เอนไซม์
เอนไซม์ เป็นโปรตีนที่มีลักษณะกลม (globular protein) ถูกสังเคราะห์ขึ้นภายในเซลล์เพื่อใช้ในการเร่ง (catalyse) ปฏิกิริยาเคมีในสิ่งมีชีวิต
http://www.npaci.edu/features/oo/jan/enzyme.jpg
ประเภทของเอนไซม์
แบ่งตามส่วนประกอบทางเคมี

1. Simple protein หมายถึง เอนไซม์ที่สามารถมีแอกติวีตีทางชีวภาพ (biological activity) ได้โดยไม่ ต้องมีส่วนที่ไม่ใช่โปรตีน (nonprotein part) เข้ามาจับ


2. Conjugated protein หรือโฮโลเอนไซม์ (holoenzyme) หมายถึง เอนไซม์ที่จะ สามารถมีแอกติวีตีทางชีวภาพได้ ต้องมีส่วนที่ไม่ใช่โปรตีนเข้ามาจับ จึงมี 2 ส่วน คือ เอนไซม์ที่ไม่ทำงาน (apoenzyme) และส่วนที่ไม่ใช่โปรตีน หรือโคแฟกเตอร์ (cofactor)

ดูโคแฟกเตอร์

Click

แบ่งตามโครงสร้างสามมิติ
้้้http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/ch33/ public/trypsin-4ba.gif
trypsin
1. มอโนเมริกเอนไซม์ (monomeric enzyme) หมายถึง เอนไซม์ที่ประกอบด้วยสายพอลิเพป ไทด์เพียง 1 สายเท่านั้น มักเกี่ยวข้องในปฏิกิริยาการแยกสลายด้วยน้ำ (hydrolysis) เช่น เพปซิน ทริปซิน ไลโซไซม์ ไรโบนิว คลีเอส พาเพน และคาร์บอกซีเพปติเดส เอ เป็นต้น
2. คอมเพลกซ์ของเอนไซม์หลายตัว (multienzyme complex) หมายถึง กลุ่มของเอนไซม์ ที่มาทำงานร่วมกันด้วย noncovalent interaction ซึ่งผลผลิตของเอนไซม์ตัวแรกจะเป็นสับสเตรท (substrate) ของเอนไซม์ตัวต่อไป เช่น กรดอัลฟา-คีโตดีไฮโดรเจเนสคอมเพลกซ์ ซึ่งประกอบด้วยเอนไซม์ 3 ชนิด คือ ไพรูวิกดีไฮโดรเจเนส (pyruvic dehydrogenase) ไดไฮโดรลิโพอิล ทรานส์อะซีติลเลส (dihydrolipoyl transacetylase) และไดไฮโดรลิโพอิล ดีไฮโดรเจเนส (dihydrolipoyl dehydrogenase) โดยเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของกรดไพรูวิกไปเป็นอะซีติลโคเอ (acetyl CoA) และ CO2
http://www-als.lbl.gov/pics/71gprotein2.jpg
enzyme complex

3. โอลิโกเมริกเอนไซม์ (oligomeric enzyme) หมายถึง เอนไซม์ที่ประกอบด้วยหน่วยย่อย ตั้งแต่ 2-60 หน่วยย่อยหรือมากกว่ามาอยู่รวมกันจึงจะทำงานได้ เช่น ฟอสโฟรีเลส เอ (phosphorylase a) เฮกโซไคเนส (hexokinase) และฟรักโทสบิสฟอสฟาเทส (fructose bisphosphatase) เป็นต้น

ีแบ่งเป็น 2 แบบ คือ


3.1 ไอโซเอนไซม์ หรือไอโซไซม์ (isoenzyme หรือ isozyme) หมายถึง เอนไซม์ที่ มีโครงสร้างได้หลายแบบในเซลล์ หรือเนื้อเยื่อของสิ่งที่มีชีวิตชนิดเดียวกัน และเร่งปฏิกิริยาเดียวกัน เช่น เอนไซม์แลกเตตดีไฮ โดรเจเนส (lactate dehydroge nase) ซึ่งเร่งปฏิกิริยาการเปลี่ยนแลกเตตไปเป็น ไพรูเวต พบว่า มีโครงสร้างต่างกัน 5 แบบ ได้แก่ M4 M3H M2H2 MH3 และ H4ในสัตว์มีกระดูกสันหลัง


3.2 เอนไซม์อัลโลสเตริก (allosteric enzyme) หรือเอนไซม์ควบคุม (regulatory enzyme) เอนไซม์ชนิดนี้มี 2 บริเวณที่จำเพาะ คือ บริเวณเร่ง (catalytic site) หรือบริเวณแอกตีฟ (active site) ซึ่งเป็นบริเวณให้สับสเตรทเข้ามาจับ และบริเวณควบคุม (regulatory site หรือ allosteric site) ซึ่งเป็นบริเวณให้มอดูเลเตอร์ (modulator) มาจับ

มอดูเลเตอร์ มี 2 แบบ คือ ตัวยับยั้ง (inhibitor) เรียกว่า เนกาทิฟมอดูเลเตอร์ (negative modulator) หรือเนกาทิฟเอฟเฟกเตอร์ (negative effector) และตัวเร่งหรือตัวกระตุ้น (activator) เรียกว่า พอซิทิฟมอดูเลเตอร์ (positive modulator) โดย 2 บริเวณนี้อาจอยู่บนหน่วยย่อยเดียวกันหรือต่างหน่วย ย่อยก็ได้ เช่น ฮีโมโกลบิน (Hb)

การเรียกชื่อและจำแนกชนิดของเอนไซม์

systematic code number (EC) หมายถึง ตัวเลข 4 ตัวของระบบเลขรหัส โดยเลขตัวที่ 1 2 3 และ 4 แสดง class subclass sub-subclass และ serial number ของเอนไซม์ตามลำดับ เช่น เอนไซม์มี ชื่อสามัญ คือ กลูโคสออกซิเดส (glucose oxidase) มีชื่อแบบระบบ คือ เบตา-ดี-กลูโคส : ออกซิเจนออกซิโดรีดักเทส (beta-D-glucose:oxygen oxidoreductase) และมีเลขรหัสเป็น EC 1.1.3.4


มี 2 แบบ คือ
1. แบบ Recommended name หรือ Trivial name (ชื่อสามัญ) โดยการเติม "ase" ลงข้างหลัง ชื่อสับสเตรทของปฏิกิริยาที่เอนไซม์เป็นตัวเร่ง เช่น ซูเครส (sucrase) เร่งปฏิกิริยาที่มีซูโครส (sucrose) เป็นสับสเตรท หรือเติมลงข้างหลังชนิดของปฎิกิริยาที่เอนไซม์เป็นตัวเร่ง เช่น ออกซิเดส (oxidase) ที่เร่ง ปฏิกิริยาออกซิเดชัน (oxidation) แต่บางเอนไซม์ก็มีชื่อเฉพาะพิเศษ เช่น เพปซิน ไทอาลิน (ptyalin) หรือทริปซิน และบางครั้งอาจจะเติม "lytic" ลงข้างหลัง เช่น โปรตีโอไลติก (proteolytic) เป็นเอนไซม์ย่อย โปรตีน
2. แบบ Systematic name (ชื่อแบบระบบ) โดย The Commission on Enzyme of the International Union of Biochemistry ได้ตกลงวิธีการเรียกชื่อและจำแนกชนิดของเอนไซม์ โดยอาศัย ปฏิกิริยาเคมีที่มันเร่ง โดยแบ่งออกเป็น 6 class คือ

1. ออกซิโดรีดักเทส (Oxidoreductase) เร่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน หรือกำจัด และเติม H อะตอม เช่น ดีไฮโดรเจเนส หรือออกซิเดส โดยมี O2 เป็นตัวรับอิเล็กตรอน


2. ทรานส์เฟอเรส (Transferase) เร่งปฏิกิริยาการย้ายหมู่เคมีจากสับสเตรทตัวที่ 1 ไปให้กับสับสเตรทตัวที่ 2 เช่น ทรานส์อะมีเนส (transaminase)


3. ไฮโดรเลส (Hydrolase) เร่งปฏิกิริยาการสลายด้วยน้ำ เช่น ฟอสฟาเทส (phosphatase)


4. ไลเอส (Lyase) เร่งปฏิกิริยาการเติมหมู่เข้าไปในพันธะคู่


5.ไอโซเมอเรส (Isomerase) หรือมิวเทส (mutase) เร่งปฏิกิริยาการเปลี่ยน ไอโซเมอร์ (isomerization) เช่น ไตรโอสฟอสเฟตไอโซเมอเรส (triosephosphate isomerase)


6. ไลเกส (Ligase) หรือซินเธเทส (synthetase) เร่งปฎิกิริยาการเชื่อม 2 โมเลกุลเข้าด้วยกันโดยอาศัยการสลายหมู่ไพโรฟอสเฟต (pyrophosphate) ของ ATP หรือไตรฟอสเฟต (triphosphate)

จลนศาสตร์ของเอนไซม์
k1
k3
เอนไซม์ (E)
+
สับสเตรท (S)
<--->
เอนไซม์-สับสเตรท คอมเพลกซ์ (ES)
<--->
เอนไซม์ (E)
+
ผลผลิต (P)
k2
k4
เอนไซม์ทำปฏิกิริยากับสับสเตรท เกิดเป็นเอนไซม์-สับสเตรทคอมเพลกซ์ก่อนแล้วจึงสลายในขั้นตอนที่ 2 ให้ผลผลิต และเอนไซม์กลับคืนมา อัตราเร็วของปฏิกิริยาในการเปลี่ยน S ไปเป็น P ขึ้นอยู่กับอัตราเร็วในการ เปลี่ยน ES ไปเป็น P และ E นั่นคือ อัตราเร็วในการเกิด P จะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของ ES
เมื่อ k1 k2 k3 และ k4 คือ ค่าความเร็วคงที่ (velocity constant) หรือ ค่าอัตราเร็วคงที่ (rate constant) ของปฏิกิริยาทั้ง 4
ที่ steady state อัตราเร็วในการเกิด ES จะเท่ากับอัตราเร็วในการสลาย ES ทำให้ [ES] คงที่ จะได้
[S]([E]
-
[ES])
=
k2
+
k3
=
KM
[ES]
k1


KM คือ ค่าคงที่ไมคีลิส-เมนเทน (Michaelis-Menten constant) ของปฏิกิริยาของเอนไซม์ที่ steady state มีหน่วยเป็นโมล/ลิตร
Vmax คือ ความเร็วสูงสุด (maximum velocity) ของการทำงานของเอนไซม์
Vmax
=
k3[ES]
การวัดปริมาณของเอนไซม์ในตัวอย่าง คือ การวัดอัตราเร็วของปฏิกิริยา ซึ่งเร่งโดยเอนไซม์ภายใต้สภาวะ ที่เหมาะสมเพราะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณของเอนไซม์ที่มีอยู่ ผลที่ได้ออกมาเป็น enzyme unit มีหน่วยเป็นไมโครโมล นาโนโมล หรือพิโกโมล ของสับสเตรทที่ถูกใช้ไปหรือของผลผลิตที่เกิดขึ้นในเวลา 1 นาที
สมการไมคีลีส-เมนเทน
แสดงถึง ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วของปฏิกิริยา และความเข้มข้นของ S เมื่อทราบ Vmax และ KM
V
=
Vmax[S]
KM + [S]

ที่ V = Vmax /2 หรือ ครึ่งหนึ่งของความเร็วสูงสุด (half maximal) จะได้ KM = [S]


แต่ละระบบของเอนไซม์สับสเตรท KM และ Vmax จะไม่ขึ้นกับ [E] แต่จะเปลี่ยนตามโครงสร้างของสับสเตรท pH และอุณหภูมิ

สมการไลน์วีเวอร์-เบอร์ก
เป็นสมการจากการกลับสมการไมคีลิส-เมนเทน
1
=
KM .
1
+
1
v
Vmax
[S]
Vmax




เมื่อเขียนกราฟระหว่าง 1/v และ [S] จะได้กราฟเส้นตรงที่มีความชัน = KM/Vmax และจุดตัดแกน 1/v คือ 1/Vmax และจุตัดแกน 1/[S] คือ -1/KM ทำให้สามารถหาค่า KM และ Vmax ที่ถูกต้องได้
การทำงานของเอนไซม์
เอนไซม์สามารถเพิ่มอัตราเร็วของปฏิกิริยาโดยลด activation energy เพื่อขึ้นสู่ transition state ซึ่งความแตกต่างของพลังงาน 2 ระดับนี้ เรียกว่า Gibb's free energy of activation โดยมีค่าเท่ากับ G transition state - G substrate เมื่อ G = free energy
http://www.tiscali.co.uk/reference/encyclopaedia/hutchinson/images /0008n081.jpg
คุณสมบัติสำคัญของการทำงานของเอนไซม์

มีประสิทธิภาพ (efficiency) คือ มีปริมาณน้อยก็สามารถเร่งการเกิดปฏิกิริยาได้

มีความจำเพาะ (specificity) คือ เลือกเฉพาะบางสารเท่านั้นเข้าทำปฏิกิริยา ซึ่งสามารถอธิบายความ จำเพาะของการทำงานของเอนไซม์ ด้วยทฤษฎีดังต่อไปนี้

1. ทฤษฎีแม่กุญแจและลูกกุญแจ (The lock and key theory) เสนอโดย อีมิล ฟิชเชอร์ (Emil Fischer) อธิบายว่า โมเลกุลของเอนไซม์จะมีโครงรูปบริเวณแอกตีฟที่เฉพาะ เจาะจงกับสับสเตรท ซึ่งทำให้สับสเตรทเข้ามาสวมได้พอดี เหมือนกับการที่ลูกกุญแจสวมเข้าพอดีกับ แม่กุญแจ แสดงถึงสภาพแข็งแกร่ง (rigidity) ของบริเวณแอกตีฟของเอนไซม์
้http://www.hi.com.au/.../heinemannfiles/586/3f3_4s.gif
2. ทฤษฎีเหนี่ยวนำให้เหมาะสม (Induced-fit theory) เสนอโดย คอชแลนด์ (Koshland) อธิบายว่า เมื่อ สับสเตรทเข้าจับที่บริเวณแอกตีฟของเอนไซม์จะเหนี่ยวนำให้เอนไซม์ เปลี่ยนโครงรูปให้เหมาะสม ทำให้การจับกันระหว่างเอนไซม์กับสับสเตรทดีขึ้นและเกิดปฎิกิริยา ได้ผลผลิต นอกจากนี้ สารที่ไม่ใช่สับสเตรทแต่มีลักษณะคล้ายสับสเตรท ก็สามารถเข้าจับที่บริเวณ แอกตีฟ ของ เอนไซม์ได้ แต่ไม่สามารถชักนำให้เอนไซม์เปลี่ยนโครงรูปที่เหมาะสม ทำให้ไม่เกิด ปฎิกิริยาได้ผลผลิต ซึ่งทฤษฎี นี้สามารถอธิบายได้กว้างกว่าทฤษฎีแรกเพราะแสดงถึงความยืดหยุ่น และลักษณะไม่แข็งของเอนไซม์ บางชนิดที่บริเวณแอกตีฟ
http://www.modeling.unibas.ch/vedani/cc1/JPGs/53-Induced-Fit.jpg
ปัจจัยที่มีผลต่อการทำงานของเอนไซม์ Click
เอนไซม์ที่ไม่เป็นโปรตีน
ไรโบนิวคลีเอส P (ribonuclease P) ประกอบด้วยส่วนโปรตีน และ RNA อยู่รวมกันเป็น RNA-โปรตีน คอมเพลกซ์ ส่วนโปรตีนของเอนไซม์ชนิดนี้ไม่แอกตีฟในการเร่งปฏิกิริยา ในขณะที่ส่วน RNA มีความสามารถ ในการเร่งปฏิกิริยาการสลาย พรี-tRNA ได้เป็น tRNA ที่พร้อมจะทำหน้าที่ในขบวนการสร้างโปรตีน
ribonuclease P
http://astrosurf.com/lombly/Bio/Protei-ribonucleasep.jpg