Entsyymi

Puriininukleosidifosforylaasin malli

Entsyymit ovat biologisia katalyyttejä, eli ne nopeuttavat kemiallisia reaktioita. Entsyymit ovat tyypillisesti proteiineja, mutta myös RNA-molekyylit voivat olla entsyymejä, jolloin puhutaan ribotsyymeistä. Monissa proteiinientsyymeissä aktiivinen keskus koostuu muusta kuin aminohapoista, usein aminohappoihin koordinoituneesta yhdestä tai useammasta metalli-ionista. Näitä entsyymiä auttavia ryhmiä kutsutaan kofaktoreiksi ja tavallisimpia näistä ovat kupari-, rauta- ja sinkki-ionit. Jos kofaktori on orgaaninen molekyyli, puhutaan koentsyymistä. Entsyymiin kiinnittyneitä kofaktoreita ja koentsyymejä kutsutaan prosteettisiksi ryhmiksi. Molekyyliä, johon entsyymin toiminta kohdistuu, kutsutaan substraatiksi.

Entsyymien katalyyttinen toiminta perustuu niiden kykyyn alentaa substraattiin (entsyymin kohde) kohdistuvan reaktion aktivaatioenergiaa. Tämä tapahtuu siten, että entsyymi pakottaa substraatin kohti siirtymätilaa muodostamalla sen kanssa heikkoja vuorovaikutuksia, joita muodostuu eniten substraatin ollessa juuri siirtymätilassa. Heikkojen vuorovaikutusten ja siirtymätilan uusien sidosten syntyminen vapauttaa energiaa, joka sysää katalysoitavan reaktion liikkeelle nopeammin. Lisäksi substraatti voi sitoutua entsyymiin sellaisessa asennossa, että sille voidaan tarjota muita katalyysiin osallistuvia atomiryhmiä tai toinen molekyyli, johon substraatin on tarkoitus sitoutua.

Ilman entsyymejä kemialliset reaktiot tapahtuisivat soluissa liian hitaasti, eikä elämä olisi mahdollista. Entsyymit nopeuttavat reaktioita vähintään tuhatkertaisesti, joskus jopa 10¹⁷-kertaisesti. Nopeimmat entsyymit muuttavat jopa 40 miljoonaa molekyyliä reaktiotuotteiksi yhdessä sekunnissa. Entsyymit ovat erittäin spesifejä katalyyttejä eli ne katalysoivat vain tiettyjä reaktioita, mutta niiden substraatteina voi toimia useita samankaltaisia molekyylejä. Entsyymin spesifisyyden määrää sen aktiivinen kohta.

Entsyymit tarvitsevat sopivan lämpötilan, liuoksen suolapitoisuuden ja happamuuden toimiakseen hyvin. Liian korkeissa lämpötiloissa ja suolapitoisuuksissa ja liian alhaisissa tai korkeissa happamuusasteissa entsyymit denaturoituvat eli menettävät muotonsa ja aktiivisuutensa. Jokaiselle entsyymille on olemassa oma lämpötila- ja pH-optiminsa, ja ne voivat poiketa toisten entsyymien optimista huomattavastikin.

Suurin osa entsyymeistä toimii solujen sisällä, osa ulkopuolella. Kun entsyymit katalysoivat reaktioita, reagoiva aine eli substraatti kiinnittyy joksikin aikaa entsyymin aktiiviseen kohtaan. Reaktiossa substraatti muuttuu lopputuotteeksi. Entsyymi ei muutu reaktion aikana, vaan se voi reaktion jälkeen katalysoida uudelleen. Reaktion ollessa ohi entsyymi ja lopputuotteeksi muuttunut substraatti irtoavat toisistaan.

Entsymologian historia

Ensimmäinen entsyymi, katalaasi, havaittiin 1812. Havainto perustui käytännössä happikuplien syntymiseen lisättäessä vetyperoksidia vereen. Reaktio on 2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂.

Vuonna 1833 Persoz ja Payen löysivät diastaasin vehnäjauhosta. He havaitsivat entsyymin aiheuttavan tärkkelyksen liukenemisen veteen dekstriiniksi. Nimi diastaasi viittaa entsyymin kykyyn erotella tärkkelys leseestä. C.F. Schönbein löysi kasveissa esiintyvän peroksidaasin vuonna 1855 ja polyfenolioksidaasin 1856. Peroksidaasin nimi perustuu vetyperoksidin värjäävään tai väriä muuttavaan vaikutukseen kyseistä entsyymiä sisältävässä aineessa. Polyfenolioksidaasi sai nimensä kyvystään hapettaa fenoleita. Marcellin Berthelot löysi invertaasin leivinhiivasta vuonna 1860. Invertaasi katalysoi sakkaroosin hydrolyysireaktion glukoosiksi ja fruktoosiksi.

Entsyymiaktiivisuuden säätely

Entsyymien aktiivisuutta säädellään, jottei entsyymien katalysoiman reaktion tuotetta kertyisi ylimäärin silloin, kun sitä ei tarvita elimistössä. Lisäksi entsyymiaktiivisuuden säätelyä tarvitaan, jotta tuotetta saataisiin tarvittaessa mahdollisimman nopeasti. Entsyymiaktiivisuutta voidaan säädellä muun muassa geenien aktiivisuuden avulla. Myös lähetti-RNA:n translaation avulla voidaan vaikuttaa entsyymien aktiivisuuteen. Joissain tapauksissa voidaan entsyymiaktiivisuuteen vaikuttaa entsyymien hajotuksen avulla. Usein entsyymiaktiivisuuden säätelyn perustana toimii lopputuotteen määrä, jonka mukaan entsyymien määrää joko vähennetään (lopputuotetta paljon) tai lisätään (lopputuotetta vähän). Entsyymin säätely voidaan jakaa neljään pääluokkaan: allosteerinen säätely, stimulaatio ja inhibitio kontrolliproteiinilla, reversiibeli kovalenttinen modifikaatio ja proteolyyttinen aktivaatio.

Entsyymikinetiikka

Perus entsyymireaktiossa entsyymi (E) sitoutuu substraattiin (S), jolloin syntyy entsyymi–substraatti-kompleksi (ES). Entsyymi katalysoi (jälkimmäinen nuoli) substraatin muuttumista tuotteeksi (P).

Entsyymikinetiikassa tutkitaan, kuinka entsyymit kiinnittyvät substraattiin ja kuinka ne tuottavat tuotettaan. Entsyymien toimintaa voidaan tutkia lukuisin laboratoriokokein. Entsyymikinetiikassa käytetään hyväksi Leonor Michaelisin ja Maud Mentenin entsyymikinetiikkateoriaa (Michaelis–Menten-kinetiikka).

Entsyymin suurin reaktionopeus (V_max) voidaan määrittää tarjoamalla entsyymille substraattia, kunnes entsyymi tuottaa tuotettaan suurimmalla nopeudellaan. Substraattipitoisuuden ja entsyymin reaktionopeuden suhteesta voidaan piirtää Michaelis–Menten-kuvaaja (käyrää esittävä kuva), jossa V_max-arvo on nähtävissä.

Michaelis–Menten -kuvaaja. Kuvaajasta nähdään, että entsyymin reaktionopeus aluksi kasvaa substraattipitoisuuden kasvaessa. Tietyn substraattipitoisuuden lähestyessä (V_max) aktiivisuus kuitenkin tasaantuu. X-akselilla on substraatin pitoisuus ja y-akselilla entsyymin reaktionopeus. Michaelisin–Mentenin vakio eli K_m on merkitty kuvaajaan.

Entsyymin reaktionopeuden kasvu hidastuu, koska V_max tilassa substraattia on niin paljon, että kaikki entsyymit ovat substraattia sitovassa tilassa (ES), eikä vapaata entsyymiä (E) ole jäljellä sitomaan ylimääräistä substraattia (S). Tosiasiassa entsyymi ei koskaan täysin saavuta V_max-arvoa.

Entsyymikinetiikassa käytetään yleisesti toistakin arvoa K_m. K_m eli Michaelisin–Mentenin vakio on se substraattipitoisuus, jossa entsyymin aktiivisuus on puolet V_max-arvosta. Alhainen K_m-arvo kertoo entsyymin korkeasta affiniteetistä substraattiin.

Entsyymin toiminnan estäminen

Inhibiittorit ovat aineita, jotka estävät entsyymin toiminnan. Ne voivat pysäyttää reaktion kulun kolmella eri tavalla. 1. Inhibiittori voi kiinnittyä entsyymin aktiiviseen kohtaan, jolloin substraatti ei pääse kiinnittymään. Esimerkiksi antibiootit kiinnittyvät bakteerien aineenvaihdunnassa toimivien entsyymien aktiiviseen kohtaan, jolloin bakteerit kuolevat. 2. Jotkut inhibiittorit muuttavat entsyymimolekyylin muotoa, jolloin substraatti ei pysty kiinnittymään sen aktiiviseen kohtaan. Syanidi, hermokaasu ja arsenikki estävät tällä tavalla joidenkin elämän kannalta välttämättömien reaktioiden tapahtumisen soluissa ja ovat sen takia tappavan myrkyllisiä. 3. Soluissa on luonnollisia inhibiittoreita. Kun entsyymireaktion lopputuotetta on riittävästi, voi lopputuote estää entsyymin tuotannon solussa toimimalla luonnollisena inhibiittorina. Näin solussa tapahtuvien kemiallisten reaktioiden tasapaino säilyy.

Entsyymien nimeäminen

Entsyymit nimitetään liittämällä -aasi-pääte niiden substraattinimeen, esimerkiksi peptidaasi, tai reaktionimeen, esimerkiksi oksidaasi. Entsyymit luokitellaan ja nimetään Entsyymikomissiossa (Enzyme Commission of the International Union of Biochemistry). Entsyymien luokitteluun käytetään EC-numeroa.

Entsyymit jaetaan katalysoimansa reaktion mukaan kuuteen luokkaan:

• Oksidoreduktaasit siirtävät elektroneja, jolloin tapahtuu hapetus-pelkistysreaktio.
• Transferaasit siirtävät atomiryhmiä molekyyliltä toiselle.
• Hydrolaasit katkaisevat kovalenttisen sidoksen hydrolysoimalla.
• Lyaasit katkaisevat kovalenttisen sidoksen siirtämällä molekyylistä jonkin atomiryhmän.
• Isomeraasit aiheuttavat molekyylissä rakenteellisia muutoksia.
• Ligaasit liittävät kaksi erillistä molekyyliä toisiinsa.

Aiheesta muualla

• Opetus.tv: Kemian etäopiskeluympäristö, Entsyymit
• Piia Heiskanen & Sini-Tuulia Mankinen, Helsingin yliopisto: Opetuspaketti, ENTSYYMIT – solutason työntekijät, 5/2004 (arkistoitu versio)
• Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology (NC-IUBMB): Enzyme Nomenclature (englanniksi)
• The Comprehensive Enzyme Information System BRENDA (englanniksi)