เทคโนโลยีเกี่ยวกับเอนไซม์ เอนไซม์คืออะไร? ความหมายของเอนไซม์
เอนไซม์ การทำงานของเอนไซม์ เอนไซม์คืออะไร?
 |
| ภาพประกอบจากอินเทอร์เน็ต |
.....
| (คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่) |
นักวิทยาศาสตร์ไม่มีโอกาสที่จะเข้าไปดูการทำงานของเอนไซม์ภาในเซลล์ได้ จึงต้องศึกษาการทำงานของเอนไซม์ภายนอกเซลล์ ซึ่งมีเงื่อนไขบางประการที่แตกต่างจากการศึกษาการทำงานของเอนไซม์ภายในเซลล์ เอนไซม์ทุกชนิดทำงานในเซลล์ แต่หลายชนิดยังสามารถทำงานนอกเซลล์ที่มีสภาพใกล้เคียงกับภายในเซลล์
ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถสกัดเอนไซม์ที่ค่อนข้างบริสุทธิ์ได้หลายร้อย ชนิด บางชนิดอยู่ในรูปของผลึกที่เป็นสารบริสุทธิ์ จากการศึกษาโครงสร้างและส่วนประกอบของเอนไซม์ชนิดต่างๆ ทำให้สามารถกล่าวได้ว่า เอนไซม์เป็นสารพอลิเพปไทด์หลายสาย และมักจะมีไอออนของโลหะหรือโมเลกุลที่ไม่ใช่โปรตีนอยู่ด้วย เอนไซม์จะมีมวลโมเลกุล 10,000 ถึงมากกว่า 1 ล้าน และมีสมบัติเป็น คะตะลิสต์ (catalyst)
อัตราการทำงานของเอนไซม์จะขึ้นอยู่กับระดับอุณหภูมิ โดยทั่วๆ ไปอัตราการทำงานของเอนไซม์ต่างๆ จะมีลักษณะดังกราฟ
จากภาพจะเห็นว่า อัตราการทำงานของเอนไซม์จะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น จนถึงระดับอุณหภูมิหนึ่งการทำงานของเอนไซม์จะมีอัตราการทำงานสูงสุด แต่เมื่ออุณหภูมิสูงกว่านี้แล้วอัตราการทำงานกลับลดลง ทั้งนี้เป็นเพราะมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของโปรตีนที่เป็นองค์ประกอบของ เอนไซม์
| (คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่) |
เนื่องจากเอนไซม์เป็นโปรตีนจึงมีสมบัติเหมือนโปรตีนทั่วๆ ไป คือ มักจะเสียสภาพที่อุณหภูมิสูง และนอกจากนี้ยังคงสภาพเป็นโปรตีนได้ในช่วง pH ที่จำกัดเท่านั้น เราสามารถศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการทำงานของเอนไซม์กับ pH ได้ดังกราฟ
ในร่างกายของสิ่งมีชีวิตมีเอนไซม์มากมายหลายชนิด แม้แต่แบคทีเรียซึ่งเป็นจุลินทรีย์ที่มีขนาดเล็กมากจนไม่สามารถเห็นได้ด้วย ตาเปล่า แต่ละเซลล์ยังมีเอนไซม์มากกว่า 1,000 ชนิด ถ้าพิจารณาเอนไซม์ย่อยอาหาร จะเห็นว่ามีเอนไซม์หลายชนิดที่ทำหน้าที่ย่อยอาหาร เช่น เอนไซม์ย่อยน้ำตาลชนิดต่างๆ เอนไซม์ซูเครสย่อยซูโครส เอนไซม์มอลเทสย่อยมอลโทส เอนไซม์แต่ละชนิดจะเร่งปฏิกิริยาเฉพาะบางซับสเตรตเท่านั้น ซูเครสย่อยซูโคสแต่จะไม่ย่อยซับสเตรตอื่น เช่น ไม่ย่อยมอลโทสแม้จะเป็นน้ำตาลด้วยกัน แสดงว่าเอนไซม์แต่ละชนิดจะมีสมบัติในการเร่งปฏิกิริยาเฉพาะบางปฏิกิริยาเท่า นั้น นั่นจึงเป็นเหตุผลที่ว่าทำไมเซลล์จึงต้องมีเอนไซม์นับเป็นจำนวนพันชนิด
ในการทำงานของเอนไซม์ โครงสร้างของเอนไซม์ก่อนและหลังปฏิกิริยาก็ยังเหมือนกันไม่มีการลี่ยนแปลง หรือแปรสภาพไปเป็นสารใหม่ แสดงว่าเอนไซม์ไม่ได้ทำปฏิกิริยากับซับสเตรต ถ้าเช่นนั้นขณะที่ปฏิกิริยาดำเนินอยู่นั้นเอนไซม์มีบทบาทอย่างไร มีผู้อธิบายว่า ขณะเกิดปฏิกิริยาเอนไซม์จับกับซับสเตรตทำให้มีการแปรสภาพของซับสเตรต เช่น มีการสลายพันธะหรือมีการสร้างพันธะของซับสเตรตขึ้นมาใหม่เกิดผลิตภัณฑ์ของ ปฏิกิริยาเคมี โดยที่โครงสร้างของเอนไซม์ไม่เปลี่ยนแปลง ดังภาพ บริเวณของเอนไซม์ที่จับกับซับสเตรต เรียกว่า แอกทีฟไซต์ (active site)
ยังมีสารอีกประเภทหนึ่งสามารถทำให้ปฏิกิริยาที่มีเอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยานั้นหยุดชะงักลงได้ เรียกสารประเภทนี้ว่า ตัวยับยั้งเอนไซม์ (inhibitor) ตัวยับยั้งเอนไซม์บางชนิดอาจยับยั้งปฏิกิริยาด้วยการแย่งเอาเอนไซม์มาจาก ปฏิกิริยา จึงทำให้เอนไซม์ไม่สามารถจับกับซับสเตรตได้ ปฏิกิริยาจึงหยุดชะงักไป
| (คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่) |
ปฏิกิริยาเคมีในเซลล์ที่เป็นกระบวนการต่อเนื่องกัน ได้แก่ การหายใจของเซลล์ซึ่งเป็นกระบวนการเปลี่ยนแปลงของสารอินทรีย์บางชนิดกลาย เป็นสารชนิดอื่นๆ ต่อเนื่องกันหลายขั้นตอน ฉะนั้นเมื่อขั้นตอนใดขั้นตอนหนึ่งถูกยับยั้ง กระบวนการหายใจก็จะหยุดชะงัก ไม่สามารถดำเนินต่อไปได้
ในกระบวนการหายใจซึ่งมีอยู่หลายขั้นตอน จะมีขั้นตอนหนึ่งที่ กรดซักซินิก (succinic acid) ถูกเปลี่ยนเป็น กรดฟูมาริก (fumaric acid) โดย เอนไซม์ซักซินิกดีไฮโดรจีเนส (succinic dehydrogenase) แต่ถ้าเอนไซม์ซักซินิกดีไฮโดรจีเนสถูกยั้ยยั้ง กระบวนการหายใจจะหยุดชะงักลงไป กรดซักซินิกและกรดมาโลนิกมีโครงสร้างคล้ายคลึงกัน ดังนี้
ที่มาข้อมูล :
สรุปชีววิทยา ม.ปลาย โดย นิพนธ์ ศรีนฤมล
หนังสือเรียนวิชาชีววิทยา (เล่ม4) หลักสูตรมัธยมศึกษาตอนปลาย พ.ศ.2544 กระทรวงศึกษาธิการ
| (คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่) |
ดังได้กล่าวมาแล้วว่า เอนไซม์เร่งปฏิกิริยาได้เพียงบางชนิดเท่านั้น แสดงว่า การทำงานของเอนไซม์มีความจำเพาะ (specifity) ในปี ค.ศ.1894 อีมิล ฟิเชอร์ (Emil Fischer) ได้เสนอแนวความคิดเพื่ออธิบายการทำงานของเอนไซม์ที่เรียกว่า แบบจำลองแม่กุญแจกับลูกกุญแจ (lock and key model) ตามแนวความคิดแบบจำลองแม่กุญแจกับลูกกุญแจนั้น เอนไซม์เปรียบเสมือนลูกกุญแจและซับสเตรตเปรียบเสมือนแม่กุญแจ ซึ่งจะเกิดจากการเปลี่ยนแปลงเมื่อไขด้วยลูกกุญแจ และลูกกุญแจจะต้องมีโครงสร้างที่เข้ากันได้กับแม่กุญแจจึงจะใช้ไขกันได้ ลูกกุญแจแต่ละดอกจะไม่สามารถไขแม่กุญแจได้ทุกชนิด นอกจากนี้ลูกกุญแจยังสามารถไขแม่กุญแจได้หลายครั้ง โดยโครงสร้างของแม่กุญแจไม่เปลี่ยนแปลง
การทำงานของเอนไซม์นอกจากมีความจำเพาะเจาะจงแล้ว เอนไซม์ยังมีสมบัติเร่งปฏิกิริยาย้อนกลับได้ กล่าวคือ เอนไซม์เปลี่ยนซับสเตรตให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์และสามารถเปลี่ยนผลิตภัณฑ์ให้เป็นซับสเตรตได้ดังเดิม ดังนี้
ในการทำงานของเอนไซม์นั้น ถ้ามีการเพิ่มปริมาณของซับสเตรตให้มากขึ้นเรื่อยๆ แต่ไม่เพิ่มปริมาณของเอนไซม์ อัตราการเพิ่มของปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้น จนถึงระดับหนึ่งอัตราของปฏิกิริยาจะคงที่ดังกราฟ ต่อไปนี้
เอนไซม์เป็นก้อนโปรตีน โครงสร้างของเอนไซม์ยืดหยุ่นได้ ไม่อยู่ตัวเหมือนลูกกุญแจ จึงได้มีผู้ที่เสนอให้ปรับปรุงแนวคิดแบบจำลองแม่กุญแจกับลูกกุญแจใหม่ ดังนี้ ขณะที่มีการรวมตัวกับซับสเตรต เอนไซม์อาจมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปบ้าง ทำให้เอนไซม์จับกับซับสเตรตได้กระชับขึ้นดังภาพ
| (คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่) |
เอนไซม์ที่ได้ยกตัวอย่างมาแล้วนั้นเร่งปฏิกิริยาบางซับสเตรตเท่านั้น แต่มีเอนไซม์บางชนิดที่แต่ละชนิดเร่งปฏิกิริยาของซับสเตรต แต่ซับสเตรตเหล่านั้นจะต้องเป็นซับสเตรตที่เป็นสารประกอบประเภทเดียวกัน นอกจากนี้ซับสเตรตบางชนิด แม้จะเป็นโมเลกุลเดียวกันก็ยังถูกย่อยโดยเอนไซม์หลายชนิด อย่างไรก็ตามการทำงานของเอนไซม์ยังคงมีความจำเพาะ ความจำเพาะของเอนไซม์อยู่ที่การเร่งปฏิกิริยาของแอกทีฟไซต์เป็นสิ่งที่กำหนด ว่า จะเปลี่ยนแปลงพันธะเคมีใดของซับสเตรต เช่น ไคโมทริปซินและทริปซินสามารถสลายพันธะเพปไทด์ได้บางพันธะเท่านั้น ไม่สามารถสลายพันธะของโมเลกุลโปรตีนได้ทุกพันธะ
จะเห็นว่า ในสายพอลิเพปไทด์ยังมีเพปไทด์อื่นๆ อีก แต่ไคโมทริปซินและทริปซินสลายเฉพาะพันธะของฟีนิลอะลานีนและไลซีนตามลำดับ
ในการแปรสภาพของกรดซักซินิก เอนไซม์ซักซินิกดีไฮโดรจีเนสทำหน้าที่สลายพันธะของไฮโดรเจนของกรดซักซินิ กให้กลายเป็นกรดฟูมริก แต่ถ้าเอนไซม์นี้รวมกับกรดมาโลนิก ก็จะไม่มีโอกาสรวมตัวกับกรดซักซินิก ดังนั้น กรดมาโลนิกจึงทำหน้าที่ยับยั้งการทำงานของเอนไซม์นี้
จากการค้นคว้าของนักชีวเคมี ทำให้ทราบว่ามีตัวยับยั้งเอนไซม์เฉพาะอย่างอยู่หลายชนิด แต่ละชนิดสามรถทำให้การหายใจของเซลล์ที่เลี้ยงไว้ในหลอดทดลองหยุดชะงักลงได้ ข้อเท็จจริงนี้พอจะทำให้นักวิทยาศาสตร์มั่นใจว่า กระบวนการหายใจไม่ได้เป็นปฏิกิริยาขั้นเดียว แต่ประกอบด้วยปฏิกิริยาหลายขั้นซึ่งเกิดอย่างต่อเนื่องกันไป และแต่ละขั้นมีเอนไซม์ต่างชนิดกันเป็นตัวควบคุม
จากความรู้เกี่ยวกับตัวยับยั้งเอนไซม์ เราสามารถค้นหาลำดับขั้นตอนของกระบวนการหายใจของคนถึงขั้นผลิตผลสุท้ายออกมา ซึ่งอธิบายเป็นหลังการได้ดังนี้
ถ้าสาร A สาร B และสาร C เป็นสารที่เกิดขึ้นในบางขั้นตอนของกระบวนการหายใจตามลำดับ และมีเอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ดังสมการ
ถ้าเราใส่สารชนิดหนึ่งที่มีสมบัติในการยับยั้งเฉพาะเอนไซม์ a ลงไปในเซลล์ที่เพาะเลี้ยงไว้ในหลอดทดลองสักครู่ หลังจากนั้นก็ทดสอบปริมาณสาร A สาร B และสาร C เราควรจะพบว่า สาร A มีปริมาณสูงกว่าปกติ เพราะขาดเอนไซม์ที่จะเปลี่ยนสาร A ให้เป็นสาร B ในขณะเดียวกันสาร B และสาร C ก็จะมีปริมาณลดน้อยลงมากจนกระทั่งไม่มีเหลือเลย โดยหลักการเช่นนี้เราจึงทราบว่า สาร A จะต้องเกิดขึ้นก่อนสาร B และสาร C
ในทำนองเดียวกัน ถ้าเราใส่สารที่สามารถยับยั้งเฉพาะเอนไซม์ b ลงไปในเซลล์ ก็จะปรากฏว่า สาร B มีปริมาณสูงกว่าปกติ ในขณะที่สาร C ไม่มีเหลือหรือมีปริมาณลดน้อยลงมาก และสาร A มีปริมาณปกติ เมื่อนำผลที่ได้ทั้งสองครั้งมาพิจารณาก็อาจสรุปได้ว่า สาร C เกิดจากสาร A และสาร B เกิดจากสาร A
และด้วยขั้นตอนที่ยุ่งยากซับซ้อน นักชีวเคมีจึงสามารถทราบลำดับของปฏิกิริยาต่างๆ ในการหายใจของเซลล์สิ่งมีชีวิตได้อย่างครบถ้วน
การยับยั้งเอนไซม์นอกจากจะเกิดจากตัวยับยั้งที่มีโครงสร้างคล้ายกับซับสเต รตแล้ว ยังอาจเกิดการเปลี่ยนแปลงจนไม่สามารถรวมกับซับสเตรตได้