Ensüüm

Arvuti modelleeritud puriin-nukleosiidfosforülaasi (PNP) struktuur

Ensüümid on organismides eriliste omadustega, väga erineva struktuuriga, kõrgmolekulaarsed orgaanilised ja sünteetiliselt valmistatud katalüütilised valgud, mis koosnevad, valdavas enamikus, temperatuuritundlikest aminohappejääkidest,ka bioloogilised katalüsaatorid. Ensüümid tõstavad keemilise reaktsiooni kiirust, kindlustavad või inhibeerivad nende toimumist, jäädes ise samal ajal muutumatuks.

Ensüümide omadusi

Ensüümidele on omane suur efektiivsus ja kõrge substraadispetsiifilisus. Valdav enamik taimede, loomaliikide, bakterite, viiruste ja protistide füsioloogilistest nähtustest on allutatud ensümaatilisele kontrollile. Klassifitseeritud on rohkem kui 2500 valgulist ensüümi.Ensüümid on ka-biopolümeerid,katalüsaatorid, inhibiitorid jne. Ka mõnedel RNA-molekulidel(väga harva) on katalüütiline aktiivsus, kuid tavaliselt ei nimetata neid ensüümideks, vaid katalüütilisteks RNA-deks ehk ribosüümideks.Veres on tõenäoliselt kõiki organismi ensüüme ja need vabanevad hävivatest rakkudest verre kudede pideva uuenemise tõttu.

Mõiste kujunemine

• 18. sajandi lõpus uurisid teadlased suhkrute kääritamist pärmirakkude poolt, püüdes leida lahendust küsimusele, kas orgaanilisi ühendeid suudavad toota vaid elavad rakud.
• 19. sajandil tegi Eduard Büchner pärmirakkudega järgmise katse: ta purustas rakkude seinad (liivaga hõõrumisega) ning lisas suhkrut. Kuna käärimine toimus edasi, pidi kääritamist katalüüsima rakuvaba ekstrakt.Teadlaste Justus Van Liebigi, Louis Pasteuri jpt jaoks tähendasid fermendid ühendeid "pärmis" ning tuletati biokeemiliste katsete alusel, millede tulemusi tõlgendades arvati, et ensüümid asuvad rakkude sees. Jöns Jacob Berzelius ja Theodor Schwann ning paljud teised teadlased kasutasid 19saj terminit “fermendid”. Kuid fermentide mõistet kasutati selajal samaegselt ka mikroorgansimide kohta, kes fermentatsiooni põhjustavad. Vältimaks segadust pakkus saksa bioloog William Kuhne 1876ndal aastal välja termini "ensüümid" (ingl k enzymes), mida tema tundis toitaineid lõhustavate ensüümidena, nagu pepsiin, trüpsiin, ptüaliin, steapsiin. 19saj arvati, et keemiateadus ei suuda ensüüme komplekteerida ega sünteesida, kuna neid leiduvat üksnes organismide protoplasmas, kust neid uurimise tarbeks eraldatakse. Termin ensüümid muutus rakkudes ning kudedes asetleidvaid muutusi põhjustavate ainete, mida eelnevalt tunti nimetuse kaudu "organiseerimata fermendid" (ingl k unorganized ferments), koondnimetuseks.

Sõna "ensüüm" (varasemas eesti keeles ka ferment) tuleneb kreekakeelsest sõnast (eesliide en- tähendab ἐν, en, (ingl k in sees ja ζύμη, zýmē, (ingl k sourdough) juuretis).

Tänaseks päevaks tegeletakse ensüümidega nii eraldi teadusharu ensümoloogia kaudu kui ka integreeritult botaanika, biokeemia, meditsiini,farmaatsia,põllumajanduse, geeneetika, toiduainetetööstuse jpt teadusharude kaudu.

Tööpõhimõte

Ensüümid alandavad reaktsiooni aktivatsioonienergiat. Kuigi ensüüm võib reaktsiooni käigus muunduda, taastub ta reaktsiooni lõpuks endisele kujule ja võib katalüüsida järgmist reaktsiooni. Reaktsiooni lähtemolekulid (ensüümi substraadid) seonduvad ensüümi aktiivtsentrisse ning reaktsiooni lõpus dissotsieeruvad sealt produktid. Ensüümid on kõrge substraadispetsiifilisusega – nad võivad läbi viia vaid ühte või mõnda reaktsiooni. Nii saab erinevaid reaktsioone kontrollida vastava ensüümi hulga reguleerimise teel. Iga rakk sünteesib eluks vajalikke ensüüme (ühes rakus kuni 10 000 ensüümi) iseseisvalt ja iga üksik ensüüm võib juhtida erinevat reaktsiooni. Ensüümid on tundlikud paljude sise-ja väliskeskkonna faktorite suhtes, näiteks temperatuur, pH jms.

Ensüümide jaotus

Ensüümid jagatakse lihtsustatult kaheks:

• eksogeensed ensüümid
• endogeensed ensüümid

Ensüümiperekonnad

Ensüümid jagatakse erinevaid rahvusvahelisi klassifikatsioonisüsteeme ja andmebaase nagu NC-IUBMB, BRENDA, EXPASY, KEGG, Metacyc jpt kasutades perekondadesse ka klassidesse ja rühmadesse kuhu kuuluvad keemiliselt lähedased ensüümid ehk sama põhistruktuuri variatsioonid.

Klassifikatsioon

Rahvusvahelise Biokeemiaühingu asutatud Ensüümikomisjon (ingl k Enzyme Commission,lüh EC) jagab ensüümid katalüüsitavate reaktsioonide alusel kuude klassi.:

Ensüümide klassid EC nomenklatuuri alusel

 Pikemalt artiklis EC nomenklatuur

Ensüümide klassid

Ensüümikomisjoni raportite alusel, mis reguleerivad ensüümide klassifikatsiooni, jagatakse ensüümid, soovituslikult, katalüüsitavate reaktsioonide alusel kuude klassi:

 Pikemalt artiklis EC nomenklatuur

• EC 1-Oksüdoreduktaasid – katalüüsivad oksüdeerimis- ja redutseerimisreaktsioone

 Pikemalt artiklis Oksüdoreduktaasid

• EC 2. Transferaasid – katalüüsivad reaktsioone, mille käigus toimub asendusrühma ülekanne ühelt keemiliselt ühendilt teisele

 Pikemalt artiklis Transferaasid

• EC 3. Hüdrolaasid – katalüüsivad hüdrolüüsi

 Pikemalt artiklis Hüdrolaasid

• EC 4. Lüaasid – katalüüsivad substraadi mittehüdrolüütilist lagundamist

 Pikemalt artiklis Lüaasid

• EC 5. Isomeraasid

 Pikemalt artiklis Isomeraasid

Isomeraasid on ensüümide rühm, mis katalüüsivad struktuurseid muutusi ühe molekuli sees, muutes aine isomeeriks, so sama atomaarse koostise (molekulaarvalemiga) ja molekulaarmassiga aineks.

• EC 6. Ligaasid – katalüüsivad kahe substraadi ühendamisreaktsiooni

 Pikemalt artiklis Ligaasid

EC nomenklatuur ja biokeemia

Publikatsiooni Inimorganismi biomolekulid ja nende meditsiiniliselt olulisemad ülesanded Inimorganismi metabolism, selle häired ja haigused autorid rakendavad ensüümikomisjoni nomenklatuuri e EC nomenklatuuri ka inimkehas toimuvate ensüümreaktsioonide klassifitseerimisel:

Ensüümid jagatakse lihtsustatult kaheks:

• markerensüümid
• toitaineid lõhustavad ensüümid

Tähtsamad toitaineid lõhustavad ensüümid on: amülaas, pepsiin, trüpsiin, maltaas, laktaas, sahharaas, lipaas jpt. Kõhunäärme ehk pankrease nõre on normaalse füsioloogiaga loomorganismis toitaineid lõhustavate ensüümide poolest rikkalik.

Ensüümiaktiivsuse määramine

 Pikemalt artiklis Ensüümiaktiivsus

Ensüümide hulka biomaterjalides määratakse ensüümiaktiivsust (e ensüümi hulka) kaudselt, kineetika reeglitega vastavuses, kas:

• ajaühikus toimuva substraadi hulga vähenemise
• ajaühikus toimuva produkti hulga suurenemise kaudu.

Ensüümiaktiivsuse määramise meetodid

Ensüümide hulga määramiseks kasutatakse mitmeid laboratoorse diagnostika meetodeid nagu:

• kolorimeetrilised meetodid
• spektrofotomeetrilised meetodid (ultraviolett-spektroskoop, infrapuna-spektroskoop)
• fluoromeetrilised meetodid
• radiomeetrilised meetodid jpt meetodid.

Ensüümaktiivsuse väljendamine

Ensüümaktiivsust väljendatakse rahvusvahelisi mõõtühikute süsteeme kasutades. Biokeemia ja kliinilise meditsiini teadusharud kasutavad enim:

• ensüümaktiivsuse rahvusvaheline ühik (U, "unit")- on ensüümi hulk, mille ensüümaktiivsus on 1 mikromooli substraati minutis. 1 ensüümi ühik (U)= 1 μmol min ^-1;
• ensüümaktiivsuse [[rahvusvaheline ühik e SI on katal (kat)- on ensüümi hulk, mille ensüümaktiivsus on 1 mool substraati sekundis. 1 ensüümi ühik katal = 1 mol s^-1, 1 kat= 6 x 10⁷ ehk 1 U= 16,67 nanokatalit (nkat);

Ensümoloogias kasutatakse ka teisi mõõtühikuid, näit:

• Molekulaaraktiivsus (ingl k turnover number) on k _cat (väljendatakse sekundites) on substraadi molekulide arv, mida üks ensüümimolekul muundab (ingl k metabolized) ajaühikus S-di küllastatud kontsentratsiooni juures. Mõõtühikuks s^-1 või min ^-1. Ensümaatilised reaktsioonid võivad olla 10³ kuni 10¹⁷ korda kiiremad kui vastavad katalüüsimata reaktsioonid.

Ensüümide ajaloolised nimetused

Erialakirjanduses aga ka populaarteaduslikes väljaannetes kasutatakse töönimetustena ka ajaloolisi nimetusi:

• Amülaas- polüsahhariide lõhustav ensüüm, tärklise seedimisega seonduvad protsessid. Hüdrolüüsib tärklisest suhkruid. Seda kasutatakse siirupite, puuviljamahlade, šokolaadi ja muude toiduainete valmistamisel;
• Bromelaas – ensüümi leidub ananassitaime kõikides osades;
• Diaporaas – parandab hemoglobiini, vähendades Fe3+ Fe2+ ks
• Diastaas – tärklise seedimisega seonduvad protsessid;
• Erepsiin – seedeensüümide ja pankrease nõre koostises, sööb peptoone aminohapeteks;
• Fosfataas – fosforrühma molekulidega seonduv, näit fosfo-türosiine, fosfo-histidiin;
• Katalaas – eluneb kõikides elusorganismides, kes puutuvad kokku hapnikuga, hüdrolüüsib vesinikülihapendi veeks ja hapnikuks;
• Katepsiin – on kõikides elusorganismides elunev proteaas, kes lõhustab proteiine;
• Ksülanaas – taimede, seente ensüümide rühm, lagundab taimsed polüsahhariidid ksüloosiks, arvatavasti tuleviku biokütuse tootmisel kasutatav ensüüm, kes muudab puidu, millele kasutust ei leita biokütuseks;
• Laktaas,piimasuhkrut hüdrolüüsiv, pastöriseerimata piima seedimisega seonduvad protsessid;
• Lipaas,rasvade seedimisega seonduvad protsessid;
• Maltaas – ensüüm maltaas hüdrolüüsib maltoosi;
• Oksüdaas – ensüüm, osaleb hapniku hüdrolüüsil, hapnik redutseeritakse veeks või vesinikülihapendiks;
• Oksüdoreduktaas – oksüdatsiooni-reduktsiooni reaktsioone katalüüsiv ensüüm;
• Oksügenaas – oksüdeerib erinevaid ühendeid. liites neile hapniku;
• Papain – papaia viljadest saadav ensüüm;
• Pektaas –
• Pepsiin – retseptorid maos, hüdrolüüsib toiduvalgud peptiidideks;
• Peroksidaas –oksüdeerib ühendeid, kasutades vesinikperoksiidi
• Proteaas- proteiini seedimisega seonduvad protsessid, nii näiteks sünteesivad ja eritavad erinevaid proteaase bakterid aga ka viirused: gripiviirus ,HIV-1 viirus jpt.

Hüdrolüüsib valke. Tööstuslikult kasutatakse liha pehmendamiseks, kala nülgimiseks, loomanahalt karvade eemaldamiseks ning pesupulbrite koostisosana;

• Reduktaas – oksüdeerimis-taandamisensüüm
• Sukraas – ensüümide rühm, katalüüsivad hüdrolüüsil suhkru fruktoosiks ja glükoosiks;
• Transferaas – kandev ensüüm, kannab mingit rühma ühest molekulist teise molekuli
• Trüpsiin – seedekulglas toimiv ensüüm, hüdrolüüsib proteiine, kõhnääre toodab mitteaktiivset proensüümi trüpsinogeen;
• Tsellulaas, taimedes sisalduv tselluloosi seedimisega seonduvad protsessid;
• Ureaas – katalüsaator, uurea hüdrolüüsil süsinikdioksiidiks ja ammooniaks.

Ensüümid keskkonnas

Ensüümid on tähtsal kohal biotehnoloogia arengus. Umbes 150 ensüümi kasutatakse tööstuses, näiteks:

• bioabsorbeerimine – plastiku, puidu, metallide jne ensümaatiline lagundamine;
• bioakumulatsioon – toksiliste ainete/ühendite liigkiire kuhjumine organismi suurema tempoga kui organism neid lagundada jõuab;
• biolagunemine – toksiliste materjalide ensümaatiline lagundamine taaskasututavateks materjalideks;
• biolahjendus –
• biomuundus –
• biopleegitus –
• biovõimendus –

Markerensüümid

 Pikemalt artiklis Markerensüümid

Ensüümide perekonna üskikuid liikmeid kasutatakse ka kliinilises meditsiinis, markerensüümide nimetuse all. Markerensüümid on olulised haiguste kindlaks tegemisel. Kui markerensüüm ilmub verre, on tegu vastava koe kahjustusega, kust ensüüm pärit on.Südamelihaseinfarktiga pääseb hukkuvatest südamelihasrakkudest vereringesse teatud ensüüme tavalisest rohkem. Nimetatud ensüümide mõõtmised teostatakse laboratoorse diagnostika kaudu. Levinuimad kliinilised markerensüümid on: kreatiini kinaas (CK), laktaadi dehüdrogenaas (LDH),alaniini aminotransferaas (ALT), aluseline fosfataas (ALP),happeline fosfataas (ACP) jpt.

Vaata ka

• Ensüümikomisjon
• Ensümoloogia
• Ensüümiteraapia
• Koensüüm
• Holoensüüm
• Laboratoorne diagnostika
• Markerensüümid
• Valgud
• G-valgud

Kasutatud kirjandus

• Otto Cohnheim."Enzymes", SIX LECTURES Delivered under the Gerter Lectureship Foundation at the University and Bellevue Hospital Medical College, 1st ed., NEW YORK: JOHN WILEY & SONS, London: CHAPMAN & HALL, 1912,Veebiversioon (vaadatud 08.mai 2013)
• Brockhaus ABC Der Naturwissenschaft und Technik. Veb F.A. Brockhaus Verlag, Leipzig, 1957, lk 222, Nr 455 (150/33/57).
• Edward Howell."Enzyme Nutrition: The Food Enzyme Concept", Avery PUB., 1985, ASIN: B001MZ32UC
• A.Brik, Wong, C.-H..HIV-1 protease: mechanism and drug discovery, 26.November 2002.Veebiversioon (vaadatud 27.04.2013) (pdf)
• Meditsiinisõnastik. Tõlkija Katrin Rehemaa, toimetajad Sirje Ootsing, Laine Trapido. Kirjastus Medicina, 2004, ISBN 9985-829-55-7.
• M. V. Kulkarni, S.S.Thonte, S.S.Rathod, N.B.Ghiware. Biochemistry, 2008, 10 ed., ISBN 978-81-85790-06-0,Osaline veebiversioon (vaadatud 27.04.2013)
• Shanmugam, S.. Sathiskumar, T..Enzyme Technology., 2009, I.K.International Publishing House, Chapter 1, pg 2, ISBN: 978-93-80026-05-3, Osaline veebiversioon (vaadatud 28.04.2013)
• Inimorganismi biomolekulid ja nende meditsiiniliselt olulisemad ülesanded Inimorganismi metabolism, selle häired ja haigused.M. Zilmer , E. Karelson , T. Vihalemm, A.Rehema, K. Zilmer. Inimorganismi biomolekulid ja nende meditsiiniliselt olulisemad ülesanded Inimorganismi metabolism, selle häired ja haigused, peatükk 10,lk 117-137, Biokeemia Instituut, Tartu Ülikool 2010, ISBN 978-9985-2-1540-1.
• W.Nienstedt, O.Hänninen, A.Arstila, S.-E.Björkqvist, "Inimese füsioloogia ja anatoomia", Kirjastus Medicina, 2011, ISBN 9985-829-36-0
• El-Yassin, H.D. , Enzyme Assays., 2012, Veebiversioon (vaadatud 30.04.2013) (pdf)

Välislingid

• Francis Edward J. Valpy.The etymology of the words of the Greek language., 1860, London, pages 46,55. Osaline veebiversioon (vaadatud 28.04.2013)
• NC-IUBMB-, IUBMB Enzyme Nomenclature,IUBMB Enzyme Nomenclature Web Version of Enzyme Nomenclature, 1999, online (vaadatud 26.04.2013)
• BRENDA- Ensüümid online (vaadatud 26.04.2013)
• EXPASY- Ensüümid online (vaadatud 26.04.2013)
• KEGG- Ensüümid online (vaadatud 26.04.2013)
• Metacyc-Ensüümid online (vaadatud 26.04.2013)
• Enzymes at work, novozymes.com
• [2]
• ensüüm, elmy.ee
• Veebiversioon (vaadatud 03.05.2013)