ENZYMES & COENZYMES

ENZYMES& COENZYMES อ. ชัยวัฒน์ วามวรรัตน์

ตัวเร่ง (catalyst)คือ สารที่ช่วยเร่งอัตราเร็วของปฏิกิริยาเคมี โดยที่ตัวมันเองไม่ถูกเปลี่ยนแปลงไปจากเดิมด้วยปฏิกิริยานั้นๆ เอนไซม์ : ตัวเร่งทางชีวภาพ (biological catalyst) ช่วยลดพลังงานการกระตุ้นที่ต้องใช้สำหรับปฏิกิริยาหนึ่งๆ

เอนไซม์มีสมบัติเด่นคือเอนไซม์มีสมบัติเด่นคือ 1. อัตราเร็วที่เร่งโดยเอนไซม์จะสูงมาก อาจสูงถึง 106 เท่าหรือมากกว่าปฏิกิริยาที่ปราศจากตัวเร่งหรือเร่งโดยตัวเร่งอนินทรีย์ × xx

เอนไซม์มีสมบัติเด่นคือเอนไซม์มีสมบัติเด่นคือ 2. มีความจำเพาะต่อปฏิกิริยา เกิดผลิตภัณฑ์ไม่พึงประสงค์ น้อยมากๆ นอกจากนี้ยังมีความจำเพาะต่อสับสเตรท “reaction specificity” “substrate specificity”

เอนไซม์มีสมบัติเด่นคือเอนไซม์มีสมบัติเด่นคือ 3. เอนไซม์มีโครงสร้างที่ซับซ้อน จึงถูกควบคุมการทำงาน ได้ ซึ่งเป็นผลดียิ่งและจำเป็นต่อสิ่งมีชีวิตในการสงวน พลังงานและวัตถุดิบไว้

ENZYME NOMENCLATURE ระยะเริ่มแรก การตั้งชื่อของเอนไซม์มักกำหนดโดยผู้ค้นพบ โดยทั่วไปไม่ได้บ่งถึงการทำงานแต่อย่างใดเช่น - Trypsin - Pepsin ชื่อของเอนไซม์โดยทั่วไปมักลงท้ายด้วย –aseต่อท้ายชื่อ สับสเตรทที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยา - proteinase - urease

ENZYME NOMENCLATURE เพื่อแก้ไขปัญหาความสับสน International Union Biochemistry (IUB) ได้วางระบบการ ตั้งชื่อไว้ตามชนิดรูปแบบปฏิกิริยาที่เอนไซม์นั้นๆ ทำหน้าที่แบ่ง ออกเป็น 6 ประเภท คือ 1. Oxidoreductase 2. Transferase 3. Hydrolase 4. Lyase 5. Isomerase 6. Ligase

ENZYME NOMENCLATURE เร่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดีกชัน ได้แก่ dehydrogenase oxidase oxygenase reductase peroxidase hydroxylase

ENZYME NOMENCLATURE เร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการส่งถ่ายหมู่ทำหน้าที่ (functional group)จากโมเลกุลหนึ่งไปสู่อีกโมเลกุลหนึ่ง เช่น หมู่อะมิโน หมู่คาร์บอกซี หมู่คาร์บอนิล หมู่เมทธิล หมู่ฟอสฟอริล และหมู่เอซิล (RC=O) ซึ่งโดยทั่วไปมักมีคำนำหน้า “trans”เช่น transcarboxylase transmethylase

ENZYME NOMENCLATURE เร่งปฏิกิริยาการย่อยสลายพันธะที่ต้องอาศัยน้ำเข้าร่วมในปฏิกิริยา เช่น esterase phosphatase peptidase

ENZYME NOMENCLATURE เร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวกับพันธะคู่ โดยโมเลกุล เช่น H2O CO2และ NH3ถูกดึงออกเพื่อให้เกิดพันธะคู่ขึ้นในโมเลกุลหรือถูกเติมเข้าสู่พันธะคู่ เช่น decarboxylase hydratase deaminase synthase

ENZYME NOMENCLATURE เร่งปฏิกิริยาหลายรูปแบบที่เกี่ยวข้องกับการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ภายในโมเลกุลเดียวกัน เช่น : epimeraseเร่งปฏิกิริยาการกลับสลับตำแหน่งของอะตอมคาร์บอนที่ไม่สมมาตร (asymmetric carbon) : mutaseเร่งปฏิกิริยาส่งถ่ายหมู่ทำหน้าที่ภายในโมเลกุลเดียวกัน

ENZYME NOMENCLATURE เร่งปฏิกิริยาการเกิดพันธะระหว่างสับสเตรท 2 โมเลกุล พลังงานที่ให้แก่ปฏิกิริยามักมีที่มาจากการสลาย ATP

ENZYME NOMENCLATURE ชื่อตามระบบ L-ascorbate : oxygen oxidoreductase เลขรหัส EC 1.10.3.3 ชื่อทั่วไปAscorbic oxidase กรณีที่ทราบแหล่งที่มา จะระบุควบไปด้วยและอาจระบุลงลึกถึงว่ามาจากส่วนใดภายในเซลล์ เช่น จากไมโตคอนเดรีย เนื่องจากเอนไซม์ที่มีที่มาจากแหล่งกำเนิดที่ต่างกันมักมีสมบัติที่ต่างกัน ชื่อตามระบบและเลขรหัสโดยทั่วไปมักใช้ในการตีพิมพ์วารสารและงานวิจัยต่างๆ เพื่อหลีกเลี่ยงความคลุมเครือ

องค์ประกอบต่างๆ ที่พบได้ในเอนไซม์ เอนไซม์หลายชนิดไม่ได้เป็นโปรตีนที่บริสุทธิ์ อาจมีไอออนของ โลหะและ/หรือสารอินทรีย์โมเลกุลขนาดเล็กที่ไม่ใช่โปรตีนอยู่ ร่วมกัน องค์ประกอบที่ไม่ใช่โปรตีนนี้ รวมเรียกว่า โคแฟกเตอร์ (cofactor)ซึ่งมีความจำเป็นต่อการทำงานของเอนไซม์

COENZYMES 1.Soluble coenzymesเข้ามาจับกับเอนไซม์เหมือนเป็นสับสเตรทตัวหนึ่ง แล้วเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีระหว่างเกิดปฏิกิริยา และถูกปลดปล่อยออกมา การกลับคืนสู่รูปเดิมต้องใช้อีกปฏิกิริยาที่ไม่ใช่ปฏิกิริยาเดิม 2. Prosthetic groupsเป็นโคเอนไซม์ที่จับกับเอนไซม์อย่างแน่น

COENZYMES

COENZYME : NAD+/NADH, NADP+/ NADPH แหล่งอาหารที่มาของวิตามิน : เนื้อสัตว์ ปลา ผักสีเขียว เป็นที่ต้องการของเอนไซม์กลุ่ม oxidoreductase : dehydrogenase, reductase

การขาด niacin(วิตามินบี 3) ก่อเกิดโรค Pellagra อาการของโรคขาดไนอะซิน มี 4 ลักษณะ คือ อาการทางผิวหนัง (dermatitis) ผิวหนังอักเสบแบบเดียวกันทั้งสองข้างของร่างกายโดยเฉพาะบริเวณที่ถูกแดด หรือความร้อน เช่น ที่มือ แขน หน้า ลำคอ และเท้า ตอนแรกจะเป็นผื่นแดงคล้ายถูกแดดเผา ต่อมาผิวหนังจะเปลี่ยนเป็นน้ำตาลเข้ม แห้ง แตกเป็นเกล็ด และลอก ถ้าถูกแสงแดด หรือความร้อนจะทำให้ผิวหนังอักเสบมากขึ้น อุจจาระร่วง (diarrhea) ระยะแรกจะมีอาการเบื่ออาหาร ปาก และลิ้นอักเสบบวมแดง ต่อมาผู้ป่วยจะมีอาการปวดท้อง และอุจจาระร่วง อาการทางประสาท (dementia) และตาย (death) บางครั้งจึงเรียกว่า โรค 4D’S (The diseases of 4 D’S)

COENZYME : FMN, FAD แหล่งอาหารที่มาของวิตามิน : เนื้อสัตว์ ปลา นม ไข่ ชีส ผักสีเขียว Isoalloxazine ring

การขาด riboflavin(วิตามินบี 2) ก่อเกิดโรค Cheilosis: โรคริมฝีปากอักเสบแตกเป็นร่อง อาการ : มีมุมปากเปื่อยที่เรียกว่าปากนกกระจอก ริมฝีปากจะแดง ปวดแสบในปาก ลิ้น ตามองไม่ชัด คันตา มองแสงจ้าไม่ได้ ร่องจมูก เปลือกตาจะมีการอักเสบ และมีขุย

COENZYME : COENZYME A แหล่งอาหารที่มาของวิตามิน : ไก่ เนื้อวัว มันฝรั่ง มะเขือเทศ ไข่

COENZYME : BIOCYTIN แหล่งอาหารที่มาของวิตามิน : ไข่แดง ตับ ถั่ว

COENZYME : BIOCYTIN

COENZYME : PYRIDOXAL PHOSPHATE รูปที่พบมากในสัตว์ รูปที่พบในพืช และรูปที่ขายในทางการค้า

COENZYME : TETRAHYDROFOLATE แหล่งอาหารที่มาของวิตามิน : น้ำส้ม สตอเบอร์รี่ ผักที่มีใบเขียวเข้ม

COENZYME : THIAMINE PYROPHOSPHATE Thiazole ring เป็นรูปที่พบในอาหารจากพืช pyrimidine เป็นรูปที่พบในอาหารจากสัตว์ Methylene bridge แหล่งอาหารที่มาของวิตามิน : เนื้อสัตว์ โดยเฉพาะเนื้อหมูมีมากกว่าเนื้อสัตว์ชนิดอื่น ไข่แดง ถั่วลิสงถั่วเหลือง ถั่วแดง ข้าวกล้อง จมูกข้าว ข้าวมันปู ข้าวเหนียวดำ งาขาว งาดำผักสีเขียว

COENZYME : THIAMINE PYROPHOSPHATE มีบทบาทในปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับcarbohydrate metabolism

การขาด thiamine(วิตามินบี 1) ก่อเกิดโรค Beriberi มีอาการ 2 แบบ คือ Dry Beriberiคือการชาแบบไม่บวม มักเป็นตามปลายมือ ปลายเท้า กล้ามเนื้อ แขนขาไม่มีกำลัง ไม่อันตราย Wet Beriberi จะมีอาการบวมร่วมกับ การชาปลายมือ ปลายเท้า มีน้ำคั่งในช่อง ท้อง ช่องปอด บางรายจะมีอาการหอบ เหนื่อย หัวใจโตและเต้นเร็ว อาจหัวใจ วายได้

COENZYME : LIPOIC ACID สารนี้ไม่จัดเป็นวิตามิน เพราะสามารถสังเคราะห์ขึ้นได้จากกรดไขมันที่จำเป็นสายโซ่ยาว

COENZYME : 5-DEOXYADENOSYLCOBALAMIN:METHYLCOBALAMIN วิตามิน B12 ถูกเปลี่ยนใน ร่างกายเกิดเป็นโคเอนไซม์ 2 รูปแบบ ส่วนใหญ่อยู่ในรูป 5-deoxyadenosylcobalamin และส่วนน้อยที่อยู่ในรูป methylcobalamin แหล่งอาหารที่มาของวิตามิน : ตับ ไต ปลา ไข่ ไก่ นม

COENZYME : 5-DEOXYADENOSYLCOBALAMIN:METHYLCOBALAMIN 5-deoxyadenosylcobalamin มีบทบาทใน 2 รูปแบบปฏิกิริยา ได้แก่ methylcobalaminมีบทบาทในปฏิกิริยา

การขาด วิตามินบี 12 ก่อเกิดโรค pernicious anemia ทั้งพืชและสัตว์ไม่สามารถสังเคราะห์ วิตามินบี12ได้ (ยกเว้นแบคทีเรีย) ดังนั้นผู้ที่บริโภคแต่ผักเป็นหลัก (กินเจ) มีโอกาสสูงที่จะเป็นโรคนี้ได้

แบบจำลองการทำงานของเอนไซม์แบบจำลองการทำงานของเอนไซม์ Lock-and-key model แบบจำลองนี้เสนอโดย Emil Fischerในปี 1890 : เอนไซม์แต่ละชนิดจะจับกันสับสเตรทเพียงชนิดเดียว เนื่องจาก บริเวณเร่งและสับสเตรทเป็นโครงสร้างคู่สมกัน(complementary structure)เสมือนแม่กุญแจกับลูกกุญแจ โดยที่โครงสร้างของ บริเวณเร่งอยู่ในรูปร่างที่คงตัวไม่เปลี่ยนแปลง เพื่อที่สามารถให้ สับสเตรท (ลูกกุญแจ) เข้ามาจับได้อย่าถูกต้องและเหมาะสม

แบบจำลองการทำงานของเอนไซม์แบบจำลองการทำงานของเอนไซม์ Induced-fit model เป็นแบบจำลองที่เสนอโดย Daniel Koshland : พิจารณาให้โครงสร้างของโปรตีนเอนไซม์มีความยืดหยุ่น และ ตัวสับสเตรทเองก็ไม่ได้เหมาะเจาะพอดีกับบริเวณเร่ง แต่การ จับกันระหว่างเอนไซม์กับสับสเตรททำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง โครงสร้าง 3 มิติ ของบริเวณเร่งให้มีรูปร่างที่เหมาะสมกับ รูปร่างโมเลกุลสับสเตรท

จลนศาสตร์ของเอนไซม์(ENZYME KINETICS) : การศึกษาเชิงปริมาณการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ ซึ่งจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับ  อัตราเร็วของปฏิกิริยา  สัมพรรคภาพของเอนไซม์ต่อสับสเตรทและตัวยับยั้ง  กลไกของปฏิกิริยา

แบบจำลองในการศึกษาอัตราเร็วของปฏิกิริยาที่เร่งโดยเอนไซม์อย่างเป็นระบบถูกนำเสนอในปี 1913 โดย โดยมีแนวคิดเกี่ยวกับการเกิด enzyme-substrate complex ซึ่งเสนอโดย Victor Henriในปี1903 เป็นศูนย์กลางเชื่อมโยงเข้าสู่จลนศาสตร์ของ Michaelis-Menten

เมื่อสับสเตรท Sจับเข้าที่บริเวณเร่งของเอนไซม์ E โครงสร้างเชิงซ้อน enzyme-substrate complexก็เกิดขึ้น สับสเตรทถูกเปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์ P และภายในช่วงเวลาสั้นๆ ผลิตภัณฑ์ก็แยกตัวหลุดออกจากเอนไซม์ กระบวนการทั้งหมดสรุปเป็นสมการได้ว่า เมื่อ k1เป็นค่าคงที่อัตราสำหรับการเกิด ES k-1เป็นค่าคงที่อัตราสำหรับการปลดปล่อย ES k2เป็นค่าคงที่อัตราสำหรับการเกิดผลิตภัณฑ์และ การปลดปล่อยออกจากบริเวณเร่ง

ในแบบจำลองของ Michaelis-Menten มีการสมมติว่า 1. k-1มีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับ k1 2. อัตราเร็วของการเกิด ES เท่ากับอัตราเร็วของการสลายตัว ของ ESตลอดช่วงเวลาที่ปฏิกิริยาดำเนินไป ถือว่าปฏิกิริยาเข้าสู่สภาพคงตัว (steady state) อัตราเร็วเริ่มต้น อัตราเร็วของการเกิดES อัตราเร็วของการสลายตัวของ ES ที่สภาพคงตัว : ดังนั้น [ES] = [E][S]

Michaelis และMentenมีการกำหนดค่าคงที่ตัวใหม่เป็นKm ซึ่งภายหลังเรียกว่า ค่าคงที่Michaelis( Michaelisconstant) โดยที่ และได้มีการสร้างสมการขึ้นมา ซึ่งปัจจุบันเรียกว่า สมการMichaelis-Mentenโดยมีรูปสมการดังนี้ โดยที่ เป็นอัตราเร็วสูงสุดของปฏิกิริยา Km คือ ความเข้มข้นของสับสเตรทที่ทำให้อัตราเร็วของ ปฏิกิริยาเป็นครึ่งหนึ่งของอัตราเร็วสูงสุดของปฏิกิริยา

Substrate saturation curve : hyperbolic curve สมการ Michaelis-Mentenมีประโยชน์ในการอธิบายพฤติกรรมของเอนไซม์ เมื่อ[S] = Kmอัตราเร็วของปฏิกิริยา ค่า Kmเป็นค่าคงที่ที่เป็นคุณลักษณะของเอนไซม์ต่อสับสเตรทชนิดหนึ่งๆ ภายใต้ สภาวะที่ระบุไว้ แสดงถึงสัมพรรคภาพของเอนไซม์ที่มีต่อสับสเตรท ค่าKmที่ต่ำ แสดงถึงสัมพรรคภาพที่ดีมากของเอนไซม์ต่อการเกิดโครงสร้างเชิงซ้อน ES

การที่จะได้ค่าVmaxและ Kmที่แม่นยำมากขึ้น ทำได้โดยดัดแปลง สมการ Michaelis-Mentenด้วยวิธีการทางคณิตศาสตร์ได้เป็น เมื่อเขียนกราฟระหว่าง 1/v0 กับ 1/[S] จะได้กราฟเส้นตรงที่เรียกว่า Lineweaver-Burk plotหรือ Double reciprocal plot ซึ่งใช้คำนวณหาค่าVmaxและ Kmได้ง่าย โดยหาค่าVmaxจากจุดตัดบนแกนY และค่าKmจากจุดตัดบนแกนX

สมการ Michaelis-Mentenมีข้อจำกัดที่ใช้ได้กับปฏิกิริยา ที่มีสับสเตรทเพียงตัวเดียว ซึ่งในความเป็นจริงมีปฏิกิริยา ชีวเคมีอีกมากที่มีสับสเตรทเข้าร่วมสองตัวหรือมากกว่า แต่ถ้าศึกษาผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของ สับสเตรทตัวหนึ่ง โดยควบคุมให้สับสเตรทตัวอื่นมีความ เข้มข้นอิ่มตัว ก็สามารถใช้สมการ Michaelis-Menten ในการหาค่าค่าVmaxและ Kmได้

ประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์(catalytic efficiency) แสดงด้วยค่าkcatซึ่ง ค่านี้อาจเรียกว่า turnover number : จำนวนครั้งของปฏิกิริยา ( หรือจำนวนโมเลกุลของสับสเตรทที่ถูกเปลี่ยนไป เป็นผลิตภัณฑ์ ) ที่ได้เกิดขึ้นในบริเวณเร่งของเอนไซม์ 1 โมเลกุลต่อหน่วย เวลา เมื่อเอนไซม์นั้นอยู่ในสภาวะที่อิ่มตัวด้วยสับสเตรท

ปริมาณเอนไซม์ สามารถระบุได้หลายวิธี 1. Internaional unit(I.U.) ปริมาณเอนไซม์แสดงในแง่การทำงานของเอนไซม์ที่วัดได้ เมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้นที่ระดับความอิ่มตัวของสับสเตรท อัตราเร็วเริ่มต้นจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณเอนไซม์ที่มีอยู่ International commission on enzymeกำหนดไว้ว่า 1 I.U.เท่ากับ ปริมาณเอนไซม์ที่สามารถเร่งให้สับสเตรท 1 ไมโครโมลเปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์ในเวลา 1 นาที ทั้งนี้ต้องระบุสภาวะการวิเคราะห์ไว้ว่ากระทำที่ pHอุณหภูมิใด

ENZYMES & COENZYMES