Ензимите са молекули, които катализират биохимични процеси в клетката.Smith AD (Ed) et al. (1997) Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology Oxford University Press. ISBN 0-19-854768-4Garrett RH, Grisham CM. (1999) Biochemistry, Second Edition Saunders College Publishing. 426 – 427. ISBN 0-03-022318-0 Типичните ензими представляват белтъци или белтъчни комплекси, но съществуват и рибонуклеинови киселини с ензимна функция – т.нар. рибозими. Синтетични молекули, наречени изкуствени ензими, също показват каталитични способности.
С помощта на ензимите биохимичните реакции в организма могат да бъдат ускорени до 1 000 000 пъти. Принципът на действие включва снижаването на енергетичната бариера за протичането на дадена реакция до стойности, гарантиращи осъществяването на процеса, без това да влияе на термодинамичното равновесие. Именно тази основна функция на ензимите, както и възможностите за контрол върху ензимното действие ги правят важен компонент на всяка жива система.
Открити са над 4000 ензима, а повече от 1000 са сравнително добре описани.
Етимология и кратка история на ензимологията Произходът на думата ензим идва от гръцкото „en zymē“, означаващо „в мая“. Понятието е въведено през 1878 г. от Вили Кюне първоначално за описание на последователност от неизвестни процеси, но съвременното му значение включва обозначаването на отделни биологично активни молекули. Като синоним на ензим в българския език се използва и фермент (субстанция, предизвикваща ферментация). Постепенно в научната литература думата фермент губи своята популярност.Колев, Д., Ензимология, изд. „Наука и изкуство“, София, 1988
Първите стъпки в познанието за същността на ензимите датират от края на 18 и началото на 19 век, когато било забелязано, че определени животински или растителни екстракти могат да разграждат хранителни вещества, но по това време деликатният механизъм на протичащите процеси бил неизвестен.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) Посетен на 4 април 2007
Началото на науката за строежа и функцията на ензимите – ензимолология, поставя Луи Пастьор с изследванията си върху алкохолната ферментация. Луи Пастьор стига до извода, че ферментацията е функция на живи системи, каквито са дрождевите клетки, и е невъзможна без тяхното участие. Виталистичната убеденост на Пастьор постулира участието на жива сила (vis vitalis), която той нарича фермент.
През 1897 г. Едуард Бухнер показва, че процесът на ферментация се дължи на определени вещества в самата клетка.Nobel Laureate Biography of Eduard Buchner at nobelprize.org Посетен на 24 май 2008 Бухнер открива също, че тези вещества са относително нестабилни и могат да бъдат инактивирани при ниски температури.
Макар и по това време ензимите да не са били достъпни в чиста форма, работите върху механизма на действие позволяват в началото на 20 век да се оформят и първите хипотези за белтъчната природа и фината структура на ензимите, както и да се направят първите математически модели на ензимна кинетика.
Окончателното отхвърляне на хипотезата за живата сила и потвърждаването на белтъчната природа на ензимите става след изолирането на първите ензими – уреаза (през 1926 г. от Джеймс Съмнър), пепсин и трипсин (през 1929 г. от Джон Нортроп). През 1946 г. Съмнър и Нортроп заедно с Уендел Станли получават Нобелова награда за химия за пречистването и кристализирането на ензими.1946 Nobel prize for Chemistry laureates at nobelprize.org. Посетен на 4 април 2007.
Откритието, че ензимите могат да кристализират, дава възможност структурата им да бъде изследвана чрез рентгенова кристалография. Това е направено за пръв път с лизозима – ензим, съдържащ се в сълзите, слюнката и яйчения белтък. Структурата му е описана от група, ръководена от Дейвид Чилтън Филипс, през 1965 г. Именно тази висококачествена структура на лизозима поставя началото на клон от биологията, известен като структурна биология, и дава една от най-ранните представи за това, как ензимите осъществяват своето каталитично действие.
Структура С изключение на малка група каталитично активни РНК молекули, всички познати ензими са белтъци. Като типични белтъци ензимите са изградени от линейното подреждане на аминокиселини в полипептидни вериги. Дължината на тези вериги варира от стотина до десетки хиляди аминокиселини. Функцията на ензима зависи не само от правилното подреждане на отделните аминокиселини, но преди всичко от триизмерното нагъване на полипептидната верига в пространството.
Често се наблюдава и асоцииране на няколко отделни протеина в самостоятелна единица, функционираща като едно цяло. В този случай ензимите се наричат олигомери – съставени от отделни независими белтъци.
В зависимост от строежа си ензимите се разделят на две групи: Еднокомпонентни ензими – изградени само от прости белтъци. При хидролиза дават смес от аминокиселини. Двукомпонентни ензими (холоензими) – хидролизата им води до получаването на два компонента – белтъчна компонента – апоензим, и небелтъчна (нискомолекулна) компонента – кофактор.
В рамките на апоензима се открояват няколко важни функционални участъка: Активният (каталитичен) участък е мястото на осъществяване на самата каталитична реакция и пряката връзка със субстрата. Често това са малко на брой аминокиселини, приближени пространствено при нагъването на полипептидната верига. Свързващ участък – разположен в близост или около активния участък и представляващ областта на допълнителна връзка между субстрата и самата ензимна молекула (обикновено с поддържаща функция). Регулаторен участък (незадължителен) – това са области от белтъка, където взаимодействието с други регулаторни молекули променя конформацията на ензима и влияе върху неговото действие.
Кофакторите могат да бъдат разнообразни по природа и функции. Често са ковалентно свързани с белтъчната част и неразривно участват в каталитичния акт. Този тип се означава като простетична група. Ролята на простетични групи изпълняват малки органични съединения (тиамин-пирофосфат), както и метални катиони. Друг тип кофактори, наречени коензими, не са здраво свързани с ензима, но са необходими за функционирането му. Те се асоциират в момента на самата реакция, тъй като присъстват в големи количества в средата. Коензимите са също малки органични съединения (флавин, НАД, хем) или неорганични метални йони.
Механизъм на действие Ензимите катализират превръщането на определени химични съединения, наречени субстрати на реакцията, в съответни продукти. Процесът протича на няколко етапа, като се минава през създаването на ензимсубстратен комплекс, ензимпродуктен комплекс и се стига до получаването на реакционен продукт и отделяне на ензима:
Базова концепция в целия механизъм е т. нар. преходно състояние. Преходното състояние е хипотетичен момент, в който е протичането на реакцията в права посока (до получаване на продукт) или в обратна посока (до формирането на субстрат) е равновероятно. Това не е химично съединение, подобно на възможни междинни продукти, а представлява състояние на максимална енергия – напрегнатост на системата.
Ензимите могат да осъществят до няколко милиона каталитични цикъла (получаване на продукт, отделяне от продукта и свързване на нов субстрат).
Специфичност Ензимите обикновено са специфични както по отношение на реакцията, която катализират, така и по отношение на веществата, които влизат в нея. Специфичността се определя от съответствието във формата на субстрата и каталитичния участък на ензима, от привличането и отблъскването на повърхностните им електрични заряди и от съвпадението на съответни хидрофобни и хидрофилни области. Съществуват няколко типа специфичност на ензимното действие, присъщи в различна степен за отделните ензими:
Хемоспецифичност (групова специфичност) – специфичност по отношение на определени химични групи, присъстващи в субстрата. Региоспецифичност (реакционна специфичност) – специфичност по отношение на тип връзка, която се разкъсва или създава в течение на реакцията. Стереоспецифичност – специфичност по отношение на конфигурацията на молекулата с предпочитание към един или друг енантиомер.
За обяснение на наличието на специфичност по отношение на различни възможни изходни вещества първоначално била прилагана хипотезата на Емил Фишер за т. нар. структурно съответствие тип ключ-ключалка. Тя постулирала пълно структурно съответствие между субстрата и ензима, като субстратът буквално прилепва в активния център на ензима. Хипотезата не може да обясни стабилизацията на преходното състояние.
Корекцията на предложения от Фишер модел е направена от Даниел Кошланд през 1958 г., когато Кошланд предлага модела на индуцираното структурно сходство. Според него в момента на взаимодействие ензимът се нагажда конформационно към субстрата, за да се получи пълно съответствие.
При особено сложни субстратни молекули, каквито могат да са например цели белтъчни молекули, не е изключено и нагаждане на самия субстрат чрез конформационни промени в него самия.
Метаболитни пътища Някои от ензимите могат да работят заедно в специфичен порядък, образуващи метаболитни пътища (серия от химични реакции, осъществяващи се в клетката и катализирани от ензими). В тях един ензим взима продукта от друг ензим като начален субстрат. След каталитичната реакция продуктът се прехвърля на друг ензим. Крайният продукт от този метаболитен път е често инхибитор на един от първите ензими, което гарантира необратимост на реакцията и така се регулира количеството на крайния продукт, получен по този начин.
Най-общи механизми на инхибиране по тип обратна връзка: 1. Общ механизъм на инхибиране, където продукт P инхибира етапи (A->B). 2. Последователно инхибиране. Крайните продукти P1 и P2 инхибират първата фаза от техния индивидуален път (C->D или C->F). Ако двата продукта са в достатъчни количества, всички пътища от C са блокирани. Това води до изграждане на C, което, от своя страна, инхибира първата стъпка A->B. 3. Съгласувано инхибиране. Всеки краен продукт инхибира първата индивидуална фаза. Заедно те инхибират първата обща стъпка. 4. Ензимно наслагване. Всеки продукт инхибира първата индивидуална фаза, а един от ензимите прави първата обща фаза. 5. Натрупващо се инхибиране. Всеки краен продукт инхибира първата индивидуална фаза. Заедно те инхибират частично първата обща стъпка.
Термодинамика на ензимната реакция Подобно на всички други катализатори ензимите катализират само термодинамично възможни процеси. Това са спонтанни реакции, при които имаме негативна промяна на свободната енергия на Гибс. Ензимът не влияе на термодинамичното равновесие, но помага то да бъде достигнато значително по-бързо. Възможно е спонтанната некатализирана реакция да води до формирането на различен продукт от този при ензимкатализирана реакция, но това е избор на един от възможните реакционни пътища. Пример от класическата термодинамика е взаимодействие на въглерод и водород – възможните продуктите на реакцията са множество. Но ако същата реакция се катализира от хипотетичен ензим, той ще е специализиран за формирането на единствен продукт.
Ензимите могат да обединяват силно изгоден термодинамичен процес с реакция, която е термодинамично неизгодна. Сумарно процесът се нарича спрегната реакция. Често като избор за термодинамично изгоден процес се осъществява хидролизата на енергетически богато съединение (напр. АТФ), а отделената енергия се използва за създаването на нови химични връзки в други молекули.
Ензимът катализира както правата, така и обратната реакция до достигането на термодинамичното равновесие. Правата и обратната реакция не влияят върху равновесието, а само върху скоростта на достигането му. Например карбоанхидразата катализира следните две реакции в зависимост от началната концентрация на реагентите:
(в тъканите – висока концентрация на CO2); (в белите дробове – ниска концентрация на CO2).