A gyógyszerhatás fizikai-kémiai alapjai Rozmer Zsuzsanna – Perjési Pál

3.2Az enzimek csoportosítása

Az enzimeket a Nemzetközi Biokémiai Unió erre a feladatra kijelölt bizottsága (Enzyme Comission, E.C.) az enzimek által katalizált reakciók típusai alapján hat osztályba sorolta:
E.C.1. Oxidoreduktázok.

Az oxidoreduktázok olyan enzimek, amelyek hidrogénatom- vagy elektronátvitelt, ritkábban oxigénatom-bevitelt katalizálnak. A gyógyszerek, testidegen anyagok metabolikus átalakítási reakcióit katalizáló enzimek közül ide tartoznak például a citokrom P-450 (CYP) és a flavin monooxigenáz (FMO) enzimek. Az enzimek katalitikus folyamatában résztvevő koenzimek a következők:

Nikotinsavamid-adenin-dinukleotid (foszfát) (NAD+ és NADP+)

B₃ vitamin (niacin) (NAD+ és NADP+ prekurzora)

Flavin mononukleotid (FMN)

Flavin-adenin-dinukletid (FAD)

B₂ vitamin (riboflavin) (FMN és FAD prekurzora)

Liponsav
E.C.2. Transzferázok

A transzferázok funkcionális csoportokat visznek át egyik szubsztrátról a másikra (vagy ugyanazon szubsztrát egyik csoportjáról a másikra). Testidegen anyagok átalakítási reakciót katalizáló enzimek közül ide tartoznak például az aciltranszferázok, a szulfotranszferázok, és a metiltranszferázok. A sejt fiziológiás folyamataiban résztvevő enzimek közül e csoport tagjai a foszfotranszferázok és az aminotranszferázok. Az enzimek katalitikus folyamatában résztvevő koenzimek a következők:

Adenozin-trifoszfát (ATP)

Ciklikus-adenozin-monofoszfát (cAMP)

Citidin-monofoszfát (CMP)

Uridin-difoszfát (UDP)

Tiamin-pirofoszfát

B₁-vitamin (tiamin) (tiamin-pirofoszfát prekurzora)

Piridoxál-foszfát

B₆ vitamin (piridoxin) (piridoxál-foszfát prekurzora)

Tetrahidrofolsav (THF)

Folsav (THF prekurzora)

Biotin (H-vitamin)

Koenzim-A (CoA)

Pantoténsav (CoA prekurzora)

S-Adenozil-metionin (SAM)

3’-Foszfoadenozin-5’-foszfoszulfát (PAPS)
E.C.3. Hidrolázok

A hidrolázok víz közreműködésével különböző kovalens kötéseket hasítanak. A kötésspecificitásuk alapján különböző csoportokba sorolhatók. Így külön csoportot képeznek az észtereket, a glikozidokat, a peptideket, a nem-protein savamidokat, a savanhidrideket, stb. hasító enzimek.

E.C.4. Liázok

A liázok kismolekulák (pl. víz, ammónia, széndioxid) eliminációját vagy a molekulák kettős kötésére történő addícióját katalizálják. Az eliminációs folyamatok eredményeképpen kettős kötés alakul ki, az addíciós reakciókban kettős kötés szűnik meg a szubsztrát molekulákban. Az ide tartozó enzimek osztályozásának alapja a reakciókban képződő vagy megszűnő kettős kötés természete (pl. szén-szén, szén-nitrogén, szén-oxigén) alapján történik. A liázok egy különleges csoportját képezik a vízmolekulát hasító enzimek, a hidrolázok. A liázok esetében is gyakran használjuk a triviális enzimneveket, így a szubsztrát nevéhez fűzött dekarboxiláz, dehidratáz, aldoláz elnevezéseket. Az enzimek katalitikus folyamatában résztvevő koenzimek a következők:

Tiamin-pirofoszfát (B₁-vitamin)

Piridoxál-foszfát (B₆-vitamin)

K-vitaminok
E.C.5. Izomerázok

Az izomerázok molekulán belüli szerkezetváltozást katalizálnak, melyek során a szubsztrát molekulák elemi összetétele nem változik meg. Osztályba sorolásuk alapját a katalizált reakciók típusa képezi. Így az ide tartozó enzimek között megtalálhatók racemázok és epimerázok, cisz-transz-izomerázok, intramolekuláris transzferázok, stb. Az izomerázok egyik, a gyógyszerhatások szempontjából kiemelkedő jelentőségű képviselői a kevésbe hatékony R-arilpropropionsav származékok hatékonyabb S-konfigurációjú származékokká történő epimerizációját katalizáló enzimek. Az enzimek katalitikus folyamatában résztvevő koenzimek a következők:

Glükóz-1,6-difoszfát

Glicerinsav-2,3-difoszfát

Deoxiadenozil-kobalamin (a B₁₂-vitamin koenzim formája)
E.C.6. Ligázok

A ligázok két szubsztrátmolekula kovalens kötéssel történő összekapcsolódását katalizálják. Az energiaigényes folyamatokat minden esetben ATP vagy más makroerg nukleozid-trifoszfát vagy –difoszfát egyik pirofoszfát kötésének hidrolízise kíséri (különbség a liázoktól). A ligázok a sejtekben folyó anyagcserefolyamatok kulcsenzimei: minden energiát igénylő szintézis katalízisében részt vesznek. Az enzimek katalitikus folyamatában résztvevő koenzimek a következők:

Adenozin-trifoszfát (ATP)

Nikotinsavamid-adenin-dinukleotid (foszfát) (NAD⁺ és NADP⁺)

B₃ vitamin (niacin) (NAD⁺ és NADP⁺ prekurzora)

3.3Az enzimreakciók kinetikája

Azt a ma már általánosan elfogadott elméletet, amely szerint az enzimkatalízis lényege, hogy az enzim a kémiai reakcióban résztvevő anyagokkal köztiterméket, ún. enzim-szubsztrát komplexet, képez először L. Michaelis és M. Menten fogalmazta meg a szacharóz invertáz enzim által katalizált hidrolízisének vizsgálata során (1913). Vizsgálataik során megállapították, hogy a katalizált reakció sebessége (v) állandó körülmények (enzim-koncentráció, hőmérséklet, pH, ionerősség) esetén a szubsztrátkoncentráció [S] függvényében telítési görbét ad: kis szubsztrát-koncentrációk esetén csaknem lineárisan változik, míg kellően nagy szubsztrát-koncentrációk esetén csaknem állandó értéken marad (III-1. ábra).

III-. ábra: Enzimkatalizált reakció sebességének (v) változása a szubsztrát-koncentráció [S] függvényében. (v_max: maximális sebesség, K_M: Michaelis-Menten állandó).


Megemlítendő, hogy a tapasztalat igen hasonló a receptor agonista koncentráció és a mérhető biológiai aktivitás közötti összefüggés vizsgálata során tapasztaltakkal (lásd II. fejezet). A folyamat - kismolekulák kötődése (adszorpciója) makromolekulák (fémek) felületéhez - első értelmezését és matematikai leírását I. Langmuir írta le gázok szilárd felületen történő adszorpciójának vizsgálata során (1918). Az ún. Langmuir-izoterma biokémiai és farmakológiai megfelelőjét Hill-egyenletként ismeri szakirodalom.
Michaelis és Menten szerint az enzimkatalizált reakciók kinetikáját az alábbi egyenlet írja le:
(1)
ahol E az enzim

S a szubsztrát

ES az enzim-szubsztrát komplex

P a termék

k₁ az enzim-szubsztrát komplex képződésének sebességi állandója

k₂ az enzim-szubsztrát komplex disszociációjának képződési állandója

k₃ a termék képződésének sebességi állandója
A fentiek alapján a katalizált reakció sebessége a
v = k₃ [ES] (2)
míg az ES komplex képződése és disszociációja a
v_k = k₁ [[E] [S] (3)
v_d = k₂ [ES] (4)
sebességi egyenletekkel írható le.
Egy adott [E_t] enzim-koncentráció mellett az enzimmolekulák egy része szabad enzimként [E], más része enzim-szubsztrát komplexként [ES] van jelen:
[E_t] = [E] +[ES] (5)
A reakciót katalizáló enzim akkor működik maximális sebességgel (v_max), ha az összes enzimmolekula (Et) enzim-szubsztrát komplex formájában van jelen. Ilyenkor [ES] = [E_t] és a katalizált reakció maximális sebessége:
v_max = k₃ [E_t] (6)
A fenti egyenletekből belátható, hogy adott szubsztrát-koncentráció esetén a reakció kezdeti sebessége (v) (amikor még [P] kicsi és az (ES)  (E) + (P) folyamat egyirányúnak tekinthető) úgy aránylik a maximális sebességhez, ahogy az adott szubsztrát-koncentrációnál kialakuló enzim-szubsztrát komplex koncentrációja [ES] aránylik az össze enzimmolekula koncentrációjához:

Amint az (1) egyenletből látható az [ES] attól függ, hogy hogyan aránylik egymáshoz az ES képződésének és továbbalakulásának a sebessége:
(ES) képződésének a sebessége = k₁ [E] [S] (8)
(ES) továbbalakulásának a sebessége = k₂ [ES] + k₃ [ES] = ˙(k₂+k₃) [ES] (9)
A reakció megindulását követően igen gyorsan beáll a stacionárius („Steady state”) állapot, melyre az jellemző, hogy az (ES) komplex képződésének és továbbalakulásának sebessége meggyezik:
k₁ [E] [S] = (k₂+k₃) [ES] (10)
A (10) egyenlet átrendezésével

A (k₂+k₃)/(k₁) összefüggésből adódó érték egy állandó érték, melyet Michaelis-konstansnak (K_M) nevezünk:

A K_M konstans bevezetésével az

összefüggést kapjuk.

A (5) egyenletet figyelembe véve:

Az [ES] és az [E_t] kifejezett értékeit behelyettesítve a (7) egyenletbe, majd a lehetséges egyszerűsítéseket elvégezve a

kifejezéshez jutunk. Ez utóbbi egyenlet átrendezésével a Michaelis-Menten egyenlet szokásos formáját kapjuk meg:


Ez a kifelezés írja le az I-1 ábrán bemutatott, tapasztalati összefüggést az enzimkatalizált reakció sebessége (v) és a szubsztrát-koncentráció ([S]) között. Kis szubsztrát-koncentrációnál, amikor [S] sokkal kisebb, mint a K_M, akkor v = [S] v_max/K_M, azaz a sebesség egyenesen arányos a szubsztrát-koncentrációval. Nagy szubsztrát-koncentrációnál, amikor [S] sokkal nagyobb, mint a K_M, v = v_max, azaz a maximális sebesség független a szubsztrát-koncentrációtól.
Amennyiben a reakció sebessége éppen fele a maximális sebességnek,

vagyis v = 0,5 v_max:

azaz

illetve

A Michaelis-állandó tehát számértékileg egyenlő azzal a szubsztrát-koncentrációval, amely mellett egy adott enzimmennyiség az általa elérhető maximális reakciósebesség felét éri el. Nagy K_M gyenge, kis K_M erős kölcsönhatást jelez az enzim és a szubsztrát között.

Megjegyezendő, hogy az enzimkinetikának ez az összefoglalása a legegyszerűbb reakciókra érvényes, melyekben az enzim egyetlen szubsztráttal lép reakcióba és katalizálja a kémiai átalakulást. Reálisan a szervezetben lejátszódó reakciók ennél összetettebbek, de elvileg hasonlóképpen mennek végbe.