ENZYMY Definice: Enzymy (biokatalyzátory) jsou jednoduché či složené makromolekulární bílkoviny s katalytickou aktivitou. Urychlují reakce v organismech tím, že snižují aktivační energii (Ea) potřebnou pro zahájení reakce. Jsou vysoce specifické k substrátu. Známy jsou tisíce enzymů. Je předpokládáno, že existují miliardy enzymů, v každé buňce je více než 3000 enzymů. Molekulová hmotnost enzymu je 40 000 až 2 000 000. Charakteristika enzymaticky katalyzovaných reakcí: - Enzymy řídí většinu biochemických procesů v živém organismu. - Rychlost reakce katalyzované enzymy je mnohonásobně vyšší než rychlost stejné reakce za přítomnosti chemických katalyzátorů. Je nezbytné jen minimální množství enzymu. - Enzymy jsou vysoce specifické k substrátu tedy např. stejné reakci různých substrátů (výchozích látek) katalyzují různé enzymy, různé typy rekcí stejného substrátu katalyzují různé enzymy, které vyžadují specifické ph v úzkém rozmezí, tlak či teplotu. - Obsahuje obvykle jedno aktivní centrum je to prostorové uspořádání aminokyselin, které je otiskem substrátu, ten se sem labilně naváže například vodíkovými můstky. - Reakce probíhají při nižších teplotách (do 100 C, obvykle při mírně vyšší teplotě než je teplota těla), v přibližně neutrálním ph (až na výjimky), bez objemových změn. - Většinou nevznikají vedlejší produkty. Názvy enzymů: - původní triviální názvy (ptyalin, pepsin, tripsin, erepsin) - jsou tvořeny propojením koncovky - asa k nazvu měněného substratu (např. lipasa). - mezinárodní systematické názvosloví založené na typu reakce a přiděleném číselném čtyřmístním označení (např. EC 1.1.1.1 Alkohol:NAD + oxidoreduktasa): 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 Rozdělení enzymů na základě struktury: a) Jednosložkové tvořeny jen bílkovinou, která určuje jaká látku vstupující do reakce, tak typ probíhající reakce. Enzym obsahuje aktivní centrum, do kterého svým tvarem substrát zapadne a účinkem enzymu je změněn (rozpadne se, změní se jeho struktura, je naň navázaná jiná skupina, redukuje se či oxiduje se...) tzv. hypotéza zámku a klíče (lock& key, ztv. teorie komplementarity). Reg. č. projektu CZ.1.07/1.1.00/14.0143 1
b) Dvousložkové - tvořeny bílkovinnou složkou (apoenzymem), která odpovídá za to, která látka vstoupí do reakce, - nebílkovinným kofaktorem, ten určuje typ reakce. Podle toho, jak pevně je kofaktor vázán, rozeznáváme: prostetickou skupinu s pevnou kovalentní vazbou, koenzym (např. vitamin) může být od bílkoviny oddisociován. Např. koenzymem, který přenáší fosfátové skupiny je ATP (adenosintrifosfát), koenzym A (CoA) přenáší zbytek kys. octové, vit. B 6 přeneáčí aminoskupinu, kys. nikotínová (NAD +) přenáší vodíky (elektrony). Enzymová katalýza - hypotéza indukovaného přizpůsobení (Induced fit) Za enzymatickou specifitu je zodpovědný především tvar substrátu, který při reakci zapadne do aktivního místa enzymu (komplementarita) a mírně ho přizpůsobí svému tvaru, dále náboj a také hydrofilní a hydrofobní vlastnosti jednotlivých oblastí enzymu a substrátu. Enzymy jsou stereospecifické - působí jen na jeden ze zrcadlových izomerů (rozeznávají např. L a D formu sacharidů - enantiomerů). Aktivační energie je minimální množství energie potřebné k převedení látky do stavu schopného chemické reakce. Je to energie potřebná k přiblížení molekul, které spolu reaguji, poté k rozštěpení starých vazeb a vytvoření nových vazeb. Zdrojem aktivační energie mohou být srážky molekul, fotony, teplo, elektrické výboje. Enzym sníží aktivační energii potřebnou pro zahájení reakce. http://www.youtube.com/watch?v=870mwm0peri&list=pl04629eebce0ed977 Průběh reakce: 1 Substrát způsobí prostorovou změnu enzymu a vytvoří se labilní komplex enzymu se substrátem. 2 Na substrátu vázaném na enzym proběhne přeměna přeskupení vazeb, vznikne produkt. 3 Komplex se rozpadne na produkt a uvolní se nezměněný enzym. E + S E S E + P resp. E+S E S E + P 1 + P 2 Rychlost enzymatické reakce závisí na: Koncentraci substrátu Množství enzymu Fyzikálně chemických vlastnostech prostředí Přítomnosti modifikátorů ovlivňujících činnost enzymů, aktivátory a inhibitory Reg. č. projektu CZ.1.07/1.1.00/14.0143 2
Obr: Schéma aktivního místa hemoglobinu Doporučená literatura (teorie zámku a klíče): http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/571lockkey.html Neaktivní forma enzymů (proenzymy) Některé enzymy vznikají v těle v neaktivní formě, aktivními se stávají po odštěpení např. krátkého, peptidu, za přítomnosti některých kovových iontů (Co 2+, Zn 2+,, Cu 2+,, Mn 2+, Se 3+ ) Inhibitory - látky, které snižují či zastavují aktivitu enzymů, vážou se do aktivních míst pro substrát, nebo kovalentní vazbou do jiných míst makromolekuly bílkoviny a mění aktivní místo (alosterická inhibice). Rozeznávám inhibici: - Kompetitivní komplex E-I je reversibilní, zvýšené množství substrátu může inhibitor vytěsnit, takové inhibitory často slouží jako léčivo (např. sulfonamidy) - Nekompetivní - inhibitor se naváže na komplext E S, vzniká E S I, inhibitor se váže mimo aktivní centrum a enzym se stane nefunkční, produkt nemůže vzniknout, Reg. č. projektu CZ.1.07/1.1.00/14.0143 3
- Inhibice substrátem a produktem reakce a) Nadbytek substrátu může reakci zpomalit, protože se na aktivní místo navážou dvě a více molekuly výchozí látky. b) Nahromadění produktu zastaví reakci až do doby jeho spotřeby (zpětná vazba). - Alosterická regulace - vazba inhibitoru na jiné než aktivní místo, děj může zpomalit či aktivovat reakci. - Ireverzibilní inhibice - enzymové jedy se kovalentně vážou na aminokyselinové postranní skupiny a změní strukturu enzymu (např. organofosfáty, insekticidy, nervové bojové látky, CO, HCN) a nevratně poškozují enzym. Využití v průmyslu: 1. potravinářství jako syřidla (chymosin) nebo k přípravě hypoalergeního mléka, příprava luštěnin, která nenadýmají, změkčování masa, alkoholové kvašení 2. biotechnologie - kultivované enzymy pro produkci látek mimo těla organismů v různých průmyslových odvětvích 3. farmakologie analytická činidla pro stanovení diagnosticky významných látek, např. sety ELISA 4. prací prášky (např. biomat), součást prostředků do myček nádobí 5. zpracování celulosové suroviny (dřevěné odpady, odpadní papír) 6. výroba instantních potravin (káva, čaj), 7. Součást digestivních přípravků: Postupná hydrolýza lipidů (triacylglyceroly diacylglyceroly monoacylglyceroly glycerol [+ uvolněné mastné kyseliny]) 8. lékařství: např. trávicí enzymy při poškození slinivky břišní, fibrinolýza (cílené rozpouštění krevních sraženin), ale také cílená tvorba krevních sraženin, čištění ran od hnisu (trypsin) 9. ekologicky šetrná biopaliva Odkazy a základní doporučená literatura: MAREČEK, Aleš; HONZA, Jaroslav. CHEMIE pro čtyřletá gymnázia: 3. díl. 1. vydání, reprint 2005. Olomouc: NAKLADATELSTVÍ OLOMOUC, s.r.o., 2005. 255 s. ISBN 80-7182-057-1. JELÍNEK, Jan, ZICHÁČEK, Vladimír a kol: Biologie pro gymnázia. 9. vydání., 2007. Olomouc: Nakladatelství Olomouc, s.r.o., 2007. ISBN: 978-80-7182-213-4 http://cs.wikipedia.org/wiki/enzym http://www.youtube.com/watch?v=e1hsp0opwo8 http://www.youtube.com/watch?v=cxlpxe6spwi http://www.youtube.com/watch?v=vxnsr6rc6ok http://www.youtube.com/watch?v=0l_l7eavj24 http://www.youtube.com/watch?v=lnh0km4bv18 http://www.youtube.com/watch?v=sucgaxi8rhg http://www.youtube.com/watch?v=ok9esggzn18&list=pl04629eebce0ed977 Obrázky: http://th.wikipedia.org/wiki/%e0%b9%80%e0%b8%ad%e0%b8%99%e0%b9%84%e0%b8%8b%e0%b8%a1%e0%b9%8 http://en.wikibooks.org/wiki/structural_biochemistry/enzyme/active_site http://commons.wikimedia.org/wiki/file:induced_fit_diagram.svg autor: Tim Vickers http://cs.wikipedia.org/wiki/hemoglobin http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/ba/hemoglobin_t-r_state_ani.gif/220px-hemoglobin_t-r_state_ani.gif http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/571lockkey.html AUTOR NEZNÁMÝ. Wikipedia [online]. [cit. 29.08.2013]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/hemoglobin Reg. č. projektu CZ.1.07/1.1.00/14.0143 4
Enzymy Pracovní list Pozorně si přečtěte úvodní informace, nastudujte obsah pojmů z předepsané literatury a seznamu předepsaných základních pojmů. Poté vyvozujte odpovědi, dohledejte údaje či odpovídejte na přímo zadanou otázku. 1. Opakování: Definujte pojem bílkovina. 2. Opakování: Popište, z které skupiny látek vznikají bílkoviny. 3. Opakování: Napište rovnici vzniku peptidické vazby. 4. Definujte pojem enzym. 5. Co je to substrát? Objasněte logickou větou. 6. Popište složky enzymu a jejich funkci 7. Jak se tvoří názvy enzymů? 8. Vyjmenujte 5 názvů enzymů trávící soustavy a dohledejte jejich funkci. 9. Jaká je funkce aktivního centra enzymu? 10. Popište, hypotézu indukovaného přizpůsobení. 11. Napište obecnou rovnici vazby substrátu na enzym a vznik produktu. 12. Čím se liší biokatalyzátory od chemických katalyzátorů? 13. Objasněte obsah pojmu inhibitor. 14. Dýchacím jedem je kyanid draselný a oxid uhelnatý. Vážou se na hemoglobin a způsobí udušení. Pokuste se zařadit tyto dvě látky k určitému typu inhibitoru. Lze některou z těchto látek vytěsnit z vazby na hemoglobin nadbytkem kyslíku? 15. Objasněte pojem zpětná vazba. Reg. č. projektu CZ.1.07/1.1.00/14.0143 5
Příloha: Téma ENZYMY povinné vzorce, pojmy, rovnice Aminokyselina Peptid Peptidická vazba Bílkovina Enzym Biokatalyzátor Aktivní centrum Prostetická skupina Substrát Koenzym Vitamín Aromatická látka Pepsin, trypsin, erepsin Lipáza Aktivační energie Hypotéza zámku a klíče Hypotéza indukovaného přizpůsobení Inhibitor Ireverzibilní Zpětná vazba Dýchací jed Reg. č. projektu CZ.1.07/1.1.00/14.0143 6