หลักการทำงานของเอนไซม์ , ปัจจัยที่มีผลต่อการทำงานของเอนไซม์ " สรุปเรื่องเอนไซม์และการทำงานของเอนไซม์ "

29 มีค. 55     2210

 

 

การทำงานของเอนไซม์

เอนไซม์เป็นสารที่มีความสำคัญและน่าสนใจยิ่ง เอนไซม์ไม่ใช่มีหน้าที่เพียงแต่ย่อยอาหารซึ่งเป็น ซับสเตรต (substrate) ของปฏิกิริยาเคมีเท่านั้น แต่เป็นสารที่ช่วยเร่งปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ที่มีจำนานมากมายหลายพันชนิดซึ่งเกิดขึ้นภายในเซลล์ การค้นพบเอนไซม์จึงนับว่าเป็นสิ่งอัศจรรย์และมีความสำคัญอย่างยิ่งในการ ศึกษาชีววิทยา

นักวิทยาศาสตร์ไม่มีโอกาสที่จะเข้าไปดูการทำงานของเอนไซม์ภาในเซลล์ได้ จึงต้องศึกษาการทำงานของเอนไซม์ภายนอกเซลล์ ซึ่งมีเงื่อนไขบางประการที่แตกต่างจากการศึกษาการทำงานของเอนไซม์ภายในเซลล์ เอนไซม์ทุกชนิดทำงานในเซลล์ แต่หลายชนิดยังสามารถทำงานนอกเซลล์ที่มีสภาพใกล้เคียงกับภายในเซลล์

ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถสกัดเอนไซม์ที่ค่อนข้างบริสุทธิ์ได้หลายร้อย ชนิด บางชนิดอยู่ในรูปของผลึกที่เป็นสารบริสุทธิ์ จากการศึกษาโครงสร้างและส่วนประกอบของเอนไซม์ชนิดต่างๆ ทำให้สามารถกล่าวได้ว่า เอนไซม์เป็นสารพอลิเพปไทด์หลายสาย และมักจะมีไอออนของโลหะหรือโมเลกุลที่ไม่ใช่โปรตีนอยู่ด้วย เอนไซม์จะมีมวลโมเลกุล 10,000 ถึงมากกว่า 1 ล้าน และมีสมบัติเป็น คะตะลิสต์ (catalyst)

อัตราการทำงานของเอนไซม์จะขึ้นอยู่กับระดับอุณหภูมิ โดยทั่วๆ ไปอัตราการทำงานของเอนไซม์ต่างๆ

อัตราการทำงานของเอนไซม์จะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น จนถึงระดับอุณหภูมิหนึ่งการทำงานของเอนไซม์จะมีอัตราการทำงานสูงสุด แต่เมื่ออุณหภูมิสูงกว่านี้แล้วอัตราการทำงานกลับลดลง ทั้งนี้เป็นเพราะมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของโปรตีนที่เป็นองค์ประกอบของ เอนไซม์

เนื่องจากเอนไซม์เป็นโปรตีนจึงมีสมบัติเหมือนโปรตีนทั่วๆ ไป คือ มักจะเสียสภาพที่อุณหภูมิสูง และนอกจากนี้ยังคงสภาพเป็นโปรตีนได้ในช่วง pH ที่จำกัดเท่านั้น เราสามารถศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการทำงานของเอนไซม์กับ pH

สมบัติของเอนไซม์

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)

การยับยั้งเอนไซม์

ยังมีสารอีกประเภทหนึ่งสามารถทำให้ปฏิกิริยาที่มีเอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยานั้นหยุดชะงักลงได้ เรียกสารประเภทนี้ว่า ตัวยับยั้งเอนไซม์ (inhibitor) ตัวยับยั้งเอนไซม์บางชนิดอาจยับยั้งปฏิกิริยาด้วยการแย่งเอาเอนไซม์มาจาก ปฏิกิริยา จึงทำให้เอนไซม์ไม่สามารถจับกับซับสเตรตได้ ปฏิกิริยาจึงหยุดชะงักไป

ตัวยับยั้งเอนไซม์ส่วนใหญ่จะยับยั้งการทำงานของเอนไซม์เฉพาะอย่าง กล่าวคือ ตัวยับยั้งตัวหนึ่งจะทำให้ปฏิกิริยาอย่างหนึ่งเท่านั้นหยุดชะงักลง แต่ไม่มีผลกระทบต่อปฏิกิริยาอื่นๆ ที่มีเอนไซม์ชนิดอื่นเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ยกเว้นในกรณีที่เป็นปฏิกิริยาต่อเนื่องกัน เช่น ซับสเตรตถูกเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์โดยเอนไซม์ชนิดหนึ่ง ถ้าเอนไซม์ชนิดแรกถูกยับยั้งไม่สามารถทำงานได้หรือทำงานได้น้อยลง ก็ย่อมจะมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงผลิตภัณฑ์เป็นสารอื่นในขั้นต่อมา แต่ไม่ได้หมายความว่า ตัวยับยั้งเอนไซม์ชนิดแรกยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ชนิดหลังด้วย

ปฏิกิริยาเคมีในเซลล์ที่เป็นกระบวนการต่อเนื่องกัน ได้แก่ การหายใจของเซลล์ซึ่งเป็นกระบวนการเปลี่ยนแปลงของสารอินทรีย์บางชนิดกลาย เป็นสารชนิดอื่นๆ ต่อเนื่องกันหลายขั้นตอน ฉะนั้นเมื่อขั้นตอนใดขั้นตอนหนึ่งถูกยับยั้ง กระบวนการหายใจก็จะหยุดชะงัก ไม่สามารถดำเนินต่อไปได้

ในกระบวนการหายใจซึ่งมีอยู่หลายขั้นตอน จะมีขั้นตอนหนึ่งที่ กรดซักซินิก (succinic acid) ถูกเปลี่ยนเป็น กรดฟูมาริก (fumaric acid) โดย เอนไซม์ซักซินิกดีไฮโดรจีเนส (succinic dehydrogenase) แต่ถ้าเอนไซม์ซักซินิกดีไฮโดรจีเนสถูกยั้ยยั้ง กระบวนการหายใจจะหยุดชะงักลงไป กรดซักซินิกและกรดมาโลนิกมีโครงสร้างคล้ายคลึงกัน

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

ในการทำงานของเอนไซม์นั้น ถ้ามีการเพิ่มปริมาณของซับสเตรตให้มากขึ้นเรื่อยๆ แต่ไม่เพิ่มปริมาณของเอนไซม์ อัตราการเพิ่มของปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้น

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

 

แหล่งข้อมูลจาก:kroobannok.com