Ensym

"Diagram rhuban" ar gyfer yr ensym trios-ffosffad isomeras (TIM).

Sylweddau sy'n cataleiddio (h.y. cyflymu) adweithiau cemegol mewn organebau byw yw ensymau. Yn yr adweithiau hyn, gelwir y moleciwlau ar ddechrau yr adwaith yn swbstrad, a mae'r ensym yn eu trawsnewid yn foleciwlau gwahanol, sef y cynnyrch, heb newid y strwythur ei hun yn ystod y broses. Mae angen ensymau ar gyfer bron pob proses mewn cell er mwyn iddynt weithio ar raddfa sylweddol. Gan fod ensymau'n hynod o ddetholiadol ac yn cyflymu ond ychydig o adweithiau ymysg nifer o bosibiliadau, mae'r set o ensymau mewn cell yn penderfynu llwybr metabolaidd cynnwys y gell.

Yn ogystal â'u defnydd mewn systemau biolegol, defnyddir rhai ensymau mewn diwydiant a meddygaeth. Cynhyrchir gwîn, bara, caws a chwrw ers canrifoedd trwy ddefnyddio eplesiad naturiol, ond nid tan y 19eg ganrif y deallwyd fod yr adweithiau hyn yn ganlyniad i actifedd catalytig ensymau. Ers hynny, mae ensymau wedi cymryd rôl bwysig mewn prosesau diwydiannol sy'n seiliedig ar adweithiau cemegol organig. Ym maes meddygaeth, defnyddir ensymau mewn synthesis gwrthfiotigau, diagnosis o rhai glefydau, ac er mwyn ceisio lladd micro-organebau sy'n achosi clefydau.

Hanes astudio ensymau

Wilhelm Kühne

Roedd treuliad cîg gan secretiadau y stumog, a trosiad starts i siwgr gan echdynion planhigyn a poer, yn hysbys i Fiolegwyr mor gynnar â'r 18fed ganrif, ond nid oeddent wedi canfod y mecanwaith a oedd yn achosi'r adweithiau yma.

Yn y 19eg ganrif, tra'n astudio eplesiad swigr i alcohol gan furum, daeth Louis Pasteur i'r casgliad fod eplesiad yn cael ei gataleiddio gan rym bywiol o fewn y celloedd burum a elwir yn esplesiaid, ac yn wreiddiol credwyd fod yr rhain yn gweithio o fewn organebau byw yn unig. Ysgrifennodd Pasteur fod "eplesiad alcoholig yn weithred sy'n gydberthnasol â bywyd ac trefniant celloedd burum, nid marwolaeth neu pydredd y celloedd."

Eduard Buchner

Yn 1878, bathwyd y term ensym gan y ffisiolegydd Almaenig Wilhelm Kühne i ddisgrifio'r broses yma o eplesu. Mae'r term yn dod o'r Groeg ενζυμον, sy'n golygu "mewn lefain". Byddai defnydd y gair yn newid gydag amser. Yn hwyrach, defnyddiwyd y gair ensym i gyfeirio at sylweddau anfyw fel pepsin, a'r gair eplesu i gyeirio at yr actifedd cemegol a gaiff ei gynhyrchu gan organebau byw.

Yn 1897, dechreuodd Eduard Buchner astudio gallu echdynion o furum i eplesu siwgr er gwaethaf absenoldeb celloedd burum byw. O fewn cyfres o arbrofion ym Mhrifysgol Berlin, arsylwodd fod y siwgr yn cael ei eplesu heb gelloedd burum yn y gymysgedd. Enwyd yr ensym a achosodd yr eplesiad swcros yma yn "symas". Yn 1907 derbyniodd Buchner wobr Nobel yng Nghemeg am yr ymchwiliad yma, ac ers hynny mae'r rhan fwyaf o ensymau, yn dilyn esiampl Buchner, wedi cael eu henwi yn ôl yr adwaith maent yn cynnal. Fel arfer, enwir ensymau drwy adio'r ol-ddodiad -as i enw'r swbstrad (e.e., lactas yw'r ensym sy'n hollti y swigr lactos), ond yn aml enwir ensymau ar ôl y math o adwaith hefyd yn ôl system rhifau EC.

James B. Sumner

Ar ôl dangos fod ensymau yn medru gweithredu tu allan i gell byw, y cam nesaf oedd i ddarganfod eu natur biocemegol. Nododd nifer o fiocemegwyr cynnar fod actifedd ensymig wedi ei gysylltu â proteinau, ond bu nifer o wyddonwyr (yn cynnwys llawryfol Nobel Richard Willstätter) yn dadlau fod proteinau yn gludyddion gwir ensymau yn unig, a fod protein ynddo ei hun methu cataleiddio adwaith. Er hynny, yn 1926, dangosodd James B. Sumner fod yr ensym wreas yn brotein pur a llwyddodd ei grisialu. Llwyddodd grisialu'r ensym catalas yn hwyrach yn 1937. Profwyd fod proteinau yn medru bod yn ensymau yn derfynol gan J. H. Northrop a W. M. Stanley wrth astudio'r ensymau treuliol pepsin, trypsin a chymotrypsin. Derbynodd Sumner, Northrop a Stanley y wobr Nobel ym maes Cemeg yn 1946 am eu gwaith ar ensymau.

David Chilton Phillips

Gan fod biolegwyr wedi darganfod fod modd crisialu ensymau, byddai felly modd darganfod eu strwythurau drwy grisialograffaeth pelydrau X. Cyflawnwyd hwn gyntaf ar gyfer lysosym, ensym a ddarganfyddir mewn dagrau a poer sy'n treulio haen allanol rhai bacteria. Dehonglwyd y strwythur gan grŵp o fiolegwyr wedi eu harwain gan David Chilton Phillips, ac ar ôl cyhoeddiad eu gwaith yn 1965, dechreuwyd y maes newydd o fioleg strwythurol, a'r ymdrech i ddeall sut mae ensymau yn gweithio ar raddfa atomig manwl.

Strwythur

Diagram rhuban o cytocrôm P450 isosym 3A4, yn dangos cadwynau asid amino ynghŷd â grŵp Haem yng nghanol y moleciwl.

Am nifer o flynyddoedd, credwyd fod pob ensym yn fath o brotein, ond ers yr 1980au, arddangoswyd priodweddau catalytig moleciwlau asid riboniwcleig, megis ribosymau. Er hynny, gan fod y rhan fwyaf o ensymau yn brotinau, a bod cymhlethdod mecanwaith ensymatig RNA gan fwyaf yn anhysbys, bydd yr erthygl yma'n canolbwyntio ar fecanwaith protinau ensymatig.

Penderfynnir ar weithgareddau ac actifedd ensymau gan eu strwythur tri dimensiwn. Mae moleciwlau ensymau protein mawr wedi eu gwneud allan o un neu fwy o gadwynau o asid amino a elwir yn gadwynau polypeptid. Mae'r dilyniant o wahanol asidau amino yn pennu patrymau plygiant nodweddiadol strwythur y protein, sy'n hanfodol ar gyfer penodolrywdd yr ensym. Yn ogystal i'r cadwynau polypeptid, gall ensym gael cydran cemegol ychwanegol a elwir yn gydffactor, sydd ynghlwm wrth y cadwynau polypeptid. Mae cydffactorau yn cyfrannu'n uniongrychol i'r digwyddiad catalytig ac felly'n anghenrheidiol ar gyfer actifedd ensymatic. Gall cydffactorau fod yn gydensym (moleciwl organig fel fitamin) neu yn ïon metel anorganig – mae rhai ensymau angen y ddau.

Mae'r rhan fwyaf o ensymau yn llawer yn fwy mewn maint na'r swbstradau maent yn gweithredu arno, a dim ond cyfran bach iawn o'r ensym (tua 3-4 asid amino) sydd yn uniongyrchol yn cymryd rhan mewn catalysis. Gelwir yr adran gatalytig yma sy'n clymu wrth y swbstrad ac yn cynnal yr adwaith yn safle actif yr ensym. Mae gan rhai ensymau safleoedd penodol ar gyfer clymu eu cydffactorau, neu safleoedd clymu ar gyfer moleciwlau bach sydd yn uniongyrchol neu'n anuniongyrchol yn gynhyrchion o'r adwaith a gataleiddiwyd. Gall y clymu yma gynyddu neu leihau actifedd yr ensym, felly'n darparu rheolaeth adborth.

Mecanwaith

Prif erthygl: Catalysis ensym

Diagramau yn dangos gweithgaredd ensym.

Yn y rhan fwyaf o adweithiau cemegol, mae angen maint penodol o egni i ddechrau'r adwaith. Po fwyaf yw'r egni actifadu hwn, y mwyaf sefydlog yw'r adweithyddion, ac felly y mwyaf araf yw'r adwaith rhyngddynt. Pan fod angen newidiadau metabolig mewn cell, rhaid gorchfygu'r rhwystr egni yma. Gall wres ddarparu'r egni actifadu yma, ond byddai'r codiad mewn tymheredd yn lladd y gell. Fel pob catalydd, mae ensymau yn gweithio drwy leihau egni actifadu'r adwaith. Mae'r mwyafrif o adweithiau ensymig miliynau o weithiau'n gyflymach na'r adweithiau cywerth sydd heb eu cataleiddio. Hefyd, fel pob catalydd, nid yw ensymau'n newid ecwilibriwm yr adwaith a nid ydynt yn cael eu treulio gan yr adwaith. Maent yn adweithio gyda'r swbstrad i ffurfio cymhlyg trosiannol, sydd angen llai o egni er mwyn i'r adwaith fynd ymlaen. Mae'r cymhlyg trosiannol yn gyflym yn torri i lawr i ffurfio'r cynhyrchion adwaith, ac mae'r ensym, sydd heb newid ei strwythur, yn rhydd i adweithio gyda moleciwlau swbstrad eraill.

Diagram o'r adwaith catalytig. Mae'r swbstrad fel arfer angen llawer o egni i gyrraedd y cyflwr trosiannol, sydd wedyn yn dadfeilio i'r cynnyrch terfynnol. Mae'r ensym yn sefydlogi'r cyflwr trosiannol, felly'n lleihau'r egni sydd angen i ffurfio'r cyflwr hwn a'r egni sydd angen i ffurfio cynhyrchion.

Fel y crybwyllwyd uchod yn yr adran ar strwythur yr ensym, dim ond adran arbennig o'r ensym, a elwir yn safle actif, sy'n clymu i'r swbstrad. Mae'r safle actif yn rhigol neu boced a ffurfir gan blygiadau yn strwythur yr ensym. Mae'r strwythur tri-dimensiwn yma, ynghyd â priodweddau cemegol yr asidau amino a cydffactorau o fewn y safle actif, yn caniatáu dim ond un swbstrad penodol yn unig i glymu i'r safle, felly'n pennu penodolrwydd yr ensym. Yn bennaf, mae'r penodolrwdd yma yn dod o'r modd mae siapau geometreg cyfatebol ensym a swbstrad yn galluogi iddynt ffitio i mewn i'w gilydd.

Dylanwadir synthesis ac actifedd ensym hefyd gan ddosbarthiad a rheolaeth genetig mewn cell. Ni chaiff rhai ensymau eu cynhyrchu gan rhai celloedd, a cynhyrchir eraill pan fod eu hangen yn unig. Nid yw ensymau bob amser yn cael eu darganfod yn unffurf o fewn cell; yn aml maent yn cael eu adrannu i mewn i'r niwclews, cellbilen neu organynnau isgellog. Caiff gyfradd synthesis ac actifedd ensym eu dylanwadu ymhellach gan hormonau, secretiadau nerfol a chemegion eraill sy'n effeithio amgylchedd mewnol cell.

Ffactorau sy'n effeithio actifedd ensym

Gall actifedd ensym gael ei effeithio gan nifer o foleciwlau eraill. Mae atalyddion yn foleciwlau sy'n lleihau actifedd ensym, a mae actifadyddion yn cynyddu actifedd ensymau. Caiff gyfradd adwaith ensymatig hefyd gael ei effeithio gan dymheredd, pH a crynodiad y swbstrad neu ensym.

Cineteg a thermodynameg

Gweler hefyd: Cineteg ensym, Ecwilibriwm Thermodynamig a Ecwilibriwm Cemegol

Gan nad yw ensymau yn cael eu treulio yn ystod yr adweithiau maent yn cataleiddo a gellir eu defnyddio drosodd a throsodd, dim ond maint bach o ensym sydd angen i gataleiddio adwaith. Bydd ensym nodweddiadol yn medru trosi rhyw fil o foleciwlau swbstrad i mewn i gynnyrch pob eiliad. Mae cyfradd adwaith yn cynyddu gyda crynodiad y swbstrad, ac yn cyraedd macsimwm pan fod holl safeloedd actif y moleciwlau ensym yn cael eu defnyddio. Ar y pwynt hwnnw, dywedir fod yr ensym yn ddirlawn, ac felly bydd y cyfradd adwaith yn cael ei benderfynu gan y cyflymder y mae'r safleoedd actif yn medru trosi swbstrad i gynnyrch.

Fel pob adwaith gemegol, mae tymheredd yn effeithio cyfradd yr adwaith. Yn ôl theori cinetig, bydd cyfradd adwaith ensymatig yn dyblu pob 10˚C; ond yn wahanol i gatalyddion anorganig, mae ensymau yn dadnatureiddio ar dymhereddau uchel. Mae'r rhan fwyaf o ensymau â tymheredd optimwm o 37-40˚C, ac wedi'r pwynt yma, bydd y cyfradd adwaith yn disgyn gan fod y gwres uchel yn newid strwythur rhai o'r moleciwlau ensym, gan atal eu actifedd. Dyma'r rheswm pan yr argymellir i ddefnyddio powdr golchi biolegol, sydd yn treulio staeniau ar ddillad trwy ddefnyddio ensymau, ar dymheredd o 40˚C. Hwn yw'r tymheredd optimwm.

Atalyddion

Prif erthygl: Atalydd ensym

Ataliad cystadleuol: swbstrad (S) ac atalydd (I) yn cystadlu am y safle actif.

Gellir atal actifedd ensym yn defnyddio amrywiaeth o atalyddion. Digwyddir ataliad cystadleuol pan fo atalyddion, sy'n debyg iawn mewn strwythur i wir foleciwlau swbstrad yr ensym, yn clymu i'r safle actif gan atal yr ensym rhag gysylltu â'i swbstrad. Mewn ataliad anghystadleuol, mae'r atalyddion yn clymu i'r ensym mewn lleoliad ar wahân i'r safle actif i'w anactifadu. Mewn rhai enghreifftiau, mae'r atalydd yn clymu i'r ensym mewn modd sy'n ffisegol yn rhwystro ei safle actif, felly'n ei anactifadu. Mewn enghreifftiau eraill, mae rhwymiad yr atalydd yn newid siap yr ensym ac yn anffurfio ei safle actif, felly'n rhwystro'r ensym rhag rhyngweithio â'i swbstrad.

Defnyddir atalyddion yn aml fel cyffuriau, ond maent hefyd yn medru gweithio fel gwenwynau. Er hynny, mae'r gwahaniaeth rhwng cyffur a gwenwyn fel arfer ddim ond yn fater o faint, gan fod y rhan fwyaf o gyffuriau'n wenwynig uwchben rhyw drothwy. Esiampl o hwn fyddai aspirin, sy'n atal ensymau cynhyrchu prostaglandin (negesydd sy'n achosi llid) a felly'n llethu poen. Er hynny, mewn crynodiad digon uchel, mae aspirin yn wenwynig. Mae'r rhan fwyaf o atalyddion gwenwynig cryf fel arfer yn rhwystro gweithgaredd ensymatig drwy ataliad anghildroadwy. Maent yn adweithio gyda'r ensym i ffurfio adwythiad cofalent gyda'r protein, a mae'r anactifadiad yma'n anghildroadwy.

Asidedd

Gweler hefyd: pH

Gall asidedd yr amgylchedd effeithio actifedd ensym. Tra bod amgylchedd asidau neu alcalïaidd iawn yn dadnatureiddio nifer fawr o ensymau, mae angen pH arbennig ar rhai ensymau i'w actifadu. Er enghraifft, mae'r ensymau treuliol pepsin a rennin yn cael eu actifadu gan asid hydroclorig mewn stumogau anifeiliaid. Felly, mae'r newid mewn pH yn effeithio gwahanol ensymau mewn gwahanol ffyrdd.

Dolenni allanol

• (Saesneg) Cronfa Ddata Strwythurau Ensymau yn cysylltu i'r data strwythurol 3-D hysbys o'r ensymau yn y Cronfa Ddata Protein.
• (Saesneg) Strwythur a swyddogaeth ensymau, gwybodaeth ynglŷn â strwythur a mecanwaith ensymau.