Enzymy jsou důležité látky bílkovinného charakteru, které v organismu fungují jako katalyzátory katalyzátory při různých biologických procesech. Patří mezi ně například známý pepsin, který reguluje trávící pochody a zlepšuje peristaltiku; trypsin, který rozkládá odumřelé tkáně a působí detoxikačně; nebo trombin, který ovlivňuje srážlivost krve. Některé rostlinné enzymy spolupracují při rozkladu bílkovin. Jsou to především protázy a proteinázy, které jsou obsaženy v tropickém ovoci jako ananas, papaya, fíky. Enzymy nazýváme podle mezinárodní nomenklatury a je pro ně vyhrazena koncovka -asa (áza). Tak například glukosidázy působí jako katalyzátory při štěpení polysacharidů atd. Enzymy se v organizmu zúčastňují většiny životních dějů a pochodů; ve většině rostlin se nacházejí v poměrně velkém množství. Pokud chceme, aby tělo enzymy z rostlin efektivně využilo, měli bychom přednostně používat byliny a zeleninu v surovém stavu, např. ve formě šťávy. Správným sušením se sice většina enzymů zachová, avšak vykazují již nižší účinnost. Naproti tomu varem léčivé drogy, např. při přípravě čaje se všechny enzymy zničí.
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 šesti skupin: oxidoreduktázy, transferázy, hydrolázy, lyázy, izomerázy a ligázy. Všechny mají společnou katalytickou funkci; snižují aktivační energii (Ea) nutnou pro proběhnutí 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.
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 váží 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 %.[4] 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 6 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 šest hlavních kategorií enzymů patří:
- EC 1 – oxidoreduktázy: katalyzují oxidačně/redukční reakce
- EC 2 – transferázy: přenášejí funkční skupiny (například methyl-, acetyl- nebo fosfátovou skupinu)
- 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
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
Enzymy, podobně jako jiné katalyzátory, snižují volnou aktivační energii (Gibbsovu energii) – ΔG. Každé snížení této aktivační bariéry výrazně zvyšuje rychlost reakce (stačí poměrně malé snížení energie pro mnohonásobné zvýšení rychlosti). Za vynikající katalytické schopnosti enzymů jsou zodpovědné především čtyři mechanismy. Jednou z možností je, že enzym vhodně přiblíží substráty a vhodně je prostorově orientuje. Vznikne tak vysoká lokální koncentrace substrátů a usnadní se reakce. Jindy se v aktivním místě enzymu vytváří pomocí zbytků vhodných aminokyselin silně kyselé nebo zásadité prostředí podle toho, co je potřeba k proběhnutí reakce. V jiných případech dochází k navázání substrátu na enzym (např. na serin, cystein či histidin) a k natahování nebo rozrušování substrátu, což oslabuje např. cílovou vazbu a usnadňuje rozkladné reakce. Jindy dochází ke katalýze tak, že enzym volí jiný reakční mechanismus, který probíhá snadněji (s nižší aktivační energií), a to obvykle tak, že substrát je dočasně kovalentně navázán samotným enzymem.
Specifita
Enzymy jsou obvykle velmi specifické a obvykle katalyzují zcela konkrétní chemickou reakci, při níž dochází k přeměně substrátu na produkt. Existuje obvykle nejen účinková (reakční) specifita, tedy schopnost enzymu katalyzovat jeden konkrétní typ reakce, ale dále také do jisté míry i substrátová specifita, tedy katalytická aktivita na jeden substrát či na skupinu několika substrátů podobných.[4] Za enzymatickou specifitu je zodpovědný především komplementární tvar substrátu a aktivního místa enzymu, náboj a také hydrofilní a hydrofobní vlastnosti jednotlivých oblastí enzymu a substrátu. Enzymy jsou díky tomu silně geometricky specifické (rozeznávají konkrétní tvar substrátu, na který se vážou) a stereospecifické (působí jen na jeden z enantiomerů). Některé enzymy účastnící se replikace a exprimování DNA (např. 3' 5' exonukleázy) nejen jsou velice přesné, ale ještě po sobě kontrolují vzácné chyby, a tak jsou ve výsledku tak specifické, že činí méně než 1 chybu na 100 milionů enzymatických reakcí. Na druhou stranu existují i velmi nespecifické („promiskuitní“) enzymy, jež mohou katalyzovat celou řadu reakcí – příkladem je γ-humulensyntáza z jedle obrovské (Abies grandis), která je za pomoci jednoho substrátu schopna vyrobit 52 různých seskviterpenů.
Na konci 19. století biochemik navrhl Emil Fischer, že substrát přesně zapadá do aktivního centra enzymu. Tato teorie je známa jako hypotéza zámku a klíče. V roce 1958 Koshland vyjádřil přesvědčení, že enzymy se nechovají přesně jako zámek a klíč, ale spíše při vzájemném setkání enzym mění tvar a „zámek a klíč“ se vytvoří teprve v okamžiku, kdy se substrát naváže na enzym. Tato teorie je známa jako hypotéza indukovaného přizpůsobení. Někdy může přizpůsobovat svůj tvar i samotný substrát. Model indukovaného přizpůsobení je zřejmě blíže pravdě než model zámku a klíče, jak ukázala rentgenová difrakční analýza.
Regulovatelnost
Enzym lze regulovat v zásadě dvěma způsoby, regulací jeho množství a regulací jeho aktivity. Celá řada enzymů není v buňce vůbec či téměř přítomna, dokud nejsou skutečně potřeba (typickým příkladem jsou enzymy v bakteriálním lac operonu). Jiné enzymy je zase možné přestat za jistých okolností vyrábět. V obou případech se jedná o regulaci pomocí navázání na různé regulační sekvence umístěné před geny. Poněkud rychlejší odpovědi buňka dosáhne, pokud zároveň rozloží enzymy již přítomné v buňce.
V případě velmi náhlé (a často dočasné) potřeby se obvykle postupuje cestou regulace aktivity enzymu. To znamená, že enzym je přítomen, ale je (de)aktivován navázáním jistého ligandu (tzv. alosterického regulátoru) či kovalentní modifikací enzymu. Alosterická regulace obvykle zahrnuje určitý druh zpětné vazby: produkt reakce se váže do alosterického místa enzymu a mění jeho aktivitu (inhibuje ho, nebo naopak stimuluje), a to díky změně Michaelisovy konstanty enzymu či limitní rychlosti reakce vmax. Alostericky působí například vazba různých hormonů či druhých poslů na receptor. Z kovalentních modifikací je nejznámější zřejmě fosforylace a defosforylace enzymů (obvykle pomocí kináz a fosfatáz), čímž dochází ke změně aktivity enzymu (buď k jeho spuštění nebo vypnutí). Jiným způsobem aktivace je vyštěpení části proteinu pomocí proteázy, čímž se proenzym (zymogen) změní na aktivní enzym.
Inhibice
Obecně lze rozdělit inhibici na ireverzibilní (nevratnou), která trvale modifikuje molekulu enzymu, a reverzibilní (vratnou), kdy po odstranění inhibitoru např. dialýzou či ultrafiltrací dojde k opětovnému zvýšení aktivity. Ireverzibilní inhibitor se na enzym obvykle váže pevnou kovalentní vazbou, zatímco reverzibilní inhibitor je vázán slabšími interakcemi. Z hlediska mechanismu působení inhibitoru se rozeznávají tři základní typy reverzibilní inhibice. První je tzv. kompetitivní (soutěživá) inhibice, kdy inhibičně působící molekula soutěží se substrátem o vazebné místo na enzymu, ale sama se nedokáže přeměnit na produkt. Zvýšením koncentrace substrátu se dá tomuto typu inhibice do velké míry zabránit. Častější je druhý typ inhibice, tzv. inhibice nekompetitivní, při níž dochází k vazbě inhibitoru na alosterické centrum (tedy nikoliv na aktivní místo) a ke snížení funkceschopnosti enzymu. Změna koncentrace substrátu s takovým typem inhibice nic neudělá. Konečně třetím typem je akompetitivní inhibice, kdy dochází k vazbě inhibitoru na enzym až poté, co byl navázán substrát. To zabraňuje komplexu enzym-substrát, aby provedl enzymatickou reakci. Existuje i celá řada dalších způsobů regulace enzymové aktivity v závislosti na tom, jaké hledisko třídění je použito.
Využití
Enzymy nalezly celou řadu funkcí i v celé řadě oborů lidské činnosti. Neoddiskutovatelný je jejich význam ve vědě a výzkumu – běžně se využívají různé polymerázy, restrikční endonukleázy, proteázy a podobně. Už několik desetiletí se přidávají enzymy také do pracích prášků, čímž se zvyšuje účinnost odstraňování skvrn i při nižších teplotách. Enzymy šetří energii i v potravinářském, textilním a papírenském průmyslu, v odpadovém hospodářství a podobně. Do budoucna se uvažuje o masivním nasazení enzymů pro výrobu ekologicky šetrných biopaliv. Těmto a dalším aplikacím by mělo usnadnit cestu tzv. enzymové inženýrství.
Proteolytické enzymy se používají například v mlékárenském průmyslu jako syřidla (chymosin) nebo k přípravě hypoalergeního mléka. Enzymy lze využít i ke změkčování masa (papain). Pomocí enzymatického štěpení trisacharidů v luštěninách lze připravit takové luštěniny, které nenadýmají. V analytické chemii lze použít enzymů jako značek na specifickém indikátoru (např. ELISA). Pomocí redoxních enzymů lze poměrně snadno stanovit koncentraci specifického substrátu pro daný enzym. V lékařství lze podávat enzymy jako náhradu chybějících enzymů při poškození slinivky břišní či při léčbě některých onemocnění. Perorální podávání enzymů, které mají údajně usnadnit trávení či metabolismus, je však zřejmě nesmyslné, neboť jsou již v žaludku denaturovány.