Enzymy - látky, které nastavují výhybky životu

Iontová pumpa a stroj na výrobu energie

Enzymy - látky, které nastavují výhybky životu

Princip syntézy ATP
Fo - část, kterou vodíkové ionty proudí přes buněčnou membránu; F1 - část, v níž se syntetizuje ATP; alfa + beta - stacionární podjednotky, vlastní syntéza probíhá na jednotce beta; gama - rotující podjednotka, která se otáčí ve 120stupňových intervalech, a umožní tak jednotlivým beta podjednotkám provést jednotlivé části procesu: navázání fosfátu a ADP, syntéza ATP, uvolnění ATP; delta - jednotka upevňující enzym k membráně; c - "plášť" rotující části enzymu; H+ - vodíkové ionty.
* Nobelovy ceny se udělují každým rokem. Nestává se však často, aby cesta k tomuto nejvyššímu ocenění vědecké práce začala v našem hlavním městě. V případě letošní Nobelovy ceny za chemii tomu tak je. Profesor Jens C. Skou z Dánska spolu s Robertem L. Postem z USA poprvé seznámili vědecký svět se svým objevem ATPázy na sympóziu konaném v roce 1960 Praze.
V té době jsme patřili k absolutní světové špičce, řekl profesor Arnošt Kotyk, DSc. "Mimochodem - první vědecká publikace o transportu látek v buňkách vyšla na žádost amerického nakladatelství Plenum Press u nás. Později jsme trochu ustoupili ze slávy. Jedním z hlavních důvodů, a to platí dodnes, byl nedostatek peněz. Přesto si udržujeme místo v první desítce."
Arnošt Kotyk řídil řadu let práci oddělení membránového transportu Fyziologického ústavu AV ČR. Je předsedou Mezinárodní nomenklaturní komise pro biochemii, členem americké a britské biochemické společnosti, přednáší na univerzitách po celém světě, píše skripta, překládá vědecké knihy. Vedoucí funkci v ústavu již předal mladším kolegům, ale ve výzkumu pracuje dál. Toto pracoviště je totiž unikátní v tom, že se zde nezkoumá pouze kinetika transportu, ale i struktura transportních molekul a jejich regulační funkce. A právě za objevy na tomto poli získali Jens C. Skou, Paul D. Boyer (USA) a John E. Walker (GB) Nobelovu cenu.

Jedinečná sloučenina

Veškeré chemické reakce odehrávající se v buňkách zprostředkovávají enzymy - složité organické sloučeniny bílkovinné povahy, které zastávají roli biokatalyzátorů. Na této jejich funkci jsou založeny všechny životní pochody. A nejen to: Zároveň nastavují "výhybky" určující jejich přesnou cestu. Každý enzym totiž spouští pouze jedinou, pro něj charakteristickou reakci.
V každé buňce se také nachází molekula nazývaná adenosintrifosfát - ATP. Skládá se z dusíkaté báze adeninu, cukru ribózy a trojitého esteru kyseliny fosforečné. Toto barokní nahloučení fosfátů je důležité proto, že zejména vazba mezi druhým a třetím zbytkem kyseliny fosforečné je snadno rozštěpitelná. Odštěpením fosfátu se ATP mění v ADP - adenosindifosfát, který se složitými procesy za přítomnosti dalších enzymů a kyseliny fosforečné obsažené v potravě, opět stává ATP. Tento cyklus z něj do slova a do písmene činí sloučeninu života. Je zdrojem energie pro syntézu makromolekul i nukleových kyselin a obstarává regulaci některých fyziologických pochodů. Poskytuje energii pro transport látek přes buněčnou membránu a samozřejmě i pro pohyb člověka či zvířete. Mimochodem: Množství ATP, které lidský organismus denně vyprodukuje, dosahuje - za klidových podmínek - zhruba poloviny váhy člověka; při fyzicky namáhavé činnosti je to až tuna.

Organický elektromotor

P-ATPáza, enzym, za jehož objev získal Jens C. Skou Nobelovu cenu, zodpovídá za transport jednomocných sodíkových a draslíkových iontů. Vyskytuje se ve všech živočišných tkáních a má nezastupitelný význam pro tvorbu elektrického potenciálu na buněčných membránách a pro transport živin do buněk. Stal se vlastně první molekulární "pumpou," kterou se podařilo objevit.
"Známe nyní asi tři desítky enzymů s obdobnou funkcí, jakou plní Jensova ATPáza." řekl Arnošt Kotyk. "Na toto téma bylo publikováno více než 1500 vědeckých prací, a přece přesný mechanismus přenosu dosud neznáme. Podařilo se jej detailně popsat pouze u některých bakteriálních enzymů. U živočichů je však situace složitější. Sledovat cestu iontů napříč více než 900 aminokyselinami je i s dnešní technikou velmi obtížné."
Enzym objevený a popsaný Paulem D. Boyerem a Johnem E. Walkerem patří do jiné kategorie. Vyskytuje se pouze v membránách bakterií, mitochodriích a chloroplastech. Jeho hlavním posláním je transport vodíkových kationtů a syntéza ATP. Využívá k tomu rozdílných elektrických potenciálů na obou stranách buněčné membrány. Funguje vlastně jako organický elektromotor rotující uvnitř membrány, do níž je zanořen. Charakteristika jeho činnosti je prostá: Nejdříve naváže anorganický fosfát a ADP, následuje syntéza ATP a celý proces končí uvolněním této molekuly. Je to ovšem motor, který se nezastaví a díky němuž může existovat život v té podobě, v jaké ho známe.

Dvousečný proces

Enzymy jako biokatalyzátory zprostředkující chemické reakce a transport živin jsou pro všechny organismy nepostradatelné. Jenže tyto procesy mohou mít i svou odvrácenou stranu. Existuje ještě třetí skupina enzymů spojených s adenosintrifosfátem - takzvané ABC ATPázy; některé z nich vynášejí z buněk cizorodé látky. To je samozřejmě životně důležité pro jejich ochranu. Jenže takto fungují i enzymy rakovinových buněk. To je jeden z důvodů, proč řada léků ztrácí časem účinnost. V případě ohrožení začne buňka syntetizovat příslušný enzym. Objevení a pochopení těchto procesů představuje důležitý krok ke zjištění, na jakém místě a jaká skupina molekul detekuje látku jako cizí, co umožňuje spouštění obranného mechanismu, je prvním předpokladem k nalezení metody, jak ho zablokovat. Jinými slovy k účinnému léčení.

Český primát

K tomuto poznání příspívá i práce vědců z Fyziologického ústavu AV ČR. Podařilo se zde třeba popsat 15 transportních systémů v kvasinkách, izolovat vazebné proteiny pro některé přenášené látky, byly vytvořeny mikrobní kmeny se speciálními vlastnostmi - zvýšenou odolností proti osmotickému tlaku a vůči některým toxickým látkám.
Arnošt Kotyk třeba vedl výzkum, který poprvé prokázal, že enzym H-ATPáza je spojen přímo s transportem živin do buněk, ale že nestačí předat potřebné látky do vnějšího prostředí; že musí být vytvářeny v membránách a v přímém styku se systémy, které je využívají. Jinak se celý proces zastaví. Poukázal na důležitost prostorové struktury enzymů a na roli, kterou hraje konstantní a přesné rozmístění jejich aktivních vazebných složek. V této souvislosti vyslovil názor, že právě v tom může spočívat jedna z možností, jak enzymy rozpoznávají cizorodé látky. To vše však ukáže čas, protože výzkum náleží k činnostem, které nekončí. A v tomto smyslu je Nobelova cena pouze "uzavřením" jeho určité etapy.

Petr Rampír