Stálá změna je podstatou živé přírody. Řecký filozof Hérakleitos vyslovil již před více než dvěma tisíci let následující úvahu: "Do týchž řek vstupujeme i nevstupujeme, jsme i nejsme." V roce 1930 německý biochemik Schonheimer pomocí radioaktivních izotopů prvků vyskytujících se v živé hmotě zjistil, že atomy prvků se stávají součástí organismu, ale ne trvale. Krmil zvířata radioaktivně označenými látkami a sledoval rychlost výměny atomů v různých strukturách organismu. Zjistil, že výměna probíhá nejen v měkkých tkáních ale i v kostech. Z našich fyzikálních úvah ve 2.kapitole plyne, že pro růst a obnovu organismu je nutná volná energie. Odkud tato energie pochází a jak se v organismu usměrní?

První otázky jsme se dotkli v minulé kapitole, když jsme mluvili o chloroplastech. Slunce vysílá na naši planetu elektromagnetické záření o určitých vlnových délkách. V chloroplastech zelených rostlin probíhají díky tomuto záření molekulární přeměny, které umožňují energii záření uchovat ve formě chemické energie. Býložraví živočichové požírají rostliny a tím tuto chemickou energii přijímají k výstavbě a činnosti svého organismu. Šelmy nebo ryby v oceánech požírají býložravé živočichy. Ze zbytků zelených rostlin a živočichů žijí bakterie a houby. V žádném případě nejsou molekulární struktury obětí používány beze změny, ale jsou v organismu vždy odbourány na poměrně malé stavební molekuly a poté znovu sestavovány. Část chemické energie není používána k chemických přeměnám ale k fyzické práci. Všechny tyto přeměny energie jsou spojeny se ztrátou volné energie.

Světelná energie je uložena ve formě elektromagnetického záření, tedy fotonech. V čem spočívá chemická energie? Hladinu chemické energie si lze představit jako křivku v rovině, která má své maximum (vrchol) a minimum (údolí). Můžeme si představit, že po této křivce se valí kulička. Z vrcholu se kulička vždy valí do údolí. Pokud kulička leží v údolí, nikam se valit nebude. Můžeme si představit také vrchol, v němž je malé údolí. K tomu, aby se kulička svalila z takového vrcholu ji musíme dát určitý náraz, aby překonala val (stěnu) malého údolí na vrcholu. Pokud křivka představuje určitou hladinu chemické energie, pak případ, kdy je kulička na vrcholu, nazýváme jako nestabilní stav. Případ, kdy je kulička v údolí, nazýváme jako stabilní stav. Konečně případ, kdy kulička leží v malém údolí na vrcholu, nazýváme metastabilní stav, protože kulička může být dodáním energie z tohoto stavu vychýlena. Jednotlivé stavy kuličky odpovídají chemickým vazbám mezi atomy prvků. Existují stabilní vazby, chudé na energii, vazby nestabilní a metastabilní, bohaté na energii. Samovolně, "spontánně", mohou probíhat chemické reakce od energeticky bohatých stavů k energeticky chudým stavům. Poloha kuličky v údolí představuje stav chemické rovnováhy. Chemické vazby, které nejsou v chemické rovnováze mohou vykonávat práci tím, že nadbytečnou energii uvolní.

Příkladem může být peroxid vodíku, H - O - O - H. Peroxidická vazba mezi atomy kyslíku obsahuje energii, která se může uvolnit. Peroxid vodíku je tedy v energeticky metastabilním stavu. Pokud do roztoku peroxidu vodíku nasypeme několik zrnek práškovitého železa, peroxid vodíku se rozloží na vodu a kyslík. Bez přítomnosti železa však tato reakce prakticky vůbec neprobíhá.

Železo tedy v našem příkladě způsobuje snížení valu mezi údolíčkem na vrcholu a údolím, takže metastabilní stav se změní v nestabilní a nadbytečná energie se uvolní. Tyto vztahy první pochopil kolem roku 1835 švédský chemik Berzelius. Účinek zdánlivě nezúčastněné látky nazval katalýzou a látku samu katalyzátorem příslušné chemické reakce. Dva roky předtím objevil francouzský zemědělský chemik Payen, že hrubě vyčištěný extrakt z klíčků ječmene urychluje štěpení polysacharidu škrobu na jeho cukerné složky. Berzelius z toho vyvodil velice jasný a obecný závěr, že chemická katalýza je pravděpodobně oním trikem, kterým živé bytosti řídí ve svém organismu chemické přeměny. O tomto názoru vedli vůdčí badatelé 19.století prudké spory. Dnes však je biochemická katalýza samozřejmým základem celé biochemie a molekulární biologie. Biologickými katalyzátory ovšem nejsou chemické prvky, jako bylo práškovité železo v případě peroxidu vodíku, ale složitě vystavěné bílkovinné makromolekuly, které však v mnoha případech obsahují atomy kovu. Tyto katalyzátory se nazývají enzymy - viz příloha 7.

Biologická funkce trávicích enzymů spočívá především v odbourávání makromolekul. Naše strava se skládá z glycidů (jako je škrob), tuků, bílkovin, aminokyselin a nukleových kyselin (ve vnitřních orgánech živočichů).

To, že je možná katalýza takových látek, znamená, že jednotlivé členy řetězců makromolekul mají menší chemickou energii, než úplné (intaktní) makromolekuly. Makromolekuly bílkovin se obecně štěpí hydrolýzou - viz příloha 7. Bílkoviny jsou složeny z aminokyselinových zbytků, které po dodání molekul vody vytvářejí volné aminokyseliny.

Při delším žvýkání bílého chleba ucítíme v ústech slabě nasládlou chuť. Makromolekuly škrobu v chlebu jsou rozkládány enzymem amylasou na molekuly glukosy. Ostatní makromolekuly v potravě jsou rozkládány až v žaludku a střevech. Žaludeční kyselina je zředěná kyselina chlorovodíková a její funkcí je vysrážet bílkoviny, pokud se tak již nestalo vařením jídla. Tím se však neporuší molekulární vazby, ale pouze prostorové uspořádání bílkovinných molekul. Tento proces se nazývá denaturace. Teprve nyní začíná působit enzym pepsin, který je také bílkovina výjimečně stabilní vůči denaturujícímu účinku kyseliny.

Pepsin katalyzuje štěpení bílkovin potravy v sousedství určitých aminokyselin v bílkovině. Jestliže kyselý obsah žaludku přejde do tenkého střeva, je neutralizován zásaditým sekretem slinivky břišní (pankreasu). Kromě toho tento sekret obsahuje celou řadu trávicích enzymů. Ve střevě na bílkoviny působí enzymy trypsin a chymotrypsin. Tyto enzymy štěpí bílkovinné řetězce opět v sousedství určitých aminokyselin. Trypsin štěpí bílkovinu v sousedství zásaditých aminokyselin lysinu a argininu, chymotrypsin v sousedství aminokyselin fenylalaninu a tyrosinu, což jsou aminokyseliny s aromatickým cyklem. Enzymy mají neobyčejně jemnou chemickou rozlišovací schopnost. Zatímco anorganické katalyzátory značný počet reakcí většinou urychlují, jsou biologické katalyzátory vysoce specifické a jsou zaměřeny na zcela určité látky a zcela určité vazby v jejich molekulární struktuře. Biochemické procesy v buňkách jsou tak velmi přesně řízeny, protože v určitou dobu jsou syntetizovány určité enzymy.

Sekret slinivky břišní také štěpí nukleové kyseliny obsažené v potravě. Obsahuje ribonukleasy štěpící ribonukleové kyseliny a desoxyribonukleasy štěpící desoxyribonukleové kyseliny - viz příloha 5. Odbourávání potravy ve střevě se účastní proteasy pro štěpení bílkovin a lipasy pro štěpení tuků (lipidů). V degradované formě mohou být nyní součásti potravy dopraveny do buněk střevní sliznice a krví pak dopraveny na místo použití. Ani malé molekuly však nezůstanou beze změny. Jsou dopravovány do buněk, kde specializované enzymy obstarají jejich odbourání a přestavbu, nebo jejich biologický metabolismus na bezcenné konečné produkty oxid uhličitý a vodu, jako je tomu v případě metabolického procesu glykolýzy při odbourávání glycidů - viz příloha 8.

Je překvapivé, že degradace malých molekul je podstatně složitější, než hydrolýza makromolekul. Jako historický příklad vezmeme zkvašování cukru. Prozkoumání tohoto procesu pomohlo k prosazení Berzeliovy myšlenky o biokatalyzátorech. V polovině 19.století francouzský mikrobiolog a biochemik Louis Pasteur ukázal, že nemoci a kvasné pochody jsou vyvolány mikroorganismy, které nevznikají z ničeho ale musí být odněkud zavlečeny. Pasteur došel k závěru, že kvasné procesy v každém případě jsou vázány na výskyt mikroorganismů. V tom se však mýlil, jak později dokázal chemik Eduard Buchner z Tubingen. Jestliže přidáme k roztoku cukru zfiltrovanou kvasničnou šťávu, která neobsahuje žádné neporušené buňky, po určité době vznikají bublinky oxidu uhličitého, tedy roztok kvasí. Kromě toho lze prokázat vznik produktu kvašení ethanolu. Zřejmě tedy lze z živých buněk kvasinek extrahovat látky, které jsou zodpovědné za kvašení, aniž porušíme jejich chemické vlastnosti. Tyto účinné látky jsou enzymy (název "en-zyme" pochází z řečtiny a znamená "v kvasnicích"). Jako výchozí produkt pro kvašení mohou sloužit různé glycidy. Popíšeme zde podrobněji kvašení glukosy - anaerobní glykolýzu - viz příloha 8. Nejprve se molekula glukosy přemění na glukoso-1-fosfát a ten postupně na fruktoso- -1,6-difosfát. Tento ester kyseliny fosforečné vzniká dodáním energie. Tuto energii dodává koenzym vyskytující se ve všech buňkách, adenosintrifosfát (ATP). Molekula ATP je složena z adeninu, glycidu ribosy (latinsky "ribes" znamená rybíz) a trojitého zbytku kyseliny fosforečné - viz příloha 7.

Adenosintrifosfát uchovává chemickou energii pomocí tří zbytků molekul kyseliny fosforečné. Tyto zbytky nesou záporný náboj a proto se elektricky vzájemně odpuzují. Velmi energeticky bohatá je zejména vazba mezi druhým a třetím zbytkem kyseliny fosforečné, proto se třetí zbytek snadno odštěpuje za vzniku energie a vzniká adenosindifosfát (ADP).

Smyslem vzniku fruktoso-1,6-difosfátu je nutnost rozštěpení vazby mezi atomy uhlíku, aby mohly vzniknout glyceraldehyd-3- fosfát a dihydroxyacetonfosfát. Z energetického hlediska tato vazba nepředstavuje stav s nejnižší energií ale pouze stav metastabilní. Proto je nutné vynaložit určité množství energie na překonání energetického valu a tuto energii dodávají dva zbytky kyseliny fosforečné. Obě vzniklé sloučeniny pak procházej dalším štěpením a konečnými produkty jsou ethanol a oxid uhličitý - viz příloha 8.

Jaký je celkový energetický zisk kvasinkové buňky? Na jednu molekulu glukosy se spotřebovaly dvě molekuly ATP a vznikly čtyři molekuly ATP při přeměně dvou molekul kys. 1,3-difosfoglycerové na dvě molekuly kys. 3-fosfoglycerové - viz příloha 8. Zisk tedy představuje pouze dvě molekuly ATP na jednu molekulu glukosy. Tato energetická bilance platí pouze pro anaerobní kvašení, tedy bez účastni atomů vzdušného kyslíku. Podobné poměry se nalézají v přetíženém svalu, který má nedostatek kyslíku a tím vzniká kys. mléčná, která vyvolává bolest svalu - viz příloha 8. Za podmínek, kdy je dostatek kyslíku, nezůstanou mikroby ani sval na tomto stupni a reakce pokračují až ke vzniku vody a oxidu uhličitého. Tento proces se někdy nazývá "biologické spalování", protože vzniku vody a oxidu uhličitého dosáhneme spálením glukosy v plameni. Biologické spalování, metabolismus, však probíhá krok za krokem. Zúčastněné enzymy jsou ve vyšších buňkách uloženy v mitochondriích, jejichž úkolem je získat ATP z ADP a kyseliny fosforečné, která je ve formě soli přítomna v potravě. Při úplném rozštěpení molekuly glukosy na molekulu vody a oxidu uhličitého vznikne celkem 38 molekul ATP, což je již velice významná energetická bilance. Vzniklé molekuly ATP se použijí jako zdroj energie pro biosyntézu a mechanické výkony organismu.

Enzymy ve smyslu fyzikální chemie nekonají žádnou práci, ale pouze urychlují specifické biochemické reakce. Odhaduje se, že i tak velmi jednoduchá buňka, jako je baktérie Escherichia coli může vytvářet až několik tisíc různých enzymů. Enzymy řídí nejen metabolismus látek, ale slouží k biosyntéze různých malých molekul, jako jsou glycidy, dusíkaté báze, aminokyseliny, vitaminy, barviva a obranné jedy. Spojování malých molekul v makromolekuly probíhají účinkem enzymů za spotřeby ATP. Není proto divu, že počátkem 20.století se otázka látkové podstaty enzymů stala jedním ze závažných problémů biochemie.

Dnes lze za přiměřenou cenu koupit velice čisté enzymy u různých firem, které je syntetizují chemicky ve velkém. Když se v 50.letech začalo pátrat po těchto molekulách, bylo třeba překonat mnoho nesnází. Pro organismus je přirozeně výhodné, když enzymy mají velké účinky ve velmi malých koncentracích. Pro badatele, který chce izolovat enzym jako čistou látku, je to velmi nesnadná úloha, má-li ze směsi tisíců látek izolovat nepatrné množství neznámé látky. Jak se takový úkol řeší? Vodítkem je test aktivity. Biochemik sice ještě nezná látkové vlastnosti zkoumané látky, zná však chemické přeměny, které tato látka vyvolává v molekulách substrátu. Připraví proto extrakt z celých organismů nebo určitých orgánů. U každé součásti musí stanovit, jak dalece urychluje přeměnu substrátu. Ta část, která vyvolá největší reakční rychlost, tedy největší katalytickou aktivitu, zřejmě obsahuje největší množství hledaného enzymu. Purifikačními postupy je postupně enzym oddělován od ostatních látek. Pokud se tento postup opakuje dostatečně dlouho, lze získat nepatrné množství čistého enzymu. V některých případech však enzym nemusí být stabilní a dojde k jeho rozpadu ještě před úplným vyčištěním.

Jak se provádí test aktivity v laboratorní praxi? Tento test je dobrým příkladem nepřímých měřících metod, které hrají v moderní biologii významnou úlohu. K tomu, abychom otestovali enzym, potřebujeme následující:

1. extrakt, který obsahuje enzym 2. substrát, tj. chemickou látku, která je účinkem enzymu přeměňována 3. roztok soli o určité koncentraci vodíkových iontů 4. přesné zařízení pro měření času (stopky) 5. měřící přístroj, který stanovuje vlastnost molekuly substrátu, která se mění v příslušné enzymatické reakci

Častým případem je, že substrát mění při reakci své optické vlastnosti. Naším přístrojem bude spektrální fotometr, který ukáže, kolik procent dopadajícího světla určité vlnové délky je pohlceno roztokem vzorku. Smísíme roztok soli (vytvářející konstantní reakční prostředí) substrát a extrakt s enzymem ve skleněné kyvetě případně v kyvetě z křemenného skla, pokud spektrální fotometr použijeme v ultrafialovém spektru. Spustíme stopky a v určitých pravidelných intervalech (např. 5, 10, 15 a 20 minut) měříme hodnotu pohlcování světla spektrofotometrem. Můžeme pak vynést křivku závislosti pohlcování světla na čase, která udává, kolik substrátu se přeměnilo účinkem enzymu v extraktu. Pokud je všechno v pořádku, křivka má tvar klesající přímky, protože substrát se přeměňuje konstantní rychlostí. Sklon křivky udává rychlost reakce a z této rychlosti lze vypočítat množství enzymu, které bylo ve zkoumaném vzorku extraktu. Tento test je často tak citlivý, že lze změřit množství enzymu, které bychom nemohli stanovit ani na nejpřesnějších laboratorních vahách, kdybychom se snažili vážit množství čistého enzymu.

Tak snadné a jednoduché nebyly pracovní metody v roce 1926, kdy byl izolován první enzym jako čistá látka. Američan James B. Sumner se tehdy snažil izolovat enzym ureasu z fazolí (dodnes není známo, proč fazole obsahují takové množství tohoto enzymu). Enzym ureasa rozkládá močovinu (karbamid) - viz příloha 1, C.10, která je vyměšovacím produktem savců, na oxid uhličitý a amoniak. Sumner připravil extrakt z mnoha kilogramů fazolí, rozdělil extrakty tehdejšími metodami na složky a testoval, jakou mají jednotlivé preparáty schopnost rozkládat močovinu. V té době již existovalo silné přesvědčení, že enzymy jsou bílkovinné povahy. Sumner se proto snažil o to, aby z extraktu vysrážel bílkoviny přidáním organického rozpouštědla a tím je zkoncentroval. Použití acetonu (viz příloha 1, C.5) přineslo velké překvapení. Bílkovina sice nevyvločkovala ve velkém množství, v mikroskopu však Sumner nalezl krystaly. Když je opět rozpustil ve vodě, měly vysokou aktivitu ureasy. Tyto krystaly byly bílkovinné povahy. Získat krystaly je pro chemika značný úspěch, protože to svědčí o vysoké čistotě chemické látky. Ureasa je bílkovina. Současníkům Sumnera se však tento závěr nezdál věrohodný a zejména považovaly za podivné, že enzym tvoří pravidelné krystaly jako kterákoliv anorganická sůl. Vznášeli proto námitku, kterou nebylo snadné vyvrátit, že Sumnerova bílkovina obsahuje malé množství nečistoty, která je enzymaticky aktivním činitelem. Jak biochemický výzkum pokračoval, tak kritikové ztráceli půdu pod nohama. Další enzymy, ze zcela různorodých materiálů, byly vyčištěny, zkrystalizovány a charakterizovány jako bílkoviny.

Dnes nikdo nepochybuje o bílkovinné podstatě enzymů. Jak však lze vysvětlit katalytické účinky bílkovin? Jakým způsobem bílkoviny rozlišují mezi různými malými molekulami, na které působí? Tyto otázky nemohou být ještě zcela uspokojivě zodpovězeny. Jsou předmětem intenzivního studia, především metodami, které zjistí prostorové uspořádání řetězovitých bílkoviných molekul.

Zjistilo se, že vlastní katalýzu uskutečňuje prostorově ohraničená oblast bílkovinné molekuly enzymu - aktivní centrum. Biochemiky zajímalo, jaké chemické struktury tvoří aktivní centrum různých enzymů a jakou mají funkci. Například enzym katalasa, který se nachází v krvi a v jiných živočišných tkáních, obsahuje ve svém aktivním centru atom železa. Tento atom leží uprostřed molekuly kruhovitého tvaru a ta je poměrně volně uložena ve stočeném řetězci aminokyselin bílkovinné části. Komplexní struktura katalasy má ve srovnání s jednotlivými atomy železa své výhody. Asi tisíckrát je zvýšena katalytická aktivita, protože atom železa je umístěn v molekulárním prostředí, které je optimální pro průběh reakce. Je zajištěna vysoká specificita enzymu, tedy enzym nepůsobí na celou řadu podobných chemických reakcí, ale volí pouze určité substráty. Tento výběr se uskutečňuje tak, že bílkovinná struktura vytváří kolem aktivního centra přesný prostorový útvar, do něhož zapadá molekula substrátu, což bylo prokázáno rentgenovou strukturální analýzou u několika enzymů. Dále bylo prokázáno, že bílkovinný řetězec v průběhu reakce vykonává určité pohyby.

Katalyzátor se reakce nezúčastňuje do té míry, že po ukončení reakce je opět k dispozici v původním stavu. Při katalýze je však nutná těsný prostorový kontakt katalyzátoru s molekulou substrátu a tvoří s ním i přechodné volné vazby.

Enzym je tedy obvykle složen ze dvou částí. Aktivní jádro je tvořeno tzv. koenzymem, který obvykle obsahuje aktivní atom některého kovu. Bílkovinný řetězec tvoří tzv. apoenzym a slouží pro selekci substrátu. Některé koenzymy těsně souvisejí s vitaminy - viz příloha 7. Vitaminy jsou nízkomolekulární látky, které mohou být syntetizovány bakteriemi, kvasinkami, rostlinami, ale ne organismem člověka - viz příloha 9. Nedostatek vitaminů vzniká nedostatečnou nebo jednostrannou výživou a projevuje se typickými symptomy, které lze velmi rychle odstranit dodáním příslušných vitaminů do potravy. Vitaminy jsou obvykle součástí koenzymů, což vysvětluje jejich vysokou účinnost při nepatrném množství.

Zatím jsme hovořili o enzymech, v jejichž aktivním centru byl koenzym s atomem kovu. Mnohé emzymy jsou však čistě bílkovinné povahy. Molekula proteinu obsahuje řetězec aminokyselinových zbytků, který je sbalen určitým způsobem. Ta část jednotlivých aminokyselin, která směřuje do stran a neúčastní se tvorby řetězce (tedy nejde o karboxylovou a aminovou skupinu), se nazývá postranním řetězcem. U enzymu čistě bílkovinné povahy postranní řetězce tvoří aktivní centrum. Jeho identifikace je mnohem složitější než u aktivního řetězce s koenzymem. Obvyklý bílkovinný řetězec enzymu obsahuje stovky aminokyselinových zbytků. Některé aminokyselinové zbytky ovšem nepřipadají v úvahu, protože neobsahují žádné reaktivní skupiny atomů. Například postranní řetězce leucinu, isoleucinu a valinu mají podobnou strukturu jako molekula parafinu, která chemicky velmi netečná, ikdyž je metastabilní a při spalování kyslíkem se rozkládá na vodu a oxid uhličitý. Takovéto molekuly si uchovávají vysoký energetický val a příliš nepomohou ke snižování energetického valu při katalýze. Snadno reagující molekulou je však např. cystein. Jeho postranní řetězec končí seskupením atomů

CH2 - S - H

Vodíkový atom vázaný na atom síry (tzv. thiolová skupina) může být snadno nahrazen jiným atomem nebo atomovým seskupením. Rtuť je obávaným jedem proto, že se snadno váže na atom síry a vznikne skupina

CH2 - S - Hg -

Všechny enzymy, na jejichž aktivním centru se podílí cystein, jsou proto blokovány rtutí a sloučeninami, které obsahují atomy rtuti. Toto zablokování lze prokázat i ve zkumavce, do které přidáme při testování enzymu sloučeninu rtuti. Dojde-li k zablokování katalýzy, enzym obsahuje v aktivním centru thiolovou skupinu.

Trávicí enzymy, které štěpí bílkoviny a nukleové kyseliny, jsou rovněž čistými proteiny, u nichž aminokyseliny mají katalytický účinek. Aminokyselina serin hraje úlohu v aktivním centru proteolytických enzymů. Serin má v postranním řetězci hydroxylovou skupinu

= CH2 - OH

Určité jedovaté estery kyseliny fosforečné se vážou na tyto serinové zbytky a blokují účinek enzymů. Pomocí těchto esterů lze tedy stanovit, zda serinové zbytky jsou aktivním centrem enzymu. Vysoká jedovatost esterů kyseliny fosforečné však nespočívá v tom, že brzdí činnost hydrolytických enzymů, ale v tom, že působí na enzym, který je nutný k udržení nervové činnosti a jehož zablokování vede k brzké smrti. Také u tohoto enzymu tvoří serinové zbytky aktivní centrum.

Je velkým pokrokem výzkumu enzymů, že lze v mnoha případech identifikovat seskupení atomů, které jsou zúčastněny na katalýze. Vlastní mechanismus katalýzy však není ještě pochopen a v této oblasti molekulárně biologický výzkum ještě nedospěl k obecným závěrům. Takový výzkum vyžaduje, aby údaje o prostorové struktuře enzymu byly spojeny s informacemi o energetických valech při seskupování a uvolňování vazeb zúčastněných atomů u substrátu a enzymu. Účinek enzymu však již lze vysvětlit alespoň přibližně. Základní otázkou je, proč existuje vysoký energetický val mezi výchozím a konečným produktem, když energie výsledného produktu je podstatně nižší než energie produktu výchozího a reakce by mohla probíhat samovolně. Jedna z příčin tkví v chemických vazbách, kdy je třeba dodat vysokou energii na jejich rozštěpení. Molekuly substrátu jsou často složité a je tedy malá šance, že vznikne právě takové prostorové uspořádání, které je přiznivé pro reakci. Proto reakce probíhá velmi pomalu, neboť příznivé prostorové uspořádání je málo pravděpodobné. Enzym může pomoci tím, že vytváří ve své molekule prohlubeň, do které určitým způsobem zapadne molekula substrátu. Tím se dostane do vhodné prostorové polohy vzhledem k reaktivním skupinám aktivního centra enzymu. Reaktivní skupiny sníží energetický val tím, že skupině, která se má rozštěpit, nabízejí postupně konkurující vazby. Na energetických poměrech celkové reakce se nic nezmění, přesto se tímto způsobem podaří energetické valy snížit. Bylo také zjištěno, že reakce se může usnadnit změnami polohy atomů substrátu a enzymu.

Nabízejí se dvě klíčové otázky: Může chemická struktura enzymů skutečně vysvětlit nesmírnou rozmanitost jejich funkcí? Jsou enzymy schopny řídit i svoji syntézu?

Odpověď lze nalézt v kombinatorických úvahách. Proteiny jsou složeny ze 20 aminokyselin. Pokud uvážíme bílkovinu o dvou aminokyselinových zbytcích, máme celkem 20^2 = 400 možných kombinací. Pokud bychom uvážily bílkovinu o třech aminokyselinových zbytcích, máme již 20^3 = 8000 možných kombinací. Celkem tedy máme 20^n různých aminokyselinových řetězců, kde n je počet členů řetězce. Délka řetězce většiny bílkovinných enzymů je přibližně 100 až 300 aminokyselin. Proto může existovat asi 20^100 různých bílkovin, což je asi 1,26.10^130 bílkovin. Pro srovnání, stáří vesmíru se odhaduje na 5.10^17 sekund a počet všech elementárních částic v pozorovatelné části vesmíru se odhaduje na 10^80 částic. Ryze kombinatorickými úvahami můžeme dospět k závěru, že může existovat mnoho tisíc různých enzymů a pokud vezmeme v úvahu rozdíly u různých živočišných organismů, může existovat několik set tisíc enzymů. Všechny živé bytosti tedy využívají jen nepatrného zlomku možností, které jim nabízí vysoká rozmanitost stavby bílkovin.

Je možné, aby syntéza enzymů byla řízena opět enzymy? Při syntéze enzymu se musí určitý počet aminokyselin spojit ve zcela určitém sledu v řetězce o zcela určité délce. Příslušnou energii dodá ATP, který vzniká při metabolismu látek. Enzymy pracují jen v malých stupních (provádějí obvykle jedinou přeměnu molekuly substrátu) a jsou specializovány jen na určité substrátové molekuly. Nebylo by tedy dostačující, kdybychom měli jen jeden enzym pro každou z dvaceti aminokyselin, který by katalyzoval připojení této aminokyseliny na rostoucí řetězec molekuly enzymu. Musíme totiž vystavět zcela určitý sled aminokyselin a proto se musí enzym specializovat i na to, aby aminokyselinu napojil na zcela určité místo bílkovinného řetězce. Mechanismus pochopitelně bude různý, pokud budeme chtít aminokyselinu cystein vložit na 8 nebo na 105 místo v bílkovinném řetězci. Pro tuto úlohu by musely existovat dva různé enzymy. Z naší úvahy vyplývá, že na výstavbu jediného enzymu bychom potřebovaly nejméně sto jiných enzymů. Navíc tento předpoklad má zásadní chybu: kdo syntetizuje enzymy sloužící k syntéze enzymů? Tento "enzymový paradox biochemie" ve 30.letech 20.století ukázal, že metody klasické biochemie nepostačují k pochopení životních procesů. Záchrana přišla od jiné vědy, nauky o dědičnosti (genetiky). Na konečném řešení problému se podíleli společně genetikové, bakteriologové, biochemici a fyzikové.

- pokračování -

(c) 1997 Intellectronics

časopis o přírodě, vědě a civilizaci