thumb|Figuren viser et bånddiagram af enzymet acetylcholinesterase, der katalyserer kløvningen af neurotransmitteren acetylcholin ved hydrolyse til cholin og eddikesyre. Denne proces er meget vigtig for nervesystemets funktion.Fra PDB 1EA5 .
Enzymer er biomolekyler, der katalyserer (øger hastigheden af) kemiske reaktioner.Smith AD (Ed) et al. (1997) Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology Oxford University Press. Garrett RH, Grisham CM. (1999) Biochemistry, Second Edition Saunders College Publishing. 426-427. Næsten alle enzymer er proteiner. I enzymatiske reaktioner kaldes molekyler i begyndelsen af processen substrater, og enzymet omdanner substraterne til forskellige molekyler kaldet produkter. Næsten alle processer i en celle behøver enzymer for at kunne gå hurtigt. Da enzymer er ekstremt selektive med deres substrater og kun øger hastigheden af nogle få reaktioner blandt mange mulige, bestemmer det sæt af enzymer, der er syntetiseret i en celle hvilken stofskiftevej, der indtræffer i cellen.
Enzymer virker som alle andre katalysatorer ved at sænke aktiveringsenergien for en reaktion (Ea eller ΔG‡). Det øger reaktionshastigheden dramatisk, så den i de fleste tilfælde er millioner af gange hurtigere end hastigheden for de ikke-katalyserede reaktioner. Som andre katalysatorer bliver enzymer hverken brugt i reaktionen eller forandrer reaktionens kemiske ligevægt. Enzymer adskiller sig fra andre katalysatorer ved at være langt mere specifikke og er kendt for at katalysere omkring 4.000 biokemiske reaktioner.
Nogle få RNA-molekyler kaldet ribozymer katalyserer ligeledes reaktioner, hvoraf et yderst vigtigt eksempel er nogle dele af ribosomet. Syntetiske molekyler (kunstige enzymer) udviser også enzymlignende katalysatoreffekt.
Enzymaktiviten kan påvirkes af andre molekyler: Inhibitorer er molekyler, der sænker enzymaktiviteten; aktivatorer er molekyler, der hæver aktiviteten. Mange medikamenter og giftstoffer er enzyminhibitorer. Aktiviteten påvirkes også af temperaturen, de kemiske omgivelser (fx pH) og koncentrationen af substratet. Nogle enzymer bruges kommercielt som i syntesen af antibiotika, og nogle husholdningsprodukter bruger enzymer til at fremme biokemiske reaktioner (fx nedbryder enzymer i biologiske vaskemidler protein- eller fedtpletter på tøj, og enzymer i kødmørnere nedbryder strukturerende proteiner og gør kødet nemmere at tygge).
Etymologi og historie thumb|Eduard Buchner I det sene 18. århundrede og tidlige 19. århundrede kendtes fordøjelsen af kød foretaget af mavesekreter og omdannelsen af stivelse til sukre af planteekstrakter og spyt. Den mekanisme, som gennemførte denne proces, var dog ikke identificeret.Williams, H. S. (1904) A History of Science: in Five Volumes. Volume IV: Modern Development of the Chemical and Biological Sciences Harper and Brothers (New York) Accessed 4 April 2007
I det 19. århundrede konkluderede Louis Pasteur i forbindelse med studiet af gærs fermentering af sukker til alkohol, at denne fermentering blev katalyseret af vitale kræfter i gærcellen kaldet "fermenter". Han mente, at de kun virkende i levende organismer. Han skrev, at "alkoholisk fermentering er en handling svarende til livet og organiseringen af gærcellen, ikke til døden eller forrådnelse af cellen."
I 1878 brugte den tyske fysiolog Wilhelm Kühne (1837–1900) første gang ordet enzym, som kommer fra græsk ενζυμον "i surdej", til at beskrive denne proces. Ordet enzym blev senere brugt om ikke-levende substanser som pepsin, og ordet ferment blev brugt om kemisk aktivitet produceret af levende organismer.
I 1897 begyndte Eduard Buchner at undersøge evnen til at fermentere sukker i gærekstrakt, der ikke indeholdt levende gærceller. I eksperimenter ved Humboldt-Universität zu Berlin fandt han ud af, at sukkeret blev fermenteret, uanset om der var levende gærceller i miksturen eller ej.Nobel Laureate Biography of Eduard Buchner at http://nobelprize.org Accessed 4 April 2007 Han navngav enzymet, der fremdrog fermenteringen af sukrose, "zymase".Text of Eduard Buchner's 1907 Nobel lecture at http://nobelprize.org . Set 4. april 2007 I 1907 modtog han Nobelprisen i kemi for sin biokemiske forskning og sin opdagelse af celleuafhængig fermentering. Enzymer er navngivet efter den reaktion, de udfører, i Buchners forsøg. Typisk bliver suffikset -ase tilføjet navnet af substratet (fx er laktase et enzym, der kløver laktose) eller typen af reaktion (fx danner DNA-polymerase DNA-polymerer).
Efter at have vist, at enzymer kan fungere uden for levende celler, var det næste trin at bestemme deres biokemiske natur. Mange forskere havde bemærket, at enzymatisk aktivitet var associeret med proteiner, men flere videnskabsmænd (blandt andre Nobelpristager Richard Willstätter) talte for, at proteiner blot var bærere af de virkelige enzymer, og at proteiner per se var uduelige som katalysatorer. I 1926 viste James B. Sumner dog, at enzymet urease var et rent protein og krystalliserede det; Sumner gjorde det samme med enzymet katalase i 1937. Konklusionen var, at rene proteiner kan være enzymer, hvilket endeligt blev bevist af Northrop og Stanley, som arbejdede med fordøjelsesenzymerne pepsin (1930), trypsin og chymotrypsin. Disse tre videnskabsmænd fik tildelt Nobelprisen i kemi i 1946.1946 Nobel prize for Chemistry laureates at http://nobelprize.org . Set 4. april 2007
right|thumb|Wiki-C|Krystal af lysozym Opdagelsen af at enzymer kunne krystalliseres tillod at foretage røntgenkrystallografi, så man kunne udlede enzymers struktur. Det blev først gjort for lysozym, der er et enzym, som fordøjer nogle bakteriers kapper og findes i tårer, spyt og æggehvide. Strukturen blev løst af en gruppe ledet af David Chilton Phillips og publiceret i 1965. Denne højopløsningsstruktur af lysozym markerede begyndelsen til området strukturel biologi og indsatsen for at forstå, hvordan enzymer fungerer i detaljer på atomart plan.
Strukturer og mekanismer
thumb|Bånddiagrammet viser carboanhydrase II. Den grå kugle er zink-cofaktoren i det aktive sæde.Diagram udtrukket fra PDB 1MOO
Enzymer er generelt kugleformede proteiner, selv om andre former kan forekomme, og måler fra 62 aminosyrerester (ca. 6,8 kDa) i størrelse for monomeren af 4-oxalocrotonattautomerase til over 2.500 rester (ca. 275 kDa) i det animalske enzym fedtsyresynthase. Enzymers størrelse angives oftest i antal aminosyrerester, eftersom forskellig form og foldning gør en beskrivelse i rumfangs- eller længdeenheder besværlig, men der findes dog nogle tilnærmende metoder, hvormed 1 aminosyrerest svarer til omkring 138 Å3.Kuglernes radius ville i et tænkt eksempel, hvor enzymerne havde en meget gennemsnitlig sammensætning af aminosyrer og var helt kugleformede, være mellem 12 og 44 Å for hhv. 62 og 2.500 aminosyrerester. Et mindre antal RNA-baserede biologiske katalysatorer eksisterer: det mest almindelige er ribosomet. Disse refereres til som enten RNA-enzymer eller ribozymer. Enzymers aktivitet bestemmes af deres tredimensionelle struktur. De fleste enzymer er meget større end de substrater, de virker på, og kun en lille del af enzymet (omkring 3-4 aminosyrer) er direkte involveret i katalysen.The Catalytic Site Atlas at The European Bioinformatics Institute Accessed 4 April 2007 Den region, der indeholder de katalyserende rester (kaldet aktivt sæde), binder substratet og udfører derefter reaktionen. Enzymer kan også indeholde sæder, der binder cofaktorer, som behøves for katalysen. Nogle enzymer har også bindingssæder til små molekyler, som ofte er direkte eller indirekte produkter eller substrater for den reaktion, der katalyseres. Denne binding kan bruges i henhold til at forøge eller sænke enzymets aktivitet, hvilket giver muligheder for feedbackregulering.
Ligesom alle andre proteiner er enzymer lavet af lange, lineære kæder af aminosyrer, der folder og dermed producerer et tredimensionelt produkt. Hver unik aminosyresekvens producerer en specifik struktur, som har unikke egenskaber. Individuelle proteinkæder kan nogle gange gruppere sig og danne et proteinkompleks. De fleste enzymer kan denatureres (ufoldet og inaktiveret) af opvarmning eller kemiske denaturanter, som nedbryder proteinets tredimensionelle struktur. Afhængigt af enzymet kan denaturering både være reversibel og irreversibel.
Specificitet Enzymer er generelt meget specifikke med hensyn til de reaktioner, som de katalyserer, og hvilket substrat, der er involveret i disse reaktioner. Komplementær form, ladning og hydrofil/hydrofob karakter af enzymer og substrater er ansvarlig for denne specificitet. Enzymer kan også udvise et imponerende niveau af stereospecificitet, regioselektivitet og kemoselektivitet. Nogle særlige enzymer kan reagere med mere end ét substrat, og nogle få enzymer, kaldet "brogede enzymer", kan reagere med en relativt bred række substrater. Det er blevet foreslået, at brogede enzymers lidt bredere substratspecificitet er vigtig for evolutionen af nye biosyntetiske veje.
Nogle af de enzymer, der udviser den største specificitet og nøjagtighed, er involveret i kopiering og udtrykning af genomet. Disse enzymer har "korrektur"-mekanismer, hvor et enzym som DNA-polymerase i det første trin katalyserer en reaktion, for derefter at tjekke, om produktet er korrekt i et andet trin. Denne totrinsproces resulterer i en gennemsnitlig fejlrate på mindre end 1 fejl per 100 millioner reaktioner i de ekstremt nøjagtige pattedyrspolymeraser.Berg J., Tymoczko J. and Stryer L. (2002) Biochemistry. W. H. Freeman and Company Lignende korrekturmekanismer findes også i RNA-polymeraser, aminoacyl-tRNA-synthetaser og ribosomer.
Modeller for enzymaktivitet For at forstå enzymers virkemåde har videnskabsfolk i tidens løb foreslået forskellige modeller, som har kunnet simplificere den kompleksitet, der omgiver enzymaktiviteten. Den nuværende model er "induceret tilpasning", men den er udviklet efter en årrække, hvor "lås og nøgle"-modellen havde mange tilhængere.
"Lås og nøgle"-modellen Emil Fischer foreslog i 1894 "Lås og nøgle"-modellen, hvis forklaring på, at enzymer er meget specifikke, er, at både enzymet og substratet har specifikke geometriske former, der passer præcist til hinanden. Selv om denne model forklarer enzymspecificiteten, formår den ikke at forklare stabiliseringen af det overgangsstadium, enzymet kommer til at befinde sig i. "Lås og nøgle"-modellen er blevet afvist, og modellen for fremkaldt eller induceret tilpasning er på nuværende tidspunkt den mest accepterede enzym-substrat-coenzymfigur.
Induceret tilpasning thumb|Diagrammer der viser hypotesen omkring fremkaldt tilpasning af et enzym virkemåde. I 1958 foreslog Daniel Koshland en modifikation til "lås og nøgle"-modellen: Eftersom enzymer er ret fleksible strukturer, forandres det aktive sæde til stadighed i takt med, at enzymet interagerer med substratet. De sidekæder, der udgør det aktive sæde, formes ved substratbinding således, at de sidder i den præcise position, der gør det muligt for enzymet at udføre dets katalytiske funktion. I nogle tilfælde, såsom glykosidaser, ændrer også substratmolekylet form, mens det trænger inde i det aktive sæde. Det aktive sæde fortsætter med at forandre sig, indtil substratet er fuldgyldigt bundet, hvormed den endelige form og ladning er bestemt.
Mekanisme Enzymer kan agere på flere måder, som alle sammen sænker ΔG‡:Fersht, A (1985) Enzyme Structure and Mechanism (2nd ed) p50–52 W H Freeman & co, New York Sænke aktiveringsenergien ved at skabe omgivelser, i hvilke overgangstilstanden stabiliseres (fx forvride formen af et substrat – ved at binde overgangstilstandskonformationen af substrat-produkt-molekylerne forvrider enzymet de bundne substrater til deres overgangstilstandsform. Det reducerer mængden af energi, der behøves for at færdiggøre overgangstilstanden).