Alle enzymer er proteiner, men alle proteiner er ikke enzymer. Flere enzymer har en komponent kalt kofaktor som ikke er et protein og som øker den katalyttiske aktiviteten. Enzymet uten kofaktor kalles da apoenzym og med kofaktor kalles det holoenzym. Kofaktoren kan være et organisk molekyl og kalles da koenzym. Flere vitaminer virker som koenzymer: FAD (flavin adenin dinukleotid), FMN (flavin mononukleotid), NAD(P) (nikotinadenin dinukleotid(fosfat)), PLP (pyridoksalfosfat, vitamin B6), folinsyre, fyllokinon. Kofaktoren kan også være et metallion (kobber Cu+, zink Zn2+, jern Fe2+, mangan Mn2+, molybden). Hvis kofaktoren er så sterkt bundet at den vanskelig kan fjernes fra enzymet kalles den en prostetisk gruppe (f.eks. hem, ioner). Stedet på enzymet hvor substratet bindes danner en hule eller lomme i proteinet. Enzymer kan i større eller mindre grad skille mellom forskjellige substrater og er derfor mer eller mindre spesifikke for en reaksjon.
pH påvirker også enzymaktiviteten og pH-optimum er vanligvis i området fra pH 5-8. Enzymaktiviteten påvirkes av enzymkonsentrasjon og affiniteten mellom substrat og enzym. Den pH som det ikke er noen netto ladning på proteinet kalles isoelektrisk punkt.
Metabolismen er helt avhengig av enzymer for å kunne fungere, og enzymene er mer eller mindre spesifikke med hensyn på hvilke substrater de kan omsette. Molekylvekten for enzymer varierer mye men er i størrelsesorden 10.000 - 600.000 dalton. Stoffer som hemmer aktiviteten til et enzym ved å binde seg til det aktive sete kalles en kompetitiv inhibitor (hemmer). En inhibitor som binder seg til et annet sted enn det aktive sete kalles en nonkompetetiv inhibitor. Enzymer kan denatureres av kulde, varme, høye saltkonsentrasjoner og organiske løsningsmidler. I flere tilfeller kan enzymaktiviteten gjenopprettes hvis det denaturerende agens fjernes. Flere enzymer kan samarbeide om katalysen i en biosyntesevei danne store multienzymkomplekser. Slike komplekser får redusert diffusjon av substratene fra enzym til enzym og gir større mulighet til regulering av hele biosynteseveien i ett trinn.
Enzymkinetikk
Et enzym (E) med et substrat (S) danner et enzym-substratkompleks (ES), som gir et enzymproduktkompleks (EP), og deretter firgir produktet (P):
E + S ⇔ ES ⇔ EP⇔ E + P
De forskjellige trinnene i reaksjonen er reversible med forskjellige hastighetskonstanter for hvert trinn, og spesifikt for en bestemt type enzym. Et enzym kan ha flere forskjellige substrater og lage flere forskjellige produkter. Hastigheten på enzymreaksjonen som funksjon av konsentrasjonen av enzymsubstrat blir beskrevet via enzymkinetikk, og presentert som hyperbolske Michaelis-Menten-plot, som dobbeltresiprokt Lineweaver-Burk-plot som en linearisering av denne, for å kunne finne maksimal reaksjonshastighet for enzymet (Vmax), og den substratkonsentrasjonen som gir halvparten av maksimal reaksjonshastighet (Km-verdi), med måleenhet mikromol eller millimol substratkonsentrasjon. Reaksjonshastigheten til et protein har måleenhet hvor mange mol produkt som dannes per tidsenhet og per mg protein.
For allosteriske enzymer med kooperativitet med en sigmoid kurveform når substratkonsentrasjon plottes mot reaksjonshastighet, så kan kinetikken presenteres som Hill-plot med Hill-koeffisienter.
Enzyminhibitorer
Dixon-plot kan brukes til å bestemme inhibitor-konstanter (Ki), den konsentrasjon av en hemmer som halvparten av maksimal hemming. Det vil si å finne ut hvor effektivt forskjellige stoffer kan hemme en enzymreaksjon. Hemmere kategoriseres som kompetitiv, ikke-kompetitive og unkompetitiv. Menge stoffer som hemmer spesifikke enzymreaksjoner blir brukt som legemidler (antibakterielle (antibiotika), antivirale, antitumor), herbicider eller pesticider.Det er viktig at man blokkerer enzymer og biosynteseveier som skader patogenet, uten å skade verten. Inhibitorer kan være reversible hvor inhibitoren ikke binder seg kovalent til enzymet eller ikke-reversibel hvor inhibitoren bindes permanent til enzymet og blokkerer enzymreaksjonen. Antimetabolittene er strukturanaloger til naturlige forkommende puriner, pyrimidiner, aminosyrer eller folat. Mange plantegiftstoffer binder seg til proteinreseptorer og ionekanaler som nødvendigvis ikke er enzymer, og blokkerer signalveier i metabolismen.
De første antibakterielle sulfapreparatene (sulfanilamid) er en strukturanalog til para-aminobenzosyre som inngår som en del av vitaminet folat (pteridin, p-aminobenzysyre, glutamat) som er et koenzym som deltar i overføring av en-karbon. Mens mennesker og dyr får tilført folat via ernæringen, blant annet via planter, må bakterier lage folat selv, og sulfapreparatet hemmer enzymet dihydrofolat syntease hos bakteriene. Metotrexat og aminopterin er folatanaloger som blokkerer enzymene dihydrofolat reduktase og tymidylat syntetase som cellene bruker til å lage DNA og RNA. Siden kreftceller vokser raskere enn vanlige kroppsceller og veksten av kreftcellene reduseres.
Sykloserin og L-fluoroalanin er strukturanaloger til aminosyrer. Mens L-aminosyrer er den vanlige stereoisomeren for aminosyrene hos eukaryotene så bruker bakterier også D-aminosyrer i sin metabolisme. Ved å hemme enzymet D-L-aminosyre racemase med aminosyrestrukturanaloger så kan resultatet blir redusert vekst av bakteriene.
Sildenafil (Viagra) er en kompetitive inhibitor som har kjemisk struktur lik signalmetabolitten syklisk GMP (cGMP), og blokkerer nedbrytningen av cGMP katalysert av enzymet sykliskGMP fosfodiesterase type 5 (PDE5). Når cGMP ikke blir nedbrutt vil signalmetabolitten nitrogenmonoksid (NO) binde seg til reseptorer på glatt muskelatur omkring blodårer, noe som gir vasodilatering og økt blodgjennomstrømning, og derved ereksjon. Effekten av nitroglycerin på hjertet skyldes NO, og som gir økt blodtilførsel til hjertet.
Mange strukturanaloger til puriner og pyrimidiner som inngår i biosyntesen av DNA og RNA blir benyttet som antitumormidler. 5-fluorouracil, en thyminanalog hemmer thymidylat syntetase. Allerede på 1950-tallet tok man i bruk 6-merkaptopurin en adenin og hypoxanthinanalog. I de seinere år er det kommet en rekke purin- og pyrimidin nukleosidanaloger benyttet inne kreftbehandling. Allopurinol, en hypoxantinanalog, hemmer xantin oksidase og har blitt brukt til behandling av artritt (podagra, urinsyregikt) .
Retrovirus, slik som HIV, bruker enzymet revers transkriptase for å oversette RNA til DNA. Revers transkriptasehemmere hemmer replikasjonen av virus.
Tyrosin kinaser er enzymer som hekter på en fosfatgruppe, og fosforylerer andre proteiner, noe som øker proteinaktiviteten og kan gi en kaskade av påfølgende reaksjoner, som blant annet styrer cellesyklus og vekstfaktorer. Mange kjemoterapeutiske midler som brukes til å behandle kreft er stoffer som hemmer aktiviteten til tyrosin kinase, som for eksempel virker ved å hemme bindingen mellom ATP og protein kinasen.
Penicillin er et antibiotikum som hemmer enzymet transpeptidase som er det siste enzymtrinnet Gram-positive bakterier bruker til å lage cellevegg med kryssbindinger mellom peptidoglykan. Derved stopper bakterieveksten når bakteriene skal dele seg og danne nye celler.
Cyanid som gir cyanidforgiftning og karbonmonoksid (CO) som gir kullosforgiftning binder seg til å blokkerer enzymet cytokrom oksidase, det siste enzymtrinnet i respirasjonskjeden i mitokondriene
Organofosfater og karbamater gir hemming av enzymet acetylkolinesterase som hydrolyserer neurotransmittoren acetylkolin som deltar i overføring avsignaler i koblingen mellom nervesynapser og muskelceller, samt i kolinerge nervesynapser i hjernen . Hemmes enzymet blir acetylkolin ikke nedbrutt. Det finnes både reversible og ikke-reversbile acetylkolinesterasehemmere. De reversible brukes som legemidler, mens de irreversible kan virke som livsfarlige nervegifter, organofosfater som sarin, tabun og VX. Karbamater blir brukt som insektisider, fungicider og herbicider i landbruket. Malathion er eksempel på en organofosfat som blir benyttet som insektisid. Fysostigmin er en naturlig forekommende karbamat i planten Physostigma venenosum.
Kompetitiv hemmer vil si at inhibitoren (hemmeren) konkurrerer med substratet i bindingen til det aktive sete på enzymet. Det vil si at øker man substratkonsentrasjonen høyt nok i forhold til mengde inhibitor, så vil dette redusere effekten av inhibitoren (I). Dette er vanligvis eksempel på en reversibel hemming hvor hemmeren har kjemiske strukturlikheter med substratet i enzymreaksjonen. Hvert trinn i foroverreaksjon eller revers har egne hastighetskonstanter:
EI ⇔ E + S + I ⇔ ES ⇔ EP ⇔ E + P
Hvis enzymkinetikken og reaksjonshastigheten (v) til enzymet for forskjellige konsentrasjoner av substrat og forskjellige konsentrasjoner av inhibitor presenteres som et dobbeltresiprokt Lineweaver-Burk plot, så vil de rette linjene skjære i samme punkt på Y-aksen i punktet 1/v, hvor v er reaksjonshastigheten iil enzyme. Et klassisk eksempel på kompetitiv hemming er effekten av malonat på enzymet succinat dehydogenase i sitronsyresyklus, hvor forskjellen mellom de organiske syrene malonat og succinat bare er et karbonatom med sine hydrogen.
En Ikke-kompetitiv hemmer binder seg til et annet sted på enzymproteinet, og hemmer reaksjonen uten å konkurrere med substratet om binding til enzymet. Det vil si at man ikke kan redusere vikrningen av hemmeren ved å øke substratkonsentrasjonen:
ESI ⇔ ES + I ⇔ ESI ⇔ EPI ⇔ E + P + I
Et dobbeltresiprokt Lineweaver-Burk plot vil i dette gi rette linjer med forskjellig krysningspunkt på y-aksen ved 1/v, men hvor linjene konvergerer når de møtes på x-aksen i punktet 1/s hvor s er substratkonsentrasjonen.
En unkompetitiv hemmer er forholdsvis sjelden, men hvor inibitoren påvirker både Vmax ig Km-verdi.
Klasser av enzymer
Enzymene får navn som ender på -ase, unntatt noen proteolyttiske enzymer. The Enzyme Commission har laget et klassifikasjonssystem for enzymer og disse får et firesifret E.C.-nummer avhengig av hvilken klasse de tilfører. Enzymene deles etter dette systemet i seks hovedklasser:
1: Oksidoreduktaser (oksidasjons- reduksjonsreaksjoner);
2: Transferaser (overfører et atom eller gruppe av atomer mellom to molekyler);
3: Hydrolaser (Hydrolyttiske reaksjoner);
4: Lyaser (fjerner en gruppe fra substratet ikke-hydrolyttisk);
5: Isomeraser (isomeringsreaksjoner);
6: Ligaser (skjøting av to molekyler koblet med bryting av en pyrofosfatbinding i et nukleosidtrifosfat).
Klasse 1 Oksidoreduktaser
Enzymer som katalyserer oksidasjons-reduksjonsreaksjoner (redoks). For eksempel cytokrom oksidase i elektrontransportkjeden i mitokondriene; alkohol dehydrogenase i fermentering av sukker; homoserin dehydrogenase i syntesen av essensielle aminosyrer i aspartatfamilien; nitrat reduktase i nitratassimilasjon; glyceraldehyd-3-fosfat dehydrogase i glykolyse og Calvin-syklus. Substratet som blir oksidert virker som hydrogendonor, og donerer både et proton (H+) og et elektron (e-). Substratet som mottar hydrogen (H) virker som akseptor og blir redusert.
Dehydrogenaser er oksidoreduktaser som katalyserer oksidasjon av et substrat ved å fjerne hydrogen.
Generelt enzymnavn er
EC klasse:donor:akseptor oksidoreduktase.
Hvis nikotinamind dinukleotid (fosfat) (NAD(P)+ ) er H-akseptor i reaksjonen kalles de dehydrogenase, NAD(P)H er H-donor. Er oksygen (O2) H-akseptor kalles de oksidase, for øvrig er navnet reduktase.
Det andre sifferet i EC-nummeret angir hvilken gruppe som er hydrogendonor:
alkohol (-CHOH), aldehyd (-CHO), syre (CO-COOH) eller karbonmonoksid (CO).
Tredje siffer viser hvilken forbindelse som er tar imot hydrogen (H). For eksempel NAD(P)+, cytokromer, molekylært oksygen (O2), disulfid (-S2), kinon, nitrogen (-N), jern-svovelprotein eller flavin (flavin mononukleotid (FMN), flavinadenin dinukleotid (FAD)).
Ved overføring av ett elektron er transisjonsmetaller som jern (Fe2+/Fe3+), kobber (Cu+/Cu2+), mangan (Mn) , molybden (Mo) involvert.
Klasse 2 Transferaser
Enzymer som overfører en kjemisk gruppe (metyl (-CH3), glykosyl (-glukose) fra en donor til en akseptor.
Generelt enzymnavn er
EC klasse:donor:akseptor gruppe transerase.
hvor en gruppe Y blir overført fra stoffet X til stoffet Z etter et brudd i bindingen mellom XY, og det blir etablert en ny binding ZY
XY + Z ↔ X + ZY
Noen ganger blir gruppen byttet ut mot et hydrogen:
XY + ZH ↔ XH + ZY
Donor kan også være et koenzym (kofaktor) med gruppen som blir overført.
Det andre sifferet angir hvilket gruppe som blir overført: en-karbon (-C), aldehyd-(-CHO) eller keto (C=0), acyl (-CH3COOH).
Tredje siffer gir mer informasjon om hvilken gruppe som blir overført som metyltransferase (-CH3), hydroksyltransferase (-OH), hydroksymetyltransferase (OHCH3), glutathion transferase (tripeptidet glutathion), eller formyltransferase (-CHO).
En spesiell gruppe transferaser er aminotransferaser som inngår i reaksjon mellom en aminosyre og ketosyre hvor en aminogruppe (-NH2) og hydrogen (-H) blir overført fra aminosyren til en karbonylgruppe (C=O) på ketosyren. Aminotransferaser kan også blir betraktet som oksidoreduktaser hvor det skjer en oksidativ deaminering av donor aminosyren med en reduktiv aminering av akseptor ketosyren (oksosyre). Aminotransferaser bruker pyridoksalfosfat (PLP) som kofaktor.
R1-CH(-NH2)-R2 + R3-CO-R4 ↔ R1-CO-R2 + R3-CH(-NH2)-R4
Eksempler er aspartat aminotransferase hvor aminogruppen fra asparaginsyre blir overført til til ketosyren oksaloacetat, eller vice-versa, for eksempel kobling mellom karbon-katabolismen i trikarboksylsyresyklus blir koblet til N-metabolismen. Vi bruker betegnelsen -syre når syregruppen er –COOH og -at, når syregruppen er –COO-. Tilsvarende for glutamat aminotransferase mellom aminosyren glutaminsyre og ketosyren 2-oksoglutarat.
Klasse 3 Hydrolaser
Vann er ikke bare et løsningsmiddel, men inngår også i reaksjoner. Enzymer som via hydrolyse (tilføring av vann, H2O) bryter bindingen mellom C-O, C-N, C-C, eller fosforsyreanhydrid slik som i hydrolyse av ATP. Andre bindinger som kan bli hydrolysert er ester- (esterase), peptid- (peptidase), amid- (amidase), eller glykosyl- (glykosylase). Hydrolasene får således navn etter substratet som hydrolyseres etterfulgt av –ase. Hydrolaser produserer to molekyler fra et, en ekseronisk reaksjon som gir økt entropi.
Hydrolaser er egentlig en form for transferaser, men er en egen gruppe hvor vann er akseptor.
Det tredje sifferet i EC-nummeret gir mer informasjon om hvilket type binding som brytes, for eksempel glykosylaser av typen O-glykosylase eller N-glykosylase.
Klasse 4 Lyaser
Enzymer som kløyver bindinger av typen karbon-karbon lyase (C-C), karbon-oksygen lyase (C-O), karbon-nitrogen lyase (C-N), eller bryter bindinger som etterlater karbon-karbon dobbeltbindinger (C=C) eller ringer. Generelt enzymnavn er:
EC klasse:substratgruppe-lyase.
Lyasene får navn etter hvilken gruppe de fjerner dekarboksylase (CO2), aldolase (-CHO, aldehyd), hydratase (H2O). Hvis den motsatte reaksjonen skjer kalles de syntase. Lyaser som bruker pyridoksalfosfat (PLP) som kofaktor kan gi \(\beta\)- eller \(\gamma \)-eliminasjon av aminosyrer og erstatning av substituenten med en annen forbindelse for eksempel cystathionin \(\gamma \)-syntase som lager cystathionin i reaksjon mellom O-fosfohomoserin og cystein i aspartatfamilien av aminosyrer. Pyruvat dehydrogenase som oksidativt frigir CO2 fra pyruvat er en lyase.
Klasse 5 Isomeraser
Enzymer som gir interne strukturelle eller geometriske endringer i et molekyl slik at det dannes isomerer. Det er forskjellige isomeraser avhengig av hviken type isomeri: isomeraser, mutaser, racemaser, epimeraser, cis-trans isomeraser, sykloisomeraser og tautomeraser. Noen av endringen av den kjemiske strukturen kan være en intern redoksreaksjon, men de blir allikevel ikke klassifisert som oksidoreduktaser.
Eksempler er triosefosfat isomerase som danner isomerene glyceraldehyd-3-fosfat og dihydroksyacetonfosfat i Calvin-Benson-syklus, samt ribulose-5-fosfat epimerase som katalyserer overgangen mellom xylulose-5-fosfat og ribulose-5-fosfat.
Klasse 6 Ligaser
Ligaser (l. ligare - binde sammen) er enzymer som kobler sammen to molekyler koblet til hydrolyse av en difosfatbinding i ATP eller GTP av typen X:Y ligase (ADP-dannende), og man benytter ikke lenger navnet syntetase.
Generelt gjelder at man utelater L- for aminosyrer og D- for sukker. Man bruker ikke lenger navnet ketosukker, men de kalles i stedet dehydrosukker. Det heter okso-syrer og ikke keto-syrer. Ofte erstattes \(\alpha\), \(\beta\), \(\gamma\), \(\delta\), \(\epsilon\)med 1, 2, 3, 4, 5.., men man kan bruke betegner som \(\beta \)-alanin, \(\beta\)-aspartyl, \(\gamma\)- -glutamyl. Promiskiøse enzymer er enzymer med bred spesifisitet som kan katalysere andre sidereaksjoner som ikke er hovedoppgaven, men som kan være viktige i evolusjonær sammenheng, bl.a. enzymer som inngår i sekundærmetabolismen hos planter.