Enzymy


ze związanym substratem. Enzym ten katalizuje produkcję lipidowych cząsteczek sygnałowych
Enzymy – wielkocząsteczkowe, w większości białkowe<ref group="uwaga" name="definicja">Większość słowników, leksykonów i encyklopedii definiuje enzymy jako cząsteczki białkowe. Jednak obecnie znaczenie tego słowa jest rozszerzane na biokatalizatory ogólnie, w tym rybozymy i inne katalizatory niebiałkowe. Za przyjęciem tak rozszerzonej definicji przemawia m.in. fakt, że rybozymy mają nadawane numery zgodne z nomenklaturą EC, a także są katalogowane i nazywane zwyczajowo, jak enzymy białkowe. Zobacz też definicję terminu wg IUPAC.</ref>, katalizatory przyspieszające specyficzne reakcje chemiczne poprzez obniżenie ich energii aktywacji<ref></ref>.

Niemal wszystkie reakcje chemiczne związane z funkcjonowaniem organizmów żywych (a także wirusów) wymagają współudziału enzymów, by osiągnąć wystarczającą wydajność. Enzymy są wysoce specyficzne wobec substratów i wobec tego dany enzym katalizuje zaledwie kilka reakcji spośród wielu możliwych dla danych substratów. W ten sposób enzymy determinują procesy metaboliczne i biochemiczne związane z funkcjonowaniem organizmów żywych.

Jak wszystkie katalizatory, enzymy obniżają energię aktywacji (Ea lub ΔG‡) reakcji chemicznej, przyspieszając w ten sposób przebieg reakcji (patrz: Struktury i mechanizmy działania). Większość reakcji enzymatycznych (tj. z udziałem enzymów) przebiega miliony razy szybciej niż ich niekatalizowane enzymatycznie odpowiedniki. Jednym z najszybciej działających znanych enzymów jest anhydraza węglanowa. Jedna cząsteczka tego enzymu potrafi w sprzyjających warunkach w jedną sekundę uwodnić od 104 do 106 cząsteczek dwutlenku węgla<ref></ref>. Z kolei jedna cząsteczka jednego z najwolniejszych enzymów – lizozymu, katalizuje 1 akt elementarny co 2 sekundy<ref></ref>. Jak wszystkie katalizatory, również enzymy nie zużywają się w trakcie przebiegu reakcji, a także nie wpływają na ich równowagę. Enzymy różnią się od zwykłych katalizatorów, przejawiając znacznie większą specyficzność substratową. Aktywność enzymatyczna może być zatrzymana lub obniżona przez inne cząsteczki – inhibitory. Wiele leków i trucizn jest inhibitorami enzymów. Z kolei aktywatory enzymatyczne to cząsteczki zwiększające aktywność enzymów. Ponadto aktywność enzymów zależy od parametrów fizykochemicznych środowiska reakcji, takich jak: temperatura, pH, siła jonowa, obecność niektórych jonów i innych.

Znane są także biokatalizatory niebiałkowe<ref group="uwaga" name="definicja"/>. Należą do nich rybozymy, cząsteczki RNA o własnościach katalitycznych<ref></ref> oraz deoksyrybozymy (DNAzymy) – fragmenty DNA zdolne do katalizowania pewnych reakcji<ref></ref><ref></ref>. Enzymy niebiałkowe charakteryzują się nieco innymi mechanizmami reakcji i mniejszą różnorodnością katalizowanych reakcji, jednak ich kinetyka i mechanika działania może być analizowana i klasyfikowana za pomocą tych samych metod, jakie są używane dla enzymów białkowych. Istnieją ponadto sztucznie stworzone cząsteczki, zwane sztucznymi enzymami, które przejawiają podobną do enzymatycznej aktywność katalityczną<ref></ref>.

Liczne enzymy znalazły zastosowanie przemysłowe (patrz: Zastosowanie przemysłowe), m.in. w przemyśle spożywczym czy chemii leków. Wiele produktów używanych w gospodarstwach domowych zawiera enzymy w celu podniesienia wydajności ich działania, jak proszki do prania czy enzymatyczne wywabiacze do plam. Enzymy są także powszechnie używane we współczesnych naukach biologicznych i medycznych oraz w diagnostyce medycznej.

Badaniem enzymów i ich działania zajmuje się enzymologia.

Etymologia nazwy i historia odkrycia


Na przełomie XVIII i XIX wieku obserwowano już trawienie in vitro mięsa przez wydzieliny żołądka<ref name="Reaumur1752"></ref> oraz rozkład skrobi do cukrów prostych przez ekstrakty roślinne lub ślinę, jakkolwiek mechanizmy stojące za tymi procesami nie były znane<ref></ref>.

W XIX wieku, podczas studiów nad fermentacją cukrów do alkoholu przeprowadzaną przez drożdże, Louis Pasteur doszedł do wniosku, że reakcja ta jest ściśle powiązana z procesami życiowymi w drożdżach, którą nazwał "fermentem". Podejrzewano, że może być ona aktywna tylko w żywych organizmach ("nie ma fermentacji bez życia"). Pasteur odnotował, że "fermentacja alkoholowa jest procesem powiązanym z życiem i organizacją komórek drożdżowych, a nie ze śmiercią czy rozkładem komórek"<ref></ref>.

W 1878 roku niemiecki fizjolog Wilhelm Kühne, by opisać te procesy, ukuł termin enzym<ref></ref>, który pochodzi z greckiego i oznacza "w zaczynie". Później słowo enzym było używane w odniesieniu do substancji nieożywionych, jak chociażby pepsyna, a słowo ferment w odniesieniu do aktywności chemicznej wykazywanej przez organizmy żywe. W języku polskim oba terminy były stosowane wymiennie, przy czym ten ostatni jest obecnie archaizmem<ref></ref>.

W roku 1897 Eduard Buchner rozpoczął badania nad zdolnością ekstraktów drożdżowych do fermentacji cukrów przy nieobecności żywych komórek. Po szeregu eksperymentów przeprowadzonych na Uniwersytecie Humboldtów w Berlinie stwierdził on, że taka fermentacja jest możliwa<ref></ref>. Odkryty enzym przeprowadzający fermentację sacharozy nazwał zymazą<ref>
</ref>. W 1907 roku Eduard Buchner otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii "za swoje badania biochemiczne i odkrycie fermentacji bez udziału komórek". Zgodnie z nazwą pierwszego enzymu, obecna nomenklatura ich nazewnictwa, przewiduje tworzenie nazwy od reakcji, którą przeprowadzają (patrz: Konwencja nazewnictwa). Zazwyczaj dodaje się przyrostek -aza do nazwy substratu przetwarzanego w reakcji (np. laktaza to enzym przetwarzający laktozę) lub do ogólnej nazwy reakcji (np. polimeraza DNA to enzym syntezujący polimery DNA).


Po udowodnieniu, że enzymy mogą funkcjonować poza komórką żywą, następnym krokiem było opisanie ich natury biochemicznej. Wielu badaczy zaobserwowało, że aktywność enzymatyczna była w jakiś sposób związana z białkami, ale kilku naukowców (w tym laureat Nagrody Nobla Richard Willstätter) dowodziło, że białka nie mogą być jedynymi "nośnikami" aktywności enzymatycznej i same z siebie nie są zdolne do przeprowadzania katalizy. Jednak w 1926 roku, James B. Sumner udowodnił, że enzym ureaza to czyste białko i wyizolował je w formie krystalicznej. Powtórzył to także w 1937 roku dla katalazy. Ostateczny wniosek, że enzymy mogą być czystymi białkami, został potwierdzony przez Johna Howarda Northropa i Wendella Mereditha Stanleya, którzy pracowali nad enzymami trawiennymi – trypsyną i chymotrypsyną. Ta trójka naukowców została za swoje badania uhonorowana w 1946 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii<ref></ref>.

Odkrycie, że enzymy mogą być wykrystalizowane pozwoliło na późniejsze badanie ich struktur metodami rentgenografii strukturalnej. Pierwszym enzymem, którego strukturę rozwiązano w ten sposób, był lizozym, enzym obecny m.in. w łzach, ślinie i białku jaja. Dokonała tego w 1965 roku grupa Davida Phillipsa<ref></ref>. Uzyskanie trójwymiarowego modelu struktury lizozymu było początkiem biologii strukturalnej enzymów i zrozumienia mechanizmów ich działania na poziomie molekularnym.

W roku 1967 Carl Woese, Francis Crick i Leslie Orgel po raz pierwszy zasugerowali, że prócz białek<ref group="uwaga" name="definicja"/>, także RNA może przejawiać właściwości katalityczne<ref></ref>. Aktywność katalityczną RNA odkrył Thomas Cech w roku 1980 przy badaniu splicingu RNA oraz, niezależnie, Sidney Altman podczas badań nad bakteryjną RNazą P. Katalityczne RNA zostały zaobserwowane w samowycinających się sekwencjach intronowych genów. W 1989 roku Thomas Cech i Sidney Altman zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii za swoje odkrycie "katalizujących właściwości RNA"<ref></ref>. Termin rybozym, połączenie słów ryboza i enzym; po raz pierwszy został użyty w odniesieniu do tych cząsteczek przez Kelly Kruger i Thomasa Cecha w ich publikacji z 1982 roku<ref></ref>.

Struktury i mechanizmy działania

Enzymy są stosowane w przemyśle chemicznym, spożywczym i innych, głównie jako niezwykle specyficzne, bezpieczne w użyciu katalizatory. Jakkolwiek ich wadą jest wrażliwość na skrajne warunki (np. temperatura, pH), niestabilność w środowiskach innych niż wodne (np. rozpuszczalników organicznych) oraz stopniowa degradacja podczas użytkowania. Także wysoka specyficzność, istotna z punktu biologicznego, w przemyśle jest ograniczeniem ich uniwersalności. Stąd inżynieria białka jest dynamicznie rozwijającą się dziedziną nauki, zajmującą się badaniem i projektowaniem enzymów o nowych właściwościach lub poprawionej wydajności czy stabilności. Aktualne podejście do tego zagadnienia to ukierunkowane projektowanie lub ewolucja in vitro<ref></ref><ref></ref>. Obecnie enzymy produkowane są na skalę przemysłową, głównie z zastosowaniem mikroorganizmów modyfikowanych genetycznie<ref></ref>.

+ Przykłady zastosowania enzymów

!width=24% align=center Zastosowanie
!width=38% align=center Używane enzymy
!width=38% align=center Cel

style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" "2" Przemysł piekarniczy
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Grzybowe alfa-amylazy
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Katalityczne przyspieszenie rozkładu skrobi z mąki na krótsze cukry. Te z kolei są wykorzystywane przez drożdże piekarnicze zawarte w cieście, wskutek czego produkowany jest dwutlenek węgla, spulchniający ciasto. Używane w produkcji pieczywa białego, bułek itp.

Proteazy
Producenci ciastek używają ich do obniżenia poziomu białka w mące.

style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Jedzenie dla niemowląt
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Trypsyna
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Do wstępnego nadtrawiania jedzenia.

style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" "7" Browarnictwo, gorzelnictwo i przemysł winiarski używany do produkcji słodu
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Enzymy jęczmienne uwalniane są podczas przyrządzania zacieru przy produkcji piwa.
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Rokładają one skrobię i białka, uwalniając cukry proste i aminokwasy, służące następnie drożdżom w fermentacji.

Przemysłowo produkowane enzymy jęczmienne i drożdżowe
Używane jako substytuty naturalnych

Amylazy, glukanazy, proteazy
Rozkładają polisacharydy i białka zawarte w słodzie czy zacierze.

Betaglukozydaza
Poprawia proces filtrowania.

Amyloglukozydaza
Produkacja trunków niskokalorycznych.

Proteazy
Usuwają zmętnienia produktu.

Dekarboksylaza kwasu α-acetomlekowego (ALDC)
Poprawia wydajność fermentacji usuwając nadmiar biacetylu

style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Soki owocowe
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Celulazy, pektynazy
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Klarują soki (rozkład celulozy i pektyn).

style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" "4" Mleczarstwo
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Podpuszczka, izolowana z żołądków młodych przeżuwaczy (cielęta, owce).
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Produkcja serów, używane do hydrolizy białek.

Enzymy pochodzenia mikrobiologicznego
Zastępują te pochodzenia zwierzęcego.

Lipazy
Stosowane w produkcji sera Roquefort by usprawnić ich dojrzewanie.

Laktazy
Rozkład laktozy do glukozy i galaktozy.

style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Zmiękczacze mięsa
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Papaina
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Rozmiękczanie mięsa przy gotowaniu.

style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" "2" Przemysł skrobiowy
{ style="border:0px"

style="border:0px"
style="border:0px"
}
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Amylazy, amyloglukozydazy i glukoamylazy
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Rozkład skrobi do glukozy i produkcja cukrów inwertowanych.

Izomeraza glukozowa
Konwersja glukozy we fruktozę przy produkcji wysokofruktozowych syropów ze skrobi. Syropy te są używane do słodzenia i są słodsze niż sacharoza, a mniej kaloryczne.

style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Przemysł papierniczy
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Amylaza, ksylanaza, celulaza i ligninaza
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Amylazy rozkładają skrobię w celu zmniejszenia lepkości, wspomagają regulację gramatury papieru i jego pokrycia. Ksylanazy redukują potrzebę wybielania. Celulazy wygładzają włókna, wspomagają schnięcie oraz usuwanie pigmentów (przy przeróbce makulatury). Ligninazy degradują ligniny i wspomagają zmiękczanie papieru.

style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" "2" Przemysł biopaliwowy
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Celulaza
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Używana do rozkładu celulozy do cukrów, które mogą być wykorzystane w procesie fermentacji przy produkcji etanolu celulozowego.

Ligninaza
Używana do rozkładu ligniny

style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" "4" Biodetergenty
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Proteazy, pierwotnie pozyskiwane z wydzielających je na zewnątrz komórek bakterii.
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Używane w praniu wstępnym i namaczaniu, a także podczas prania zasadniczego, gdzie wspomagają usuwanie plam pochodzenia białkowego z ubrań.

Amylaza
Do usuwania plam ze skrobi.

Lipaza
Wspomagają usuwanie plam z tłuszczu.

Celulaza
Używana w biologicznych zmiękczaczach do tkanin.

style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Płyny do mycia soczewek kontaktowych
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Proteazy
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Do odbiałczania szkieł i zapobiegania zakażeniom.

style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Przemysł gumowy
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Katalaza
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Do wytwarzania tlenu z nadtlenków, by przetwarzać lateks w gumy spienione.

style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Przemysł fotograficzny
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Proteazy
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Rozkład żelatyny pokrywających filmy fotograficzne przy odzyskiwaniu z nich srebra.

style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Biologia molekularna, biochemia i&nbsp;pokrewne, a także analityka laboratoryjna i&nbsp;kliniczna .
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" M.in. enzymy restrykcyjne, ligazy DNA, polimerazy DNA i RNA, proteazy, DNazy, RNazy, enzymy szlaków metabolicznych i inne.
style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" Używane m.in. w manipulacjach materiałem genetycznym, badaniach metabolizmu, proteomice, w diagnozowaniu klinicznym i kryminalnym, jako markery i indykatory, oraz wiele innych.

}


Linki zewnętrzne



Enzym
Enzyme
Enzyme