آنزیم

آنزیم


مهمترین گروه از پروتئینها هستند که انجام واکنشهای بیوشیمیایی و سرعت بخشیدن به آنها را بر عهده دارند و به همین دلیل این ترکیبات کاتالیزگرهای زیستی نامیده می*شوند که به عنوان کاتالیزگرهای یاخته*ای نیز معروفند. آنزیمها ترکیباتی هستند که می*توانند سرعت واکنش را تا حدود 107 برابر افزایش دهند. آنزیم مانند یک کاتالیزگر غیر آلی میزان واکنش را با پایین آوردن انرژی فعال سازی واکنش لازم برای انجام واکنش تسریع می*کند و برخلاف آن انرژی فعال سازی را با جایرگزین کردن یک سد انرژی فعال سازی بزرگ با یک سد انرژی سازی کوچک پایین می*آورد. انجام سریع یک واکنش در موقعیت آزمایشگاهی به شرایط ویژه*ای مانند دما و فشار بالا نیاز دارد. لذا باید در یاخته که شرایط محیطی در آن کاملا ثابت است و انجام چنین واکنشهایی بسیار کند است، مکانیسمی دقیق وجود داشته باشد. این عمل بوسیله آنزیمها صورت می*گیرد.

کاتالیزورها در واکنشها بدون تغییر می*مانند، ولی آنزیمها مانند سایر پروتئین*ها تحت شرایط مختلف پایدار نمی*مانند. این مواد در اثر حرارت بالا و اسیدها و قلیاها تغییر می*کنند. کاتالیزورها تاثیری در تعادل واکنش برگشت پذیر ندارند، بلکه فقط سرعت واکنش را زدیاد می*کنند تا به تعادل برسند. آنزیم*ها با کاهش انرژی فعال سازی (activation) سرعت واکنش شیمیایی را افزایش می*دهند.

آنزیمها مولکولهای پروتئینی هستند که دارای یک یا چند محل نفوذ سطحی (جایگاههای فعال) هستند که سوبسترا یعنی ماده*ای که آنزیم بر آن اثر می*کند، به این نواحی متصل می*شود. تحت تاثیر آنزیمها ، سوبسترا تغییر می*کند و به یک یا تعدادی محصول تبدیل می*شود.


تاریخچه

کشف آنزیمها در واقع به پژوهشهای وسیع پاپن و پرسوز وابسته بود. آنان در سال 1833 موفق شدند از جو سبز شده ترکیبی را به نام مالت کشف کنند که نشاسته را به قند مبدل می*ساخت و این ترکیب را دیاستاز نامیدند که امروزه به نام آنزیم آمیلاز معروف است. چند سال بعد شوان برای نخستین بار آنزیم پپسین را که موجب گوارش گوشت می*شد، کشف کرد و همین طور ادامه پیدا کرد اما وکونه نخستین کسی بود که آنزیم را بجای دیاستاز بکار برد.
سیر تحولی و رشد

• بیشتر تاریخ بیوشیمی ، تاریخ تحقیق آنزیمی است. کاتالیز بیولوژیکی برای اولین بار در اواخر قرن 18 طی مطالعات انجام شده بر روی هضم گوشت توسط ترشحات معده انجام شد. بعد بوسیله تبدیل نشاسته به قندهای ساده توسط بزاق ادامه یافت. « لویی پاستور » گفت که تخمیر قند به الکل توسط مخمر بوسیله خمیر مایه کاتالیز می*شود.
• بعد از پاستور ، « ادوارد بوخنر » ثابت کرد که تخمیر توسط مولکولهایی تسریع می*گردد که بعد از جدا شدن از سلولها ، همچنان فعالیت خود را ادامه می*دهند. « فردریک کوهن » این مولکولها را "آنزیم" نامید.
• جداسازی و کریستالیزه کردن آنزیم « اوره آز » در سال 1926 توسط « جیمز سامند » منجر به رفع موانع در مطالعات اولیه آنزیم شناسی گردید.

ساختار آنزیمها

آنزیمها ماهیتی پروتئینی دارند و ساختار بعضی ساده یعنی از یک زنجیره پلی پپتیدی ساخته شده*اند و بعضی الیگومر هستند. ساختار بعضی از آنزیمها منحصرا از واحدهای اسید آمینه تشکیل یافته اما برخی دیگر برای فعالیت خود نیاز به ترکیبات غیر پروتئینی دارند که به نام گروه پروستتیک معروف است و این گروه می*تواند یک فلز یا یک کو آنزیم باشد و با آنزیم اتصال محکمی را برقرار می*کنند. بخش پروتئینی آنزیم (بدون گروه پروستتیک) آپوآنزیم نام دارد و مجموع آنزیم فعال از نظر کاتالیزوری و کوفاکتور مربوطه هولوآنزیم نام دارد.
طبقه بندی آنزیمها


آنزیمها را از نظر فعالیت کاتالیزی به شش گروه اصلی تقسیم می*کنند.

• اکسید و ردوکتازها :
  واکنشهای اکسید و احیا (اکسایش – کاهش) را کاتالیز می*کند (دهیدروژناز).
• ترانسفرازها : انتقال عوامل ویژه*ای مانند آمین ، فسفات و غیره را از مولکولی به مولکول دیگر به عهده دارند و مانند آمینو ترانسفرازها که در انتقال گروه آمین فعال هستند.
• هیدرولازها : واکنشهای آبکانتی را کاتالیز می*کنند. مانند پپتیدازها که موجب شکسته شدن پیوند پپتیدی می*شوند.
• لیازها : موجب برداشت گروه ویژه*ای از مولکول می*شوند. مانند دکربوکسیلازها که برداشت دی*اکسید کربن را برعهده دارند.
• ایزومرازها : واکنشهای تشکیل ایزومری را کاتالیز می*کنند. مانند راسه ماز که از L- آلانین ترکیب ایزومریD- آلانین را می*سازد.
• لیگازها : آنزیمهایی هستند که باعث اتصال دو مولکول به یکدیگر و ایجاد پیوند کووالانسی بین آنها می*شوند. مانند استیل کوآنزیم A سنتتاز که موجب سنتز استیل کوآنزیم A می*گردد.

طرز کار آنزیمها

از ویژگیهای مهم آنزیمها این است که پس از انجام هر واکنش و در پایان آن سالم و دست نخورده باقی می*مانند و می*توانند واکنش بعدی را کاتالیز کنند. در یک واکنش ساده ابتدا آنزیم (E) با ماده اولیه یا سوبسترا (S) ترکیب می*شود و کمپلکس آنزیم – سوبسترا می*دهد در مرحله بعدی با انجام واکنش ، فراورده یا محصول (P) ایجاد می*شود و آنزیم رها می*گردد.

P+E←→ES←→S+E

هر آنزیم بر سوبسترای ویژه خود اثر کرده و فرآورده ویژه*ای را تولید می*کند. به این منظور هر آنزیم ساختار سه بعدی ویژه خود را دارا است که آن را برای انجام فعالیت کاتالیزی مناسب می*سازد و بخشی از آنزیم که با سوبسترا بند و بست می*یابد، جایگاه فعال نام دارد و در مورد اتصال آنزیم به سوبسترا الگوهایی ارائه شده*اند که مدل کوشلند که الگوی القایی نام دارد و حالت دست در دستکش را دارد، نشان می*دهد. بطوری که محل اتصال حالت انعطاف پذیری دارد.
عوامل بازدارنده


بعضی از ترکیبات می*توانند با آنزیم – سوبسترا ترکیب و فعالیت سوبسترا ایجاد فرآورده اختصاصی سوبسترای آن را تحت تاثیر قرار دهند و در صورتیکه این ترکیبات موجب تشکیل نشدن فراورده شوند، به نام بازدارنده*های آنزیمی نامیده می*شوند که به سه نوع زیر موجودند.

1. بازدارنده*های رقابتی.
2. بازدارنده*های نارقابتی.
3. بازدارنده*های بی*رقابتی.

پروآنزیم یا زیموژن

برخی از آنزیمها ، ابتدا به صورت پروآنزیم یا زیموژن یا آنزیم غیر فعال در سلول ساخته می*شوند و برای شرکت در واکنش و پدیدار شدن خاصیت کاتالیزوری آنها ، باید بوسیله ماده دیگر به صورت فعال درآیند.
عمل متقابل آنزیم و سوبسترا

اگر چه می*توان آنزیم و سوبسترا را همانند قفل و کلید تصور کرد، اما این بدان معنی نیست که جایگاه فعال آنزیم ساختمانی سفت و غیر قابل انعطاف است. در بعضی از آنزیمها ، جایگاه فعال فقط بعد از اینکه ماده زمینه به آن متصل شد، دقیقا مکمل سوبسترا می*شود. این پدیده تناسب القایی نام دارد.
عمل اختصاصی آنزیمها

برخلاف کاتالیزورهای غیر آلی ، فعالیت آنزیم اختصاصی است، یعنی هر آنزیم می*تواند بر سوبسترای مشخص اثر کند. در عین حال درجات مختلفی از تخصص وجود دارد. علت اختصاصی بودن آنزیمها را باید در ساختار فضایی آن جستجو کرد. بعضی از آنزیمها می*توانند نه تنها بر روی یک سوبسترای معین اثر کنند، بلکه قادرند بر روی تمام موادی که دارای یک عامل شیمیایی هستند، موثر باشند. در این صورت کلیدی را که مثال زدیم می*توان به شاه کلیدی تشبیه کرد که قادر است تمام قفل درهای یک راهرو را باز کند.
نامگذاری آنزیمها در گذشته اسامی آنزیمها بر پایه تخصص آنها یا توان عملشان بر روی یک ماده خاص انتخاب می*شد. آنزیمهایی که پلی پپتیدها را به قطعات کوچکتری از زنجیرههای پپتیدی یا به اسیدهای آمینه تجزیه می*کنند، بطور کلی پروتئینازها ، نامیده می*شوند و ... .

در حال حاضر نامگذاری جدید آنزیمها بطور رسمی بر بنای پیشنهادات کنفرانسهای بین*المللی بیوشیمی صورت می*گیرد. در تقسیم*بندی جدید آنزیمها را بر حسب واکنشهای شیمیایی که رهبری می*کنند، به 6 گروه تقسم بندی می*کنند: اکسیدو ردوکتازها - ترانسفرازها - هیدرولازها - لیازها - ایزومرآزها و لیگازها. چشم انداز بحث مطالعه آنزیمها دارای اهمیت عملی بی*اندازه است. بسیاری از بیماریها بخصوص ناهنجاریهای ژنتیکی ارثی ممکن است به علت عبور یا عدم وجود یک یا چند آنزیم باشد. در مورد حالات دیگر بیماری علت ممکن است افزایش فعالیت یک آنزیم باشد. اندازه*گیری فعالیت آنزیمها در پلاسما ، گویچه*های قرمز خون یا نمونه*های بافتی در تشخیص بعضی از بیماریها دارای اهمیت است. بسیاری از داروها اثر خود را از طریق انجام واکنش با آنزیمها اعمال می*کنند. آنزیمها ابزار عملی مهمی در پزشکی ، صنعت شیمی ، پردازش مواد غذایی و کشاورزی هستند.