Elsenzims sónsubstàncies orgàniques, gairebé sempre de naturaproteica, queaccelerenreaccions químiques.[1] Els enzims interaccionen ambmolècules de partida (substrats) i catalitzen la seva transformació en altres de diferents (productes). Intervenen amb un paper important en gairebé tots els processoscel·lulars. Com que tenen un alt grau de selectivitat respecte al seu substrat i cadascun d'ells catalitza unes reaccions molt concretes, el conjunt d'enzims que es produeixen en una cèl·lula determina lesrutes metabòliques que s'hi poden dur a terme.
Igual que tots els catalitzadors, els enzims redueixen l'energia d'activació (Ea o ΔG‡) d'una reacció i, d'aquesta manera, n'augmenten molt la velocitat. Els enzims no són consumits per les reaccions que catalitzen ni n'alteren l'equilibri químic. Tanmateix, es diferencien d'altres catalitzadors per la seva alta especificitat. Se sap que els enzims catalitzen unes 4.000 reaccions bioquímiques.[2] Algunes molècules d'ARN anomenadesribozims també catalitzen reaccions; algunes parts delribosoma en són un exemple important.[3] Elsenzims artificials són molècules sintètiques que també tenen propietats catalítiques semblants a les dels enzims.[4]
Hi ha altres molècules que poden afectar l'activitat dels enzims. Elsinhibidors redueixen l'activitat enzimàtica, mentre que elsactivadors l'augmenten. Moltsmedicaments iverins són inhibidors enzimàtics. L'activitat dels enzims també varia segons la temperatura, el medi químic (p. ex., elpH) i laconcentració del substrat. Alguns enzims tenen aplicacions comercials, com ara la síntesi d'antibiòtics. A més a més, alguns productes de neteja utilitzen enzims per a catalitzar reaccions bioquímiques. Per exemple, els enzims delsdetergents desfan les taques de proteïnes ogreix de la roba, mentre que els enzims dels entendridors de carn fragmenten les proteïnes i fan que la carn sigui més fàcil de mastegar.
A finals del segle xviii i principis del XIX ja es coneixien la digestió de lacarn per mitjà de secrecions estomacals[5] i la conversió delmidó ensucres mitjançant extractes vegetals isaliva, però no s'havia identificat el mecanisme pel qual es produïen aquests fenòmens.[6]
Al segle xix,Louis Pasteur estudià lafermentació de sucres enalcohol pelllevat i conclogué que era catalitzada per una força vital continguda a les cèl·lules del llevat, anomenada «ferment», que es creia que només funcionava en organismes vivents. Escrigué: «la fermentació de l'alcohol és un procés relacionat amb la vida i l'organització de les cèl·lules del llevat, no amb la mort o putrefacció de les cèl·lules».[7]
El 1878, el fisiòleg alemanyWilhelm Kühne encunyà el mot «enzim», que prové delgrecἔνζυμον ('en el llevat'), per a descriure aquest procés. Posteriorment, aquesta paraula fou utilitzada per a referir-se a substàncies no vivents com ara lapepsina, mentre que «ferment» es feu servir en referència a l'activitat química produïda pels organismes vivents.
El 1897,Eduard Buchner començà a estudiar la capacitat per a fermentar sucre d'uns extractes de llevat sense cèl·lules vivents. En una sèrie d'experiments a laUniversitat de Berlín, descobrí que el sucre es fermentava fins i tot quan no hi havia cèl·lules de llevat vivents a la mescla.[8] Donà el nom de «zimasa» a l'enzim que havia causat la fermentació de la sucrosa.[9] El 1907, rebé elPremi Nobel de Química «per la seva investigació en bioquímica i el seu descobriment de la fermentació acel·lular». Seguint l'exemple de Buchner, els enzims se solen anomenar segons la reacció que catalitzen. Generalment s'afegeix el sufix «-asa» al nom delssubstrats (p. ex., lalactasa és l'enzim que descompon lalactosa) o el tipus de reacció (p. ex., l'ADN polimerasa forma polímers d'ADN).
Havent quedat demostrat que els enzims podien funcionar a l'exterior d'una cèl·lula vivent, el pas següent era determinar-ne la naturalesa bioquímica. Molts dels primers investigadors remarcaren que l'activitat enzimàtica estava associada amb les proteïnes, però alguns científics (com ara elpremi NobelRichard Willstätter) argumentaven que les proteïnes eren simplement portadores dels enzims autèntics i que per elles soles no eren capaces de dur a terme la catàlisi. Tanmateix, el 1926,James B. Sumner demostrà que l'enzimureasa era proteïna pura i el cristal·litzà; Summer feu el mateix amb l'enzimcatalasa el 1937. La conclusió que les proteïnes poden ser enzims queda demostrada definitivament perNorthrop iStanley, que treballaren en els enzims digestiuspepsina (1930),tripsina iquimotripsina. Aquests tres científics foren guardonats amb elPremi Nobel de Química del 1946.[10]
El descobriment que els enzims podien cristal·litzar-se finalment permeté determinar-ne l'estructura per mitjà dedifracció de rajos X. Això es feu per primer cop amb ellisozim, un enzim que es troba en les llàgrimes, la saliva i laclara dels ous que digereix les parets cel·lulars d'alguns bacteris; la seva estructura fou determinada per un grup encapçalat perDavid Chilton Phillips i publicada el 1965.[11] Aquesta determinació de l'estructura del lisozim a alta resolució marca el principi del camp de labiologia estructural i l'esforç per esbrinar com funcionen els enzims a nivell atòmic.
En general, els enzims sónproteïnes globulars. La seva mida va des de només 62 residus d'aminoàcids, en el cas delmonòmer de4-oxalocrotonat tautomerasa,[12] fins a més de 2.500 residus en l'àcid gras sintasa.[13] Existeix un nombre petit de catalitzadors de base ARN, i el més comú és elribosoma; reben el nom d'«enzims ARN» o «ribozims». L'activitat dels enzims és determinada per la sevaestructura tridimensional.[14] Tanmateix, encara no s'ha aconseguit predir l'activitat de nous enzims a partir de la seva estructura.[15]
La majoria d'enzims són més grossos que els substrats sobre els quals actuen, i només una petita part de l'enzim (aproximadament 3-4aminoàcids) participa directament en la catàlisi.[16] La regió que conté aquests residus catalítics, s'adhereix al substrat, i després duu a terme la reacció és coneguda com a «zona activa». Els enzims també poden tenir zones que s'adhereixen acofactors, que són necessaris per a la catàlisi. Alguns enzims també tenen zones d'adherència a petites molècules, que sovint són productes directes oindirectes, o substrats de la reacció catalitzada. Aquesta adherència pot servir per augmentar o reduir l'activitat de l'enzim, cosa que possibilita una regulaciórealimentada.
Com totes les proteïnes, els enzims es formen com a llargues cadenes lineals d'aminoàcids quees pleguen per produir unproducte tridimensional. Cada seqüència d'aminoàcid produeix una estructura específica, amb les seves propietats particulars. A vegades, poden agrupar-se cadenes proteíniques individuals per formar uncomplex proteic. La majoria d'enzims poden serdesnaturalitzats —és a dir, desplegats i desactivats— per mitjà de desnaturalitzants calorífics o químics, que destrueixen l'estructura tridimensional de la proteïna. Segons l'enzim de què es tracti, la desnaturalització pot ser reversible o irreversible.
Els enzims són generalment molt específics quant a les reaccions que catalitzen i elssubstrats que estan implicats en aquestes reaccions. La forma complementària, la càrrega i les característiqueshidròfiles/hidròfobes dels enzims i els substrats són les responsables d'aquesta especificitat. Els enzims també poden presentar nivells importants d'estereoespecificitat,regioselectivitat iquimioselectivitat.[17]
Alguns dels enzims més específics i precisos són els que estan implicats en la còpia iexpressió delgenoma. Aquests enzims tenen mecanismes de «control de qualitat». Un enzim com ara l'ADN polimerasa catalitza una reacció en una primera fase, i després verifica que el producte sigui correcte en una segona fase.[18] Aquest procés bifàsic resulta en una proporció mitjana d'error de menys d'un error per cada cent milions de reaccions, en el cas de polimerasesmamiferoides d'alta fidelitat.[19] També hi ha mecanismes de control similars a l'ARN polimerasa,[20] lesaminoacil ARNt sintetases[21]i elsribosomes.[22]
Alguns enzims productors demetabòlits secundaris són descrits com a promiscus, car poden actuar sobre una varietat relativament àmplia de substrats diferents. S'ha suggerit que aquesta especificitat de substrat àmplia és important per l'evolució de noves rutes biosintètiques.[23]
Els enzims són molt específics, iEmil Fischer suggerí el 1894 que això era perquè tant l'enzim com el substrat tenen formes geomètriques específiques complementàries que encaixen exactament l'una amb l'altra.[24] Això és denominat sovint «model pany i clau». Tanmateix, mentre que aquest model explica l'especificitat dels enzims, no explica l'estabilització de l'estat de transició que assoleixen els enzims. S'ha demostrat que el model pany i clau és incorrecte. El model d'acoblament induït és la figura enzim-substrat-coenzim més acceptada actualment.
Diagrames mostrant la hipòtesi d'acoblament induït de l'acció dels enzims.
El 1958,Daniel Koshland suggerí una modificació del model pany i clau; com que els enzims són estructures bastant flexibles, la zona activa canvia de forma constantment a causa de les interaccions amb el substrat, a mesura que el substrat interacciona amb l'enzim.[25] Com a resultat, el substrat no s'uneix simplement a una zona activa rígida, sinó que lescadenes laterals d'aminoàcids que formen la zona activa són modelades en les posicions precises que permeten a l'enzim executar la seva funció catalítica. En alguns casos, com el de les glicosidases, la molècula del substrat també canvia lleugerament de forma quan entra a la zona activa.[26] La zona activa continua canviant fins que el substrat està completament unit, moment en què queden determinades la forma i la càrrega finals.[27]
Els enzims poden actuar de diferents formes, totes les quals redueixen la ΔG‡:[28]
Reduint l'energia d'activació per mitjà de la creació d'un medi en què l'estat de transició és estabilitzat (ex., tensant la forma d'un substrat – unint la conformació de l'estat de transició de les molècules substrat/producte, l'enzim distorsiona els substrats unit en la seva forma d'estat de transició, reduint així la quantitat d'energia requerida per completar la transició).
Reduint l'energia de l'estat de transició, però sense distorsionar el substrat, per mitjà de la creació d'un medi amb la distribució de càrrega contrària a la de l'estat de transició.
Oferint una ruta alternativa. Per exemple, reaccionant temporalment amb el substrat per formar un complex ES intermedi, cosa que seria impossible sense l'enzim.
Reduint el canvi d'entropia de la reacció, agrupant els substrats en l'orientació correcta per la reacció. Considerar ΔH‡ per si sola ignora aquest efecte.
És interessant remarcar que aquest efecte entròpic implica una desestabilització de l'estat fonamental,[29] i la seva contribució a la catàlisi és relativament minsa.[30]
La comprensió de l'origen de la reducció de ΔG‡ exigeix que se sàpiga com estabilitzen els enzims el seu estat de transició més que l'estat de transició de la reacció no catalitzada. Aparentment, el mètode més eficient d'assolir una gran estabilització és l'ús d'efectes electroestàtics, en particular creant un medi polar relativament fix orientat vers la distribució de càrrega de l'estat de transició.[31] No existeix un tal ambient a la reacció no catalitzada en aigua.
La dinàmica interna d'un enzim està relacionada amb el seu mecanisme de catalític.[32][33][34] La dinàmica interna és el moviment de les parts internes d'un enzim, com ara residus d'aminoàcids, grups d'aminoàcids o fins i tot undomini proteic sencer. Aquests moviments es produeixen a diverses escales temporals que van defemtosegons a segons. Les xarxes de residus proteics dins l'estructura d'un enzim poden contribuir a la catàlisi per moviments dinàmics.[35][36][37][38] Els moviments proteics són vitals per molts enzims, però la importància relativa de les vibracions petites i ràpides, o els moviments conformacionals més grans i lents, depèn del tipus de reacció. Tanmateix, tot i que aquests moviments són importants en la unió i l'alliberament de substrats i productes, no és clar si els moviments proteics contribueixen a accelerar els passos químics a les reaccions enzimàtiques.[39] Aquests nous coneixements també tenen implicacions en la comprensió dels efectes al·lostèrics i el desenvolupament de nous medicaments.
Els enzimsal·lostèrics canvien la seva estructura en resposta a la unió ambefectors. La modulació pot ser directa, quan l'efector s'uneix directament apunts d'unió de l'enzim, o indirecta, quan l'efector s'uneix a altres proteïnes osubunitats de proteïnes que interaccionen amb l'enzim al·lostèric i, per tant, influeixen l'activitat catalítica.
Alguns enzims no requereixen cap component addicional per executar plenament la seva activitat. En canvi, n'hi ha d'altres que per actuar requereixen la unió amb molècules no proteiques anomenades «cofactors».[40] Els cofactors poden ser o bé compostosinorgànics (ex., ions de metalls ocentres de ferro-sofre) o béorgànics (ex.,flavina ihemo). Els cofactors orgànics poden ser o bégrups prostètics, que són units fermament a un enzim, ocoenzims, que són alliberats de la zona activa de l'enzim durant la reacció. Els coenzims inclouenNADH,NADPH i eltrifosfat d'adenosina. Aquestes molècules actuen transferint grups químics entre els enzims.[41]
Un exemple d'enzim que conté un cofactor és l'anhidrasa carbònica, que es mostra aldiagrama de cintes anterior amb un cofactor de zinc unit com a part de la zona activa.[42] Aquestes molècules fermament unides solen trobar-se a la zona activa i participen en la catàlisi. Per exemple, els cofactors flavina i hemo solen participar en reaccionsredox.
Els enzims que requereixen un cofactor però que no el tenen unit reben el nom d'apoenzims o apoproteïnes. Un apoenzim junt amb el seu o els seus cofactors rep el nom d'holoenzim (la forma activa). La majoria de cofactors no estan enllaçats de manera covalent a un enzim, però estan units molt fermament. Tanmateix, els grups prostètics orgànics poden ser units de manera covalent (ex., eltiamina pirofosfat en l'enzimpiruvat deshidrogenasa). El terme holoenzim també es pot aplicar a enzims que contenen múltiples subunitats proteiques, com ara lesADN polimerases; en aquest cas, l'holoenzim és el complex complet que conté totes les subunitats necessàries per a l'activitat.
Els coenzims són petites molècules orgàniques que transporten grups químics d'un enzim a un altre.[43] Algunes d'aquestes substàncies químiques, com ara lariboflavina, latiamina i l'àcid fòlic, sónvitamines, o compostos que no es poden sintetitzar al cos i s'han d'obtenir amb els aliments. Els grups químics transportats inclouen l'ió d'hidrur (H-) transportat perNAD o NADP+, el grup acetil transportat pelcoenzim A, els grups formil, metenil o metil transportats per l'àcid fòlic i el grup metil transportat per l'S-adenosilmetionina.
Com que els coenzims canvien químicament a conseqüència de l'acció enzimàtica, és útil considerar que els coenzims són una classe especial de substrats, o segons substrats, que són comuns a molts enzims diferents. Per exemple, es coneixen uns 700 enzims que utilitzen el coenzim NADH.[44]
Els coenzims solen ser regenerats, i les seves concentracions mantingudes a un nivell estable dins la cèl·lula; per exemple, NADPH és regenerat per laruta del pentosa-fosfat i l'S-adenosilmetionina és regenerada per la metionina adenosiltransferasa.
Les energies de les etapes d'unareacció química. Els substrats requereixen molta energia per assolir unestat de transició, que després es descompon en productes. L'enzim estabilitza l'estat de transició, reduint l'energia necessària per formar productes.
Com tots els catalitzadors, els enzims no alteren la posició de l'equilibri químic de la reacció. Habitualment, en presència d'un enzim, la reacció transcorre en la mateixa direcció que ho faria sense l'enzim, simplement més ràpid. Tanmateix, en absència de l'enzim, altres possibles reaccions «espontànies» no catalitzades poden crear productes diferents, car en aquestes condicions aquest producte diferent és format més ràpidament.
A més, els enzims poden acoblar dues o més reaccions, de manera que una reacció termodinàmicament favorable pot ser utilitzada per a alimentar-ne una de termodinàmicament desfavorable. Per exemple, la hidròlisi de l'ATP és sovint utilitzada per alimentar altres reaccions químiques.
Els enzims catalitzen de manera igual les reaccions normals i les inverses. No alteren l'equilibri en si, només la velocitat a la qual s'assoleix. Per exemple, l'anhidrasa carbònica catalitza la seva reacció en qualsevol de les dues direccions segons la concentració dels seus reactants.
Tanmateix, si l'equilibri està molt desplaçat en una direcció, és a dir, en una reacció moltexergònica, la reacció és efectivament irreversible. En aquestes condicions, l'enzim només catalitzarà la reacció en la direcció permesa per la termodinàmica.
Mecanisme d'una reacció catalitzada per enzim amb un substrat únic. L'enzim (E) s'uneix a un substrat (S) i produeix un producte (P).
La cinètica enzimàtica és la investigació de com els enzims s'uneixen a substrats i els transformen en productes. Les dades de velocitat utilitzades en les anàlisis cinètiques són obtingudes d'assajos enzimàtics.
El 1902, Victor Henri[45] proposà una teoria quantitativa de la cinètica enzimàtica, però les seves dades experimentals no resultaren útils car la importància de la concentració d'ions d'hidrogen encara no era apreciada. Després quePeter Lauritz Sørensen definís l'escala logarítmica del pH i introduís el concepte d'emmagatzematge el 1909[46] el químic alemanyLeonor Michaelis i la investigadora postdoctoral canadencaMaud Leonora Menten repetiren els experiments d'Henri i confirmaren la seva equació, que és denominadacinètica d'Henri-Michaelis-Menten (a voltes tambécinètica de Michaelis-Menten).[47] La seva obra fou continuada perGeorge Edward Briggs iJohn Burdon Sanderson Haldane, que derivaren equacions cinètiques que encara són usades àmpliament avui en dia.[48]
La contribució principal d'Henri fou pensar en les reaccions enzimàtiques de dues etapes. A la primera, el substrat s'uneix reversiblement a l'enzim, formant el complex enzim-substrat. A vegades s'anomena això complex de Michaelis. Aleshores, l'enzim catalitza el pas químic de la reacció i allibera el producte.
Corba de saturació d'una reacció enzimàtica, mostrant la relació entre la concentració del substrat (S) i la velocitat (v).
Els enzims poden catalitzar fins a diversos milions de reaccions per segon. Per exemple, la reacció catalitzada per l'orotidina 5'-fosfat descarboxilasa consumeix la meitat del substrat en 78 milions d'anys si no hi ha cap enzim present. Tanmateix, quan s'afegeix la descarboxilasa, el mateix procés només triga 25 mil·lisegons.[49] La velocitat d'un enzim depèn de les condicions de la solució i de la concentració del substrat. Les condicions que desnaturalitzen la proteïna eliminen l'activitat enzimàtica, com ara temperatures elevades, un pH extrem o altes concentracions de sal, mentre que l'augmentació de la concentració del substrat tendeix a augmentar l'activitat. Per determinar la velocitat màxima d'una reacció enzimàtica, s'augmenta la concentració del substrat fins que s'observa una velocitat constant de formació del producte. La corba de saturació de la dreta mostra això. La saturació es produeix perquè, a mesura que augmenta la concentració del substrat, una part cada cop més important de l'enzim lliure és transformada en la forma ES unida al substrat. A la velocitat màxima (Vmax) de l'enzim, totes les zones actives de l'enzim estan unides al substrats, i la quantitat de complex ES és la mateixa que la quantitat total d'enzim. Tanmateix,Vmax només és una de les constants cinètiques dels enzims. La quantitat de substrat necessària per assolir una determinada velocitat de reacció també és important. Això és determinat per laconstant de Michaelis-Menten (Km), que és la concentració del substrat necessària perquè un enzim assoleixi la meitat de la seva velocitat màxima. Cada enzimé unaKm característica per un substrat donat, i això pot mostrar com és de ferma la unió del substrat a l'enzim. Una altra constant útil éskcat, que és el nombre de molècules de substrat que porta una zona activa per segon.
L'eficiència d'un enzim es pot expressar en termes dekcat/Km. Això també rep el nom de constant d'especificitat i incorpora laconstant de velocitat de cada pas de la reacció. Com que la constant d'especificitat reflecteix tant l'afinitat com la capacitat catalítica, és útil per comparar enzims diferents entre ells, o el mateix enzim amb diferents substrats. El màxim teòric de la constant d'especificitat rep el nom de límit de difusió i és d'aproximadament 108 to 10⁹ (M−1 s−1). En aquest punt, cada col·lisió de l'enzim amb el seu substrat resultarà en catàlisi, i la velocitat de formació del producte no està limitada per la velocitat de reacció sinó per la velocitat de difusió. Els enzims amb aquestes propietats són considerats «catalíticament perfectes» o «cinèticament perfectes». En són exemples latriosa-fosfat isomerasa, l'anhidrasa carbònica, l'acetilcolinesterasa, lacatalasa, lafumarasa, la β-lactamasa, i lasuperòxid dismutasa.
La cinètica de Michaelis-Menten es basa en lallei de masses, que deriva de les assumpcions dedifusió lliure i col·lisions aleatòries impulsades termodinàmicament. Tanmateix, molts processos bioquímics o cel·lulars es desvien significativament d'aquestes condicions, a causa d'apinyament molecular, separació en fases de l'enzim/substrat/producte, o moviment molecular mono o bidimensional.[50] En aquestes situacions, es pot aplicar unacinètica de Michaelis-Mentenfractal.[51][52][53][54]
Alguns enzims funcionen amb una cinètica més ràpida que la velocitat de difusió, cosa que semblaria impossible. S'han suggerit diversos mecanismes per explicar aquest fenomen. Es creu que algunes proteïnes acceleren la catàlisi agafant el seu substrat i preorientant-lo per mitjà de camps elèctrics dipolars. Altres models apel·len a una explicació basada en unatunelització mecanicoquàntica, segons la qual un protó o un electró pot travessar barreres d'activació, tot i que en el cas de la tunelització de protons el model roman bastant controvertit.[55][56] S'ha observat tunelització de protons en latriptamina.[57] Això suggereix que la catàlisi enzimàtica es podria descriure amb més precisió com «a través» de la barrera en lloc del model tradicional, que requereix que el substrat passi «per sobre» d'una barrera energètica abaixada.
Els inhibidors competitius s'uneixen reversiblement a l'enzim, evitant la unió amb el substrat. D'altra banda, la unió del substrat impedeix la unió de l'inhibidor. El substrat i l'inhibidor competeixen per l'enzim.Tipus d'inhibició. Aquesta classificació fou introduïda perWilliam Wallace Cleland.[58]
La velocitat de reacció dels enzims pot ser reduïda per diversos tipus d'inhibidors enzimàtics.
Inhibició competitiva
En la inhibició competitiva, l'inhibidor i el substrat competeixen per l'enzim (és a dir, no poden unir-s'hi els dos alhora). Sovint, els inhibidors competitius s'assemblen molt al substrat autèntic de l'enzim. Per exemple, elmetotrexat és un inhibidor competitiu de l'enzimdihidrofolat reductasa, que catalitza la reducció deldihidrofolat entetrahidrofolat. La semblança entre l'estructura de l'àcid fòlic la d'aquest medicament és mostrada a la figura inferior de la dreta. Cal remarcar que no és necessari que la unió de l'inhibidor es produeixi al punt d'unió del substrat (com sovint s'afirma), si la unió de l'enzim canvia la conformació d'aquest per evitar la unió amb el substrat, i a l'inrevés. En la inhibició competitiva, la velocitat màxima de la reacció no canvia, però calen concentracions de substrat més altes per assolir una determinada velocitat, augmentant la Km aparent.
Inhibició incompetitiva
En la inhibició incompetitiva, l'inhibidor no pot unir-se a l'enzim lliure, sinó únicament al complex ES. El complex EIS format per aquest procés és enzimàticament inactiu. Aquest tipus d'inhibició és rar, però es pot produir en enzims multimèrics.
Inhibició no competitiva
Els inhibidors no competitius poden unir-se a l'enzim al mateix temps que el substrat, és a dir, mai no s'uneixen a la zona activa. Tant els complexos EI com els EIS són enzimàticament inactius. Com que l'inhibidor no pot ser expulsat de l'enzim per una concentració més alta de substrat (a diferència de la inhibició competitiva), la Vmax aparent canvia. Tanmateix, com que el substrat encara es pot unir a l'enzim, la Km roman igual.
Inhibició mixta
Aquest tipus d'inhibicó s'assembla a la no competitiva, excepte que el complex EIS té una activitat enzimàtica residual.
En molts organismes, els inhibidors poden formar part d'un mecanisme deretroalimentació. Si un enzim produeix una quantitat excessiva d'una substància, aquesta substància pot actuar com a inhibidor de l'enzim al principi de la ruta que la produeix, causant l'alentiment o l'aturada de la producció de la substància quan n'hi ha una quantitat suficient. Es tracta d'una forma deretroalimentació negativa. Els enzims subjectes a aquesta forma de regulació sovint són multimèrics i tenen punts d'unió al·lostèrics per les substàncies reguladores. La seva funció substrat/velocitat no és hiperbòlica, sinó sigmoïdal (amb forma de S).
El coenzim àcid fòlic (esquerre) i el medicament contra el càncer metotrexat (dreta) tenen una estructura molt similar. Per tant, el metotrexat és un inhibidor competitiu de molts enzims que utilitzen folats.
Elsinhibidors irreversibles reaccionen amb l'enzim i formen un adductecovalent amb la proteïna. La inactivació és irreversible. Aquests compostos inclouen l'eflornitina, un medicament utilitzat per tractar lamalaltia del son, causada per paràsits.[59] Lapenicil·lina i l'aspirina també actuen d'aquesta manera. En aquests medicaments, el compost s'uneix a la zona activa i l'enzim converteix l'inhibidor en una forma activada que reacciona irreversiblement amb un o diversos residus d'aminoàcids.
Els inhibidors són utilitzats sovint com a medicaments, però també poden actuar com a verins. Tanmateix, la diferència entre medicament i verí sovint no és més que una qüestió de quantitat, car la majoria de medicaments són verinosos a un cert nivell, com ho escriguéParacels: «totes les substàncies són verins; és la dosi correcta la que diferencia un verí d'un remei».[60] D'igual manera, elsantibiòtics i altres medicaments contra les infeccions només són verins específics que maten un patogen, però no el seuhoste.
Un exemple d'inactivador utilitzat com a medicament és l'aspirina, que inhibeix els enzimsCOX-1 iCOX-2, que produeixen el missatger d'inflamacióprostaglandina, eliminant així el dolor i la inflamació. Elcianur, un verí, és un inactivador enzimàtic irreversible que es combina amb el coure i el ferro de la zona activa de l'enzimcitocrom c oxidasa i bloqueja larespiració cel·lular.[61]
Una de les funcions més importants dels enzims és en l'aparell digestiu dels animals. Enzims com ara lesamilases iproteases descomponen les molècules grans (midó oproteïnes, respectivament) en molècules més petites, de manera que els intestins les puguin absorbir. Les molècules de midó, per exemple, són massa grans per ser absorbides per l'intestí, però els enzims hidrolitzen les cadenes de midó en molècules més petites com aramaltosa i finalmentglucosa, que poden ser absorbides. Enzims diferents digereixen aliments diferents. En elsremugants, que tenen una dietaherbívora, uns microorganismes de l'estómac produeixen un altre enzim, lacel·lulasa, per descompondre les parets cel·lulars de cel·lulosa de les fibres vegetals.[65]
Diversos enzims poden treballar ensems en un ordre específic, creantrutes metabòliques. En una ruta metabòlica, cada enzim agafa el producte d'un altre enzim com a substrat. Després de la reacció catalítica, el producte és passat a un altre enzim. A vegades, la mateixa reacció pot ser catalitzada en paral·lel per més d'un enzim; això pot permetre una regulació més complexa. Per exemple, un enzim forneix una activitat baixa i constant, mentre que un altre forneix una activitat alta induïble.
Els enzims determinen quins passos es produeixen en aquestes rutes. Sense els enzims, el metabolisme ni progressaria pels mateixos passos ni seria prou ràpid com per satisfer les necessitats de les cèl·lules. De fet, una ruta metabòlica com ara laglicòlisi no podria existir sense enzims. La glucosa, per exemple, pot reaccionar directament amb ATP per quedarfosforilada en un o més dels seus carbonis. En absència d'enzims, aquest procés és tan lent que és negligible. Tanmateix, si s'afegeixhexocinasa, aquestes reaccions lentes continuen produint-se, però la fosforilació al carboni 6 té lloc tan ràpidament que, si s'analitza la mescla una estona després, es trobaglucosa 6-fosfat com a únic producte significatiu. Per consegüent, la xarxa de rutes metabòliques de cada cèl·lula depèn del conjunt d'enzims funcionals presents.
Els enzims poden ser regulats perinhibidors i activadors. Per exemple, els productes finals d'una ruta metabòlica sovint són inhibidors d'algun dels primers enzims de la ruta (normalment el primer pas irreversible, anomenat "pas compromès"), regulant així la quantitat de producte final creada per les rutes. Aquest mecanisme regulador rep el nom demecanisme de retroalimentació negativa, car la quantitat de producte final és regulada per la seva pròpia concentració. El mecanisme de retroalimentació negativa pot ajustar eficientment la velocitat de síntesi dels metabòlits intermedis segons les necessitats de les cèl·lules. Això ajuda a fornir materials i energia de manera econòmica, i evita una creació excessiva de productes finals. Com altresmecanismes homeostàtics, el control de les accions enzimàtiques ajuda a mantenir unmedi intern estable en els organismes vivents.
Els enzims poden ser regulats permodificació postraduccional. Això pot inclourefosforilació,miristoilació iglicosilació. Per exemple, en la resposta a lainsulina, lafosforilació de múltiples enzims, incloent-hi laglicogen sintasa, contribueix a controlar la síntesi o degradació deglicogen i permet a la cèl·lula respondre a canvis en elsucre sanguini.[67] Un altre exemple de modificació postraduccional és la fragmentació de la cadena polipeptídica. Laquimotripsina, unaproteasa digestiva, és produïda en una forma inactiva com aquimotripsinogen alpàncrees, i transportada en aquesta forma a l'estómac, on és activada. Això evita que l'enzim digereixi el pàncrees o altres teixits abans d'arribar a l'estómac. Aquest tipus de precursor inactiu d'un enzim rep el nom dezimogen.
Alguns enzims poden seractivats quan són situats en un medi diferent (per exemple, d'uncitoplasma reductor a unperiplasma oxidant, pH alt a pH baix, etc.). Per exemple, l'hemaglutinina del virus de lagrip és activat per un canvi conformacional causat per condicions àcides, que es produeixen quan ingressa a la cèl·lula hoste i entra allisosoma.[68]
Com que la regulació estricta de l'activitat enzimàtica és essencial per l'homeòstasi, qualsevol disfunció (mutació, sobreproducció, subproducció, o deleció) d'un únic enzim crític pot causar unamalaltia genètica. La importància dels enzims és demostrada pel fet que una malaltia letal pot ser causada per la disfunció de només un tipus d'enzim dels milers que hi ha al cos humà.
Un exemple és el tipus més habitual defenilcetonúria. La mutació d'un únic aminoàcid de l'enzimfenilalanina hidroxilasa, que catalitza el primer pas de la degradació de lafenilalanina, resulta en l'acumulació de fenilalanina i productes relacionats. Això pot conduir aretard mental si no es tracta la malaltia.[69]
Un altre exemple és quanmutacions de la línia germinal de gens que codifiquen enzims dereparació de l'ADN causen síndromes hereditàries de càncer, com araxerodèrmia pigmentada. Els defectes en aquests enzims causen càncer perquè el cos és menys capaç de reparar mutacions del genoma. Això causa una lenta acumulació de mutacions i resulta en el desenvolupament de molts tipus de càncer en el malalt.
El nom d'un enzim deriva sovint del seu substrat o de la reacció química que catalitza, amb el sufix-asa. En són exemples lalactasa, l'alcohol deshidrogenasa i l'ADN polimerasa. Això pot resultar en què diferents enzims, anomenatsisozims, que tenen la mateixa funció tinguin el mateix nom bàsic. Els isoenzims tenen una seqüència d'aminoàcids diferent i se'ls pot distingir pel seupH òptim, propietats cinètiques o immunològicament. A més, la reacció fisiològica normal que catalitza un enzim pot no ser la mateixa que en condicions artificials. Això pot fer que un mateix enzim sigui identificat amb dos noms diferents. Per exemple, laglucosa isomerasa, utilitzada a la indústria per convertirglucosa en l'edulcorantfructosa, és una xilosa isomerasain vivo.
S'utilitzen enzims a laindústria química i altres sectors industrials quan calen catalitzadors extremament específics. Tanmateix, els enzims en general estan limitats a les reaccions que han evolucionat per a catalitzar i la seva manca d'estabilitat endissolvents orgànics i a temperatures elevades. Així doncs, l'enginyeria proteica és un àmbit d'investigació actiu que intenta crear enzims amb propietats noves, ja sigui per disseny racional o per evolucióin vitro.[72][73] Aquests esforços han començat a donar fruit amb el dissenyex novo de diversos enzims per a catalitzar reaccions que no es donen a la natura.[74]
Aplicació
Enzims utilitzats
Usos
Processament d'alimentsLes amilases catalitzen l'alliberament de sucres simples a partir de midó.
Producció de sucres a partir demidó, com en la producció dexarop de blat de moro.[75] En fleques, per catalitzar la descomposició del midó de lafarina en sucre. La fermentació del sucre per part dels llevats produeix el diòxid de carboni que fa pujar la massa.
Proteases
Utilitzades per fabricants de galetes per reduir el contingut proteic de la farina.
Converteixglucosa enfructosa en la producció dexarop de blat de moro a partir de midó. Aquest xarop té propietats millorades d'edulcoració i unvalor calorífic inferior al de la sucrosa amb el mateix nivell de dolçor.
Descomponen el midó en una menorviscositat, contribuint a encolar i acabar el paper. Les xilanases redueixen la quantitat de lleixiu necessària per la descoloració; les cel·lulases suavitzen les fibres, milloren el drenatge d'aigua, i promouen l'eliminació de tinta; les lipases redueixen la cobertura del paper i els enzims degradadors de lignina eliminen lalignina per fer el paper més tou.
↑Lilley D. «Structure, folding and mechanisms of ribozymes» (en anglès). Curr Opin Struct Biol, 15, 3, 2005, pàg. 313–23.DOI:10.1016/j.sbi.2005.05.002.PMID:15919196.
↑Groves J. T. «Artificial enzymes. The importance of being selective» (en anglès). Nature, 389, 6649, 1997, pàg. 329–30.DOI:10.1038/38602.PMID:9311771.
↑de Réaumur, R. A. F. «Observations sur la digestion des oiseaux» (en francès). Histoire de l'academie royale des sciences, 1.752, 1752, pàg. 266 i 461.
↑Dubos J. «Louis Pasteur: Free Lance of Science, Gollancz. Citat a Manchester K. L. (1995). Louis Pasteur (1822–1895)—chance and the prepared mind» (en anglès). Trends Biotechnol, 13, 12, 1951, pàg. 511–515.DOI:10.1016/S0167-7799(00)89014-9.PMID:8595136.
↑Blake C. C., Koenig D. F., Mair G. A., North A. C., Phillips D. C., Sarma V. R. «Structure of hen egg-white lysozyme. A three-dimensional Fourier synthesis at 2 Angstrom resolution». Nature, 22, 206, 1965, pàg. 757–761.DOI:10.1038/206757a0.PMID:5891407.
↑Chen L. H., Kenyon G. L., Curtin F., Harayama S., Bembenek M. E., Hajipour G., Whitman C. P. «4-Oxalocrotonate tautomerase, an enzyme composed of 62 amino acid residues per monomer». J. Biol. Chem., 267, 25, 1992, pàg. 17716–21.PMID:1339435.
↑Jaeger K. E., Eggert T. «Enantioselective biocatalysis optimized by directed evolution». Curr Opin Biotechnol., 15(4), 2004, pàg. 305–313.DOI:10.1016/j.copbio.2004.06.007.PMID:15358000.
↑Shevelev I. V.; Hubscher U. «The 3' 5' exonucleases». Nat Rev Mol Cell Biol., 3, 5, 2002, pàg. 364–376.DOI:10.1038/nrm804.PMID:11988770.
↑Berg J., Tymoczko J., Stryer L. (2002).Biochemistry, W. H. Freeman and CompanyISBN 0-7167-4955-6
↑Rodnina M. V., Wintermeyer W. «Fidelity of aminoacyl-tRNA selection on the ribosome: kinetic and structural mechanisms». Annu Rev Biochem., 70, 2001, pàg. 415–435.DOI:10.1146/annurev.biochem.70.1.415.PMID:11395413.
↑Koshland D. E. «Application of a Theory of Enzyme Specificity to Protein Synthesis». Proc. Natl. Acad. Sci., 44, 2, 1958, pàg. 98–104.DOI:10.1073/pnas.44.2.98.PMID:16590179.
↑Boyer, Rodney [2002]. «6». A:Concepts in Biochemistry. 2a edició. Nova York, Chichester, Weinheim, Brisbane, Singapur, Toronto.: John Wiley & Sons, Inc., 2002, p. 137–138.ISBN 0-470-00379-0.OCLC51720783 [Consulta: 21 abril 2007].
↑Fersht, A. (1985).Enzyme Structure and Mechanism (2a ed) p50–52 W H Freeman & co, Nova YorkISBN 0-7167-1615-1
↑Jencks W. P. (1987).Catalysis in Chemistry and Enzymology. Dover, New York
↑Villa J., Strajbl M., Glennon T. M., Sham Y. Y., Chu Z. T., Warshel A. «How important are entropic contributions to enzyme catalysis?». Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 97, 22, 2000, pàg. 11899–904.DOI:10.1073/pnas.97.22.11899.PMID:11050223.
↑Warshel A., Sharma P. K., Kato M., Xiang Y., Liu H., Olsson M. H. «Electrostatic basis for enzyme catalysis». Chem. Rev., 106, 8, 2006, pàg. 3210–35.DOI:10.1021/cr0503106.PMID:16895325.
↑Eisenmesser E. Z., Bosco D. A., Akke M., Kern D. «Enzyme dynamics during catalysis».Science. 2002 22 de febrer;295(5559):1520–3.PMID:11859194
↑Agarwal P. K. "Role of protein dynamics in reaction rate enhancement by enzymes".J Am Chem Soc., 2 novembre 2005; 127(43): 15248-56.PMID:16248667
↑Eisenmesser E. Z., Millet O., Labeikovsky W., Korzhnev D. M., Wolf-Watz M., Bosco D. A., Skalicky J. J., Kay L. E., Kern D. "Intrinsic dynamics of an enzyme underlies catalysis".Nature. 3 novembre 2005; 438(7064): 117-21.PMID:16267559
↑Agarwal PK, Billeter SR, Rajagopalan PT, Benkovic SJ, Hammes-Schiffer S. «Network of coupled promoting motions in enzyme catalysis». Proc. Natl. Acad. Sci. U S A., 99, 05-03-2002, pàg. 2794–9.DOI:10.1073/pnas.052005999.PMID:11867722.
↑Agarwal P. K., Geist A., Gorin A. «Protein dynamics and enzymatic catalysis: investigating the peptidyl-prolyl cis-trans isomerization activity of cyclophilin A.»Biochemistry. 24 agost 2004; 43(33): 10605-18.PMID:15311922
↑Olsson M. H. M.; Parson W. W.; Warshel A. «Dynamical Contributions to Enzyme Catalysis: Critical Tests of A Popular Hypothesis».Chem. Rev., 2006, 105: 1737-1756
↑Fisher Z., Hernandez Prada J. A., Tu C., Duda D., Yoshioka C., An H., Govindasamy L., Silverman D. N. i McKenna R. «Structural and kinetic characterization of active-site histidine as a proton shuttle in catalysis by human carbonic anhydrase II». Biochemistry., 44(4), 2005, pàg. 1097–115.DOI:10.1021/bi0480279.PMID:15667203.
↑A. F. Wagner, K. A. Folkers (1975).Vitamins and coenzymes. Interscience Publishers New York|ISBN 0-88275-258-8
↑Henri, V. «Theorie generale de l'action de quelques diastases». Compt. Rend. Hebd. Acad. Sci. Paris, 135, 1902, pàg. 916–919.
↑Sørensen, P. L. «Enzymstudien {II}. Über die Messung und Bedeutung der Wasserstoffionenkonzentration bei enzymatischen Prozessen». Biochem. Z., 21, 1909, pàg. 131-304.
↑Michaelis L., Menten M. «Die Kinetik der Invertinwirkung». Biochem. Z., 49, 1913, pàg. 333–369.English translation Consultat el 6 abril 2007
↑Savageau M. A. «Michaelis-Menten mechanism reconsidered: implications of fractal kinetics». J. Theor. Biol., 176, 1, 1995, pàg. 115–24.DOI:10.1006/jtbi.1995.0181.PMID:7475096.
↑Schnell S., Turner T. E. «Reaction kinetics in intracellular environments with macromolecular crowding: simulations and rate laws». Prog. Biophys. Mol. Biol., 85, 2–3, 2004, pàg. 235–60.DOI:10.1016/j.pbiomolbio.2004.01.012.PMID:15142746.
↑Xu F, Ding H «A new kinetic model for heterogeneous (or spatially confined) enzymatic catalysis: Contributions from the fractal and jamming (overcrowding) effects». Appl. Catal. A: Gen., 317, 1, 2007, pàg. 70–81.DOI:10.1016/j.apcata.2006.10.014.
↑Garcia-Viloca M., Gao J., Karplus M., Truhlar D. G. «How enzymes work: analysis by modern rate theory and computer simulations». Science, 303, 5655, 2004, pàg. 186–195.DOI:10.1126/science.1088172.PMID:14716003.
↑Olsson M. H., Siegbahn P. E., Warshel A. «Simulations of the large kinetic isotope effect and the temperature dependence of the hydrogen atom transfer in lipoxygenase». J. Am. Chem. Soc., 126, 9, 2004, pàg. 2820–1828.DOI:10.1021/ja037233l.PMID:14995199.
↑Masgrau L., Roujeinikova A., Johannissen L. O., Hothi P., Basran J., Ranaghan K. E., Mulholland A. J., Sutcliffe M. J., Scrutton N. S., Leys D. «Atomic Description of an Enzyme Reaction Dominated by Proton Tunneling». Science, 312, 5771, 2006, pàg. 237–241.DOI:10.1126/science.1126002.PMID:16614214.
↑Cleland, W.W. «The Kinetics of Enzyme-catalyzed Reactions with two or more Substrates or Products 2. {I}nhibition: Nomenclature and Theory». Biochim. Biophys. Acta, 67, 1963, pàg. 173-187.
↑Hunter T. «Protein kinases and phosphatases: the yin and yang of protein phosphorylation and signaling». Cell., 80(2), 1995, pàg. 225–236.DOI:10.1016/0092-8674(95)90405-0.PMID:7834742.
↑Carr C. M., Kim P. S. «A spring-loaded mechanism for the conformational change of influenza hemagglutinin». Cell, 73, Abril 2003, pàg. 823–832.DOI:10.1016/0092-8674(93)90260-W.PMID:8500173.
↑Renugopalakrishnan V., Garduno-Juarez R., Narasimhan G., Verma C. S., Wei X., Li P. «Rational design of thermally stable proteins: relevance to bionanotechnology». J Nanosci Nanotechnol., 5, 11, 2005, pàg. 1759–1767.DOI:10.1166/jnn.2005.441.PMID:16433409.
↑Jiang L, Althoff EA, Clemente FRet al «De novo computational design of retro-aldol enzymes» (en anglès). Science, 319, 5868, març 2008, pàg. 1387–91.DOI:10.1126/science.1152692.PMID:18323453.
↑Guzmán-Maldonado H., Paredes-López O. «Amylolytic enzymes and products derived from starch: a review». Critical reviews in food science and nutrition, 35, 5, Setembre 1995, pàg. 373–403.PMID:8573280.
↑Dulieu C., Moll M., Boudrant J., Poncelet D. «Improved performances and control of beer fermentation using encapsulated alpha-acetolactate decarboxylase and modeling». Biotechnology progress, 16, 6, 2000, pàg. 958–65.PMID:11101321.
Kleyn, J. i Hough J. The Microbiology of Brewing.Annual Review of Microbiology (1971) Vol. 25: 583–608 (en anglès)
Estructura i mecanismes dels enzims
Fersht, A.Structure and Mechanism in Protein Science: A Guide to Enzyme Catalysis and Protein Folding. W. H. Freeman, 1998.ISBN 0-7167-3268-8 (en anglès)
Walsh, C. (1979).Enzymatic Reaction Mechanisms. W. H. Freeman and Company.ISBN 0-7167-0070-0 (en anglès)
Page, M. I.; Williams, A. (Eds.).Enzyme Mechanisms. Royal Society of Chemistry, 1987.ISBN 0-85186-947-5 (en anglès)
Bugg, T.Introduction to Enzyme and Coenzyme Chemistry, Blackwell Publishing Limited; 2a edició, 2004.ISBN 1-4051-1452-5 (en anglès)
Warshel, A.Computer Modeling of Chemical Reactions in enzymes and Solutions. John Wiley & Sons Inc., 1991.ISBN 0-471-18440-3 (en anglès)
Athel Cornish-Bowden.Fundamentals of Enzyme Kinetics. (3a edició), Portland Press (2004),ISBN 1-85578-158-1. (en anglès)
Irwin H. Segel,Enzyme Kinetics: Behavior and Analysis of Rapid Equilibrium and Steady-State Enzyme Systems. Wiley-Interscience; New Ed edition (1993),ISBN 0-471-30309-7. (en anglès)
John W. Baynes,Medical Biochemistry, Elsevier-Mosby; 2a edició (2005),ISBN 0-7234-3341-0, pàg. 57.
Funció i regulació dels enzims dins les cèl·lules
Price, N.; Stevens, L.Fundamentals of Enzymology: Cell and Molecular Biology of Catalytic Proteins. Oxford University Press, (1999),ISBN 0-19-850229-X (en anglès)
Nomenclatura dels enzims, recomanacions pels noms dels enzims del Comité de Nomenclatura de la Unió Internacional de Bioquímica i Biologia Molecular. (en anglès)
Koshland D.The Enzymes, v. I, ch. 7, Acad. Press, Nova York, (1959) (en anglès)
