Enzymy

Enzymy – wielkocząsteczkowe, w większości białkowe, katalizatory przyspieszające specyficzne reakcje chemiczne poprzez obniżenie ich energii aktywacji.

Zarys historyczny:

• Na przełomie XVIII i XIX wieku obserwowano już trawienie in vitro mięsa przez wydzieliny żołądka oraz rozkład skrobi do cukrów prostych przez ekstrakty roślinne lub ślinę, jakkolwiek mechanizmy stojące za tymi procesami nie były znane.

• W XIX wieku, podczas studiów nad fermentacją cukrów do alkoholu przeprowadzaną przez drożdże, Louis Pasteur doszedł do wniosku, że reakcja ta jest ściśle powiązana z procesami życiowymi w drożdżach, którą nazwał "fermentem". Podejrzewano, że może być ona aktywna tylko w żywych organizmach ("nie ma fermentacji bez życia"). Pasteur odnotował, że "fermentacja alkoholowa jest procesem powiązanym z życiem i organizacją komórek drożdżowych, a nie ze śmiercią czy rozkładem komórek".

• W 1878 roku niemiecki fizjolog Wilhelm Kühne, by opisać te procesy, ukuł termin enzym, który pochodzi z greckiego ενζυμον i oznacza "wzaczynie". Później słowo enzym było używane w odniesieniu do substancji nieożywionych, jak chociażby pepsyna, a słowo ferment w odniesieniu do aktywności chemicznej wykazywanej przez organizmy żywe. W języku polskim oba terminy były stosowane wymiennie, przy czym ten ostatni jest obecnie archaizmem.

• W roku 1897 Eduard Buchner rozpoczął badania nad zdolnością ekstraktów drożdżowych do fermentacji cukrów przy nieobecności żywych komórek. Po szeregu eksperymentów przeprowadzonych na Uniwersytecie Humboldtów w Berlinie stwierdził on, że taka fermentacja jest możliwa. Odkryty enzym przeprowadzający fermentację sacharozy nazwał zymazą^[14]. W 1907 roku Eduard Buchner otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii "za swoje badania biochemiczne i odkrycie fermentacji bez udziału komórek". Zgodnie z nazwą pierwszego enzymu, obecna nomenklatura ich nazewnictwa, przewiduje tworzenie nazwy od reakcji, którą przeprowadzają. Zazwyczaj dodaje się przyrostek -aza do nazwy substratu przetwarzanego w reakcji (np. laktaza to enzym przetwarzający laktozę) lub do ogólnej nazwy reakcji (np. polimeraza DNA to enzym syntezujący polimery DNA).

• Po udowodnieniu, że enzymy mogą funkcjonować poza komórką żywą, następnym krokiem było opisanie ich natury biochemicznej. Wielu badaczy zaobserwowało, że aktywność enzymatyczna była w jakiś sposób związana z białkami, ale kilku naukowców (w tym laureat Nagrody Nobla Richard Willstätter) dowodziło, że białka nie mogą być jedynymi "nośnikami" aktywności enzymatycznej i same z siebie nie są zdolne do przeprowadzania katalizy. Jednak w 1926 roku, James B. Sumner udowodnił, że enzym ureaza to czyste białko i wyizolował je w formie krystalicznej. Powtórzył to także w 1937 roku dla katalazy. Ostateczny wniosek, że enzymy mogą być czystymi białkami, został potwierdzony przez Johna Howarda Northropa i Wendella Mereditha Stanleya, którzy pracowali nad enzymami trawiennymi – trypsyną i chymotrypsyną. Ta trójka naukowców została za swoje badania uhonorowana w 1946 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii.

• Odkrycie, że enzymy mogą być wykrystalizowane pozwoliło na późniejsze badanie ich struktur metodami rentgenografii strukturalnej. Pierwszym enzymem, którego strukturę rozwiązano w ten sposób, był lizozym, enzym obecny m.in. w łzach, ślinie i białku jaja. Dokonała tego w 1965 roku grupa Davida Phillipsa. Uzyskanie trójwymiarowego modelu struktury lizozymu było początkiem biologii strukturalnej enzymów i zrozumienia mechanizmów ich działania na poziomie molekularnym.

• W roku 1967 Carl Woese, Francis Crick i Leslie Orgel po raz pierwszy zasugerowali, że prócz białek, także RNA może przejawiać właściwości katalityczne. Aktywność katalityczną RNA odkrył Thomas Cech w roku 1980 przy badaniu splicingu RNA oraz, niezależnie, Sidney Altman podczas badań nad bakteryjną RNazą P. Katalityczne RNA zostały zaobserwowane w samowycinających się sekwencja chintronowych genów. W 1989 roku Thomas Cech i Sidney Altman zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii za swoje odkrycie "katalizujących właściwości RNA". Termin rybozym, połączenie słów ryboza i enzym; po raz pierwszy został użyty w odniesieniu do tych cząsteczek przez Kelly Kruger i Thomasa Cecha w ich publikacji z 1982 roku.

Struktura: Większość znanych enzymów to białka  o zróżnicowanej wielkości, od kilkudziesięciu aminokwasów w łańcuchu i monomerycznej budowie (na przykład tautomeraza 4-oksokrotonianu (4-OT) zbudowana jest z 62 aminokwasów), do ponad 2500 w zwierzęcej syntezie kwasów tłuszczowych. Aktywność enzymów jest determinowana ich strukturą czwartorzędową (ułożeniem przestrzennym). Enzymy są zazwyczaj dużo większe od substratów, które przerabiają, ale z kolei zwykle tylko kilka kluczowych aminokwasów jest bezpośrednio zaangażowanych w katalizę. Region, który bezpośrednio wiąże się i oddziałuje z substratem oraz zawiera kluczowe do przebiegu reakcji reszty aminokwasowe, nazywany jest miejscem aktywnym (centrum aktywnym). Prócz niego enzymy mogą zawierać miejsca wiązania kofaktorów – niezbędnych do aktywności enzymatycznej lub jej regulacji. Enzymy mogą także zawierać dodatkowe miejsca wiązania małych cząsteczek, na przykład pośrednich lub bezpośrednich produktów czy substratów szlaków metabolicznych obsługiwanych przez enzym, które związane mogą dodatkowo regulować aktywność enzymu na zasadzie sprzężenia zwrotnego. Jak każde białko, enzymy są syntezowane jako długie łańcuchy aminokwasowe, które następnie zwijają się i przybierają odpowiednią strukturę przestrzenną. Indywidualne, zwinięte łańcuchy białkowe, mogą także asocjować w większe kompleksy. Takie enzymy nazywa się wtedy multimerycznymi (wielopodjednostkowymi). W przypadku asocjacji kilku takich samych peptydów (podjednostek) mówi się o homomerach (np. homodimer – kompleks złożony z dwóch jednakowych peptydów), a gdy asocjują różne jakościowo podjednostki, o heteromerach (np. heteropentamer – kompleks pięciu różnych łańcuchówpeptydowych). Asocjacja podjednostek enzymów może być wymagana by dopełnić nawzajem swoje funkcje, by w ogóle móc katalizować reakcję biochemiczną, lub by obsługiwać wielokrotność tej samej reakcji czy cały ich szereg (odcinek szlaku metabolicznego).

Apoenzym : białkowa część enzymu, która po połączeniu z koenzymem lub grupą prostetyczną stanowi holoenzym. Z reguły dopiero holoenzym jest w pełni funkcjonalnym enzymem, bowiem koenzymy odgrywają kluczową rolę w mechanizmie reakcji enzymatycznej. Apoenzym decyduje o swoistości enzymu oraz często o rodzaju reakcji jaką enzym jest zdolny katalizować. W badaniu metaloenzymów ważną część stanowi przygotowanie apoenzymów in vitro, polegające na usunięciu z nich natywnych jonów metali za pomocą różnych czynników chelatujących. Przygotowanie nieaktywnego apoenzymu, któremu można całkowicie przywrócić aktywność przez dodanie odpowiedniego jonu metalu, potwierdza niezbędność tego jonu w układzie enzymatycznym.

W enzymach centrum aktywne zlokalizowane jest w kieszeni lub szczelinie apoenzymu. Stanowi je grupa aminokwasów, które leżą blisko siebie w trójwymiarowej cząsteczce, choć często są od siebie bardzo oddalone w sekwencji. Odpowiada za wiązanie substratów i grup prostetycznych z wytworzeniem kompleksu ES (enzym-substrat), w którym reagujące fragmenty cząsteczek znajdują się w pobliżu centrum katalitycznego. Może przy tym dochodzić do zmiany konformacji zarówno substratów, jak i enzymu.

Specyficzność: Enzymy charakteryzują się zwykle dużą specyficznością pod względem katalizowanej reakcji, jak i również konwertowanych substratów. Za wysoką specyficzność odpowiada kształt cząsteczki enzymu dopasowany do substratów geometrycznie, ale także pod względem oddziaływań hydrofobowo-hydrofilowych oraz elektrostatycznych. Enzymy wykazują także wysoki poziom stereospecyficzności, regioselektywności i chemoselektywności.

Modele tłumaczące tworzenie się kompleksu enzym- substrat:

• Model zamka i klucza: W większości przypadków enzymy są niezwykle specyficzne wobec swoich substratów. Jak sugerował w roku 1894 Hermann Emil Fischer, zarówno enzym jak i jego substraty są do siebie geometrycznie dopasowane w taki sposób, że idealnie pasują jeden do drugiego (jak "klucz i zamek"). Model ten wyjaśnia specyficzność enzymów, ale nie wyjaśnia w jaki sposób stabilizowany jest stan przejściowy podczas reakcji enzymatycznej.

• Model „trzypunktowego dołączenia”: W 1948 roku Alexander George Ogston interpretując wyniki badań prowadzonych nad procesami metabolicznymi, w których wykorzystano izotopowe znakowanie substratów w reakcji enzymatycznej, zauważył, że do specyficznego związania substratu przez enzym wystarczą tylko trzy miejsca wiązania^[35]. Jeśli substrat może się przyłączyć do miejsca katalitycznego tylko z jednej strony i mogą ze sobą reagować tylko atomy i miejsca komplementarne, cząsteczka substratu może się przyłączyć tylko w jeden sposób. Oznacza to, że symetryczna cząsteczka substratu staje się poniekąd asymetryczna dla wypadku katalizy enzymatycznej. Przykładem jest kwas aminomalonowy wiążący się do modelowego, planarnego miejsca katalitycznego na enzymie. Kwas aminomalonowy zawiera dwie identyczne grupy karboksylowe, które stają się przestrzennie różne po trzypunktowym związaniu cząsteczki. Zatem jeśli reakcja obejmuje zawsze jedną grupę karboksylową w konkretnym miejscu, wówczas reagować będzie zawsze ta sama grupa karboksylowa. Jednakże model ten jest wyraźnie jakościowy, dostarczając tylko ograniczonego wyjaśnienia ilościowych i energicznych parametrów przebiegu stereospecyficznych procesów. Rozszerzenie modelu dla większej ilości punktów wiązania, co zapewnia większą precyzję w doborze substratu, opisali Ran Kafri i Doron Lancet w 2004 roku.

• Model indukowanego dopasowania: W 1958 roku Daniel Koshland zaproponował modyfikację modelu "klucza i zamka". Ponieważ enzymy są zwykle dość elastyczne strukturalnie, ich centrum aktywne podlega ciągłym rearanżacjom przestrzennym podczas oddziaływania z substratami. W rezultacie, substrat nie tyle wiąże się do niezmiennego strukturalnie miejsca aktywnego, ale grupy boczne aminokwasów je tworzące podlegają rearanżacjom przestrzennym, ściśle dopasowując swe pozycje do wiązanego substratu, co dopiero umożliwia przeprowadzenie katalizy. W niektórych wypadkach, jak np. glikozydazy, także cząsteczki substratu podlegają lekkim zmianom strukturalnym po wejściu do centrum aktywnego, wzmacniając w ten sposób dopasowanie. Centrum aktywne kontynuuje rearanżację, aż osiągnięte zostanie końcowe stadium dopasowania z substratem.

Mechanizm działania enzymów: Enzymy mogą na kilka różnych sposobów zmniejszać swobodną energię aktywacji Gibbsa (ΔG^‡):

• Obniżanie energii aktywacji przez tworzenie środowiska, w którym następuje stabilizacja stanu przejściowego (np. zniekształcenie cząsteczki substratu – dzieje się to przez utrwalenie konformacji stanu przejściowego pomiędzy substratem, a produktem oraz zniekształcenie przez enzym wiązań w cząsteczce substratu, dzięki czemu zmniejsza się suma energii wymaganej do zakończenia przejścia).

• Obniżanie energii stanu przejściowego przez likwidację niekorzystnych energetycznie oddziaływań ze środowiskiem, i ich zamianę na korzystne energetycznie oddziaływania z centrum aktywnym (np. oddziaływania elektrostatyczne ładunków o przeciwnych znakach).

• Wykorzystanie alternatywnego szlaku przejścia, np. tymczasowa reakcja substratu do pośredniego kompleksu enzym-substrat (ES), która nie byłaby możliwa w nieobecności enzymu.

• Zmniejszanie entropii reakcji poprzez usytuowanie dostarczanych razem substratów w poprawnej orientacji, niezbędnej do zajścia reakcji. Rozpatrując energetykę reakcji enzymatycznej pod kątem jedynie zmiany entalpii (ΔH^‡), efekt ten jest zwykle pomijany. Wiąże się to z faktem, że ma on miejsce tylko dla stanu podstawowego reakcji (substraty), a jego wpływ na właściwą katalizę jest znikomo mały.

Termodynamika reakcji enzymatycznych: Tak jak wszystkie katalizatory enzymy nie zmieniają stanu równowagi reakcji chemicznej, a jedynie przyspieszają jego ustalenie. Zazwyczaj w obecności enzymu reakcja zachodzi w kierunku takim samym, w jakim by zachodziła spontanicznie, jedynie wzrasta jej szybkość. Jednak nieobecność enzymu oznacza, że najbardziej wydajnie (najszybciej) będzie zachodzić reakcja najbardziej faworyzowana energetycznie (o najniższej energii S^*) i nie zawsze oznacza to, że z grupy możliwych reakcji jest to ta sama, która byłaby katalizowana przez enzym. Enzym może uczynić reakcję bardziej faworyzowaną, która w normalnych warunkach nie byłaby energetycznie optymalna.

Jest to termodynamicznie możliwe, gdyż enzymy sprzęgają reakcje niekoniecznie wydajne energetycznie (takie, które spontanicznie zachodziłyby niezwykle wolno) z reakcjami wybitnie energetycznie korzystnymi, tak że taka para reakcji, w sumie, jest energetycznie faworyzowana i korzystna. Przykładem może być sprzężenie reakcji hydrolizy ATP z innymi licznymi reakcjami chemicznymi, wymagającymi do zajścia dużej ilości energii.

Enzymy zwiększają szybkość reakcji zachodzącej w obu kierunkach. Na przykład, anhydraza węglanowa katalizuje swoją reakcję dwukierunkowo w zależności od stosunku stężenia substratów i produktów.

•  (w tkankach; wysokie stężenie CO₂)

•  (w płucach; niskie stężenie CO₂)

Jednak, gdy w danych warunkach szybkość reakcji zachodzącej w konkretną stronę jest bardzo duża (równowaga mocno przesunięta w jedną ze stron), w praktyce oznacza to katalizę nieodwracalną i reakcja zachodzi tylko w tym jednym kierunku.

Kinetyka reakcji enzymatycznych: Kinetyka enzymów opisuje mechanizmy wiązania substratów przez enzymy oraz ich przekształcania w produkty. Dane wykorzystywane do analizy kinetycznej pochodzą z reakcji enzymatycznych przeprowadzonych w kontrolowanych warunkach umożliwiających śledzenie zmieniających się parametrów w czasie.

W 1902 roku Victor Henri zaproponował kwantytatywną teorię kinetyki enzymów, ale wyniki jego badań okazały się nieprzydatne, ponieważ zaniedbał on wpływ stężenia jonów wodorowych (pH). Dopiero kilka lat później, w 1909 roku, Peter Lauritz Sørensen zdefiniował logarytmiczną skalę pH oraz zaproponował koncepcję roztworów buforowych. Niemiecki chemikLeonor Michaelis i jego kanadyjska współpracowniczka odbywająca staż podoktorski Maud Leonora Menten, powtórzyli wtedy eksperymenty, które przeprowadzał Henri i zaproponowali prosty model kinetyki aktywności enzymatycznej znany jako kinetyka Henri-Michaelis-Menten (znany również jako kinetyka Michaelis-Menten). Ich dzieło rozwinęli później G. E. Briggs i J. B. S. Haldane, których równania kinetyki aktywności enzymatycznej są do dziś używane w niezmienionej formie.

Głównym założeniem jakie podał Henri, był dwuetapowy przebieg reakcji katalizowanej przez enzymy. W pierwszym etapie substraty wiążą się odwracalnie z enzymem, tworząc ze stałą szybkości k₁, kompleks enzym-substrat (ES), nazywany czasem kompleksem Michaelisa. W następnym etapie, kompleks ten może się rozpaść na dwa różne sposoby. Może dysocjować do E i S ze stałą szybkości k_-1 lub może dojść do chemicznej zmiany substratów i uwolnienia produktów ze stałą szybkości k₂, przy czym zakłada się, że produkt reakcji nie może ulec powrotnemu przekształceniu w wyjściowy substrat. Wyrażenie wiążące szybkość katalizy ze stężeniem substratu i enzymu oraz z szybkościami poszczególnych etapów reakcji nazywamy równaniem Michaelisa-Menten:

gdzie: V₀ – szybkość początkowa, S – stężenie substratu, K_m – stała Michaelisa-Menten.

Czynniki wpływające na aktywność enzymów: Ogólna aktywność enzymów, podobnie jak wszystkich białek, jest zależna od parametrów fizykochemicznych środowiska: temperatury, pH, siły jonowej i innych. Maksimum aktywności enzymu leży w pewnym optymalnym zakresie danego parametru środowiskowego. W zależności od enzymu, położenie optimum może być różne, a jego zakres szerszy lub węższy. Także ogólny kształt wykresu zależności aktywności danego enzymu od parametru środowiska jest różny dla różnych enzymów, w zależności od ich pochodzenia, budowy itp. Dla czynników środowiska bezpośrednio wpływających na strukturę drugorzędowa białka (i wyższe organizacje struktury), jak temperatura czy pH, charakterystyczny jest gwałtowny spadek aktywności enzymów poza optimum (lub po przekroczeniu go, w przypadku temperatury), związany z denaturacją enzymów. W zależności od enzymu, taka denaturacja może być odwracalna lub nie. Parametry środowiska mogą stanowić podstawę kontroli aktywności enzymów.

• Temperatura: Szybkość reakcji enzymatycznych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Wiąże się to ze wzrostem energii kinetycznej cząstek i większą częstotliwością ich zderzeń. Wzrost aktywności enzymatycznej w zależności od temperatury opisuje współczynnik temperaturowy Q₁₀, określający jak zmienia się szybkość reakcji przy wzroście temperatury o 10 °C:

Wpływ temperatury na aktywność enzymów nie jest prostą zależnością. Aktywność rośnie wraz ze wzrostem temperatury, jednakże tylko w takim zakresie temperatury, w którym enzym pozostaje stabilny. Po przekroczeniu temperatury krytycznej, następuje denaturacja termiczna enzymów, w wyniku czego aktywność gwałtownie spada. Przeciętnie szybkość reakcji enzymatycznych wzrasta dwukrotnie przy wzroście o każde 10 °C w zakresie temperatur niedenaturujących struktury enzymu (Q₁₀=2). Zatem także parametr Q₁₀ ma zastosowanie tylko w niedenaturującym zakresie temperatur i jest on charakterystyczny dla danego enzymu, i zależny od energii aktywacji katalizowanej reakcji. W temperaturze optymalnej aktywność enzymu jest największa. Większość enzymów ulega powolnej denaturacji nawet w temperaturach optymalnych i niższych niż krytyczna. Zależy to od natury samego enzymu, stopnia jego oczyszczenia (w preparatach), a także od pH, siły jonowej i pozostałych parametrów. Najwyższa temperatura, w której jeszcze nie zachodzi termiczna dezaktywacja enzymu w danych warunkach określa tak zwaną termostabilność enzymu.

• pH: Większość enzymów ma także swoje optymalne pH działania. Optimum pH, obok optimum temperaturowego, to drugi najważniejszy parametr środowiska charakteryzujący aktywność enzymów. Wpływ pH na aktywność enzymów wiąże się z faktem, że enzymy jako białka posiadają wiele aminokwasów ulegających jonizacji, a aminokwasy centrum aktywnego często mogą pełnić swoją rolę tylko w określonym stanie jonizacji. Ponadto, na aktywność enzymów, wpływ ma także jonizacja samych substratów oraz kompleksów ES. Również oddziaływania enzym-substrat mogą mieć charakter jonowy, zależny od jonizacji.

Inhibicja: Aktywność wielu enzymów może być hamowana przez różne typy inhibitorów. Inhibicja taka może być odwracalna lub nieodwracalna. Ostatnia ma miejsce wtedy, gdy cząsteczki inhibitora wiążą się z enzymem trwale (np. kowalencyjnie), co doprowadza do sytuacji zablokowania aktywności danej cząsteczki enzymu na stałe.

• Inhibicja kompetycyjna: W inhibicji kompetycyjnej inhibitor i substrat współzawodniczą o miejsce aktywne cząsteczki enzymu. Związanie przez enzym cząsteczki inhibitora uniemożliwia zatem związanie substratów (i vice versa) i kompleks enzym-inhibitor (EI) jest enzymatycznie nieaktywny. Zazwyczaj inhibitor kompetycyjny jest strukturalnie bardzo podobny (lub ma podobny motyw bezpośrednio wiążący się do centrum aktywnego) do prawdziwego substratu dla określonego enzymu. Na przykład metotreksat jest inhibitorem kompetycyjnym dla enzymu reduktazy dihydrofolianu, który katalizuje redukcję dihydrofolianu do tetrahydrofolianu i obie substancje są strukturalnie bardzo zbliżone. Przyłączenie inhibitora uniemożliwia związanie substratu i odwrotnie, dzięki czemu poprzez regulację stężenia inhibitora możliwa jest kontrola szybkości reakcji.

• Inhibicja niekompetycyjna: Inhibitory niekompetycyjne mogą się wiązać do wolnego enzymu, jednak nigdy do jego miejsca aktywnego, wobec tego nie konkurują z substratami, które także mogą się przyłączyć do powstałego kompleksu. Oba możliwe kompleksy, enzym-inhibitor (EI) i enzym-inhibitor-substrat (EIS) są enzymatycznie nieaktywne. Ponieważ wiązanie inhibitora jest całkowicie niezależne od substratu, co oznacza, że większe stężenie substratu nie wpływa na obniżenie oddziaływań z inhibitorem (w przeciwieństwie do inhibicji kompetycyjnej).

• Inhibicja akompetycyjna: W inhibicji akompetycyjnej inhibitor nie może się wiązać do wolnego enzymu, a jedynie do kompleksu enzym-substrat (ES), tworząc kompleks enzym-inhibitor-substrat (EIS). Ponieważ w takiej sytuacji zmniejszone jest stężenie kompleksu ES, zwiększa to pozorne powinowactwo enzymu do substratu, zatem wartość K_m jest mniejsza. Utworzony kompleks EIS jest enzymatycznie nieaktywny i reakcja nie może być kontynuowana, dopóki miejsce aktywne enzymu nie zostanie zwolnione. Ten typ inhibicji jest dość rzadki i może dotyczyć niektórych enzymów multimerycznych (wielopodjednostkowych).

• Inhibicja mieszana: Ten typ inhibicji przypomina inhibicję niekompetycyjną, z wyjątkiem występowania dodatkowo kompleksu enzym-inhibitor-substrat (EIS), mającego znikomą aktywność enzymatyczną. 

• Inhibicja nieodwracalna: Inhibitory nieodwracalne reagują z enzymem, wiążąc się kowalencyjnie, a zatem nieodwracalnie, do jego łańcuchów białkowych. Taka inhibicja trwale unieczynnia daną cząsteczkę enzymu. Do inhibitorów tego typu należy eflornityna, lek stosowany w pasożytniczej chorobie – śpiączce afrykańskiej. Również penicylina iaspiryna mają podobny mechanizm działania. Inhibitory te wstępnie, jeszcze nie kowalencyjnie, wiążą się z miejscami aktywnymi enzymów, po czym dopiero aktywność enzymu przekształca je w reaktywne formy, które wiążą się nieodwracalnie z jedną lub więcej resztami aminokwasowymi miejsca aktywnego enzymu, blokując je.

Nazewnictwo enzymów: Zwykle nazwy enzymów pochodzą od substratów przetwarzanych w reakcji lub od samej reakcji przez nie obsługiwanych, do których dodaje się przyrostek -aza. Przykładowo celulazato enzym rozkładający celulozę, a ligaza DNA to enzym ligujący cząsteczki DNA. Często nazwa jest dwuczłonowa, gdzie pierwszy człon określa reakcję, a drugi jej substrat, np.dehydrogenaza alkoholowa. Stąd różne enzymy obsługujące takie same reakcje lub przetwarzające te same substraty, nazywane izoenzymami, mimo tego, że chemicznie są cząsteczkami o różnym składzie aminokwasowym i właściwościach, będą miały takie same nazwy. Czasami nazwa enzymu nie pochodzi od reakcji obsługiwanej w warunkach fizjologicznych, in vivo, ale od jego aktywności in vitro. Przykładem jest izomeraza glukozowa, wykazująca in vitro aktywność izomeracji glukozy we fruktozę, ale in vivo będącaizomerazą ksylozową. Także zamiast od nazwy reakcji, enzymy są niekiedy nazywane od ogólnego procesu, jaki przeprowadzają, jak np. gyraza DNA (czyli topoizomeraza II), której nazwa pochodzi od greckiego słowa γύρος, czyli obracać i przyrostka -aza. Z kolei niektóre cząsteczki biologiczne, mimo nazwy z przyrostkiem -aza, nie są enzymami lub definiowana przez nazwę aktywność nie jest aktywnością enzymatyczną. Przykładem są flipazy. Duża część enzymów jest nazywana zwyczajowo, historycznie, jak np. pepsyna (nazwa pochodząca od greckiego słowa pepsis oznaczającego trawienie) czy papaina (enzym z owocupapai). Nazwy niektórych enzymów powstały także poprzez dodanie przyrostka -zym (tego samego co w słowie enzym) do ogólnej funkcji cząsteczki lub opisu, skrótu opisowego. Przykładami są lizozym (od lizujących właściwości wobec bakterii) czy granzym. Enzymy restrykcyjne są nazywane według własnej nomenklatury. Ich nazwa składa się z litery nazwy rodzajowej i dwóch pierwszych liter nazwy gatunkowej mikroorganizmu-źródła enzymu, pisanymi kursywą, po których występują cyfry arabskie lub litery oznaczających szczep mikroorganizmu. Nazwa zakończona jest cyfrą rzymską wskazującą, jako który w kolejności chronologicznej został wyizolowany z danego organizmu dany enzym restrykcyjny. Na przykład EcoRI, to pierwszy wyizolowany enzym restrykcyjny z bakterii Escherichia coli, szczep RY13. 

W celu uregulowania i ujednoznacznienia nazewnictwa enzymów, Komitet Nazewnictwa Międzynarodowej Unii Biochemii i Biologii Molekularnej w latach 1956-1972 opracował dla nich nomenklaturę naukową – numer EC. Według niej, każdy enzym jest opisany przez ciąg czterech segmentów cyfr, oddzielonych od siebie kropką, poprzedzonych literami "EC". I tak pierwsza liczba określa numer klasy enzymu, druga liczba- numer podklasy enzymu, trzecia- numer pod podklasy, a czwarta numer enzymu. Pierwsza cyfra dzieli enzymy, według mechanizmu reakcji przez nie katalizowanych, na sześć głównych klas.

EC 1 oksydoreduktazy:  enzymy katalizujące reakcje utleniania i redukcji (reakcje redoks). Oksydoreduktazy przenoszą elektrony i atomy wodoru pomiędzy cząsteczkami reduktora (donora wodoru) i utleniacza (akceptora wodoru), np. DH₂ + A ⇌ D + AH_2, gdzie D – donor wodoru; A – akceptor wodoru.

Do oksydoreduktaz należą m.in.:

• oksydazy

• hydroperoksydazy

  • peroksydazy – katalizują utlenianie H₂O₂ różnych substratów

  • katalazy – rozkładają nadtlenek wodoru

• oksygenazy – katalizują proces wbudowania tlenu w cząsteczkę

• hydroksylazy

• dehydrogenazy

Oksydoreduktazy wykorzystują np. NADPH/NADH/FADH₂ jako substancję redukującą, a NAPD⁺/NAP⁺/FAD jako substancję utleniającą.

EC 2 transferazy: klasa enzymów katalizujących reakcję przeniesienia grupy chemicznej (np. tiolowej (-SH), aminowej (-NH₂), metylowej (-CH₃) czy fosforanowej (-OPO₃H₂)) lub atomu z jednej cząsteczki (donora) na drugą (akceptora), co można zobrazować: AB + C → A + BC. Transferazy dzielą się na dziewięć podklas, w zależności od grupy chemicznej, przenoszonej przez dany enzym:

• EC 2.1 - przenoszą fragmenty jednowęglowe

  • metylotransferazy

  • Hydroksymetylo- i formylo- transferazy

  • karboksylo- i karboksymoilo- transferazy

  • amidynotransferazy

• EC 2.2 - przenoszą fragmenty cząsteczek z grupami aldehydowymi lub ketonowymi

  • Transketolazy i transaldolazy

• EC 2.3 - Acylotransferazy - przenoszą reszty kwasowe

  • Aminoacylotransferazy

• EC 2.4 - Glukozylotransferazy - przenoszą reszty cukrowe

  • Heksozylotransferazy

  • Pentozylotransferazy

• EC 2.5 - przenoszą arylowe lub grupy alkilowe (z wyjątkiem metylowych)

  • Alkilotransferazy

  • Arylotransferazy

• EC 2.6 - przenoszą grupy zawierające azot

  • Aminotransferazy - przenoszą grupy aminowe

• EC 2.7 - przenoszą reszty fosforanowe

  • Fosfotransferazy

  • Kinazy

• EC 2.8 - przenoszą grupy zawierające siarkę

  • Sulfurotransferazy

  • CoA-transferazy

• EC 2.9 - Selenotransferazy - przenoszą grupy zawierające selen.

EC 3 Hydrolazy : enzymy rozcinające wiązanie chemiczne w procesie hydrolizy. Do grupy tej należy wiele enzymów trawiennych. Cechą charakterystyczną hydrolaz jest fakt, że nie posiadają one koenzymów. Ich działanie można przedstawić ogólnie jako: AB + H₂O → A-H + B-OH

Przykłady hydrolaz:

• proteazy - (EC 3.4) rozcinające białka (np. trypsyna - EC.3.4.21.4)

• nukleazy - rozcinające kwasy nukleinowe (np. rybonukleazy, DNAzy)

• glikozylazy - rozcinające węglowodany

  • amylaza

  • amyloglukozydaza

• inwertazy - rozcinające wiązanie β-glikozydowe sacharozy

• fosfatazy - katalizujące defosforylację estrów fosforanowych, np. nukleotydów

• lipazy - rozcinające tłuszcze

EC 4 Liazy : czwarta klasa enzymów odwracalnie lub nieodwracalnie katalizujących odszczepienie grup bez udziału wody.

• 4.1. Liazy węgiel - węgiel:

  • 4.1.1. karboksy-liazy

    • 4.1.1.1. karboksy-liaza 2-oksokwasów - dekarboksylaza pirogronianowa. Jest to białko zawierające pirofosforan tiaminy jako koenzym. Katalizuje reakcje: kwas pirogronowy = aldehyd octowy,

    • 4.1.1.3. karboksy-liaza szczawiooctanu - dekarboksylaza szczawiooctanowa, katalizująca przemianę szczawiooctanu do pirogronianu, z wydzieleniem dwutlenku węgla.

    • 4.1.1.11. karboksy-liaza L-asparaginianu - 1-dekarboksylaza asparaginianowa. Jest to białko zawierające w swym składzie fosforan pirydoksalu.

  • 4.1.2. aldehydo-liazy

    • 4.1.2.13. aldolaza

  • 4.1.3. liazy ketokwasów

    • 4.1.3.6. szczawiowooctano-liaza cytrynianu (acetylująca CoA) - katalizuje rozpad cytrynianu do octanu i szczawianu.

• 4.2. liazy węgiel - tlen:

  • 4.2.1. hydro-liazy

    • 4.2.1.2. hydro-liaza L-jabłczanu - hydrataza fumarowa (fumaraza). Przekształca, odwracalnie jabłczan do fumaranu z wydzieleniem cząsteczki wody.

    • 4.2.1.3. hydro-liaza cytrynianu (izocytrynianu) - hydrataza akonitanowa (akonitaza). Jest również enzymem z cyklu Krebsa. Odłączając wodę od cytrynianu, przekształca go najpierw do cis-akonitanu, później dołączając kolejną cząsteczkę wody - do izocytrynianu.

• 4.3. Liazy węgiel - azot:

  • 4.3.1. amoniako-liazy

  • 4.3.2. amidyno-liazy

• 4.4. Liazy węgiel - siarka

• 4.5. Liazy węgiel - halogenek

EC 5 Izomerazy: to enzymy zmieniające cząsteczkę w jej izomer, czyli zmieniające układ atomów w cząsteczce (nie dodają żadnych atomów, ani nie odcinają, jedynie zmieniają ich ułożenie). Przenoszą w obrębie cząsteczki pojedyncze atomy lub całe ich grupy. Można to graficznie zobrazować: AB → BA.

• Racematy;

• Epimerazy;

• Oksydazy wewnątrzcząsteczkowe;

• Transferazy wewnątrzcząsteczkowe;

• Izomerazy cis- trans;

EC 6 Ligazy (Syntetazy) – enzymy szóstej klasy, które katalizują powstawanie wiązań chemicznych pomiędzy cząsteczkami, zużywając do tego energię pochodzącą z hydrolizy ATP. W zależności od typu tworzonego wiązania (C-O, C-S, C-N, lub C-C) dzielą się na podklasy według klasyfikacji numerycznej EC. Ligazy DNA uczestniczą w łączeniu nici kwasu dezoksyrybonukleinowego, karboksylaza pirogronianowa katalizuje przyłączenie dwutlenku węgla do pirogronianu – tworzenie szczawiooctanu. Działanie Ligaz można zobrazować graficznie: A + B → AB.

• karboksylazy – przyspieszają powstawanie wiązań C-C

• syntetaza glutaminowa – katalizuje powstawanie wiązań C-N

• ligaza DNA

Biologiczne funkcje enzymów:

• udział w reakcjach katabolicznych i anabolicznych, definiuje metabolizm komórki czy organizmu (elementami metabolizmu komórkowego są także enzymy zewnątrzkomórkowe, np. enzymy trawienne). Enzymy metaboliczne działają zwykle w grupach (kompleksach), w szeregu sekwencyjnie następujących po sobie reakcji, określanych mianem szlaków metabolicznych.

• biorą udział także w reakcjach niemetabolicznych. Na przykład hydrolizująca ATP miozyna bierze udział w skurczach mięśni, a inne motory molekularne o aktywności enzymatycznej są odpowiedzialne za ruch na poziomie wewnątrzkomórkowym.

• są także ważnymi składnikami interakcji między organizmami czy komórkami. Leukocyty używają enzymów do zwalczania patogenów, z kolei bakterie patogenne używają ich podczas infekcji i do obrony przed elementami systemu immunologicznego. Także wirusy używają enzymów (kodowanych przez swój materiał genetyczny lub enzymów gospodarza) do swojej replikacji (np. odwrotna transkryptaza wirusa HIV), a także podczas infekcji i opuszczania komórek gospodarza (np. neuraminidaza wirusa grypy). Enzymy są także składnikami jadów i toksyn, używanych i wytwarzanych przez wiele organizmów.

• pełnią także bardziej wyszukane funkcje, wszędzie tam, gdzie potrzebna jest wydajna, specyficzna kataliza chemiczna. Na przykład bioluminescencja u świetlików wywołana jest przez enzym lucyferazę, a strzel bombardier, chrząszcz z rodzaju Brachynus w celach obronnych wykorzystuje peroksydazę do rozkładu nadtlenku wodoru, dzięki czemu może bronić się przed zagrożeniem, wyrzucając w jego stronę strumień wrzącej cieczy pod ciśnieniem.

Zastosowanie enzymów w diagnostyce: Ponieważ aktywność enzymatyczna i jej ścisła kontrola są elementem homeostazy organizmu, defekt w jednym nawet enzymie (mutacja zaburzająca funkcję, nadprodukcja, za mała produkcja, delecja) czy mechanizmach kontroli jego aktywności, może prowadzić do stanu chorobowego lub śmierci organizmu. Zmiany aktywności enzymów we krwi, często są odzwierciedleniem zmian patologicznych zachodzących w narządach. Nowoczesna diagnostyka enzymologiczna opiera się na założeniu, że uszkodzenie narządu pociąga za sobą uszkodzenie struktur komórkowych lub zmianę przepuszczalności błon komórkowych. Uszkodzenia błon powodują ucieczkę enzymów, zwiększając tym samym ich ilość w cieczach ustrojowych i wydalinach, takich jak: krew, płyn mózgowo-rdzeniowy, mocz, ciecze wysiękowe i przesiękowe, sok żołądkowy czy dwunastniczy. W latach 60 Richterich i Hess stworzyli kliniczny podział enzymów osocza na:

• sekrecyjne (wydzielnicze) – należą do nich min. czynniki krzepnięcia krwi oraz fibrynolizy, esterazy cholinowe, ceruloplazmina i lipaza lipoproteinowa. Po uszkodzeniu komórek wątroby następuje spadek ich aktywności, ponieważ ich ilość zależy od syntezy w rybosomach wątroby. W przypadku diagnostyki liczy się tylko dolna granica normy ich wydzielania;

• wskaźnikowe (indykatorowe) – pojawiają się w dużych ilościach po uszkodzeniu narządów (stąd ich potoczna nazwa – nekroenzymy). Zawartość enzymu wskaźnikowego jest zależna od jego ilości w uszkodzonej tkance, liczby uszkodzonych komórek i stopnia ich uszkodzenia, a także rozmieszczenia enzymów w różnych narządach. Do celów dydaktycznych można je podzielić na swoiste i nieswoiste narządowo. Diagnostycznie liczy się ich górna granica normy;

• ekskrecyjne (wydalnicze) – przeszkoda w normalnym odpływie różnych wydzielin ustrojowych, takich jak: żółć, sok trzustkowy, ciecz sterczowa czy ślina, powoduje zastój wydzieliny i przedostanie się enzymów do krwiobiegu. Do tej grupy należą enzymy soku trzustkowego(amylaza, lipaza, DNA-aza, RNA-aza, trypsyna, chymotrypsyna), żółci (fosfataza zasadowa, GGTP, leucyloaminopeptydaza – konstelacja żółci), fosfataza kwaśna płynu sterczowego, amylaza ślinianek i enzym gruczołów wydalniczych żołądka czyli pepsyna.

Zastosowanie przemysłowe enzymów: Enzymy są stosowane w przemyśle chemicznym, spożywczym i innych, głównie jako niezwykle specyficzne, bezpieczne w użyciu katalizatory. Jakkolwiek ich wadą jest wrażliwość na skrajne warunki (np. temperatura, pH), niestabilność w środowiskach innych niż wodne (np. rozpuszczalników organicznych) oraz stopniowa degradacja podczas użytkowania. Także wysoka specyficzność, istotna z punktu biologicznego, w przemyśle jest ograniczeniem ich uniwersalności. Stąd inżynieria białka jest dynamicznie rozwijającą się dziedziną nauki, zajmującą się badaniem i projektowaniem enzymów o nowych właściwościach lub poprawionej wydajności czy stabilności. Aktualne podejście do tego zagadnienia to ukierunkowane projektowanie lub ewolucja in vitro. Obecnie enzymy produkowane są na skalę przemysłową, głównie z zastosowaniem mikroorganizmów modyfikowanych genetycznie.

• Przemysł piekarniczy: katalityczne przyspieszenie rozkładu skrobi z mąki na krótsze cukry, wykorzystywane przez drożdże piekarnicze zawarte w cieście, wskutek tego produkowany jest dwutlenek węgla spulchniający ciasto. Producenci ciastek używają ich do obniżenia poziomu białka w mące np. grzybowe alfa- amylazy, proteazy.

• Do wstępnego nadtrawienia jedzenia np. trypsyna.

• Browarnictwo, gorzelnictwo i przemysł winiarski: enzymy rozkładające skrobię i białka, uwalniając cukry proste i aminokwasy służące drożdżom do fermentacji (enzymy jęczmienne), enzymy rozkładające polisacharydy i białka zawarte w zacierze czy słodzie (amylaza, proteazy, glukanazy), poprawiające proces filtrowania (betaglukozydazy), przy produkcji trunków niskokalorycznych (amyloglukozydazy),usuwające zmętnienie produktu (proteazy).

• Przy produkcji soków owocowych: celulazy i pektynazy klarują soki rozkładając celulozy i pektyny.

• Mleczarstwo: podpuszczka używana przy produkcji serów, oraz do hydrolizy białek, lipazy- produkcja serów, laktazy powodują rozkład laktozy do glukozy i galaktozy.

• Przy zmiękczaniu mięsa: Papina powoduje zmiękczanie mięsa w czasie gotowania.

• Przemysł skrobiowy: amylazy, amyloglukozydazy i glukoamylazy powodują rozkład skrobi do glukozy i produkcję cukrów inwertowanych, izomeraza glukozowa stosowana przy produkcji wysokofruktozowych syropów ze skrobi.

• Przemysł papierniczy: amylaza, celulaza, ksylanaza, ligninaza- rozkład skrobi w celu zmniejszenia lepkości, wspomagania regulacji gramatury papieru i jego pokrycia, redukcja wybielania papieru, wygładzanie włókna, wspomaganie schnięcia oraz usuwanie pigmentów przy przeróbce makulatury, zmiękczanie papieru.

• Przemysł biopaliwowy: rozkład celulozy do cukrów, które mogą być wykorzystywane w procesie fermentacji przy produkcji etanolu celulozowego (celulaza), rozkład ligniny (ligninaza).

• Biodetergenty: wspomagają pranie wstępne i namaczanie w celu usunięcia plam ze skrobi czy tłuszczu (amylaza, lipaza), biologiczne zmiękczacze do tkanin (celulaza).

• Przemysł gumowy: wytwarzanie tlenu z nadtlenków, przy przetwarzaniu lateksu w gumy spienione (katalaza).

• Przemysł fotograficzny: rozkład żelatyny pokrywających filmy fotograficzne przy odzyskiwaniu z nich srebra (proteazy).

• Biologia molekularna i biochemia: m.in., manipulacje przy materiale genetycznym, badania metabolizmu, diagnozowanie kliniczne i kryminalne (enzymy restrykcyjne, ligazy DNA, polimerazy DNA i RNA, proteazy).