mały|Model struktury lipooksygenazy ze związanym substratem. Enzym ten katalizuje produkcję lipidowych cząsteczek sygnałowych Enzymy (z gr. ἔνζυμον, od ἔν en „w” i ζύμη dzýmē „zaczyn (za)kwas”) – wielkocząsteczkowe, w większości białkoweWiększość słowników, leksykonów i encyklopedii definiuje enzymy jako cząsteczki białkowe. Jednak obecnie znaczenie tego słowa jest rozszerzane na biokatalizatory ogólnie, w tym rybozymy i inne katalizatory niebiałkowe. Za przyjęciem tak rozszerzonej definicji przemawia m.in. fakt, że rybozymy mają nadawane numery zgodne z nomenklaturą EC, a także są katalogowane i nazywane zwyczajowo, jak enzymy białkowe. Zobacz też definicję terminu według IUPAC., katalizatory przyspieszające specyficzne reakcje chemiczne poprzez obniżenie ich energii aktywacji.
Niemal wszystkie reakcje chemiczne związane z funkcjonowaniem organizmów żywych (a także wirusów) wymagają współudziału enzymów, by osiągnąć wystarczającą wydajność. Enzymy są wysoce specyficzne wobec substratów i wobec tego dany enzym katalizuje zaledwie kilka reakcji spośród wielu możliwych dla danych substratów. W ten sposób enzymy determinują procesy metaboliczne i biochemiczne związane z funkcjonowaniem organizmów żywych.
Jak wszystkie katalizatory, enzymy obniżają energię aktywacji (Ea lub ΔG‡) reakcji chemicznej, przyspieszając w ten sposób przebieg reakcji (patrz: Struktury i mechanizmy działania). Większość reakcji enzymatycznych (tj. z udziałem enzymów) przebiega miliony razy szybciej niż ich niekatalizowane enzymatycznie odpowiedniki. Jednym z najszybciej działających znanych enzymów jest anhydraza węglanowa. Jedna cząsteczka tego enzymu potrafi w sprzyjających warunkach w jedną sekundę uwodnić od 104 do 106 cząsteczek dwutlenku węgla. Z kolei jedna cząsteczka jednego z najwolniejszych enzymów – lizozymu, katalizuje 1 akt elementarny co 2 sekundy . Jak wszystkie katalizatory, również enzymy nie zużywają się w trakcie przebiegu reakcji, a także nie wpływają na ich równowagę. Enzymy różnią się od zwykłych katalizatorów, przejawiając znacznie większą specyficzność substratową. Aktywność enzymatyczna może być zatrzymana lub obniżona przez inne cząsteczki – inhibitory. Wiele leków i trucizn jest inhibitorami enzymów. Z kolei aktywatory enzymatyczne to cząsteczki zwiększające aktywność enzymów. Ponadto aktywność enzymów zależy od parametrów fizykochemicznych środowiska reakcji, takich jak: temperatura, pH, siła jonowa, obecność niektórych jonów i innych.
Znane są także biokatalizatory niebiałkowe. Należą do nich rybozymy, cząsteczki RNA o własnościach katalitycznych oraz deoksyrybozymy (DNAzymy) – fragmenty DNA zdolne do katalizowania pewnych reakcji. Enzymy niebiałkowe charakteryzują się nieco innymi mechanizmami reakcji i mniejszą różnorodnością katalizowanych reakcji, jednak ich kinetyka i mechanika działania może być analizowana i klasyfikowana za pomocą tych samych metod, jakie są używane dla enzymów białkowych. Istnieją ponadto sztucznie stworzone cząsteczki, zwane sztucznymi enzymami, które przejawiają podobną do enzymatycznej aktywność katalityczną.
Liczne enzymy znalazły zastosowanie przemysłowe (patrz: Zastosowanie przemysłowe), m.in. w przemyśle spożywczym czy chemii leków. Wiele produktów używanych w gospodarstwach domowych zawiera enzymy w celu podniesienia wydajności ich działania, jak proszki do prania czy enzymatyczne wywabiacze do plam. Enzymy są także powszechnie używane we współczesnych naukach biologicznych i medycznych oraz w diagnostyce medycznej.
Badaniem enzymów i ich działania zajmuje się enzymologia.
Etymologia nazwy i historia odkrycia mały|Eduard Buchner Na przełomie XVIII i XIX wieku obserwowano już trawienie in vitro mięsa przez wydzieliny żołądka oraz rozkład skrobi do cukrów prostych przez ekstrakty roślinne lub ślinę, jakkolwiek mechanizmy stojące za tymi procesami nie były znane.
W XIX wieku, podczas studiów nad fermentacją cukrów do alkoholu przeprowadzaną przez drożdże, Louis Pasteur doszedł do wniosku, że reakcja ta jest ściśle powiązana z procesami życiowymi w drożdżach, którą nazwał „fermentem”. Podejrzewano, że może być ona aktywna tylko w żywych organizmach („nie ma fermentacji bez życia”). Pasteur odnotował, że „fermentacja alkoholowa jest procesem powiązanym z życiem i organizacją komórek drożdżowych, a nie ze śmiercią czy rozkładem komórek”.
W 1878 roku niemiecki fizjolog Wilhelm Kühne, by opisać te procesy, ukuł termin enzym, który pochodzi z greckiego i oznacza „w zaczynie”. Później słowo enzym było używane w odniesieniu do substancji nieożywionych, jak chociażby pepsyna, a słowo ferment w odniesieniu do aktywności chemicznej wykazywanej przez organizmy żywe. W języku polskim oba terminy były stosowane wymiennie, przy czym ten ostatni jest obecnie archaizmem.
W roku 1897 Eduard Buchner rozpoczął badania nad zdolnością ekstraktów drożdżowych do fermentacji cukrów przy nieobecności żywych komórek. Po szeregu eksperymentów przeprowadzonych na Uniwersytecie Humboldtów w Berlinie stwierdził on, że taka fermentacja jest możliwa. Odkryty enzym przeprowadzający fermentację sacharozy nazwał zymazą. W 1907 roku Eduard Buchner otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii „za swoje badania biochemiczne i odkrycie fermentacji bez udziału komórek”. Zgodnie z nazwą pierwszego enzymu, obecna nomenklatura ich nazewnictwa, przewiduje tworzenie nazwy od reakcji, którą przeprowadzają (patrz: Konwencja nazewnictwa). Zazwyczaj dodaje się przyrostek -aza do nazwy substratu przetwarzanego w reakcji (np. laktaza to enzym przetwarzający laktozę) lub do ogólnej nazwy reakcji (np. polimeraza DNA to enzym syntezujący polimery DNA).
mały|lewo|Kryształ elastazy Po udowodnieniu, że enzymy mogą funkcjonować poza komórką żywą, następnym krokiem było opisanie ich natury biochemicznej. Wielu badaczy zaobserwowało, że aktywność enzymatyczna była w jakiś sposób związana z białkami, ale kilku naukowców (w tym laureat Nagrody Nobla Richard Willstätter) dowodziło, że białka nie mogą być jedynymi „nośnikami” aktywności enzymatycznej i same z siebie nie są zdolne do przeprowadzania katalizy. Jednak w 1926 roku James Sumner udowodnił, że enzym ureaza to czyste białko i wyizolował je w formie krystalicznej. Powtórzył to także w 1937 roku dla katalazy. Ostateczny wniosek, że enzymy mogą być czystymi białkami, został potwierdzony przez Johna Howarda Northropa i Wendella Mereditha Stanleya, którzy pracowali nad enzymami trawiennymi – trypsyną i chymotrypsyną. Ta trójka naukowców została za swoje badania uhonorowana w 1946 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii.
Odkrycie, że enzymy mogą być wykrystalizowane pozwoliło na późniejsze badanie ich struktur metodami rentgenografii strukturalnej. Pierwszym enzymem, którego strukturę rozwiązano w ten sposób, był lizozym, enzym obecny m.in. w łzach, ślinie i białku jaja. Dokonała tego w 1965 roku grupa Davida Phillipsa. Uzyskanie trójwymiarowego modelu struktury lizozymu było początkiem biologii strukturalnej enzymów i zrozumienia mechanizmów ich działania na poziomie molekularnym.
W roku 1967 Carl Woese, Francis Crick i Leslie Orgel po raz pierwszy zasugerowali, że prócz białek, także RNA może przejawiać właściwości katalityczne. Aktywność katalityczną RNA odkrył Thomas Cech w roku 1980 przy badaniu splicingu RNA oraz, niezależnie, Sidney Altman podczas badań nad bakteryjną RNazą P. Katalityczne RNA zostały zaobserwowane w samowycinających się sekwencjach intronowych genów. W 1989 roku Thomas Cech i Sidney Altman zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii za swoje odkrycie „katalizujących właściwości RNA”. Termin rybozym, połączenie słów ryboza i enzym; po raz pierwszy został użyty w odniesieniu do tych cząsteczek przez Kelly Kruger i Thomasa Cecha w ich publikacji z 1982 roku.
Struktury i mechanizmy działania mały|Model miejsca aktywnego anhydrazy węglanowej. Widoczne trzy reszty histydyny (niebieskie) i jedna grupa hydroksylowa koordynujące jon cynku, będący kofaktorem tego enzymu Większość znanych enzymów to białka o zróżnicowanej wielkości, od kilkudziesięciu aminokwasów w łańcuchu i monomerycznej budowie (na przykład tautomeraza 4-oksokrotonianu (4-OT) zbudowana jest z 62 aminokwasów) , do ponad 2500 w zwierzęcej syntazie kwasów tłuszczowych . Aktywność enzymów jest determinowana ich strukturą czwartorzędową (ułożeniem przestrzennym). Enzymy są zazwyczaj dużo większe od substratów, które przerabiają, ale z kolei zwykle tylko kilka kluczowych aminokwasów jest bezpośrednio zaangażowanych w katalizę. Region, który bezpośrednio wiąże się i oddziałuje z substratem oraz zawiera kluczowe do przebiegu reakcji reszty aminokwasowe, nazywany jest miejscem aktywnym (centrum aktywnym). Prócz niego enzymy mogą zawierać miejsca wiązania kofaktorów – niezbędnych do aktywności enzymatycznej lub jej regulacji (patrz: Kofaktory, grupy prostetyczne i koenzymy). Enzymy mogą także zawierać dodatkowe miejsca wiązania małych cząsteczek, na przykład pośrednich lub bezpośrednich produktów czy substratów szlaków metabolicznych obsługiwanych przez enzym, które związane mogą dodatkowo regulować aktywność enzymu na zasadzie sprzężenia zwrotnego.
Jak każde białko, enzymy są syntezowane jako długie łańcuchy aminokwasowe, które następnie zwijają się i przybierają odpowiednią strukturę przestrzenną. Indywidualne, zwinięte łańcuchy białkowe, mogą także asocjować w większe kompleksy. Takie enzymy nazywa się wtedy multimerycznymi (wielopodjednostkowymi). W przypadku asocjacji kilku takich samych peptydów (podjednostek) mówi się o homomerach (np. homodimer – kompleks złożony z dwóch jednakowych peptydów), a gdy asocjują różne jakościowo podjednostki, o heteromerach (np. heteropentamer – kompleks pięciu różnych łańcuchów peptydowych). Asocjacja podjednostek enzymów może być wymagana by dopełnić nawzajem swoje funkcje, by w ogóle móc katalizować reakcję biochemiczną, lub by obsługiwać wielokrotność tej samej reakcji czy cały ich szereg (odcinek szlaku metabolicznego).
Specyficzność Enzymy charakteryzują się zwykle dużą specyficznością pod względem katalizowanej reakcji, jak i również konwertowanych substratów. Za wysoką specyficzność odpowiada kształt cząsteczki enzymu dopasowany do substratów geometrycznie, ale także pod względem oddziaływań hydrofobowo-hydrofilowych oraz elektrostatycznych. Enzymy wykazują także wysoki poziom stereospecyficzności, regioselektywności i chemoselektywności.
Niektóre z enzymów zaangażowanych w kopiowanie i ekspresję informacji genetycznej, poza bardzo wysoką specyficznością i precyzją, wykazują także zdolność działania „korekcyjnego” (ang. reading-proof activity). Przykładem może być polimeraza DNA I, która katalizuje syntezę nici DNA w czasie jej replikacji i naprawy. Polimeraza ta nie tylko jest wysoce precyzyjna, ale i zdolna do natychmiastowej poprawy ewentualnie zaistniałego błędu (źle wbudowanego nukleotydu). W rezultacie, dzięki tym dwóm właściwościom (precyzja syntezy i korekcja błędów), ryzyko popełnienia błędu przez ssacze polimerazy, który nie zostanie zauważony w procesie syntezy, wynosi mniej niż jeden na miliard wprowadzonych nukleotydów. Podobne mechanizmy korekcyjne posiadają polimerazy RNA, syntetazy aminoacylo tRNA i rybosomy.
Z kolei niektóre enzymy uczestniczące w produkcji metabolitów wtórnych charakteryzują się stosunkowo szerokim zakresem akceptacji różnych substratów. Sugeruje się, że odgrywają one bardzo ważną rolę w ewolucji nowych szlaków metabolicznych.
Model „klucza i zamka” (ang. „Lock and key” model) W większości przypadków enzymy są niezwykle specyficzne wobec swoich substratów. Jak sugerował w roku 1894 Hermann Emil Fischer, zarówno enzym, jak i jego substraty są do siebie geometrycznie dopasowane w taki sposób, że idealnie pasują jeden do drugiego (jak „klucz i zamek”) . Model ten wyjaśnia specyficzność enzymów, ale nie wyjaśnia w jaki sposób stabilizowany jest stan przejściowy podczas reakcji enzymatycznej.
Model „trzypunktowego dołączenia” (ang. Three-point interaction model)