آنزیم چیست؟ ساختار، عملکرد، انواع و نقش حیاتی آن در بدن
آنزیم‌ها، پروتئین‌های حیاتی هستند که نقش کلیدی در تسهیل فرآیندهای متابولیکی سلولی ایفا می‌کنند. آن‌ها با کاهش سطح انرژی فعال‌سازی (Ea)، سرعت واکنش‌های شیمیایی بین مولکول‌های زیستی را به طور چشمگیری افزایش می‌دهند. در واقع، برخی از آنزیم‌ها می‌توانند انرژی فعال‌سازی را به حدی کاهش دهند که حتی جهت برخی از واکنش‌های سلولی را معکوس کنند.
نکته مهم این است که آنزیم‌ها در طول این فرآیندها دست نخورده باقی می‌مانند و مانند سوختی که در هنگام سوختن مصرف می‌شود، تغییر نمی‌کنند. این ویژگی به آن‌ها اجازه می‌دهد تا به طور مداوم در واکنش‌های مختلف شرکت کرده و فرآیندهای حیاتی سلول را بهینه سازند.
آنزیم‌ها چگونه کار می‌کنند؟
برای وقوع واکنش‌های شیمیایی، مولکول‌ها باید در شرایط مناسب با یکدیگر برخورد کنند؛ شرایطی که آنزیم‌ها در ایجاد آن نقش مهمی دارند. آنزیم‌ها با ایجاد یک محیط مناسب، شانس برخورد مؤثر مولکول‌ها و در نتیجه، وقوع واکنش را افزایش می‌دهند.
به عنوان مثال، در گلوکز-6-فسفات، مولکول‌های گلوکز و فسفات بدون حضور آنزیم مناسب به یکدیگر متصل باقی می‌مانند. اما با معرفی آنزیم هیدرولاز، این پیوند شکسته شده و مولکول‌های گلوکز و فسفات از هم جدا می‌شوند. در واقع، آنزیم هیدرولاز با تسهیل شکستن پیوند توسط آب (هیدرولیز)، این واکنش را تسریع می‌کند.
ترکیبات سازنده آنزیم‌ها
وزن مولکولی یک آنزیم (مجموع وزن اتمی تمام اتم‌های تشکیل دهنده مولکول) معمولاً بین 10,000 تا بیش از 1 میلیون دالتون متغیر است. در حالی که بیشتر آنزیم‌ها از پروتئین‌ها تشکیل شده‌اند، تعداد کمی از آن‌ها مولکول‌های کوچک RNA با خاصیت کاتالیزوری هستند. برخی دیگر نیز از کمپلکس‌های چند پروتئینی تشکیل شده‌اند که از چندین زیرواحد پروتئینی مجزا ساخته شده‌اند.
بسیاری از آنزیم‌ها به تنهایی قادر به کاتالیز واکنش‌ها هستند، اما برخی دیگر برای انجام فعالیت خود به اجزای غیر پروتئینی به نام کو-فاکتور نیاز دارند. کو-فاکتورها می‌توانند یون‌های معدنی مانند Fe2+، Mg2+، Mn2+، یا Zn2+ باشند، یا از مولکول‌های آلی یا متالو-آلی به نام کوآنزیم تشکیل شده باشند. کوفاکتورها نقش حیاتی در عملکرد صحیح آنزیم ایفا می‌کنند و به آنزیم کمک می‌کنند تا با سوبسترا پیوند برقرار کرده و واکنش را کاتالیز کند.
دسته‌بندی آنزیم‌ها
آنزیم‌ها بر اساس نوع واکنش‌های شیمیایی که کاتالیز می‌کنند، به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند. در اینجا به معرفی دسته‌های اصلی و پرکاربرد آنزیم‌ها می‌پردازیم:
- اکسیدوردوکتازها (Oxidoreductases): این دسته از آنزیم‌ها واکنش‌های اکسیداسیون و احیا را کاتالیز می‌کنند. در این واکنش‌ها، الکترون‌ها بین مولکول‌ها منتقل می‌شوند. به عنوان مثال، الکل دهیدروژناز الکل‌ها را به آلدئیدها یا کتون‌ها تبدیل می‌کند. این آنزیم با تجزیه الکل، سمیت آن را کاهش داده و نقش مهمی در فرآیند تخمیر ایفا می‌کند.
- ترانسفرازها (Transferases): ترانسفرازها انتقال یک گروه عاملی از یک مولکول به مولکول دیگر را کاتالیز می‌کنند. به عنوان مثال، آمین ترانسفرازها با حذف گروه‌های آمینه، تجزیه اسیدهای آمینه را کاتالیز می‌کنند.
- هیدرولازها (Hydrolases): آنزیم‌های هیدرولاز هیدرولیز را کاتالیز می‌کنند. در این فرآیند، پیوندهای شیمیایی با استفاده از آب شکسته می‌شوند. به عنوان مثال، گلوکز-6-فسفاتاز یک هیدرولاز است که گروه فسفات را از گلوکز-6-فسفات جدا کرده و گلوکز و H3PO4 (اسید فسفریک) تولید می‌کند.
علاوه بر دسته‌های اصلی فوق، آنزیم‌های دیگری نیز وجود دارند که کمتر رایج هستند:
- لیازها (Lyases): لیازها تجزیه پیوندهای شیمیایی مختلف را از طریق مکانیسم‌هایی غیر از هیدرولیز و اکسیداسیون کاتالیز می‌کنند. این فرآیند اغلب منجر به تشکیل پیوندهای دوگانه یا ساختارهای حلقوی جدید می‌شود. به عنوان مثال، پیروات دکربوکسیلاز یک لیاز است که CO2 (دی اکسید کربن) را از پیروات حذف می‌کند.
- ایزومرازها (Isomerases): ایزومرازها تغییرات ساختاری در مولکول‌ها را کاتالیز می‌کنند و باعث تغییر شکل آن‌ها می‌شوند. به عنوان مثال، ریبولوز فسفات اپیمراز تبدیل ریبولوز-5-فسفات و زایلولوز-5-فسفات را کاتالیز می‌کند.
- لیگازها (Ligases): لیگازها پیوند دو سوبسترا به یکدیگر را کاتالیز می‌کنند. به عنوان مثال، هگزوکینازها یک لیگاز هستند که تبدیل گلوکز و ATP به گلوکز-6-فسفات و ADP را کاتالیز می‌کنند.
کاربردهای آنزیم‌ها در زندگی روزمره
آنزیم‌ها نقش پررنگی در زندگی روزمره ما ایفا می‌کنند و کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارند. برای مثال:
- در مواد شوینده، آنزیم‌ها به تجزیه پروتئین‌های ایجاد کننده لکه کمک می‌کنند، در حالی که لیپازها لکه‌های چربی را از بین می‌برند.
- آنزیم‌های مقاوم به حرارت (ترموترولرانت) و مقاوم به سرما (کریوترولرانت) در دماهای بسیار بالا و پایین فعال هستند. این ویژگی آن‌ها را برای فرآیندهای صنعتی که نیاز به دمای بالا دارند یا برای زیست پالایی (bioremediation) در شرایط سخت مانند قطب شمال، بسیار مفید می‌سازد.
- در صنایع غذایی، آنزیم‌ها نشاسته را به شکر تبدیل می‌کنند تا شیرین‌کننده‌ها را از منابعی غیر از نیشکر تولید کنند.
- در صنعت پوشاک، آنزیم‌ها ناخالصی‌های موجود در پنبه را کاهش داده و نیاز به مواد شیمیایی مضر مورد استفاده در فرآیند دباغی چرم را کم می‌کنند.
- در نهایت، صنعت پلاستیک به طور مداوم به دنبال راه‌هایی برای استفاده از آنزیم‌ها در تولید محصولات تجزیه‌پذیر (biodegradable) است.
- شیمی
- علم
