Biokatalyzátory

Autor: (9 ) | Kategorie: Maturitní otázky | Chemie | 531x | |

Proč jsou biokatalyzátory, tak super? Co je na nich vůbec zvláštního? To všechno a mnohem více se dozvíte v tomto článku.

Obecné znaky

Napřed si definujeme, co je to vůbec katalyzátor. Katalyzátor je látka, která ovlivňuje rychlost chemické reakce. Sama o sobě není ani produkt ani reaktant, během procesů (převážně biochemických) se regeneruje a vystupuje tak z reakce chemicky nezměněna.

Pozor, často se objevuje věta, že katalyzátory snižují aktivační energii –energii, kterou musíme reakci dodat, aby proběhla – to je ovšem holý nesmysl. Například enzymy pouze rozdělí aktivační energii do méně náročných kroků.

Katalyzované reakce – reakce, ke kterým je nutno přidat katalyzátor, aby proběhly. Některé organické reakce (Friedel-Craftsova alkylace – katalyzátor AlCl3), biochemické reakce (enzymy), anorganické reakce. 

Inhibice – některé reakce, které jsou katalyzovány enzymy, musí být „mírněny“, což znamená, že musíme snížit aktivitu enzymu. To se dělá inhibitory, tyto látky snižují rychlost reakce.

Nyní se dostaneme k tomu, co jsou to biokatalyzátory – přírodní organické sloučeniny, které svým působením ovlivňují rychlosti reakcí v živých soustavách. Oproti anorganickým katalyzátorům mají několik výhod, ale i nevýhod:

  • Výhody 
    • Účinkují již v malých koncentracích
    • Mají vysokou specifitu k reakci, kterou mají katalyzovat
    • Probíhají bez objemových změn
    • Jsou netoxické
  • Nevýhody
    • Jsou velmi citlivé na vnější podmínky – pH, teplota
    • Je velmi těžké, nebo prakticky nemožné je syntetizovat v laboratoři

Enzymy

Makromolekulární látky, které se skládají převážně z bílkovin, popřípadě nebílkovinné složky (ion kovu).
Podílejí se prakticky na všech reakcích v organismu, počínaje transportem kyslíku a konče vylučováním. Bez enzymů by nebylo možno uskutečnit žádný z metabolických cyklů našeho těla – močovinový cyklus, dýchací řetězec, citrátový cyklus, … – všechny tyto děje jsou umožněny právě díky biokatalyzátorům. 
Enzymy našly uplatnění také v potravinářském průmyslu (výroba jogurtů, sýrů, …), ve farmaceutickém průmyslu (výroba léčiv). 

Vlastnosti:

  • Mají vysokou specifitu vůči substrátu tzv. substrátovou specifitu. Ta funguje na principu zámek-klíč, kdy enzym bude katalyzovat reakci, toho substrátu, který se přesně hodí do jeho aktivního centra. Za tuto vlastnost odpovídá apoenzym (bílkovinná část enzymu).

Můžeme si to představit, jako bychom našim klíčem od bytu, chtěli odemknout dveře souseda. Rekce, v našem případě otevření dveří, by se nekonala. 

  • Pracují při atmosférickém tlaku a téměř vždy při neutrálním pH.
  • Jelikož jsou bílkovinové povahy, musí katalýza enzymem probíhat při teplotách do 41C, protože jak jistě víme, bílkoviny při vyšších teplotách denaturují tzn. ztrácí svou nativní strukturu a tím pádem i svojí biologickou funkci. 
  • Mají chemickou specifitu – enzym katalyzuje pouze konkrétní reakci. Za tuto schopnost odpovídá kofaktor (nebílkovinná část enzymu).

Dělení enzymů podle složení:

  • Jednosložkové – jsou složeny pouze z bílkoviny
  • Dvouskožkové (holoenzym)
    • Prostetická skupina – je spojena s apoenzymem pevnou kovalentní vazbou
    • Koenzym – je spojen s apoenzymem slaběji a lze jej snadno oddisociovat (ionty kovů) 
    • Bílkovinná část (apoenzym)
    • Nebílkovinná část (kofaktor)

Mechanismus enzymatické reakce:

  1. Substrát se naváže do aktivního místa enzymu a zapadne do něj přesně (princip zámek-klíč)
  2. Po zapadnutí enzymu nám vzniká komplex enzym-substrát
  3. Substrát podléhá chemické přeměně na aktivním místě a vznikne produkt
  4. Produkt se uvolní z aktivního místa enzymu 
  5. Enzym je připraven přijmout další produkt

Aktivita enzymů se dá ovlivnit různými faktory:

  • Koncentrace substrátu – čím více substrátu přidáme, tím rychleji nám bude enzymatická reakce probíhat. Pozor, to má ovšem své omezení, protože je pouze omezený počet enzymu tzn. že pokud budeme stále přidávat substrát, tak v jednu chvíli se nám už rychlost reakce zvyšovat nebude – dosáhneme tzv. limitní rychlosti enzymové reakce. 
  • Koncentrace enzymu – pokud bude přidávat stále více enzymu, tak se nám rychlost bude zvyšovat do té doby, než spotřebujeme veškerý substrát (máme omezený počet substrátu).
  • Teplota prostředí – aktivita enzymů se zvyšuje se zvyšující se teplotou prostředí, ale pouze v určitém teplotním rozmezí, přibližně 5-41C. Při nižší teplotě se potlačuje aktivita enzymu a při vyšší teplotě dochází často k denaturaci.
    Každý enzym má své teplotní optimum – teplota při které má nejvyšší aktivitu.
  • pH prostředí – každému enzymu se pracuje dobře při různém pH. Optimální pH enzymu je okolo 6-7. Některé enzymy například v našem žaludku mají ovšem optimální pH okolo 3, jelikož máme v našem žaludku kyselé pH. 
  • Přítomnost efektorů – látky ovlivňující rychlost reakce
    • Inhibitory – potlačují, nebo úplně zastaví aktivitu enzymu. 
    • Aktivátory – látky, které zvyšují aktivitu enzymu. Enzymy, které jsou v neaktivní formě se díky navázání aktivátoru aktivují. 

Inhibice je proces, kdy se potlačuje aktivita enzymů, je zde několik možností, jak může inhibice proběhnout. Buď použijeme jednu z možností změny vnějších faktorů, enzymy jsou ovšem náchylnější na změnu vnějších faktorů.

Nebo se používají inhibitory a tím nám dávají různé typy inhibice:

  • Kompetetivní inhibice – inhibitor je podobný substrátu, takže substrát soutěží o navázání na aktivní místo.
    Inhibitor tedy zabraňuje vytvoření komplexu enzym-substrát.
    Tento typ ovlivnění aktivity enzymu je vratný – při zvýšení koncentrace substrátu je inhibitor vytěsněn z aktivního místa. 
  • Nekompetetivní inhibice – inhibitor blokuje reaktivní skupiny enzymu, tím pádem nezabraňuje navázání substrátu (komplex enzym-substrát vzniká), ale znemožňuje proběhnutí chemické reakce a tím zabraňuje vzniku produktu. Tato inhibice je nevratná, nelze ji odstranit zvýšením koncentrace substrátu. 
  • Alosterická inhibice – inhibitor se váže na alosterické místo – místo na enzymu. Tím se deformuje aktivní místo, dochází k deaktivaci enzymu.

Dělení enzymů:

Enzymy se dělí do tak zvaných tříd (6). Většina enzymů má svůj triviální název, jde však vytvořit i systematický název podle typu třídy.

  1. Oxidoreduktázy – katalyzují oxidačně-redukční reakce
    1. NAD+ a NADP+ - odvozeny od nikotinamidu. Umožňují redukce a oxidace v metabolických drahách.
      NAD
      + - nikotinamidadenindinukleotid -> oxidovsný NADH + H+
      NADP
      + - nikotinamidadenindinukleotidfosfát -> oxidovaný NADPH + H+
  2. Transferázy – katalyzují přenos atomu nebo skupiny atomů z jedné molekuly na druhou
    1. Koenzym A (CoA) – přenáší zbytky karboxylových kyselin, nejvýznamnější je acetyl-CoA, který se účastní například citrátového cyklu, nebo aktivuje mastné kyseliny, před vstupem do metabolismu. 
    2. Koenzym ATP – přenos fosfátové skupiny při metabolismech 
  3. Hydrolázy – katalyzují hydrolytické štěpení substrátu, jejich reakce poznáme, že se při zápisu zapisuje na začátku i molekula vody. Pozor, prakticky u všech enzymových reakcí by se měla molekula vody v reakci zapisovat, ale pouze u hydroláz se tak skutečně dělá. 
    1. Trypsin – štěpí bílkoviny za bazickými aminokyselinami (tenké střevo).
    2. Pepsin – štěpí peptidické vazby v žaludku.
    3. Lipáza – štěpení lipidů na mastné kyseliny a glyceroly.
    4. Amyláza – štěpení polysacharidů (sliny).
  4. Lyázy
  5. Izomerázy – zapříčiňují například změnu konformace molekuly
  6. Ligázy – katalyzují reakce za spotřeby ATP – adenosintrifosfát je molekula, do které se „uschovává“ energie tím, že se z ní snadno odštěpuje fosfátová skupina a tím se uvolňuje značné množství energie a vzniká ADP, což je adenosindifosfát. 

Vitamíny

Nízkomolekulární organické látky, které jsou pro člověka esenciální – nepostradatelné.
Každý organismus má jiné nároky na vitaminy, tyto nároky se mění s věkem. 

Vlastnosti:
Vitamíny jsou součástí mnoha koenzymů, tedy jsou součástí řady enzymů. Působí jako antioxidant – zabraňují nežádoucím oxidacím tkání a brání vzniku kyslíkových radikálů.

Po chemické stránce to mohou být – sacharidy, alkoholy, terpeny, steroidy, heterocyklické sloučeniny atd. Jejich chemická struktura jim dává charakteristické vlastnosti, jako je například rozpustnost, proto vitaminy dělíme na rozpustné ve vodě a rozpustné v tucích. 
Vitamíny (nebo jejich prekurzory) musíme přijímat v potravě, tělo si je neumí syntetizovat samo. 

Člověk (a pár dalších živočichů – morče) si například neumí syntetizovat vitamín C, to ovšem neplatí pro většinu ostatních živočichů. Taková koza, je jako továrna na vitamín C. Také veškeré rostliny a mikroorganismy si umí vitaminy vyrábět samy.

Hladiny vitamínů v organismu: 

  • Hypervitaminóza – je způsobená tím, že má tělo příliš mnoho vitamínů (zdravotní problémy). Toto „předávkování“ hrozí hlavně u vitamínů rozpustných v tucích. K tomuto jevu nemůže dojít u vitamínů rozpustných ve vodě, protože ty se v přebytečném množství z těla vylučují. 
  • Hypovitaminóza – v těle je příliš málo vitamínu. Tento případ již může nastat, jak u vitamínů rozpustných v tucích, tak i u těch rozpustných ve vodě.
    Způsobuje řadu onemocnění, či zdravotní komplikace. 
  • Avitaminóza – úplný nedostatek vitamínu

Vitamíny rozpustné v tucích

  • Vitamín A (retinol) – podporuje přenos zrakového vjemu, složka zrakového pigmentu, antioxidant.
    Avitaminóza – vysychání rohovky, vady zraku
    Hypervitaminóza – poruchy jater, zvýšená krvácivost
    Zdroj – máslo, mléko, špenát, mrkev, játra
  • Vitamín D (kalciferol) – řídí metabolismus vápníku a fosforu
    Avitaminóza – křivice (nemoc spojená s deformací kostí)
    Hypervitaminóza – ledvinové kameny
    Zdroj – máslo, vejce, rajčata, špenát, rybí tuk
  • Vitamín E (tokoferol) – antioxidant, podporuje činnost pohlavních žláz
    Avitaminóza – neplodnost
    Zdroj – kukuřice, pšeničné klíčky, rostlinné oleje

Mnoho lidí si myslí, že vitamín E, jsou například „Ečka“ v potravinách (konzervanty, aromata, emulgátory), takže když čtou na obalu potravin, že obsahují vitamín E, automaticky potravinu odmítají, protože si přece nebudou kupovat věci s Ečkama. To je ovšem nesmysl, vitamín E, nemá s touto skupinou nic společného 

  • Vitamín K (fylochinon) – podílí se na srážení krve, máme 2 typy – vitamín K1 (syntetizován rostlinami), vitamín K2 (syntetizován bakteriemi)
    Avitaminóza – snížená srážlivost krve. 
    Zdroj – kapusta, špenát, houby, květák

Vitamíny rozpustné ve vodě

  • Vitamín C (kyselina L-askorbová) – antioxidant, podporuje tvorbu červených krvinek, protilátek, kolagenu. Většina živočichů je schopna ho tvořit z glukózy
    Avitaminóza – zánět dásní, snížená imunita, kurděje (skorbut)
    Zdroj – čerstvé ovoce a zelenina, křen, brambory, papriky, kiwi
  • Vitamin B1 (thiamin) – podílí se na metabolismu sacharidů 
  • Vitamin B2 (riboflavin) – součástí enzymu, které se podílejí na redoxních procesech
  • Vitamín B3 (niacin) – součástí NAD+ a NADP+
    Hypovitaminóza – nervové poruchy, křeče
  • Vitamín B5 (kyselina pantothenová) – základ koenzymu A
  • Vitamín B7 nebo také vitamin H (biotin) – podporuje správnou funkci kůže 
  • Vitamin B9 (kyselina listová) – ovlivňuje metabolismus aminokyselin, regeneraci erytrocytů
    Hypovitaminóza – anemie 
  • Vitamín B12 (kobalamin) – zajišťuje průběh krvetvorby 

Hormony

Hormony jsou látky syntetizované v endokrinních žlázách (žlázy s vnitřním vyměšováním), které je poté vylučují do krevního oběhu. Regulují metabolické děje v buňkách. Mají vysokou specifičnost. Jsou velmi účinné i v malém množství. 

Funkce

  • řízení celkového metabolismu
  • řízení růstu
  • rozmnožování
  • řízení hospodaření s vodou a ionty 

Dělení z chemického hlediska

  • steroidní hormony
  • hormony bílkovinového charakteru

Endokrinní žlázy

  • podvěsek mozkový (hypofýza)
  • hypotalamus
  • štítná žláza
  • příštítná tělíska
  • nadledvinky
  • pohlavní žlázy – vaječníky, varlata
  • šišinka (epifýza) 
  • slinivka břišní (pankreas) – je napůl endokrinní a exokrinní žláza

Podvěsek mozkový

Řídí činnost ostatních žláz s vnitřním vyměšováním (hypotalamo-hypofyzární komplex). Je spojena s hypotalamem, tvoří hypotalamo-hypofyzární komplex, který je umístěn za očima.

Má dva laloky:

  • Adenohypofýza

Přední lalok, tvoří šest základních hormonů - Somatotropin, Prolaktin, Thyreotropní hormon (TSH), Adrenokortikotropní hormon (ACTH), Gonadotropní          hormon
Somatotropin – je růstový hormon bílkovinného charakteru. Nadbytek hormonu způsobuje gigantismus, akromegalii. Nedostatek hormonu naopak nanismus. 
Prolaktin – laktační hormon, je produkován v poslední fázi těhotenství
TSH – řídí činnost štítné žlázy 
ACTH – řídí činnost nadledvinek
Gonadotropní hormon – řídí činnost pohlavních žláz 

  • Neurohypofýza

Zadní lalok, zde se hormony netvoří, pouze se uskladňují.
Vasopresin – zajišťuje hospodaření s vodou  
Oxytocin – je produkován u žen při porodu, způsobuje stahy hladkého svalstva

 

Štítná žláza 
Je umístěna pod hrtanem a je řízena z hypotalamo-hypofyzárního koplexu.
Thyroxin – pro tvorbu tohoto hormonu je nezbytný jód. Poruchy tvorby hormonu – struma, kretenismus, Basedowova nemoc – vykulené oči
Hypofunkce štítné žlázy – nedochází k tvorbě hormonu, snížení metabolismu – tloustnutí 
Hyperfunkce štítné žlázy – zvýšení metabolismu – hubnutí, pocení 

Příštítná tělíska 
Jsou místěna na zadní straně štítné žlázy, vypadají jako čtyři útvary čočkovitého tvaru
Parathormon – regulace Ca2+ v krvi. Nedostatek – neuro-svalová dráždivost. Nadměrná produkce – řídnutí kostí 

Nadledvinky 
Jsou párové žlázy umístěny nad ledvinami, mají dvě části, každá část produkuje jiné hormony (kůra a dřeň).

  • kůra 
    • Aldosteron – steroidní hormon, ovlivňuje Na+ a K+ 
    • Kortizol – steroidní hormon, účastní se přeměny živin  
  • dřeň 
    • Adrenalin (x Noradrenalin) – poplachový hormon, připravuje organismus na stres. Jeho opakem je noradrenalin.

Pohlavní žlázy
U žen vaječníky a u mužů varlata. 
Testosteron – vzniká v Leydigových buňkách ve varlatech. Způsobuje rozvoj a růst pohlavních orgánů, vývoj druhotných pohlavních znaků, urychluje zánik růstových chrupavek

Progesteron
– je tvořen ve žlutém tělísku ve vaječnících, umožňuje život oplozenému vajíčku
Estrogeny (estradiol, estron, estriol) – steroidní hormon, způsobuje menstruaci

Šišinka (epifýza)
Nachází se v mezimozku, je to malý útvar malý útvar, který částečně odpovídá za kavlitu našeho spánku.
Melatonin – vnímání světla a tmy, řízení cyklu den a noc

Brzlík
O brzlíku toho moc nevíme, co víme, ale jistě je to, že se vyskytuje v hrudní části našeho těla a okolo puberty se ztrácí. 

Slinivka břišní
Jak již bylo zmíněno, pankreas je žláza, jak s vnitřním, tak s vnějším vyměšováním.
Inzulín – je produkován v Langerhansových ostrůvcích, peptidický hormon, vytěsňuje z krve glukózu do tkání. Nedostatek – cukrovka 
Glukagon – zvyšuje glukózu v krvi, působí tedy proti inzulínu