موضوع مقاله: آنزیم | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # آنزیم | مقدمه: باقیمانده جایگاه فعال به رنگ قرمز، بستر مالتوز به رنگ سیاه، و کوفاکتور NAD به رنگ زرد. | ## بخش 1: آنزیم | کاتالیزور یعنی ماده‌ای که یک واکنش شیمیایی را سریع‌تر می‌کند، بدون اینکه خودش مصرف شود. بدن ما پر از واکنش‌های شیمیایی است؛ از هضم غذا گرفته تا ساخت انرژی و مواد لازم برای رشد. اگر این واکنش‌ها بدون آنزیم انجام شوند، آن‌قدر کند خواهند بود که زندگی ممکن نمی‌شود. برای نمونه، آنزیم آمیلاز در بزاق دهان نشاستهٔ موجود در غذا را به قندهای ساده‌تر تبدیل می‌کند تا بعداً راحت‌تر هضم شوند. بر این اساس، زیمایه‌ها مانند «کلیدهای مخصوص» هستند که قفل واکنش‌های شیمیایی بدن را باز می‌کنند و باعث می‌شوند همه چیز سریع و دقیق انجام شود. مولکول‌هایی که ممکن است آنزیم‌ها روی آن عمل کنند بستر نامیده می‌شوند و آنزیم بسترها را به مولکول‌های مختلفی که به عنوان فرآورده معروف هستند تبدیل می‌کند. تقریباً تمام فرایندهای سوخت‌وسازی موجود در یاخته نیاز به کاتالیز آنزیم دارند تا به سرعت کافی انجام شود تا زندگی ادامه یابد. مطالعه آنزیم‌ها که به عنوان آنزیم‌شناسی یا زیمایه‌شناسیenzymology نامیده می‌شود و در زمینهٔ نوینی به نام تجزیهٔ شبه‌آنزیمی رشد یافته است، با درک اینکه در طول فرگشت، برخی از آنزیم‌ها توانایی انجام کاتالیز زیستی را از دست داده‌اند، که غالباً در توالی آمینواسیدهای آنها و خصوصیات غیرعادی «شبه کاتالیستی» بازتاب می‌شود. آنزیم‌ها بخشی از دستگاه ایمنی هستند که در بزاق، اشک، عرق و معده وجود دارد و به تجزیه و حذف هرگونه بیماری‌زا پاسخ می‌دهد آنزیم‌ها در بیش از ۵۰۰۰ نوع واکنش بیوشیمیایی به عنوان کاتالیزور شناخته شده‌اند. مانند همه کاتالیزورها، آنزیم‌ها با کاهش انرژی فعال‌سازی، سرعت واکنش را افزایش می‌دهند. بعضی از آنزیم‌ها می‌توانند با تبدیل خود به بستر موجب تولید میلیون‌ها بار سریعتر محصول شوند. اوروتیدین '۵-فسفات دکربوکسیلاز موجب می‌شود واکنشی که در نبود این آنزیم میلیون‌ها سال به طول می‌انجامد در چند میلی‌ثانیه رخ دهد. از نظر شیمیایی، آنزیم‌ها مانند هر کاتالیزوری هستند و در واکنش‌های شیمیایی مصرف نمی‌شوند و تعادل یک واکنش را تغییر نمی‌دهند. فعالیت آنزیم را می‌توان تحت تأثیر مولکول‌های دیگر قرار داد: بازدارندهها مولکول‌هایی هستند که باعث کاهش فعالیت آنزیم می‌شوند و فعال‌کننده‌ها مولکول‌هایی هستند که فعالیت را افزایش می‌دهند. فعالیت آنزیم به‌طور قابل توجهی خارج از دمای و pH مطلوب آن کاهش می‌یابد و بسیاری از آنزیم‌ها هنگام قرار گرفتن در معرض گرمای بیش از حد (پایدار) واسرشته می‌شوند و ساختار و خواص کاتالیزوری خود را از دست می‌دهند. بعضی از آنزیم‌ها به‌صورت تجاری به‌طور مثال در سنتز آنتی‌بیوتیک‌ها استفاده می‌شوند. برخی از محصولات خانگی برای سرعت بخشیدن به واکنش‌های شیمیایی از آنزیم‌ها استفاده می‌کنند: آنزیم‌های موجود در پودرهای شستشوی بیولوژیکی پروتئین، نشاسته یا لکه‌های چربی روی لباس‌ها را تجزیه می‌کنند و آنزیم‌های موجود در تردکننده‌های گوشت پروتئین‌ها را به مولکول‌های کوچکتر تجزیه می‌کنند و باعث می‌شود گوشت راحت تر جویده شود. آزمایشی که بوخنر طراحی کرد و برنده جایزه نوبل شد شامل تولید عصاره بدون سلول از مخمر بود. در اواخر سده ۱۷ و اوایل سده ۱۸، هضم گوشت توسط ترشحات معده و تبدیل نشاسته به قند توسط عصاره‌های گیاهی و بزاق شناخته شد اما مکانیسم‌هایی که به موجب آن اتفاق می‌افتد مشخص نشده بود. شیمیدان فرانسوی، آنسلم پین اولین کسی بود که در سال ۱۸۳۳ آنزیم، دیاستاز را کشف کرد. چند دهه بعد، هنگام مطالعه تخمیر قند به الکل توسط مخمر، لویی پاستور نتیجه گرفت که این تخمیر توسط نیروی حیاتی موجود در سلول‌های مخمر به نام تخمیرferments ایجاد شده است، که تصور می‌شد فقط در موجودات زنده وجود دارد. ادوارد بوخنر اولین مقاله خود را در مورد مطالعه عصاره‌های مخمر در سال ۱۸۹۷ ارائه کرد. در یک سری آزمایش‌ها در دانشگاه هومبولت برلین، وی دریافت که شکر توسط عصاره مخمر حتی وقتی سلول مخمر زنده در مخلوط وجود ندارد تخمیر می‌شود او آنزیمی را که تخمیر ساکارز را به وجود آورد، " زیماز " نامید. وی در سال ۱۹۰۷ به دلیل «کشف یک روش تخمیر بدون سلول زنده» جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد. به دنبال نمونه بوخنر، معمولاً آنزیم‌ها مطابق واکنشی که انجام می‌دهند به صورت ترکیب پسوند -آز با اضافه بستر، برای نمونه، لاکتاز آنزیمی است که لاکتوز را جدا می‌کند یا بسته به نوع واکنش مانند، DNA پلیمراز که پلیمرهای DNA را تشکیل می‌دهد نامگذاری شده‌اند. بسیاری از دانشمندان مشاهده می‌کردند که فعالیت آنزیمی با پروتئین همراه است، اما دیگران (مانند برنده جایزه نوبل، ریچارد ویلستر) برا این باور بودند که پروتئین‌ها صرفاً حامل آنزیم‌های واقعی هستند و پروتئین‌ها به خودی خود قادر به کاتالیز نیستند. نتیجه‌گیری که پروتئین خالص می‌تواند همان آنزیم‌ها باشند به‌طور قطعی توسط جان هاوارد نورثروب و وندل مردیت استنلی، که در سال ۱۹۳۰ روی آنزیم‌های گوارشی پپسین، تریپسین و کیموتریپسین کار می‌کردند نشان داده شد. این کشف که آنزیم‌ها می‌توانند متبلور شوند، درنهایت باعث شد که ساختارهای آنها با بلورشناسی پرتو ایکس حل شود و نخستین بار برای لیزوزیم، آنزیمی که در اشک، بزاق و سفیده تخم‌مرغ یافت می‌شود و پوشش برخی از باکتری‌ها را هضم می‌کند انجام شد. ساختار با وضوح بالا ی لیزوزیم آغازگر ایجاد زمینه زیست‌شناسی ساختاری و تلاش برای درک نحوه عملکرد آنزیم‌ها در سطح اتمی جزئیات بود. نامگذاری نام آنزیم اغلب از زیر لایه آن یا واکنش شیمیایی که آن را کاتالیز می‌کند گرفته می‌شود، با پسوندی که به صورت -آز-ase در انتهای واژه تمام می‌شود. رده‌بندی اتحادیهٔ بین‌المللی زیست‌شیمی و زیست‌شناسی مولکولی برای نامگذاری آنزیم‌ها، عدد گروه آنزیم (شماره EC) را ایجاد کرده است. هر آنزیم توسط دنباله ای از چهار عدد پیش از "EC" که مخفف "کمیسیون آنزیم" است توصیف می‌شوند. این بخش‌ها با سایر ویژگی‌ها از جمله بستر، محصولات و مکانیسم شیمیایی تقسیم می‌شوند. به عنوان مثال، هگزوکیناز (EC 2.7.1.1) یک ترانسفراز (EC 2) است که یک گروه فسفات (EC 2.7) را به یک قند هگزوز، یک مولکول حاوی گروه الکل اضافه می‌کند (EC 2.7.1). محل‌های اتصال به رنگ آبی، محل کاتالیزوری به رنگ قرمز و بستر پپتیدو گلیکان به رنگ سیاه. دنباله اسیدهای آمینه ساختار را مشخص می‌کند که به نوبه خود فعالیت کاتالیزوری آنزیم را تعیین می‌کند. گرچه ساختار عملکرد را تعیین می‌کند، ولی فعالیت آنزیمی جدید نمی‌تواند به تنهایی از طریق ساختار پیش‌بینی شود. ساختارهای آنزیمی وقتی گرم می‌شوند یا در معرض دناتورانت‌های شیمیایی قرار می‌گیرند آشکار می‌شوند که واسرشتن نام دارد و این اختلال در ساختار معمولاً باعث از بین رفتن فعالیت می‌شود. در نتیجه، آنزیم‌های موجود در باکتری‌هایی که در محیط‌های آتشفشانی مانند چشمه‌های آب گرم زندگی می‌کنند به دلیل توانایی عملکرد در دماهای بالا مورد مصارف صنعتی قرار می‌گیرند و به این ترتیب واکنش‌های آنزیمی کاتالیز شده با سرعت بسیار بالایی امکان‌پذیر می‌شوند. دامنه اندازه از ۶۲ اسید آمینه باقی‌مانده برای برای مونومر ۴-اگزالوکروتونات تائوتومراز، تا ۲۵۰۰ باقی‌مانده در سنتاز اسیدهای چرب حیوانات متفاوت است. تنها بخش کوچکی از ساختار آنها (حدود ۲–۴ آمینو اسید) که سایت کاتالیزوری نام دارد به‌طور مستقیم در کاتالیز درگیر است. این سایت کاتالیزوری در کنار یک یا چند سایت اتصال دهنده قرار دارد که در آن مانده‌ها بسترها را جهت می‌دهند. اکثریت باقیمانده ساختار آنزیم به منظور حفظ جهت‌گیری دقیق و پویایی محل فعال در حضور دارد. ساختارهای آنزیمی همچنین ممکن است دارای مکانهای آلوستریک باشد که اتصال یک مولکول کوچک باعث ایجاد تغییر شکل می‌شود که باعث افزایش یا کاهش فعالیت می‌شود. تعداد کمی از کاتالیزورهای بیولوژیکی مبتنی بر RNA به نام ریبوزیم‌ها وجود دارند که دوباره می‌توانند به تنهایی یا در کمپلکس به همراه پروتئین‌ها عمل کنند. جایگاه فعال جایگاه فعال ناحیه‌ای از آنزیمی است که در آن مولکول‌های بستر به هم متصل می‌شوند و تحت واکنش شیمیایی قرار می‌گیرند. جایگاه فعال متشکل از باقیمانده اسید آمینه است که پیوندهای موقتی با بستر (محل اتصال) و باقی مانده‌ای ایجاد می‌کند که واکنش را کاتالیز می‌کند. اما مهم‌ترین بخش در ساختار یک آنزیم است زیرا مستقیماً واکنش شیمیایی را کاتالیز می‌کند. این ماده معمولاً از سه تا چهار اسید آمینه تشکیل می‌شود، در حالی که سایر اسیدهای آمینه موجود در پروتئین برای حفظ ساختار سوم آنزیم مورد نیاز است. هر جایگاه فعال تکامل یافته است تا برای اتصال یک بستر خاص و کاتالیز یک واکنش خاص بهینه شود و در نتیجه ویژگی بالایی داشته باشد. گاهی آنزیم‌ها نیز برای انجام عملکرد خود نیاز به اتصال با برخی از کوفاکتورها را دارند. جایگاه فعال معمولاً یک شیار از آنزیم است که می‌تواند در یک تونل عمیق درون آنزیم قرار گیرد، یا بین رابط‌های آنزیم‌های چند مولتی قرار گیرد. یک جایگاه فعال می‌تواند یک واکنش را به‌طور مکرر کاتالیز کند زیرا باقیمانده‌ها در پایان واکنش تغییر نمی‌کنند (ممکن است در طول واکنش تغییر کنند، اما تا پایان دوباره تولید می‌شوند). این فرایند با کاهش انرژی فعال سازی واکنش حاصل می‌شود، بنابراین بسترهای بیشتری انرژی کافی برای انجام واکنش دارند. اتصال بستر آنزیم‌ها قبل از اینکه بتوانند هرگونه واکنش شیمیایی را کاتالیز کنند، باید بسترهای خود را متصل کنند. آنزیم‌ها معمولاً مشخص می‌کنند که به چه لایه‌هایی متصل می‌شوند و سپس واکنش شیمیایی کاتالیز می‌شود. ویژگی جایگاه اتصال با شکل مکمل، بار و ویژگی‌های آب دوست / آبگریز به لایه‌ها به‌دست می‌آید؛ بنابراین آنزیم‌ها می‌توانند بین مولکول‌های سوبسترا بسیار شبیه از لحاظ شیمی گزینی، جهت‌گزینی و استریوسپکتیکStereospecificity تفاوت قائل شوند. برخی از آنزیم‌هایی که بالاترین ویژگی و دقت را نشان می‌دهند، در کپی و بیان ژنوم نقش دارند. در اینجا، آنزیمی مانند DNA پلیمراز در مرحله اول یک واکنش را کاتالیز می‌کند و سپس در مرحله دوم صحت محصول را بررسی می‌کند. این فرایند دو مرحله ای منجر به میانگین نرخ خطای کمتر از ۱ خطا در ۱۰۰ میلیون واکنش در پلیمرازهای پستانداران با راستی بالا می‌شود. هگزوکیناز توانایی حرکتی فراوانی برای گنجیدگی القایی دارد که روی سوبستراهای آدنوزین تری فسفات و زایلوز را می‌پوشاند. محل‌های اتصال به رنگ آبی، سوبسترا به رنگ سیاه و کوفاکتور Mg 2+ به رنگ زرد نمایش داده شده است. ( , ) مدل قفل و کلید برای توضیح ویژگی مشاهده شده آنزیم‌ها، در سال ۱۸۹۴ هرمان امیل فیشر، شیمی‌دان آلمانی و برنده جایزه نوبل شیمی پیشنهاد کرد که آنزیم و سوبسترا دارای اشکال هندسی مکمل خاصی هستند که دقیقاً در یکدیگر جای می‌گیرند. این مدل اولیه ویژگی آنزیم را توضیح می‌دهد، اما قادر به توضیح ثبات حالت گذار که آنزیم‌ها به دست می‌آورند نیست. زنجیره‌های جانبی اسید آمینه که جایگاه فعال را تشکیل می‌دهند در موقعیت‌های دقیق قالب‌بندی می‌شوند که آنزیم را قادر می‌سازد تا عملکرد کاتالیزوری خود را انجام دهد. در بعضی موارد مانند گلیکوزید هیدرولازها، مولکول سوبسترا نیز با ورود به محل فعال، اندکی تغییر شکل می‌دهد. سایت فعال همچنان تغییر می‌کند تا زمانی که بستر کاملاً بسته شود در آن زمان شکل نهایی و توزیع بار تعیین می‌شود. کاتالیز آنزیم‌ها می‌توانند واکنش‌ها را از چند طریق تسریع کنند، همه این راه‌های گوناگون در نهایت انرژی فعال سازی را کاهش می‌دهند (‡ΔG، انرژی آزاد گیبس) با تثبیت حالت گذار: ایجاد یک محیط با توزیع شارژ مکمل به حالت گذار برای کاهش انرژی آن با ارائه یک مسیر واکنش جایگزین: واکنش موقت با بستر، تشکیل یک واسطه کووالانسی برای ایجاد حالت انتقال انرژی پایین‌تر با بی‌ثبات کردن حالت پایه بستر: بستر (های) مقید را به شکل حالت گذار خود تحریف می‌کند تا انرژی مورد نیاز برای رسیدن به حالت گذار کاهش یابد با جهت دهی بسترها به یک چیدمان تولیدی برای کاهش تغییر آنتروپی واکنش (سهم این مکانیزم در کاتالیز نسبتاً ناچیز است) آنزیم‌ها ممکن است به‌طور همزمان از چندین مکانیزم استفاده کنند. به عنوان مثال، پروتئازها مانند تریپسین با استفاده از یک سه‌گانه کاتالیزوری، کاتالیز کووالانسی را با استفاده از یک حفره اکسیانیونOxyanion hole انجام دهند و تجمع بار را در حالت گذار تثبیت می‌کنند و با استفاده از یک بستر آب گرا، هیدرولیز کامل را ایجاد می‌کنند. در عوض آنها دارای حرکت‌های دینامیکی پیچیده داخلی شامل حرکات قسمت‌هایی از ساختار آنزیم مانند باقیمانده اسیدهای آمینه جداگانه، گروه‌های باقیمانده که یک حلقه پروتئین یا واحد ساختار ثانویه تشکیل می‌دهند، یا حتی یک کل حوزه پروتئین هستند. این حرکات منجر به ایجاد یک مجموعه ساختاری از ساختارهای کمی متفاوت می‌شود که در تعادل با یکدیگر تعامل برقرار می‌کنند. یا درون غشا، یک آنزیم را می‌توان به صورت تقسیم لیپید دور از بستر خود در ناحیه مختل شده جدا کرد. به عنوان مثال، آنزیم می‌تواند محلول باشد و هنگام فعال شدن به یک لیپید در غشای پلاسما متصل شود و سپس بر روی مولکول‌های غشای پلاسما عمل کند. مدولاسیون آلوستریک مکان‌های آلوستریک یا دگرریختار محل‌هایی روی آنزیم هستند که از جایگاه فعال متمایز هستند و به مولکول‌های محیط سلولی متصل می‌شوند. این مولکول‌ها سپس باعث تغییر در ساختار یا دینامیک آنزیمی می‌شوند که به جایگاه فعال منتقل می‌شود و بنابراین بر سرعت واکنش آنزیم تأثیر می‌گذارد. برهمکنش دگرریختار با متابولیت‌های بالادست یا پایین دست در مسیر متابولیسم آنزیم باعث تنظیم بازخورد می‌شود و فعالیت آنزیم را با توجه به شارFlux (metabolism) از طریق بقیه مسیر تغییر می‌دهد. برخی دیگر برای محدود کردن فعالیت به مولکولهای غیر پروتئینی به نام کوفاکتور نیاز دارند. به عنوان مثال، یون‌های فلزی می‌توانند در تثبیت گونه‌های هسته‌ای در محل فعال کمک کنند. کوفاکتورهای آلی می‌توانند یا کوآنزیم‌هایی باشند که در طی واکنش از محل فعال آنزیم آزاد می‌شوند، یا گروه‌های پروتز که محکم به آنزیم وصل می‌شوند. گروه‌های پروتزهای آلی می‌توانند به صورت کووالانسی محدود شوند (به عنوان مثال، بیوتین در آنزیم‌هایی مانند پیروات کربوکسیلاز). کربنیک آنهیدراز نمونه‌ای از آنزیمیست که حاوی کوفاکتور است، که از یک کوفاکتور روی که به عنوان بخشی از سایت فعال آن وجود دارد استفاده می‌کند. این یون‌ها یا مولکول‌های معمولاً در محل فعال یافت می‌شوند و درگیر در کاتالیز هستند. به آنزیم‌هایی که به کوفاکتور احتیاج دارند اما محدودیتی ندارند آنزیم بنزیم یا آپوپروتئین گفته می‌شود. اصطلاح هولوزیم نیز می‌تواند برای آنزیم‌هایی از جمله DNA پلیمرازها که حاوی زیر واحدهای پروتئینی متعددی هستند استفاده شود. در اینجا هولوزانیم یک کمپلکس کامل است که شامل تمام زیر واحدهای مورد نیاز برای فعالیت است. کوآنزیم‌ها (کمک‌زیمایه‌ها) کوآنزیم‌ها مولکول‌های آلی کوچکی هستند که می‌توانند آزادانه یا محکم به آنزیم متصل شوند. برخی کوآنزیم‌ها، مانند فلاوین مونونوکلئوتید (FMN)، فلاوین آدنین دینوکلئوتید (FAD)، تیامین پیروفسفات (TPP) و تترا هیدروفولات (THF) از ویتامین‌ها مشتق می‌شوند. این کوآنزیم‌ها نمی‌توانند توسط بدن طی فرایند سنتز نوپدید ساخته شوند و ترکیبات (ویتامین‌ها) که از نزدیک مرتبط هستند باید از رژیم غذایی حاصل شود. گروه‌های فرمیل، متیل یا متیل، توسط اسید فولیک حمل شده است؛ و گروه متیل، توسط اس-آدنوزیل متیونین حمل شده است. از آنجا که کوآنزیم‌ها به عنوان یک نتیجه از عمل آنزیم شیمیایی تغییر می‌یابند، در نظر گرفتن کوآنزیم‌ها به عنوان یک کلاس خاص از سوبستراها، یا سوبستراهای دوم مفید است که برای بسیاری از آنزیم‌های مختلف مشترک است. به عنوان مثال، حدود ۱۰۰۰ آنزیم شناخته شده است که از کوآنزیم NADH استفاده می‌کنند. کوآنزیم‌ها معمولاً به‌طور مداوم بازسازی می‌شوند و غلظت آنها در سطح ثابت داخل سلول حفظ می‌شود. | ## بخش 2: آنزیم | به عنوان مثال، NADPH از طریق مسیر فسفات پنتوز و اس-آدنوزیل متیونین توسط متیونین آدنوزیل‌ترانسفراز بازسازی می‌شود. این بازسازی مداوم یعنی مقادیر کمی از کوآنزیم‌ها می‌توانند بسیار فشرده استفاده شوند. ترمودینامیک مانند همه کاتالیزورها، آنزیم‌ها موقعیت تعادل شیمیایی واکنش را تغییر نمی‌دهند. در حضور آنزیم، واکنش در همان جهت که آنزیم نیز حضور ندارد انجام می‌شود فقط حضور آنزیم موجب می‌شود که با سرعت بیشتری انجام شود. برای دستیابی به حالت گذار، بسترهای غیرمجاز (خط شکسته)، به انرژی فعال سازی زیادی احتیاج دارند، که پس از آن در محصولات کم انرژی فروپاشی می‌شود. وقتی آنزیم کاتالیز شود (خط جامد)، آنزیم بسترها (ES) را به هم متصل می‌کند، سپس حالت انتقال (ES ‡) را تثبیت می‌کند تا انرژی فعال سازی مورد نیاز برای تولید محصولاتی (EP) را که در نهایت آزاد می‌شوند، کاهش دهد. میزان واکنش بستگی به انرژی فعال‌سازی مورد نیاز برای تشکیل حالت گذار دارد که پس از آن در محصولات فروپاشی می‌شود. دوم، آنزیم وضعیت انتقال را به گونه‌ای تثبیت می‌کند که در مقایسه با واکنش غیرقابل تجزیه (ES ‡) به انرژی کمتری برای رسیدن به آن نیاز دارد. آنزیم‌ها می‌توانند دو یا چند واکنش ایجاد کنند، به‌طوری که می‌توان از یک واکنش ترمودینامیکی مطلوب برای «رانش» ترمودینامیکی نامطلوب استفاده کرد به‌طوری که انرژی ترکیبی محصولات پایین‌تر از سوبستراها باشد. به عنوان مثال، هیدرولیز ATP اغلب برای هدایت سایر واکنشهای شیمیایی استفاده می‌شود. سینتیک سینتیک آنزیم بررسی چگونگی اتصال آنزیم‌ها به سوبستراها و تبدیل آنها به محصولات است. داده‌های نرخ استفاده شده در آنالیزهای سینتیکی معمولاً از سنجش آنزیمی به دست می‌آیند. در سال ۱۹۱۳ لیونور میکائلیس و ماد منتن نظریه کمی از سینتیک آنزیم را مطرح کردند که از آن به عنوان سینتیک میکائلیس–منتن یاد می‌شود.; سهم عمده میکائلیس و منتن در فکر کردن به واکنشهای آنزیمی در دو مرحله بود. در حالت اول، سوبسترا برگشت‌پذیر به آنزیم متصل می‌شود، و کمپلکس آنزیم-سوبسترا را تشکیل می‌دهد که به افتخار آنها مجموعه کمپلکس میکائلیس و منتن نامیده می‌شود. برای پیدا کردن حداکثر سرعت یک واکنش آنزیمی، غلظت سوبسترا افزایش می‌یابد تا اینکه یک مقدار ثابت در شکل‌گیری محصول مشاهده شود که در منحنی اشباع مقابل نشان داده شده است. در ماکزیمم سرعت واکنش (V Max) آنزیم، تمام سایت‌های فعال آنزیم به سوبسترا متصل شده و مقدار کمپلکس ES همان مقدار کل آنزیم است. مقدار بستر مورد نیاز برای دستیابی به میزان واکنش خاص نیز مهم است که توسط ثابت سینتیک میکائلیس–منتن (Km) که غلظت بستر مورد نیاز یک آنزیم برای رسیدن به نیمی از سرعت واکنش حداکثر (V max) آن است، داده شده است. یکی دیگر از ثابت‌های مفید، kcat است که به آن عدد گردش نیز گفته می‌شود و تعداد مولکول‌های بستر است که توسط یک سایت فعال در هر ثانیه اداره می‌شود. کارایی یک آنزیم را می‌توان بر حسب kcat/Km بیان کرد که ثابت ویژه نیز نامیده می‌شود و ثابت سرعت را برای همه مراحل واکنش را شامل می‌شود. از آنجا که ثابت ویژه هم میل ترکیبی و هم توانایی کاتالیزوری را بازتاب می‌دهد، برای مقایسه آنزیم‌های مختلف با یکدیگر یا همان آنزیم با لایه‌های مختلف مفید است. حداکثر نظری برای ثابت ویژه را حد انتشار می‌نامند که حدود 108 تا 109 (M−1 s−1) است. در این مرحله، هر برخورد آنزیم با بستر آن منجر به کاتالیز می‌شود و سرعت تشکیل محصول با سرعت واکنش محدود نمی‌شود بلکه با سرعت انتشار محدود می‌شود. نمونه این نوع آنزیم‌ها تریوز فسفات ایزومراز، کربنیک آنهیدراز، استیل‌کولین‌استراز، کاتالاز، فوماراز، بتالاکتاماز و سوپراکسید دیسموتاز هستند. اما بیشتر آنزیم‌ها کاملاً کاتالیزوری نیستند: مقادیر متوسط مقدار و به ترتیب حدود و است. واکنش‌های مرتبه صفر و شرایط مورد نیاز واکنش‌های مرتبه صفر زمانی رخ می‌دهند که سرعت واکنش مستقل از غلظت سوبسترا باشد. این حالت معمولاً زمانی مشاهده می‌شود که غلظت سوبسترا بسیار بیشتر از غلظت آنزیم باشد. در شرایطی که سوبسترا در مقادیر اضافی وجود دارد، سرعت واکنش مستقیماً با غلظت آنزیم متناسب است. مدل مایکلیس-منتن سینتیک آنزیمی را در شرایط استاندارد توصیف می‌کند، در حالی که مدل هیل برای آنزیم‌های آلوستریک با همکاری بین زیرواحدها مناسب است. بازدارنده‌های آنزیمی به سه دسته تقسیم می‌شوند: رقابتی: با سوبسترا برای اتصال به جایگاه فعال رقابت می‌کنند. اندازه‌گیری فعالیت آنزیم‌های خاص در خون برای تشخیص بیماری‌ها استفاده می‌شود: کبدی: ALT, AST قلبی: CK-MB, Troponin پانکراس: آمیلاز، لیپاز با استفاده از مهندسی پروتئین، آنزیم‌هایی با ویژگی‌های بهبودیافته تولید می‌شوند که در صنایع غذایی، دارویی و بیوتکنولوژی کاربرد دارند. درک دقیق این مفاهیم به بهینه‌سازی واکنش‌های آنزیمی و توسعه روش‌های تشخیصی و درمانی کمک می‌کند. آنزیم‌های آلوستریک با اتصال مولکول‌های تنظیمی در جایگاه‌های غیرفعال، فعالیت کاتالیتیکی خود را تغییر می‌دهند. برخی آنزیم‌ها مانند فسفوفروکتوکیناز-۱ در گلیکولیز به عنوان نقاط کنترل سرعت عمل می‌کنند. روش‌های مدرن تعیین ساختار آنزیم‌ها: - کریستالوگرافی اشعه ایکس - میکروسکوپ الکترونی کرایو - طیف‌سنجی NMR این روش‌ها به درک رابطه ساختار-عملکرد آنزیم‌ها کمک شایانی کرده‌اند. آنزیم‌هایی مانند آسپاراژیناز در درمان سرطان خون و الگلوکرازیداز در درمان بیماری گوچر استفاده می‌شوند. نانوزیم‌ها نانوذراتی با فعالیت آنزیم‌مانند هستند که پایداری بالاتر و هزینه تولید کمتری نسبت به آنزیم‌های طبیعی دارند. این آنزیم‌ها در شرایط شدید مانند دمای بسیار بالا یا pHهای اسیدی/بازی فعالیت دارند و در صنایع مختلف کاربردهای ارزشمندی دارند. در سلول، آنزیم‌های مرتبط با یک مسیر متابولیکی اغلب به صورت کمپلکس‌های چندآنزیمی سازماندهی می‌شوند که کارایی واکنش‌ها را افزایش می‌دهد. شبیه‌سازی‌های کوانتومی به درک دقیق مکانیسم‌های کاتالیتیکی در سطح اتمی کمک می‌کنند. با استفاده از روش‌های طراحی محاسباتی، می‌توان آنزیم‌های کاملاً جدید با فعالیت‌های کاتالیتیکی نوظهور ایجاد کرد. بازداری میزان سرعت واکنش آنزیم به وسیله انواع مختلفی از مهارکننده‌های آنزیم قابل کاهش است. بازدارنده‌های آنزیمی عوامل مولکولی هستند که با کاتالیزوز تداخل پیدا کرده و واکنش‌های آنزیمی را آهسته یا متوقف می‌کنند. بازدارنده‌های برگشت‌پذیر عبارتند از: برگشت‌پذیر رقابتی یک بازدارندهٔ رقابتی به خاطر تشابه در هندسه مولکولی یا سوبسترا برای جایگاه فعال آنزیم رقابت می‌کند با اشغال جایگاه فعال توسط بازدارنده از اتصال سوبسترا با آنزیم ممانعت می‌کند. به عنوان مثال، داروی متوترکسات یک مهار کننده رقابتی آنزیم دی هیدروفولات ردوکتاز است که باعث کاهش دی هیدروفولات به تتراهیدروفولات می‌شود. در برخی موارد، مهارکننده می‌تواند به سایتی غیر از محل اتصال سوبسترا معمولی وصل شود و یک اثر آلوستریک برای تغییر شکل محل اتصال معمولی اعمال کند. سوبسترا هنوز هم با تمایل معمول آن متصل می‌شود و از این رو Km یکسان باقی می‌ماند. با این حال بازدارنده بازده کاتالیزوری آنزیم را کاهش می‌دهد به‌طوری که V max کاهش می‌یابد. برخلاف مهار رقابتی، نمی‌توان با غلظت زیاد سوبسترا بر مهار غیر رقابتی سوبسترا غلبه کرد. یک بازدارندهٔ نارقابتی در مکانی غیر از سوبسترا به آنزیم متصل شده و برخلاف مهارکنندهٔ رقابتی تنها به کمپلکس ES متصل می‌شود. برگشت‌ناپذیر یک بازدارنده برگشت‌ناپذیر، آنزیم را معمولاً با ایجاد پیوند کووالانسی به پروتئین به‌طور دائمی غیرفعال می‌کند. کارکرد در بسیاری از جانداران، بازدارنده‌ها ممکن است به عنوان بخشی از یک مکانیسم بازخورد عمل کنند. اگر یک آنزیم بیش از حد یک ماده در ارگانیسم تولید کند، ممکن است آن ماده به عنوان یک بازدارنده برای آنزیم در ابتدای مسیر تولیدکننده آن عمل کند و باعث کند شدن تولید ماده در صورت وجود مقدار کافی شود که نوعی بازخورد منفی است. از آنجا که بازدارنده‌ها عملکرد آنزیم‌ها را تعدیل می‌کنند، اغلب به عنوان دارو استفاده می‌شوند. بسیاری از این داروها بازدارنده‌های قابل برگشت رقابتی هستند که شبیه سوبسترا بومی آنزیم هستند، مشابه متوترکسات که در بالا اشاره شد، سایر نمونه‌های معروف شامل استاتین‌هایی است که برای درمان کلسترول بالا استفاده می‌شود، و بازدارنده‌های پروتئاز که برای درمان عفونت‌های ویروسی مانند ویروس HIV استفاده می‌شود. یک نمونه معمول از یک بازدارنده برگشت‌ناپذیر که به عنوان دارو استفاده می‌شود، آسپرین یا استیل‌سالیسیلیک اسید است که آنزیم‌های COX-1 و COX-2 را که پروستاگلاندین پیام رسان التهاب را مهار می‌کنند. به عنوان مثال، سیانور یک مهارکننده آنزیم برگشت‌ناپذیر است که با مس و آهن در محل فعال آنزیم سیتوکروم اکسیداز سی ترکیب شده و از تنفس سلولی جلوگیری می‌کند. تثبیت آنزیم آنزیم‌ها غالباً در بسترهای بی‌اثر و نامحلول تثبیت می‌شوند که به دلیل قابلیت استفاده مجدد چند برابر، کارایی آنها را افزایش می‌دهند. انتخاب پایه معمولاً مربوط به سازگاری زیستی، پایداری شیمیایی و حرارتی، عدم انحلال‌پذیری در شرایط واکنش، قابلیت بازسازی و استفاده مجدد آسان و همچنین بازده هزینه است. اکثر آنزیم‌ها نسبتاً ناپایدار هستند و هزینه‌های تولید و جداسازی بالایی دارند و این یک نقطه ضعف را نشان می‌دهد که بازیابی آنزیم‌های فعال در مخلوط واکنش پس از استفاده از نظر فنی بسیار دشوار است. آنزیمهای تثبیت‌شده مورد توجه بسیاری قرار گرفته که مایلند از فناوری تثبیت آنزیم برای اهداف خاص در بخشهای پزشکی و صنعتی استفاده کنند. اصطلاح «آنزیمهای تثبیت‌شده» به آنزیم‌هایی گفته می‌شود که از نظر فیزیکی به تکیه‌گاه‌های جامد خاص متصل شده و بنابراین محدود شده‌اند و می‌توانند به‌طور مکرر و مداوم با حفظ فعالیتهای کاتالیزوری خود مورد استفاده قرار گیرند. در سالهای اخیر، به‌طور موازی با درک مکانیسم‌های بیوسنتز آنزیمی، بهره‌وری آنزیمی از طریق بهبود فناوری مهندسی ژنتیک، فناوری کشت میکروبی در حال رشد است. معرفی کاتالیزورهای آنزیمی تثبیت‌شده، عملکرد فنی فرایندهای صنعتی را بسیار بهبود بخشیده و در نتیجه راندمان و بهره‌وری اقتصادی را افزایش داده است. آنزیم‌های تثبیت‌شده معمولاً پایدارتر از آنزیم‌های متحرک هستند، می‌توان با حذف آنزیم از محلول واکنش، سرعت واکنش را کنترل کرد. یک مزیت این فناوری جداسازی آسان آنزیم از محصول است تا بتوان از آلودگی جلوگیری کرد. همچنین، استفاده از آنزیم تثبیت‌شده امکان ایجاد یک سیستم واکنش چندآنزیمی را فراهم می‌کند. طی دهه‌های گذشته، مطالعات بیوشیمیایی و بیوفیزیکی به منظور افزایش پایداری و فعالیت آنزیم‌ها از طریق تثبیت آنزیم‌ها، به‌طور فعال انجام شده است. الکترود آنزیمی الکترود آنزیمی یک مبدل شیمیایی کوچک است که با ترکیب یک روش الکتروشیمیایی با فعالیت آنزیم بی حرکت کار می‌کند. برای نمونه از گلوکز اکسیداز تثبیت شده روی ژل برای اندازه‌گیری غلظت گلوکز در محلولهای بیولوژیکی و در بافتهای آزمایشگاهی استفاده می‌کند. آنزیم‌ها اجزای اساسی کاتالیزوری زیست‌شناسی هستند و آنزیم‌های فعال اکسیداسیون ردوکس را در سطوح الکترود جذب می‌کنند و امکان جستجوی مستقیم عملکرد آنها را فراهم می‌کند. از طریق اندازه‌گیری‌های الکتروشیمیایی استاندارد، فعالیت کاتالیزوری، برگشت‌پذیری و پایداری، پتانسیل کوفاکتورهای فعال ردوکس و سرعت انتقال الکترون بین سطحی را می‌توان به راحتی اندازه گرفت. تحقیقات مکانیکی در مورد نرخ بالای الکتروکاتالیستی و انتخاب آنزیم‌ها ممکن است از طراحی الکتروکاتالیست‌های مولکولی و ناهمگن مصنوعی الهام بگیرد. تحقیقات الکتروشیمیایی آنزیم‌ها همچنین به درک ما از فعالیت آنها در محیط بیولوژیکی و چرایی تکامل آنها در ساختار و عملکرد فعلی کمک می‌کند. با این حال، آرایه متداول تکنیک‌های الکتروشیمیایی (به عنوان مثال، ولتامتری و کرونوآمپومتری) به تنهایی یک تصویر محدود از رابط آنزیم-الکترود را ارائه می‌دهد. در حسگرهای زیستی و سلولهای سوخت زیستی، اغلب سرعت انتقال الکترون بین سطح آنزیم و الکترود برای بهبود عملکرد دستگاه‌ها (حساسیت یا توان خروجی) مطلوب است. مهندسی پروتئین یا پروتئین‌های تشکیل دهنده عناصر بیوکاتالیستی امکان تنظیم ثبات، فعالیت و ویژگی آنها را فراهم می‌کند. همچنین می‌تواند باعث تغییر کارایی بی حرکتی آنزیم شود (به عنوان مثال جذب در مقابل بیحرکتی کووالانسی). اگر انتقال مستقیم الکترون مطلوب نباشد، ممکن است بتوان پلیمرهایی را در سیستم وارد کرد که انتقال الکترون را به سطح الکترود یا از آن واسطه می‌کنند. اخیراً پیشرفت چشمگیری در طراحی پلیمرها برای اصلاح الکترودها، از جمله پلیمرهای منقوش مولکولی و پلیمرهای پاسخ دهنده، حاصل شده است. این نانومواد می‌توانند به عنوان داربست از طریق جذب یا واکنش شیمیایی با گروه‌های عاملی، افزایش سطح و مقاومت الکترود، عناصر بیولوژیکی را بی حرکت کنند. انبوهی از نانومواد به عنوان بخشی از جدیدترین الکترودهای اصلاح شده با آنزیم، از جمله گرافن، نانولوله‌های کربنی، نانوذرات فلزی، سیلیس‌ها و چارچوب‌های فلزی - آلی در حال آزمایش است. بعضی از اینها همچنین می‌توانند به عنوان نانوسیم طراحی شوند تا بتوانند انتقال مستقیم الکترون از نقاط فعال دیستال را در آنزیم‌ها انجام دهند یا کوتاه کنند. زیست حسگر گلوکز زیست حسگر خودکار زیست ابرخازن خود شارژ عامل‌های اثرگذار بر فعالیت آنزیم از آنجا که آنزیم‌ها از پروتئین تشکیل شده‌اند، عملکرد آنها نسبت به تغییر در بسیاری از عوامل شیمیایی فیزیکی مانند pH، دما، غلظت بستر و غیره حساس است. غلظت آنزیم به منظور بررسی اثر افزایش غلظت آنزیم بر میزان واکنش، بستر باید در مقدار اضافی وجود داشته باشد. هرگونه تغییر در مقدار محصول تشکیل شده طی یک دوره زمانی مشخص به سطح آنزیم موجود بستگی خواهد داشت. گفته می‌شود این واکنشها «مرتبه صفر» هستند زیرا سرعتها از غلظت بستر مستقل نیستند و برابر با بعضی از ثابتهای k هستند. در سینتیک مرتبه صفر، اجازه دادن به آزمایش برای مدت زمان دو برابر منجر به دو برابر مقدار محصول می‌شود. رابطه بین فعالیت و غلظت تحت تأثیر بسیاری از عوامل مانند دما، pH و غیره قرار دارد. یک آزمایش آنزیم باید طوری طراحی شود که فعالیت مشاهده شده متناسب با مقدار آنزیم موجود باشد تا غلظت آنزیم تنها عامل محدود کننده باشد. برای اندازه‌گیری ایده‌آل فعالیت آنزیم، اندازه‌گیری‌ها باید در آن قسمت از منحنی انجام شود که واکنش مرتبه صفر است. یک واکنش به احتمال زیاد در ابتدا مرتب صفر است زیرا غلظت بستر در آن زمان بیشترین است. برای اطمینان از اینکه یک واکنش مرتبه صفر است، باید چندین اندازه‌گیری غلظت محصول (یا بستر) انجام شود. | ## بخش 3: آنزیم | در شرایطی که غلظت بستر بسیار بیشتر از غلظت آنزیم باشد، واکنش ابتدا به صورت خطی (مرتبه صفر) پیش می‌رود تا زمانی که غلظت بستر به حدی کاهش یابد که دیگر در مقادیر اضافی نباشد. این تغییر از سینتیک مرتبه صفر به سینتیک مرتبه اول (وابسته به غلظت بستر) به عنوان «نقطه انتقال» شناخته می‌شود و برای تعیین پارامترهای سینتیکی مانند Km و Vmax مفید است. در مطالعات آنزیمی، استفاده از بازدارنده‌ها می‌تواند به شناسایی مکانیسم کاتالیزوری آنزیم کمک کند. بازدارنده‌های رقابتی باعث افزایش ظاهری Km می‌شوند، در حالی که بازدارنده‌های غیررقابتی Vmax را کاهش می‌دهند. تأثیر دما بر فعالیت آنزیم معمولاً با مدل آرنیوس توصیف می‌شود، اما در دمای بسیار بالا، دناتوراسیون آنزیم منجر به کاهش سریع فعالیت می‌شود. به‌طور مشابه، pH بهینه آنزیم نشان‌دهنده تعادل بین یونیزاسیون گروه‌های آمینواسیدی در جایگاه فعال و پایداری ساختاری آنزیم است. برای آنزیم‌های آلواستریک، سینتیک سیگموئیدی (غیر-مایکلیس-منتنی) مشاهده می‌شود، که نشان‌دهنده همکاری بین زیرواحدهای آنزیم است. غلظت بستر به‌طور تجربی نشان داده شده است که اگر مقدار آنزیم ثابت نگه داشته شود و سپس غلظت بستر به تدریج افزایش یابد، سرعت واکنش افزایش می‌یابد تا زمانی که به حداکثر برسد. این نظریه وجود دارد که وقتی این حداکثر سرعت حاصل شد، آنزیم موجود به ES، کمپلکس بستر آنزیمی تبدیل شده است. اثر دما + آنزیم pH بهینه توضیحات pH پپسین ۱٫۵–۱٫۶ بسیار اسیدی است اینوراز ۴٫۵ اسیدی لیپاز (معده) ۴٫۰–۵٫۰ اسیدی لیپاز (روغن کرچک) ۴٫۷ اسیدی لیپاز (لوزالمعده) ۸٫۰ قلیایی آمیلاز (مالت) ۴٫۶–۵٫۲ اسیدی آمیلاز (لوزالمعده) ۶٫۷–۷٫۰ اسیدی-خنثی سلوبیاز ۵٫۰ اسیدی مالتاز ۶٫۱–۶٫۸ اسیدی سوکراز ۶٫۲ اسیدی کاتالاز ۷٫۰ خنثی اوره ۷٫۰ خنثی کولین استراز ۷٫۰ خنثی ریبونوکلئاز ۷٫۰–۷٫۵ خنثی فوماراز ۷٫۸ قلیایی تریپسین ۷٫۸–۸٫۷ قلیایی آدنوزین تری فسفات ۹٫۰ قلیایی آرژیناز ۱۰٫۰ بسیار قلیایی است مانند اکثر واکنشهای شیمیایی، با افزایش دما سرعت واکنش کاتالیزور آنزیمی افزایش می‌یابد. ده درجه سانتیگراد افزایش دما فعالیت اکثر آنزیم‌ها را ۵۰ تا ۱۰۰ درصد افزایش می‌دهد. تغییرات دمای واکنش به اندازه ۱ یا ۲ درجه ممکن است تغییرات ۱۰ تا ۲۰٪ را در نتایج ایجاد کند. در مورد واکنش‌های آنزیمی، این واقعیت پیچیده است که بسیاری از آنزیم‌ها تحت تأثیر دماهای بالا قرار دارند. سرعت واکنش با افزایش دما به حداکثر افزایش می‌یابد، سپس با افزایش بیشتر دما به‌طور ناگهانی کاهش می‌یابد. از آنجا که بیشتر آنزیم‌های حیوانی در دمای بالاتر از ۴۰ درجه سانتیگراد به سرعت دناتوره می‌شوند، بیشترین تعیین آنزیم‌ها تا حدودی زیر آن دما انجام می‌شود. اثر pH مقادیر pH بسیار زیاد یا پایین به‌طور کلی باعث از دست رفتن فعالیت اکثر آنزیم‌ها می‌شود. همان‌طور که جدول نشان داده شده، مقدار مطلوب pH از یک آنزیم به آنزیم دیگر بسیار متفاوت خواهد بود جدول زیر pH مناسب را برای آنزیم‌های مختلف نشان می‌دهد. اثر فعالسازها کارکرد زیستی آنزیم‌ها کاربردهای گسترده‌ای در اندام‌های زنده دارند. آنها برای ترارسانی پیام و تنظیم فعالیت‌های سلول ضروری اند؛ از جمله مهم‌ترین آنزیم‌ها در تنظیم سلول می‌توان به کیناز و فسفاتاز اشاره کرد. آنزیم‌ها در ایجاد حرکت در ماهیچه‌ها هم مؤثرند آنها با کمک میوزین و آبکافت ای‌تی‌پی‌ایز در ماهیچه‌ها کشش ایجاد می‌کنند. علاوه بر این آنزیم‌ها در انتقال مواد در پیرامون سلول و جزئی از اسکلت سلولی اهمیت دارند. دیگر ای‌تی‌پی‌ایزها در غشاء سلول، ناقل‌های یونی اند که در فرایند انتقال فعال سلولی درگیرند. آنزیم‌ها در جانوران کاربردهایی با نمود بیرونی هم دارند برای نمونه در فرایند ایجاد نور در کرمهای شب‌تاب آنزیمها نقش اساسی دارند. ویروس‌ها هم ممکن است برای آلوده کردن سلول از آنزیم استفاده کنند مانند آنزیم اینتگراز و آنزیم رونوشت‌بردار معکوس در HIV یا مانند آنزیم‌های نورآمینیداز در آنفلوانزا که در انتشار ویروس کاربرد دارند. آنزیم‌هایی مانند آمیلاز و پروتئاز به ترتیب مولکول‌های بزرگ مانند نشاسته و پروتئین را می‌شکنند تا برای بدن قابل جذب شوند. برای نمونه مولکول نشاسته برای جذب بسیار بزرگ است اما آنزیم‌ها آن را به مولکول‌های کوچکتری مانند مالتوز و بعد گلوکز می‌شکند و آن را قابل جذب می‌کند. هر آنزیمی برای شکستن مولکول خاصی کاربرد دارد برای نمونه پستانداران گیاه‌خوار که رژیم ویژهٔ گیاه‌خواری دارند از آنزیم سلولاز برای شکستن فیبر گیاهان استفاده می‌کنند. هر یک از اصلاحات شیمیایی که صورت می‌گیرد (مربع‌های قرمز) توسط آنزیمی متفاوت انجام می‌شود چندین آنزیم می‌توانند با ترتیب خاصی با هم کار کنند و مسیرهای سوخت‌وساز را بسازند. در یک مسیر سوخت‌وساز، یک آنزیم، محصول آنزیمی دیگر را می‌گیرد و از آن به عنوان بستر استفاده می‌کند؛ پس از واکنش فروکافتی، محصول به دست آمده به آنزیمی دیگر سپرده می‌شود. گاهی بیش از یک آنزیم در فروکافت یک واکنش نقش دارند و با هم به صورت موازی اثر می‌گذارند؛ البته در این حالت تنظیمات پیچیده تری در واکنش وارد می‌شود. آنزیم‌ها تصمیم می‌گیرند در جریان مسیرهای سوخت‌وساز هر بار چه گامی باید برداشته شود بدون آنزیم‌ها سوخت‌وساز با همین ترتیبی که صورت می‌گیرد هرگز پیش نخواهد رفت و نمی‌تواند نیازهای سلول را برطرف کند. بیشتر مسیرهای سوخت‌وساز مرکزی، چند گام کلیدی دارند که معمولاً توسط آنزیم‌هایی انجام می‌شود که فعالیت شان، هیدرولیزِ آدنوزین تری‌فسفات را دربر می‌گیرد. چون این واکنش انرژی بسیار زیادی ایجاد می‌کند و واکنش‌های دیگری که برای انجام به انرژی نیاز دارند با این انرژی به دست آمده از هیدرولیز، جفت می‌شوند به این ترتیب زنجیره ای از واکنش‌های سوخت و سازی مرتبط با هم، در بدن صورت می‌گیرد. به عنوان مثال، محصول (های) نهایی یک مسیر متابولیکی اغلب مهارکننده یکی از اولین آنزیم‌های مسیر (معمولاً اولین مرحله برگشت‌ناپذیر به نام مرحله متعهد) است، بنابراین مقدار محصول نهایی ساخته شده توسط مسیرها را تنظیم می‌کند. چنین مکانیزم نظارتی مکانیزم بازخورد منفی نامیده می‌شود، زیرا مقدار محصول نهایی تولید شده توسط غلظت خود تنظیم می‌شود. مکانیسم بازخورد منفی می‌تواند به‌طور مؤثری میزان سنتز متابولیت‌های میانی را با توجه به نیاز سلول‌ها تنظیم کند. این امر به تخصیص مؤثر مواد و صرفه جویی در انرژی کمک می‌کند و از تولید بیش از حد محصولات نهایی جلوگیری می‌کند. مانند سایر دستگاه‌های هموستاتیک ، کنترل عملکرد آنزیمی به حفظ یک محیط داخلی پایدار در موجودات زنده کمک می‌کند. به عنوان مثال، در پاسخ به انسولین، فسفوریلاسیون آنزیم‌های متعدد، از جمله گلیکوژن سنتاز (Glycogen synthase)، به کنترل سنتز یا تخریب گلیکوژن کمک می‌کند و به سلول اجازه می‌دهد تا به تغییرات قند خون پاسخ دهد. کیموتریپسین، یک پروتئاز گوارشی، به صورت غیرفعال به عنوان کیموتریپسینوژن (Chymotrypsinogen) در پانکراس تولید می‌شود و به این شکل به معده، جایی که فعال می‌شود ، منتقل می‌شود که باعث می‌شود آنزیم قبل از ورود به روده لوزالمعده یا سایر بافت‌ها را هضم کند. تعداد تولید آنزیم (رونویسی و ترجمه ژن‌های آنزیم) می‌تواند توسط یک سلول در پاسخ به تغییرات محیط سلول افزایش یا کاهش یابد. به عنوان مثال، ممکن است باکتری‌ها در برابر آنتی‌بیوتیک‌هایی مانند پنی سیلین مقاوم شوند زیرا آنزیم‌هایی به نام بتا لاکتامازها القا می‌شوند که حلقه مهم بتا-لاکتام را در مولکول پنی سیلین هیدرولیز می‌کنند. به عنوان مثال، اسیدهای چرب توسط یک مجموعه آنزیم در سیتوزول، شبکه آندوپلاسمی و گلژی سنتز می‌شوند و توسط مجموعه دیگری از آنزیم‌ها به عنوان منبع انرژی در میتوکندری، از طریق اکسیداسیون β استفاده می‌شوند. علاوه بر این ، انتقال (en:Protein targeting) آنزیم به بخشهای مختلف ممکن است درجه پروتون‌دهی (به عنوان مثال، سیتوپلاسم خنثی و لیزوزوم اسیدی) یا حالت اکسیداتیو (به عنوان مثال، اکسید کننده پریپلاسم یا کاهش سیتوپلاسم) را تغییر دهد که به نوبه خود بر فعالیت آنزیم تأثیر می‌گذارد. در مقابل تقسیم به اندامک‌های متصل به غشا، محلی سازی آنزیم درون سلولی نیز ممکن است از طریق پلیمریزاسیون آنزیم‌ها در رشته‌های سیتوپلاسمی ماکرومولکولی تغییر کند. عضو ویژه در یوکاریوت‌های چند سلولی، سلول‌ها در اندام‌ها و بافت‌های مختلف الگوهای مختلف بیان ژن را دارند و بنابراین مجموعه‌های مختلفی از آنزیم‌ها (معروف به ایزوزیم‌ها) را برای واکنش‌های متابولیکی در دسترس دارند که مکانیزمی را برای تنظیم متابولیسم کلی ارگانیسم فراهم می‌کند. به عنوان مثال، هگزوکیناز، اولین آنزیم در مسیر گلیکولیز، دارای فرم خاصی به نام گلوکوکیناز است که در کبد و پانکراس بیان می‌شود و میل کمتری به گلوکز دارد اما نسبت به غلظت گلوکز حساسیت بیشتری دارد. سوبسترا فنیل آلانین و کوآنزیم تتراهیدروبیوپترین به رنگ سیاه و کوفاکتور Fe 2+ به رنگ زرد. از آنجا که کنترل دقیق فعالیت آنزیم برای هم‌ایستایی ضروری است، هرگونه سو عملکرد (جهش، تولید بیش از حد، تولید کم یا حذف) آنزیم حیاتی منفرد می‌تواند منجر به یک اختلال ژنتیکی شود. بدعمل کردن فقط یک نوع آنزیم از هزاران نوع موجود در بدن انسان می‌تواند کشنده باشد. بسیاری از جهش‌های مختلف اسید آمینه در آنزیم فنیل آلانین هیدروکسیلاز، که در اولین مرحله تخریب فنیل‌آلانین را کاتالیز می‌کند، منجر به تجمع فنیل آلانین و محصولات مرتبط می‌شود. برخی از جهش‌ها در محل فعال قرار دارند و به‌طور مستقیم اتصال و کاتالیز را مختل می‌کنند، اما بسیاری از آنها از محل فعال دور هستند و با بی‌ثبات سازی ساختار پروتئین یا تأثیر بر اولیومریاسیون صحیح، فعالیت را کاهش می‌دهند. نقص در این آنزیم‌ها باعث سرطان می‌شود زیرا سلول‌ها کمتر قادر به اصلاح جهش در ژنوم خود هستند. نمونه ای از این سندرم سرطان ارثی گزرودرما پیگمنتوزوم است که باعث ایجاد سرطان پوست در پاسخ به حداقل قرار گرفتن در معرض نور فرابنفش می‌شود. فرگشت مشابه پروتئین‌های دیگر، آنزیم‌ها با گذشت زمان از طریق جهش‌ها و واگرایی توالی تغییر می‌کنند. با توجه به نقش اصلی آنها در متابولیسم ، تکامل آنزیم نقش اساسی در سازگاری دارد؛ بنابراین پرسشی اساسی مطرح است که چگونه آنزیم‌ها می‌توانند فعالیت آنزیمی خود را در کنار هم تغییر دهند. به‌طور کلی پذیرفته شده است که بسیاری از فعالیت‌های جدید آنزیم از طریق تکثیر ژن و جهش نسخه‌های تکراری تکامل یافته‌اند اگرچه تکامل نیز می‌تواند بدون تکثیر انجام شود. یک نمونه از آنزیمی که فعالیت خود را تغییر داده است اجداد متیونیل آمینوپپتیداز (MAP) و کراتین آمیدوهیدرولاز (کراتینیناز) است که به وضوح همولوگ هستند اما واکنش‌های بسیار متفاوت را کاتالیز می‌کنند (MAP موجب حذف متیونین آمینو ترمینال در پروتئین‌های جدید می‌شود، در حالی که کراتین را به سمت سارکوزین و اوره هیدرولیز می‌کند). افزون بر این، MAP وابسته به یون فلزی است در حالی که کراتیناز نیست، از این رو این ویژگی نیز با گذشت زمان از بین رفته است. به‌طور خاص، ویژگی اتصال سوبسترا به راحتی و به سرعت با تغییر اسیدهای آمینه تک در پاکت‌های اتصال دهنده سوبسترا خود تغییر می‌کند که اغلب در کلاس‌های اصلی آنزیم مانند کینازها مشاهده می‌شود. امروزه تکامل مصنوعی (in vitro) برای اصلاح فعالیت آنزیم یا ویژگی کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. کاربردهای صنعتی در صورت نیاز به کاتالیزورهای بسیار خاص، آنزیم‌ها در صنایع شیمیایی و سایر کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به‌طور کلی آنزیم‌ها در تعداد واکنشی که برای کاتالیز کردن و همچنین عدم ثبات آنها در حلال‌های آلی و در دماهای بالا وجود دارد، محدود هستند. به عنوان یک نتیجه، مهندسی پروتئین یک زمینه فعال از تحقیقات است و شامل تلاش برای ایجاد آنزیم‌های جدید با خواص جدید، چه از طریق طراحی منطقی و چه از طریق تکامل هدایت شده یا آزمایشگاهی است. این تلاش‌ها با موفقیت شروع شده است و اکنون چند آنزیم برای کاتالیز واکنش‌هایی که در طبیعت وجود ندارد، طراحی شده است. آنزیمهای بی حرکت در تولید مواد غذایی و کالاهای مختلف از جمله تولید طعم دهنده‌ها، شربت‌ها، قنادی‌ها، صنایع لبنی، نوشیدنی‌های الکلی و میوه ای، مخمرهای آشپزی و هیدرولیزهای لاکتوز آب پنیر نقش سودمندی و گسترده‌ای در صنایع غذایی دارند. این مشکل را می‌توان با استفاده از لاکتاز بی حرکت، که هیدرولیز لاکتوز را کاتالیز می‌کند، برای تولید شیر بدون لاکتوز حل کرد. آنزیم‌های بی حرکت نیز برای شفاف سازی آب میوه و رفع تلخی از آب مرکبات استفاده می‌شود. یکی دیگر از کاربردهای اصلی آنزیم‌های بی حرکت، استفاده از آنها به عنوان حسگرهای زیستی برای تعیین محتوای اجزای مختلف و کنترل کیفیت محصولات است. از آنزیم‌های بی حرکت در بسته‌بندی مواد غذایی نیز استفاده می‌شود، که کاربردی چشمگیر برای افزایش ماندگاری و بهبود کیفیت غذای بسته‌بندی شده است. کاربرد آنها همچنین شامل تولید بیودیزل، سلول‌های سوخت زیستی، پلی استر، مواد کاهش دهنده ریز آلاینده‌ها و اسیدهای آمینه است. کاربرد آنزیم‌های مورد استفاده استفاده می‌کند صنعت سوخت‌های زیستی سلولز سلولز را درون قندهایی که تخمیر می‌شوند برای تولید اتانول سلولزی تخمیر کنید. مواد شوینده بیولوژیکی پروتئینها، آمیلازها، لیپازها لکه‌های پروتئین، نشاسته و چربی یا روغن را از لباس‌های شسته شده و ظرف‌ها جدا کنید. صنعت آبجو آمیلاز، گلوکاناز، پروتئازها پلی ساکاریدها و پروتئین‌ها را در مالت تقسیم کنید. استولاکتات دکربوکسیلاز (ALDC) با کاهش تشکیل دیاستیل راندمان تخمیر را افزایش دهید. شفاف سازی آب و شراب، بهبود طعم و مزه آنها، تبدیل روغنهای گیاهی به مارگارین، در تولید پنیرها و محصولات شبیه پنیر و همچنین در نان سازی برای کند کردن روند سخت شدن نان فرآوری مواد غذایی آمیلاز از نشاسته، قندهایی مانند تهیه شربت ذرت با فروکتوز بالا تولید کنید. سلولاز، پکتیناز آب میوه‌ها را روشن کنید.اینولینازتولید شربت فروکتوز، اتانول، استون و بوتانول باعث کاهش خطر دیابت، پوسیدگی وچاقیبتا-گالاکتوزیدازتولید محصولات کم لاکتوز و بدون لاکتوزاوره‌آزدر بیوت تست برای کنترل کیفیت شیر زیست‌شناسی مولکولی هسته‌های هسته ای، DNA لیگاز و پلیمراز برای ایجاد DNA نوترکیب از هضم محدود کننده و واکنش زنجیره ای پلیمراز استفاده کنید. صنعت کاغذ زایلاناز، همی‌سلولاز و لیگنین پراکسیداز لیگنینرا از خمیر کرافت بردارید. مراقبت شخصی پروتئین‌ها پروتئین‌ها را روی لنزهای تماسی جدا کنید تا از عفونت جلوگیری شود. مهندسی آنزیم مهندسی آنزیم یا مهندسی پروتئین فرایند طراحی پروتئین‌ها یا آنزیم‌ها با تغییر توالی اسیدهای آمینه از طریق جهش DNA نوترکیب است. انقلاب مستقیم و طراحی منطقی دو تکنیک مورد استفاده در مهندسی آنزیم یا طراحی پروتئین در روند کشف دارو هستند. مهندسی آنزیم با استفاده از فناوری DNA نوترکیب تغییرات دلخواه را در توالی اسیدهای آمینه آنزیم‌ها معرفی می‌کند. آنزیم مصنوعی (زیمواره) آنزیم مصنوعی یک مولکول آلی مصنوعی یا آلی است که برخی از عملکردهای آنزیم را بازآفرینی می‌کند. نانوزیم‌ها نانومواد با ویژگی‌های آنزیمی مانند ذاتی هستند که طی دهه گذشته به دلیل توانایی در رفع محدودیت‌های آنزیم‌های طبیعی از جمله پایداری کم، هزینه زیاد و ذخیره‌سازی دشوار، در حال رشد بوده‌اند. آنها به‌طور گسترده‌ای برای کاربردهای مختلف، از جمله سنجش زیستی، تصویربرداری از بدن، تشخیص تومور و درمان، ضدعفونی کردن مورد کاوش قرار گرفته‌اند. آنها به‌طور خاص می‌توانند بسترهای آنزیم‌های طبیعی را تحت شرایط فیزیولوژیکی با مکانیسم و سینتیک کاتالیزوری مشابه کاتالیز کنند. در مقایسه با آنزیمهای طبیعی، نانوزیم‌ها مزایای منحصر به فردی از جمله فعالیت کاتالیزوری بالا، هزینه کم، ثبات بالا، تولید آسان انبوه و فعالیت قابل تنظیم را نشان می‌دهند. علاوه بر این، نانوزیم‌ها به عنوان نوع جدیدی از آنزیمهای مصنوعی، نه تنها دارای فعالیت کاتالیزوری شبیه آنزیم هستند، بلکه ویژگیهای فیزیکوشیمیایی منحصر به فرد نانومواد مانند خواص نوری، حرارتی فوق‌العاده و فلورسانس را نیز نشان می‌دهند. در کنار توسعه سریع و درک روزافزون علم نانو و فناوری نانو، پیش‌بینی می‌شود که آنها جایگزین مستقیم آنزیم‌های سنتی شوند. در سال ۲۰۰۷، اولین شواهد مبنی بر اینکه نانوذرات Fe3O4 (NP) دارای فعالیت ذاتی تقلید کننده پراکسیداز هستند گزارش شد. تاکنون صدها نانومواد که فعالیت کاتالیزوری پراکسیداز، اکسیداز، کاتالاز، هالوپراکسیداز، گلوتاتیون پراکسیداز، اوریکاز را تقلید می‌کنند، پیدا شده است. طیف وسیعی از نانومواد که به‌طور همزمان فعالیت شبیه‌سازی دو یا چند آنزیمی را نشان می‌دهند نیز گزارش شده است. | ## جمع‌بندی | با ظهور مفهوم جدید «نانوزیمولوژی» (nanozymology)، نانوزیم‌ها اکنون به یک زمینه جدید در حال ظهور تبدیل شده‌اند که فناوری نانو و زیست‌شناسی را به هم متصل می‌کند.