Enzymy – maturitní otázka

 

Otázka: Enzymy

Předmět: Chemie

Přidal(a): Anča

 

 

Enzymologie

• věda zabývající se enzymy

Historie:

• Berzelius (18. stol.) – v rostlinách probíhají katalyzované reakce – fermenty (fermentace)
• W. Kühne – en zýme = v kvasnicích – objevil enzymy v kvasnicích
• J. Summer – prokázána bílkovinná podstata enzymu

 

Enzymy

• jsou to látky bílkovinné povahy
• obsahují bílkovinovou část a mohou obsahovat nebílkovinovou část
• urychlují reakce v živých organismech
• zajišťují průběh reakcí, které by nemohly za normálních okolností probíhat (teplota, pH těla, …)
• specifické katalyzátory = enzymy
• vyskytují se ve všech živých systémech
• mají druhovou specifitu – každý jedinec (druh) má své specifické enzymy
• nejjednodušší buňky obsahují přes 3000 enzymů
• veškerá existence života je založená na přítomnosti enzymů
• aktivita enzymů – pružně regulovatelná dle měnících se potřeb organismů
  • v podstatě fungují pouze když jsou potřeba
• složité struktury enzymů jsou citlivé k řadě vlivů – dysbalancím, výkyvům
• podléhají rychlému opotřebení
• podle potřeb regulace jsou stále syntetizovány a odbourávány
• substrátová specifita = katalyzovaná reakce probíhá jen s určitým substrátem

 

STRUKTURA ENZYMU

• jsou to globulární bílkoviny (až ribozomy – RNA)
• podle přítomnosti nebílkovinné části je dělíme na:
  • jednoduché enzymy – jednosložkové
    • obsahují jen bílkovinnou část
    • pepsin, trypsin, obecně hydrolázy
  • složené enzymy – dvousložkové
    • obsahují i nebílkovinou strukturu
    • apoenzym = bílkovinná část
    • kofaktor (koenzym) = nebílkovinná část
    • holoenzym = aktivní enzym (koenzym+apoenzym)
• aktivní centrum
  • do aktivního místa se v průběh reakce vážou substráty a jsou změněny pomocí katalytických skupin na produkty
  • pouze na aktivním centru probíhá katalýza biochemické reakce

• kofaktory
  • ionty kovů: Zn2+ (např. alkoholdehydrogenáza), Mn2+ (např. argináza), Fe2+, Cu2+, Mg2+
  • organické molekuly: často se jedná o deriváty vitaminů.
  • Podle charakteru vazby na apoenzym kofaktory dělíme na:
    • koenzymy: organická molekula neproteinové povahy, na molekulu apoenzymu vázaná volně – může se z něho oddělit (např. NAD+, NADP+)
    • prostetické skupiny: organická molekula neproteinové povahy, na molekulu apoenzymu vázaná pevně (např. hem, FAD)
• multienzymový komplex
  • různý počet peptidových řetězců
  • každý řetězec může obsahovat více domén
  • enzym obsahuje více řetězců (kvarterní struktura) = multienzymový komplex

• zymogeny
  • jsou tvořeny a sekretovány ve své neaktivní podobě
  • jsou aktivovány až na místě, kde se jejich aktivita požaduje
  • př. buňky žaludeční sliznice sekretují proenzym pepsinogen. HCl přítomná v žaludeční šťávě napomáhá autoaktivaci pepsinogenu na aktivní pepsin. Reakce probíhá také autokatalyticky, kdy se na štěpení pepsinogenu podílejí již vytvořené molekuly pepsinu.

 

ENZYMY VS. UMĚLÉ KATALYZÁTORY

• enzymy jsou účinnější
• jsou rychlejší -> mají vyšší reakční rychlost (o několik řádů rychlejší)
• jsou mnohem více specifičtější v ohledech:
  • substrátové struktury přeměněných látek
  • typu katalyzované reakce
• pracují za mírných podmínek: teplota 20-40°, tlak 0,1 MPa, pH okolo 7
• lze je snadno regulovat
• jsou netoxické

 

RYCHLOST ENZYMOVÝCH REAKCÍ

• závisí na podmínkách reakčního prostředí
• pro porovnání rychlosti se uvádí jednotka katal, která udává množství enzymu potřebného pro přeměnění 1 molu substrátu za 1 s
• U (= 1 μmol za 1 min, tj. cca 16,67 nkatal)
• rychlost ovlivňuje:
  • Množství substrátu
  • Množství enzymu
  • Teplota
    • Pro reakce v živých organismech je optimální teplotní rozsah 10 – 40 °C
    • Při nižších i vyššich teplotách efektivita reakcí obvykle klesá (např. při teplotě 50 °C může docházet k narušení bílkovinné struktury – její denaturaci)
  • Hodnota pH
  • Aktivátory a inhibitory
    • V případě, že dojde k její urychlení, jedná se o aktivaci (danou látkou je poté aktivátor).
    • Jestliže se enzymová reakce zpomalí, hovoříme poté o inhibici (způsobena inhibitorem).

 

INHIBICE ENZYMŮ

• Rozlišujeme 2 základní typy inhibice enzymů
• Kompetitivní inhibice
  • Tento děj je vratný, enzymovou reakci lze obnovit zvýšením množství substrátu.

• Nekompetitivní inhibice
  • inhibitor pevně zablokuje aktivní centrum enzymu, a tak do něj nemůže vstoupit substrát.
  • Tento typ inhibice způsobují zpravidla ionty těžkých kovů (Hg, Pb..), které se označují pojmem enzymové (katalytické) jedy.

 

AKTIVACE ENZYMŮ

• Některé ionty kovů (např. hořečnaté kationty Mg2+) mají schopnost zvyšovat katalytickou aktivitu enzymů.
• Aktivace enzymu může nastat tak, že se jeho neúčinná forma (proenzym) přemění na formu účinnou.

 

MECHANISMUS PŮSOBENÍ ENZYMŮ

• pracují na principu snížení aktivační energie
• Během prvního kroku dojde k tvorbě komplexu enzym-substrát (E-S)(probíhá typicky velmi rychle a je reverzibilní/vratný)
• Následně se substrát za katalýzy enzymem přemění v produkt
• Z komplexu E-S tak vzniká komplex enzym-produkt (E-P)
• rozpad E-P (pomalejší reakce, je irezibilní)
• Reakce se tak rozdělí na několik postupných kroků, v nichž vzniká jeden nebo několik přechodných stavů E-S (transition states)
• Aktivační energie potřebná k vytvoření každého meziproduktu a k následné přeměně E-S na E-P je nižší než při přímé přeměně substrátu na produkt, přestože celkové ΔG (gibbsova energie) obou reakcí je stejné.
• fialový koenzym/substrát koenzym muže být navázán se substrátem

 

NÁZVOSLOVÍ ENZYMŮ

• původně fermenty
• podle zdroje nebo metody použití
• mnoho jich je zakončeno -sin/-in (pepsin, trypsin, ptyalin)
• triviální názvy jednotlivých enzymů (α-amyláza, pepsin, trypsin
• Substrát + -áza (-asa) – například amyláza (katalyzující hydrolýzu amylózy)
• Typ reakce + -áza – například dehydrogenáza
• enzym oxalát karboxy-lyasa (oxalátdekarboxylasa) katalyzuje dekarboxylaci kyseliny šťavelové (COOH)2
• všechny mají i své kódové číslo EC

 

KLASIFIKACE ENZYMŮ

1) Oxidoreduktázy

• katalyzují intramolekulární a oxidačně-redukční reakce, složené bílkoviny
• reakcích dochází k přenosu elektronů e- mezi jednotlivými substráty – transelektronázy
• často využívají kofaktory – např. NAD+, NADP+, FAD či hem
• oxidázy, peroxidázy
• oxygenázy – vnášejí do molekuly substrátu kyslík, buď ve formě -OH, (monooxygenázy, nebo také hydroxylázy) či jako O2 (dioxygenázy),
• dehydrogenázy – oxidují substrát odebráním H-atomů, jejich název se zkracuje jako DH (př. laktátdehydrogenáza – LDH, alkoholdehydrogenáza – ADH),
• desaturázy
• Příklad enzymové reakce: CH3CH2OH + NAD+ → CH3CHO + NADH + H+

 

2) Transferázy

• podílejí se na přenosu skupin (amino-, acyl-, methyl-, glykosyl-, fosforyl-, …)
• typy:
  • transaminázy (aminotransferázy) – přenášejí -NH2 skupinu,
  • kinázy (fosfotransferázy) – přenášejí fosfátovou skupinu z ATP nebo jiných nukleosidtrifosfátů,
  • transaldolázy, transketolázy.
• př. enzym fosfotransferasa HPO42-
  • enzym katalyzuje například přeměnu D-glukosy na D-glukosa-6-fosfát

 

3) Hydrolázy

• hydroliticky štěpí vazby, které vznikly kondenzací
• štěpí pomocí vody!
• typy:
  • lipázy, fosfolipázy (hydrolýza esterové vazby v tucích)
  • disacharidázy (sacharáza, maltáza, laktáza),
  • proteázy, peptidázy (pepsin, trypsin), (hydrolýza amidové vazby)
  • esterázy
  • fosfatázy

 

4) Lyázy (syntázy)

• štěpí vazbu C-C, C-N, C-O nehydrolytickým způsobem
• štěpí i adiční 2 vazbu a syntézy bez spotřeby ATP
• typy:
  • dekarboxylázy,
  • aldolázy,
  • dehydratázy, hydratázy
• př. enzymy dekarboxylasy (odštěpují oxid uhličitý CO2)
  • enzymový rozklad kyseliny šťavelové (COOH)2: (COOH)2 → HCOOH + CO2

 

5) Izomerázy

• umožňují vnitromolekulární přeměny substrátů (jejich izomerace)
• vzniklý produkt je izomerem výchozího substrátu
• typ jednoduchých bílkovin
• typy podle typu izomerie:
  • epimerázy – mění polohu – OH skupiny v molekule,
  • mutázy – mění polohu fosfátové skupiny v molekule
• př. D-glukosa C6H12O6 → D-fruktosa C6H12O6

 

6) Ligázy (syntetázy)

• Katalyzují syntetické reakce spojené s hydrolýzou ATP
• dělení podle vytváření vazeb