Struktura enzymu

Enzymy jsou z biochemického hlediska proteiny s katalytickými vlastnostmi. Podle struktury rozlišujeme monomery, enzymy pozůstávající z jednoho řetězce a enzymy s oligomerní strukturou, které jsou složené z více podjednotek. Některé enzymy se můžou spojovat do multienzymových komplexů.

Funkce enzymu a jeho struktura

Enzym

• je globulární bílkovina (výjimka – katalyticky působící molekuly RNA = ribozymy)
• zrychluje reakci aspoň o 6 řádů
• během reakce – není spotřebován ani trvale změněn

Struktura a interakce

• ES-komplex – nevazebné interakce (H můstky, Van der Waalsovy síly, hydrofobní interakce, elektrostatické síly)
• aktivní místo (6–12 zbytků aminokyselin(AMK)) – prohlubeň, hydrofobní charakter; multimerní enzym – na rozhraní podjednotek

1. vazebné skupiny – aromatické jádra (Phe, Tyr), spojené se substrátem ← hydrofobní skupiny
2. katalytické skupiny – karboxyly dikarboxylových (kyselých) AMK, OH serinu, karbonylové kyslíky, His, Arg, katal. reakce ← polární struktury

• teorie zámku a klíče
• teorie indukovaného přizpůsobení – dynamičnost během rozpoznávání

Soubor:Řetězec, enzym.jpg

* 1 řetězec
* 1 řetězec – několik domén se stejnou enz. specifičností
* 1 řetězec – několik domén s rozdílnou specifičností
* multienzymový komplex – kvartérní struktura, podjednotky NEspojeny koval. vazbami, různá specifičnost, 1 vstupní substrát – každá ho jinak zpracovává, př. synthasa mastných kyselin, vysoce ekonomické

7 tříd enzymů

1. Oxidoreduktázy
2. Transferázy
3. Hydrolázy
4. Lyázy
5. Isomerázy
6. Ligázy
7. Translokázy

Oxidoreduktázy

• Katalyzují redoxní reakce
• Přenášejí H⁺ nebo O, nebo jen e⁻ z jedné látky na druhou
• Dehydrogenasa, oxidáza, oxygenáza, hydroxylasa

Transferasy

• Přenášejí funkční skupiny
• Obvykle mají v názvu jméno přenášené skupiny – aminotransferasy, transglykosylasy, transmethylasy
• Hexokinazám se v názvu nezrcadlí jméno funkční skupiny

Hydrolasy

• Katalyzují hydrolytické reakce
• Štěpí substrát za vstupu H₂O; kovalentní vazby C-O, C-C, C-N,…
• Se rozlišují podle štěpeného substrátu na peptidasy (proteasy), lipasy, esterasy, glykosiday a jiné

Lyasy

• Štěpí C-C, C-O nebo C-N; bez vstupu H₂O = nehydrolyticky
• Aldolasa, dekarboxylace -R
• Zúčastňující se syntéz se nazývají SYNTHASY – nepotřebují ATP !!

Isomerasy

• Katalyzují izomerační reakce; katalyzují geometrické nebo strukturní změny uvnitř jedné molekuly
• Podtřídy – cis-trans izomerasy, epimerasy, mutasy, racemasy

Ligasy

• Spojují 2 sloučeniny za vytvoření vazeb C-O; C-N; C-C; C-S
• Spotřeba energie ze současného štěpení ATP
• SYNTHETASY – alternativní název, spotřebují ATP !!

Translokasy

• membránové enzymy, které zajišťují aktivní transport látek s využitím energie, uvolněné jimi katalyzovanou chemickou reakcí

Nejčastější jsou 1), 2) a 3).

Kofaktory

• jsou nízkomolekulární organické sloučeniny nezbytné pro aktivitu enzymů (nebo ionty – př. Zn v karboxypeptidase)
• vazba na enzym/substrát je krátkodobá, snadno disociuje a je reverzibilní
• př. ATP, ionty kovů – enzymy aktivované kovovými ionty (jiné než metalloenzymy)

Koenzymy

• jsou „recyklovatelné člunky – přenašeče skupin“
• přenos substrátů z místa syntézy do místa využití, substrát je stabilizován při navázání (př. H)
• některé koenzymy obsahují adenin, ribosu, fosfátovou skupinu AMP/ADP
• dále přenášejí:
  • methylové skupiny (foláty)
  • acylové skupiny (koenzym A)
  • oligosacharidy (dolichol)

Prostetické skupiny

• jsou vázáné kovalentně i nekovalentně
• př. pyridoxalfosfát, FMN, FAD, thiamindifosfát (thiaminpyrofosfát, FPP), biotin, ionty některých kovů – Co, Cu, Mg, Mn, Zn
• metalloenzymy – 1/3 všech enzymů
  • mají pevně vázané kovové ionty
    • jsou pevně vázány na enzym
    • účastní se redoxních reakcí za tvorby komplexních sloučenin (př. hem, Fe-S klastry)
    • usnadňují navázání a orientace S
    • jsou pro vytvoření kovalentní vazby v reakčním intermediátu (Co²⁺ ionty v koenzymu B12)
    • interagují se substrátem s úmyslem jeho přeměny na více elektrofilní (chudší na e⁻/méně nukleofilní (bohatší na e⁻)

Deriváty vit. B

Mnohé koenzymy, kofaktory a prostetické skupiny jsou deriváty vit. B.
Jedná se o:

• nikotinamid (vit. PP, B₃, niacin) – koenzym NAD, NADP (redoxní reakce)
• riboflavin (B₂) - FMN, FAD (redoxní reakce)
• pantothenová kyselina (B₅) – prekurzor koenzymu A (přenašeč acylových skupin)
• thiamin (B₁) – ve formě pyrofosfátu (difosfátu) (dekarboxylace α-oxokyselin)
• kys. listová (B₉, folát) a kobamidové koenzymy (B₁₂) – (přenos jednouhlíkových zbytků)

Povrch enzymu

• obsahují alosterické místo ← alosterické enzymy (enzymy snadno měnící konformaci pod vlivem efektorů),
• také determinantní skupiny = epitopy → imunitní charakteristika,
• ale i místa vážicí jedy a farmaka.

Proenzym (=zymogen)

• proteáza odštěpí část → demaskování aktiv. místa

Izoenzymy

5 izoenzymů LDH

Mnohotné formy enzymů = izoformy enzymů

• mají totožné názvy, ale různé formy
• také stejnou specifičnost
• mají různou velikost, strukturu, rozdílný počet el. nábojů (→ separace v ELFO), odolnost vůči teplotám, imunitní vlastnosti
• a následně vznik mnohotních forem enzymů – proteolytické štěpení různé hloubky

Izoenzymy

• rozdíly mají dané geneticky (determinovány rozdílnými, ale blízce příbuznými geny)
• podjednotky můžou hybridizovat
• př. laktátdehydrogenáza = LDH – tetramer, vytváří 5 izoenzymů (podjednotky H-heart a M-muscle)

Praktická medicína

Diagnostická a prognostická pomůcka

Enzymy jsou součástí všech bb. a tělních tekutin:

• kompartmentace: mitochondrie – cytochromoxidázy, lyzosom – kyselá fosfatáza, cytosol – enzymy glykolýzy → nestejnoměrné rozdělení enzymů v b.
• tkáňové rozdíly: prostata – kyselá fosfatáza, játra – glutamátdehydrogenáza, sval – izoenzym kreatinkinázy
• sekreční enzymy (míň)
• Intracelulární enzymy (metabolické funkce jen v b.) – poškozením bb. se enzymy dostávají do tělných tekutin ← jejich aktivitu stanovujeme (svalové enzymy – uvolněny i po namáhavé zátěži)
• izoenzymy – tkáňová lokalizace

Využití v praxi:

• enzymové stanovení glukózy v krvi za použití glukózaoxidázy (na rozdíl od chemických postupů se nezachytí strukturně podobné látky redukující se v krvi – př. glukuronát)
• amylasa v krvi poukazuje na akutní pankreatitidu (cave parotitida – slinná amyláza v krvi); alkalická fosfatasa se dostává do krvi při různých nemocech kostí, obstrukčních jaterních chorobách; laktátdehydrogenáza izoenzym 5 svědčí o jaterních onemocněních; kyselá fosfatasa poukazuje na metastázy karcinomu prostaty
• „diagnostické okno“ = doba, která uplyne, než se marker dostane v dostatečné koncentraci do krve – nález může být falešně negativní (infarkt myokardu až dvě hodiny)

• diagnóza infarktu myokardu (IM), kde sledujeme:
  • aspartátaminotransferasa (AST), alaninaminotransferasa(ALT) – pomalý nástup, nejsou specifické pro IM
  • laktátdehydrogenáza (LDH) – izoenzymy ← elektroforeticky stanovovány; nevýhoda! – uvolňuje se pomalu
  • kreatinkináza (CK) – 3 izoenzymy: CK-MM (kosterní svalstvo), CK-BB (mozek), CK-MB (srdeční a kosterní sval)

• CK-MB – objevení během 4–6 hodin, vrchol 24. hodinu, normál do 48–72 hodin
  • troponin – komplex 3 proteinů
    • stanovení koncentrace srdečních troponinů I a T
    • zvedá se po 2–6 hodinách, zůstává zvýšená 4–10 dnů
    • i jiné poškození než IM zvyšuje jeho koncentraci
• restrikční endonukleasy – RFLP
• termostabilní DNA polymeráza – PCR

Léčba, příklady

• je možno substituovat chybějící produkty trávicích enzymů
• proteolytické enzymy – pro nekrvavé odstraňování ložisek mrtvých tkání/fibrinu
• Liposom – inkorporace enzymu do uměle připravených lipoproteinových částic a tím usnadněný přestup do buňky
• enzymoterapie – acidorezistentní tablety (proteolytické enzymy) – podáno ústy
• mnohé léky – inhibitory enzymů
  • statinové léky → inhibice 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA-reduktázy (snížení produkce cholesterolu)
  • inhibice enzymu konvergujícího angiotensin → snížená koncentrace angiotensinu II (vazokonstriktor) → léčba hypertenze
  • β-laktamová rezistence = bakterie produkují β-laktamasy → hydrolyzace funkčního β-laktamového kruhu v penicilinu a příbuzných lécích → současné podání inhibitoru β-laktamasy a β-laktamových antibiotik
  • transformace profarmak (neaktivní léky) → biol. aktivní léky

Odkazy

Související články

• Enzymy
• Koenzymy

Použitá literatura

• MURRAY, Robert K. Harperova biochemie. 2. vydání. Jinočany : H&H, 2002. 871 s. ISBN 80-7319-013-3.

• LEDVINA, Miroslav, et al. Biochemie pro studující medicíny. I. díl. 2. vydání. Praha : Karolinum, 2009. 269 s. ISBN 978-80-246-1416-8.