mini|desno|200px| Glioksalaza I čovjeka.Dva iona cinka koji su potrebni peilikom djelovanja enzima, prikazani su kao ljubičaste kuglice. Inhibitor enzima S-heksiglutation je prikazan kao prostorno-popunjavajući modul, u dva aktivna mjesta. thumb|desno|200px|Precizna mjesta vezanja enzima za podlogu i kofaktor.Struktura dijela mitohondrijske akonitaze: katalitski centar sa Fe4S4 klasterom (sredina, dolje) izocitrata (ICT) (Enzim prstenasto okružuje narednu aminokiselinu enzima). thumb|desno|200px|Dijagram konfiguracije enzimske molekule. thumb|desno|200px|Model enzima triosefosfatizomeraza (TIM) za glikolizu, stilizirani prikaz strukture proteina, dobivene kristalnom strukturnom analizom analizom. Smatra se da je TIM katalitski savršen enzim (pogledajte odjeljak kinetika ovog članka). Enzim (grč. ένζυμο, énsimo = kvasac) je svaki protein sposoban da katalizira neku biohemijsku reakciju u živim organizmima.Kornberg A. (1989): For the love of enzymes – The Odyssay of a biochemist. Harvard University Press, Cambridge (Mass.), London, , .
Reakcije koje se dešavaju u organizmu ne mogu uvijek same de se završe, a u tom slučaju im pomažu enzimi. Svaka biohemijska reakcija ima svoj posebni enzim, mada postoje i enzimi koji mogu katalizirati (pomoći, ubrzati) par reakcija više. Enzimi su prema reakcijama koje kataliziraju podijeljeni u šest grupa i svi oni imaju svoju oznaku u međunarodno prihvaćenom indeksu. Za enizme se često upotrijebljava i naziv fermenti. Nauka koja proučava enzime označava se kao enzimologija.Schomburg I. et al. (2013): BRENDA in 2013: integrated reactions, kinetic data, enzyme function data, improved disease classification: new options and contents in BRENDA. Nucleic Acids Research, 41: Database issue: D764-72.Radzicka A., Wolfenden R. (1995): A proficient enzyme. Science, 267 (5194): 90–931.Callahan B. P., Miller B- G. (2007): OMP decarboxylase — An enigma persists. Bioorganic Chemistry, 35 (6): 465–469. thumb|desno|200px|Enzim glukozidaza pretvara šećar maltozu u glukozu. Aktivno mjesto ostatka (crveno), maltozni supstrat (crno) i kofaktor NAD (žuto). Dijagram glikozidaze sa strelicom koja pokazuje cijepanje maltoznog šećernog supstrata u glukozne proizvode.
Prisutnost enzima omogućuje složene hemijske cikluse u organizmima uključujući i one koje organizmi koriste za metabolizam. Naprimjer, pepsin i tripsin se koriste u procesu probave proteina.
Poznato je da enzimi kataliziraju više od 5.000 vrsta biohemijskih reakcija. Većina enzima su proteini, iako ih je nekoliko u kategoriji katalitskih molekula RNK. Posebnost enzima potiče iz njihove jedinstvene trodimenzionalne strukture.
Kao i svi katalizatori, enzimi povećavaju stopu reakcije, smanjenjem svoje aktivacijske energije. Neki enzimi mogu pretvaranje supstrata u proizvod učiniti na milione puta bržim. Ekstremni primjer je orotidin 5'-fosfat dekarboksilaza, koja omogućava reakciju koja bi inače trajala milione godina da se obavi u milisekundi. Hemijski, enzimi su kao i svaki katalizator i ne troše se u hemijskim reakcijama, niti se njima mijenja ravnoteža reakcije. Enzimi se razlikuju od većine drugih katalizatora tako što djeluju mnogo konkretnije. Aktivnost enzima može biti pod utjecajem drugih molekula: inhibitori su molekule koje smanjuju aktivnost enzima, a aktivatori su molekule koje povećavaju aktivnost. Mnogi lijekovi i otrovi su inhibitori enzima. Izvan njihove optimalne temperature i pH, aktivnost enzima se znatno smanjuje.Bugg T. (1997): An introduction to enzyme and coenzyme chemistry. Blackwell Science, Oxford, .Alberts B. (2002)ː Molecular biology of the cell Garland Science, New York, .Lindhorst T. (2007): Essentials of carbohydrate chemistry and biochemistry. Wiley-VCH, 3527315284}}Robyt F. (1997): Essentials of carbohydrate chemistry. Springer, . Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, .
Neki enzimi se koriste u komercijalne svrhe, naprimjer, u sintezi antibiotika. Neki proizvodi za domaćinstvo imaju enzime koji pomažu u ubrzanju hemijske reakcije: enzimi u biološkim prašcima za pranje razgrađuju mrlje na odjeći koje potiču od proteina, skroba ili masti, a proteine u mesu, profesionalna hemija enzimima razbija u manje molekule, pa ga je lakše žvakati.
Etimologija i historija
alt=Photograph of Eduard Buchner.|mini|180px|lijevo|Eduard Buchner. Do kraja 17. i početkom 18. vijeka, bila je poznata probava mesa u želudačnoj tečnosti i djelovanje biljnih ekstrakata i pljuvačke pri pretvaranju škroba u šećere, ali mehanizmi pomoću kojih se to događa nisu još otkriveni.
Francuski hemičar Anselme Payen je bio prvi koji je otkrio enzim, dijastazu, 1833. Nekoliko desetljeća kasnije, kada je proučavao fermentaciju šećera u alkohol pomoću kvasca, Louis Pasteur je zaključio da je ova fermentacija uzrokovana vitalnom silom koja se nalazi u ćelijama kvasca, pod nazivom "fermenti", za koje se mislilo da djeluju samo unutar živih organizama. On je napisao da je "alkoholna fermentacija čin međuodnosa sa životom i organizacije ćelije kvasca, a ne sa smrću ili truljenjem ćelija.de Réaumur R. A. (1752): Observations sur la digestion des oiseaux. Histoire de l'academie royale des sciences, 1752: 266, 461.http://etext.lib.virginia.edu/toc/modeng/public/Wil4Sci.html : Williams H. S. (1904): A history of science: in five volumes, IV: Modern Development of the Chemical and Biological Sciences, Harper and Brothers.
U 1877., njemački fiziolog Wilhelm Kühne (1837.-1900.) prvi je koristio termin enzim, koji dolazi iz grčkog νζυμον = kvasac, koji opisuje ovaj proces. Riječ enzim je kasnije koristi i kada se tiče neživih materija, kao što su pepsin , a riječ fermentacija ili previranje se koristi kada se odnosi na hemijske aktivnosti u produkciji živih organizama.
Eduard Buchner je 1897. objavio prvi rad na proučavanju kvaščevih ekstrakata. U nizu eksperimenata na Univerzitetu u Berlinu, otkrio je da je šećer fermentira je čak i kad nije bilo svakodnevnog prisustva ćelija kvasca u u smjesi. Enzim koji je izazvao fermentaciju saharoze označio je kao "zimaza". Godine 1907., dobio je Nobelovu nagradu za hemiju za "njegovo otkriće fermentacije bez ćelija". Nakon Buchnerovog primjera, enzimi se obično nazvaju prema reakciji koju obavljaju, uz sufiks –aza, u kombinaciji s imenom podloge (npr. laktaza je enzim koji cijepa laktozu) ili na vrstu reakcije (npr. DNK polimeraza katalizira sintezu DNK polimera). U ranim 1900-im, biohemijski identitet enzima je i dalje nepoznat. Mnogi naučnici su primijetili da je enzimska aktivnost bila povezana sa proteinima, ali drugi (kao što je dobitnik Nobelove nagrade Richard Willstätter) su tvrdili da su proteini samo nosioci za prave enzime i da proteini po sebi nisu bili sposobni za katalizu. Godine 1926., James B. Sumner je pokazao da je enzim ureaza bila čisti protein i kristalizirao ga, a isto je učinio i za enzimom katalaz, 1937. Da čisti proteini mogu biti enzimi pokazali su John Howard Northrop i Wendell Meredith Stanley, koji su radili na probavnim enzimima: pepsinu (1930.), tripsinu i himotripsinu. Ova tri naučnika 1946. dobili su Nobelovu nagradu za hemiju. He named the enzyme that brought about the fermentation of sucrose "zymase". See Chapter 1, especially page 9.
Otkriće da enzimi mogu biti kristalizirani omogučilo je da se struktura eventualno može upoznati pomoću kristalografije X-zrakama. Ovo je prvi put učinjeno sa lizozimom, enzimom koji se nalazi u suzama, pljuvački i bjelancetu koji razlaže bris nekih bakterija. Strukturu je riješila istraživačka grupa koju je predvodio David Chilton Phillips, a objavljena je 1965. Ova struktura visoke rezolucije lizozima označila je početak područja strukturne biologije i napora da se shvati kako enzimi djeluju na razini atomskih detalja.
Struktura mioni|thumb|250px|desno|Lizozim prikazan kao neprozirna loptasta površina s naglašenim rascjepom u koji se podobno uklapa supstrat prikazan kao dijagramski štap |Primjer organizacije strukture enzima i lizozima. Vezivanja su u plavoj, crvenoj boji, a katalitsko mjesto na peptidoglikanskoj podlozi su u crnoj boji. ()
mini| Enzim mijenja oblik po mjeri vezujućeg oblika podloge u kompleks enzim-supstrat kompleks. S heksozakinaza ima veliko inducirano prilagodbeno mjesto koje zatvara preko podloge adenozintrifosfata i ksiloze. Vezivanja su u plavoj, podloge u crnoj a Mg2+ kofaktor u žutoj boji () Enzimi su uglavnom globuloliki (loptasti) proteini, a djeluju samostalno ili u većim jedinjenjima. Kao i svi proteini, enzimi su linearni lanci aminokiselina koji presavijanjem dobijaju trodimenzionalnu strukturu. Sekvenca aminokiselina određuje strukturu koja zauzvrat određuje katalitsku aktivnost enzima. Iako struktura određuje ulogu enzima, a njegova aktivnost se još ne može predvidjeti samo iz njegova strukture. Pri zagrijavanju ili izlaganju djelovanja hemijskih agenasa, enzimske strukture su podložne denaturaciji i taj poremećaj strukture obično dovodi do gubitka aktivnosti. Denaturacija enzima je normalno povezana sa temperaturama iznad normalne razine vrsta. Kao rezultat toga, enzimi iz bakterija koje žive u vulkanskim sredinama, kao što su vruća vrela su cijenjeni od strane industrijskih korisnika, zbog njihove sposobnosti da djeluju na visokim temperaturama. To omogućava ovako kataliziranim reakcijama da se odvijaju po vrlo visokoj stopi.
Molekule enzima su obično mnogo veća od molekula njihove podloge. Veličine se kreću u rasponu od samo 62 ostatka aminokiselina, za monomer 4-oksalokrotonat tautomerazu, do više od 2,500 ostataka u sintezi životinjskih masnih kiselina. Samo mali dio njihove strukture (oko 2-4 aminokiseline) su direktno uključene u katalizu: katalitsko mjesto, koje se nalazi pored jednog ili više mjesta vezivanja, gdje ostaci orijentiraju podlogu. Katalitsko mjesto i obavezujuće mjesto zajedno čine aktivno mjesto enzima. Preostali veći dio strukture enzima služi za održavanje precizne orijentacije i dinamike djelovanja aktivnog mjesta.
Neki enzimi poput neaminokiselina su direktno uključene u katalizator. Umjesto toga, enzim sadrži mjesta vezivanja i orijentacije katalitskog kofaktora. Struktura enzima može sadržavati alosterne lokacije, gdje vezivanje male molekule izaziva konformacijsku promjenu, koja povećava ili smanjuje aktivnost. Postoji mali broj molekula RNK, koje se na osnovu sposobnosti biološke katalize nazivaju ribozimi, koji mogu djelovati samostalno ili zajedno sa proteinima. Najčešći od njih je ribosom, koji je jedinjenje proteina i katalitske komponente RNK.
Mehanizam mini|350px|Model inducirane prilagodbe enzima za odgovarajući supstrat.
Vezivanje podloge Prije nego što počnu katalizirati bilo koju hemijsku reakciju, enzimi se moraju vezivati za njihovu podlogu. Enzimi su obično vrlo specifični za određene podloge, za koje se vežu a zatim kataliziraju hemijske reakcije. Specifičnost se postiže obavezujućom prazninom (usjekom) koji je komplementarnog oblika, za popunjenjavanje i hidrofilnom /hidrofobnom izbočinom podloge. Enzimi stoga mogu razlikovati vrlo slične molekule materijala koji su hemoselektivne, regioselektivne i stereospecifične.)
Neki od enzima pokazuju najveću specifičnost i tačnost kada su uključeni u kopiranje i izgradnju novog genoma. Neki od ovih enzima se pojavljuju u mehanizmima "lekture". Tako, enzim kao što je DNK polimeraza katalizira reakciju u prvom koraku, a zatim u drugom koraku, te provjerava da li je proizvod ispravan. Ovaj proces u dva koraka dovodi do prosječne stope greške manje od 1/100 miliona reakcija kod polimeraze sisara. Slični mehanizmi popravke se također nalaze i kod RNK polimeraza, aminoacil-tRNK sintetaze i ribosoma.