Enzým

Enzým (z gréckeho εν- en-, „v“, a ζύμη zýme, „kvas”) je makromolekula, ktorá funguje ako (bio)katalyzátor, teda urýchľuje chemické reakcie. Enzýmy sú zvyčajne bielkovinovej povahy, môžu však byť i z nukleových kyselín – RNA (vtedy sa označujú ako ribozýmy) alebo DNA (DNAzýmy).^[1]

Enzýmy zohrávajú kľúčovú rolu v metabolizme všetkých živých organizmov. Takmer všetky biochemické reakcie, od trávenia (napr. pepsín) až po kopírovanie genetickej informácie (DNA polymeráza), sú katalyzované enzýmami.

Náuka o enzýmoch sa nazýva enzymológia.

Názvoslovie

Názvoslovie enzýmov sa prispôsobuje návrhu Medzinárodnej únie pre biochémiu a molekulárnu biológiu, ktorá v roku 1955 vytvorila Medzinárodnú komisiu pre enzýmy (International Commission on Enzymes alebo skrátene Enzyme Commission, EC) s cieľom systematicky klasifikovať a pomenovať enzýmy a koenzýmy, ich jednotku aktivity a štandardné stanovovacie postupy a symboly na popis enzýmovej kinetiky.

Na návrh komisie vznikli dva typy názvoslovia – systémové a triviálne – ktoré sa zakladajú na type reakcie, ktorú enzým katalyzuje. Systémový názov dostávajú tie enzýmy, u ktorých je dostatočne známy mechanizmus reakcie. Každý enzým má pridelený presný názov a tzv. EC-kód na základe desatinného triedenia. V názve enzýmu je uvedený substrát, výraz charakterizujúci typ reakcie a prípona -áza. Vo vydaní z roku 1992 obsahuje zoznam 3 196 enzýmov.

Klasifikácia enzýmov

Základná trieda	Názov	Katalyzovaná reakcia
EC 1	oxidoreduktázy	oxidačno-redukčné reakcie
EC 2	transferázy	prenos skupín atómov medzi molekulami
EC 3	hydrolázy	hydrolytické štiepenie chemickej väzby
EC 4	lyázy	nehydrolytické štiepenie chemickej väzby
EC 5	izomerázy	zmeny substrátu v rámci molekuly
EC 6	ligázy	vznik chemickej väzby za súčasného štiepenia makroergickej väzby
EC 7	translokázy	presun iónov alebo molekúl cez membránu

Zloženie enzýmov

Molekuly niektorých z nich sú tvorené len jednoduchým proteínom; iné enzýmy obsahujú v molekulách neproteinovú zložku – kofaktor. Kofaktory môžu byť buď ióny niektorých kovov (Mg, K, Fe, Zn, Cu a iných), alebo zložitejšie organické molekuly, ktoré sa označujú ako koenzýmy. Kofaktory sú väčšinou stabilné pri zahriatí, zatiaľ čo väčšina proteínov denaturuje. Vo väčšine prípadov je možné oddeliť koenzýmy od bielkoviny veľmi jednoducho, pretože sú viazané len nekovalentnými interakciami. V niektorých enzýmoch sú však koenzýmy viazané pevne kovalentnou väzbou. Také koenzýmy sa nazývajú prostetické skupiny.

Koenzýmy sa účastnia chemickej premeny katalyzovanej enzýmom. Väčšina koenzýmov štruktúrne súvisí s vitamínmi (prevažne B). Kompletne fungujúci enzým sa nazýva holoenzým. Holoenzým sa skladá z apoenzýmu (proteín) a koenzýmu.

Mechanizmus enzýmovej reakcie

Bližšie informácie v hlavnom článku: Enzýmová katalýza

Má sa za to, že enzýmová reakcia prebieha v niekoľkých reverzibilných stupňoch

Vznik komplexu enzým–substrát

E + S ↔ ES

Aktivácia komplexu enzým–substrát

ES ↔ ES^*

Premena substrátu na produkt

ES^* ↔ EP

Disociácia enzýmu a produktu

EP ↔ E + P

Po zjednodušení vzniká kinetickú rovnicu, v ktorej vystupujú rýchlostné konštantny jednotlivých reakcií ( $k_{1},k_{2},k_{3},k_{4}$ ):

E+S\quad {\begin{matrix}{}_{k_{1}}\\\longrightarrow \\\longleftarrow \\{}^{k_{2}}\end{matrix}}\quad ES\quad {\begin{matrix}{}_{k_{3}}\\\longrightarrow \\\longleftarrow \\{}^{k_{4}}\end{matrix}}\quad E+P

Na začiatku reakcie sa predpokladá, že koncentrácia produktu $[P]$ je veľmi nízka a rýchlosť reakcie teda závisí na koncentrácie komplexu enzým–substrát $[ES]$ a maximálna bude vtedy, ak sa všetok enzým bude viazať vo forme komplexu ES.

Michaelis–Mentenovej kinetika

Bližšie informácie v hlavnom článku: Michaelis-Mentenovej kinetika

Závislosť rýchlosti enzýmovej reakice (V) od koncentrácie substrátu ([S]).

Merania rýchlosti enzýmovej reakcie ukázali, že zvyšovanie koncentrácie substrátu zvyšuje rýchlosť len do určitej miery a ďalej nie je možné ju zvýšiť pridávaním substrátu. Nemecký biochemik Leonor Michaelis a kanadská lekárka Maud Mentenová odvodili vzťah medzi rýchlosťou enzýmovej reakcie a koncentráciou substrátu, ktorý je po nich pomenovaný Michaelis–Mentenovej rovnica:

v={\frac {V_{max}[S]}{K_{M}+[S]}}

v – rýchlosť enzýmovej reakcie
V_max – maximálna rýchlosť enzýmovej reakcie
[S] – koncentrácia substrátu
K_M – Michaelisova konštanta

V prípade enzýmov, ktoré vyžadujú viac substrátov, je možné jeden substrát držať v nadbytku a pokladať jeho koncentráciu za konštantnú. Takto je možné sledovať Michaelisovskú kinetiku daného enzýmu pre jeden konkrétny substrát.

Reakcie s viacerými substrátmi

Niektoré enzýmových reakcie vyžadujú viac než jeden subtrát. Typicky sú vyžadované dva substráty (napríklad tvorba kreatínfosfátu z kreatínu a ATP), ale môže ich byť i väčší počet (α-ketoglutarátdehydrogenázový komplex vyžaduje α-ketoglutarát, NAD⁺ a koenzým A, okrem ktorých sa v komplexe nachádza ešte i tiamíndifosfát, kyselina lipoová a FAD). U takýchto enzýmov potom nastáva otázka, v akom poradí sa jednotlivé substráty viažu na enzým a prípadne či na tomto poradí záleží.

Enzýmové reakcie vyžadujúce dva substráty sa dajú rozdeliť na dve kategórie:^[2]

Sekvenčné - najprv sa musia naviazať všetky substráty a až potom môže prebehnúť enzýmová reakcia
- Náhodný mechanizmus - nezáleží na poradí, v ktorom sa substráty viažu (napríklad kreatínkináza)
- Usporiadaný mechanizmus - poradie, v ktorom sa substráty viažu, je pevne dané (napríklad laktátdehydrogenáza)
Nesekvenčné (ping-pongový mechanizmus^[3]) - po naviazaní substrátu prebehne čiastočná enzýmová reakcia a uvoľní sa prvý produkt, na enzým sa potom viaže druhý substrát, ktorý sa uvoľní po druhej čiastočnej reakcii (napríklad aspartátaminotransferáza)

Referencie

↑ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006) "enzymes". DOI:10.1351/goldbook.E02159
↑ ENZYMY – enzymová katalýza. - ppt stáhnout [online]. slideplayer.cz, [cit. 2021-11-30]. Dostupné online.
↑ The "Ping-Pong" Mechanism [online]. Chemistry LibreTexts, 2013-10-02, [cit. 2021-11-30]. Dostupné online. (po anglicky)