เอนไซม์และตัวยับยั้งเอนไซม์ เอนไซม์ (enzyme) เอนไซม์ เป็นสารอินทรีย์จำพวกโปรตีน ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาชีวเคมี  โดยลดพลังงานกระตุ้นทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นได้ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต

โครงสร้างโมเลกุลและหน้าที่การทำงานของเอนไซม์ 1. โมเลกุลเอนไซม์ทั้งโมเลกุลเรียกไฮโลเอนไซม์ (Holenzyme) จะประกอบด้วย 2 ส่วนคือ  ส่วนที่เป็นโปรตีนเรียก แอโพเอนไซม์ (Apoenzyme)  ส่วนที่ไม่ใช่โปรตีนแต่ช่วยให้เอนไซม์ทำงานดีขึ้น เรียก โคแฟคเตอร์ (Cofactor)

โคแฟคเตอร์ อาจเป็นสารอินทรีย์ เช่น NAD+ (Nicotinamide Alenine Dinucleotide) ซึ่งมีวิตามิน B5 เป็นองค์ประกอบ หรือ FAD (Flavine Adenine Dinucleotide) ซึ่งมีวิตามิน B2 เป็นองค์ประกอบ ถ้าโคแฟคเตอร์เป็นสารอนิทรีย์ที่จับแท่นกับโปรตีนจะเรียกว่า หมู่พรอสทีติก (prosthetic group) เช่น อิออนของโลหะ ได้แก่ Zn2+ , Mg2+, Fe3+, Cu2- ฯลฯ

โฮโลเอนไซม์ = แอโพเอนไซม์ + โคแฟคเตอร์ โคเอนไซม์ หมู่พรอสทีติก โฮโลเอนไซม์ = แอโพเอนไซม์ + โคแฟคเตอร์ (Holoenzyme) (Apoenzyme) (Cofactor) โคเอนไซม์ (Coenzyme) หมู่พรอสทีติก (Prosthetic group)

2. ในโมเลกุลของเอนไซม์ จะมีตำแหน่งหนึ่งที่จะทำปฏิกิริยากับสาร (Substrate [s]) เรียกบริเวณเร่ง (Active site หรือ Catalytic site) ซึ่งเป็นส่วนสำคัญที่สุดของเอนไซม์ ถ้าสูญเสียไป เอนไซม์ทำหน้าที่ไม่ได้ เรียกว่า เอนไซม์สูญเสียสภาพธรรมชาติ (denature)

การรวมตัวระหว่าง สาร (S) กับบริเวณเร่งของเอนไซม์มีทฤษฎีอธิบาย 2 ทฤษฎี คือ 2.1 ทฤษฎีกุญแจ-ลูกกุญแจ (Lock-And-Key Theory)  ซับสเตรท จะมีโครงสร้างสวมเข้ากับบริเวณเร่งของเอนไซม์ได้พอดี เสมือนกับลูกกุญแจกับแม่กุญแจของมัน

2.2 ทฤษฎีเหนี่ยวนำให้พอดี (Induced fit theory)  ซับสเตรท จะเหนี่ยวนำให้บริเวณเร่งของเอนไซม์เปลี่ยนแปลงมาสวมเข้ากับซับสเตรทได้พอดี ซึ่งนักชีวเคมีจะยอมรับทฤษฎีนี้มาก

แผนภาพแสดงกลไกการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ กับซับสเตรท Lock-And-Key Induced fit theory แผนภาพแสดงกลไกการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ กับซับสเตรท (a) Lock and key theory โดยซับสเตรทจะมีโครงสร้างพอเหมาะพอดีในการสวมเข้ากับเอนไซม์ (b) Induced fit theory โดยซับสเตรทจะเหนี่ยวนำให้โครงสร้างบริเวณ active site ของเอนไซม์เปลี่ยนแปลงมาสวมเข้ากับซับสเตรทได้พอดี

เอนไซม์ (E) ก่อนเกิดปฏิกิริยาขณะเกิดปฏิกิริยา และหลังเกิดปฏิกิริยา จะคงที่ทุกขั้นตอน ตามทฤษฎี Lock and Key E + S ES – Complex E + P E คงที่ทุกขั้นตอน

เอนไซม์จะเปลี่ยนแปลงขณะเกิดปฏิกิริยา แต่ก่อนเกิดและหลังเกิดปฏิกิริยาจะเหมือนเดิม ตามทฤษฎี Induced fit E + S ES – Complex E + P E เปลี่ยนแปลงขณะเกิดปฏิกิริยา E เกิดก่อนและหลังเกิดปฏิกิริยาจะเหมือนเดิม

3. เอนไซม์จะเร่งปฏิกิริยาเคมีในเซลล์โดยการลดพลังงานของปฏิกิริยา (Activation energy) ทำให้ปฏิกิริยาเกิดได้เร็วขึ้น 108 – 1020 เท่าของปฏิกิริยาที่ไม่มีเอนไซม์เร่ง

4. เอนไซม์จะมีความจำเพาะกับซับสเตรท (Substrate specifity) เช่น เอนไซม์มอลเตส จะย่อยเฉพาะมอลโตความจำเพาะกับซับสเตรทของเอนไซม์เช่นนี้ จะย่อยให้ปฏิกิริยาต่างๆ ในเซลล์ ดำเนินไปในเป็นขึ้นตอนอย่างมีระเบียบ

5. อัตราการทำงานของเอนไซม์ เอนไซม์ทุกชนิด มีสถานะทางกายภาพ (Physical state) ความสามารถในการเร่งปฏิกิริยา (Catalytic function) และเสถียรภาพขึ้นอยู่กับปัจจัยสำคัญหลายชนิด คือ

1. อุณหภูมิ  เอนไซม์แต่ละชนิดจะมีช่วงอุณหภูมิที่ทำงานได้ดีที่สุด (optimum temperature) โดยทั่วๆ ไป จะอยู่ประมาณ 25-40 องศาเซลเซียส  การเพิ่มอุณหภูมิทำให้อัตราเร็วของปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นเนื่องจากโมเลกุลมีพลังงานจลน์มากขึ้น ซึ่งจะนำไปใช้กระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาได้  แต่ถ้าอุณหภูมิสูงเกินไปปฏิกิริยาจะลดลงทั้งนี้เพราะเอนไซม์ซึ่งเป็นโปรตีนจะเกิดการเสียสภาพธรรมชาติ (denature) จึงเข้ารวมกับซับสเตรทไม่ได้

อุณหภูมิที่เหมาะสม เมื่อได้รับความร้อนก้อนโปรตีนคลายตัว (denature) พอลิเพปไทด์ม้วนเป็นก้อนโปรตีน (nature) เมื่อรับความร้อนลดลงสาย พอลิเพปไทด์จะม้วยตัวกลับสู่สภาพเดิมอีก (renature) พันธะยึดระหว่างสายพอลิเพปไทด์ การเปลี่ยนแปลงของโปรตีนอันเนื่องมากจากความร้อน ถ้าความร้อนไมนสูงจนเกินไป

2. ความเป็นกรดเป็นด่าง (pH)  เปปซิน = 1.5 - 2.5  ซูเครส = 6.2  ไลเปส = 7.2  ทริปซินประมาณ = 8 - 11

กราฟแสดงผลของ pH ต่ออัตราการทำงานของเอนไซม์

3. ปริมาณความเข้มข้นของเอนไซม์ 3. ปริมาณความเข้มข้นของเอนไซม์  ถ้าเอนไซม์มีปริมาณมาก จะทำให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว  นั่นคือ อัตราเร็วของปฏิกิริยาจะแปรเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มข้นของเอนไซม์  แต่ถ้าเอนไซม์มากเกินพอความเร็วของปฏิกิริยาจะไม่เพิ่มขึ้น ทั้งนี้เพราะไม่มีซับสเตรทเหลือพอที่จะเข้าทำปฏิกิริยา

4. ปริมาณความเข้มข้นของซับสเตรท 4. ปริมาณความเข้มข้นของซับสเตรท  ถ้าเพิ่มความเข้มข้นของซับสเตรทอัตราเร็วของปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้น  และความเร็วของปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มข้นของซับสเตรทในช่วงที่ความเข้มข้นยังน้อย  เพราะถ้าเพิ่มซับสเตรทมากเกินไป ปฏิกิริยาก็จะไม่เกิดเร็วขึ้น เนื่องจากปริมาณของเอนไซม์ไม่เพียงพอ

กราฟแสดงความเข้มข้นของเอนไซม์กับความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ x ความเข้มข้นของเอนไซม์ [E] กราฟแสดงความเข้มข้นของเอนไซม์กับความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ ความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ x ความเข้มข้นของซับสเตรท [S] กราฟแสดงความเข้มข้นของซับสเตรทกับความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์

ตัวยับยั้งเอนไซม์ (Inhibitor) ตัวยับยั้งเอนไซม์ คือ สารที่สามารถทำให้ปฏิกิริยาที่มีเอนไซม์เป็นคะตะลิสต์เกิดช้าลงหรือหยุดชะงักลงได้ ตัวยับยั้งเอนไซม์พวกนี้ มีโครงสร้างเกือบกับซับสเตรททุกประเภทและยังสามารถรวมตัวกับเอนไซม์ได้ดีกว่าซับสเตรทอีกด้วย จึงทำให้ไม่มีเอนไซม์เหลือไปช่วยทำให้เกิดปฏิกิริยามีผลทำให้ปฏิกิริยานั้นหยุดชะงักลง สภาพปกติของการทำงาน : E + S E – S Complex E + P

แผนภาพแสดงกลไกการทำงานของเอนไซม์ แผนภาพแสดงกลไกการยับยั้งการทำงานของเอนไซม์

ประเภทของตัวยับยั้งเอนไซม์ 1. ตัวยับยั้งแบบแข่งขัน (competitive inhibitor)  ตัวยับยั้งประเภทนี้มีโครงสร้างคล้ายซับสเตรท 2. ตัวยับยั้งแบบไม่แข่งขัน (noncompetitive inhibitor)  ตัวยับยั้งประเภทนี้จะเข้าจับกับตำแหน่งอื่นใน โมเลกุลเอนไซม์ (allosteric site) ที่ไม่ใช่บริเวณเร่ง เช่น โลหะหนัก

แผนภาพแสดงตัวยับยั้งเอนไซม์เข้าไปจับกับแอกทีฟไซต์ของเอนไซม์

Inhibitor Active sites not suitable for reception of substrates แผนภาพแสดงการรวมตัวระหว่างเอนไซม์กับตัวยับยั้งเอนไซม์ (inhibition)