Enzymy, katalyzátory života

Chemické reakce, které tyto pro život zcela nezbytné přeměny zajišťují, by ale bez katalyzátorů neběžely nebo by probíhaly příliš pomalu. Aby život průběh svých reakcí umožnil či urychlil, potřebuje pro to mnoho různých enzymů. 

Přeměna cukru

Pro začátek si představme, že máme dvě chemické látky, např. sacharosu neboli řepný cukr a vodu, a potřebujeme je přeměnit na produkty – v tomto případě glukosu a fruktosu, které naše tělo dokáže použít např. při glykolýze. Tato reakce je energeticky schůdná, její produkty jsou tedy za daných podmínek stabilnější než reaktanty. Reakce by v popisovaném směru mohla ve vodě běžet samovolně, ale v čisté sterilní vodě k reakci za normálních podmínek nedojde ani po letech, a to proto, že reagující molekuly musí během své přeměny na produkty překonat energetickou bariéru. 

Jak je tedy možné, že když vypijeme roztok sacharosy, objeví se nám v krvi nové molekuly glukosy a fruktosy již za 10 minut? Buňky střeva totiž produkují katalyzátor, který hydrolýzu sacharosy velmi efektivně urychluje. Můžeme si představit, že energetickou bariéru snižuje či obchází. V tomto případě je katalyzátorem enzym invertasa (či sacharasa). Každá molekula invertasy dokáže za sekundu katalyzovat hydrolýzu desítek až stovek molekul sacharosy. Z hlediska stravování tedy nezáleží na tom, jestli v potravě přijímáme směs glukosy a fruktosy nebo sacharosu, protože její přeměna na glukosu a fruktosu je v našem střevě takřka okamžitá. 

Urychluje a také řídí 

Reakcí, které za fyziologických podmínek běží dostatečně rychle i bez pomoci enzymů, je jen minimum – drtivá většina chemických pochodů v buňkách proto musí být katalyzována enzymy. Různých enzymů jsou v každé buňce tisíce, přičemž některé z nich jsou schopné katalyzovat i více reakcí. Velice důležitou vlastností je také vysoká specifita enzymů, co se týče toho, jaký druh reakce katalyzují a jaké substráty si vybírají. Nejvíce enzymů je v buňce lokalizováno v cytoplazmě, kde jsou většinou smíchány dohromady, ale to vzhledem k jejich specifitě vůbec nevadí. Dokonce je to výhodné, protože si své metabolity (substráty i produkty) mohou navzájem rychle předávat a tvořit tak efektivní metabolické dráhy.

Naprostá většina enzymů jsou bílkoviny čili proteiny, tvořené jedním či více polypeptidovými řetězci, někdy doplněnými ještě o kofaktor. Kofaktorem může být např. malá organická molekula či kation kovu. Proteiny samy mívají poměrně složitou prostorovou strukturu i další vlastnosti, jako je třeba rozložení náboje na povrchu. Velmi důležité pak je, že mají oblast, která svým tvarem a dalšími vlastnostmi umožňuje přichycení molekuly substrátu, tzv. aktivní centrum. 

Aktivní centrum 

Typické aktivní centrum je evolučně optimalizováno tak, aby se do něj molekuly substrátů ochotně navázaly a zdržely se tam dost dlouho na to, aby mohlo dojít k jejich reakci a následné přeměně na produkty. Aktivní centrum bývá nepravidelného tvaru a díky tomu jsou enzymy téměř vždy stereoselektivní, tedy rozlišují mezi izomery (v tom se liší od klasických katalyzátorů). Při vazbě do aktivního centra se substráty zorientují tak, aby byly v pozici ideální pro produktivní reakci. Kromě toho ještě enzym (někdy za pomoci kofaktoru) navodí podmínky, které onu přeměnu dále usnadňují – třeba tak, že stabilizuje přechodový stav vedoucí k meziproduktům. Některé enzymy také se substráty meziprodukt samy tvoří. Ale to nejsou jediné triky, které příroda využívá. Má i řadu dalších mechanizmů, jakými mohou enzymy reakce usnadňovat, a jejich studium je stále předmětem vědeckého zájmu. 

Jak enzym vypnout a zapnout?

Toho, že reakce bez přítomnosti enzymu v živých organizmech prakticky neprobíhají, využívají organizmy k řízení svého metabolizmu. Stačí totiž, že enzymy pro nežádoucí reakce prostě netvoří. Ale jak to udělat v případě, kdy organizmus potřebuje rychle reagovat na měnící se podmínky a musí například nějaký enzym rychle vypnout a pak zase zapnout, a to opakovaně? 

Protein, který většinu enzymu tvoří, je veliká a pro buňku z pohledu energetických nákladů na syntézu dost nákladná molekula (jen na proteosyntézu jedné molekuly proteinu spotřebuje buňka tisíce ATP). Takže organizmy, které dokážou své enzymy regulovat jednoduše a levně, mají velkou evoluční výhodu. Příroda proto využívá několik triků, jak enzym regulovat. 

Jedním z nich je třeba připojení fosfátu na určité místo na povrchu enzymu. To dělají enzymy nazývané kinasy a buňku to stojí jen jedno ATP. Výsledná změna tvaru a hlavně náboje proteinu (fosfátový zbytek v daném místě udělí proteinu záporný náboj) může enzym inaktivovat či naopak aktivovat (záleží na druhu enzymu). Do původního stavu se pak enzym vrátí tak, že z něj jiný enzym fosfát odštěpí. Tuto reakci fosfatasy katalyzují i bez potřeby dodávat energii. 

Další běžnou možností regulace enzymové aktivity je vypnutí pomocí malých organických molekul, kterým říkáme inhibitory. Může jím být molekula podobná substrátu, která obsadí aktivní centrum enzymu a substrát tam nepustí. Inhibitor má přitom takovou strukturu, že není schopen podstoupit reakci, kterou enzym umí katalyzovat, takže v aktivním centru dlouho přetrvává beze změny, a tak jej blokuje. Když pak buňka koncentraci inhibitoru sníží, třeba jeho přeměnou na něco jiného nebo jeho odčerpáním někam jinam, začne enzym zase katalyzovat.

Inhibitory se lidé naučili využívat také v medicíně, kde řada přírodních, ale i syntetických léčiv funguje jako inhibitor pro konkrétní enzym související s onemocněním. Zajímavé animace enzymů naleznete na www.studiumchemie.cz/celek/enzymy.