Mänskligt glyoxalas I. Tvåzink-joner som är nödvändiga för att enzymet ska kunna katalysera sin reaktion visas som lila sfärer ochenzyminhibitornS-hexylglutation visas genom enkalottmodell sittande i enzymets tvåaktiva centrum.
Enzymer ärproteiner somkatalyserar, alltså ökar eller minskar hastigheten påkemiska reaktioner.[1][2] I enzymatiska reaktioner kallas molekylerna som går in i reaktionen försubstrat, vilket sedan omvandlas till andra molekyler kallade produkter. Nästan alla processer inom denbiologiska cellen behöver enzymer för att fortgå med tillräckliga hastigheter. Varje enzym binder sina särskilda substrat till sittaktiva centrum, den del av enzymet där själva katalyseringen av den kemiska reaktionen sker. I kombination med att ett enzym bara påskyndar ett fåtal reaktioner innebär detta att en cellsmetabolism i hög grad styrs av vilka enzym cellen producerar.
Liksom alla katalytiska molekyler fungerar enzymer genom att sänkaaktiveringsenergin (Ea‡) för en reaktion. Detta resulterar i att produkterna bildas snabbare och att reaktionerna når sitt jämviktsstadium snabbare. De flesta enzymreaktioner går miljontals gånger snabbare än jämförbara okatalyserade reaktioner. Precis som med alla andra katalytiska molekyler konsumeras dessutom inte enzymer i reaktionerna de katalyserar, inte heller ändrar de reaktionernasjämvikt. Däremot skiljer sig enzymer från övriga katalytiska molekyler genom att de är mycket mer specifika. Man känner till över 4 000biokemiska reaktioner som katalyseras av enzymer.[3] Ett fåtalRNA-molekyler kan också katalysera reaktioner och kallas dåribozymer. Ribozymerna upptäcktes på 1980-talet och utgör en vital del avribosomen.[4][5] Syntetiska molekyler som kallasartificiella enzym uppvisar också enzymliknande katalytiska egenskaper.[6]
Enzymets aktivitet kan påverkas av andra molekyler.Inhibitorer är molekyler som minskar enzymaktivitet;aktivatorer är molekyler som ökar den. Mångaläkemedel ochgifter är enzyminhibitorer. Aktiviteten påverkas också avtemperatur, kemisk miljö exempelvispH och koncentrationen av substrat. Vissa enzym används kommersiellt, i exempelvis framställning avantibiotika och andra läkemedel eller itvättmedel , där enzymerna underlättar nedbrytningen av protein- ellerfettfläckar på tvätten.
Redan i slutet av 1700-talet och början av 1800-talet var det känt att kött bröts ned av magsafter[7] samt attstärkelse omvandlades tillsocker av växtextrakt och saliv. Mekanismen för hur detta gick till var dock ännu inte identifierad.[8]
På 1800-talet, närLouis Pasteur studerade hurjäst kunde omvandla socker tillalkohol, kom han fram till slutsatsen att jäsningen katalyserades av cellens livskraft, något som ansågs specifikt för levande organismer. Han skrev att "alkoholjäsning är korrelerad med jästcellernas liv och ordning, inte med döden eller cellernas förruttnelse".[en 1][9]
Termenenzym för denna process introducerades 1877 av den tyske fysiologenWilhelm Kühne (1837–1900). Ordet kommer från detgrekiskaενζυμον.[10]
1897 publiceradeEduard Buchner sin första artikel om jästextrakt som helt saknade levande celler men som ändå kunde jäsa socker. Han hade gjort upptäckten under en serie experiment vidBerlins universitet.[11] Han namngav enzymet som kunde jäsasackaros "zymas".[12] 1907 mottog Eduard BuchnerNobelpriset i kemi med motiveringen: "för hans biologiskkemiska efterforskningar och upptäckten av cellfri jäsning".[13]
Efter att ha visat att enzymer kunde fungera utanför levande celler var nästa steg att bestämma dess biokemiska natur. Många forskare hade tidigare lagt märke till att enzymatisk aktivitet var associerat med proteiner, men flertalet forskare argumenterade för att proteiner endast var bärare för riktiga enzymer och att proteiner i sig själva inte kunde katalysera reaktioner. 1926 visade dockJames Sumner att enzymetureas i sin helhet var ett protein ochkristalliserade det. Han gjorde samma sak med enzymetkatalas 1937. Slutsatsen att proteiner kan vara enzymer bevisades definitivt avJohn Northrop ochWendell Stanley som arbetade med matsmältningsenzymernapepsin,trypsin och kymotrypsin. De tre forskarna belönades för sina upptäckter med 1946 års nobelpris i kemi.[14]
Upptäckten att enzymer kunde kristalliseras ledde småningom till att dessstrukturer kunde bestämmas med hjälp avröntgenkristallografi. Det första enzym vars struktur klargjordes på detta sätt varlysozym, ett enzym som finns i tårar, saliv och äggvita och som bryter nercellväggen hos vissa bakterier. Strukturen bestämdes av en grupp ledd avDavid Phillips och publicerades 1965.[15] Den högupplösta strukturen för lysozym blev startpunkten för bestämning av många fler enzymstrukturer och försök att förstå hur enzymer fungerar på atomnivå.
Liksom alla protein är enzymer långa, linjära kedjor av aminosyror somveckats till3-dimensionella strukturer. Varje unik aminosyrasekvens ger en specifik form med unika egenskaper. Enzymers funktion bestäms av deras 3-dimensionella struktur.[18] Trots detta är det svårt att förutsäga ett enzyms funktion utifrån dess struktur, en nöt man hittills inte lyckats knäcka.[19]
De flesta enzymer är mycket större än de substrat de verkar på, och endast en liten del av enzymet (runt 3-4 aminosyror) är direkt inblandade i katalysen.[20] Den del av enzymet som innehåller dessa katalytiska aminosyror, som binder substratet och sedan stabiliserar reaktionen kallas för detaktiva centrumet. Enzymer kan också ha delar som kan bindakofaktorer, vilka då är nödvändiga för katalys. Vissa enzym har även bindningsplatser för små molekyler, vilka ofta är direkta eller indirekta produkter eller substrat i den reaktion enzymet katalyserar. Dessa bindningsställen kan bidra till att öka eller sänka enzymers aktivitet, och erbjuder på så sätt ett medel förnegativ återkoppling.[21]
Proteinkedjor kan ibland gå ihop och ge upphov tillproteinkomplex. De flesta enzymer kandenatureras, alltså vecklas upp och inaktiveras, av värme eller kemiska denaturanter, vilka förstör den 3-dimensionella strukturen hos proteinet. Beroende på enzymet kan denatureringen antingen vara reversibel eller irreversibel.[22]
Många enzymer tillverkas som fysiologiskt inaktivaproenzymer, även kallade zymogener, vilka ligger vilande i väntan på att bli aktiverade. Proenzymet aktiveras genomproteolytisk aktivering, då ettproteas klyver bort en del av proenzymet. Denna klyvning kan förändra enzymets form, men ofta har enzymets aktiva yta varit dold och blir fritt att binda sitt substrat i och med aktiveringen. En annan strategi för att hålla enzymer inaktiva tills de nått den plats där de ska agera, eller den tidpunkt då de behövs, ärinhibitorer som binder enzymet och håller det inaktivt.[23]
Enzymer är oftast mycket specifika vad gäller vilka substrat de katalyserar i vilka reaktioner. Denna specificitet uppnås genom att utnyttja bland annat komplementär passform, elektrisk laddning ochhydrofila/hydrofoba egenskaper hos enzymer och substrat. Enzymer kan också uppvisa mycket noggrannsterisk specificitet,regioselektivitet ochkemoselektivitet.[24]
Några av de enzymer som visar högst specificitet och noggrannhet är involverade ireplikerandet ochuttryckandet av genomet, det vill säga proteinsyntesen. Dessa enzymer har korrekturläsningsmekanismer (på engelska:proof-reading). ExempelvisDNA-polymeras utför först katalysen i ett steg, och kontrollerar sedan i andra steget att produkten är korrekt.[25] Denna tvåstegsprocess resulterar i en genomsnittlig felfrekvens på mindre än ett fel per 100 miljarder reaktioner hos de noggrannare typerna av polymeras hos däggdjur.[26] Liknande korrekturläsningsmekanism finns även hosRNA-polymeraser,[27]aminoacyl-tRNA-syntetas[28] ochribosomer.[29]
Enzymer är mycket specifika. Nobelpristagaren och organkemistenHermann Emil Fischer föreslog 1894 att detta kunde bero på att både enzymet och substratet besitter specifika och komplementära geometriska former som mycket precist passar ihop.[30] Detta benämns som "lås och nyckel"-modellen (en: "the lock and key model").
Illustration som visar hypotesen om hur substrat binder till enzymer genom inducerad passform.
År 1958 föreslogDaniel Koshland en modifiering av denna modell. Eftersom enzymer har flexibel struktur kommer det aktiva centret att förändras till följd av interaktioner mellan substrat och enzym.[31] Detta resulterar i att substratet inte binder till ett oföränderligt aktivt centrum, utan aminosyrornas sidokedjor gjuts in i de exakta positioner som gör att enzymet kan utföra sin katalytiska funktion.[32] Det aktiva centrumet fortsätter att förändras till dess att substratet är fullständigt bundet.[33] Koshlands modell kallas ofta "inducerad passform" och är den modell som idag är allmänt accepterad.[34]
Allostera centrum är ställen på enzymer som binder molekyler i sin omgivning icellen med svaga,icke-kovalenta bindningar och orsakar på så vis enkonformationsändring av enzymet. Ändringen i konformation påverkar det aktiva centrumet och därigenom även enzymets reaktionshastighet.[35] Allostera interaktioner kan både hämma och aktivera enzymer. Många av kroppens enzymer regleras allostert.[36]
Många enzymer behöver binda till molekyler som inte är protein för att kunna uppvisa aktivitet. Dessa kallas kofaktorer.[37] Kofaktorer kan antingen varaoorganiska (exempelvis metalljoner och kol-svavel-kluster) ellerorganiska (exempelvisflavin ochhem). Organiska kofaktorer kan antingen varaprostetiska grupper, vilka binder hårt till enzymet, ellerkoenzymer, vilka frisläpps från enzymets aktiva säte under den kemiska reaktionens gång. Exempel på koenzymer ärNADH,NADPH ochadenosintrifosfat. Dessa molekyler överför kemiska grupper mellan enzymer.[38]
Ett exempel på enzym som innehåller en kofaktor ärkarboanhydras, som illustreras ovan med en zink-kofaktor inbunden som en del av dess aktiva centrum.[39] Dessa hårt bundna molekyler återfinns just oftast i det aktiva centrumet och deltar i katalysen.[21]
Enzymer som behöver en kofaktor kallas när den inte har bundit någon sådan förapoenzymer ellerapoproteiner. Ett apoenzym tillsammans med dess kofaktor(er) kallasholoenzym (den aktiva formen). De flesta kofaktorer är intekovalent bundna till ett enzym utan ligger bara väldigt tätt intill. Det finns dock organiska prostetiska grupper som kan binda kovalent (exempelvistiaminpyrofosfat i enzymetpyruvatdehydrogenas). Termenholoenzym kan också appliceras på enzymer som innehåller flerasubenheter, såsomDNA-polymeras; här är holoenzymet det fullständiga komplexet innehållande alla subenheter som behövs för aktivitet.[21][40]
Koenzymer är små organiska molekyler som kan transportera kemiska grupper från ett enzym till ett annat.[41] Många koenzymer tillverkas utifrånvitaminer, exempelvisFADH frånriboflavin ochtetrahydrofolat frånfolsyra.[42]
Koenzymer återskapas vanligen kontinuerligt. På så sätt hålls deras koncentration på en jämn nivå i cellen. Detta kontinuerliga återskapande betyder att även små mängder koenzymer används mycket intensivt. Exempelvis förbrukar och återskapar kroppen ungefär sin egen vikt iATP varje dag.[43]
Energierna vid olika steg i enkemisk reaktion. Substraten behöver mycket energi för att nåövergångsstadiet för att sedan övergå till produkter med lägre total energi. Enzymet stabiliserar övergångsstadiet och minskar på så vis energin som krävs för att kunna omvandla substraten till produkter.
Enzymer kan koppla samman två eller fler reaktioner så att en termodynamiskt fördelaktig reaktion kan användas för att "driva" en termodynamiskt ofördelaktig. Till exempel används ofta hydrolys avATP till att driva andra kemiska reaktioner.[44]
Enzymer påverkar inte jämvikten i sig, utan bara med vilken hastighet den uppnås. Vanligtvis går en reaktion i samma riktning i närvaro av ett enzym som i dess frånvaro men snabbare. Dock kan substrat ibland bilda flera olika produkter, och närvaro av enzym styr då vilken produkt som bildas. Enzymer, exempelviskarboanhydras, katalyserar reaktioner lika mycket i båda reaktionsriktningar. Vilken som kommer att dominera beror på koncentrationerna av substrat och produkt.
Om en jämvikt förskjuts mycket i en riktning, alltså i en kraftigtexergon reaktion, är reaktioneni princip irreversibel. Under dessa förhållanden kommer enzymer främst katalysera reaktionen i den termodynamiskt fördelaktiga riktningen.
Mer ovanliga funktioner med enzymer inblandade är hur enzymetluciferas genererar ljus ilysmaskar.[47]
Virus kan innehålla enzymer för att kunna utföra vissa uppgifter, såsomHIV-integras ochomvänt transkriptas för att kunna infektera värdceller.Influensa-viruset innehållerneuraminidas för att viruset ska kunna sättas fritt från cellerna.
Glykolytiska enzymer och deras funktion i den viktigaglykolysen.
Enzymer är mycket viktiga i djursmatspjälkningssystem. Enzymer så somamylaser ochproteaser bryter ner större molekyler (stärkelse ochprotein respektive) så att de kan absorberas i tarmarna. Stärkelsemolekylerna hydrolyseras exempelvis till de mindre molekylernamaltos och till slutglukos, som kan absorberas. Olika enzymer bryter ner olika molekyler. Hosidisslare som enbart lever på växtdelar producerar mikroorganismer i tarmen enzymetcellulas för att möjliggöra nedbrytning av cellulosan i växternascellväggar.[48]
Flera enzymer kan arbeta tillsammans i en specifik ordning, vilket skaparmetabola reaktionsvägar. I en sådan reagerar ett enzym med produkten av ett annat enzym. Efter att enzymet utfört den katalytiska reaktionen går produkten sedan åter vidare till ett annat enzym. Ibland kan fler än ett enzym katalysera samma reaktion parallellt, något som kan ge upphov en komplex reglering där till exempel det ena enzymet kan tillhandahålla en konstant låg aktivitet och ett annat inducerbart enzym en mycket högre aktivitet.
Utan enzymer skulle metabolismen varken fungera på samma sätt eller vara tillräckligt snabb för att tillgodose cellens behov. Den centrala processenglykolysen skulle exempelvis aldrig kunna existera utan enzymer. Ett exempel på detta kan hittas i glykolysens första steg, där glukos reagerar direkt med ATP. Denna reaktion leder till att dess kol blirfosforylerade. Saknas enzymer sker dock denna reaktion så långsamt att den blir obetydlig. Närhexokinas tillsätts fortsätter reaktionerna ske lika långsamt, med undantag för fosforyleringen av kol 6 som påskyndas och istället sker mycket snabbt. Om lösningen undersöks efter en liten stund finner man attglukos-6-fosfat är den enda reaktionsprodukten som hittas i nämnvärd mängd.
Enzymers namn brukar sluta på-as. Oftast har de fått namn från det substrat eller den kemiska reaktion det katalyserar, exempelvislaktas som bryter ner mjölksockretlaktos,alkoholdehydrogenas som bryter neralkohol i levern ochDNA-polymeras.
Eftersom enzymen har namn efter vad de gör och det kan finnas flera olika enzymer som katalyserar samma reaktion, finns det ibland flera enzymer med samma namn. Dessa kallasisoenzymer. De har inte samma aminosyrasekvens och kan särskiljas genom till exempel detpH-värde den har störst aktivitet vid,kinetiska egenskaper eller genomimmunokemiska metoder. Det förekommer att ett och samma enzym kan utföra katalys av en reaktion under fysiologiska förhållande och en annan under artificiella. Enzymet får då två namn, uppkallat efter vardera funktionen. Exempel på detta ärglukosisomeras, som används industriellt för att omvandlaglukos till sötningsmedletfruktos. Under fysiologiska förhållanden är samma enzym ettxylosisomeras.
EC 7Translokaser: transporterar molekyler genom cellmembran
Utöver detta klassificeras enzymen in i underklasser.
Vissa webbservrar, såsomEzyPred[49] och andra verktyg inombioinformatik har utvecklats för att förutsäga vilken huvudklass[50] och underklass[51][52] ett enzym tillhör bara genom att analysera dessproteinsekvens.
Enzymer används i denkemiska industrin och i andra industriella tillämpningar. Den industriella användningen av enzymer begränsas dock av enzymets höga specificitet gällande substrat och av att de inte alltid fungerar vid andra betingelser än fysiologiska (exempelvis iorganiska lösningsmedel eller vid höga temperaturer). Inom fältetproteinteknik görs försök att skapa nya enzymer med önskade egenskaper.[53][54] Dessa ansträngningar har börjat bära frukt. Några enzymer har designats från grunden för att katalysera reaktioner som inte sker i naturen.[55]
Applikation
Enzymer som används
Användning
LivsmedelsindustrinAmylaser katalyserar spjälkning av stärkelse till enkla sockerarter.
MörningBilder visar ett redskap för att möra kött. Ett annat sätt att få mörare kött är att i industrin tillsätta papain som bryter ner köttets proteiner.
StärkelseindustrinStärkelse består av kedjor av glukos som antingen är raka eller grenade. Många glukos i rak rad bildar stärkelsemolekylenamylos, som visas på bilden.
Omvandlar glukos tillfruktos vid produktion avisoglukoser från stärkelsematerial. Dessa isoglukoser är bättre sötningsmedel och lägre kaloriantal än sukroser med samma sötma.
^Smith AL (Ed)et al. (1997) (på engelska). Oxford dictionary of biochemistry and molecular biology. Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press.ISBN 0-19-854768-4
^Grisham, Charles M.; Reginald H. Garrett (1999) (på engelska). Biochemistry. Philadelphia: Saunders College Pub. sid. 426–7.ISBN 0-03-022318-0
^Groves JT (1997). ”Artificial enzymes. The importance of being selective” (på engelska). Nature 389 (6649): sid. 329–30.doi:10.1038/38602.PMID 9311771.
^de Réaumur, RAF (1752). ”Observations sur la digestion des oiseaux”. Histoire de l'academie royale des sciences 1752: sid. 266, 461.
^Dubos J. (1951). ”Louis Pasteur: Free Lance of Science, Gollancz. Quoted in Manchester K. L. (1995) Louis Pasteur (1822–1895)—chance and the prepared mind”. Trends Biotechnol 13 (12): sid. 511–5.doi:10.1016/S0167-7799(00)89014-9.PMID 8595136.
^Kühne myntade termen "enzyme" i: W. Kühne (1877) "Über das Verhalten verschiedener organisirter und sog. ungeformter Fermente",Verhandlungen des naturhistorisch-medicinischen Vereins zu Heidelberg, vol. 1, nummer 3, sidorna 190-193. relevanta stycket finns att finna på sidan 190: "Um Missverständnissen vorzubeugen und lästige Umschreibungen zu vermeiden schlägt Vortragender vor, die ungeformten oder nicht organisirten Fermente, deren Wirkung ohne Anwesenheit von Organismen und ausserhalb derselben erfolgen kann, alsEnzyme zu bezeichnen." (Översättning: För att förebygga missförstånd och undvika besvärliga omskrivningar, föreslår författaren att man betecknar de oformade eller inte organiserade ferment, vilkas verkning kan ske utan närvaron av organismen och utanför den samma, somEnzyme.)
^Rodnina MV, Wintermeyer W. (2001). ”Fidelity of aminoacyl-tRNA selection on the ribosome: kinetic and structural mechanisms”. Annu Rev Biochem. 70: sid. 415–35.doi:10.1146/annurev.biochem.70.1.415.PMID 11395413.
^Fisher Z, Hernandez Prada JA, Tu C, Duda D, Yoshioka C, An H, Govindasamy L, Silverman DN and McKenna R. (2005). ”Structural and kinetic characterization of active-site histidine as a proton shuttle in catalysis by human carbonic anhydrase II”. Biochemistry 44 (4): sid. 1097–115.doi:10.1021/bi0480279.PMID 15667203.
^Ferguson, S. J.; Nicholls, David; Ferguson, Stuart (2002) (på engelska). Bioenergetics 3 (3:e upplagan). San Diego: Academic.ISBN 0-12-518121-3
^Hunter T. (1995). ”Protein kinases and phosphatases: the yin and yang of protein phosphorylation and signaling”. Cell. 80 (2): sid. 225–36.doi:10.1016/0092-8674(95)90405-0.PMID 7834742.
^Shen H. B., Chou K. C. (2007). ”EzyPred: A top-down approach for predicting enzyme functional classes and subclasses.” (på engelska). Biochem Biophys Res Comm 364: sid. 53-59..
^Qiu J. D., Huang J. H., Shi S. P., Liang R. P. (2010). ”Using the Concept of Chou's Pseudo Amino Acid Composition to Predict Enzyme Family Classes: An Approach with Support Vector Machine Based on Discrete Wavelet Transform.”. Protein & Peptide Letters (17): sid. 715-712.
^Zhou, X. B., Chen, C., Li, Z. C. & Zou, X. Y. (2007). ”Using Chou's amphiphilic pseudo-amino acid composition and support vector machine for prediction of enzyme subfamily classes”. Journal of Theoretical Biology 248 (3): sid. 546–551.doi:10.1016/j.jtbi.2007.06.001.PMID 17628605.
^Chou K. C. (2005). ”Using amphiphilic pseudo amino acid composition to predict enzyme subfamily classes.”. Bioinformatics 21: sid. 10-19.
^Renugopalakrishnan V, Garduno-Juarez R, Narasimhan G, Verma CS, Wei X, Li P. (2005). ”Rational design of thermally stable proteins: relevance to bionanotechnology”. J Nanosci Nanotechnol. 5 (11): sid. 1759–1767.doi:10.1166/jnn.2005.441.PMID 16433409.
^Guzmán-Maldonado H, Paredes-López O (1995). ”Amylolytic enzymes and products derived from starch: a review”. Critical reviews in food science and nutrition 35 (5): sid. 373–403.doi:10.1080/10408399509527706.PMID 8573280.
^Dulieu C, Moll M, Boudrant J, Poncelet D (2000). ”Improved performances and control of beer fermentation using encapsulated alpha-acetolactate decarboxylase and modeling”. Biotechnology progress 16 (6): sid. 958–65.doi:10.1021/bp000128k.PMID 11101321.
