Entzima

XVII. mendearen amaieran eta XVIII. mendearen hasieran, ezagutzen zuten haragiaren digestioa, urdaileko jariakinen ondorioz, eta almidoia azukre bihurtzea, landare-estraktuen eta listu-estraktuen bidez, baina ez ziren identifikatu zer mekanismo erabiltzen ziren^[6].

Anselme Payen kimikari frantsesa izan zen 1833an entzima bat, diastasa, aurkitu zuen lehena^[7]. Hamarkada batzuk geroago, legamiak alkoholetan duen azukrearen hartzidura aztertzean, Louis Pasteurrek ondorioztatu zuen hartzidura hori "hartzigarri" izeneko legamia-zeluletako bizi-indar batek eragiten zuela, organismo bizien barruan soilik funtzionatzen zutela uste baitzen. Honela idatzi zuen: "hartzidura alkoholikoa legamia-zelulen bizitzarekin eta antolamenduarekin lotutako ekintza da, ez zelulen heriotzarekin edo usteltzearekin."^[8]

1877an Wilhelm Kühne alemaniar fisiologoak lehen aldiz erabili zuen entzima hitza, antzinako grezierako ἔνζυμον hitzetik eratorria, "ogia igotzea" esan nahi duena^[9]. Beranduago entzima hitza bizidunak ez diren gaiak izendatzeko ere erabili zen, adibidez pepsina, eta fermentu hitza erabili zen bizidunek sortutako jarduera kimikoari buruz hitz egiteko^[10].

Eduard Buchnerrek bere lehen lana aurkeztu zuen, 1897an, legamia-estraktuen azterketari buruzkoa. Berlingo Unibertsitatean egindako esperimentu batzuetan, ohartu zen legamia-estraktuek azukrea hartzitzen zutela, baita nahasketan legamia-zelula bizirik ez zegoenean ere. "Zimasa" deitu zion sakarosa hartzitzea eragiten zuen entzimari. 1907an Kimikako Nobel saria jaso zuen "zelularik gabeko hartziduraz egindako aurkikuntzagatik". Buchnerren adibideari jarraiki, entzimak erreakzioaren arabera izendatzen dira: -asa atzizkia substratuaren izenarekin konbinatzen da (adibidez, laktasa da laktosa jariatzen duen entzima) edo erreakzio motarekin (adibidez, DNA polimerasak DNA polimeroak sortzen ditu)^[11].

XX. mendearen hasieran oraindik ez zen ezagutzen entzimen identitate biokimikoa. Zientzialari askok ikusi zuten jarduera entzimatikoa proteinekin lotuta zegoela, baina beste batzuek (Richard Willstätter Nobel saridunak, esaterako) zioten proteinak benetako entzimen eramaile hutsak zirela eta proteinak, berez, ezin zirela katalizatu^[12]. 1926an, James B. Sumnerrek frogatu zuen ureasa entzima proteina hutsa zela eta kristalizatu egin zuen; gauza bera egin zuen katalasa entzimarekin 1937an. John Howard Northropek eta Wendell Meredith Stanleyk (1930) pepsina, tripsina eta kimotripsina digestio-entzimetan lan egin zuten. Hiru zientzialari horiek Kimikako Nobel Saria jaso zuten 1946an^[13].

Entzimak kristaliza zitezkeela aurkitu ostean, azkenean, beren egiturak X izpien kristalografiaren bidez ebatzi ahal izan ziren. Hori lehen aldiz egin zen lisozimarekin, malkoetan, listuan eta arrautza-zuringoetan dagoen entzima bat, bakterio batzuen estalkiak desegin ditzakeena; egitura David Chilton Phillipsek zuzendu eta 1965ean argitaratu zuen talde batek aurkitu zuen^[14]. Lisozimaren bereizmen handiko egitura horrek hasiera eman zion biologia estrukturalaren eremuari, bai eta entzimen funtzionamendua xehetasun atomikoarekin ulertzeko ahaleginari ere^[15].

Entzima gehienak proteina globularrak dira eta pisu molekular oso desberdina izan dezakete.  Haien aktibitatea egitura tertziarioaren menpe dago, eta azken hori, era berean, proteinaren aminoazido sekuentziaren araberakoa da.^[16] Hala ere, entzima batzuetan egitura kuaternarioa ezinbestekoa da aktibitate funtzionala lortzeko; izan ere, kasu horietan aktibitatea tolesketa egokiaren menpe dago. Proteinen konformazioa 5 indar ahulen bidez egonkortzen da: Van der Waals indarrak, hidrogeno-zubiak, disulfuro-zubiak, lotura elektroestatikoak eta elkarrekintza hidrofobikoak. Gauzak horrela, entzimek egitura tertziarioa galtzen badute, aktibitate katalitikoa ere galtzen dute^[17].

Entzima osatzen duten azpiunitate kopuruaren arabera, oligomerizazio-maila desberdinak bereizten dira. Azpiunitate bakarra dutenei monomero deritze eta, hainbat azpiunitatez osatutakoei, aldiz, oligomero. Azken horiek azpiunitate kopuruaren arabera izen desberdina dute (dimero, trimero, tetramero…). Bestalde, oligomeroak azpiunitate mota berdinez edo desberdinez osatuta egon daitezke. Azpiunitate mota berdinez osatuta daudenei homooligomero deritze eta, azpiunitate desberdinez osatutakoei, berriz, heterooligomero.

Zentro aktiboa substratuari batu eta aktibitate katalitikoa gertatzen den gunea da. Entzima osoaren proportzio oso txikia hartzen du eta aminoazido desberdinez osatutako eskualde tridimentsionala da.^[18] Ezinbestekoa da aminoazido horiek egitura tertziarioan elkarrengandik hurbil egotea; hala ere, egitura primarioan beren artean urrun ager daitezke. Zentro aktiboa aminoazido mota desberdinez dago osatuta, eta aminoazido mota bakoitzak funtzio desberdina betetzen du. Alde batetik, substratua batzen duten aminoazidoak daude, eta horiek substratua finkatzen dute elkarrekintza ahulen bidez. Bestetik, entzimaren konformazioa mantentzen duten aminoazidoak daude, eta horiei esker egonkortzen da entzimaren egitura tridimentsionala. Aminoazido horiek beren funtzioa betetzeko ez dute substratuarekiko inolako elkarrekintzarik. Azkenik, aminoazido katalitikoak daude; hau da, katalisia aurrera eramateko ezinbestekoak diren aminoazidoak. Aminoazido horiek substratuarekin lotura kobalente ez-egonkorrak eratzen dituzte eta oso urriak dira.

Entzima batzuek kofaktore deritzen molekulak behar dituzte aktibitate katalitikoa lortzeko.^[19] Kofaktoreak, normalean, gune aktibotik urrun lotzen dira eta izaera kimiko desberdinekoak izan daitezke: molekula inorganikoak edo koentzimak. Koentzimak molekula organikoak dira, eta koentzimen beharra duten entzimen kasuan, koentzimaren presentziaren edo presentzia ezaren arabera, entzimek izen desberdina dute. Koentzima lotuta ez dutenean, apoentzima deritze eta, koentzima lotzean zaienean, berriz, holoentzima. Koentzima gehienak bitaminak dira.

Espezifikotasuna

Entzimak lotzen zaien substratuarekiko espezifikoak izan ohi dira. Hau da, entzimak gai dira beren benetako substratua antzeko egitura duten analogoetatik bereizteko. Bestetik, funtzioarekiko ere oso espezifikoak dira; izan ere, erreakzio biokimiko mota bakarra katalizatzen dute.

Entzimak substratu bakarrarekiko espezifikoak izanik, historian zehar gune aktiboaren eta substratuaren arteko elkarrekintza deskribatzeko, hainbat teoria proposatu dira:

• Fisherren teoria (1894): giltza eta sarrailaren teoria. Entzimaren eta substratuaren arteko akoplamendua giltzaren eta sarrailaren artekoaren antzekoa da. Beste era batean esanda, substratua eta gune aktiboa osagarriak dira egiturari eta elkarrekintza kimikoei dagokienez.^[20]

• Koshlanden teoria (1958): eragindako doikuntza. Entzimaren gune aktiboa malgua da, eta substratuaren baturak gune horren berrordenatze espezifikoa eragiten du.^[21]

Egun jakina da entzimen gune aktiboaren eta substratuaren arteko elkarrekintzak Koshland-en eragindako doikuntza ereduari jarraitzen zaizkiola.

Katalizatzaileak erreakzio kimikoaren abiadura aldatzen duten substantziak dira. Biokimikan, katalisia aktibitate entzimatikoa duten proteinek edo azido nukleikoek substratuak produktu bihurtzeko joera aztertzen duen entzimologiaren alorra da.  Substratua entzimaren zentro aktiboari batzen zaionean, substratuaren eraldaketa ahalbidetu, eta produktua lortzen da. Era berean, entzima substratu berri bati lotzeko prest geratzen da.

Substratua produktu bihurtu ahal izateko, hau da, hasierako egoeratik amaierako egoerara pasatzeko, energia kantitate bat gainditu behar da, eta horri aktibazio-energia deritzo. Beste era batean esanda, katalisia gerta dadin, lehenik eta behin, substratua aktibatu behar da. Behin substratua aktibaturik, trantsizio-egoerara iristen da, eta produktu bihurtzen da. Prozesuan energia askatzen da.

Entzimek, eta oro har, katalizatzaile guztiek aktibazio-energia murrizten dute eta, horrela, erreakzio kimikoen hasiera errazten dute. Bestetik, katalizatzaileek ez dute eraginik erreakzioaren etekinean ezta oreka kimikoan ere.

Aktibitate katalitikoa neurtzeko nazioarteko sistemaren unitatea katala da, eta hori mol zati segundotan neurtzen da. Katalizatzaile baten aktibitatea konbertsio-kantitatearen bidez neur daiteke (turn over number), eta efizientzia katalitikoa, aldiz, konbertsio-maiztasunaren bidez (turn over frequency). Biokimikan, entzima-aktibitatearen unitate bat (U) minutuero 1 µmol substratu produktu bihurtzeko beharrezkoa den aktibitate katalitikoa da. Nazioarteko sistemaren arabera, 1 katal 60·10⁶ U dira.

Zenbait faktore fisiko-kimikok eragiten dute entzima-aktibitatean, esaterako, tenperaturak, pH-ak eta gatz kontzentrazioak^[22]. Alde batetik, entzima bakoitzak tenperatura optimo bat du. Hortaz, tenperatura horretatik aldendu ahala, entzimaren aktibitate katalitikoa murrizten da desnaturalizazioaren eraginez. Bestetik, medioaren pH-ak entzimaren aminoazidoen protonazioa edo desprotonazioa eragin dezake. Hori dela eta, zentro aktiboko aminoazidoen protonazio-maila aldatzeak eragina izan dezake substratuaren loturan. Azkenik, ezinbestekoa da gatz-kontzentrazio egokia izatea, entzimaren karga eta egitura egokia mantentzeko.

Substratu bakarreko erreakzioek zinetika asetzailea dute, hau da, katalisi-abiadurak ez du harreman linealik substratu-kontzentrazioarekin. Jokaera hori Michaelis-Mentenen zinetika-ereduak azaltzen du: substratu-kontzentrazioa, [S], abzisa-ardatzean adierazten da eta, abiadura, berriz, V, ordenatu-ardatzean. Grafiko horretan hiperbola aldekide angeluzuzena lortzen da. Grafikotik lor daitezkeen parametro zinetikoei dagokienez, abiadura maximoaren erdia lortzeko behar den substratu-kontzentrazioari Michaelis-Mentenen konstantea deritzo (K_m), eta afinitatearen berri ematen du. Grafikoaren asetze-mailak, aldiz, abiadura maximoari buruzko informazioa ematen du.

• Entzima guztiak proteinak dira

• Katalizatzaile gisa entzimek kantitate txikietan jarduten dute, eta behin eta berriro erabil daitezke, suspertu egiten baitira.

• Espezifikotasuna^[23]: entzimen ezaugarri nagusia da. Entzimek espezifikotasun bikoitza dutela esaten da; hau da, espezifikoak dira substratuarekiko zein katalizatzen duten erreakzio motarekiko.

• Kate polipeptidikoa bere buruaren gainean tolesten da bere baitan ur molekularik ez sartzeko eta hutsunerik ez egoteko. Izan ere, gainazalean talde ionizatuek gune hidrofobikoak azaleratzen dituzte.

• Substratua hainbat elkarrekintza ahulen bidez lotzen da entzimara: hidrogeno-zubiak, elkarrekintza hidrofobikoak, aldaratze-indarrak, indar elektrostatikoak eta disulfuro-zubiak. Elkarrekintza horiek gune aktiboan sortzen dira.

• Ingurune-baldintzen menpekotasuna dute. Tenperaturaren, pH-aren edo gatz-kontzentrazioaren arabera, entzimen egituran edo aktibitatean aldaketak gertatuko dira^[24].

• Itzulgarritasuna: entzima gehienek bi noranzkoetan katalizatzen dute erreakzioa.

• Zenbait entzimek koentzimen eta kofaktoreen beharra dute aktibitate funtzionala lortzeko^[23].

• Erregulazioa: entzimen aktibitatea inhibizio edo aktibazio-fenomenoen menpe dago. Erregulazioa itzulezina edo itzulgarria izan daiteke.

Entzimak izendatzeko orduan, hainbat nomenklatura mota bereizten dira:

• Nomenklatura arrunta: entzima topatu zuenak jarritako izena da. Entzima kopurua handitzen joan ahala, funtzio espezifikoetan oinarritutako nomenklatura-sistema baten garapena beharrezkoa zela pentsatu zen.
• Nomenklatura sistematikoa: entzimaren izenak erreferentzia egiten dio katalizatzen duen erreakzio-motari.^[5] Esaterako, DNA polimerasak DNAren polimerizazioa katalizatzen du. Izenean hiru atal bereizten dira:
  • Substratu nagusia
  • Erreakzio mota
  • -asa atzizkia

Egun IUBMB (International Union of Biochemistry and Molecular Biology) unitatearen nomenklatura-batzordeak proposatutako sailkapena da erabiliena. Batzorde horrek entzimen sailkapena egiteko zenbait arau jarraitzea aholkatzen du. Hasieran, EC (Enzyme Commission) siglak jarri behar dira eta, ondoren, puntuz banatutako lau zenbaki. Lehen zenbakia 1-7 bitarteko zenbaki bat da beti, eta erreakzio-mota adierazten du. Bigarren eta hirugarren zenbakiek erreferentzia egiten diote azpi-klaseari eta, azkenik, azken zenbakiak azpi-klaseko entzimaren hautazko zenbakia adierazten du. Gauzak horrela, sailkapen horren bidez entzima bakoitza kode batekin identifika daiteke.

Entzimen sailkapena egiteko lehen zenbakia da erabiliena, hau da, entzimak katalizatzen duten erreakzio-motaren arabera sailkatzen dira. 7 talde nagusi bereizten dira:^[25]

• EC1: Oxidoerreduktasak: oxidazio/erredukzio erreakzioak katalizatzen dituzte, hau da, elektroien transferentzia erreakzioak. Adibidea: deshidrogenasak.
• EC2: Transferasak: bi molekulen artean atomo edo talde baten transferentzia katalizatzen dute Adibidea: transaminasak.
• EC3: Hidrolasak: hidrolisi erreakzioak katalizatzen dituzte, hau da, uraren bidezko lotura-apurketak. Adibidea: lipasak.
• EC4: Liasak: lotura bikoitzen sintesi eta apurketa prozesuak katalizatzen dituzte atomoak gehituz edo kenduz. Adibidea: deskarboxilasak.
• EC5: Isomerasak: isomerizazio prozesuak katalizatzen dituzte, molekula-barneko eraldaketak, alegia. Adibidea: epimerasa.
• EC6: Ligasak: sintesi eta degradazio prozesuak katalizatzen dituzte energetikoki aberatsak diren molekulak erabiliz. Adibidea: Sintetasak.
• EC7: Translokasak: mintzeko proteina integralak dira eta substratuak mintzaren alde batetik beste aldera garraiatzen dituzte.^[26] Adibidea: c-zitokromo oxidasa

Entzimaren aktibitatean duten eraginaren arabera, efektoreak bi taldetan sailkatzen dira: inhibitzaileak batetik, eta aktibatzaileak bestetik.

Inhibizioa

Inhibitzaileek, oro har, entzimaren aktibitate katalitikoa guztiz edo partzialki murrizten duten efektoreak dira, eta entzimara lotzeko elkarrekintza motaren arabera, inhibitzaile itzulezinak edota inhibitzaile itzulgarriak bereizten dira. Alde batetik, inhibitzaile itzulezina modu itzulezinean batzen zaio entzimari eta, beraz, entzima-inhibitzaile konplexua (EI) ez da inoiz entzima aske izatera itzuliko. Bestetik, inhibitzaile itzulgarriak entzimatik askatzeko gai dira, eta behin askatuta, entzimak jatorrizko aktibitate katalitikoa berreskuratzen du. Inhibitzaile itzulgarrien arten, berriz, beste lau mota aurki daitezke:

Lehiakorra

Substratuak eta inhibitzaileak batura gune berarengatik lehiatuko dira^[27], hau da, batura gune bakarra egongo da bi molekulentzako, eta, ondorioz, ez da inoiz entzima-inhibitzaile-substratu (EIS) konplexu hirutarra eratuko. Kasu honetan, erreakzioaren abiadura maximoa aldatzen ez den arren (Vmax), substratu kontzentrazio handiagoa behar da abiadura hori lortu ahal izateko, eta, honenbestez, Michaelis-Mentenen konstantea (Km) aldatzen da.

Ez-lehiakorra

Ez dago lehiarik substratua eta inhibitzailearen artean, inhibitzailea ez baita entzimaren gune aktibora lotuko, hau da, substratua eta inhibitzailea bakoitza bere batura gunera lotuko da modu independente eta itzulgarrian, eta, ondorioz, EIS konplexua era daiteke. Kasu honetan, Km-a ez da aldatzen; Vmax-a, ordea, bai.

Des-lehiakorra

Entzimak bi batura gune ditu, bata inhibitzailearentzat eta bestea substratuarentzat. Hala ere, substratuaren eta inhibitzailearen baturak ez dira zorizkoak, orden zehatz bat jarraituko dute. Kasu honetan, inhibitzailea batu ahal izateko lehenik substratua batu beharko da, hau da, ezin da inhibitzailea zuzenean entzimara batu, beti ES konplexu bitarrari batuko zaiolarik modu itzulezinean. Hortaz, ez da inoiz EI konplexu bitarra eratuko.

Mistoa

Mistoa dela esaten da, inhibitzaile lehiakorraren eta inhibitzaile ez-lehiakorraren  arteko nahasketa bat delako. Kasu honetan, inhibitzaileak entzimari nahiz entzima-substratu konplexuari lot dakioke, eta, beraz, Km-a zein Vmax-a aldatu egiten dira.

Inhibitzaile artifizialen erabilerak informazio asko eman dezake entzimaren inguruan zein erabilitako substantziari buruz. Entzimaren espezifitatearen berri eman dakiguke entzimarekin duen elkarrekintza motaren arabera. Honetaz gain, entzimaren gune aktiboaren egitura ere ezagutu dezakegu. Erreakzio eta katalisi mekanismoak ere aztertu ditzakegu, gure sistemaren funtzionamendua, alegia. Azkenik, erabilitako efektore hori substantzia farmakologiko moduan ere azter daiteke, izan ditzakeen eraginak kontuan hartuz. Oso erabilia da, esaterako, aspirina, zeinak COX-1 eta COX-2 entzimak inhibitzen dituen. Entzima horiek bitartekari inflamatorio baten, prostaglandinaren, sintesian parte hartzen dute, eta, beraz, horiek inhibituta, hantura eta min-sentsazioa murrizten dira. Hala eta guztiz ere, beste inhibitzaile entzimatiko batzuk pozoi gisa jarduten dute. Horren adibide da zianuroa, zeina animalien zitokromo c oxidasaren gune aktiboko burdin eta kobre atomoei modu itzulezinean batzen zaien, modu horretara zelula-arnasketa blokeatuz^[28].

Aktibazioa

Aktibatzaileek entzimek katalizatutako erreakzio kimikoen abiadura azkartzen dute. Bi aktibazio mota desberdintzen dira: ez-esentziala eta esentziala.^[29]

Esentziala

Erreakzioa gertatzeko beharrezkoa da aktibatzailearen presentzia; izan ere, benetako substratua aktibatzaile-substratu konplexu bitarra izango da. Beraz, aktibatzailerik gabe ez da erreakziorik gertatuko.

Hainbat elementuren beharra dago:

• Kofaktoreak: aktibitate entzimatikorako beharrezkoak diren molekula edo ioi ez-proteikoak dira. Adibidez, kinasek Mg²⁺ ioia beharrezkoa dute.
• Koentzimak: entzimen jardueran laguntzen duten molekula organiko ez-proteikoak dira, eta oxidazio-erredukzio erreakzioetan parte hartzen dute. Esaterako, NAD⁺ eta FAD⁺ nukleotidoak.
• Talde prostetikoa: entzimen zati proteikoari gogor lotzen zaion molekula ez-proteikoa da. Entzimen osagai iraunkorra da, eta ezinbestekoa da zenbait entzimen funtzionamendurako. Adibidez, hemoglobinaren hemo taldea.

Ez-esentziala

Entzimaren aktibitatea ez dago aktibatzailearen presentziaren menpe, hau da, nahiz eta aktibatzailerik ez egon, erreakzioa gertatuko da. Aktibatzailearen presentzian erreakzioaren abiadura azkartzen da.

Aktibatzaile ez-esentzialen presentzian bi konplexu produktibo sortzen dira:

• Entzima + substratua (ES)

• Entzima + substratua + aktibatzailea (EAS)

Hala ere, EAS konplexua ES konplexua baino produktiboagoa da; izan ere, bi kasutan erreakzioa gertatuko den arren, aktibatzailearen presentzian erreakzioaren abiadura azkartuko da.

Substratu bidezko aktibazioa

Entzima batzuek, gune katalitikoaz gain, substratua batzeko gune ez-katalitikoak dituzte. Horiei zentro erregulatzaile deritze. Gauzak horrela, substratuak aktibatzaile gisa joka dezake gune erregulatzailetara lotuz. Hala ere, ohikoagoa da substratu bidezko inhibizioa aktibazioa baino.

• Entzimen zinetika
• Entzima alosteriko