Enzymy urychlují reakce až milionkrát a více (tabulka 8.1). Většina reakcí v biologických systémech totiž v nepřítomnosti enzymů neprobíhá znatelnou rychlostí. Dokonce i tak jednoduchá reakce, jako je hydratace oxidu uhličitého, je katalyzována enzymem – konkrétně karboanhydrázou (kapitola 9.2). Přenos CO2 z tkání do krve a poté do alveolárního vzduchu by byl bez tohoto enzymu méně dokonalý. Ve skutečnosti je karboanhydráza jedním z nejrychlejších známých enzymů. Každá molekula enzymu dokáže hydratovat 106 molekul CO2 za sekundu. Tato katalyzovaná reakce je 107krát rychlejší než reakce nekatalyzovaná. Mechanismem katalýzy uhličité anhydrázy se budeme zabývat v kapitole 9. Enzymy jsou vysoce specifické jak v reakcích, které katalyzují, tak ve výběru reaktantů, které se nazývají substráty. Enzym obvykle katalyzuje jednu chemickou reakci nebo soubor úzce souvisejících reakcí. Vedlejší reakce vedoucí k neekonomické tvorbě vedlejších produktů jsou u enzymově katalyzovaných reakcí vzácné, na rozdíl od reakcí nekatalyzovaných.
Tabulka 8.1
Zvýšení rychlosti vybranými enzymy.
Uvažujme jako příklad proteolytické enzymy. In vivo tyto enzymy katalyzují proteolýzu, hydrolýzu peptidové vazby.
Většina proteolytických enzymů katalyzuje také jinou, ale příbuznou reakci in vitro – a to hydrolýzu esterové vazby. Takové reakce se snáze monitorují než proteolýza a jsou užitečné při experimentálním zkoumání těchto enzymů (oddíl 9.1.2).
Proteolytické enzymy se výrazně liší stupněm substrátové specifity. Subtilisin, který se vyskytuje u některých bakterií, je zcela nerozlišující: rozštěpí jakoukoli peptidovou vazbu bez většího ohledu na identitu sousedních postranních řetězců. Trypsin, trávicí enzym, je zcela specifický a katalyzuje štěpení peptidových vazeb pouze na karboxylové straně lysinových a argininových zbytků (obrázek 8.1A). Trombin, enzym, který se podílí na srážení krve, je ještě specifičtější než trypsin. Katalyzuje pouze hydrolýzu vazeb Arg-Gly v určitých peptidových sekvencích (obrázek 8.1B).
Obrázek 8.1
Specifičnost enzymu. (A) Trypsin štěpí na karboxylové straně argininové a lyzinové zbytky, zatímco (B) trombin specificky štěpí vazby Arg-Gly v určitých sekvencích.
DNA polymeráza I, enzym řízený šablonou (oddíl 27.2), je dalším vysoce specifickým katalyzátorem. Přidává nukleotidy do syntetizovaného vlákna DNA v pořadí určeném pořadím nukleotidů v jiném vlákně DNA, které slouží jako templát. DNA polymeráza I je pozoruhodně přesná při provádění pokynů daných templátem. Do nového vlákna DNA vloží nesprávný nukleotid méně než v jednom z milionu případů.
Specifičnost enzymu je dána přesnou interakcí substrátu s enzymem. Tato přesnost je důsledkem složité trojrozměrné struktury bílkoviny enzymu.
8.1.1. Specifické vlastnosti enzymu Mnoho enzymů vyžaduje ke své činnosti kofaktory
Katalytická aktivita mnoha enzymů závisí na přítomnosti malých molekul označovaných jako kofaktory, ačkoli přesná úloha se liší v závislosti na kofaktoru a enzymu. Takový enzym bez svého kofaktoru se označuje jako apoenzym; kompletní, katalyticky aktivní enzym se nazývá holoenzym.
Kofaktory lze rozdělit do dvou skupin: kovy a malé organické molekuly (tabulka 8.2). Například enzym karbonická anhydráza vyžaduje ke své činnosti Zn2+ (kapitola 9.2.1). Glykogenfosforyláza (oddíl 21.1.5), která mobilizuje glykogen za účelem získání energie, vyžaduje malou organickou molekulu pyridoxalfosfát (PLP)
Tabulka 8.2
Kofaktory enzymů.
Kofaktory, které jsou malými organickými molekulami, se nazývají koenzymy. Koenzymy, často odvozené od vitaminů, mohou být buď pevně, nebo volně vázané na enzym. Pokud jsou pevně vázány, nazývají se prostetické skupiny. Volně vázané koenzymy se podobají spíše kosubstrátům, protože se vážou na enzym a uvolňují se z něj stejně jako substráty a produkty. Použití stejného koenzymu různými enzymy a jejich zdroj ve vitaminech však odlišuje koenzymy od běžných substrátů. Enzymy, které používají stejný koenzym, jsou si obvykle mechanisticky podobné. V kapitole 9 se budeme zabývat mechanistickým významem kofaktorů pro aktivitu enzymů. Podrobnější pojednání o koenzymových vitaminech najdete v kapitole 8.6.
8.1.2. Koenzymové vitaminy. Enzymy mohou přeměňovat energii z jedné formy na jinou
V mnoha biochemických reakcích se energie reaktantů s vysokou účinností přeměňuje na jinou formu. Například při fotosyntéze se světelná energie přeměňuje na energii chemické vazby prostřednictvím iontového gradientu. V mitochondriích se volná energie obsažená v malých molekulách získaných z potravy přeměňuje nejprve na volnou energii iontového gradientu a poté na jinou měnu, volnou energii adenosintrifosfátu. Enzymy pak mohou energii chemické vazby ATP využít mnoha způsoby. Enzym myosin přeměňuje energii ATP na mechanickou energii kontrakce svalů. Čerpadla v membránách buněk a organel, která si lze představit jako enzymy, které přemísťují substráty, místo aby je chemicky měnily, vytvářejí chemické a elektrické gradienty tím, že využívají energii ATP k transportu molekul a iontů (obrázek 8.2). Molekulární mechanismy těchto enzymů přenášejících energii se stále odhalují. V dalších kapitolách uvidíme, jak jednosměrné cykly diskrétních kroků – vazba, chemická přeměna a uvolnění – vedou k přeměně jedné formy energie na jinou.
Obrázek 8.2
Enzym přeměňující energii. Ca2+ ATPáza využívá energii hydrolýzy ATP k transportu Ca2+ přes membránu, čímž vzniká gradient Ca2+.
8.1.3. Enzymy se klasifikují na základě typů reakcí, které katalyzují
Mnoho enzymů má běžné názvy, které poskytují jen málo informací o reakcích, které katalyzují. Například proteolytický enzym vylučovaný slinivkou břišní se nazývá trypsin. Většina ostatních enzymů je pojmenována podle svých substrátů a reakcí, které katalyzují, s přidanou příponou „ase“. ATPáza je tedy enzym, který rozkládá ATP, zatímco ATP-syntáza je enzym, který syntetizuje ATP.
Aby se do klasifikace enzymů vnesla určitá jednotnost, založila Mezinárodní biochemická unie v roce 1964 Enzymovou komisi, která měla za úkol vypracovat nomenklaturu pro enzymy. Reakce byly rozděleny do šesti hlavních skupin označených čísly 1 až 6 (tabulka 8.3). Tyto skupiny byly dále rozděleny a dále členěny tak, aby čtyřmístné číslo, jemuž předcházejí písmena EC pro Enzyme Commission, mohlo přesně identifikovat všechny enzymy.
Tabulka 8.3
Šest hlavních tříd enzymů.
Uvažujme jako příklad nukleosidmonofosfát (NMP) kinázu, enzym, který budeme podrobně zkoumat v následující kapitole (oddíl 9.4). Katalyzuje následující reakci:
NMP kináza přenáší fosforylovou skupinu z ATP na NMP za vzniku nukleosid difosfátu (NDP) a ADP. Jedná se tedy o transferázu neboli člena skupiny 2. Kromě fosforylových skupin lze přenášet mnoho dalších skupin, například cukry a uhlíkové jednotky. Transferázy, které přesouvají fosforylovou skupinu, se označují jako 2.7. Fosforylovou skupinu mohou přijímat různé funkční skupiny. Pokud je akceptorem fosfát, označuje se transferáza jako 2.7.4. Konečné číslo označuje akceptor přesněji. Pokud jde o NMP kinázu, je akceptorem nukleosidmonofosfát a označení enzymu je EC 2.7.4.4. Pokud jde o NMP kinázu, je akceptorem nukleosidmonofosfát. Ačkoli se běžně používají běžné názvy, klasifikační číslo se používá v případech, kdy by přesná identita enzymu mohla být nejednoznačná.
.