Stužkové schéma katalyticky dokonalého enzymu TIM.
Enzym je bílkovina, která katalyzuje nebo urychluje chemickou reakci. Slovo pochází z řeckého ένζυμο, énsymo, které pochází z én („at“ nebo „in“) a simo („kvasnice“ nebo „kvasnice“). Některé RNA mají také katalytickou aktivitu, ale aby se odlišily od bílkovinných enzymů, jsou označovány jako RNA enzymy nebo ribozymy.
Enzymy jsou nezbytné pro udržení života, protože většina chemických reakcí v biologických buňkách by probíhala příliš pomalu, nebo by vedla k různým produktům, bez enzymů. Porucha funkce (mutace, nadprodukce, podprodukce nebo delece) jediného kritického enzymu může vést k závažnému onemocnění. Například nejčastější typ fenylketonurie je způsoben mutací jediné aminokyseliny v enzymu fenylalanin hydroxyláze, která katalyzuje první krok v odbourávání fenylalaninu. Výsledné hromadění fenylalaninu a příbuzných produktů může vést k mentální retardaci, pokud se onemocnění neléčí.
Stejně jako všechny katalyzátory, enzymy pracují tak, že snižují aktivační energii reakce, čímž umožňují, aby reakce probíhala mnohem rychleji. Enzymy mohou urychlit reakce až milionkrát. Enzym, stejně jako každý katalyzátor, zůstává dokončenou reakcí nezměněn, a proto může dále fungovat. Protože enzymy, stejně jako všechny katalyzátory, neovlivňují relativní energii mezi produkty a činidly, neovlivňují rovnováhu reakce. Výhodou enzymů ve srovnání s většinou ostatních katalyzátorů je však jejich sterio-, regio- a chemoselektivita a specifičnost.
Aktivita enzymů může být ovlivněna jinými molekulami. Inhibitory jsou přirozeně se vyskytující nebo syntetické molekuly, které snižují nebo ruší aktivitu enzymů; aktivátory jsou molekuly, které zvyšují aktivitu. Některé nevratné inhibitory vážou enzymy velmi těsně, čímž je účinně inaktivují. Mnoho léků a jedů působí inhibicí enzymů. Aspirin inhibuje enzymy COX-1 a COX-2, které produkují zánětlivý posel prostaglandin, čímž potlačují bolest a zánět. Jed kyanid inhibuje cytochrom c oxidázu, která účinně blokuje buněčné dýchání.
Zatímco všechny enzymy mají biologickou roli, některé enzymy se komerčně používají k jiným účelům. Mnohé čistírny v domácnostech používají enzymy k urychlení chemických reakcí (tj. odbourávání bílkovin nebo škrobových skvrn v oblečení).
Je známo více než 5000 enzymů. Typicky se k názvu substrátu přidává přípona -áza (např. laktáza je enzym, který katalyzuje štěpení laktózy) nebo typ reakce (např. DNA polymeráza katalyzuje tvorbu DNA polymerů). Není tomu tak však vždy, zejména pokud enzymy modifikují více substrátů. Z tohoto důvodu se pro klasifikaci enzymů používají čísla Enzyme Commission nebo EC na základě reakcí, které katalyzují. Ani to není dokonalé řešení, protože enzymy různých druhů nebo dokonce velmi podobné enzymy u stejného druhu mohou mít shodná čísla EC.
Slovo enzym pochází z řečtiny: „v kvasu“.
Již na přelomu 18. a 18. století bylo pozorováno trávení masa žaludečními sekrety a přeměna škrobu na cukry rostlinnými výtažky a slinami.
Při studiu kvašení cukru na alkohol kvasinkami došel Louis Pasteur k závěru, že toto kvašení je katalyzováno „kvasinkami“ v kvasinkách, o nichž se mělo za to, že fungují pouze v přítomnosti živých organismů.
V roce 1897 Hans a Eduard Buchnerovi nechtěně použili kvasinkové výtažky ke kvašení cukru, přestože ve směsi nebyly živé kvasinkové buňky. Zajímali se o výrobu výtažků z kvasinkových buněk pro lékařské účely a jako jeden z možných způsobů jejich konzervace přidali do výtažku velké množství sacharózy. Ke svému překvapení zjistili, že cukr je kvašený, přestože ve směsi nebyly žádné živé kvasinkové buňky. Pojem „enzym“ byl použit k popisu látky (látek) v kvasinkovém výtažku, který způsobil kvašení sacharózy.
V enzymech, stejně jako u jiných proteinů, je funkce dána strukturou. Enzym může být:
Stejně jako u každého proteinu je každý monomer ve skutečnosti produkován jako dlouhý lineární řetězec aminokyselin, který se určitým způsobem skládá a vytváří trojrozměrný produkt. Jednotlivé monomery se pak mohou kombinovat prostřednictvím nekovalentních interakcí za vzniku multimerického proteinu.
Karikatura ukazující aktivní místo enzymu.
Většina enzymů je větší než substráty, na které působí, a že jen velmi malá část enzymu, kolem 10 aminokyselin, přichází do přímého kontaktu se substrátem (substráty). Tato oblast, kde dochází k vazbě substrátu (substrátů) a následně k reakci, je známá jako aktivní místo enzymu. Některé enzymy obsahují místa, která vážou kofaktory, které jsou potřebné pro katalýzu. Některé enzymy mají vazebná místa pro malé molekuly, které jsou často přímými nebo nepřímými produkty nebo substráty katalyzované reakce. Tato vazba může sloužit ke zvýšení nebo snížení aktivity enzymu (v závislosti na molekule a enzymu), což poskytuje prostředek pro regulaci zpětné vazby.
I když ne všechny enzymy jsou citlivé na teplo, většina z nich je. Zvýšení teploty látky, která enzym obsahuje, může obvykle způsobit, že ztratí svou terciální strukturu. Jakmile je látka opět ochlazena, enzym se často složí zpět, ale ne nutně v jeho předchozím složení, takže je neaktivní. Dvě důležité výjimky jsou enzymy, které se nerozloží s teplem (termofily), a enzymy, které se složí zpět do původní struktury.
Enzymy jsou obvykle specifické, pokud jde o reakce, které katalyzují, a substráty, které se těchto reakcí účastní. Tvar, komplementarita náboje a hydrofilní/hydrofobní charakter enzymu a substrátu jsou zodpovědné za tuto specificitu.
Schéma Fischerova modelu zámku a klíče (nahoře) a Koshlandova navozeného modelu uložení (dole).
Schéma znázorňující realističtější situaci pro hypotézu indukovaného uložení. Nesprávné substráty, buď příliš velké nebo příliš malé, neodpovídají aktivnímu místu
Enzymy jsou velmi specifické a Emil Fischer v roce 1890 naznačil, že to bylo proto, že enzym měl zvláštní tvar, do kterého substrát (substráty) přesně zapadal. To je často označováno jako model „zámku a klíče“. Enzym se spojí se svým substrátem (substráty) a vytvoří enzymaticko-substrátový komplex s krátkou životností.
V roce 1958 Daniel Koshland navrhl modifikaci modelu „zámku a klíče“. Enzymy jsou dosti flexibilní struktury. Aktivní místo enzymu by mohlo být modifikováno tak, jak substrát interaguje s enzymem. Boční řetězce aminokyselin, které tvoří aktivní místo, jsou formovány do přesného tvaru, který umožňuje enzymu plnit jeho katalytickou funkci. V některých případech molekula substrátu lehce mění tvar, jak vstupuje do aktivního místa.
Mnoho enzymů obsahuje nejen proteinovou část, ale navíc potřebují různé modifikace. Tyto modifikace se provádějí posttranslačně, tj. po syntéze polypeptidového řetězce. Na polypeptidový řetězec lze syntetizovat další skupiny, např. fosforylaci nebo glykosylaci enzymu.
Dalším druhem posttranslační modifikace je štěpení a splétání polypeptidového řetězce. Chymotrypsin, trávicí proteáza, se vyrábí v neaktivní formě jako chymotrypsinogen ve slinivce břišní a v této formě je transportován do žaludku, kde je aktivován. To zabraňuje enzymu ve škodlivém trávení slinivky břišní nebo jiné tkáně. Tento typ neaktivního prekurzoru enzymu je znám jako zymogen.
Některé enzymy nepotřebují žádné další složky, aby vykazovaly plnou aktivitu. Jiné však vyžadují, aby se na aktivitu vázaly nebílkovinové molekuly. Kofaktory mohou být buď anorganické (např. ionty kovů a klastry síry železa), nebo organické sloučeniny, které jsou také známé jako koenzymy.
Enzymy, které vyžadují kofaktor, ale nemají jednu vazbu, se nazývají apoenzymy. Apoenzym spolu se svým kofaktorem (kofaktory) tvoří holoenzym (tj. aktivní formu). Většina kofaktorů není kovalentně vázána na enzym, ale je úzce spojena. Nicméně některé kofaktory známé jako protetické skupiny jsou kovalentně vázány (např. thiamin pyrofosfát v některých enzymech).
Většina kofaktorů se na konci reakcí buď regeneruje nebo chemicky nemění. Mnoho kofaktorů jsou vitamínové deriváty a slouží jako nosiče k přenosu elektronů, atomů nebo funkčních skupin z enzymu na substrát. Běžnými příklady jsou NAD a NADP, které se podílejí na přenosu elektronů a koenzym A, který se podílí na přenosu acetylových skupin.
Alosterické enzymy mění svou strukturu v reakci na vazbu efektorů. Modulace může být přímá, kdy se efektory vážou přímo na vazebná místa v enzymu, nebo nepřímá, kdy se efektor váže na jiné proteiny nebo podjednotky proteinů, které interagují s alosterickým enzymem a tím ovlivňují katalytickou aktivitu.
Schéma katalytické reakce, znázorňující energetický niveau v každé fázi reakce. Substráty obvykle potřebují velké množství energie, aby dosáhly přechodného stavu, který pak reaguje a tvoří konečný produkt. Enzym stabilizuje přechodný stav, snižuje energii přechodného stavu a tím i energii potřebnou k překonání této bariéry.
Stejně jako u všech katalyzátorů musí být všechny reakce katalyzované enzymy „spontánní“ (obsahující čistou negativní Gibbsovu volnou energii). S enzymem běží stejným směrem, jako by běžely bez enzymu, jen rychleji. Nicméně nekatalyzovaná, „spontánní“ reakce může vést k jiným produktům než katalyzovaná reakce. Kromě toho mohou enzymy párovat dvě nebo více reakcí, takže termodynamicky příznivá reakce může být použita k „pohonu“ termodynamicky nepříznivé reakce. Například štěpení vysokoenergetické sloučeniny ATP se často používá k pohonu jiných, energeticky nepříznivě působících chemických reakcí.
Enzymy katalyzují reakce vpřed i vzad rovnoměrně. Nemění rovnováhu samotnou, ale pouze rychlost, s jakou je dosažena. Karboanhydráza katalyzuje svou reakci v obou směrech v závislosti na podmínkách.
V roce 1913 Leonor Michaelisová a Maud Mentenová navrhli kvantitativní teorii kinetiky enzymu, která je označována jako Michaelisova-Mentenova kinetika. Jejich práci dále rozvinuli G. E. Briggs a J. B. S. Haldane, kteří odvodili četné kinetické rovnice, které jsou dodnes široce používány.
Enzymy mohou provádět až několik milionů katalytických reakcí za sekundu; k určení maximální rychlosti enzymatické reakce se koncentrace substrátu zvyšuje, dokud není dosaženo konstantní rychlosti tvorby produktu. To je maximální rychlost (Vmax) enzymu. V tomto stavu jsou všechna enzymatická aktivní místa nasycena substrátem. Vmax je však pouze jeden kinetický parametr, který zajímá biochemiky. Zajímavé je také množství substrátu potřebné k dosažení dané rychlosti reakce. To lze vyjádřit Michaelisovou-Mentenovou konstantou (Km), což je koncentrace substrátu potřebná k tomu, aby enzym dosáhl jedné poloviny své maximální rychlosti. Každý enzym má pro daný substrát charakteristický Km.
Účinnost enzymu může být vyjádřena v kcat/Km. Množství kcat, také nazývané číslo obratu, zahrnuje rychlostní konstanty pro všechny kroky reakce a je kvocientem Vmax a celkové koncentrace enzymu. kcat/Km je užitečná veličina pro srovnání různých enzymů proti sobě nebo stejného enzymu s různými substráty, protože bere v úvahu afinitu i katalytickou schopnost. Teoretické maximum kcat/Km, nazývané difuzní limit, je asi 108 až 109 (M-1 s-1). V tomto okamžiku každá srážka enzymu s jeho substrátem vyústí v katalýzu a rychlost tvorby produktu není omezena rychlostí reakce, ale rychlostí difúze. Enzymy, které dosáhnou této hodnoty kcat/Km, se nazývají katalyticky dokonalé nebo kineticky dokonalé. Příkladem takových enzymů jsou izomeráza triózo-fosfátu, karboanhydráza, acetylcholinesteráza, kataláza, fumaráza, ß-laktamáza a superoxid dismutasa.
Kvanto-mechanický (fyzikální) model katalýzy enzymů vysvětluje, jak určité enzymy pracují rychleji, než se dříve myslelo, že je to možné. Toho je dosaženo procesem známým jako tunelování, které umožňuje přenos elektronů a protonů do „tunelu“ prostřednictvím aktivačních bariér spíše přes ně.
Konkurenční inhibitor se reverzibilně váže na enzym, čímž brání vazbě substrátu. Na druhé straně vazba substrátu brání vazbě inhibitoru, a tak substrát a inhibitor soupeří o enzym.
Diagram znázorňující mechanismus nekonkurenční inhibice.
Rychlost reakce enzymů může být snížena kompetitivní, nekonkurenceschopnou, částečně kompetitivní, nekonkurenceschopnou inhibicí a smíšenou inhibicí.
Při kompetitivní inhibici se inhibitor váže na vazebné místo substrátu, jak je znázorněno (pravá část b), čímž brání vazbě substrátu. Malonát je kompetitivní inhibitor enzymu sukcinát dehydrogenázy, který katalyzuje oxidaci sukcinátu na fumarát.
Konkurenční inhibice způsobuje zvýšení hodnoty Km, ale neovlivňuje Vmax.
Nekonkurenční inhibice
Nekonkurenční inhibitory se nikdy nevážou na aktivní centrum, ale na jiné části enzymu, které mohou být daleko od vazebného místa substrátu, a proto nedochází k žádné konkurenci mezi substrátem a inhibitorem enzymu. Rozsah inhibice závisí výhradně na koncentraci inhibitoru a nebude ovlivněn koncentrací substrátu. Například kyanid se kombinuje s měděnými protetickými skupinami enzymu cytochrom c oxidázy, čímž inhibuje buněčné dýchání. Tento typ inhibice je typicky nevratný, což znamená, že enzym již nebude fungovat.
Změnou konformace (trojrozměrné struktury) enzymu inhibitory buď znemožní navázání enzymu, nebo obrátí jeho substrát. Enzym-inhibitor (EI) a enzym-inhibitor-substrát (EIS) komplex nemají žádnou katalytickou aktivitu.
Nekonkurenční inhibice způsobuje pokles Vmax, ale nemění hodnotu Km.
Částečně kompetitivní inhibice
Mechanismus částečně kompetitivní inhibice je podobný mechanismu nekonkurenční, s výjimkou toho, že komplex EIS má katalytickou aktivitu, která může být nižší nebo dokonce vyšší (částečně kompetitivní aktivace) než u komplexu enzymu-substrátu (ES).
Tato inhibice obvykle vykazuje nižší hodnotu Vmax, ale neovlivněnou hodnotu Km.
K nekonkurenční inhibici dochází, když se inhibitor váže pouze na komplex enzymů-substrátů, nikoli na volný enzym, komplex EIS je katalyticky neaktivní. Tento způsob inhibice je vzácný a způsobuje pokles hodnoty Vmax i Km.
Smíšené inhibitory se mohou vázat jak na enzym, tak na ES komplex. Má vlastnosti kompetitivní i nekonkurenceschopné inhibice.
Pokles Vmax i zvýšení Km hodnoty jsou pozorovány při smíšené inhibici.
Metabolické dráhy a alosterické enzymy
Několik enzymů může spolupracovat v určitém pořadí a vytvářet metabolické dráhy. V metabolické dráze si jeden enzym bere produkt jiného enzymu jako substrát. Po katalytické reakci je pak produkt předán jinému enzymu. Konečný produkt (produkty) takové dráhy jsou často inhibitory jednoho z prvních enzymů dráhy (obvykle první nevratný krok, nazývaný odevzdaný krok), čímž regulují množství konečného produktu vytvořeného dráhami. Takovému regulačnímu mechanismu se říká mechanismus negativní zpětné vazby, protože množství vyprodukovaného konečného produktu je regulováno jeho vlastní koncentrací. Mechanismus negativní zpětné vazby může efektivně upravit rychlost syntézy meziproduktů podle požadavků buněk. To pomáhá při efektivní alokaci materiálů a energetické hospodárnosti a zabraňuje nadměrné výrobě konečných produktů. Stejně jako jiná homeostatická zařízení i řízení enzymatického působení pomáhá udržovat stabilní vnitřní prostředí v živých organismech.
Mezinárodní unie biochemie a molekulární biologie vyvinula nomenklaturu pro enzymy, čísla EC; každý enzym je popsán posloupností čtyř čísel, které předchází „EC“. První číslo obecně klasifikuje enzym na základě jeho mechanismu:
Klasifikace nejvyšší úrovně je
Kompletní nomenklaturu lze procházet