Enzym

Mänskligt glyoxalas I. Tvåzink-joner som är nödvändiga för att enzymet ska kunna katalysera sin reaktion visas som lila sfärer ochenzyminhibitornS-hexylglutation visas genom enkalottmodellsittande i enzymets tvåaktiva centrum.

Enzymerärproteinersomkatalyserar,alltså ökar eller minskar hastigheten påkemiska reaktioner.I enzymatiska reaktioner kallas molekylerna som går in i reaktionen försubstrat,vilket sedan omvandlas till andra molekyler kallade produkter. Nästan alla processer inom denbiologiska cellenbehöver 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 cellsmetabolismi hög grad styrs av vilka enzym cellen producerar.

Liksom alla katalytiska molekyler fungerar enzymer genom att sänkaaktiveringsenergin(E_a^‡) 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 000biokemiskareaktioner som katalyseras av enzymer.Ett fåtalRNA-molekyler kan också katalysera reaktioner och kallas dåribozymer.Ribozymerna upptäcktes på 1980-talet och utgör en vital del avribosomen.Syntetiska molekyler som kallasartificiella enzymuppvisar också enzymliknande katalytiska egenskaper.

Enzymets aktivitet kan påverkas av andra molekyler.Inhibitorerär molekyler som minskar enzymaktivitet;aktivatorerär molekyler som ökar den. Mångaläkemedelochgifterär enzyminhibitorer. Aktiviteten påverkas också avtemperatur,kemisk miljö exempelvispHoch koncentrationen av substrat. Vissa enzym används kommersiellt, i exempelvis framställning avantibiotikaoch andra läkemedel eller itvättmedel,där enzymerna underlättar nedbrytningen av protein- ellerfettfläckarpå tvätten.

Etymologioch historia

Eduard Buchner

Redan i slutet av 1700-talet och början av 1800-talet var det känt att kött bröts ned av magsaftersamt attstärkelseomvandlades tillsockerav växtextrakt och saliv. Mekanismen för hur detta gick till var dock ännu inte identifierad.

På 1800-talet, närLouis Pasteurstuderade hurjästkunde 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".

Termenenzymför denna process introducerades 1877 av den tyske fysiologenWilhelm Kühne(1837–1900). Ordet kommer från detgrekiskaενζυμον.

1897 publiceradeEduard Buchnersin 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.Han namngav enzymet som kunde jäsasackaros"zymas".1907 mottog Eduard BuchnerNobelpriset i kemimed motiveringen: "för hans biologiskkemiska efterforskningar och upptäckten av cellfri jäsning".

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 Sumneratt enzymetureasi sin helhet var ett protein ochkristalliseradedet. Han gjorde samma sak med enzymetkatalas1937. Slutsatsen att proteiner kan vara enzymer bevisades definitivt avJohn NorthropochWendell Stanleysom arbetade med matsmältningsenzymernapepsin,trypsinoch kymotrypsin. De tre forskarna belönades för sina upptäckter med 1946 års nobelpris i kemi.

Upptäckten att enzymer kunde kristalliseras ledde småningom till att dessstrukturerkunde 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 nercellväggenhos vissa bakterier. Strukturen bestämdes av en grupp ledd avDavid Phillipsoch publicerades 1965.Den högupplösta strukturen för lysozym blev startpunkten för bestämning av många fler enzymstrukturer och försök att förstå hur enzymer fungerar på atomnivå.

Struktur och mekanismer

Schematisk illustration avmänskligt karboanhydras II.Det grå klotet är en zink-kofaktor i detaktivt centrum.Illustrationen är skapad frånPDB 1MOO.

Enzymer är oftastglobulära proteineroch deras längd varierar från endast 62aminosyrorför4-oxalokrotonat tautomeras,som består av en enda peptidkedja,till en längd på över 2 500 aminosyror i fallet animaltfettsyrasyntas.

Liksom alla protein är enzymer långa, linjära kedjor av aminosyror somveckatstill3-dimensionella strukturer.Varje unik aminosyrasekvens ger en specifik form med unika egenskaper. Enzymers funktion bestäms av deras 3-dimensionella struktur.Trots detta är det svårt att förutsäga ett enzyms funktion utifrån dess struktur, en nöt man hittills inte lyckats knäcka.

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.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.

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.

Många enzymer tillverkas som fysiologiskt inaktivaproenzymer,även kallade zymogener, vilka ligger vilande i väntan på att bli aktiverade. Proenzymet aktiveras genomproteolytisk aktivering,då ettproteasklyver 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, ärinhibitorersom binder enzymet och håller det inaktivt.

Specificitet

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/hydrofobaegenskaper hos enzymer och substrat. Enzymer kan också uppvisa mycket noggrannsterisk specificitet,regioselektivitetochkemoselektivitet.

Några av de enzymer som visar högst specificitet och noggrannhet är involverade ireplikerandetochuttryckandet av genomet,det vill säga proteinsyntesen. Dessa enzymer har korrekturläsningsmekanismer (på engelska:proof-reading). ExempelvisDNA-polymerasutför först katalysen i ett steg, och kontrollerar sedan i andra steget att produkten är korrekt.Denna tvåstegsprocess resulterar i en genomsnittlig felfrekvens på mindre än ett fel per 100 miljarder reaktioner hos de noggrannare typerna av polymeras hos däggdjur.Liknande korrekturläsningsmekanism finns även hosRNA-polymeraser,aminoacyl-tRNA-syntetasochribosomer.

"Nyckeln i låset" -modellen

Enzymer är mycket specifika. Nobelpristagaren och organkemistenHermann Emil Fischerföreslog 1894 att detta kunde bero på att både enzymet och substratet besitter specifika och komplementära geometriska former som mycket precist passar ihop.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 Koshlanden modifiering av denna modell. Eftersom enzymer har flexibel struktur kommer det aktiva centret att förändras till följd av interaktioner mellan substrat och enzym.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.Det aktiva centrumet fortsätter att förändras till dess att substratet är fullständigt bundet.Koshlands modell kallas ofta "inducerad passform" och är den modell som idag är allmänt accepterad.

Alloster reglering

Allostera centrum är ställen på enzymer som binder molekyler i sin omgivning icellenmed svaga,icke-kovalenta bindningaroch orsakar på så vis enkonformationsändringav enzymet. Ändringen i konformation påverkar det aktiva centrumet och därigenom även enzymets reaktionshastighet.Allostera interaktioner kan både hämma och aktivera enzymer. Många av kroppens enzymer regleras allostert.

Kofaktorer och koenzymer

Kofaktorer

Många enzymer behöver binda till molekyler som inte är protein för att kunna uppvisa aktivitet. Dessa kallas kofaktorer.Kofaktorer kan antingen varaoorganiska(exempelvis metalljoner och kol-svavel-kluster) ellerorganiska(exempelvisflavinochhem). 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,NADPHochadenosintrifosfat.Dessa molekyler överför kemiska grupper mellan enzymer.

Ett exempel på enzym som innehåller en kofaktor ärkarboanhydras,som illustreras ovan med en zink-kofaktor inbunden som en del av dess aktiva centrum.Dessa hårt bundna molekyler återfinns just oftast i det aktiva centrumet och deltar i katalysen.

Enzymer som behöver en kofaktor kallas när den inte har bundit någon sådan förapoenzymerellerapoproteiner.Ett apoenzym tillsammans med dess kofaktor(er) kallasholoenzym(den aktiva formen). De flesta kofaktorer är intekovalent bundnatill ett enzym utan ligger bara väldigt tätt intill. Det finns dock organiska prostetiska grupper som kan binda kovalent (exempelvistiaminpyrofosfati enzymetpyruvatdehydrogenas). Termenholoenzymkan också appliceras på enzymer som innehåller flerasubenheter,såsomDNA-polymeras;här är holoenzymet det fullständiga komplexet innehållande alla subenheter som behövs för aktivitet.

Koenzymer

Kalottmodellav koenzymet NADH

Koenzymer är små organiska molekyler som kan transportera kemiska grupper från ett enzym till ett annat.Många koenzymer tillverkas utifrånvitaminer,exempelvisFADHfrånriboflavinochtetrahydrofolatfrånfolsyra.

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 iATPvarje dag.

Termodynamik

Energierna vid olika steg i enkemisk reaktion.Substraten behöver mycket energi för att nåövergångsstadietför 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 avATPtill att driva andra kemiska reaktioner.

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.

$\mathrm {CO_{2}+H_{2}O{\xrightarrow {Karboanhydras}}H_{2}CO_{3}}$(ivävnader;hög CO₂koncentration)

$\mathrm {H_{2}CO_{3}{\xrightarrow {Karboanhydras}}CO_{2}+H_{2}O}$(ilungor;låg CO₂koncentration)

Om en jämvikt förskjuts mycket i en riktning, alltså i en kraftigtexergon reaktion,är reaktioneni principirreversibel. Under dessa förhållanden kommer enzymer främst katalysera reaktionen i den termodynamiskt fördelaktiga riktningen.

Biologisk funktion

Enzymer har en mängd olika funktioner inuti levande organismer. De är oumbärliga försignaltransduktionoch reglering av olika processer icellen,ofta viakinaserochfosfataservilka sätter på och tar avfosfatgrupper.

Vissa enzym kan generera rörelse. MusklernasmyosinhydrolyserarATPför att genereramuskelkontraktion,och enzymer icellskelettettransporterar molekyler i cellen.

ATPaserär en klass enzymer som katalyserar klyvning av ATP. ATPaser icellmembranetfungerar somjonpumparinvolverade iaktiv transport,då joner pumpas motkoncentrationsgradienten.

Mer ovanliga funktioner med enzymer inblandade är hur enzymetluciferasgenererar ljus ilysmaskar.

Viruskan innehålla enzymer för att kunna utföra vissa uppgifter, såsomHIV-integrasochomvänt transkriptasför att kunna infektera värdceller.Influensa-viruset innehållerneuraminidasför att viruset ska kunna sättas fritt från cellerna.

Glykolytiska enzymer och deras funktion i den viktigaglykolysen.

Enzymer är mycket viktiga i djursmatspjälkningssystem.Enzymer så somamylaserochproteaserbryter ner större molekyler (stärkelseochproteinrespektive) så att de kan absorberas i tarmarna. Stärkelsemolekylerna hydrolyseras exempelvis till de mindre molekylernamaltosoch till slutglukos,som kan absorberas. Olika enzymer bryter ner olika molekyler. Hosidisslaresom enbart lever på växtdelar producerar mikroorganismer i tarmen enzymetcellulasför att möjliggöra nedbrytning av cellulosan i växternascellväggar.

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 processenglykolysenskulle exempelvis aldrig kunna existera utan enzymer. Som ett exempel kan glukos i glykolysens första steg reagera direkt med ATP därigenom blir dess kolfosforylerade.Saknas enzymer sker dock denna reaktion så långsamt att den blir obetydlig. Om man istället tillsätterhexokinastill reaktionen sker samma långsamma fosforyleringar av kolen ske, med undantag för fosforyleringen av kol 6 som tack vare katalys sker mycket snabbt. Om lösningen undersöks efter en liten stund finner man attglukos-6-fosfatär den enda reaktionsprodukten som hittas i nämnvärd mängd.

Namngivning och klassificering

Enzymers namn brukar sluta på-as.Oftast har de fått namn från det substrat eller den kemiska reaktion det katalyserar, exempelvislaktassom bryter ner mjölksockretlaktos,alkoholdehydrogenassom bryter neralkoholi 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 egenskapereller genomimmunokemiskametoder. 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 omvandlaglukostill sötningsmedletfruktos.Under fysiologiska förhållanden är samma enzym ettxylosisomeras.

International Union of Biochemistry and Molecular Biology(IUBMB) har utvecklat ennomenklaturför enzymer,EC-nummer,där varje enzym beskrivs med en sekvens på fyra siffror föregångna av "EC". Det första numret är en grovklassificering beroende på vad enzymet gör.

Första klassificeringen är som följande:

• EC 1Oxidoreduktaser:katalyseraroxidations- och reduktionsreaktioner
• EC 2Transferaser:överförfunktionella grupper(exempelvis metyl- eller fosfatgrupper)
• EC 3Hydrolaser:katalyserarhydrolysav olika kemiska bindningar
• EC 4Lyaser:klyver olika kemiska bindningar på andra sätt än hydrolys och oxidation
• EC 5Isomeraser:katalyserarisomeriskaändringar inom en molekyl
• EC 6Ligaser:katalyserar bildning avkovalenta bindningarmellan två molekyler

Utöver detta klassificeras enzymen in i underklasser.

Vissa webbservrar, såsomEzyPredoch andra verktyg inombioinformatikhar utvecklats för att förutsäga vilken huvudklassoch underklassett enzym tillhör bara genom att analysera dessproteinsekvens.

Industriell tillämpning

Enzymer används i denkemiska industrinoch i andra industriella tillämpningar. Den industriella användningen av enzymer begränsas dock av enzymets naturliga specificitet för substrat, alltså vilka reaktioner de kan katalysera, och eftersom inte alltid fungerar vid andra betingelser än fysiologiska (exempelvis iorganiska lösningsmedeleller vid höga temperaturer). Inom fältetproteinteknikgörs försök att skapa nya enzymer med önskade egenskaper.Dessa ansträngningar har börjat bära frukt. Några enzymer har designats från grunden för att katalysera reaktioner som inte sker i naturen.

Applikation	Enzymer som används	Användning
Livsmedelsindustrin Amylaser katalyserar spjälkning av stärkelse till enkla sockerarter.	Amylaserfrånsvamparoch växter.	Produktion av sockerarter frånstärkelse,exempelvis tillverkning avglukossirap. I bakning, katalyserar nedbrytningen av stärkelse imjöltill socker. Jäsningav socker med jäst bildar koldioxid som reser degen.
	Proteaser	Kextillverkare använder dem för att minska proteinhalten i mjölet.
Barnmat Barnmat kan prepareras för att underlätta matsmältningen.	Trypsin	För att för-spjälka vissa proteiner i barnmat.
Ölbryggning Groendekornsom ska bli malt.	Enzymer frånkornfrisätts under mäskfasen vid ölproduktion.	Bryter ner stärkelse och proteiner och bildar enklasockerarter,aminosyrorochpeptidersom används av jäst för jäsning.
	Industriellt producerade korn-enzymer	Vanliga i bryggprocesser som ersättning för de naturliga enzymerna i korn.
	Amylaser, glukanaser, proteaser	Delar polysackarider och proteiner imalten.
	γ-Amylaseand pullulanaser	Låg-kalori-öl och justering av jäsförmåga.
	Proteaser	Motverka grumlighet vid lagring av öl.
	Acetolaktatdekarboxylas	Förbättrar jäsningens effektivitet genom att minska bildandet avdiacetyl.
Juicer Juicen kan bli klarare med hjälp av enzymtillsatser.	Cellulaser,pektinaser	Gör juicer klarare.
Mejeriprodukter Roquefortost	Rennin,utvunnet från unga djur såsom kalv och lamm.	Tillverkning av ost, används för atthydrolyseraproteiner.
	Lipaser	Används vid produktionen av exempelvisRoquefortostför att fåblåmögelostenatt mogna bättre.
	Laktaser	Bryter nerlaktostillglukosochgalaktos.
Mörning Bilder 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.	Papain	För att möra kött genom att bryta ner proteiner.
Stärkelseindustrin Stärkelse består av kedjor av glukos som antingen är raka eller grenade. Många glukos i rak rad bildar stärkelsemolekylenamylos,som visas på bilden.	Amylaser, amyloglukosidaser och glukoamylaser	Omvandlarstärkelsetill glukos och olikainvertsocker.
	Xylosisomeras	Omvandlar glukos tillfruktosvid produktion avisoglukoserfrån stärkelsematerial. Dessa isoglukoser är bättre sötningsmedel och lägre kaloriantal än sukroser med samma sötma.
Massa- och pappersindustri Ett pappersbruk iSouth Carolina,USA.	Amylaser,xylanaser,cellulaser ochligninaser	Bryter ner stärkelse för att minska dessviskositetoch hjälper på så vissizingoch täckande av pappret.
Biobränslen Encellulosamolekyli 3D.	Cellulaser	Används för att bryta nercellulosatill olika sockerarter som sedan kan fermenteras.
	Ligninaser	För att kunna använda restprodukter avlignin.
Biologiskalösningsmedel Enzymer används i tvättmedel för att ta bort fläckar från kläder.	Främst proteaser produceradeextracellulärtavbakterier.	Används i lösningar för borttagande av proteinfläckar på kläder.
	Amylaser	Används i bland annatdiskmedelför att ta bort fläckar baserade på stärkelse.
	Lipaser	Används för att underlätta borttagande av fett- och oljefläckar.
	Cellulaser	Används isköljmedel.
Linsvätska Linsvätska används för att rengöra linser och på så vis undvika infektioner.	Proteaser	Borttagande av proteiner från kontaktlinser för att förhindra infektioner.
Gummiindustrin	Katalas	För att genererasyrefrånperoxidför att omvandlalatextill gummi.
Fotografi Silver kan återanvändas från fotografisk film.	Proteaser	Löser uppgelatinfrånfilmför att kunna återanvända dess innehåll avsilver.
Molekylärbiologi Del avDNA-spiralen.	Restriktionsenzymer,DNA-ligasochpolymerasermed flera.	Används för att manipulera DNA inomgenteknik,något som är viktigt inom bland annatfarmakologi,jordbruk,kriminalteknikochmedicin.Enzymerna är essentiella för tekniker såsomrestriktionsklyvningochPCR.

Se även

• Ribozym
• Proteomik
• Proteinteknik
• Livets uppkomst

Referenser

Den här artikeln är helt eller delvis baserad på material frånengelskspråkiga Wikipedia,Enzyme,tidigare version.

Externa länkar

• Wikimedia Commons har media som rörEnzym.
  Bilder & media
• Enzyme Structures Database,en databas som ger tillgång till samtliga 3D-strukturer iProtein Data Bank (PDB).
• MetaCyc,en databas med över 1670 metabola reaktionsvägar från fler än 2100 organismer.
• Brenda,en databas med bred information kring enzymer.
• ExPASy ENZYME,en sökverktyg främst iSwiss-prot,men länkar även andra databaser och annan litteratur.
• IUBMB,International Union of Biochemistry and Molecular Biology tillhandahåller en rekommenderad nomenklatur och klassificering av enzymer.