ต่อไปเรามาทำความเข้าใจกัน ให้ลึกซึ้งเกี่ยวกับคุณสมบัติทั่วไปของเอนไซม์กันดีกว่านะ



            
       

            เอนไซม์ส่วนใหญ่เป็นโปรตีนที่มีลักษณะเป็นก้อน (globular protein) อันเกิดจากการม้วนและทบของสายพอลิเพปไทด์ คล้ายกับเชือกที่ขดไปมา จนเกิดเป็นร่องและรูบนผิวของเอนไซม์ได้ โดยทั่วไปด้านในของโมเลกุลของเอนไซม์นั้น จะมีกรดอะมิโนที่มีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำเป็นส่วนใหญ่ (hydrophobic amino acids) รวมกันอยู่ และส่วนมากกรดอะมิโนที่มีคุณสมบัติชอบน้ำ (hydrophilic amino acids) ซึ่งมีแขนงข้างเป็นหมู่ที่มีประจุหรือมีขั้ว จะอยู่บริเวณนอกๆ ของโมเลกุล ความสามารถในการทำงานของเอนไซม์จะขึ้นอยู่กับโครงรูปของเอนไซม์ (conformation) นี้เอง

 

โครงสร้างที่สำคัญของเอนไซม์ ได้แก่

บริเวณเร่ง (active site)

          เป็นบริเวณหนึ่งที่อยู่บนผิวของโมเลกุลของเอนไซม์ที่มีลักษณะเป็นร่อง ที่เกิดจากการม้วนพับของสายพอลิเพปไทด์ ทำให้เกิดเป็นบริเวณที่สำคัญที่ทำให้เกิดปฏิกิริยา โดยภายในบริเวณเร่งนี้ จะมีบริเวณย่อยๆ อีกสองบริเวณคือ บริเวณจับและบริเวณเร่งปฏิกิริยา

 

บริเวณจับซับสเตรตและผลิตภัณฑ์ (binding site)

          คือบริเวณที่ทำให้ซับสเตรตสามารถเข้ามาจับกับเอนไซม์ได้ดี

 

บริเวณเร่งปฏิกิริยา (catalytic site)

          เป็นบริเวณหนึ่งในบริเวณเร่ง ที่กรดอะมิโนที่อยู่บริเวณนั้นทำให้เกิดการเร่งปฏิกิริยาทั้งการสร้างพันธะและการแตกออกของพันธะ

บริเวณอัลโลสเตอริก (allosteric site)

          เป็นบริเวณหนึ่งบนผิวโมเลกุลของเอนไซม์บางชนิดที่ยอมให้โมเลกุลขนาดเล็กๆ ที่ไม่ใช่ซับเสตรตเข้าจับได้ และทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเอนไซม์ในบริเวณเร่ง แล้วอาจเกิดผลได้สองกรณีคือ ทำให้เร่งปฏิกิริยาได้ดีขึ้น หรือ เลวลง สำหรับโมเลกุลเล็กๆที่เข้ามาจับที่บริเวณอัลโลสเตอริกนี้ เรียกว่า ตัวแปลงปฏิกิริยา (modulator หรือ effector)

 

 

 

       


          นอกจากนี้องค์ประกอบพื้นฐานของเอนไซม์แต่ละชนิดจะต่างกันด้วย ถ้าเอนไซม์ที่ทั้งโมเลกุลเป็นโปรตีนเพียงอย่างเดียว จะเรียกเอนไซม์กลุ่มนี้ว่า เอนไซม์ธรรมดา (simple enzyme) แต่สำหรับเอนไซม์ที่ต้องมีองค์ประกอบอื่นๆ เช่น ไออนของโลหะ สารอินทรีย์ชนิดอื่นๆ จะเรียกเอนไซม์กลุ่มนี้ว่า เอนไซม์เชิงประกอบ (complex enzyme) หรือ โฮโลเอนไซม์ (holoenzyme)
      โฮโลเอนไซม์ (holoenzyme) คือ เอนไซม์ที่สมบูรณ์ หมายถึง เอนไซม์ที่จะทำงานได้ ก็ต่อเมื่อมี โคแฟคเตอร์ (cofactor) ซึ่งไม่ใช่โปรตีนรวมอยู่ด้วย สำหรับส่วนที่เป็นโปรตีนอย่างเดียวซึ่งไม่สมบูรณ์ เนื่องจากขาดชิ้นส่วนที่สำคัญไป ทำให้ไม่สามารถเร่งปฏิกิริยาได้ จะเรียกว่า อะโพเอนไซม์ (apoenzyme)
      โคแฟคเตอร์ของเอนไซม์อาจเป็นไอออนของโลหะ เช่น Zn+ ของ เอนไซม์ คาร์บอกซีเพปทิเดส (carboxypeptidase) หรือเป็นสารอินทรีย์ เช่น วิตามิน หรืออนุพันธ์ของวิตามิน เรามักเรียกว่า โคเอนไซม์ (coenzyme)
     โคเอนไซม์บางชนิดจะจับเอนไซม์อย่างแน่น (ด้วยพันธะโควาเลนต์) จนไม่สามารถแยกออกจากเอนไซม์ได้โดยไม่ทำให้เอนไซม์สูญเสีย ความสามารถในการเร่งปฏิกิริยา โคเอนไซม์ประเภทนี้เราเรียกว่า หมู่พรอสธีทิก (prosthetic group)



 


ตารางที่ 1 แสดงแขนงข้าง (R-group) ของกรดอะมิโนทั้ง 20 ชนิด

ชื่อกรดอะมิโน

คุณสมบัติของแขนงข้าง

 

รูปภาพ

ไกลซีน(glycine)

ไม่มีขั้ว แรงจับกันแบบอ่อนเช่น พันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) แรงไฮโดรโฟบิก (hydrophobic interaction) และแรงแวนเดอร์ วาลส์ (Van der Walls interaction)

 

อะลานีน (alanine)

ไม่มีขั้ว แรงจับเป็นแรงไฮโดรโฟบิก (hydrophobic interaction) และแรงแวนเดอร์ วาลส์ (Van der Walls interaction) มากกว่าอย่างอื่น

 

วาลีน (valine)

ไม่มีขั้ว แรงจับเป็นแบแรงไฮโดรโฟบิก (hydrophobic interaction) และแรงแวนเดอร์ วาลส์ (Van der Walls interaction) มากกว่าอย่างอื่น

 

ลูซีน (leucine)

ไม่มีขั้ว แรงจับเป็นแบบแรงไฮโดรโฟบิก (hydrophobic interaction) และแรงแวนเดอร์ วาลส์ (Van der Walls interaction) มากกว่าอย่างอื่น

ไอโซลูซีน (isoleucine)

ไม่มีขั้ว แรงจับเป็นแบบแรงไฮโดรโฟบิก (hydrophobic interaction) และแรงแวนเดอร์ วาลส์ (Van der Walls interaction) มากกว่าอย่างอื่น

เฟนิลอะลานีน (phenylalanine)

ไม่มีขั้ว แรงจับเป็นแรงไฮโดรโฟบิก (hydrophobic interaction) และแรงแวนเดอร์ วาลส์ (Van der Walls interaction) มากกว่าอย่างอื่น

ทริปโตเฟน (tryptophan)

มีขั้ว มีแรงจับกันแบบอ่อน เช่น พันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) แรงไฮโดรโฟบิก (hydrophobic interaction) และแรงแวนเดอร์ วาลส์ (Van der Walls interaction)

ไทโรซีน (tyrosine)

มีขั้ว เกิดพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond)

ซิสเตอีน (cysteine)

มีขั้ว เกิดพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond)

เมไทโอนีน (methionine)

มีขั้ว เกิดแรงจับกันแบบอ่อนเช่น พันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) แรงไฮโดรโฟบิก (hydrophobic interaction) และแรงแวนเดอร์ วาลส์ (Van der Walls interaction)

กรดแอสพาติก (aspartic acid)

มีขั้ว มีประจุ เกิดพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) ได้

กรดกลูตามิค (glutamic aid)

มีขั้ว มีประจุ เกิดพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) ได้

 

ไลซีน (lysine)

มีขั้ว มีประจุ เกิดพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) ได้

 

 

อาร์จินีน (arginine)

มีขั้ว มีประจุ เกิดพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) ได้

ฮีสติดีน (histidine)

มีขั้ว มีประจุ เกิดพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) ได้

แอสพาราจีน (asparagine)

มีขั้ว ไม่มีประจุ เกิดพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) ได้

กลูตามีน (glutamine)

มีขั้ว ไม่มีประจุ เกิดพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) ได้

เซอรีน (serine)

มีขั้ว ไม่มีประจุ เกิดพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) ได้

ธรีโอนีน (threonine)

มีขั้ว ไม่มีประจุ เกิด พันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) ได้

โปรลีน (proline)

ไม่มีขั้ว แรงจับกันแบบอ่อน คือ แรงไฮโดรโฟบิก (hydrophobic interaction) และแรงแวนเดอร์ วาลส์ (Van der Walls interaction) มากกว่าอย่างอื่น

 

ตารางที่ 2 ไอออนโลหะที่ทำหน้าที่เป็นโคแฟคเตอร์สำหรับเอนไซม์

ไอออนโลหะของสารอนินทรีย์

ชื่อเอนไซม์

 

คิวปริก ( Cupric ) ( Cu 2+ )

 

ไซโตโครม ซี ออกซิเดส ( cytochrome c oxidase )

 

 

เฟอร์รัส ( ferrous: Fe 2+)

หรือ เฟอร์ริก( ferric:Fe 3+ )

 

คะตะเลสที่มาจากวัว (bovine catalase)

ไซโตโครม ซี เปอร์ออกซิเดส ( cytochrome c peroxidase )

 

 

โปแทสเซียมไออน ( K + )

 

ไพรูเวตไคเนส ( human pyruvate kinase: muscle )

 

 

แมกนีเซียมไออน( Mg 2+ )

 

เฮกโซไคเนส ( hexokinase )

กลูโคสซิกซ์ฟอสเฟต ( glucose-6-phosphatase )

ไพรูเวสไคเนส ( pyruvate kinase )

 

 

แมงกานีสไออน ( Mn 2+ )

 

อาร์จิเนส ( arginase )

ไรโบนิวคลีโอไทด์รีดักเทส ( ribonucleotide reductase )

 

 

โมลิบดินัมไออน( Mo )

 

 

ไดไนโตรจีเนส ( dinitrogenase )

 

นิเกิลไออน( Ni 2+ )

 

ยูีรีเอส ( urease )

 

 

ซีลีเนียม ไออน ( Se )

 

กลูตาไทโอน เปอร์ออกซิเดส ( glutathione peroxidase )

 

 

ซิงค์ไออน ( Zn 2+ ) (สังกะสี)

 

คาร์บอนิกแอนไฮเดรส ( carbonic anhydrase )

แอลกอฮอล์ดีไฮโดรจีเนส ( alcohol dehydrogenase )

คาร์บอกซีเปปติเดส เอ และ บี (carboxypeptidase A & B)

 

(David L. Nelson and Michael M. Cox , Lehninger Principles of Biochemistry, 3rded., 2000, 245)

 

ตารางที่ 3 โคเอนไซม์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวนำพาหมู่เคมี

โคเอนไซม์

หมู่เคมี

สารต้นกำเนิดที่ได้รับจากอาหาร

 

ไบโอไซติน ( Biocytin )

 

 

คาร์บอกซิลิก

 

ไบโอติน ( Biotin )

 

 

โคเอนไซม์ เอ ( coenzyme A )

 

 

 

หมู่เอซิล

 

กรดแพนโทเทนิค หรือ วิตามิน บี 5 และอนุพันธ์

 

5'- ดีออกซีอะดีโนซิลโคบาลามิน

(โคเอนไซม์ บี 12, coenzyme B12 )

 

 

หมู่อัลคิลและ โมเลกุลของไฮโดรเจน

 

 

วิตามิน บี 12

 

 

 

ฟลาวินอะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ ( FAD )

 

 

อิเล็กตรอน

 

ไรโบฟลาวิน หรือ วิตามิน บี 2

 

 

ลิโพเอต ( lipoate )

 

 

อิเล็กตรอนและหมู่เอซิล

 

ไม่ต้องได้รับจากอาหาร

 

นิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ ( NAD+ )

 

 

ไฮไดรด์ไออน ( : H - )

 

กรดนิโคตินิค หรือ ไนอะซิน

 

 

ไพริดอกซาล ฟอสเฟต (pyridoxal phosphate)

 

 

หมู่อะมิโน

 

 

ไพริดอกซิน หรือ วิตามิน บี 6

 

 

เททระไฮโดรโฟเลต (tetrahydrofolate)

 

 

 

หมู่คาร์บอน 1 กลุ่ม

 

วิตามินโฟเลท

 

 

ไธอามีน ไพโรฟอสเฟต

( thiamine pyrophosphate )

 

 

อัลดีไฮด์

 

ไธอามีน หรือ วิตามิน บี 1

 

(David L. Nelson and Michael M. Cox , Lehninger Principles of Biochemistry, 3rded., 2000, 245)


ลองจับวางภาพด้านล่างดูซิครับว่าทำอย่างไร เอนไซม์ตัวนี้จึงทำงานได้

          

        เอนไซม์บางชนิดหลังจากถูกถอดและแปลรหัสออกมาเป็นโปรตีนแล้ว ยังไม่สามารถทำงานได้ เนื่องจากยังอยู่ในรูป inactive form ต้องมีการเปลี่ยนแปลงโดยตัดบางส่วนออกเสียก่อน (modification) จึงจะทำงานได้ เอนไซม์กลุ่มนี้จึงถูกเรียกว่า ไซโมเจน (zymogen) หรือ โปรเอนไซม์ (proenzyme)

      ตัวอย่างเช่น เอนไซม์ในระบบทางเดินอาหาร อาทิ เอนไซม์ย่อยโปรตีนที่ชื่อ ไคโมทริปซิน จะถูกหลั่งออกมาจากตับอ่อนในรูปของไคโมทริปซิโนเจน เอ แล้วจะถูกทริปซินตัดบางส่วนออกไป คือกรดอะมิโนในตำแหน่ง 14-25 และกรดอะมิโนในตำแหน่ง 147-148 ทำให้ได้ไคโมทริปซินที่สามารถทำงานได้

 

            ตั้งแต่เริ่มมีการศึกษาเรื่องเอนไซม์กันเพิ่มมากขึ้นนั้น ก็ได้มีผู้เสนอสมมติฐานที่ใช้อธิบายว่าเอนไซม์สามารถจับกับซับสเตรตได้ดังนี้

สมมติฐาน "แม่กุญแจและลูกกุญแจ" (Fisher's 'Lock & Key' hypothesis)
           ฟิชเชอร์ (Emil Fischer) ได้เสนอว่า การที่เอนไซม์จับกับซับสเตรตได้นั้น เนื่องมาจากความจำเพาะระหว่างโครงสร้างของเอนไซม์และซับสเตรตที่ทำให้มันจับกันได้พอดี เปรียบได้กับความพอดีระหว่างแม่กุญแจและลูกกุญแจ โดยให้แม่กุญแจแทนเอนไซม์และลูกกุญแจแทนซับสเตรต จากสมมติฐานนี้แสดงให้เห็นว่าเอนไซม์และซับสเตรตต้องมีรูปร่างที่ตายตัว ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้เลย เพราะถ้าเอนไซม์หรือซับสเตรตเปลี่ยนแปลงไปแม้เพียงเล็กน้อย ก็จะไม่สามารถจับกันได้พอดี เหมือนการไขแม่กุญแจต้องใช้ลูกกุญแจของมันโดยเฉพาะเท่านั้น ใช้ลูกกุญแจอันอื่นที่มีรูปร่างใกล้เคียงกันก็ไม่ได้

 

 

 

 

แบบจำลองการจับกันของเอนไซม์กับซับสเตรส ตามสมมติฐาน Lock & Key

สมมติฐาน "การเหนี่ยวนำให้เหมาะสม" (Koshland 'Induce fit' hypothesis)

          จากการศึกษาด้วยเทคนิคต่างๆ พบว่า โครงรูปของเอนไซม์หลังจากจับกับซับสเตรตแล้ว จะแตกต่างไปจากโครงรูปปกติ ฉะนั้นจึงมีความเป็นไปได้ว่า การจับของซับสเตรตจะไปเนี่ยวนำให้โครงรูปของเอนไซม์เปลี่ยนแปลงไป ทำให้กรดอะมิโนที่ทำให้หน้าที่เร่งปฏิริริยามาอยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสมมากขึ้น สมมติฐานนี้เสนอโดย โคชแลนด์ (Daniel Koshland) เขาเสนอว่า " บริเวณเร่งของเอนไซม์น่าจะมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างเล็กน้อย เพื่อทำให้จับกับซับสเตรตได้ดีขึ้น หรือ ซับสเตรตอาจเปลี่ยนแปลงรูปร่างเพื่อทำให้ตัวมันจับกับบริเวณเร่งของเอนไซม์ได้ดีขึ้นก็ได้ หรือเกิดการเปลี่ยนแปลงทั้งคู่ก็ได้"


 

 

 

 

แบบจำลองการจับกันของเอนไซม์กับซับสเตรต ตามสมมติฐาน Induce fit
             

     สมมติฐานแบบต่างๆนี้เป็นส่วนหนึ่งที่ใช้อธิบายในเรื่อง "เอนไซม์มีความจำเพาะด้วย" (บทที่ 4 เอนไซม์มีความจำเพาะ)