אנזים

המבנה התלת-ממדי של האנזים נויראמינידאז

המבנה התלת-ממדי של האנזים קטלאז

אֶנְזִים (קרוי גם: תַּסָּס; באנגלית: Enzyme) הוא חלבון המזרז תהליכים כימיים ביצורים חיים.

בכל תא של כל יצור חי מצויים אלפי אנזימים, והתא החי אינו יכול לתפקד בלעדיהם. רובן המוחלט של התגובות הכימיות שעליהן מבוססים החיים אינן מסוגלות להתרחש בקצב הנדרש לקיום החיים בלא האנזימים. האנזימים מאפשרים את התרחשותן של תגובות אלו באמצעות זירוז קצבן בכמה סדרי גודל.

לצד האנזימים, המורכבים מחלבונים, קיים סוג נוסף של מולקולה קטליטית (מזרזת תגובות) בתא, המורכבת מ-RNA ומכונה "ריבוזים".

התחום בביוכימיה העוסק בחקר האנזימים קרוי אנזימולוגיה.

אטימולוגיה

מקור השם "אנזים" מיוונית: Ένζυμο, ופירושו: 'בתוך שמר'. הוא כונה כך לאור העובדה שהאנזים הראשון התגלה כאשר בודדו תמצית מתאי שמרים.

אופן פעולה

אנזימים מזרזים התרחשות תגובות כימיות שמבחינה תרמודינמית מסוגלות לצאת אל הפועל. התגובות המזורזות על ידי האנזים יתרחשו גם בהיעדרו, אך בקצב איטי ביותר שלא יאפשר את תפקוד התא החי. האנזים מזרז את התגובה באמצעות הורדת אנרגיית השפעול שלה. במקרים רבים נקשר האנזים לחומרים המגיבים, מקרב אותם ומכוון אותם בזווית הרצויה לתגובה. התקרבות זו בכיוונים הנכונים תיקח זמן רב עד שתקרה באופן מקרי ללא האנזים.

לכל אנזים אתר פעיל אחד או יותר, אליו נקשרים המגיבים ובו מתרחשת התגובה הכימית. לא תמיד מדובר בשני מגיבים או יותר; אנזימים מסוגלים לזרז תגובות בהן מתפרקת מולקולה גדולה לכמה מולקולות קטנות, למשל. המגיב או המגיבים מכונים סובסטרט (Substrate) בעברית מצע ומסומלים באות S. התוצרים שמתקבלים מפעולות האנזים נקראים Products או בעברית תוצרים ומסומלים באות P. האנזים עצמו מסומל באות E, ואנזים הקשור לסובסטרט מסומל ES ("תצמיד אנזים-סובסטרט").

לאחר זיהוי הסובסטרט, גורם האתר הפעיל למספר שינויים בקשרים הכימיים במולקולות הסובסטרט. השינויים מסתיימים ביצירת קשר חדש בין שתי מולקולות או בפירוק מולקולות. לפעמים מתבטא השינוי רק בתזוזה של אטומים מסוימים בתוך המולקולה, היוצרת שינוי בתכונות המולקולה.

פעולת האנזימים מאופיינת בעזרת קבוע מיכאליס מנטן (Km) המייצגת בקשר הפוך את מידת הזיקה בין הסובסטרט לאנזים, וכן על פי מהירות הריאקציה המקסימלית כאשר ישנו עודף סובסטרט גדול מאוד (Vmax). מאפיינים אלו מוגדרים על פי קינטיקת מיכאליס-מנטן, והם נכונים עבור מודלים מסוימים בלבד.

מודל מנעול-מפתח

בשנת 1894 הציע אמיל פישר את מודל מנעול מפתח (באנגלית: Lock and Key) לתיאור האינטראקציה בין אנזים לסובסטרט. על פי מודל זה, גם בטרם הקישור של הסובסטרט לאנזים, האתר הפעיל של האנזים בעל מבנה ספציפי התואם (קומפלמנטרי) בדיוק, הן מבחינה מבנית והן מבחינה כימית, לסובסטרט (כשם שמנעול מתאים למפתח). כלומר, ההתאמה בין המבנים קיימת כבר לפני הקישור. מודל מנעול מפתח מצליח להסביר את הספציפיות הרבה של אנזימים בעקבות המבנה הגאומטרי של האנזים והסובסטרט, אך מתקשה להסביר כיצד אנזים מוריד את אנרגיית האקטיבציה ומייצב את מצב המעבר של התגובה.

מודל התאמה מושרית

תיאור התהליך הכימי

ב-1958 דניאל קושלנד הציע סייג למודל מנעול-מפתח. כיוון שאנזימים הם מבנים גמישים, האתר הפעיל משנה צורה ללא הרף בעת אינטראקציה עם חומר מצע. הנ"ל חל כאשר מתבצעת אינטראקציית חומר מצע אנזים. כתוצאה מכך, חומר המצע אינו פשוט נקשר לאתר הפעולה הקשיח. חומצות האמינו משרשרות בחיבור צדדי (side chain) ומעצבות את אתר הפעולה לתצורה מדויקת אשר מאפשרת לאנזים לבצע את פעולתו המזרזת (קטליטית). במקרים מסוימים, כמו ב-Glycosidases גם מולקולות חומר המצע משתנות קמעא כאשר הן נכנסות לאתר הפעולה. אתר הפעולה ממשיך להשתנות עד אשר חומר המצע נקשר לחלוטין, ובנקודה זו ניתנת הצורה הסופית וגם המטען נקבע.

גורמים משפיעים

פעילותם של אנזימים יכולה להיות מושפעת מנוכחותן של מולקולות אחרות: מעכבי אנזימים מסוגלים להקטין את קצב הפעילות האנזימטית, ומנגד ישנם חומרים המבצעים את הפעולה ההפוכה - enzyme activators (מפעילי אנזימים). ישנם מעכבי אנזימים רבים המשמשים כתרופות או כרעלים. פעילותם של אנזימים מושפעת גם מהטמפרטורה, מה-pH, מריכוז היונים ומריכוז הסובסטרט.

• טמפרטורה - לקצב הפעילות של אנזימים יש מקסימום בטמפרטורה מסוימת, שנהוג להתייחס אליה כאופטימלית. טמפרטורה זו דומה לטמפרטורת הפעילות המקובלת של היצור החי ממנו הם נלקחו. הטמפרטורה האופטימלית מתקבלת כתוצאה מאיזון בין שני גורמים: (1) הסיכוי למפגש בין מולקולות גדל ככל שאנרגיית התנועה שלהן גדלה, כלומר ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר; (2) המבנה המרחבי של האנזים יעיל לזירוז הראקציה רק עד לטמפרטורה מסוימת שמעבר לה יעילותו יורדת (עקב דנטורציה חלקית או מלאה).
  הטמפרטורה האופטימלית של אנזימים יכולה להיות שונה מעט מאנזים לאנזים, באותו יצור חי (כלומר, לא כל האנזימים ביצור חי פועלים בטמפרטורה האופטימלית שלהם).
• ריכוז האנזים והסובסטרט - ככל שגדל ריכוז האנזים עולה גם קצב התגובה האנזימטית, עד אשר כמות הסובסטרט כבר אינה מספיקה (כלומר, כל מולקולות הסובסטרט כבר התחברו לאנזימים ואין מולקולות פנויות). במצב כזה, תוספת של מולקולות אנזים לא תועיל. ככל שגדל ריכוז הסובסטרט עולה גם קצב הראקציה האנזימטית, כל עוד קיימות מספיק מולקולות אנזים פנויות.
• pH, רמת החומציות - לכל אנזים יש טווח pH אופטימלי לו. כל שינוי ב-pH של הסביבה גורם לשינוי המבנה המרחבי שנקבע על ידי החומציות, ופוגע בקישור בין האנזים לסובסטרט.

מעכבים

ערך מורחב – מעכבי אנזימים

מעכבי אנזימים הם חומרים שמתקשרים לאנזימים וגורמים להאטה בפעילותם. ישנם שני סוגים של מעכבים - מעכבים תחרותיים ומעכבים לא תחרותיים.

• מעכבים תחרותיים - מעכבים בעלי מבנה דומה למבנה המרחבי של הסובסטרט, נקשרים לאתר הפעיל של האנזים, ובכך מעכבים את קשירת הסובסטרט לאתר הפעיל. במצב כזה, פעילותם של האנזימים תהיה נמוכה וכך גם התוצרים. הוא מתחרה עם הסובסטרט על האתר הפעיל. ככל שיעלה ריכוז הסובסטרט, השפעתו של המעכב תרד ופעילות האנזים תהיה יעילה יותר.
• מעכבים לא תחרותיים - בעלי מבנה שונה ממבנה הסובסטרט והם אינם מתחרים עמו על האתר הפעיל. המעכבים נקשרים לאתר אחר באנזים שאינו האתר הפעיל, ומשנים את המבנה המרחבי כך שהאנזים אינו יכול להיות מתאים במבנה לסובסטרט, ולכן לא ייקשר אליו. הוספת סובסטרט אינה יעילה מול מעכבים לא תחרותיים ולא תשפיע על פעולת המעכב.

שמות וסוגים

שמותיהם של רובם המוחלט של האנזימים מורכבים מתחילית הרומזת לפעולתו של האנזים ומהסיומת הקבועה -אָז (ase-), לדוגמה: נוּקלֵאָז (Nuclease), רֵדוּקטָאז (Reductase). לציון רבים מוסיפים בעברית -וֹת, משל היו שמות האנזימים במין נקבה (בעבר הייתה סיומת היחיד בעברית -אָזָה, כך ששמות האנזימים אכן היו בלשון נקבה); למשל, רדוּקטאזוֹת. למספר אנזימים שכיחים, מהראשונים שנתגלו, קיימים שמות טריוויאליים, למשל, פפסין.

האנזימים מחולקים באופן רשמי לשש מחלקות, בהתאם לסוג התגובה שהם מזרזים. המיון, אשר הומצא על ידי הארגון הבינלאומי לביוכימיה וביולוגיה מולקולרית (IUBMB), הוצג לראשונה ב-1961. גרסתו האחרונה, מ-1992, כוללת 3,196 אנזימים. כל מחלקה מסומלת בצמד האותיות EC (ראשי תיבות של Enzyme Commission, "ועדת האנזימים") ובספרה מ-1 ועד 6:

• EC 1: אוֹקסידוֹרֵדוּקטָאזות (Oxidoreductases) – אנזימים המזרזים תגובות חמצון-חיזור.
• EC 2: טרָאנספֵרָאזות (Transferases) – אנזימים המזרזים העברת קבוצות פונקציונליות בין מולקולות.
• EC 3: הידרוֹלָאזות (Hydrolases) – אנזימים המזרזים פירוק קשרים קוולנטיים באמצעות הידרוליזה (מתן מולקולת מים).
• EC 4: לִיאָזות (Lyases) – אנזימים המזרזים פירוק קשרים קוולנטיים שלא באמצעות חמצון-חיזור או הידרוליזה.
• EC 5: אִיזוֹמֵרָאזות (Isomerases) – אנזימים המזרזים שינויים מרחביים בתוך מולקולה (תוך יצירת איזומר של המולקולה).
• EC 6: לִיגָאזות (Ligases) – אנזימים המזרזים איחוי בין שתי מולקולות קטנות לקבלת מולקולה גדולה.

שמותיהם של האנזימים החשובים ביותר מעידים במקרים רבים על פעולתם: DNA-פולימראז ו-RNA-פולימראז (מסנתזים חומצות גרעין); ליפאז (מפרק ליפידים); אצטילאז (מחבר קבוצת אצטיל (CH₃COO) לסובסטרט); עמילאז (מפרק עמילן); ליגאז (מאחה גדילי DNA; מאנגלית: Ligate, לאחות); דהידרוגנאז (נוטל אטום מימן מהסובסטרט); אוקסידאז (מחמצן את הסובסטרט); רדוקטאז (מחזר את הסובסטרט).

אנזים הנוטל קבוצת זרחה ממולקולה עתירת אנרגיה (בדרך-כלל ATP) ומעבירה לסובסטרט נקרא קינאז. הוספת קבוצת זרחה היא מהפעולות הבסיסיות ביותר המתרחשות ביצורים חיים, והיא קשורה להפקת אנרגיה בתא (ראו: נשימה תאית וזרחון חמצוני). כ-2% מכלל הגנים ביצורים אוקריוטיים מקודדים לקינאזות; בגנום של האדם קיימים 500 גנים המקודדים לקינאזות.

אנזים המצרף קבוצת זרחה (שמקורה לאו דווקא ב-ATP) לסובסטרט נקרא פוספורילאז. אנזים המנתק קבוצת זרחה מהסובסטרט נקרא פוספטאז.

אנזים המופרש אך עדיין אינו במצב פעיל קרוי זימוגן. שני אנזימים השונים במקצת האחד מהשני אך המזרזים את אותה התגובה הכימית נקראים איזוזימים.

פעילותו של האנזים כזרז ביולוגי מתבטאת בהורדת אנרגיית השפעול. העקומה האדומה מראה תגובה שאינה מזורזת; העקומה הכחולה מראה את אותה התגובה כשהיא מזורזת על ידי אנזים. ציר ה-X מייצג את הזמן, וציר ה-Y - את האנרגיה

אנזימים מורכבים

אנזימים רבים מורכבים ממספר יחידות חלבון המחוברות יחדיו. אנזים כזה, על כל יחידותיו, קרוי הולואנזים (Holoenzyme). חלק מההולואנזימים מורכבים מחלק חלבוני גדול, אשר נטול פעילות אנזימטית, ומקבוצה קטנה, בה נמצא האתר הפעיל. החלק הגדול קרוי אפואנזים (Apoenzyme), ואילו החלק הקטן קרוי קופקטור (Cofactor). הקופקטור יכול להיות אנאורגני (בדרך-כלל אטומי מתכת, כגון ברזל או נחושת) או אורגני; במקרה האחרון נקרא הקופקטור קואנזים (Coenzyme). ויטמינים רבים משמשים כקואנזימים, אך גם חומרים אחרים - כגון קבוצת ה"הם" (Heme), המכילה אטום ברזל והנמצאת בהמוגלובין (אשר אינו אנזים) - יכולים לשמש בתפקיד זה.

אנזימים חשובים

אנזים הידוע עקב מספר האנשים הרב החסרים אותו הוא לקטאז, המופרש על ידי בלוטות במעי הדק בתגובה לשתיית חלב שמכיל את סוכר החלב - הלקטוז.

בין האנזימים יהיו גם כאלה המסייעים לתפקודי הגוף בדרכים אחרות, כגון ליזוזים, אנזים המצוי בנוזלי גוף שונים, ועשוי להיות חלק ממערכת החיסון בזכות תכונתו לעכל דפנות של תאי חיידקים.

האנזים קטלאז מצוי כמעט בכל תאי הגוף ואיבריו, ובכמות גדולה נמצא בכבד, בכליות ובדם. הקטלאז נמצא גם במיקרואורגניזמים רבים וברקמות של צמחים. תפקידו למנוע הצטברות של חומרים רעילים ומזיקים, וזאת על ידי פירוקם. ידוע כי הקטלאז מסוגל לפרק מי חמצן, שהם תרכובת המזיקה לאורגניזם, למים ולחמצן.

• הולואנזים - אנזים פעיל קטליטית ומכיל את כל הקבוצות הפונקציונליות הדרושות לפעילותו.
• אפואנזים - החלק הפרוטאיני (חלבוני) של הולואנזים.

ראו גם

• קינטיקת מיכאליס-מנטן
• מעכבי אנזימים
• קיבוע אנזימים
• אנזים מלאכותי
• מנוע מולקולרי

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא אנזים בוויקישיתוף

• "אנזימים" באתר סנונית
• מכון ויצמן למדע - GeneCards - מרכז מידע בסדר גודל עולמי לנושאי גנים, חלבונים ומחלות אנזימטיות.
• ארז גרטי, מהם אנזימים?, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 30 ביולי 2009
• אנזימים: תפקידם בגוף האדם. פרופ' אמנון אלבק, סרטון באתר יוטיוב
• אנזים, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• אנזימים, דף שער בספרייה הלאומית