enzymy

enzymy

[gr. en zýmē ‘w zaczynie’],

biokatalizatory, dawniej fermenty,

białkowe katalizatory reakcji chemicznych w układach biologicznych.

Są silnie zróżnicowaną pod względem budowy przestrzennej grupą białek; mogą być białkami prostymi lub białkami złożonymi (holoenzym) składającymi się z białkowego apoenzymu aktywnego katalitycznie dopiero po przyłączeniu drobnocząsteczkowego kofaktora; kofaktory słabo związane z enzymami są nazywane koenzymami (np. NAD⁺), a silnie — grupami prostetycznymi (np. kwas liponowy); enzymy mogą być białkami monomerycznymi (utworzone z jednego łańcucha polipeptydowego) lub białkami oligomerycznymi (zespół protomerów zbudowanych z oddzielnych łańcuchów polipeptydowych połączonych wiązaniami niekowalencyjnymi); większość enzymów jest zbudowana z co najmniej 100 reszt aminokwasowych, ma masę cząsteczkową powyżej 10 kDa i średnicę od 2,5 nm. Łańcuch polipeptydowy o zdeterminowanej genetycznie sekwencji aminokwasów (struktura pierwszorzędowa) ulega sfałdowaniu, przybierając unikatową strukturę drugo- i trzeciorzędową; uporządkowana i charakterystyczna dla danego enzymu budowa przestrzenna (konformacja) określa rodzaj katalizowanej reakcji chemicznej oraz jej regulację.

Nazwy zwyczajowe enzymów zakończone na -aza mają często historyczne odniesienie; mówią o katalizowanej reakcji i/lub o substracie biorącym w niej udział, np. dehydrogenaza alkoholowa katalizuje reakcję utlenienia alkoholu do aldehydu. Charakter katalizowanej reakcji stał się podstawą podziału enzymów na 6 głównych klas, w których obrębie wydzielono kaskadowo kolejne podklasy; każda niższa grupa opisuje bardziej szczegółową reakcję enzymatyczną. Systemetyka wprowadzona 1961 przez Międzynarodową Unię Biochemiczną dzieli enzymy na: 1. oksydoreduktazy (zmiana stopnia utlenienia reagentów), 2. transferazy (przeniesienie grup chemicznych między 2 reagentami), 3. hydrolazy (rozpad wiązań w cząsteczkach substratów zachodzący z udziałem wody), 4. liazy (rozpad wiązań w cząsteczkach substratów zachodzący bez udziału wody), 5. izomerazy (przegrupowania wewnątrzcząsteczkowe) i 6. ligazy (wytwarzanie wiązań w wyniku rozpadu nukleozydotrifosforanów); określenie cyfrą każdej klasy, podklasy i podpodklasy pozwala przypisać enzymom numer, np. nazwa systematyczna dehydrogenazy alkoholowej to oksydoreduktaza alkohol: NAD⁺ nr katalogowy E.C. 1.1.1.1.

Enzymy katalizują reakcje termodynamicznie możliwe, zmniejszając jedynie energię aktywacji cząsteczek substratu, czyli energię niezbędną do przebiegu reakcji; przyspieszają dzięki temu osiągnięcie stanu równowagi reakcji. W czasie katalizy enzymatycznej cząsteczka substratu jest wiązana w określonym obszarze cząsteczki enzymu w tzw. centrum aktywnym, w którym w enzymach złożonych znajduje się grupa prostetyczna; tworzy się wówczas kompleks enzym–substrat. Dzięki swoistemu układowi grup chemicznych w centrum, enzym oddziałuje na grupy chemiczne substratu rozluźniając określone wiązanie chemiczne. Po powstaniu produktów reakcji cząsteczka enzymu uwalnia się z kompleksu i po powrocie do formy pierwotnej (w enzymach złożonych po przyłączeniu przenoszonych grup do innego związku) tworzy nowy kompleks z następną cząsteczką substratu itd. Szybkość procesu enzymatycznego zależy od łatwości tworzenia kompleksu enzymu z substratem (powinowactwo enzymu do substratu). Zależność tę przedstawia równanie matematyczne L. Michaelisa i M.L. Menten, zawierające tzw. stałą Michaelisa charakterystyczną dla danego enzymu. Szybkość reakcji zależy nie tylko od stężenia enzymu i substratu, lecz także od temperatury (optimum działania enzymu zwykle mieści się w granicach 30–40°C), stężenia jonów wodorowych (optymalne pH reakcji jest różne dla różnych enzymów, np. dla pepsyny wynosi 1, dla arginazy — 10) oraz od obecności enzymatycznych aktywatorów i enzymatycznych inhibitorów. Pomiar szybkości reakcji, czyli ilości przekształconego substratu lub wytworzonego produktu w jednostce czasu, jest podstawą oznaczania enzymatycznej aktywności. Międzynarodowa jednostka enzymu (U) jest to taka ilość enzymu, która katalizuje przekształcenie 1 mikromola substratu w ciągu 1 min w temperaturze 30°C przy nasyceniu enzymu substratem i przy optymalnym pH dla jego aktywności.

Enzymy wykazują rozmaitą swoistość katalitycznego oddziaływania na substraty; niektóre reagują tylko z jednym związkiem, inne są mniej swoiste i działają na określoną grupę związków; swoistość enzymu zależy od budowy substratu, który musi zawierać wiązanie ulegające atakowi danego enzymu oraz grupę funkcyjną (lub grupy funkcyjne) umożliwiającą odpowiednie połączenie się enzymu z substratem i zapoczątkowanie katalizowanej reakcji; enzymy wykazują także swoistość przestrzenną: działają tylko na jeden z możliwych stereoizomerów i syntetyzują asymetrycznie (np. tylko l-aminokwasy czy tylko β-glikozydy).

Genetycznie uwarunkowany brak lub nieprawidłowa budowa enzymu może być przyczyną wielu chorób, np. fenyloketonurii; określenie poziomu i aktywności enzymów jest ważnym testem klinicznym, m.in. umożliwia oznaczenie enzymów, które zostały uwolnione do krwi z uszkodzonych tkanek; bardzo czułymi metodami diagnostycznymi i badawczymi są enzymatyczne oznaczenia zawartości metabolitów np. glukozy, cholesterolu oraz testy immunoenzymatyczne, w których stosuje się enzymy sprzęgnięte ze specyficznymi przeciwciałami. Niektóre enzymy są stosowane jako leki, np. asparaginaza jest wykorzystywana w leczeniu białaczek. Enzymy restrykcyjne umożliwiają precyzyjne cięcie DNA, co czyni je podstawowym narzędziem biologii molekularnej. Na skalę przemysłową enzymy są wykorzystywane w różnego rodzaju fermentacjach, przy produkcji środków piorących i w oczyszczalniach ścieków.