ساختار آنزیم ها در زیست شناسی – به زبان ساده

اولین نکته برای مطالعه ساختار یک آنزیم توجه به این است که جنس ساختار آنزیم مدنظر چیست. اکثر آنزیم‌ها از جنس پروتئین هستند، اما آنزیم‌هایی از جنس RNA نیز وجود دارند که مشهورترین مثال‌ آن‌ها ریبوزوم است. ساختار آنزیم‌های پروتئینی مانند ساختار سه بعدی پروتئین‌ها چهار سطح مختلف دارد، این آنزیم‌ها جایگاه‌های خاصی نیز برای اتصال مولکول‌های واکنش‌دهنده یا همان سوبستراها دارند. در این مطلب از مجله فرادرس با ساختار آنزیم و بخش‌های مختلف آن آشنا می‌شویم، مواد شیمیایی که بعضی از آنزیم‌ها برای فعالیت به آن نیاز دارند را می‌شناسیم و در نهایت یاد می‌گیریم که چه عواملی روی ساختار و فعالیت آنزیم‌ها اثر می‌گذارند.

ساختار آنزیم

اکثر آنزیم‌ها ماکرومولکول‌های از جنس پروتئین هستند که واحد‌های سازنده آن‌ها آمینواسید‌ها هستند. زنجیره‌ پلی‌پپتیدی سازنده آنزیم‌ها به طور معمول بین ۱۰۰ الی ۵۰۰ آمینواسید دارد، این زنجیره پس از ساخته شدن توسط ریبوزوم پیچ و تاب خورده و ساختار سه بعدی منحصر به فرد خود را می‌سازد. آنزیم‌ها تنوع بسیار بالایی از نظر اندازه و تعداد آمینواسیدهای رشته‌های پلی‌پپتیدی دارند، به طوری که برای ساخت آنزیم «اسید چرب سنتاز» (Fatty Acid Synthase) دو هزار و پانصد آمینواسید کنار یکدیگر قرار می‌گیرند.

دسته کوچکی از آنزیم‌ها از جنس RNA هستند و به عنوان کاتالیزورهای زیستی فعالیت می‌کنند و به طور معمول با کمپلکس‌های پروتئینی نیز همکاری دارند. به این مولکول‌های RNA «ریبوزیم» (Ribozyme) می‌گوییم. ازجمله فعالیت‌های این کاتالیزورها می‌توان به «پیرایش رنا» (RNA Splicing) در فرآیند بیان ژن اشاره کرد.

بخش محدودی از ساختار یک آنزیم پروتئینی فعالیت کاتالیزی دارد و موقعیت مکانی این بخش در نزدیکی محل اتصال سوبسترا است. جایگاه واکنش و جایگاه اتصال به همراه یکدیگر بخشی را به وجود می‌‌آورند که به آن «جایگاه فعال» می‌گوییم.

گاهی آنزیم‌ها برای به پیش بردن فعالیت‌های خود نیاز به اتصال به موادی دارند که به آن‌ها «کوفاکتور» (Cofactor) می‌گوییم. کوفاکتورها تنوع زیادی دارند و می‌توانند اتصالات دائمی یا موقتی با آنزیم‌ها برقرار کنند. در بخش‌های بعد با این مواد و ویژگی‌های آن‌ها بیشتر آشنا می‌شویم.

ساختار آنزیم‌های پروتئینی

برای آشنایی با ساختار آنزیم‌های پروتئينی باید با ساختار پروتئین‌ها آشنا بشویم. واحد سازنده این ماکرومولکول‌های زیستی «آمینواسید» (Amino Acid) نام دارد. آمینواسید‌های مختلف توسط نوعی پیوند کووالانسی به نام «پیوند پپتیدی» در یک زنجیره کنار هم قرار می‌گیرند و سپس با توجه به توالی موجود در رشته پپتیدی پیچ‌ و تاب می‌خورند تا ساختار سه بعدی آنزیم را ایجاد کنند.

آنزیم‌های مختلف ممکن است تا ساختار سوم پیش بروند و فعال شوند، بعضی دیگر نیز امکان دارد چند زیرواحد داشته باشند و ساختار چهارم را نیز تشکیل بدهند. بنابراین فعالیت آنزیم‌ها از زمانی شروع می‌شود که ساختار سه بعدی نهایی آنزیم تشکیل شود.

برای یادگیری بهتر ساختار آنزیم‌ها، اسیدهای نوکلئیک و دیگر ماکرومولکول‌های زیستی، فیلم آموزش رایگان ساختار ماکرومولکول های زیستی را به شما پیشنهاد می‌کنیم، در کادر زیر لینک دسترسی به این آموزش را درج کرده‌ایم.

فیلم آموزش ساختار ماکرومولکول های زیستی (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

ساختار اول

واحدهای ساختاری آنزیم‌ها، آمینواسیدها هستند که به وسیله پیوندهای پپتیدی به یکدیگر متصل می‌شوند و یک زنجیره خطی را به وجود می‌آورند. این زنجیره پلی‌پپتیدی «ساختار اول» (Primary Structure) آنزیم‌ها را ایجاد می‌کند. آرایش آمینواسیدها توسط توالی DNA ژن مربوطه تعیین می‌شود. در صورتی که تمایل به کسب اطلاعات کامل‌تری نسبت به آمینواسیدهای ساختار آنزیم ها دارید، مطالعه مطلب «انواع آمینو اسید — هر آنچه باید بدانید» از مجله فرادرس را به شما پیشنهاد می‌کنیم.

ساختار دوم

هیدروژن موجود در گروه آمینو ($$\text{NH}_2$$) و اکسیژن گروه کربوکسیل (COOH) آمینواسیدهای مختلف می‌توانند با یکدیگر پیوند هیدروژنی تشکیل دهند. تشکیل این پیوند هیدروژنی به آمینواسیدهای موجود در یک رشته پلی پپتیدی این امکان را می‌دهد که با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و «ساختارهای دوم» (Secondary Structure) پروتئین را بسازند. ساختارهای دوم پروتئین دو نوع بسیار رایج دارند که با عناوین زیر شناخته می‌شوند.

• مارپیچ آلفا (α-helix)
• صفحات بتا (β-sheet)

ساختار سوم

ساختار دوم به نحوی پیچ و تاب می‌خورد که یک ساختار سه بعدی تشکیل شود، به این سطح «ساختار سوم» (Tertiary Structure) آنزیم می‌گوییم. این ساختار توسط پیوندهایی مانند پیوند دی‌سولفیدی، پیوند یونی و غیره تشکیل می‌شوند. در ساختار سوم آرایش فضایی آمینواسیدها به نحوی خواهد بود که آمینواسیدهای آب‌گریز در بخش داخلی آنزیم قرار بگیرند و در معرض مولکول‌های آب نباشند.

ساختار چهارم

در صورتی که بیش از یک زنجیره پلی‌پپتیدی در ساختار آنزیم دخالت داشته باشند، آنزیم «ساختار چهارم» (Quaternary Structure) را تجربه خواهد کرد. پیوندهای شکل‌دهنده ساختار چهارم آنزیم‌های پروتئینی، همان پیوندهای مسئول در ساختار سوم هستند که شامل موارد زیر است.

• «پیوندهای یونی» (Ionic Bonds)
• پیوندهای دی‌سولفیدی» (Disulfide Bridges)
• «نیروهای آب‌گریز» (Hydrophobic Forces)
• «پیوندهای هیدروژنی» (Hydrogen Bonds)

جایگاه فعال

ناحیه خاصی در آنزیم‌ها وجود دارد که یک یا چند سوبسترا به آن متصل می‌شوند و واکنش آنزیمی اتفاق می‌افتد، به این بخش «جایگاه فعال» آنزیم می‌گوییم. جایگاه فعال حاوی آمینواسیدهایی است که اتصالات مقطعی با سوبسترا برقرار می‌کنند و به این ترتیب امکان به وقوع پیوستن واکنش بالا می‌رود. بنابراین می‌توان جایگاه فعال را به دو بخش تقسیم کرد.

• جایگاه اتصال
• جایگاه واکنش

ناحیه‌ای که مختص به جایگاه فعال است تنها ۱۰ الی ۲۰ درصد از آنزیم را تشکیل داده است اما این بخش، مهم‌ترین ناحیه موجود در یک آنزیم است. جایگاه فعال به طور معمول از ۳ یا ۴ آمینواسید ساخته شده است و دیگر آمینواسیدهای زنجیره پلی‌پپتیدی یک آنزیم، مسئول حفظ ساختار سه بعدی آن هستند.

هر جایگاه فعال به نحوی تکامل یافته است که به سوبستراهای منحصر به فردی متصل شود و واکنش‌های خاصی را به پیش‌ ببرد، این موضوع دلیل اصلی اختصاصیت بالای آنزیم‌ها است. اختصاصی بودن جایگاه فعال توسط آرایش آمینواسیدی این ناحیه و ساختار سوبستراها تعیین می‌شود.

ساختار جایگاه فعال به حدی اهمیت دارد که در بعضی آنزیم‌ها اگر بخش‌های دیگر آنزیم تحت تاثیر جهش‌های ژنتیکی قرار گرفته و فعالیت خود را از دست داده باشند، اما جایگاه فعال ساختار خود را حفظ کرده باشد، ممکن است فعالیت آنزیم از بین نرود و واکنش‌ آنزیمی به درستی انجام شود.

جایگاه اتصال

به طور معمول آنزیم‌ها تنها یک جایگاه فعال دارند که با یک نوع سوبسترا جفت می‌شود. جایگاه اتصال با متصل شدن به سوبسترا امکان انجام واکنش شیمیایی را برای جایگاه واکنش فراهم می‌کند. اتصال بین جایگاه فعال و سوبسترا از نوع پیوندهای غیرکووالانسی و موقت است. این پیوندها شامل موارد زیر هستند.

• پیوند هیدروژنی
• نیروی واندروالسی
• برهم‌کنش‌های آب‌گریز
• نیروی الکترواستاتیک

بار سوبسترا و بار جایگاه فعال باید مکمل یکدیگر باشند تا بین سوبسترا و آنزیم دافعه ایجاد نشود. به طور معمول در جایگاه فعال احتمال حضور آمینواسیدهای غیرقطبی بیشتر است، اما این موضوع یک قانون همیشگی نیست زیرا در جایگاه فعال بعضی آنزیم‌ها آمینواسیدهای قطبی دیده شده‌اند.

جایگاه واکنش

واکنش کاتالیزی آنزیم زمانی آغاز می‌شود که سوبسترا به جایگاه فعال متصل شود، بنابراین می‌توان انتظار داشت که جایگاه واکنش بسیار نزدیک به جایگاه اتصال باشد. در بعضی آنزیم‌ها آمینواسیدهای مسئول در اتصال سوبسترا در واکنش نیز دخالت دارند. آمینواسیدهای جایگاه واکنش برای کاهش دادن انرژی فعال‌سازی واکنش، به سوبسترا متصل می‌شوند و با کمک این روش سرعت واکنش را افزایش می‌دهند.

مسیر یادگیری از ژن تا پروتئین با فرادرس

در بررسی ساختار آنزیم متوجه شدیم که آنزیم‌ها توسط ژن‌ها کد می‌شوند، بنابراین برای ساخت یک آنزیم در مرحله اول نیاز است که ژنوم سلول را بشناسیم و بدانیم که رشته‌های DNA چطور رونویسی می‌شوند و پس از آن چه اتفاقاتی می‌افتد که یک آنزیم یا پروتئين دارای عملکرد، ساخته می‌شود.

بخش بزرگی از اتفاقاتی که در سلول‌ها رخ می‌دهد به فعالیت پروتئین‌ها و به خصوص آنزیم‌ها وابسته است، در نتیجه مطالعه ساختار و فعالیت‌های آن‌ها اهمیت فراوانی دارد. مطالعه پروتئین‌های میکروبی، گیاهی، جانوری و انسانی در بخش‌های مختلف علم دید واضح‌تری نسبت به بسیاری از مسائل مانند صنعت داروسازی و صنایع وابسته به بیوتکنولوژی به ما می‌دهد. فرادرس با دوره‌های متنوعی که تهیه و منتشر کرده است، بخش بزرگی از موارد لازم برای کسب اطلاعات در این مسیر را پوشش داده است. در ادامه تعدادی از این دوره‌ها را معرفی می‌کنیم.

• فیلم آموزش جامع و با مفاهیم کلیدی ژنتیک مولکولی فرادرس
• فیلم آموزش زیست شناسی مولکولی پیشرفته فرادرس
• فیلم آموزش طراحی پرایمر با نرم افزار الیگو فرادرس
• فیلم آموزش الگوریتم ژنتیک در متلب فرادرس
• فیلم آموزش مقدماتی پیاده سازی الگوریتم ژنتیک در پایتون فرادرس

در صورتی که دانش‌آموز هستید و قصد دارید برای دروس مختلف خود به منابع آموزشی معتبر و جامع دسترسی داشته باشید، بازدید از صفحه مجموعه فیلم‌های آموزش دروس متوسطه دوم و کنکور فرادرس را توصیه می‌کنیم.

• مجموعه فیلم‌های آموزش دروس متوسطه دوم و کنکور فرادرس

ساختار آنزیم‌های آلوستریک

آنزیم‌های آلوستریک، آنزیم‌هایی هستند که مولکول‌ دیگری بجز سوبسترا و کوفاکتورها به آن‌ها متصل می‌شود که به آن «تنظیم‌کننده آلوستریک» (Allosteric Modulator) می‌گویند. محل اتصال تنظیم‌کننده‌ها جایگاه فعال آنزیم نیست، در حقیقت روی آنزیم‌های آلوستریک بخشی وجود دارد که تنظیم‌کننده به آن متصل می‌شود، نام این بخش «جایگاه آلوستریک» (Allosteric Site) است.

اتصال تنظیم‌کننده‌ها به جایگاه آلوستریک در اغلب مواقع باعث تغییر کنفورماسیون یا دینامیک آنزیم‌ می‌شود. بر اساس تاثیری که تنظیم‌کننده‌های مختلف روی آنزیم‌های آلوستریک می‌گذارند، آن‌ها را دسته‌بندی می‌کنند.

• تنظیم‌کننده‌های فعال‌کننده: باعث افزایش فعالیت آنزیم می‌شوند.
• تنظیم‌کننده‌های مهارکننده: فعالیت آنزیم را کاهش می‌دهند.

کوفاکتورها

کوفاکتورها مواد شیمیایی هستند که از جنس پروتئین نیستند. این مولکول‌ها به بعضی پروتئین‌ها متصل می‌شوند و جهت پیشرفت فعالیت‌های پروتئین‌ها به آن‌ها کمک می‌کنند. کوفاکتورها می‌توانند موادی معدنی مانند یون‌های فلزی یا موادی آلی مانند «فلاوین» (Flavin) و «هِم» (Heme) باشند. در جدول زیر تعدادی از مثال‌های این دو دسته از کوفاکتورها را آورده‌ایم.

حضور کوفاکتورها به آنزیم اجازه می‌دهد که دامنه فعالیت گسترده‌تری داشته باشد. برای مثال تثبیت گونه‌های هسته‌دوست در جایگاه فعال، نیاز به حضور کوفاکتورها دارد. کوفاکتورهای آلی همان کوآنزیم‌ها هستند. دو دسته اصلی کوآنزیم‌ها را می‌توان موارد زیر دانست.

1. «کوآنزیم‌ها» (Coenzymes): پس از واکنش از آنزیم جدا می‌شوند.
2. «گروه پروستتیک» (Prosthetic Groups): به وسیله اتصالات بسیار قوی همیشه به آنزیم متصل هستند. گروه‌های پروستاتیک آلی می‌توانند با آنزیم پیوند‌ها کووالانسی برقرار کنند، مانند اتصال بیوتین به آنزیم پیروات کربوکسیلاز. جداسازی این گروه بدون دناتوره شدن پروتئین کار دشواری است.

آپوآنزیم

آنزیم‌هایی که برای انجام فعالیت خود به کوفاکتورها نیاز دارند اما با آن‌ها پیوند برقرار نمی‌کنند را با عنوان «آپوآنزیم» (Apoenzyme) یا «آپوپروتئين» (Apoprotein) می‌شناسیم.

هولوآنزیم

اصطلاح «هولوآنزیم» (Holoenzyme) برای توصیف دو نوع آنزیم استفاده می‌شود.

1. به یک آنزیم به همراه تمام کوفاکتورهایی که برای فعالیت نیاز دارد، هولوآنزیم می‌گوییم.
2. به آنزیم‌هایی که چندین زیرواحد دارند، مانند DNA پلیمرازها با ۱۰ زیرواحد ساختاری نیز هولوآنزیم می‌گوییم.

کوآنزیم‌ها

کوآنزیم‌ها موادی هستند که به آنزیم‌ها برای شروع واکنش آنزیمی یا فعالیت کلی آنزیم کمک می‌کنند. کوآنزیم‌ها در حقیقت مولکول‌های کوچک آلی و غیرپروتئینی هستند که به عنوان حامل انتقال یک اتم یا گروهی از اتم‌ها در واکنش‌های آنزیم-سوبسترا ایفای نقش می‌کنند. کوآنزیم‌ها جزوی از ساختار آنزیم‌ها نیستند، در حقیقت آن‌ها با شروع یک واکنش به آنزیم متصل شده و پس از انجام واکنش و تولید محصولات از آنزیم جدا می‌شوند، اما حضور آن‌ها برای فعالیت آنزیم ضروری است. اتصالات کوآنزیم‌ها به آنزیم‌ها از نوع پیوندهای ضعیف و شکننده است.

ازجمله شناخته شده‌ترین کوآنزیم‌ها می‌توان به NADH، NADPH و آدنوزین تری‌فسفات (ATP) اشاره کرد. بعضی از کوآنزیم‌ها نیز از ویتامین‌ها مشتق شده‌اند که در ادامه تعدادی از آن‌ها را نام می‌بریم.

• «فلاوین مونونوکلئوتید» (Flavin Mononucleotide | FMN)
• «فلاوین آدنین دی نوکلئوتید» (Flavin adenine Dinucleotide | FAD)
• «تیامین پیروفسفات» (Thiamine Pyrophosphate | TPP)
• «تتراهیدروفوران» ( Tetrahydrofolate | THF)

نکته مهم در مورد این کوآنزیم‌ها این است که بدن توانایی سنتز آن‌ها را ندارد، بنابراین باید آن‌ها را از رژیم غذایی به دست بیاورد. کوآنزیم‌ها در طی واکنش آنزیمی دچار تغییرات می‌شوند، به همین دلیل می‌توان آن‌ها را نوعی سوبسترا نیز به حساب آورد. کوآنزیم‌ها به طور مرتب تغییراتی که در آن‌ها ایجاد شده است را بازسازی می‌کنند و به این ترتیب سطح کوآنزیم‌ها در سلول‌ها در یک مقدار ثابتی باقی می‌ماند.

عوامل موثر بر فعالیت و ساختار آنزیم

پیچ و تاب‌های ساختاری آنزیم‌ها می‌تواند به دلایل متفاوتی باز شود که به این فرآیند «دناتوره شدن» یا «دناتوراسیون» می‌گوییم. مهم‌ترین عامل دناتوراسیون آنزیم‌ها افزایش دما است. منظور از افزایش دما، دمای طبیعی محیط زندگی باکتری است. برای مثال آنزیم‌های باکتری‌هایی که در محیط‌های آتشفشانی زندگی می‌کنند، به دماهای بسیار بالا عادت دارند، در حالی که محدوده‌ دمایی مناسب برای آنزیم‌های انسانی ۳۷ درجه سانتی‌گراد است.

تغییرات pH نیز می‌تواند ساختار آنزیم‌ها را تحت تاثیر قرار بدهد. در اصل تغییرات pH روی بار آمینواسیدها تاثیر می‌گذارد و ممکن است باعث شود آمینواسیدهایی که با یکدیگر ارتباط داشتند، از یکدیگر فاصله بگیرند. به این ترتیب ساختار آنزیم، به خصوص جایگاه فعال دچار تحولاتی می‌شود که می‌تواند منجر به توقف فعالیت‌های آنزیم شود. تغییرات شدید pH حتی می‌تواند منجر به دناتوراسیون آنزیم‌ها بشود.

ریبوزیم‌ها

«ریبوزیم‌ها» (Ribozyme) مولکول‌های RNA هستند که توانایی کاتالیز واکنش‌های بیوشیمیایی خاصی را دارند و از این جهت به آنزیم‌های پروتئینی شباهت دارند. با کشف ریبوزیم‌ها در سال ۱۹۸۲ مشخص شد که RNA می‌تواند همزمان دو نقش در سلول داشته باشد.

1. ماده ژنتیکی: نقشی مشابه با DNA
2. کاتالیزور زیستی: نقشی مشابه با آنزیم‌های پروتئینی

بین انواع مختلف ریبوزیم‌ها، «ریبوزوم» مشهورترین آنزیم با منشا RNA است. ریبوزوم‌ها مسئول ترجمه مولکول‌های mRNA و ساخت زنجیره‌های پلی‌پپتیدی هستند.

ساختار ریبوزیم‌ها

زیرواحدهای سازنده RNAها در مقایسه با آمینواسید‌های سازنده آنزیم‌های پروتئينی، تنوع پایینی دارند. RNAها تنها توسط ۴ نوع نوکلئوتید ساخته می‌شوند، اما برای سنتز پروتئين‌ها ۲۰ نوع آمینواسید وجود دارند. با وجود این کمتر بودن تنوع، RNAها ساختارهای فضایی و مکانیسم‌های متنوعی دارند. در شرایط گوناگونی ریبوزیم‌ها می‌توانند مکانیسم‌های مربوط به همکاران پروتئینی خود را تقلید کنند. در بخش کوفاکتورها از اتصالات فلزی به آنزیم‌های پروتئینی صحبت کردیم، برای فعالیت ریبوزیم‌ها نیز اتصال فلزات اهمیت بالایی دارد.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس برای آشنایی با ساختار آنزیم به دو دسته اساسی آنزیم‌ها پرداختیم که شامل این موارد بودند.

• آنزیم‌ با ساختار پروتئینی: واحد سازنده این آنزیم‌ها، مشابه دیگر انواع پروتئین‌ها، آمینواسیدها هستند.
• آنزیم با ساختار RNA: واحد سازنده این آنزیم‌ها نوکلئوتیدها هستند.

اکثر آنزیم‌ها ساختار پروتئینی دارند، بنابراین در این مطلب با ساختارهای مختلف پروتئین‌ها نیز آشنا شدیم. با شکل گرفتن ساختار سه بعدی آنزیم‌ها، جایگاه‌های متفاوتی در آنزیم‌ها دیده می‌شود که مهم‌ترین آن‌ها «جایگاه فعال» که به دو جایگاه اتصال و واکنش تقسیم می‌شود. سوبسترا با اتصال به جایگاه فعال دچار تغییرات موردنیاز می‌شود و سپس رها می‌شود.

در گروهی از آنزیم‌ها که با نام «آنزیم‌های آلوستریک» شناخته می‌شوند، جایگاه دیگری وجود دارد که به آن «جایگاه آلوستریک» می‌گوییم. به این جایگاه مولکول‌های مهار‌کننده یا فعال‌کننده فعالیت آنزیم متصل می‌شوند.

کوفاکتورهای مواد شیمیایی غیرپروتئینی هستند که برای فعالیت بسیاری از آنزیم‌ها ضروری هستند. بعضی از کوفاکتورها پس از واکنش آنزیمی از ساختار آنزیم جدا می‌شوند، در حالی که بعضی از کوفاکتورهای به کمک پیوندهای قوی، به طور همیشگی به آنزیم متصل هستند.