Enzym

náhled|upright=1.5|Lidská glyoxyláza I je enzym ze skupiny lyáz. V molekule enzymu převládají bílkovinné řetězce, ale navíc jsou jeho součástí dva ionty zinku (fialově) a inhibičně působící regulátor S-hexylglutathion Enzym je jednoduchá či složená bílkovina s katalytickou aktivitou. Enzymy určují povahu i rychlost chemických reakcí a řídí většinu biochemických procesů v těle všech živých organismů včetně člověka. Věda o enzymech se jmenuje enzymologie a rozvíjí se zejména od 19. století, kdy si lidé začali všímat procesů, k nimž dochází např. při trávení potravy. Základní složkou enzymů jsou proteiny, na něž se velmi často vážou další přídatné molekuly známé jako kofaktory nebo prostetické skupiny, které se podílí na katalýze. Samotná enzymatická reakce probíhá obvykle v tzv. aktivním místě enzymu. Enzymů je obrovské množství a je možné je klasifikovat do sedmi skupin: oxidoreduktázy, transferázy, hydrolázy, lyázy, izomerázy, ligázy a od roku 2018 i translokázy. Všechny mají společnou katalytickou funkci; vedou reakci jinou reakční cestou, čímž umožňují energeticky méně náročný průběh reakce. Enzymy obecně jsou výrazně specifické a obvykle přeměňují jeden nebo několik málo substrátů, a to jedním definovaným způsobem. Aktivita enzymů, spočívající v ovlivnění rychlosti chemických reakcí snižováním jejich aktivační energie, je závislá zejména na koncentraci substrátu, teplotě, pH a přítomnosti aktivátorů a inhibitorů. Celá řada enzymů již našla praktické využití i v průmyslu a ve výzkumu.

Historie výzkumu náhled|Eduard Buchner si povšiml, že enzymatickou aktivitu má i pouhý výtažek z kvasinek Vědu o enzymech nazýváme enzymologie. Na přelomu 18. a 19. století již existovalo povědomí o procesech, jako je trávení masa žaludeční šťávou nebo rozklad škrobu na jednoduché cukry účinkem slin. Skutečný průběh těchto jevů však byl zahalen tajemstvím a např. pepsin byl objeven až ve století devatenáctém. Velký pokrok v tomto směru představují výzkumy slavného mikrobiologa L. Pasteura, který si povšiml, že pouze živé čerstvé kvasinkové buňky jsou schopné kvasit cukry na alkohol a že tedy tato schopnost je zřejmě nějakým výlučným rysem živých organismů. V té době se však biokatalyzátorům neříkalo enzymy, nýbrž fermenty, protože byly činěny zodpovědnými za rozkladné fermentační procesy v přírodě. V roce 1877 německý fyziolog Wilhelm Kühne poprvé použil slovo „enzym“, které pochází z řeckého ενζυμον, tedy „v kvasinkách (v kvásku, v droždí)“. Slovo však bylo v dnešním moderním smyslu používáno až později. O dvacet let později si Eduard Buchner povšiml, že pro kvašení cukru stačí jen kvasinkový extrakt, který zřejmě obsahuje enzym, jenž toto kvašení umožňuje (on tuto látku označoval jako „zymáza“). Za tyto výzkumy mu také bylo udělena Nobelova cena za chemii. Stalo se zvykem, že jsou enzymy pojmenovávány podle toho, jakou reakci katalyzují, přidáním koncovky –áza (dříve –asa). Tento úzus zřejmě zavedl francouzský vědec Émile Duclaux, který tak chtěl oslavit objevitele diastázy – prvního izolovaného enzymu vůbec.

Dalším cílem výzkumníků bylo určit biochemickou povahu enzymů. Několik vědců sice poukazovalo na to, že enzymatická aktivita má něco společného s proteiny, ale například vlivný chemik Richard Willstätter tvrdil, že bílkoviny jsou pouhé přenašeče skutečných enzymů a nejsou samy o sobě schopné katalyzovat chemické reakce. James Batcheller Sumner v roce 1924 izoloval a krystalizoval enzym ureázu a prokázal, že se jedná o čistý protein. Důkaz, že proteiny mohou samy o sobě plnit funkci enzymů, podali Northrop a Stanley, kteří zkoumali trávicí enzymy pepsin, trypsin a chymotrypsin. Spolu se Sumnerem jim byla v roce 1946 udělena Nobelova cena za chemii. Díky Sumnerovu objevu krystalizace proteinů se otevřel prostor pro důležitou metodu tzv. rentgenové krystalografie, jenž umožňuje určit prostorovou strukturu bílkovin. Poprvé s touto metodou uspěla skupina vedená D. C. Phillipsem, která v roce 1965 zveřejnila prostorovou strukturu enzymu lysozymu.

Stavba náhled|upright=1.5|Karbonanhydráza včetně kofaktoru zinku (šedý atom uprostřed) Základem většiny enzymů je proteinová složka, tzn. dlouhé sekvence aminokyselin vytvářející prostorový útvar. Existuje nicméně i malý počet enzymů, které jsou místo bílkovin složené z RNA – těmto RNA enzymům se říká také ribozymy a patří k nim například rRNA v ribozomu. Menšinovou, ale o to významnější složkou enzymů jsou tzv. prostetické skupiny, které se pevně vážou na enzym a umožňují zpravidla jeho katalytickou funkci. Pouze bílkovinná složka enzymu se označuje apoenzym, který spolu s prostetickou skupinou tvoří výsledný a aktivní holoenzym. Mimo prostetické skupiny se enzymové katalýzy účastní i další, volněji navázané látky, označované obvykle jako koenzymy.

Co se týče terminologie okolo kofaktorů, prostetických skupin a koenzymů, panuje značná nejednotnost. Voet & Voet rozlišují dva druhy kofaktorů, koenzymy a prostetické skupiny, z nichž první se vážou slabě a druhé kovalentně. Stejné pojetí zastává například Vodrážkova Enzymologie nebo Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology. Poněkud jiné definice používá např. Alberts nebo Harper.

Mezi kofaktory se obvykle neřadí další nebílkovinné součási enzymů, jako například různé cukerné složky nebo ionty kovů (protože mnohé enzymy jsou glykoproteiny nebo metaloproteiny). Ke známým metaloenzymům patří metaloproteázy, alkoholdehydrogenáza či karbonáthydrolyáza.

Bílkovinná složka Hlavní složkou molekul holoenzymů jsou bílkoviny (lineární polypeptidy) složené z 20 základních proteinogenních α-L-aminokyselin, z nichž každá je svými vlastnostmi odlišná od těch ostatních (ty však platí i pro ostatní proteiny, nejen pro enzymy). Fenylalanin, tryptofan a nepolární alifatické aminokyseliny se například obvykle nachází uvnitř enzymů. Tyrosin nebo histidin bývají poměrně často přítomny v tzv. aktivním centru enzymů, první jmenovaný díky své schopnosti tvořit vodíkové můstky, druhý kvůli schopnosti přijímat protony a svým nukleofilním vlastnostem.

Délkou sahají od pouhých 62 aminokyselin v případě 4-oxalokrotonáttautomerázy po 2500 aminokyselin dlouhý komplex syntázy mastných kyselin. Mnohdy se na stavbě enzymu podílí několik samostatných bílkovin, které dohromady tvoří tzv. proteinový komplex. Pokud se vlivem určitých chemických látek rozruší prostorová struktura enzymů, dojde k tzv. denaturaci, kdy enzym vratně nebo nevratně přestane být funkční. Je tedy zřejmé, že prostorový tvar enzymů je zcela zásadní pro jejich funkčnost – bohužel však stále neumíme podle tvaru molekuly spolehlivě předpovědět druh enzymatické aktivity. Většina enzymů je mnohem větší než látky, jejichž přeměnu katalyzují a na vlastní enzymatické aktivitě se podílí jen např. 3–4 aminokyseliny. Tyto aminokyseliny společně vytváří tzv. aktivní místo. Dalšími důležitými oblastmi v enzymu jsou části, kde se vážou kofaktory nebo jiné malé molekuly potřebné pro katalýzu.

Kofaktory

Některé enzymy ke své funkci potřebují další, nebílkovinné molekuly, jimž se obvykle říká kofaktory. Takových enzymů je dokonce většina, odhaduje se asi 60 %. Kofaktory obecně umožňují přenos jednotlivých atomů nebo elektronů v průběhu enzymatické činnosti. Vymezení a definice jednotlivých druhů kofaktorů se liší autor od autora, nicméně prostetická skupina je obvykle chápána jako pevně vázaná a stabilní součást molekul enzymů, zatímco koenzym se váže pouze slabě a snadno disociuje. Navíc obvykle platí, že koenzymy se obvykle po proběhnutí reakce „spotřebovávají“ a jsou v mnoha případech jiným enzymem opět regenerovány, aby mohly opět plnit svou funkci. V reálné biochemii však existuje plynulý přechod mezi koenzymy a prostetickými skupinami. Podle chemické struktury a funkce je možné všechny kofaktory praktičtěji rozdělit do několika skupin: Kofaktory účastnící se oxidačních a redukčních pochodů (kofaktory oxidoreduktáz): patří k nim různé pyridinové (nikotinamidové) (di)nukleotidy (NAD+ a NADP+), flavinové „nukleotidy“ (FMN a FAD), biopterin, lipoová kyselina, benzochinony (CoQ a plastochinon), hem, FeS centra či glutathion. Kofaktory umožňující přenos skupin (kofaktory transferáz): patří k nim známý ATP, aktivní sulfát (PAPS), adenosylmethionin a methylkobalamin, tetrahydrofolát, biotin, thiamindifosfát, koenzym A, pyridoxalfosfát, UDP a CDP Kofaktory lyáz: patří mezi ně již zmíněné kofaktory, jako acetylkoenzym A, biotin, thiamindifosfát či pyridoxalfosfát Kofaktory izomeráz: jsou spíše vzácné, protože izomerázy se bez nich obvykle obejdou; nicméně někdy se používá glutathion nebo různé deriváty kobalaminu

Důležité oblasti Tvar enzymu může být různý, ale v každém případě by měl zahrnovat tzv. aktivní místo, což je obvykle štěrbina nebo prohlubeň, kde je substrát dostatečně uchráněn před okolním vodným prostředím a může zde dojít ke katalýze. U multimerických enzymů (tedy s více podjednotkami) je aktivní místo mnohdy vytvořeno na pomezí mezi dvěma podjednotkami a na jeho vzniku se tedy podílí aminokyselinové zbytky z dvou či více různých proteinů. V aktivním místě se často nachází různé kofaktory a prostetické skupiny. Jiným důležitým místem je u mnohých (ale zdaleka ne u všech) enzymů tzv. alosterické místo, které se uplatňuje zejména u kaskád několika enzymatických reakcí a je prostředkem tzv. alosterické regulace. Vážou se sem jisté molekuly, přičemž ale nedochází k enzymatické přeměně.

Klasifikace Mezinárodní biochemická a molekulárně biologická unie (IUBMB) zavedla nomenklaturické rozdělení enzymů pomocí tzv. EC čísel do 7 hlavních kategorií, které se dále dělí na podkategorie. Často se tak můžeme vedle jména enzymu setkat ještě s jeho číselným označením ve stylu např. EC 3.4.11.4. Mezi sedm hlavních kategorií enzymů patří:http://enzyme-database.org/downloads/ec7.pdf

EC 1 – oxidoreduktázy: katalyzují oxidačně/redukční reakce EC 2 – transferázy: přenášejí funkční skupiny (například methyl-, acetyl- nebo fosfátovou skupinu) mezi substráty EC 3 – hydrolázy: katalyzují hydrolýzu chemických vazeb EC 4 – lyázy: štěpí chemické vazby jiným způsobem než hydrolýzou či redoxní reakcí EC 5 – izomerázy: katalyzují isomerizační reakce EC 6 – ligázy: spojují dvě molekuly kovalentní vazbou EC 7 – translokázy: zavedena nově v roce 2018 reakce spojená s transportem částic přes membránu (z jedné části buňky do jiné či mezi buňkou a vnějším prostředím)

Tzv. systémové názvy enzymů jsou pokusem o systematické pojmenování enzymů skutečným popisem reakcí, jež katalyzují. Příkladem je třeba (S)-laktát:NAD+-oxidoreduktáza, která katalyzuje oxidoredukční reakci substrátu (S)-laktát se substrátem (resp. kofaktorem) NAD+. V EC systému by její číselný kód zněl EC 1.1.1.27, protože patří do skupiny oxidoreduktáz (1), účinkuje na CH-OH skupinu (1.1), jako akceptor vodíku protonů využívá NAD+ nebo NADP+ (1.1.1) a jedná se o laktátdehydrogenázu (1.1.1.27).

Vlastnosti Téměř všechny biochemické reakce jsou řízené enzymaticky. Enzymy jsou speciální skupina katalyzátorů, které stojí na pomezí heterogenní a homogenní katalýzy, ale v mnohém připomínají spíše tu heterogenní, ač jsou obvykle rozpuštěné ve vodě. Jsou tak výkonné, že enzymaticky katalyzované reakce dosahují 108–1014× vyšších rychlostí než reakce nekatalyzované. Extrémním příkladem je orotidin-5'-fosfátdekarboxyláza – díky ní reakce, která by trvala 78 milionů let, proběhne s poločasem 18 milisekund. Enzymy předčí svou rychlostí o několik řádů i běžné chemické katalyzátory. Enzymatická reakce má však i celou řadu dalších výhod. Takové reakce se dají obvykle uskutečnit za mnohem nižších teplot, při atmosférickém tlaku a při fyziologickém pH. Dále jsou enzymy velice specifické, mnohem více, než jakýkoliv chemický katalyzátor. Konečně je možné enzym snadno regulovat, například alostericky nebo třeba útlumem syntézy daného proteinu.

Katalýza