Enzym je protein s katalytickými vlastnostmi . Téměř všechny biomolekuly schopné katalyzovat chemické reakce v buňkách jsou enzymy; určité katalytické biomolekuly jsou však tvořeny RNA, a proto se liší od enzymů: jedná se o ribozymy .
Enzym funguje tak, že snižuje aktivační energii chemické reakce, což zvyšuje rychlost reakce . Enzym se během reakce nemění. Počáteční molekuly jsou substráty enzymu a molekuly vytvořené z těchto substrátů jsou produkty reakce. Téměř všechny metabolické procesy v buňce vyžadují, aby enzymy probíhaly rychlostí dostatečnou k udržení života. Enzymy katalyzují více než 5 000 různých chemických reakcí. Sada enzymů v buňce určuje možné metabolické dráhy v této buňce. Studium enzymů se nazývá enzymologie .
Enzymy umožňují, aby se reakce objevily milionkrát rychleji než bez nich. Extrémním příkladem je orotidin-5'-fosfát dekarboxyláza , která katalyzuje reakci během milisekund, která by v případě její nepřítomnosti trvala několik milionů let. Jako všechny katalyzátory, ani enzymy nejsou během reakcí, které katalyzují, modifikovány a nemění chemickou rovnováhu mezi substráty a produkty. Enzymy se na druhou stranu liší od většiny ostatních typů katalyzátorů svou velmi vysokou specificitou . Tato specifičnost pramení z jejich trojrozměrné struktury . Kromě toho je aktivita enzymu modulována různými dalšími molekulami: inhibitor enzymu je molekula, která zpomaluje aktivitu enzymu, zatímco aktivátor tohoto enzymu ji urychluje; mnoho léků a jedů je inhibitorem enzymů. Kromě toho aktivita enzymu rychle klesá mimo jeho optimální teplotu a pH . Enzym má navíc tu vlastnost, že je opakovaně použitelný.
Enzymy jsou obvykle proteiny globulárně působící samostatně, jako je lysozym nebo komplex několika enzymů nebo podjednotek , jako je komplexní α-ketoglutarát dehydrogenáza . Jako všechny proteiny, i enzymy se skládají z jednoho nebo více polypeptidových řetězců složených za vzniku trojrozměrné struktury odpovídající jejich nativnímu stavu . Sekvence v aminokyselin enzymu určuje druhou strukturu, která struktura, podle pořadí, určuje vlastnosti katalyzátoru enzymu. I když je to struktura enzymu, která určuje jeho funkci, zatím není možné předpovědět aktivitu nového enzymu tím, že budeme znát pouze jeho strukturu. Struktura enzymů se mění ( denaturuje ) při zahřátí nebo při kontaktu s chemickými denaturanty, což je obecně inaktivuje.
Enzymy jsou molekuly mnohem větší než jejich substráty . Jejich velikost se pohybuje od 62 zbytků pro monomer ze 4-Oxalocrotonate Tautomerase více než 2000 zbytků pro mastné kyseliny syntázy zvířete . Pouze velmi malá část enzymu - obvykle mezi dvěma a čtyřmi zbytky - je přímo zapojena do katalýzy, která se nazývá katalytické místo. Ten je umístěn v blízkosti jednoho nebo více vazebných míst, na kterých jsou substráty vázány a orientovány, aby umožnily katalýzu chemické reakce. Katalytické místo a vazebná místa tvoří aktivní místo enzymu. Zbytek proteinu slouží k udržení konfigurace aktivního místa a ke generování optimálních podmínek pro reakci.
V některých případech katalýza nezahrnuje žádný z aminokyselinových zbytků enzymu, ale spíše kofaktor spojený s tímto enzymem. Struktura enzymů může také obsahovat vazebné místo pro alosterický efektor, které způsobuje konformační změnu aktivující nebo inhibující aktivitu enzymu.
Enzymy se musí nejprve vázat na své substráty, aby mohly katalyzovat jakoukoli chemickou reakci . Enzymy jsou víceméně specifické, pokud jde o substráty, na které se mohou vázat, a reakce, které jsou schopné katalyzovat. Tato specificita vyplývá z konfigurace jejich vazebných míst, kterými jsou kapsy vykazující komplementární tvar, jakož i prostorové rozložení elektrických nábojů a hydrofilní / hydrofobní vlastnosti vzhledem k substrátu. Enzymy tak mohou rozlišovat mezi velmi podobnými molekulami a zajišťovat jejich chemoselektivitu , regioselektivitu a stereospecificitu .
Některé ze specifičtějších enzymů se účastní replikace DNA a genové exprese . Některé z těchto enzymů jsou vybaveny mechanismem „korektury“: to je případ DNA polymeráz , které jsou schopné opravit své chyby replikace - nesprávné páry bází - před přechodem na další nukleotid . Tento dvoustupňový proces dosahuje zvláště vysoké věrnosti s méně než jednou chybou ve 100 milionech reakcí u savců . Podobné mechanismy existují také u RNA polymeráz , aminoacyl-tRNA syntetáz a ribozomů . Naopak , určité enzymy vykazují jednu nebo více takzvaných „ promiskuitních “ aktivit, to znamená, že mohou katalyzovat řadu souvisejících reakcí na souboru substrátů, které mají různé fyziologické důsledky. Mnoho enzymů má malé katalytické aktivity, které se mohou objevit náhodně a být výchozím bodem pro výběr nových funkcí během evoluce .
Model zámku a klíče (zastaralý)Za účelem vysvětlení specifičnosti enzymů při výběru chemických reakcí, které jsou schopné katalyzovat, navrhl německý chemik Emil Fischer v roce 1894, že enzym a substrát reakce mají doplňkovou geometrii, která umožňuje substrátu přizpůsobit se přesně do enzymu. Toto znázornění se často označuje jako „model zámku a klíče“. Tento model zohledňuje specifičnost enzymů, ale nevysvětluje, jak se enzymům daří stabilizovat přechodový stav během reakcí.
Tento model je nyní považován za zastaralý, protože zjednodušuje realitu. Ve skutečnosti by nebylo možné, aby enzymy měly stejnou konformaci, pokud jsou spojeny se svým substrátem, jako když nejsou spojeny.
Model indukovaného nastaveníAmerický biochemik Daniel Koshland v roce 1958 navrhl takzvaný model indukovaného přizpůsobení jako adaptaci modelu zámku a klíče, aby se zohlednila skutečnost, že enzymy jsou flexibilní molekuly: Koshland věřil, že spíše než představovat vnoření substrátu do tuhého enzymu interakce mezi substrátem a enzymem neustále mění aktivní místo během navazování vazby.
V některých případech, jako jsou glykosidové hydrolázy , substrát samotný mírně mění tvar, když se váže na aktivní místo enzymu.
Aktivní místo pokračuje v změně konfigurace, dokud není substrát plně svázán, a teprve poté lze určit rozložení náboje a konečnou geometrii.
Enzymy mohou urychlit chemické reakce několika způsoby, ale všechny zahrnují snížení aktivační energie , poznamenal Ea :
Enzym může používat více než jeden z těchto mechanismů současně. Tak, peptidázy , jako je trypsin provést kovalentní katalýzu podle katalytické triády , stabilizovat rozložení elektrických nábojů v přechodném stavu, s použitím oxyaniontového otvoru , a kompletní hydrolýzu specifickou orientací na molekulu. Vody .
Enzymy nejsou pevné, statické struktury. Naopak jsou sídlem celé sady vnitřních pohybů, ať už jde o pohyb jednotlivých aminokyselinových zbytků, skupinu zbytků tvořících prvek sekundární struktury nebo dokonce celou doménu. Tyto pohyby dávají vzniknout soustavě struktur, které se od sebe mírně liší a které jsou v rovnováze v neustálé vzájemné přeměně. Různé konformační stavy enzymu mohou být například spojeny s různými fázemi jeho chemické aktivity. Během katalytického cyklu jsou tedy asociovány různé konformace dihydrofolátreduktázy s vazbou na substrát, s katalýzou, s uvolňováním kofaktoru a nakonec s uvolňováním produktu.
Allosterická regulační místa jsou vazebná místa odlišná od aktivního místa, která mohou interagovat s molekulami v buněčném prostředí, v tomto případě se nazývají alosterické efektory. Vazba těchto molekul na toto místo vyvolává konformační změnu nebo modifikaci vnitřní dynamiky enzymu, které mění vlastnosti aktivního místa a následně modifikují reakční rychlost enzymu. Tyto změny mohou aktivovat nebo inhibovat enzymy. Alosterické interakce s metabolity před nebo za metabolickou cestou, na které se enzym podílí, způsobují zpětnovazební smyčky, které umožňují modulovat aktivitu enzymu podle intenzity toku metabolitů.
Některé enzymy k plné aktivitě nepotřebují žádné další komponenty. Jiné místo toho je třeba pracovat s non- protein chemických sloučenin , nazývaných kofaktory , být aktivní. Tyto kofaktory mohou být anorganické, jako jsou ionty kovů nebo klastr železa a síry , nebo také organické sloučeniny , jako je flavin nebo hem . Organickými kofaktory mohou být koenzymy , které se uvolňují z aktivního místa enzymu během reakce, nebo protetické skupiny , které zůstávají pevně vázány na enzym. Některé organické protetické skupiny jsou kovalentně spojeny se svým enzymem , jako je tomu v případě biotinu pro enzymy, jako je pyruvátkarboxyláza .
Karboanhydrasa je příkladem enzymu kofaktoru zinku vázán na aktivním místě. Tyto ionty nebo molekuly úzce související s enzymem se obvykle nacházejí v aktivním místě a podílejí se na katalýze . Flavin nebo hem se tedy často nacházejí v redoxních reakcích.
Enzymy, kterým chybí kofaktor, který je činí aktivními, se nazývají apoenzymy neboli apoproteiny . Enzym spojený s jeho kofaktorem (kofaktory) se nazývá holoenzym . Enzymatické komplexy vytvořené z několika podjednotek, pro které jsou přítomny všechny podjednotky potřebné pro enzymatickou aktivitu, se také nazývají holoenzymy ; tento termín se často používá pro DNA polymerázy .
Koenzymy jsou malé organické molekuly, které lze s enzymem spojit docela volně nebo naopak velmi pevně. Nesou funkční skupiny nebo zbytky z jednoho enzymu do druhého. NAD + se NADPH a ATP jsou koenzymy. Některé koenzymy, jako je riboflavin , thiamin a kyselina listová, jsou vitamíny , tj. Sloučeniny, které si tělo nedokáže syntetizovat a musí se jako takové vstřebávat stravou. Mezi chemickými skupinami nesenými koenzymy jsou hydridový iont H - nesený NADH a NADPH, fosfátová skupina –OPO 3 2–transportován ATP, acetylovou skupinou –COCH 3transportovány koenzymem A , aldehydem –CHO, methenyl – CH = nebo methyl – CH 3 skupinamineseno kyselinou listovou nebo methylovou skupinou nesenou S- adenosylmethioninem (SAM).
Protože koenzymy jsou modifikovány během chemických reakcí katalyzovaných enzymy, může být užitečné si je představit jako konkrétní substráty sdílené mnoha typy enzymů. Je tedy známo více než 1 000 enzymů, které používají NAD + jako koenzym.
Koenzymy se nepřetržitě regenerují a jejich koncentrace se udržuje v buňce na konstantní úrovni. Například NADPH se regeneruje cestou pentózofosfátu a S -adenosylmethionin se regeneruje methioninadenosyltransferázou . Tato trvalá regenerace znamená, že malé množství koenzymů lze použít velmi intenzivně. Lidské tělo například každý den využívá a regeneruje svou vlastní váhu v ATP.
Stejně jako u všech katalyzátorů ani enzymy nemění chemickou rovnovážnou polohu reakce. Účinek přítomnosti enzymu spočívá pouze v urychlení reakce, která probíhá ve stejném směru. Tak, karboanhydráza , který katalyzuje reverzibilní reakci, působí v obou směrech v závislosti na relativní koncentraci jejích reakčních složek:
Reakční rychlost závisí na aktivační energii potřebné k dosažení přechodného stavu ze substrátů , který pak postupuje k tvorbě reakčních produktů. Enzymy zrychlují reakční rychlost snížením aktivační energie přechodového stavu. Začínají vytvořením vazby nízkoenergetický enzym-substrát (ES), poté stabilizují přechodový stav (ES ‡ ) tak, že jeho tvorba vyžaduje méně energie, a tento přechodný stav se vyvíjejí. Směrem k komplexu enzym-produkt (EP), který disociuje spontánně.
Kromě toho mohou enzymy spojovat dvě nebo více reakcí, aby umožnily termodynamicky nevýhodnou reakci za použití termodynamicky výhodné reakce, takže kombinovaná energie produktů dvou reakcí je menší než kombinovaná energie jejich substrátů. To je velmi častý případ s hydrolýzou z ATP , který je obecně ve spojení s jinými chemickými reakcemi, zejména katabolismu ( biosyntézy ).
Tyto enzymové kinetiky studie, jak enzymy se váží na své substráty a převést na reakčních produktů. Kvantitativní údaje o kinetice enzymu se obecně získávají z enzymatických testů (in) . V roce 1913 navrhli Němec Leonor Michaelis a Kanaďan Maud Menten kvantitativní teorii enzymatické kinetiky, která se nazývá Michaelis-Mentenova rovnice . Jejich hlavním přínosem bylo navrhnout enzymatické reakce ve dvou fázích. Nejprve se substráty reverzibilně váží na enzym a tvoří komplex enzym-substrát. Poté enzym katalyzuje chemickou reakci a uvolňuje reakční produkty. Těmito pracemi se poté zabývali Britové George Edward Briggs (in) a John BS Haldane , kteří se pohybovali v kinetických rovnicích, které se dnes široce používají.
Rychlost enzymu závisí na podmínkách roztoku a koncentraci substrátů. Maximální rychlost V max enzymatické reakce může být určeno zvýšením koncentrace [ S ] substrátů až do rychlosti tvorby reakčních produktů ukazuje plošiny, jak je znázorněno naopak. Tato saturace je vysvětlena skutečností, že čím více se zvyšuje koncentrace substrátů, tím více se tento substrát váže na enzymy, takže se zvyšuje koncentrace komplexů enzym-substrát a snižuje se koncentrace volného enzymu; maximální reakční rychlost odpovídá situaci, kdy jsou všechny enzymy navázány na své substráty, takže žádný volný enzym nezůstává s vazebnými místy, která by mohla obsadit.
Kromě maximální rychlost V max enzymu, množství substrátu nezbytné pro dosažení dané rychlosti reakce je dalším důležitým veličina charakterizující aktivitu enzymu. Toto množství se měří Michaelisovou konstantou K M , což představuje koncentraci substrátu nezbytnou pro to, aby enzym dosáhl poloviny V max . Každý enzym má obecně danou K m pro každé ze svých substrátů. Reakční rychlost v při koncentraci substrátu [ S ], odpovídající zvýšení koncentrace produktu [ P ], je pak dána rovnicí:
.Katalytická konstanta , označené k kat , také volal číslo přeměny (TON), představuje počet molekul substrátu přeměněn produktů na aktivního místa a za sekundu. To je spojeno s maximální rychlost V max a koncentrace [ E ] enzymu podle rovnice V max = K kočky [ E ] .
Enzymatická aktivita se měří v katálech , SI jednotka definovaná 1 kat = 1 mol s −1 , nebo častěji v enzymatických jednotkách , definovaná 1 U = 1 µmol · min -1 : tato množství představují potřebné množství enzymu zpracovat jednotkové množství substrátu za jednotku času za provozních podmínek, které musí být specifikovány měřením. Z toho lze odvodit specifickou aktivitu enzymu, která představuje jeho aktivitu na jednotku hmotnosti, vyjádřenou například v U · mg -1 .
Účinnost enzymu může být vyjádřena ve smyslu k cat / K M , což představuje konstantu specificity. Protože odráží jak afinitu k substrátům, tak účinnost katalýzy, je užitečné pro vzájemné srovnání enzymů nebo pro srovnání stejného enzymu s různými substráty.
Kinetika Michaelis-Menten je založena na zákonu hromadného působení , který vychází z předpokladu, že difúze hmoty je volná a že srážky mezi částicemi jsou náhodné a jsou popsány termodynamikou . Mnoho biochemických nebo buněčných procesů se však významně liší od těchto podmínek kvůli velmi vysoké koncentraci chemických látek v cytosolu, které omezují jejich volnost pohybu. Kinetika Michaelis-Menten byla předmětem nedávných rozšíření, která se pokoušejí tyto účinky zohlednit.
Enzymový inhibitor je malá molekula , která snižuje rychlost reakce enzymu.
Typy inhibice enzymů se obvykle dělí do následujících kategorií.
Konkurenční inhibiceKompetitivní inhibitor se může vázat k enzymu tím, že brání jeho substráty v tom. Často jde o molekulu, která vypadá jako jeden ze substrátů a zaujímá své místo na jednom z vazebných míst, aniž by však enzym byl schopen katalyzovat chemickou reakci s tímto inhibitorem. Tak, methotrexát , An lék proti rakovině , je kompetitivní inhibitor dihydrofolátreduktázy , která katalyzuje redukci dihydrofolát na tetrahydrofolát . Tento typ inhibice lze obejít vysokou koncentrací substrátu. Může to být také molekula, která se váže na jiné místo enzymu a indukuje konformační změny, které modifikují vlastnosti vazebného místa k substrátu alosterickým účinkem . Následně klesá afinita enzymu k jeho substrátům a zvyšuje se jeho Michaelisova konstanta K M , zatímco jeho maximální rychlost V max zůstává nezměněna.
Nekonkurenční inhibiceA nekompetitivní inhibitor váže na enzym v místě nezávisle na vazebných míst substrátu. Ty se proto vážou na enzym se nezměněnou afinitou, takže Michaelisova konstanta K M zůstává nezměněna. Inhibitor však snižuje účinnost enzymu, tj. Jeho katalytickou konstantu k cat , a proto jeho maximální rychlost V max . Na rozdíl od kompetitivní inhibice se nekompetitivní inhibice nesnižuje zvýšením koncentrace substrátu.
Nekompetitivní inhibiceIncompetitive Inhibitor může pouze vázat na enzym-substrát složitý a se samotným enzymem. Tento typ inhibitoru je proto o to účinnější, čím vyšší je koncentrace substrátů. Komplex enzym-substrát-inhibitor je neaktivní a nemůže katalyzovat přeměnu substrátů na produkty. Tento typ inhibice zůstává vzácný.
Smíšená inhibiceA smíšené inhibitor váže na alosterické místo odlišné od vazebného místa substrátu na enzym, a tyto dvě vazby se navzájem ovlivňují. Funkčnost enzymu je snížena, ale není odstraněna, když je navázána na inhibitor. Tento typ inhibitoru nenásleduje Michaelis-Mentenovu rovnici .
Nevratná inhibiceIreverzibilní inhibitor, nazývaný také inhibitor sebevraždy, se váže na enzym a trvale jej inhibuje, obvykle prostřednictvím kovalentní vazby . Penicilinu a aspirin akt tímto způsobem příslušně na transpeptidázy a cyklooxygenáz .
V mnoha živých věcech jsou enzymové inhibitory zapojeny jako součást mechanismu obecné metabolické zpětné vazby . Když je molekula produkována v přebytku, může působit jako inhibitor enzymu, který se zapojuje do metabolické dráhy produkující tuto molekulu, což má za následek snížení její produkce a udržení její fyziologické koncentrace na vhodné úrovni. Toto je forma negativního zatažení. Hlavní metabolické cesty, jako je Krebsův cyklus, tyto mechanismy používají.
Vzhledem k tomu, že inhibitory modulují aktivitu určitých enzymů, jsou často používány jako léky . Mnoho léků jsou reverzibilní kompetitivní inhibitory, které se podobají přirozenému substrátu pro tyto enzymy. Kromě výše uvedeného methotrexátu jsou takovými kompetitivními inhibitory například statiny používané k léčbě hypercholesterolemie inhibicí HMG-CoA reduktázy a inhibitory proteázy používané k léčbě retrovirových infekcí , jako je HIV . Klasickým příkladem je ireverzibilní inhibice aspirin , který inhibuje cyklooxygenázy COX-1 a COX-2 produkci posly ze zánětu , které jsou prostaglandiny .
Dalšími inhibitory enzymů jsou jedy . To je případ, například s kyanidem CN - , který se váže na měď a železo v aktivním místě z cytochrom c oxidázy a blokuje buněčné dýchání .
Enzymy plní v živých tvorech velké množství funkcí. Jsou nezbytné pro mechanismy přenosu signálu a regulaci buněčných procesů, často prostřednictvím aktivity kináz a fosfatáz . Jsou rovněž zapojeny v generaci pohybů, jako je například myosinu , který hydrolýzou na ATP v svalové kontrakce a umožňuje transport molekul skrz buňky, které působí na cytoskelet . Tyto iontové pumpy těchto buněčných membrán jsou jiné ATPasy podílejí na aktivním transportem transmembránové. Enzymy se také podílejí na exotičtějších procesech, jako je bioluminiscence produkovaná například luciferázou u světlušek nebo dokonce některými bakteriemi . Tyto viry obsahují enzymy v pořadí, které jim umožní infikovat buňky, jako jsou například integrázy a reverzní transkriptázy z viru HIV , nebo výstupu infikovaných buňkách jako neuraminidázy z viru ‚s chřipky .
Enzymy hrají důležitou úlohu v trávicím lidské jednotky , kde enzymy, jako je amyláza a peptidázou podílí na degradaci z biopolymerů , jako jsou škrob a proteiny do menší molekuly , které mohou být absorbovány ze střev - respektive maltózu (pak glukóza ) a kyseliny alfa-amino v našem příkladu. Tyto makromolekuly organické jsou skutečně příliš velké, aby se vstřebává přímo, a to je jejich monomery , které jsou absorbovány. Trávení zvláště zahrnuje proces štěpení makromolekul do malých molekul. K trávení různých látek jsou potřebné různé enzymy. U přežvýkavců , kteří jsou býložravci , produkují mikroorganismy ve střevě speciální enzym, celulázu , schopný štěpit celulózu z buněčné stěny rostlinných buněk.
Několik enzymů může pracovat společně v definovaném pořadí a vytvářet metabolické dráhy : v takové konfiguraci se produkt jednoho enzymu stává substrátem pro další enzym. Je možné, že několik enzymů katalyzuje stejnou reakci paralelně; to umožňuje složitější způsoby regulace, například s nízkou aktivitní konstantou pro jeden enzym, ale s druhým enzymem, který může při aktivaci dosáhnout vysoké úrovně aktivity.
Enzymy určují stádia metabolických drah. Při absenci enzymů by metabolismus nesledoval stejnou cestu a nemohl by být regulován, aby byl v souladu s potřebami buňky. Většina hlavních cest metabolismu jsou řízeny na několika klíčových kroků, obvykle v enzymech, které vyžadují hydrolýzy z ATP . Tato reakce je silně exotermická (to znamená, že je doprovázena variací vysoké volné entalpie ), může být spojena s endotermickou reakcí (tj. Doprovázenou „variací negativní volné entalpie), aby se dosáhlo je to termodynamicky příznivé.
V zásadě existuje pět způsobů, jak řídit aktivitu enzymů v buňkách.
Enzymy mohou být aktivovány nebo inhibovány jinými molekulami. Konečný produkt (produkty) metabolické dráhy jsou často inhibitory jednoho z prvních enzymů v této cestě, obvykle prvního enzymu, který katalyzuje nevratný krok, který reguluje množství konečného produktu; jedná se o mechanismus zpětné vazby, protože množství konečného produktu je regulováno vlastní koncentrací tohoto produktu. Zpětná vazba umožňuje účinně přizpůsobit úroveň biosyntézy sady intermediárních metabolitů podle potřeb buňky, čímž se zabrání produkci nadbytečných molekul, které by se ztratily, a snížit celkovou účinnost buněčného metabolismu.
Fosforylace se myristylaci a glykosylace jsou příklady posttranslačních modifikací . To znamená, že fosforylace indukovaná inzulínem , mnoho enzymů, včetně glykogen synthasy , umožňuje ovládat anabolismus a katabolismus z glykogenu a umožňuje buňka přizpůsobit se kolísání hladiny cukru v krvi .
Dalším příkladem posttranslační modifikace je štěpení polypeptidového řetězce . Chymotrypsinu , je peptidáza zažívací, je produkován v pankreatu v neaktivní formě s názvem chymotrypsinogen a přepravovány v této formě do žaludku , kde je aktivován. To má zabránit aktivnímu chymotrypsinu trávit jiné tkáně před vstupem do žaludku. Tento typ neaktivního prekurzoru enzymu je zymogen .
Produkce enzymů může být zvýšena nebo snížena buňkou v reakci na změny v jeho prostředí. Tato forma regulace genové exprese se nazývá indukce enzymů. To je například případ bakterií, které se stávají rezistentními na antibiotika , například na penicilin indukcí enzymů nazývaných β-laktamázy , které hydrolyzují jádro β-laktamu, což je přesně farmakofor tohoto typu antibiotik. Tyto oxidázy cytochromu P450 jsou dalším příkladem enzymové indukce. Tyto enzymy hrají důležitou roli v metabolismu mnoha léků a jejich indukce nebo inhibice může vést k lékovým interakcím .
Množství enzymů přítomných v buňce lze také modulovat jejich degradací .
Intracelulární distribuci enzymů lze rozdělit do skupin, přičemž v různých buněčných kompartmentech probíhají různé metabolické dráhy . Tak, mastné kyseliny jsou produkovány sadou enzymů distribuovaných v cytosolu , v endoplazmatickém retikulu a zařízení Golgiho a jsou degradovány k uvolnění chemické energie pomocí beta-oxidace působením jiné sady enzymů umístěných v mitochondriích . Kromě toho různé oddíly buňky zažívají různé úrovně protonace (například lysosomy jsou kyselé, když je cytoplazma neutrální) nebo různé úrovně oxidace (například periplazma je více oxidující než cytoplazma ), což také moduluje úroveň aktivity jejich enzymů.
V vícebuněčných organismech , buňky v různých orgánech nebo tkáních vykazují různé vzory genové exprese , a proto produkují různé varianty, nazývané isoenzymy , ze stejného souboru enzymů, katalyzující různé metabolické reakce. To poskytuje mechanismus pro regulaci celkového metabolismu těla. Tak, hexokináza , první enzym v glykolýze , má speciální tvar, glukokinázu , vyjádřený v játrech a ve slinivce břišní , jehož afinita pro glukózu je nižší, ale který je více citlivý na změny v glukózy koncentraci. . To umožňuje tomuto enzymu regulovat produkci inzulínu na základě změn v cukru v krvi .
Protože pro homeostázu organismu je nezbytná velmi přísná kontrola aktivity enzymu , může jakákoli dysfunkce ( mutace , nadprodukce, nedostatečná produkce nebo absence) jediného kritického enzymu způsobit genetické onemocnění . Dysfunkce jediného typu enzymu mezi tisíci lidského těla může být fatální: jedná se například o nedostatek hexosaminidázy odpovědné za Tay-Sachsovu chorobu .
Nejběžnější forma fenylketonurie je dalším příkladem onemocnění způsobeného nedostatkem enzymů. Mnoho mutace , které nemají vliv jeden každý zbytek z aminokyseliny v fenylalaninhydroxylázy , který katalyzuje první krok v degradaci z fenylalaninu , vede k hromadění této aminokyseliny a příbuzných produktů. Některé z těchto mutací ovlivňují aktivní místo , přímo mění vázání substrátu a katalýzu, ale mnoho dalších mutací ovlivňuje zbytky daleko od aktivního místa a snižuje aktivitu enzymu změnou složení enzymu ( terciární struktura ) nebo ovlivněním jeho oligomerizace ( kvartérní struktura ) . To může vést k mentálnímu postižení, pokud se o nemoc nebude postaráno. Perorální podávání enzymů může léčit určité funkční enzymové nedostatky, jako je pankreatická exokrinní nedostatečnost (en) a intolerance laktózy .
Nemoci mohou vyplývat z jiných typů enzymatické dysfunkce, pokud ovlivňují enzymy, které opravují DNA , a způsobují mutace v zárodečných buňkách . Tyto enzymatické defekty pravděpodobně způsobují rakovinu, protože buňky se pak stávají citlivějšími na mutace v jejich genomu . Pomalá akumulace takových mutací pak může vést k výskytu rakoviny . Příkladem takových zděděných syndromů rakoviny je xeroderma pigmentosum , která vede k rozvoji rakoviny kůže v důsledku i minimálního vystavení ultrafialovému záření .
Některé enzymy se používají v chemickém průmyslu a pro další průmyslové aplikace, kde jsou vyžadovány velmi specifické katalyzátory . Přírodní enzymy jsou však z hlediska reakcí, které jsou schopny katalyzovat, poměrně omezené, protože se jedná o reakce specifické pro metabolismus živých bytostí, a nikoli pro chemický průmysl obecně; enzymy jsou také aktivní za fyziologických fyzikálně-chemických podmínek organismů, ze kterých pocházejí, což jsou podmínky, které se často liší od podmínek prováděných v rámci průmyslových procesů. V důsledku toho je proteinové inženýrství (in) aktivní oblastí výzkumu, jehož cílem je vyvinout nové enzymy s inovativními vlastnostmi, a to buď racionálním designem, nebo evolucí in vitro . Od přelomu století tak bylo možné navrhnout enzymy zcela umělým způsobem, aby katalyzovaly chemické reakce, které se přirozeně nevyskytují.
Níže uvedená tabulka shrnuje některé průmyslové aplikace některých běžných enzymů.
První enzym, diastáza , byl izolován v roce 1833 Anselme Payen a Jean-François Persoz . Po ošetření vodného sladového extraktu s ethanolem , se vysráží látku citlivou na teplo a schopna hydrolyzovat škrob , proto jeho jméno Diastáza kované od starořecké n διάστασις označuje působení štěpit. Byla to vlastně amyláza .
Biolog a chemik Émile Duclaux (1840-1904) prosazoval v pozdní XIX th století jmenovat stejné účinné látky v Diastáza s příponou -ase ve vztahu k ní.
O několik desetiletí později, když studoval alkoholovou fermentaci cukru kvasinkami , Louis Pasteur dospěl k závěru, že za tuto fermentaci byla zodpovědná účinná látka - kterou nazval kvas - obsažená v kvasnicích. Domníval se, že tato látka je aktivní pouze v živé buňce. Pasteur napsal:
"Alkoholická fermentace je čin, který koreluje se životem a organizací kvasinkových buněk, ne se smrtí nebo hnilobou; že se nejedná ani o fenomén kontaktu, o případ, kdy by se transformace cukru uskutečnila, aniž by se toho vzdalo nebo cokoli z toho vzalo. "
V roce 1877 zavedl německý fyziolog Wilhelm Kühne ( 1837–1900) v souvislosti s tímto procesem termín enzym , ze starořeckého ἔνζυμον vytvořeného z předpony ἐν „in“ a podstatného jména ἡ ζύμη „ kvas “. Slovo enzym se následně vztahovalo na neživé účinné látky, jako je pepsin , zatímco slovo ferment se používalo jako odkaz na chemickou aktivitu produkovanou živými bytostmi.
V roce 1883 vydal francouzský biolog a chemik Antoine Béchamp Les microzymas , dílo, ve kterém teoretizoval svůj koncept „ microzymes (en) “ jako hlavních složek veškeré živé hmoty; při této příležitosti použil výraz zymase .
Německý chemik Eduard Buchner publikoval svůj první článek o studiu kvasnicových extraktů v roce 1897. V sérii experimentů na Humboldtově univerzitě v Berlíně zjistil, že cukr může být fermentován kvasinkovými extrakty, a to i při absenci kvasinkové buňky v směsi a v roce 1907 získal Nobelovu cenu za chemii za objev fermentace bez živých buněk. Nazval enzym odpovědný za fermentaci zymázou , přičemž převzal konstrukci názvu enzymů odkazem na proces, který katalyzují, ke kterému se přidává přípona -ase , podle doporučení Émile Duclaux o několik let dříve.
Biochemická povaha enzymů však zůstal neznámý na začátku XX th století. Mnoho vědců pozorovalo, že enzymatická aktivita byla spojena s proteiny , zatímco jiní (včetně Richarda Willstättera , nositele Nobelovy ceny za chemii za rok 1915 za práci na chlorofylu ) považovali proteiny za jednoduché nosiče enzymatické aktivity., Které samy o sobě nejsou schopné katalyzovat chemické reakce. V roce 1926 James B. Sumner ukázal, že ureáza je enzym čistě proteinové povahy, a krystalizoval ji ; to samé udělal v roce 1937 s katalázou . John Howard Northrop a Wendell Meredith Stanley dokončili vznik proteinové povahy enzymů prací na pepsinu (1930), trypsinu a chymotrypsinu . Tito tři vědci sdíleli Nobelovu cenu za chemii z roku 1946.
Skutečnost, že enzymy mohou být krystalizovány, umožnila stanovit jejich trojrozměrnou strukturu rentgenovou krystalografií . Toto bylo provedeno poprvé lysozymem , což je enzym nacházející se v slzách , slinách a vaječné bíle, který štěpí obal určitých bakterií : jeho strukturu vyřešil tým vedený Davidem Chiltonem Phillipsem ( fr ) a publikován v roce 1965. rozlišení založení struktury lysozymu znamenalo počátky strukturní biologie a studium fungování enzymů v atomovém měřítku.
Nomenklatura výbor v Mezinárodní unie biochemie a molekulární biologie ( NC-IUBMB ) vyvinut ES (pro Komise pro enzymy ) názvosloví , na základě typu chemických reakcí katalyzovaných . Tato nomenklatura se skládá ze čtyř čísel oddělených tečkami, spojených s jediným systematickým názvem; například a-amyláza má číslo EC a systematický název 4-α- D -glukan glukanohydroláza. Systematický název se používá jen zřídka: jedná se obecně o upřednostňovaný název použití, enzym může mít několik názvů, některá jsou někdy dvojznačná.
Enzymy jsou rozděleny do šesti hlavních skupin, v závislosti na typu reakce, kterou katalyzují:
Skupina | Kódováno | Typ reakce |
---|---|---|
Oxydoreduktázy | EC 1 | Oxidačně-redukční reakce |
Transferázy | EC 2 | Přenos funkčních skupin z jednoho substrátu na druhý |
Hydrolázy | EC 3 | Hydrolýzy |
Lyázy | EC 4 | Rozbíjení různých chemických vazeb jinými způsoby než hydrolýzou nebo oxidací |
Izomerázy | EC 5 | Izomerizace |
Ligázy nebo syntetázy | EC 6 | Formace kovalentních vazeb spojených s hydrolýzou nukleosid trifosfátu (obvykle ATP ) |
Číslo ES odkazuje na dané chemické reakce , ale ne k dané molekuly : stejné číslo ES tak může odpovídat několik isoenzymů , to znamená, že se na několika proteiny katalyzující stejnou chemickou reakci, ale mající různé peptidové sekvence. - to je pro příklad případu všech DNA polymeráz , které všechny sdílejí EC číslo - zatímco stejný enzym může mít několik EC čísel, když protein, který jej tvoří, nese několik aktivních míst katalyzujících různé chemické reakce - například hovoříme o bifunkčním enzym, když stejný protein katalyzuje dvě chemické reakce, jako je uridinmonofosfát syntetáza (UMPS), která nese podjednotku orotát fosforibosyltransferázy ( EC ) a orotidin-5 podjednotku '-fosfát dekarboxylázu ( EC ) .
Název enzymů nejčastěji odkazuje na jeden nebo více jeho substrátů , někdy na typ katalyzované chemické reakce a velmi často s příponou -ase , někdy s příponou -in .
Laktáza se alkohol-dehydrogenáza se DNA polymeráza se triosefosfát izomeráza je papain je pepsin a trypsin jsou příklady názvů enzymů. Oxidáza glukózy je tedy enzym katalyzující oxidaci z glukózy , zatímco syntázy škrobu katalyzuje biosyntézu a škrobu . Několik enzymů, které katalyzují stejnou chemickou reakci, se nazývá izoenzymy .
Pokud jde o peptidázy , existuje komplementární klasifikace vyvinutá Sanger Center , založená na sekvenování proteinů . Seskupuje enzymy do rodin, které vykazují podobné sekvence aminokyselin . První písmeno klasifikačních odpovídá typu peptidázy: A pro proteázy kyseliny asparagové , S pro cysteinových proteáz , atd .
Názvy enzymů jsou téměř všechny ženského pohlaví; lysozym a ribozymy výjimku, přestože přípona -zyme pochází ze starořeckého r ζύμη ( „ kvas “), který byl ženské pohlaví.
Slovo enzym bylo původně (v roce 1897 ) samo o sobě používáno v ženském jazyce, například ve Věstníku chemické společnosti nebo ve Akademii věd atd.). Podle Larousse je ženský nebo někdy mužský, stejně jako jeho sloučeniny (například koenzym , stejný pro poklad francouzského jazyka , ale díky jeho použití se stále více používá v mužském rodu.) poprvé napsal v roce 1900 Holanďan psající francouzsky, poté francouzští chemici Bourquelot a Herissey, pak stále častěji v letech 1925 až 1940. V roce 1957, kdy již vědecké články sotva používají více než mužský jazyk, akademici výboru pro vědecký jazyk se na toto téma dívají a rozhodují nejprve o ženském. V petici však 257 signatářů protestuje proti této volbě a naopak prosí o použití mužského pohlaví. zpochybnit rozhodnutí akademie, která v roce 1968 stále pokračuje v debatách o gramatických argumentech a populární tendenci používat mužský rod. Podle archiváře a paleografa Eugène-Humberta Guitarda (v roce 1968) „pod Vliv angličtiny stále více vědců vyrábí a bude z něj mužský enzym . “