Přírodní látky - Enzymy

 

Výukové materiály ke kapitole Přírodní látky

1. Kompletní výukový materiál - prezentace Přírodní látky:

Přírodní látky prezentace

ve formě powerpointu (bez propojení na flash. animace): zde

ve formě powerpointu s propoj. na flash. animace: zde

2. Dílčí výukový materiál - Sacharidy (flashová animace):

transkripce

ve formě swf souboru: zde

ve formě exe souboru: zde

ve formě html souboru: zde

3. Dílčí výukový materiál - Enzymy, vitaminy a hormony (flashová animace):

EVH_CD

ve formě swf souboru: zde

ve formě exe souboru: zde

ve formě html souboru: zde

3. Další dílčí výukové materiály k tématu Sacharidy (flashové animace ve formátu swf):

Prostorové uspořádání glyceraledhydu

D-glukosa - odvození cyklické formy

L-glukosa - odvození cyklické formy

Sacharidy - estery a glykosidy monosacharidů

Disacharidy

Polysacharidy

Stavební jednotky nukleových kyselin (ribosa a 2-deoxyribosa)

Nukleotid (znázornění N-glykosidové vazby)

4. Dílčí výukové materiály k tématu Lipidy (flashové animace ve formátu swf):

Esterifikace

Jednoduché lipidy - acylglyceroly

Jednoduché lipidy - vosky

Složené lipidy - fosfolipidy

Složené lipidy - glykolipidy

Odvozené lipidy - isoprenoidy

Odbozené lipidy - steroidy

Buněčná membrána

5. Dílčí výukové materiály k tématu Bílkoviny (flashové animace ve formátu swf):

Obecný vzorec aminokyselin a plošná projekce

Disociace aminokyselin

Přehled aminokyselin

Primární struktura bílkovin

Sekundární struktura bílkovin (α-helix)

Sekundární struktura bílkovin (skládaný list)

Terciární struktura bílkovin

Kvarterní struktura bílkovin

6. Dílčí výukové materiály k tématu Enzymy (flashové animace ve formátu swf):

Schématické znázornění reakce katalyzované enzymem

Katalytické působení enzymu (graf)

Faktory ovlivňující rychlost chemické reakce (grafy)

Reverzibilní inhibice (animace)

Regulace enzymové aktivity (allosterické enzymy a kovalentně modulované enzymy) (animace)

7. Dílčí výukové materiály k tématu Vitaminy (flashové animace ve formátu swf):

Vitamin B1 - B6

Vitamin H

Vitamin B12

Vitamin C

Vitamin A

Vitamin D

Vitamin E

Vitamin K

 

Celkem

Kapitoly:

1. Co jsou enzymy?

2. Jaká je funkce enzymů?

3. V čem enzymy předčí umělé katalyzátory?

4. Specifita enzymů

5. Klasifikace a názvosloví enzymů

6. Struktura enzymu

7. Mechanizmus katalytického působení enzymu

8. Rozdělení enzymů

9. Enzymová aktivita

10. Co ovlivňuje enzymovou aktivitu?

11. Ireverzibilní inhibice

12. Reverzibilní inhibice

13. Regulační enzymy

14. Denaturace enzymů

15. Vratná denaturace – vysolování enzymů

16. Funkce enzymů během trávení

 

1. Co jsou enzymy?

V každé buňce probíhá současně mnoho set různých chemických reakcí. Buňka ovládá tyto reakce pomocí biokatalyzátorů (enzymů). Enzymy se tedy podílejí na řízení a koordinaci vysoce integrovaného souboru chemických reakcí v organismu. Enzymy nacházíme ve všech živých systémech a předpokládá se, že i jednodušší buňky obsahují přes 3 000 enzymů, které řídí rychlosti prakticky všech reakcí v nich probíhajících. Existující počet enzymů se odhaduje na miliardy.(citace Vodrážka 1998b)

2. Jaká je funkce enzymů?

Hlavní funkce enzymů je katalytická. Enzymy umožňují průběh takových reakcí, které by v lidském těle za normálních podmínek neprobíhaly, neboť většina biochemických reakcí má příliš vysokou aktivační energii EA (= minimální energie potřebná pro uskutečnění termické reakce). Probíhá-li ale reakce s enzymem, průběh reakce je značně ulehčen, neboť katalyzovaná reakce probíhá jiným mechanizmem s podstatně nižší aktivační energií.(citace Vodrážka 1998b)

Viz též animace Katalytické působení enzymu (graf).

enzym
Obr. 1: Závislost energie na průběhu chemické reakce.

3. V čem enzymy předčí umělé katalyzátory?

  • • Enzymy jsou oproti umělým katalyzátorům účinnější. Jediná molekula enzymu je schopna během jedné sekundy přeměnit až 5 x 104 molekul substrátu, výjimečně i více. To odpovídá značným reakčním rychlostem, které až o několik řádů převyšují rychlosti dějů realizovaných umělými katalyzátory.(citace Vodrážka 1998b)
  • • Pracují většinou za mírných podmínek (teplota 20-40 °C, tlak 0,1 MPa, pH většinou kolem 7).(citace Vodrážka 1998b)
  • • Jejich účinek lze snadno regulovat, a to dokonce na několika úrovních.(citace Vodrážka 1998b)
  • • Nezanedbatelnou předností enzymů při jejich průmyslových aplikacích je i jejich netoxičnost, na rozdíl od umělých katalyzátorů, které jsou většinou toxické.(citace Vodrážka 1998b)

4. Specifita enzymů

Enzymy vykazují:

  • účinkovou (reakční) specifitu, tzn. určitý enzym katalyzuje pouze jednu z mnoha možných přeměn substrátu.(citace Vodrážka 1998b)
  • substrátová specifitu, tzn. každý enzym obvykle katalyzuje pouze určitou reakci určitého substrátu (výchozí látky). Některé enzymy katalyzují přeměnu jen jediného substrátu – poté vykazují tzv. absolutní specifitu (např ureasa). Jiné enzymy katalyzují skupiny substrátů téhož typu, tzn., že vykazují tzv. skupinovou specifitu. Existují i enzymy s relativní skupinovou specifitou, které jsou nejméně specifické. (citace Vodrážka 1998b)
  • stereospecifitu, tzn. schopnost enzymu rozpoznat v racemické směsi jeden z enantiomerů a pouze ten přeměnit, dále při syntéze chirální molekuly z achirální syntetizovat pouze jediný z možných enantiomerů; stereospecifita je důsledkem toho, že enzym (a tedy i jeho aktivní centrum) je vybudován z chirálních monomerních jednotek, a je proto chirální jako celek.(citace Kodíček)

5. Jaká je klasifikace a názvosloví enzymů?

V prvních dobách studia byly enzymům dávány celkem náhodné triviální názvy, většinou s koncovkou –in (např. pepsin, trypsin). Později byla pro enzymy zvolena koncovka –asa a název byl vytvořen podle substrátu, jehož přeměnu enzym katalyzoval (amylasa, lipasa, proteasa) nebo podle charakteru katalyzované reakce (oxidasa, hydrolasa, transaminasa).(citace Vodrážka 1998b)

Bližší poznávání stále rostoucího počtu enzymů si však vynutilo řešení problému účelného třídění a jednotné nomenklatury. Vedle doporučovaných triviálních názvů byly zavedeny systematické názvy enzymů, v nichž je zahrnut substrát i typ katalyzované reakce, např. systematickým název pro laktátdehydrogenasu je laktát: NAD+-oxidoreduktasa.(citace Vodrážka 1998b)

Kromě systematického názvu je každému enzymu přiděleno kódové číslo, které enzym jednoznačně identifikuje. Např. pro laktátdehydrogenasu je kódové číslo E.C.1.1.1.27. První číslo kódu značí hlavní třídu enzymů, druhé číslo podtřídu, v tomto případě oxidaci primární alkoholové skupiny, třetí číslo určuje typ akceptoru vodíku, v tomto případě se jedná o enzym spolupracující s pyridinovými koenzymy a čtvrté číslo je pořadové číslo konkrétního enzymu v dané podskupině.(citace Sofrová)

6. Jaká je struktura enzymu?

Většina enzymů je bílkovinné povahy, výjimkou je např. ribozym, který je tvořen RNA. Některé enzymy jsou tvořeny pouze polypeptidovým řetězcem či řetězci. Jiné enzymy většinou obsahují ještě neproteinovou složku nazývanou kofaktor. Kofaktorem může být buď nízkomolekulární látka zvaná koenzym, která není pevně vázána na enzym, nebo pevně vázaná struktura, tzv. prostetická skupina.

Katalyticky aktivní komplex protein-kofaktor se nazývá holoenzym, proteinová část enzymu po odstranění kofaktoru se nazývá apoenzym.

Nejdůležitější částí molekuly enzymu je aktivní místo (centrum). Do aktivního místa (centra) se pomocí vazebných skupin vážou substráty a jsou v něm přeměňovány pomocí katalytických skupin na produkty.

Některé enzymy mají na povrchu svých makromolekul několik aktivních center, působících nezávisle na sobě. Aktivní centrum je výsledkem terciární (u některých enzymů kvartérní) struktury apoenzymu a má charakteristický tvar (= charakteristické prostorové uspořádání atomů a charakteristických skupin). K aktivnímu centru je buď trvale, nebo dočasně připojen kofaktor. Kofaktor v chemické přeměně substrátu vystupuje jako dárce nebo příjemce elektronů (redoxní reakce), kationtů vodíku (acidobazické reakce) nebo charakteristických skupin. "Darování" nebo příjem jsou děje navzájem spojené. V jedné reakci kofaktor odebírá substrátu elektron, proton nebo charakteristickou skupinu a v následující chemické reakci je poskytne jinému substrátu. Aktivní centrum je nejdůležitější část enzymu. Pouze na aktivním centru probíhá katalýza biochemické reakce.(citace: Jak probíhá enzymová reakce? URL: http://www.chesapeake.cz/chemie/download/skripta/biochemie.pdf . [online]. [cit. 26.12.2008].)

obr
Obr. 2: Schematické znázornění struktury a působení enzymu amylasy.

7. Jak probíhá enzymová reakce?

Mechanismus katalytického působení enzymu je přibližně následující: (citace: Jak probíhá enzymová reakce? URL: http://www.chesapeake.cz/chemie/download/skripta/biochemie.pdf . [online]. [cit. 26.12.2008].)

  • a) na bílkovinnou část aktivního centra se váží strukturní jednotky substrátu; tak vzniká enzym-substrátový komplex; vytvořením enzym-substrátového komplexu se mnohonásobně zvýší koncentrace substrátu na aktivním centru; to vede ke zvýšení rychlosti chemické reakce v souladu s kinetickou rovnicí;
  • b) připojením strukturních jednotek substrátu k aktivnímu centru se zeslabí některé chemické vazby ve strukturních jednotkách substrátu; tyto chemické vazby proto pro své rozštěpení potřebují podstatně nižší aktivační energii; vznikem enzym-substrátového komplexu se výrazně sníží aktivační energie dané reakce;
  • c) enzym-substrátový komplex se po vzniku nových chemických vazeb rozpadá na enzym a produkty.

enzym + substrát → enzym-substrátový komplex → enzym + produkt

E + S → ESK → E + P

enzym
Obr. 3: Schematické znázornění reakce katalyzované enzymem.

Viz animace: Působení enzymu (ve formátu swf) a též animace Schématické znázornění reakce katalyzované enzymem (graf).

Hypotéza indukovaného přizpůsobení: Enzym a substrát nemusí být strukturně komplementární. Při interakci se enzym i substrát vzájemně strukturně přizpůsobují, mění svoji konformaci. Vzniklý komplex enzym-substrát je termodynamicky nestabilní, má tendenci se rozpadnout za vzniku produktu.

8. Jak rozdělujeme enzymy?

Enzymy jsou rozděleny do šesti hlavních tříd (viz též animace Enzymy-třídy ve formátu swf):

1. Oxidoreduktasy
Tyto enzymy katalyzují oxidoredukční reakce (tj. přenos elektronů, vodíků nebo reakce s kyslíkem). Mezi oxidoreduktasy patří např. alkoholdehydrogenasa (ADH) katalyzující přeměnu ethanolu na acetaldehyd a laktátdehydrogenasa (LDH), která katalyzuje přeměnu laktátu na pyruvát.

obr
Obr. 4: Působení enzymu laktátdehydrogenasy.

2. Transferasy
Jedná se o enzymy, katalyzující přenos skupin atomů. Příkladem transferasy může být aminotransferasa nebo glutamyltransferasa, katalyzující přenos aminoskupin.

obr
Obr. 5: Působení enzymu glutamyltransferasy.

3. Hydrolasy
Hydrolasy katalyzují hydrolytické štěpení vazeb. Mezi hydrolasy patří např. lipasy, které katalyzují hydrolýzu esterových vazeb.

obr
Obr. 6: Působení enzymu lipasy.

4. Lyasy (synthasy)
Tyto enzymy katalyzují nehydrolytické štěpení vazeb nebo tvorbu vazeb. Příkladem může být enzym pyruvátdekarboxylasa, která katalyzuje odštěpení CO2 z molekuly pyruvátu za vzniku acetaldehydu.

obr
Obr. 7: Působení enzymu pyuvátdekarboxylasy.

5. Isomerasy
Isomerasy katalyzují isomerační reakce. Příkladem může být triosafosfátisomerasa, katalyzující přeměnu D-glyceraldehyd-3-fosfátu na dihydroxyacetonfosfát.

obr
Obr. 8: Působení enzymu triosafosfátisomerasy.

6. Ligasy (synthetasy)
Katalyzují vznik vazeb za současného rozštěpení makroergické fosfátové vazby (např. v ATP). Příkladem může být aminoacyl-tRNA-synthetasa (viz Translace). Dalším příkladem je enzym pyruvátkarboxylasa, který katalyzuje reakci:

obr
Obr. 9: Působení enzymu pyruvátkarboxylasy.

9. Co je enzymová aktivita?

Činnost enzymů úzce souvisí s jejich aktivitou. Aktivita enzymů je definována jako rychlost katalyzované reakce. Její základní jednotkou je katal. 1 katal (kat) vyjadřuje množství enzymu, které způsobí přeměnu jednoho molu substrátu za sekundu. Z praktického hlediska je tato jednotka příliš veliká, proto se používají její zlomky (μkat nebo nkat).(citace Vodrážka 1998b)

10. Co ovlivňuje enzymovou aktivitu?

Enzymová aktivita je ovlivněna mnoha faktory:

  • a) teplota: rychlost všech reakcí, tedy i enzymově katalyzovaných, vzrůstá s rostoucí teplotou; pokud však u enzymových reakcí přestoupí teplota kritickou hodnotu, dojde k tepelné denaturaci bílkovinné molekuly enzymu a rychlost enzymové reakce začne klesat; největší aktivita enzymů je většinou při teplotě kolem 37 °C, většina enzymů ztrácí aktivitu při teplotě kolem 55-60°C; existují však enzymy termofilních bakterií, které jsou aktivní i při 85 °C;(citace Kolář, Kodíček)
  • b) pH: většina enzymů katalyticky působí jen v určité oblasti pH (tzv pH-optimum); tato vlastnost souvisí s disociačním stavem kyselých a bazických skupin aktivního centra; většina enzymů má pH-optimum v neutrálním či slabě kyselém prostředí, extrémních hodnot dosahuje pH-optimum trávicích enzymů;(citace Kolář, Kodíček)
  • obr
    Obr. 10: Závislost rychlosti katalyzované reakce na koncentraci substrátu, na pH a na teplotě.
  • c) modulátory: (citace: Aktivita enzymů. URL: http://projektalfa.ic.cz/enzymy.htm. [online]. [cit.26.12.2008])
  • I. látky zvyšující rychlost enzymové reakce = aktivátory;
  • II. látky snižující rychlost enzymové reakce = inhibitory.
  • Modulátory ovlivňují aktivitu enzymů tím, že se na ně váží nebo ovlivňují vazbu mezi enzymem a substrátem; některé látky napodobují substrát a tím blokují aktivní místo; existují také látky, které změní strukturu enzymu a ten se stane nefunkčním.

Viz též animace: Faktory ovlivňující rychlost chemické reakce (grafy) a Regulace enzymové aktivity (allosterické enzymy a kovalentně modulované enzymy) (animace).

11. Ireverzibilní inhibice

Inhibitor se kovalentně váže na enzym, modifikuje jeho funkční skupiny a tím jej inaktivuje.

12. Reverzibilní inhibice

Je známo několik druhů reverzibilních inhibicí:

a) Kompetitivní inhibice: inhibitor soutěží o vazbu na enzym se substrátem; často mají inhibitor a substrát podobnou chemickou strukturu a váží se do stejného vazebného místa; z teorie chemických rovnováh vyplývá, že vysokou koncentrací substrátu lze inhibitor vytěsnit z vazby na enzym a tím zrušit jeho působení.(citace Kodíček) Viz animace: Kompetitivní inhibice (ve formátu swf).

obr
Obr. 11: Kompetitivní inhibice.

b) Akompetitivní inhibice: inhibitor se může vázat pouze na komplex enzym-substrát, nikoli však na volný enzym; vazbou inhibitoru je porušena schopnost enzymu přeměňovat substrát a nevzniká produkt. (citace Kodíček)

obr
Obr. 12: Akompetitivní inhibice (Inhibitor se může vázat pouze na komplex enzym-substrát).

c) Nekompetitivní inhibice: Inhibitor se se stejnou afinitou váže na samostatný enzym či na komplex enzym-substrát, čímž znemožní přeměnu substrátu na produkt. Komplexy enzym-inhibitor i enzym-substrát-inhibitor vznikají stejně snadno.(citace Voet, Sofrová)

obr
Obr. 12: Nekompetitivní inhibice.

d) Obecným případem je smíšená inhibice, kdy afinita inhibitoru k enzymu a ke komplex-substrátu není stejná. (citace Sofrová) čistá reversibilní inhibice, při níž inhibitor soutěží o vazbu na enzym se substrátem; často mají inhibitor a substrát podobnou chemickou strukturu a váží se do stejného vazebného místa; z teorie chemických rovnováh vyplývá, že vysokou koncentrací substrátu lze inhibitor vytěsnit z vazby na enzym a tím zrušit jeho působení. (citace Kodíček)

13. Regulační enzymy

1. Allosterické enzymy: Aktivita enzymů je modulována (inhibována/aktivována) nekovalentní interakcí se specifickým metabolitem, který se váže do allosterického místa.

  • Zajímavé odkazy:
  1. Feedback inhibition: https://www.youtube.com/watch?v=DHZtOKyMPRY
  2. Allosterická inhibice a aktivace enzymů: https://www.youtube.com/watch?v=pR2Eh2Jfnz8

2. Enzymy kovalentně modulované: enzymy mohou existovat ve více formách, které se liší svou aktivitou. V neaktivní formě se enzymy vyskytují v podobě proenzymů neboli zymogenů; ty se vlivem reakčního prostředí nebo přítomností aktivátoru mění na aktivní formu; probíhá to tak, že aktivátor obnaží aktivní místo, čímž se enzym stane aktivním a začne plnit svojí funkci.

14. Denaturace enzymů

Většina enzymů je bílkovinné povahy. Bílkoviny mohou v závislosti na okolních podmínkách denaturovat. Při denaturaci enzymů dochází k rozpadu nativní prostorové struktury bílkoviny (narušení vyšších struktur) a vzniká neuspořádané polypeptidové klubko. Primární struktura je nepoškozena (kovalentní vazba se neštěpí).

Denaturaci enzymů způsobují denaturační činidla, např.:

  1. vysoká teplota – tzv. střední teplota tání proteinů se obvykle pohybuje pod 100 °C, výjimkou jsou bílkoviny některých termofilních či hypertermofilních organismů.
  2. vysoké či nízké pH (změnou náboje proteinu),
  3. přítomnost detergentů (interakcí s nepolárními zbytky) nebo některých dalších chemikálií, jako jsou některé alifatické alkoholy.
  4. koncentrované roztoky některých solí, tento sklon mají tzv. chaotropní ionty – jodidy, chloristany, thiokyanatany ale i některé kationty kovů alkalických zemin atp. (citace Voet)

15. Vratná denaturace – vysolování enzymů

Při vysolování jsou enzymy vysráženy z roztoku, avšak nedochází ke změnám v prostorovém uspořádání enzymu ani ke ztrátě biologické funkce. Nejedná se tedy o denaturaci. Soli přidané do roztoku (např.(NH4)2SO4) disociují na ionty, které jsou solvatovány molekulami vody. V roztoku již nezbude voda pro rozpouštění (solvatování) enzymu, jehož molekuly se proto shlukují k sobě a tvoří sraženinu. Po přidání vody se však sraženina opět rozpustí.

zajímavý odkaz: http://www.studiumchemie.cz/materialy/Anna_Fendrychova/Proteiny/flash/vysolovani.swf

16. Funkce enzymů během trávení

Enzymy jsou při trávení nepostradatelné, protože jsou nezbytné při hydrolytickém štěpení molekul polysacharidů, triacylglycerolů a bílkovin, které jsou hlavní součástí naší potravy. Jedním z enzymů, se kterým se potrava setká v ústech, je α-amylasa, která hydrolyzuje škrob za vzniku oligosacharidů. V žaludku se potrava setkává s dalšími enzymy, jako je např. pepsin štěpící bílkoviny. Slinivka břišní, která má vývod do dvanáctníku, je nejdůležitější zdroj enzymů. Ta vylučuje enzymy hydrolyzující bílkoviny (např. trypsin a chymotrypsin), poly- a oligosacharidy (např. amylasy) a triacylglyceroly (lipasy). V tenkém střevě nacházíme celou řadu enzymů, jako jsou maltasa, sacharasa a laktasa. Štěpení je dokončeno v tlustém střevě. Trávení lipidů, které jsou ve vodě nerozpustné, je usnadňováno žlučí tak, že je emulguje (žluč převádí kapičky lipidů do co nejmenších kapiček, které lze snadněji strávit). Enzymy rozloží potravu na základní jednotky, které již mohou být vstřebávány do krevního řečiště a předávány jednotlivým buňkám.