انواع آنزیم‌ و نحوه عملکردشان

آنزیم چیست؟

آنزیم‌ها (Enzyme) پروتئین‌هایی هستند که باعث می‌شوند واکنش‌های شیمیایی اطراف ما با سرعت بالاتری انجام شوند. این کاتالیزورهای بیولوژیکی برای زندگی بسیار مهم هستند؛ زیرا کمک می‌کنند تا طیف وسیعی از فرآیندهای بیوشیمیایی، از هضم در انسان تا فتوسنتز در گیاهان، آسان‌تر انجام شود. هر آنزیم مخصوص یک واکنش خاص بوده و انرژی فعال‌سازی مورد نیاز برای ادامه واکنش را کاهش می‌دهد. این اتفاق منجر به افزایش سرعت اتمام واکنش می‌شود. این ویژگی از ساختارهای سه بعدی منحصر به فرد آنزیم‌ها سرچشمه می‌گیرد. این ساختار به شکل جایگاهی فعال برای نگه داشتن سوبسترا (مولکولی که آنزیم بر روی آن عمل می‌کند) است. این امر آنزیم‌ها را قادر می‌سازد تا کار خود را به طور موثر و دقیق انجام دهند و باعث می‌شود که برای حفظ عملکرد سلولی و سلامت کلی موجودات و جهان اطراف ما ضروری باشند.

مقاله پیشنهادی بایولوئنس به شما : آنزیم چیست؟ و چه کاربردی در صنایع دارد

طبقه‌بندی آنزیم‌ها

آنزیم ها بر اساس نوع واکنشی که کاتالیز می‌کنند به شش دسته عمده طبقه‌بندی می‌شوند. این دسته‌ها شامل موارد زیر است:

• اکسیدوردوکتاز

  که در واکنش‌های کاهش اکسیداسیون (که در آن الکترون‌ها بین مولکول‌ها منتقل می‌شوند)، دخیل‌اند. 

• ترانسفراز (transferase)

  که گروه‌های عاملی را بین مولکول‌ها انتقال می‌دهند.(نماد آن EC2) 

• هیدرولاز (hydrolase)

  که پروسه جدا شدن پیوندها را از طریق افزودن آب کاتالیز می‌کنند.(نماد آن EC3)

• لیاز (lyase)

  که پیوندها را غیر از هیدرولیز یا اکسیداسیون می‌شکنند و اغلب یک پیوند دوگانه یا ساختار حلقه‌ای جدیدی تشکیل می‌دهند.

• ایزومراز (isomerase)

  که پروسه بازآرایی اتم‌ها را در یک مولکول سرعت می‌دهند. 

• لیگاز (ligases)

  که دو مولکول را با پیوندهای کووالانسی به هم متصل می‌کنند.

آیا همه آنزیم‌ها پروتئینی هستند؟

در حالی که بیشتر آنزیم‌ها پروتئین هستند، استثناهایی هم برای این قاعده وجود دارد. باید گفت که دسته‌ای از مولکول‌های RNA به نام ریبوزیم (ribozyme : مولکول RNA که قادر به انجام واکنش های بیوشیمیایی خاص است ) نیز خواص کاتالیزوری از خود نشان می‌دهند و این دیدگاه سنتی را که فقط پروتئین‌ها می‌توانند به عنوان آنزیم عمل کنند، به چالش می‌کشند. 

ریبوزیم‌ها در فرآیندهای سلولی مختلف، از جمله پیوند RNA و سنتز مولکول‌های جدید RNA در سلول‌ها، نقشی حیاتی دارند. کشف ریبوزیم‌ها درک ما را از فعالیت آنزیمی گسترش داده و تطبیق‌پذیری و سازگاری تکاملی مولکول‌های کاتالیزوری را برجسته می‌کند. بنابراین، در حالی که پروتئین‌ها بخش عمده‌ای از آنزیم‌ها را تشکیل می‌دهند، وجود ریبوزیم‌ها نشان می‌دهد که اسیدهای نوکلئیک می‌توانند عملکردهای کاتالیزوری را در موجودات زنده نیز انجام دهند.

واحد آنزیم چیست؟

واحد آنزیمی (unit , U)معیاری است که برای تعیین کمیت فعالیت آنزیم‌ها به کار می‌رود. این واحد همان مقدار آنزیم مورد نیاز برای کاتالیز کردن فرآیند تبدیل یک میکرومول سوبسترا در دقیقه تحت شرایط مشخص (مانند دما و pH) است. این اندازه‌گیری استاندارد به محققان اجازه می‌دهد تا فعالیت آنزیم را در آزمایشات مختلف به طور دقیق مقایسه کنند. 

مفهوم واحدهای آنزیمی در سینتیک و بیوشیمی آنزیم اساسی است و راهی دقیق برای تعیین کمیت آنزیم با سرعتی است که می‌تواند روی بستر خود عمل کند. این واحد به ویژه در کاربردهای صنعتی و تشخیص پزشکی، جایی که از آنزیم‌ها برای تسریع فرآیندهای شیمیایی استفاده می‌شود، و در تشخیص پزشکی، جایی که سطوح آنزیم می‌تواند وجود یا پیشرفت بیماری را نشان دهد، مفید است.

در ادامه این نوشته، به بررسی انواع آنزیم‌ های مختلف و کاربرد آن‌ها می‌پردازیم.

انواع آنزیم‌ و نحوه عملکردشان

آنزیم پروتئاز

پروتئازها گروهی از آنزیم‌ها هستند که با تجزیه پروتئین‌ها به پپتیدها یا اسیدهای آمینه از طریق فرآیند پروتئولیز، نقش مهمی در متابولیسم پروتئین دارند. این آنزیم‌ها برای بسیاری از عملکردهای بیولوژیکی ضروری هستند؛ از جمله:

• هضم: جایی که به تجزیه پروتئین موجود در غذا به واحدهای قابل جذب کمک می‌کنند، 
• تنظیم سیستم ایمنی: جایی که به پردازش پروتئین‌های خارجی برای فعال کردن پاسخ‌های ایمنی کمک می‌کنند، 
• و سیگنال‌دهی سلولی: جایی که پروتئین‌های سیگنال‌دهنده را برای آسان‌تر کردن ارتباط درون و بین سلول‌ها، تغییر می‌دهند. 

پروتئازها بر اساس مکانیسم اثرشان به چند دسته تقسیم می‌شوند؛ از جمله پروتئازهای سرین، پروتئازهای سیستئین، پروتئازهای آسپارتیک و متالوپروتئازها. هر نوع دارای یک جایگاه فعال منحصر به فرد است که با پیوندهای پپتیدی خاص برهم‌کنش می‌کند و منعکس‌کننده ویژگی و نقش آنزیم در فرآیندهای فیزیولوژیکی مختلف است. استفاده گسترده از آن‌ها در کاربردهای صنعتی مانند شوینده‌های لباسشویی، فرآوری مواد غذایی و داروسازی بر اهمیت آن‌ها تأکید دارد.

آنزیم آلفا-آمیلاز

آلفا آمیلاز آنزیمی پرکاربرد است که نقش مهمی را در فرآیند هضم کربوهیدرات‌ها ایفا می‌کند. مالتوز و دکسترین به عنوان محصولات این فرآیند شناخته می‌شوند. این آنزیم عمدتاً در غدد بزاقی و لوزالمعده تولید شده و شروع به تجزیه نشاسته در دهان می‌کند و کار خود را در روده کوچک ادامه می‌دهد. 

فراتر از عملکردهای گوارشی، آلفا آمیلاز به طور گسترده در فرآیندهای مختلف صنعتی نیز استفاده می‌شود. این آنزیم در صنعت آبجوسازی، به تجزیه نشاسته در غلات به قندهای قابل تخمیر که برای تولید الکل ضروری هستند، کمک می‌کند. همچنین کاربرد آن در صنعت نساجی برای حذف پوشش‌های نشاسته‌ای از پارچه‌ها و در صنعت کاغذ برای اندازه‌گیری و اصلاح نشاسته بسیار مهم است. تطبیق‌پذیری و کارایی آلفا آمیلاز، آن را به ابزاری ارزشمند در بخش‌های مختلف صنعت تبدیل کرده است.

محصول بایولوئنس : آنزیم آلفا آمیلاز

استفاده از آنزیم: استفاده از آنزیم آلفا آمیلاز در جیره طیور

آنزیم مالتوژنیک آمیلاز

مالتوژنیک آمیلاز، نوع خاصی از آنزیم است که نقش محوری در صنعت نانوایی و در تولید شربت‌های غنی از مالتوز دارد. این آنزیم توانایی تجزیه نشاسته به مالتوز (یک نوع دی ساکارید) را با جدا کردن پیوندهای موجود در مولکول‌های نشاسته دارد. آنزیم مالتوژنیک آمیلاز در صنعت نانوایی به علت توانایی منحصر به فردش در اصلاح نشاسته‌های داخل خمیر، کمک به جلوگیری از بیات شدن و در نتیجه افزایش ماندگاری نان، ارزشمند است. 

علاوه بر این، مالتوژنیک آمیلاز باعث نرم‌تر شدن نان شده و بافت محصول نهایی را بهبود می‌بخشد. این کاربردهای گسترده، آنزیم مالتوژنیک آمیلاز را به یک عنصر کلیدی در دستیابی به کیفیت مطلوب محصولات نانوایی تبدیل کرده است. در تولید شربت نیز، با استفاده از این آنزیم، فرآورده یکنواخت و باکیفیتی به دست می‌آید که برای شیرین کردن نوشیدنی‌ها و سایر محصولات غذایی کاربرد دارد.

آنزیم گلوکو آمیلاز

گلوکوآمیلاز که به نام آمیل گلوکوزیداز نیز شناخته می‌شود، آنزیمی قوی و پرکاربرد است که نشاسته را با شکستن پیوندهای مولکولی، به گلوکز تجزیه می‌کند. این آنزیم در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ضروری است؛ به ویژه در صنایع آبجوسازی و نان، که از آن برای تبدیل نشاسته موجود در غلات به قندهای قابل تخمیر استفاده می‌شود. این اتفاق باعث افزایش عملکرد و کارایی فرآیند تخمیر می‌شود. در صنعت نانوایی، استفاده از این آنزیم باعث نرمی و ماندگاری نان می‌شود. این فرآیند با هیدرولیز دکسترین به قندهای ساده‌تر انجام می‌پذیرد.

علاوه بر این، گلوکوآمیلاز در تولید سوخت‌های زیستی نیز کاربرد دارد و به تجزیه کربوهیدرات‌های پیچیده به گلوکز کمک می‌کند، که می‌تواند برای تولید اتانول تخمیر شود. توانایی آنزیم گلوکو آمیلاز در تبدیل موثر نشاسته به گلوکز، آن را به ابزاری ارزشمند در فناوری غذایی و تولید انرژی زیستی تبدیل کرده است.

آنزیم سلولاز قلیایی

یکی دیگر از انواع آنزیم‌ ها ، سلولاز قلیایی است که سلولز را در سطوح pH بالا به گلوکز تجزیه می‌کند که معمولاً در محیط‌هایی مانند محلول‌های شوینده یافت می‌شود. این آنزیم به ویژه در شرایطی که بسیاری از آنزیم‌های دیگر تغییر ماهیت می‌دهند مؤثر است و باعث می‌شود تا در صنایع نساجی و لباس‌شویی گزینه‌ای ایده‌آل باشد. در منسوجات، سلولاز قلیایی برای نرم کردن پارچه‌ها و ایجاد ظاهر سنگ‌شور برای جین بدون استفاده از سنگ‌های واقعی استفاده می‌شود. در شوینده‌های لباسشویی، با شکستن الیاف سلولزیِ لکه‌ها به از بین بردن کثیفی و لکه از روی لباس کمک می‌کند. استفاده از سلولاز قلیایی با کاهش نیاز به افزودنی‌های شیمیایی خطرناک و ترویج فرآیندهای زیست‌تخریب‌پذیر به پایداری محیطی کمک می‌کند.

محصول بایولوئنس : آنزیم سولاز

آنزیم لیپاز قلیایی

لیپاز قلیایی نوعی آنزیم است که در تجزیه چربی‌ها و روغن‌ها به اسیدهای چرب و گلیسرول کاربرد دارد؛ به ویژه در شرایط قلیایی با محدوده pH معمولاً بین 8 تا 11. در کاربردهای مختلف صنعتی مثلا در صنعت شوینده، لیپازهای قلیایی به فرمولاسیون پودر و مایع لباسشویی اضافه می‌شوند تا به حذف لکه‌های روغنی در سطوح بالاتر pH شستشو کمک کنند و کیفیت را هم بالاتر ببرند. همچنین، از این آنزیم‌ها در صنعت چرم برای چربی زدایی و در صنایع غذایی برای افزایش طعم با اصلاح لیپیدها استفاده می‌شود. ماهیت قوی لیپاز قلیایی در شرایط pH بالا کاربردهایی هم در زیست‌پالایی دارد، جایی که برای تجزیه آلاینده‌ها و مواد زائد که ماهیت چرب یا روغنی دارند مورد استفاده قرار می‌گیرد.

محصول بایولوئنس : آنزیم لیپاز

آنزیم فیتاز

فیتاز آنزیمی است که سرعت انجام فرآیندِ هیدرولیزِ اسید فیتیک را بالا می‌برد. اسید فیتیک شکل غیرقابل هضم و آلی فسفر است که معمولاً در دانه‌های بسیاری از گیاهان یافت می‌شود. با تجزیه اسید فیتیک، فسفر قابل استفاده همراه با اینوزیتول آزاد می‌شود که ماده‌ای مغذی و حیاتی برای فرآیندهای سلولی است. این آنزیم در تغذیه حیوانات نقش مهمی ایفا می‌کند؛ زیرا فراهمی زیستی فسفر از خوراک‌های گیاهی را افزایش می‌دهد. این اتفاق منجر به کاهش نیاز به فسفر مکمل شده و هزینه خوراک را پایین می‌آورد. 

علاوه بر این، فیتاز با کاهش میزان فسفر هضم نشده‌ای که می‌تواند به داخل منابع آب‌های سطحی و زیرزمینی نفوذ کرده و باعث اتروفیکاسیون شود، به کاهش اثرات زیست محیطی فضولات حیوانی کمک شایانی می‌کند. استفاده از فیتاز در خوراک نیز برای بهبود سلامت حیوانات و استحکام استخوان مفید است و آن را به یک آنزیم کلیدی در صنعت دام، طیور و آبزیان تبدیل کرده است.

آنزیم زایلاناز (xylanase)

زایلاناز یکی دیگر از انواع آنزیم‌ است که فرآیند تجزیه زایلان، یکی از فراوان‌ترین پلی‌ساکاریدهای موجود در جزء همی‌سلولز دیواره سلولی گیاهان را سرعت می‌بخشد. زایلاناز با تجزیه زایلان به زایلوز و سایر قندهای قابل تخمیر، نقش مهمی در تجزیه طبیعی مواد گیاهی ایفا کرده و چرخه مواد مغذی را در اکوسیستم‌ها تسهیل می‌کند. 

در کاربردهای صنعتی، زایلاناز به دلیل توانایی موثر در بهبود قابلیت هضم خوراک، افزایش شفافیت آبجو و افزایش روشنایی و استحکام کاغذ در صنعت خمیر و کاغذ بسیار ارزشمند است. علاوه بر این، زایلاناز در تولید سوخت زیستی برای تبدیل زیست توده گیاهی به سوخت‌های قابل استفاده کاربرد دارد. کاربردهای فراوان زایلاناز، باعث شده تا این آنزیم به یکی از پایه‌های اساسی در بحث توسعه راهکارهای انرژی پایدار بدل شود.

محصول بایولوئنس : آنزیم زایلاناز

آنزیم ماناناز

ماناناز آنزیمی است که مانان، نوعی پلی ساکارید موجود در قسمت همی‌سلولز دیواره سلولی گیاه را تجزیه می‌کند. مانان‌ها در سلول‌های میوه‌ها و سبزیجات نرم و همچنین در دانه‌ها و جلبک‌های دریایی وجود دارند. آنزیم ماناناز نقش مهمی در تجزیه زیست توده و فرآیند هضم در حیوانات، از جمله انسان دارد. این آنزیم کاربردهای قابل توجهی نیز در صنایع مختلف دارد. 

به عنوان مثال، در صنایع غذایی، از ماناناز برای شفاف‌سازی آب میوه‌ها و بهبود استخراج و کیفیت قهوه و چای استفاده می‌شود. علاوه بر این، از این آنزیم در خوراک دام برای افزایش دسترسی و قابلیت هضم مواد مغذی و در صنعت کاغذ برای سفید و نرم کردن خمیر کاغذ استفاده می‌شود که بر تطبیق‌پذیری و اهمیت آن در بخش‌های مختلف تاکید دارد.

محصول بایولوئنس : آنزیم اسید بتاماناناز

با بایولوئنس اطلاعات خود را کامل تر کنید : سهم آنزیم‌ها از انقلاب بیوتکنولوژی

جمع‌بندی

آنزیم‌ها صرفاً اجزای فرآیندهای بیولوژیکی نیستند، بلکه نیروهای محرک پشت آن‌ها هستند. این کاتالیزورهای مبتنی بر پروتئین برای واکنش‌های بی‌شماری در موجودات زنده ضروری‌اند و همه چیز را از هضم تا تکثیر DNA، با ویژگی و کارایی فوق‌العاده ساده‌سازی می‌کنند. طبقه‌بندی آنزیم‌ها به گروه‌هایی مانند اکسیدوردوکتازها، ترانسفرازها و هیدرولازها به ما کمک می‌کند تا عملکردها و کاربردهای متنوع آنها را در زمینه های مختلف درک کنیم. فهم اهمیت ، کاربرد و انواع  آنزیم‌ ها بخشی کلیدی از علم بیوشیمی و دروازه‌ای برای پیشرفت علم و فناوری برای بهبود جامعه است.