การทำงานของเอนไซม์

เอนไซม์เป็นสารที่มีความสำคัญและน่าสนใจยิ่ง เอนไซม์ไม่ใช่มีหน้าที่เพียงแต่ย่อยอาหารซึ่งเป็น ซับสเตรต (substrate) ของปฏิกิริยาเคมีเท่านั้น แต่เป็นสารที่ช่วยเร่งปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ที่มีจำนานมากมายหลายพันชนิดซึ่งเกิดขึ้นภายในเซลล์ การค้นพบเอนไซม์จึงนับว่าเป็นสิ่งอัศจรรย์และมีความสำคัญอย่างยิ่งในการ ศึกษาชีววิทยา

นักวิทยาศาสตร์ไม่มีโอกาสที่จะเข้าไปดูการทำงานของเอนไซม์ภาในเซลล์ได้ จึงต้องศึกษาการทำงานของเอนไซม์ภายนอกเซลล์ ซึ่งมีเงื่อนไขบางประการที่แตกต่างจากการศึกษาการทำงานของเอนไซม์ภายในเซลล์ เอนไซม์ทุกชนิดทำงานในเซลล์ แต่หลายชนิดยังสามารถทำงานนอกเซลล์ที่มีสภาพใกล้เคียงกับภายในเซลล์

ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถสกัดเอนไซม์ที่ค่อนข้างบริสุทธิ์ได้หลายร้อย ชนิด บางชนิดอยู่ในรูปของผลึกที่เป็นสารบริสุทธิ์ จากการศึกษาโครงสร้างและส่วนประกอบของเอนไซม์ชนิดต่างๆ ทำให้สามารถกล่าวได้ว่า เอนไซม์เป็นสารพอลิเพปไทด์หลายสาย และมักจะมีไอออนของโลหะหรือโมเลกุลที่ไม่ใช่โปรตีนอยู่ด้วย เอนไซม์จะมีมวลโมเลกุล 10,000 ถึงมากกว่า 1 ล้าน และมีสมบัติเป็น คะตะลิสต์ (catalyst)

อัตราการทำงานของเอนไซม์จะขึ้นอยู่กับระดับอุณหภูมิ โดยทั่วๆ ไปอัตราการทำงานของเอนไซม์ต่างๆ จะมีลักษณะดังกราฟ

 

 

กราฟแสดงอัตราการทำงานของเอนไซม์ที่อุณหภูมิต่างๆ

จากภาพจะเห็นว่า อัตราการทำงานของเอนไซม์จะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น จนถึงระดับอุณหภูมิหนึ่งการทำงานของเอนไซม์จะมีอัตราการทำงานสูงสุด แต่เมื่ออุณหภูมิสูงกว่านี้แล้วอัตราการทำงานกลับลดลง ทั้งนี้เป็นเพราะมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของโปรตีนที่เป็นองค์ประกอบของ เอนไซม์

การ เปลี่ยนแปลงรูปร่างของโปรตีนอันเนื่องจากความร้อน ถ้าความร้อนไม่สูงจนเกินไป และเมื่อความร้อนลดลงจนมีระดับปกติ โปรตีนจะคืนกลับสู่สภาพเดิมได้อีก

(คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)

เนื่องจากเอนไซม์เป็นโปรตีนจึงมีสมบัติเหมือนโปรตีนทั่วๆ ไป คือ มักจะเสียสภาพที่อุณหภูมิสูง และนอกจากนี้ยังคงสภาพเป็นโปรตีนได้ในช่วง pH ที่จำกัดเท่านั้น เราสามารถศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการทำงานของเอนไซม์กับ pH ได้ดังกราฟ

กราฟแสดงอัตราการทำงานของ
เอนไซม์ที่ pH ต่างๆ

• แสดงการทำงานของเอนไซม์

  (คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)

  
  ดังได้กล่าวมาแล้วว่า เอนไซม์เร่งปฏิกิริยาได้เพียงบางชนิดเท่านั้น แสดงว่า การทำงานของเอนไซม์มีความจำเพาะ (specifity) ในปี ค.ศ.1894 อีมิล ฟิเชอร์ (Emil Fischer) ได้เสนอแนวความคิดเพื่ออธิบายการทำงานของเอนไซม์ที่เรียกว่า แบบจำลองแม่กุญแจกับลูกกุญแจ (lock and key model) ตามแนวความคิดแบบจำลองแม่กุญแจกับลูกกุญแจนั้น เอนไซม์เปรียบเสมือนลูกกุญแจและซับสเตรตเปรียบเสมือนแม่กุญแจ ซึ่งจะเกิดจากการเปลี่ยนแปลงเมื่อไขด้วยลูกกุญแจ และลูกกุญแจจะต้องมีโครงสร้างที่เข้ากันได้กับแม่กุญแจจึงจะใช้ไขกันได้ ลูกกุญแจแต่ละดอกจะไม่สามารถไขแม่กุญแจได้ทุกชนิด นอกจากนี้ลูกกุญแจยังสามารถไขแม่กุญแจได้หลายครั้ง โดยโครงสร้างของแม่กุญแจไม่เปลี่ยนแปลง
  
  การทำงานของเอนไซม์นอกจากมีความจำเพาะเจาะจงแล้ว เอนไซม์ยังมีสมบัติเร่งปฏิกิริยาย้อนกลับได้ กล่าวคือ เอนไซม์เปลี่ยนซับสเตรตให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์และสามารถเปลี่ยนผลิตภัณฑ์ให้เป็นซับสเตรตได้ดังเดิม ดังนี้
  
  
  
  ในการทำงานของเอนไซม์นั้น ถ้ามีการเพิ่มปริมาณของซับสเตรตให้มากขึ้นเรื่อยๆ แต่ไม่เพิ่มปริมาณของเอนไซม์ อัตราการเพิ่มของปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้น จนถึงระดับหนึ่งอัตราของปฏิกิริยาจะคงที่ดังกราฟ ต่อไปนี้
  
  

  กราฟแสดงการทำงานของเอนไซม์ที่ได้รับซับสเตรตที่มีความเข้มข้นต่างๆ

  
  เอนไซม์เป็นก้อนโปรตีน โครงสร้างของเอนไซม์ยืดหยุ่นได้ ไม่อยู่ตัวเหมือนลูกกุญแจ จึงได้มีผู้ที่เสนอให้ปรับปรุงแนวคิดแบบจำลองแม่กุญแจกับลูกกุญแจใหม่ ดังนี้ ขณะที่มีการรวมตัวกับซับสเตรต เอนไซม์อาจมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปบ้าง ทำให้เอนไซม์จับกับซับสเตรตได้กระชับขึ้นดังภาพ
  
  

  ขณะเอนไซม์จับกับซับสเตรต รูปร่างของเอนไซม์เปลี่ยนแปลงไป หลังปฏิกิริยารูปร่างของเอนไซม์ก็กลับมาเหมือนเดิมอีก

  (คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)

  
  เอนไซม์ที่ได้ยกตัวอย่างมาแล้วนั้นเร่งปฏิกิริยาบางซับสเตรตเท่านั้น แต่มีเอนไซม์บางชนิดที่แต่ละชนิดเร่งปฏิกิริยาของซับสเตรต แต่ซับสเตรตเหล่านั้นจะต้องเป็นซับสเตรตที่เป็นสารประกอบประเภทเดียวกัน นอกจากนี้ซับสเตรตบางชนิด แม้จะเป็นโมเลกุลเดียวกันก็ยังถูกย่อยโดยเอนไซม์หลายชนิด อย่างไรก็ตามการทำงานของเอนไซม์ยังคงมีความจำเพาะ ความจำเพาะของเอนไซม์อยู่ที่การเร่งปฏิกิริยาของแอกทีฟไซต์เป็นสิ่งที่กำหนด ว่า จะเปลี่ยนแปลงพันธะเคมีใดของซับสเตรต เช่น ไคโมทริปซินและทริปซินสามารถสลายพันธะเพปไทด์ได้บางพันธะเท่านั้น ไม่สามารถสลายพันธะของโมเลกุลโปรตีนได้ทุกพันธะ
  
  

  เอนไซม์ไคโมทริปซินสลายพันธะของฟีนิลอะลานีน ทริปซินสลายพันธะของไลซีน

  
  จะเห็นว่า ในสายพอลิเพปไทด์ยังมีเพปไทด์อื่นๆ อีก แต่ไคโมทริปซินและทริปซินสลายเฉพาะพันธะของฟีนิลอะลานีนและไลซีนตามลำดับ
  
  

  แสดงสูตรโครงสร้างของกรดซักซินิก และกรดมาโลกนิก

  
  ในการแปรสภาพของกรดซักซินิก เอนไซม์ซักซินิกดีไฮโดรจีเนสทำหน้าที่สลายพันธะของไฮโดรเจนของกรดซักซินิ กให้กลายเป็นกรดฟูมริก แต่ถ้าเอนไซม์นี้รวมกับกรดมาโลนิก ก็จะไม่มีโอกาสรวมตัวกับกรดซักซินิก ดังนั้น กรดมาโลนิกจึงทำหน้าที่ยับยั้งการทำงานของเอนไซม์นี้
  
  จากการค้นคว้าของนักชีวเคมี ทำให้ทราบว่ามีตัวยับยั้งเอนไซม์เฉพาะอย่างอยู่หลายชนิด แต่ละชนิดสามรถทำให้การหายใจของเซลล์ที่เลี้ยงไว้ในหลอดทดลองหยุดชะงักลงได้ ข้อเท็จจริงนี้พอจะทำให้นักวิทยาศาสตร์มั่นใจว่า กระบวนการหายใจไม่ได้เป็นปฏิกิริยาขั้นเดียว แต่ประกอบด้วยปฏิกิริยาหลายขั้นซึ่งเกิดอย่างต่อเนื่องกันไป และแต่ละขั้นมีเอนไซม์ต่างชนิดกันเป็นตัวควบคุม
  
  จากความรู้เกี่ยวกับตัวยับยั้งเอนไซม์ เราสามารถค้นหาลำดับขั้นตอนของกระบวนการหายใจของคนถึงขั้นผลิตผลสุท้ายออกมา ซึ่งอธิบายเป็นหลังการได้ดังนี้
  
  ถ้าสาร A สาร B และสาร C เป็นสารที่เกิดขึ้นในบางขั้นตอนของกระบวนการหายใจตามลำดับ และมีเอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ดังสมการ
  
  
  
  ถ้าเราใส่สารชนิดหนึ่งที่มีสมบัติในการยับยั้งเฉพาะเอนไซม์ a ลงไปในเซลล์ที่เพาะเลี้ยงไว้ในหลอดทดลองสักครู่ หลังจากนั้นก็ทดสอบปริมาณสาร A สาร B และสาร C เราควรจะพบว่า สาร A มีปริมาณสูงกว่าปกติ เพราะขาดเอนไซม์ที่จะเปลี่ยนสาร A ให้เป็นสาร B ในขณะเดียวกันสาร B และสาร C ก็จะมีปริมาณลดน้อยลงมากจนกระทั่งไม่มีเหลือเลย โดยหลักการเช่นนี้เราจึงทราบว่า สาร A จะต้องเกิดขึ้นก่อนสาร B และสาร C
  
  ในทำนองเดียวกัน ถ้าเราใส่สารที่สามารถยับยั้งเฉพาะเอนไซม์ b ลงไปในเซลล์ ก็จะปรากฏว่า สาร B มีปริมาณสูงกว่าปกติ ในขณะที่สาร C ไม่มีเหลือหรือมีปริมาณลดน้อยลงมาก และสาร A มีปริมาณปกติ เมื่อนำผลที่ได้ทั้งสองครั้งมาพิจารณาก็อาจสรุปได้ว่า สาร C เกิดจากสาร A และสาร B เกิดจากสาร A
  
  และด้วยขั้นตอนที่ยุ่งยากซับซ้อน นักชีวเคมีจึงสามารถทราบลำดับของปฏิกิริยาต่างๆ ในการหายใจของเซลล์สิ่งมีชีวิตได้อย่างครบถ้วน
  
  การยับยั้งเอนไซม์นอกจากจะเกิดจากตัวยับยั้งที่มีโครงสร้างคล้ายกับซับสเต รตแล้ว ยังอาจเกิดการเปลี่ยนแปลงจนไม่สามารถรวมกับซับสเตรตได้