku změny mění afinitu centra substrátu k substrátu v konformaci celé molekuly) [26] [27] .

Zvláště často působí jako aktivátory ionty dvojmocných a vzácněji jednomocných kovů. Byly získány důkazy, že asi čtvrtina všech známých enzymů vyžaduje přítomnost kovů, aby projevila plnou katalytickou aktivitu, bez níž se mnoho enzymů stane neaktivních. Takže, když je zinek odstraněn, karboanhydráza (karboanhydráza), která katalyzuje biosyntézu a rozklad H 2 CO 3 , prakticky ztrácí svou enzymatickou aktivitu; navíc zinek nelze nahradit žádným jiným kovem. Známé enzymy, jejichž působení je aktivováno ionty několika kovů; zejména enoláza je aktivována Mg2 + , Mn2 + , K + . V některých případech kovové ionty (Co2 + , Mg2 + , Zn2 + , Fe2 + ) působí jako prostetické skupiny enzymů nebo slouží jako akceptory a donátory elektronů nebo působí jako elektrofily nebo nukleofily a udržují reaktivní skupiny v požadovanou orientaci. V jiných případech přispívají k připojení substrátu k aktivnímu místu a tvorbě komplexu enzym-substrát. Například Mg2 + ionty prostřednictvím záporně nabité fosfátové skupiny zajišťují připojení monofosfátových esterů organických látek k aktivnímu centru fosfatáz, které katalyzují hydrolýzu těchto sloučenin. Někdy se kov spojí se substrátem a vytvoří skutečný substrát, na který působí enzym. Zejména Mg 2+ ionty aktivují kreatinfosfokinázu díky tvorbě skutečného substrátu – hořečnaté soli ATP. Konečně existují experimentální důkazy o přímé účasti kovů (například Ca 2+ iontů v molekule slinné amylázy) na tvorbě a stabilizaci aktivního centra a celé trojrozměrné struktury molekuly enzymu. Je třeba také poznamenat, že kovy často působí jako alosterické modulátory (efektory). V interakci s alosterickým centrem takový efektor podporuje tvorbu nejvýhodnější prostorové konfigurace enzymu a aktivního komplexu enzym-substrát.

Anionty ve fyziologických koncentracích jsou obvykle neúčinné nebo mají malý aktivační účinek na enzymy. Výjimkou je pepsin, některé aniontově aktivované oxidoreduktázy, dále slinná amyláza, která katalyzuje hydrolýzu škrobu, jejíž aktivita se zvyšuje působením Cl- iontů , a adenylátcykláza, která je aktivována halogenovými anionty [28] [29] .

Kovalentní modifikace

Existují zástupci třídy regulačních enzymů, u kterých k přechodu aktivní formy na neaktivní dochází kovalentní modifikací molekuly enzymu. Do této třídy patří například glykogen fosforyláza ze svalů a jater, která katalyzuje reakci štěpení glukózy z glykogenu:

(Glykogen) n  + Fosfát → (Glykogen) n-1  + Glukóza-1-fosfát → Kyselina mléčná (svaly) nebo Glukóza (játra)

Glykogenfosforyláza existuje ve dvou formách: fosforyláza  a (aktivní forma) a fosforyláza  b (relativně neaktivní forma). Fosforyláza  a je dimer sestávající ze dvou identických podjednotek, z nichž každá má jeden specifický serinový zbytek fosforylovaný na hydroxylové skupině. Tyto fosfoserinové zbytky jsou nutné pro maximální enzymatickou aktivitu. Tyto serinfosfátové skupiny mohou být odstraněny enzymem zvaným fosforyláza fosfatáza , produkující fosforylázu  b , která katalyzuje rozklad glykogenu mnohem méně aktivně. Aktivní forma glykogen fosforylázy je tedy převedena na relativně neaktivní formu štěpením dvou kovalentních vazeb mezi zbytky kyseliny fosforečné a dvěma specifickými serinovými zbytky v molekule enzymu.

Fosforyláza  b se může znovu reaktivovat, tj. stát se aktivní fosforylázou  a . Tuto reakci provádí další enzym zvaný fosforyláza kináza , který katalyzuje přenos fosfátových skupin z ATP na hydroxylové skupiny specifických serinových zbytků ve fosforyláze  b .

Rozklad glykogenu v kosterních svalech a játrech je tedy regulován změnou kvantitativních poměrů aktivní a neaktivní formy enzymu. Přechod z jedné formy do druhé je doprovázen změnami v kvartérní struktuře enzymu, což ovlivňuje i jeho katalytické centrum.

Ačkoli ve většině známých případů je regulace účinku enzymů jejich kovalentní modifikací prováděna fosforylací a defosforylací specifických serinových zbytků, jak je právě popsáno na příkladu glykogenfosforylázy, existují i ​​jiné způsoby kovalentní modifikace enzymů, např. methylace určitých aminokyselinových zbytků, připojení adenylátových skupin k nim a další.

Některé složitější regulační enzymy jsou modulovány kovalentními a nekovalentními mechanismy. Takové enzymy katalyzují reakce, které jsou nejdůležitějšími kroky v metabolismu, takže interagují s řadou regulačních metabolitů, které provádějí jak alosterické, tak kovalentní modifikace těchto enzymů. Právě diskutovaná glykogenfosforylasa patří také k takovým enzymům, neboť kromě kovalentní modifikace je možná i její nekovalentní (alosterická) interakce s adenylátem, který je aktivačním modulátorem fosforylázy  b . Dalším příkladem je E. coli glutamin syntetáza , jeden z nejsložitějších regulačních enzymů, který interaguje s mnoha alosterickými regulátory a je také regulován reverzibilní kovalentní modifikací [30] .

Více forem enzymů

Různé formy enzymů lze rozdělit do dvou kategorií:

  • Isoenzymy.
  • Vlastní tvary množného čísla (pravda).

Izoenzymy  jsou enzymy, jejichž syntéza je kódována různými geny, mají různé primární struktury a různé vlastnosti, ale katalyzují stejnou reakci. Druhy izoenzymů:

  • Organické - enzymy glykolýzy v játrech a svalech ( hexokináza ).
  • Buněčná - cytoplazmatická a mitochondriální malátdehydrogenáza (enzymy jsou různé, ale katalyzují stejnou reakci).
  • Hybridní - enzymy s kvartérní strukturou, vznikají jako výsledek nekovalentní vazby jednotlivých podjednotek ( laktátdehydrogenáza  - 4 podjednotky 2 typů).
  • Mutanti se tvoří jako výsledek jediné mutace genu.
  • Aloenzymy jsou kódovány různými alelami stejného genu.

Ve skutečnosti jsou více formami (pravda) enzymy, jejichž syntéza je kódována stejnou alelou stejného genu, mají stejnou primární strukturu a vlastnosti, ale po syntéze na ribozomech podléhají modifikaci a stávají se odlišnými, ačkoli katalyzují stejnou reakci .

Isoenzymy se liší na genetické úrovni a liší se od primární sekvence a skutečné mnohočetné formy se liší na posttranslační úrovni.

Evoluce enzymů

Jako každý jiný protein se enzymy v průběhu času mění prostřednictvím mutací a nesouladu sekvencí. Vzhledem k jejich ústřední roli v metabolismu hraje evoluce enzymů zásadní roli v adaptaci organismů. Klíčovou otázkou je, zda mohou enzymy současně měnit svou enzymatickou aktivitu a jak se to děje. Obecně se uznává, že mnoho nových enzymatických aktivit se vyvinulo jako výsledek genové duplikace a mutace duplikátů, ačkoli evoluce může probíhat bez duplikace. Jedním příkladem enzymu, který změnil svou aktivitu, je předchůdce methionylaminopeptidázy (MAP) a kreatinamidinohydrolázy (kreatinázy), které jsou jasně homologní, ale katalyzují různé reakce (MAP odstraňuje amino-terminální methionin v nových proteinech, zatímco kreatináza hydrolyzuje kreatin na sarkosin a močovina ). Navíc MAP je závislý na kovových iontech, zatímco kreatináza nikoli, a proto se tato vlastnost časem také ztratila [31] . Malé změny v enzymatické aktivitě jsou u enzymů extrémně běžné. Konkrétně vazebná specificita substrátu může být snadno a rychle změněna změnou jednotlivých aminokyselin na vazebných místech substrátu. To je často pozorováno u hlavních tříd enzymů, jako jsou kinázy .

Umělá (in vitro) evoluce je nyní široce používána ke změně aktivity nebo specifičnosti enzymů pro jejich průmyslové aplikace.

Praktické použití

Enzymy mají široké využití v národním hospodářství – potravinářství, zemědělství, textilním průmyslu, ve farmakologii a medicíně. Většina léků ovlivňuje průběh enzymatických procesů v těle, spouští nebo zastavuje určité reakce.

Lékařský význam

Vztah mezi enzymy a dědičnými metabolickými chorobami poprvé stanovil A. Garrod v 1910. Garrod nazval nemoci spojené s defekty enzymů „vrozenými chybami metabolismu“.

Pokud dojde k mutaci v genu kódujícím konkrétní enzym, může se změnit aminokyselinová sekvence enzymu. Zároveň v důsledku většiny mutací klesá nebo úplně zaniká jeho katalytická aktivita. Pokud organismus obdrží dva z těchto mutantních genů (jeden od každého rodiče), přestane v organismu probíhat chemická reakce katalyzovaná tímto enzymem. Například výskyt albínů je spojen se zastavením produkce enzymu tyrosinázy, který je zodpovědný za jednu z fází syntézy tmavého pigmentu melaninu . Fenylketonurie je spojena se sníženou nebo chybějící aktivitou enzymu fenylalanin-4-hydroxylázy v játrech.

V současné době jsou známy stovky dědičných onemocnění spojených s defekty enzymů. Byly vyvinuty způsoby léčby a prevence mnoha těchto onemocnění.

Enzymy se používají v diagnostice nemocí kvantitativním stanovením samotných enzymů v biologických tekutinách v patologii.

Mezi intracelulárními a extracelulárními částmi těla je velký koncentrační gradient enzymů. Proto každé i drobné poškození buněk (někdy funkční poruchy) vede k uvolnění enzymů do extracelulárního prostoru, odkud se dostávají do krve. Zvýšení hladiny intracelulárních enzymů v krevní plazmě přímo závisí na povaze poškozujícího účinku, délce účinku a stupni poškození buněčných biomembrán a subcelulárních struktur orgánů [32] .

Průmyslové aplikace

Směr Použité enzymy aplikace
průmysl biopaliv Celulázy Rozklad celulózy na cukry, které mohou být fermentovány za vzniku celulózového etanolu.
ligninázy Předúprava biomasy pro výrobu biopaliv [33] .
biologický detergent Proteázy , amylázy , lipázy Odstranění bílkovin, škrobu, mastnoty nebo olejových skvrn z prádla a nádobí [34] .
Mananáza Odstranění skvrn od jídla z guarové gumy.
pivovarnictví Amyláza , glukanáza, proteáza Rozklad polysacharidů a bílkovin ve sladu [35] .
betaglukanáza Zlepšení filtračních charakteristik mladiny a piva [35] .
Amyloglukosidáza a pullulanázy Výroba nízkokalorického piva a regulace kvašení [35] .
Acetolaktát dekarboxyláza (ALDC) Zvýšení účinnosti fermentace snížením diacetylu [36] .
Kulinářské využití Papain Změkčování masa na vaření [37] .
Mléčný průmysl rennin Hydrolýza bílkovin při výrobě sýrů.
Lipázy Výroba camembertu a plísňových sýrů jako je rokfort.
potravinářský průmysl Amylase Výroba cukru ze škrobu , například při výrobě kukuřičného sirupu s vysokým obsahem fruktózy .
Proteázy Snížení hladiny bílkovin v mouce pro výrobu sušenek.
trypsin Výroba hypoalergenní dětské výživy.
Celulázy, pektinázy Čištění ovocných šťáv.
Molekulární biologie Nukleázy , DNA ligáza a polymerázy Použití restrikčních enzymů a PCR k vytvoření rekombinantní DNA.
papírenský průmysl Xylanázy, hemicelulázy a ligninperoxidázy Odstranění ligninu z kraftového papíru [38] .
Osobní hygiena Proteázy Odstranění bílkovin z kontaktních čoček , aby se zabránilo infekcím.

Poznámky

  1. ↑ Enzymy // Encyklopedický slovník Brockhause a Efrona  : v 86 svazcích (82 svazcích a 4 dodatečné). - Petrohrad. , 1890-1907.
  2. ↑ Berg, Jeremy M. (Jeremy Mark), 1958-. biochemie . — 5. vyd. - New York: WH Freeman, 2002. - 1 svazek (různé stránky) Str. — ISBN 0716749556 . Archivováno 27. října 2007 na Wayback Machine
  3. ↑ Williams, Henry Smith, 1863-1943. Historie vědy: v pěti svazcích. Svazek IV: Moderní vývoj chemických a biologických věd . Získáno 7. července 2006. Archivováno z originálu dne 9. května 2012.
  4. ↑ Lehninger, 1985 , s. 227.
  5. ↑ Vnímání fermentací před Pasteurem . Získáno 4. dubna 2015. Archivováno z originálu 9. dubna 2015.
  6. ↑ Lehninger, 1985 , s. 231.
  7. ↑ Databáze názvosloví enzymů ENZYME . Získáno 25. dubna 2013. Archivováno z originálu 28. dubna 2013.
  8. ↑ Bairoch A. Databáze ENZYME v roce 2000 Nucleic Acids Res 28:304-305(2000). Archivováno 1. června  2011 na Wayback  Machine _
  9. ↑ Lehninger, 1985 , s. 229.
  10. ↑ Mezinárodní unie biochemie a molekulární biologie. Nová třída enzymů: translokázy. . NOVINKY IUBMB (srpen 2018). Získáno 13. listopadu 2018. Archivováno z originálu 14. listopadu 2018.
  11. ↑ Lehninger, 1985 , s. 230.
  12. ↑ Volkenshtein M. V., Dogonadze R. R., Madumarov A. K., Urushadze Z. D., Kharkats Yu. I. O teorii enzymatické katalýzy.- Molecular Biology, sv. 3, 1972, umění. 431-439
  13. ↑ Volkenshtein M.V., Dogonadze R.R., Madumarov A.K., Urushadze Z.D., Kharkats Yu.I. Elektronové konformační interakce v enzymatické katalýze.- So. "Konformační změny biopolymerů v roztocích", vydavatelství "Nauka", Moskva, 1972
  14. ↑ Urushadze Z. D., Khidureli V. K. Kvantový výpočet kinetiky elementárního aktu biochemických reakcí .- So. "Biochemie rostlin", v.1, nakladatelství "Metsniereba", Tbilisi, 1973
  15. ↑ Urushadze Z. O skutečném koncepčním rámci pro enzymatickou katalýzu - Bull. Georg. Natl. Akad. Sc., sv. 173, č. 2, Tbilisi, 2006, str. 421-424
  16. ↑ Lehninger, 1985 , s. 231-232.
  17. ↑ Anfinsen CB Principy, které řídí skládání proteinových řetězců.  (anglicky)  // Věda (New York, NY). - 1973. - 20. července ( roč. 181 , č. 4096 ). - S. 223-230 . - doi : 10.1126/science.181.4096.223 . — PMID 4124164 .
  18. ↑ Lehninger, 1985 , s. 238.
  19. ↑ 1 2 Berezov T. T., Korovkin B. F. Biologická chemie: Učebnice / Pod. vyd. akad. Akademie lékařských věd SSSR S. S. Debová - 2. vydání, revidováno. a dodat - M .: Medicína, - 1990. - 528 s., P 99-102. ISBN 5-225-01515-8
  20. ↑ Fischer E. "Einfluss der Configuration auf die Wirkung der Enzyme" Ber. Dt. Chem. Ges. 1894, v. 27, ss. 2985-2993.
  21. ↑ Koshland DE Aplikace teorie specifičnosti enzymu na syntézu proteinů.  (anglicky)  // Proceedings Of The National Academy of Sciences Of The United States Of America. - 1958. - únor ( roč. 44 , č. 2 ). - S. 98-104 . - doi : 10.1073/pnas.44.2.98 . — PMID 16590179 .
  22. ↑ Aktivita enzymu v buňce . Získáno 12. července 2021. Archivováno z originálu dne 12. července 2021.
  23. ↑ Biochemie (nepřístupný odkaz) . Získáno 4. dubna 2015. Archivováno z originálu 23. září 2015. 
  24. ↑ Lehninger, 1985 , s. 243-246.
  25. ↑ Lehninger, 1985 , s. 257-259.
  26. ↑ Lehninger, 1985 , s. 258.
  27. ↑ Enzymové aktivátory a inhibitory "Murzim . Získáno 4. dubna 2015. Archivováno 10. dubna 2015.
  28. ↑ Berezov T. T., Korovkin B. F. Biologická chemie: učebnice - 3. vyd., revidováno. a další .. - M . : Medicína, 1998. - 704 s. — ISBN 5-225-02709-1 .
  29. ↑ Aktivace a inhibice enzymů . Získáno 4. dubna 2015. Archivováno z originálu 9. dubna 2015.
  30. ↑ Lehninger, 1985 , s. 263-264.
  31. ↑ Alexej G. Murzin. Mohou homologní proteiny vyvinout různé enzymatické aktivity?  (anglicky)  // Trends in Biochemical Sciences. — 1993-11. — Sv. 18 , iss. 11 . - str. 403-405 . - doi : 10.1016/0968-0004(93)90132-7 . Archivováno z originálu 5. srpna 2020.
  32. ↑ Popova T.N., Rakhmanova T.P., Popov S.S. Lékařská enzymologie: Učebnice. - Voroněž: Vydavatelské a tiskové středisko Voroněžské státní univerzity, 2008. - 64 s.
  33. ↑ Hydrolýza lignocelulózových materiálů pro výrobu etanolu: přehled  //  Bioresource Technology. - 2002-05-01. — Sv. 83 , iss. 1 . — S. 1–11 . — ISSN 0960-8524 . - doi : 10.1016/S0960-8524(01)00212-7 . Archivováno z originálu 5. srpna 2021.
  34. ↑ Ole Kirk, Torben Vedel Borchert, Claus Crone Fuglsang. Průmyslové aplikace enzymů  (anglicky)  // Current Opinion in Biotechnology. — 2002-08. — Sv. 13 , iss. 4 . — S. 345–351 . - doi : 10.1016/S0958-1669(02)00328-2 . Archivováno z originálu 5. srpna 2020.
  35. ↑ 1 2 3 D. E. Briggs. Slady a sladovnictví . — 1. vyd. - London: Blackie Academic, 1998. - xviiii [sic], 796 stran s. - ISBN 0-412-29800-7 , 978-0-412-29800-4.
  36. ↑ C. Dulieu, M. Moll, J. Boudrant, D. Poncelet. Zlepšené výkony a kontrola kvašení piva pomocí zapouzdřené α-acetolaktát dekarboxylázy a modelování  //  Biotechnology Progress. - 2000-12-01. — Sv. 16 , iss. 6 . — S. 958–965 . — ISSN 8756-7938 . doi : 10.1021 / bp000128k .
  37. ↑ Složky v masných výrobcích: vlastnosti, funkčnost a použití . — New York: Springer, 2009. — 1 online zdroj (x, 419 stran) str. - ISBN 978-0-387-71327-4 , 0-387-71327-1, 978-0-387-71326-7, 0-387-71326-3.
  38. ↑ P. Bajpai. Aplikace enzymů v celulózovém a papírenském průmyslu  //  Biotechnologický pokrok. - 1999-04-05. — Sv. 15 , iss. 2 . — S. 147–157 . — ISSN 8756-7938 . doi : 10.1021 / bp990013k .

Literatura

  • Tarchanov I. R .,. Enzymy ve fyziologii // Encyklopedický slovník Brockhaus a Efron  : v 86 svazcích (82 svazcích a 4 dodatečné). - Petrohrad. , 1890-1907.
  • Enzymy ve fyziologii // Encyklopedický slovník Brockhaus a Efron  : v 86 svazcích (82 svazcích a 4 dodatečné). - Petrohrad. , 1890-1907.
  • Enzymy v rostlinách // Encyklopedický slovník Brockhausa a Efrona  : v 86 svazcích (82 svazcích a 4 dodatečné). - Petrohrad. , 1890-1907.
  • Enzymy // Encyklopedický slovník Brockhause a Efrona  : v 86 svazcích (82 svazcích a 4 dodatečné). - Petrohrad. , 1890-1907.
  • Lehninger A. Základy biochemie: Ve 3 svazcích. Svazek 1. - Moskva: Mir, 1985. - 367 s.
  • Volkenstein M. V., Dogonadze R. R., Madumarov A. K., Urushadze Z. D., Kharkats Yu. I. O teorii enzymatické katalýzy.- Molecular biology, sv. 6, no. 3, 1972, umění. 431-439.
  • Dixon, M. Enzymes / M. Dixon, E. Webb. - Ve 3 svazcích - Per. z angličtiny. - V.1-2. — M.: Mir, 1982. — 808 s.
  • Koshland D. The Enzymes, V. I, Ch. 7. New York, akad. Tisk, 1959.
  • Urushadze Z. O skutečném koncepčním rámci pro enzymovou katalýzu.- Bull. Georg. Natl. Akad. Sc., sv. 173, č. 2, 2006, 421-424.
  • Wolf M., Ransberger K. Léčba enzymy  - M.: Mir, 1976.
  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
 Enzymy
Aktivita
Nařízení
Klasifikace
Typy