miniatura|Diagrama de cintes de l'estructura terciària de la glioxalasa I humana. Els dos ions de zinc necessaris per catalitzar la reacció es mostren com a esferes lila i l'inhibidor enzimàtic S-hexilglutationa es mostra com a model de rebliment d'espai omplint les dues zones actives. Un enzim és una biomolècula, gairebé sempre de natura proteica, que accelera una reacció química determinada. Els enzims interaccionen amb molècules de partida (substrats) i catalitzen la seva transformació en altres de diferents (productes). Intervenen amb un paper important en gairebé tots els processos cel·lulars. Com que tenen un alt grau de selectivitat respecte al seu substrat i cadascun catalitza unes reaccions molt concretes, el conjunt d'enzims que es produeixen en una cèl·lula determina les rutes 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. Algunes molècules d'ARN anomenades ribozims també catalitzen reaccions; algunes parts del ribosoma en són un exemple important. Els enzims artificials són molècules sintètiques que també tenen propietats catalítiques semblants a les dels enzims.
Hi ha altres molècules que poden afectar l'activitat dels enzims. Els inhibidors redueixen l'activitat enzimàtica, mentre que els activadors l'augmenten. Molts medicaments i verins són inhibidors enzimàtics. L'activitat dels enzims també varia segons la temperatura, el medi químic (p. ex., el pH) i la concentració 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 dels detergents desfan les taques de proteïnes o greix de la roba, mentre que els enzims dels entendridors de carn fragmenten les proteïnes i fan que la carn sigui més fàcil de mastegar.
Etimologia i història miniatura|Eduard Buchner A finals del i principis del ja es coneixien la digestió de la carn per mitjà de secrecions estomacals i la conversió del midó en sucres mitjançant extractes vegetals i saliva, però no s'havia identificat el mecanisme pel qual es produïen aquests fenòmens.Williams, H. S. (1904) A History of Science: in Five Volumes. Volume IV: Modern Development of the Chemical and Biological Sciences Harper and Brothers (New York) Consultat el 4 abril 2007
Al , Louis Pasteur estudià la fermentació de sucres en alcohol pel llevat 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».
El 1878, el fisiòleg alemany Wilhelm Kühne encunyà el mot enzim, que prové del grec ἔνζυμον ('en el llevat'), per a descriure aquest procés. Posteriorment, aquesta paraula fou utilitzada per a referir-se a substàncies no vivents com ara la pepsina, 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 la Universitat de Berlín, descobrí que el sucre es fermentava fins i tot quan no hi havia cèl·lules de llevat vivents a la mescla.Biografia d'Eduard Buchner a http://nobelprize.org Consultat el 4 abril 2007 Donà el nom de zimasa a l'enzim que havia causat la fermentació de la sucrosa.Text de la xerrada de Buchner a la cerimònia dels Premis Nobel del 1907 a http://nobelprize.org Consultat el 4 abril 2007 El 1907, rebé el Premi 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 dels substrats (p. ex., la lactasa és l'enzim que descompon la lactosa) 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 el premi Nobel Richard 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'enzim ureasa era proteïna pura i el cristal·litzà; Summer feu el mateix amb l'enzim catalasa el 1937. La conclusió que les proteïnes poden ser enzims queda demostrada definitivament per Northrop i Stanley, que treballaren en els enzims digestius pepsina (1930), tripsina i quimotripsina. Aquests tres científics foren guardonats amb el Premi Nobel de Química del 1946.Guardonats del Premi Nobel de Química del 1946 a http://nobelprize.org Consultat el 4 abril 2007
El descobriment que els enzims podien cristal·litzar-se finalment permeté determinar-ne l'estructura per mitjà de difracció de rajos X. Això es feu per primer cop amb el lisozim, un enzim que es troba en les llàgrimes, la saliva i la clara dels ous que digereix les parets cel·lulars d'alguns bacteris; la seva estructura fou determinada per un grup encapçalat per David Chilton Phillips i publicada el 1965. Aquesta determinació de l'estructura del lisozim a alta resolució marca el principi del camp de la biologia estructural i l'esforç per esbrinar com funcionen els enzims a nivell atòmic.
Estructures i mecanismes
miniatura|Diagrama de cintes de l'anhidrasa carbònica II. L'esfera grisa és el cofactor de zinc a la zona activa. Diagrama dibuixat a partir de PDB 1MOO. En general, els enzims són proteïnes globulars. La seva mida va des de només 62 residus d'aminoàcids, en el cas del monòmer de 4-oxalocrotonat tautomerasa, fins a més de 2.500 residus en l'àcid gras sintasa. Existeix un nombre petit de catalitzadors de base ARN, i el més comú és el ribosoma; reben el nom d'«enzims ARN» o «ribozims». L'activitat dels enzims és determinada per la seva estructura tridimensional. Tanmateix, encara no s'ha aconseguit predir l'activitat de nous enzims a partir de la seva estructura.
La majoria d'enzims són més grossos que els substrats sobre els quals actuen, i només una petita part de l'enzim (aproximadament 3-4 aminoàcids) participa directament en la catàlisi.The Catalytic Site Atlas, a The European Bioinformatics Institute Consultat el 4 abril 2007 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 a cofactors, que són necessaris per a la catàlisi. Alguns enzims també tenen zones d'adherència a petites molècules, que sovint són productes directes o indirectes, o substrats de la reacció catalitzada. Aquesta adherència pot servir per augmentar o reduir l'activitat de l'enzim, cosa que possibilita una regulació realimentada.
Com totes les proteïnes, els enzims es formen com a llargues cadenes lineals d'aminoàcids que es pleguen per produir un producte tridimensional. Cada seqüència d'aminoàcid produeix una estructura específica, amb les seves propietats particulars. A vegades, poden agrupar-se cadenes proteíniques individuals per formar un complex proteic. La majoria d'enzims poden ser desnaturalitzats —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.
Especificitat Els enzims són generalment molt específics quant a les reaccions que catalitzen i els substrats que estan implicats en aquestes reaccions. La forma complementària, la càrrega i les característiques hidròfiles/hidròfobes dels enzims i els substrats són les responsables d'aquesta especificitat. Els enzims també poden presentar nivells importants d'estereoespecificitat, regioselectivitat i quimioselectivitat.
Alguns dels enzims més específics i precisos són els que estan implicats en la còpia i expressió del genoma. 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. 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 polimerases mamiferoides d'alta fidelitat.Berg J., Tymoczko J., Stryer L. (2002). Biochemistry, W. H. Freeman and Company També hi ha mecanismes de control similars a l'ARN polimerasa, les aminoacil ARNt sintetases i els ribosomes.
Alguns enzims productors de metabòlits 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.
Model pany i clau
Els enzims són molt específics, i Emil 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. 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.
Model d'acoblament induït miniatura|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. Com a resultat, el substrat no s'uneix simplement a una zona activa rígida, sinó que les cadenes 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. La zona activa continua canviant fins que el substrat està completament unit, moment en què queden determinades la forma i la càrrega finals.
Mecanismes Els enzims poden actuar de diferents formes, totes les quals redueixen la ΔG‡:Fersht, A. (1985). Enzyme Structure and Mechanism (2a ed) p50–52 W H Freeman & co, Nova York 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.