น้องๆก็ได้รู้จักหน้าที่และการทำงานของเอนไซม์มาพอสมควรแล้วนะครับ
O.k. งั้นบทนี้เราจะมาเรียนรู้กันเรื่องเอนไซม์ที่ทำหน้าที่ควบคุมแล้วกันนะ

           

         ในวิถีเมตะบอลิซึมภายในเซลล์จะประกอบด้วยปฏิกิริยาเคมีหลายๆขั้นตอนที่ต่อเนื่องกัน เอนไซม์ต่างๆนี้จะทำงานร่วมกันเป็นระบบ โดยจะมีเอนไซม์อย่างน้อยหนึ่งชนิดที่ทำหน้าที่ควบคุมอัตราเร่ง อยู่ที่จุดควบคุมวิถีเมตะบอลิซึมีในวิถีของปฏิกิริยานั้นๆ ส่วนมากจุดควบคุมจะอยู่ในช่วงแรกๆของวิถีปฏิกิริยานั้นๆ เพื่อตอบสนองความต้องการของเซลล์ในแต่ละช่วงเวลา เอนไซม์ดังกล่าวนี้ถูกเรียกว่า เอนไซม์ควบคุม (regulatory enzyme) โดยมีสารขนาดเล็กซึ่งอาจเป็นผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยานั้นๆก็ได้ การควบคุมนี้อาจเป็นแบบบวก (positive) คือ กระตุ้นให้เอนไซม์ทำงานได้ดี หรือ แบบลบ (negative) คือ ลดอัตราการทำงานของเอนไซม์นั้นๆ

        โดยทั่วไประบบเอนไซม์ควบคุมนี้จะมี 2 ระบบใหญ่ คือ allosteric system และ isomeric system

             

           การควบคุมแบบอัลโลสเตอริก (allosteric system หรือ allosteric enzyme) เป็นเอนไซม์ที่มีหลายๆหน่วยย่อย หน่วยย่อยประเภทแรกจะมีชื่อเรียกว่า regluratory subunit (หน่วยควบคุม) ที่มี allosteric binding site ทำหน้าที่ควบคุมการทำงานของเอนไซม์ โดยมีปัจจัยควบคุมหรือตัวเปลี่ยนแปลงปฏิกิริยา (modulators) เข้ามาเกี่ยวข้อง และ catalytic subunit (หน่วยเร่งปฏิกิริยา) ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาเคมีนั้นๆ โดยทั่วไปเอนไซม์กลุ่มนี้จะมีลักษณะที่สำคัญ 3 อย่างคือ

         1. เป็นเอนไซม์ที่มีหลายหน่วยย่อย (subunit) ซึ่งอาจเหมือนหรือไม่เหมือนกันก็ได้

         2. regluratory subunit และ catalytic subunit จะแตกต่างกันและแยกกันอยู่อย่างชัดเจน โดยอาจจะอยู่แยกคนละหน่วยย่อยก็ได้

         3. โดยทั่วไปเอนไซม์ประเภทนี้จะอยู่ในสภาวะสมดุลระหว่าง active หรือ relaed state (R state) และ inactive form หรือ tight state (T state)

 

ในบทนี้จะขอยกตัวอย่างเอนไซม์ในระบบการควบคุมแบบอัลโลสเตอริกที่ชื่อ แอสพาเตส ทรานคาร์บาโมอีเลส (aspartate transcarbamoylase: ATCase : EC 2.1.3.2) ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่คุณปู่ลิปคอมบ์ของน้องๆเป็นผู้ค้นพบโครงสร้างและอธิบายกลไกของมันอย่างละเอียดไงหล่ะ จึงขอยกหน้าที่อธิบายในเรื่องนี้ให้คุณปู่ลิปคอมบ์แล้วกันนะ

 

แอสพาเตส ทรานคาร์บาโมอีเลส (aspartate transcarbamoylase: ATCase) จาก E.coli มีโครงสร้างที่เป็น regluratory subunit และ catalytic subunit อย่างละ 6 หน่วยย่อย นี้จะเร่งปฏิกิริยาการรวมคาร์บามิล ฟอสเฟต (carbamoyl phosphate) กับ แอสพาเทต (aspartate) ได้เป็น คาร์บามิล แอสพาเตส (carbamoyl aspartate) เพื่อเอาไปสังเคราะห์ ไซติดีน ไตรฟอสเฟต (cytidine triphosphate : CTP)

 
   
                         CTP นี้เป็นผลผลิตสุดท้ายของปฏิกิริยา จะเป็นถ้าในเซลล์มีปริมาณของ CTP มาก มันก็จะไปจับที่บริเวณ allosteric binding site ทำให้เกิดการยับยั้งหรือชะลอการทำงานของเอนไซม์นี้ เรียกการควบคุมแบบนี้ว่า การควบคุมทางลบ (negative feedback control) ในทางตรงกันข้าม ATP จะแย่งจับที่บริเวณนี้แทนถ้า CTP ในเซลล์มีปริมาณน้อย
            

 
    จากรูปภาพจะเห็นได้ว่าเอนไซม์แอสพาเตส ทรานคาร์บาร์โมอีเลส มีโครงสร้างที่เป็น regluratory subunit และ catalytic subunit อย่างละ 6 หน่วยย่อยเมื่อเอนไซม์อยู่ในสภาวะของ T state แต่ละหน่วยย่อยของเอนไซม์จะอยู่ชิดติดกัน ทำให้ซับสเตรตไม่สามารถเข้าจับที่บริเวณเร่งในหน่วยเร่งปฏิกิริยาได้ แต่ถ้าเอนไซม์อยู่ในสภาวะ R state หน่วยย่อยของเอนไซม์จะเปิดออกทำให้บริเวณเร่งเปิดรับซับสเตรตเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาได้ ในที่นี้โมเลกุลรูปไข่สีฟ้าแทน CTP ซึ่งจับที่บริเวณ allosteric binding site ในหน่วยควบคุม ส่วนโมเลกุลรูปไข่สีแดง แทน ATP เมื่อจับที่บริเวณ allosteric จะทำให้เอนไซม์เปลี่ยนไปอยู่ในรูปของ R state

 

               isomeric system หรือ isoenzymes เป็นระบบการควบคุมแบบหนึ่งที่เกิดขึ้นจากการทำงานของเอนไซม์ที่เป็นไอโซเมอร์ และเร่งปฏิกิริยาแบบเดียวกัน ตัวอย่างที่รู้จักกันดีคือ แลคเตต ดีไฮโดรจีเนส (lactate dehydrogenase: LDH : EC 1.1.1.27) ประกอบด้วยหน่วยย่อย 2 ชนิด ที่เรียกว่า H และ M รวมกันเป็นโครงสร้างของเอนไซม์ 4 หน่วยย่อย หน่วยย่อยเหล่านี้จะทำหน้าที่เหมือนกัน ในเซลล์กล้ามเนื้อแต่ละชนิดจะมีปริมาณหน่วยย่อยในเอนไซม์ไม่เท่ากัน ในกล้ามเนื้อหัวใจจะมีหน่วยย่อยชนิด H มาก ในกล้ามเนื้อลายทั่วไปจะพบว่ามีหน่วยย่อยชนิด M มาก เอนไซม์ชนิดนี้จะเร่งปฏิกิริยาการเปลี่ยนไพรูเวตให้เป็นแลคเตต หรือ แลคเตสให้เป็นไพรูเวต ตามสมการ

แต่ความสามารถในการทำงานของไอโซเอนไซม์แต่ละชนิดจะต่างกันเล็กน้อย คือ LDH-M4 ซึ่งพบในกล้ามเนื้อ จะมีค่า Km ต่ำ ทำให้เร่งปฏิกิริยาเปลี่ยนไพรูเวตให้เป็นแลคเตตได้ดี แต่ในทางตรงกันข้าม LDH-H4 ที่พบในกล้ามเนื้อหัวใจจะมีค่า Km สูง จึงไม่ชอบผลิตแลคเตสนัก ( อีกทั้งในกล้ามเนื้อหัวใจจะมีปริมาณก๊าซออกซิเจนมากพอ จึงเปลี่ยนไพรูเวตที่ได้จากการสลายกลูโคสต่อไปเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำได้ (การหายใจระดับเซลล์) )

 
         

ภาพโครงสร้างสามมิติ แสดงการรวมหน่วยย่อย 4 หน่วยที่เรียกว่า เตตระเมอร์ (tetarmer) ของเอนไซม์ แลคเตต ดีไฮโดรจีเนส

 

 

      นอกจากนี้เอนไซม์บางชนิดที่ไม่ใช่เอนไซม์ควบคุมก็มีกลายหน่วยย่อยได้เช่นกัน เช่น ATP synthase ที่เร่งปฏิกิริยาการสร้าง ATP (สนใจศึกษารายละเอียดเพิ่มเติมในเรื่งนี้ได้จากแผ่นซีดีเสริมการเรียนรู้เรื่อง มหัศจรรย์นาโนเทคโนโลยี)