Az enzimek áttekintése

Az enzim egy kémiai átalakulást segítő molekula. Olyan fehérjék, amelyek szubsztrátokra hatnak, és kémiai reakciókat katalizálnak a sejtekben. Az enzimek abban az értelemben specifikusak, hogy minden egyes enzim csak néhány, egymással szorosan összefüggő szubsztráttal reagál. Egyes enzimek megfelelő működéséhez kofaktorokra (biotin, lipoamid, kobalamin) van szükség. Az enzimek denaturálódhatnak a hőmérséklet vagy a pH változása miatt. Az enzimeket az általuk katalizált reakció típusa alapján oxidoreduktáz, transzferáz, hidroláz, liáz, ligáz és izomeráz csoportokba klasszifikálhatók. Az enzimkinetika az enzimreakciók sebességének leírására fogalom, amelyet a Michaelis-Menten- és a Lineweaver-Burk-egyenlet segítségével határozunk meg. Ezek az egyenletek annak értékelésére is alkalmasak, hogy a különböző típusú enzimgátlók hogyan befolyásolják a reakció sebességet. Az enzimhiány olyan súlyos betegségeket eredményezhet, mint a Lesch-Nyhan-szindróma, a Gaucher-kór és a fenilketonúria.

Áttekintés

Kémiai reakciókat katalizáló komplex proteinek,
Olyan szubsztrátokra hatnak, amelyek vagy hasíthatók, vagy új termékké kapcsolhatók (pl. szénsav-anhidráz enzim → CO₂ + H₂0 ⇄ H₂CO₃),
Létfontosságúak az élethez; ha nem léteznének enzimek, a sejtreakciók nem zajlanának le elég gyorsan az élet fenntartásához,
Az enzimhiány súlyos betegségekhez vezethet (pl. Lesch-Nyhan-szindróma),
Az enzim nevét általában a katalizált reakció és az "-áz" utótag alapján alakítjuk ki: pl. az olyan enzim, amely hidroxilcsoportokat (OH-) ad hozzá egy molekulához, a következőképpen alakul: hidroxil + -áz → hidroxiláz.

Az enzimek általános karakterisztikája

Aktív hely (kötőhely): Egy adott enzimen egy adott szubsztrát kötőhelye,
Specificitás:

Az enzimek nagyon specifikusak a szubsztrátjukra és a termékükre,
Van néhány kivétel, például a proteázok, amelyek a proteineket peptidekre bontják az emésztőrendszerben,

Sebesség: Az enzimek 10⁶-10¹¹-szeresére gyorsítják a reakciókat,
Koenzimek:

Sok enzimnek szüksége van koenzimekre, amelyek lehetővé teszik, hogy a szubsztráton kifejthessék hatásukat,
A koenzimek általában fémionokból vagy vitaminokból származó kis szerves molekulák,
Az enzimatikus reakciókban részt vevő fémionokat kofaktoroknak nevezzük. Ezért a kofaktorok a koenzimek egy altípusát képezik. Nagyon gyakran a "kofaktor" és a "koenzim" kifejezéseket szinonimaként használják,

Termodinamika:

Az enzimek nem befolyásolják a szubsztrátok vagy a termékek energiaszintjét (a felszabaduló szabad energia nem változik),
Az enzimek képesek csökkenteni a reakció elindításához szükséges aktiválási energiát,
Az enzimatikus reakciók sebessége a hőmérséklettel nő (az embernél 37 °C-ig),

V_max: Az a maximális sebesség, amellyel egy enzim képes katalizálni egy reakciót (azaz amikor az enzim aktív helyei telítettek szubsztráttal),
A pH változása az enzimek denaturációját okozhatja (bár ez enzimspecifikus),
Példa: A pepszin a gyomor savas környezetében (pH ∼1,5-2) működik a legjobban, majd a duodénumban inaktiválódik, amikor a hasnyálmirigyből bikarbonát szabadul fel, ami a pH-t >7-re emeli.

Gibbs-energia

Az enzimatikus reakciók energiája (ΔG) általában az ATP- vagy GTP-kötések lebontásából (hidrolízis) származik. Az enzimatikus reakciók spontán vagy nem spontán módon is végbemehetnek. Az alábbiakban az energia és az enzimatikus aktivitás közötti összefüggéseket mutatjuk be:

Ha az energia (ΔG) <0 (exergonikus): A reakciók spontán végbemennek (gyakran irreverzibilisen),
Ha az eneriga (ΔG) >0 (endergonikus): A reakciókhoz energiára van szükség (ATP-ből vagy GDP-ből),
Ha az energia (ΔG) = 0 (kiegyensúlyozott energia): A reakció egyensúlyban van (reverzibilis).

Enzimtípusok

1. táblázat: Enzimtípusok.
Enzim osztály	Funkció	Szubtípus	Példák
Oxireduktázok	Redoxi reakciókat katalizálnak	Dehidrogenázok: Oxidációs-redukciós reakciókat katalizálnak,	Piruvát dehidrogenáz, Glükóz-6 foszfát dehidrogenáz,
		Oxidázok,	Hemoxidáz,
		Oxigenázok,	Lipoxigenáz,
		Hidroxilázok: Hidroxil csoportokat (OH) visznek át a szubsztrátokra,	Tirozin-hidroxiláz,
Transzferázok	Funkcionális csoportok transzportja	Kinázok: Foszfát csoportokat visznek át egy nagy energiájú molekulából (pl. ATP, ADP) a szubsztrátokra,	Foszfofruktokináz, Piruvát kináz,
		Foszforilázok: Szervetlen foszfát hozzáadása a szubsztrátokhoz, Nem igényelnek energiaforrást (pl. ATP),	Glikogén foszforiláz,
		Aminotranszferázok,	ALT, AST,
		Glikozil transzferázok,	UDP-glükuronsav-transzferáz,
Hidrolázok	A kovalens kötések felbontása víz hozzáadásával	Foszfatázok: Foszfátcsoportokat távolítanak el a szubsztrátokból,	Fruktóz-1,6-bifoszfatáz, Glükóz-6 foszfatáz,
		Lipázok,	Foszfolipáz-A,
		Peptidázok,	Dipeptidáz,
		Nukleozidázok,	Adenozin-nukleozidáz,
		Észteráz,	Acetil-kolin-észteráz
Lizázok	A redoxi reakcióktól vagy hidrolízistől eltérő reakciókban kovalens kötéseket képeznek vagy bontanak	Aldolázok,	Fruktóz-bifoszfát aldoláz,
		Dekarboxilázok,	DOPA-dekarboxiláz,
		Dehidratázok,	Fumarát-hidratáz,
Izomerázok	A szubsztrátot izomerré alakítja	Mutázok: Funkciós csoportokat mozgatnak egy molekulán belül,	Metilmalonil-CoA mutáz,
Izomerázok	A szubsztrátot izomerré alakítja	Epimerázok,	Szuperoxid-dizmutáz,
Ligázok (néha szintetázoknak is nevezik)	Molekulákhoz kapcsolódik, amely energiaigényes (pl. ATP, acetil-CoA, metilmalonyl-CoA)	Karboxilázok: Szén-dioxid csoportok (CO₂) átvitele, Biotin igényes,	Piruvát-karboxiláz, Acetil-CoA-karboxiláz,
Ligázok (néha szintetázoknak is nevezik)		DNS ligázok,	Acetil-CoA szintetáz, Glikogén-szintetáz.

Energia hordozók

2. táblázat: Energia hordozók.
Alap molekula	Átvitt csoport	Energia hordozó	Felszabadult energia	Lokalizáció
ADP	Foszfát,	ATP,	-31 KJ/mol,	Mindenütt jelenlévő energiaforrás,
GDP	Foszfát,	GTP,	-31 KJ/mol,	Citromsav ciklus,
Kreatin	Foszfát,	Kreatin foszfatáz,	-43 KJ/mol,	Glikolízis, Glükoneogenezis, Citromsav ciklus, Oxidatív foszforiláció,
CoA	Tioészter,	Acetil-CoA,	-36 KJ/mol,	Citromsav ciklus,
Piruvát	Foszfát,	Foszfenolpiruvát,	-62 KJ/mol,	Glikolízis.

Kofaktorok

3. táblázat: Kofaktorok.
Kofaktor	Vitamin	Reakció
Tiamin-pirofoszfát (TPP)	B₁-vitamin,	Oxidatív dekarboxiláció,
FMN/FMNH₂	B₂-vitamin,	Elektron transzport,
FAD⁺/FADH₂	B₂-vitamin,	Elektron transzport,
NAD⁺/NADH	B₃-vitamin,	Elektron transzport,
NADP/NADPH	B₃-vitamin,	Elektron transzport,
Koenzim A	B₅-vitamin,	Acil-csoport átvitel,
Piridoxál foszfát	B₆-vitamin,	Transzamináció, Dehidráció,
Biotin	B₇-vitamin,	Karboxil-csoport-átvitel (pl. CO₂),
Tetrahidrofolát	B₉-vitamin,	Metil-csoport átvitel,
Kobalamin	B₁₂-vitamin,	Alkil-csoport átvitel,
S-Adenozil-metionin (SAM)	-	Metil-csoport átvitel,
Lipoamid	-	Acil-csoport átvitel, Oxidatív dekarboxiláció,
Aszkorbinsav	C-vitamin,	Elektron transzfer, Hidroxiláció,
Filokinon	K-vitamin,	Elektron transzfer, Karboxil-csoport átvitel,
Tetrahidrobiopterin,	-	Elektron transzfer, Oxigén-atom átvitel,
ATP	-	Foszfát-csoport átvitel.

Sebesség korlátozó enzimek

4. táblázat: Sebesség korlátozó enzimek.
Útvonal	Enzim	Stimuláció	Inhibíció
Glikolízis	Foszfofruktokináz-1 (PFK-1),	Fruktokináz 2,6-bifoszfát, AMP,	Citrát, ATP, Alacsony pH,
Glükoneogenezis	Fruktóz 1,6-bifoszfatáz,	Citrát,	Fruktóz 2,6-bifoszfát, AMP,
Citromsav ciklus	Izocitrát dehidrogenáz,	ADP, Ca²⁺	NADH + H⁺ ADP,
Glikogenezis (glikogén szintézis)	Glikogén szintetáz,	Defoszforiláció inzulin hatására, Glükóz-6-foszfát, Kortizol,	Foszforiláció glukagon és adrenalin hatására,
Glikogenolízis	Glikogén foszforiláz,	Foszforiláció a glukagon és adrenalin hatására, AMP,	Defoszforiláció inzulin hatására, ATP, Glükóz-6-foszfát,
Pentóz foszfát út (HMP sönt)	Glükóz-6-foszfát-dehidrogenáz,	NADP⁺,	NADPH,
De novo pirimidin szintézis	Karbamoil-foszfát-szintetáz II,	Foszforibozil-pirifoszfát (PRPP), ATP,	UTP,
De novo purin szintézis	Glutamin-foszforibozil-pirifoszfát (PRPP) amidotranszferáz,	Foszforibozil-pirifoszfát (PRPP),	IMP, AMP, GMP,
Urea-ciklus	Karbamoil-foszfát-szintetáz I,	N-acetilglutamát,	-
Zsírsav szintézis	Acetil-CoA-karboxiláz (ACC),	Citrát, AMP-függő kináz általi foszforiláció a növekvő AMP hatására, Defoszforiláció inzulin hatására,	Acyl-CoA, pl. palmitoil-CoA, Foszforiláció glukagon, adrenalin és noradrenalin hatására,
Béta-oxidáció	Karnitin aciltranszferáz I,	Expresszió indukciója a hosszú szénláncú zsírsavak és pajzsmirigyhormonok által,	Malonil-CoA,
Ketogenezis	HMG-CoA szintetáz,	-	-
Koleszterin szintézis	HMG-CoA reduktáz,	Defoszforiláció inzulin, pajzsmirigyhormon és ösztrogén hatására,	Koleszterin, AMP-függő kináz általi foszforiláció a növekvő AMP hatására, Foszforiláció glukagon hatására.

Enzimkinetika

Michaelis-Menten kinetika

Egy enzimatikus reakció leírása

Hiperbolikus görbével rendelkező enzimatikus reakciók (leggyakoribb, pl. alkohol-dehidrogenáz az etanol oxidációjában): E + S ⇄ ES → E + P,

[E] = Enzim,
[S] = Szubsztrát,
[P] = Produktum,
[V] = Velocitás,

A szigmoid kinetikájú enzimatikus reakciók kooperatív kötődésre utalnak (pl. oxigén a hemoglobinhoz).

Michaelis-Menten-egyenlet

Egyenlet: v = V_max [S] / (K_m + [S]),
Maximum sebesség (V_max):

Az a maximális sebesség, amellyel egy enzim képes katalizálni egy reakciót,
Közvetlenül arányos az enzim koncentrációjával,

A V_max növelésének egyetlen módja a [E] növelése (a sejtek ezt pl. egy adott enzim génexpressziójának növelésével érik el),
Enzimkoncentráció ↑ → V_max ↑
Nem kompetitív inhibitorok → [E] ↓ → V_max ↓

Michaelis-állandó: (K_m): Az a szubsztrátkoncentráció, amelynél az enzimek aktív helyeinek fele kötődik a szubsztráthoz,

A reakciósebesség a V_max fele, amikor a Michaelis-állandó koncentrációját elérjük,
Fordítottan arányos az enzim szubsztrát iránti affinitásával: Enzimaffinitás ↑ → K_m ↓.

Lineweaver-Burk egyenlet és grafikon

Egyenlet

A Lineweaver-Burk-egyenlet a Michaelis-Menten-egyenlet kettős reciproka, ahol a V = V_max [S] / K_m + [S] (ha [E] állandó marad), 1 / v = K_m / V_max × 1/[S] + 1 / V_max lesz,
Az enzimkinetikát nem hiperbola, hanem lineáris grafikonon ábrázolja,
Az egyenlet különösen fontos a gyógyszerek enzimekre gyakorolt hatásának meghatározásához.

Grafikon

Metszéspont az y-tengellyel: 1/V_max, minél távolabb van a nullától, annál kisebb a V_max,
Metszéspont az x-tengellyel: 1/-K_m, minél közelebb van a nullához, annál alacsonyabb az affinitás és annál magasabb a K_m,
Meredekség: K_m/V_max.

1. ábra: Lineweaver-Burk-Diagram.
A Michaelis-Menten kinetikát tekintve az enzimreakció legfontosabb paraméterei a Lineweaver-Burk diagramon láthatók: Az y-tengelyen a reakciósebesség reciproka, az x-tengelyen a szubsztrát koncentráció reciproka van feltűntetve. A V_max reciproka közvetlenül az egyenes és az y-tengely metszéspontjából, míg a K_m reciproka (negatív előjellel) az egyenes és az x-tengely metszéspontjából vehető. Az értékeket azonosíthatjuk az egyenes meredekségével is, mivel a meredekséget a K_m és a V_max hányadosából számítjuk.

A gyógyszer-válasz dinamika

5. táblázat: A gyógyszer-válasz dinamika.
Paraméter	Nem kompetitív inhibitor	Nincs kompetíció szubsztráttal	Kompetitív inhibitor
Paraméter	Nem kompetitív inhibitor	Nincs kompetíció szubsztráttal	Reverzibilis	Irreverziblis
Hasonló a szubsztráthoz	Nem,	Nem,	Igen,	Igen,
Hatás a megnövekedett [S]-re	Nincs,	Nincs,	A gátlás leküzdhető,	Nincs,
Kötőhely	Az enzim-szubsztrát komplexhez,	Nem kötődnek az aktív helyhez, Mind az enzimhez, mind az enzim-szubsztrát komplexhez kötődik, Reverzibilis vagy irreverzibilis,	Aktív hely,	Aktív hely (irreverzibilisen kötődik),
Hatás a K_m-re	Csökkenti,	Nincs,	Növeli,	Nincs,
Hatás a V_max-ra	Csökkenti,	Csökkenti,	Nincs,	Csökkenti,
Farmakodinámiás hatás	Enzim hatékonyság ↓	Enzim hatékonyság ↓	Nem befolyásolja az enzim hatékonyságát, Potenciál ↓	Enzim hatékonyság ↓ Potenciál ↓

Enzimek és a biokatalízis