miniatyr|300px|Mänskligt glyoxalas I. Två zink-joner som är nödvändiga för att enzymet ska kunna katalysera sin reaktion visas som lila sfärer och enzyminhibitorn S-hexylglutation visas genom en kalottmodell sittande i enzymets två aktiva centrum.
Enzymer är proteiner som katalyserar, alltså ökar eller minskar hastigheten på kemiska reaktioner. I enzymatiska reaktioner kallas molekylerna som går in i reaktionen för substrat, vilket sedan omvandlas till andra molekyler kallade produkter. Nästan alla processer inom den biologiska cellen behöver enzymer för att fortgå med tillräckliga hastigheter. Varje enzym binder sina särskilda substrat till sitt aktiva centrum, den del av enzymet där själva katalyseringen av den kemiska reaktionen sker. I kombination med att ett enzym bara påskyndar ett fåtal reaktioner innebär detta att en cells metabolism i hög grad styrs av vilka enzym cellen producerar.
Liksom alla katalytiska molekyler fungerar enzymer genom att sänka aktiveringsenergin (Ea‡) för en reaktion. Detta resulterar i att produkterna bildas snabbare och att reaktionerna når sitt jämviktsstadium snabbare. De flesta enzymreaktioner går miljontals gånger snabbare än jämförbara okatalyserade reaktioner. Precis som med alla andra katalytiska molekyler konsumeras dessutom inte enzymer i reaktionerna de katalyserar, inte heller ändrar de reaktionernas jämvikt. Däremot skiljer sig enzymer från övriga katalytiska molekyler genom att de är mycket mer specifika. Man känner till över 4 000 biokemiska reaktioner som katalyseras av enzymer. Ett fåtal RNA-molekyler kan också katalysera reaktioner och kallas då ribozymer. Ribozymerna upptäcktes på 1980-talet och utgör en vital del av ribosomen. Syntetiska molekyler som kallas artificiella enzym uppvisar också enzymliknande katalytiska egenskaper.
Enzymets aktivitet kan påverkas av andra molekyler. Inhibitorer är molekyler som minskar enzymaktivitet; aktivatorer är molekyler som ökar den. Många läkemedel och gifter är enzyminhibitorer. Aktiviteten påverkas också av temperatur, kemisk miljö exempelvis pH och koncentrationen av substrat. Vissa enzym används kommersiellt, i exempelvis framställning av antibiotika och andra läkemedel eller i tvättmedel , där enzymerna underlättar nedbrytningen av protein- eller fettfläckar på tvätten.
Etymologi och historia thumb|180px|right|Eduard Buchner Redan i slutet av 1700-talet och början av 1800-talet var det känt att kött bröts ned av magsafter samt att stärkelse omvandlades till socker av växtextrakt och saliv. Mekanismen för hur detta gick till var dock ännu inte identifierad.
På 1800-talet, när Louis Pasteur studerade hur jäst kunde omvandla socker till alkohol, kom han fram till slutsatsen att jäsningen katalyserades av cellens livskraft, något som ansågs specifikt för levande organismer. Han skrev att "alkoholjäsning är korrelerad med jästcellernas liv och ordning, inte med döden eller cellernas förruttnelse".
Termen enzym för denna process introducerades 1877 av den tyske fysiologen Wilhelm Kühne (1837–1900). Ordet kommer från det grekiska ενζυμον.Kühne myntade termen "enzyme" i: W. Kühne (1877) "Über das Verhalten verschiedener organisirter und sog. ungeformter Fermente", Verhandlungen des naturhistorisch-medicinischen Vereins zu Heidelberg, vol. 1, nummer 3, sidorna 190-193. relevanta stycket finns att finna på sidan 190: "Um Missverständnissen vorzubeugen und lästige Umschreibungen zu vermeiden schlägt Vortragender vor, die ungeformten oder nicht organisirten Fermente, deren Wirkung ohne Anwesenheit von Organismen und ausserhalb derselben erfolgen kann, als Enzyme zu bezeichnen." (Översättning: För att förebygga missförstånd och undvika besvärliga omskrivningar, föreslår författaren att man betecknar de oformade eller inte organiserade ferment, vilkas verkning kan ske utan närvaron av organismen och utanför den samma, som Enzyme.)
1897 publicerade Eduard Buchner sin första artikel om jästextrakt som helt saknade levande celler men som ändå kunde jäsa socker. Han hade gjort upptäckten under en serie experiment vid Berlins universitet. Han namngav enzymet som kunde jäsa sackaros "zymas". 1907 mottog Eduard Buchner Nobelpriset i kemi med motiveringen: "för hans biologiskkemiska efterforskningar och upptäckten av cellfri jäsning".
Efter att ha visat att enzymer kunde fungera utanför levande celler var nästa steg att bestämma dess biokemiska natur. Många forskare hade tidigare lagt märke till att enzymatisk aktivitet var associerat med proteiner, men flertalet forskare argumenterade för att proteiner endast var bärare för riktiga enzymer och att proteiner i sig själva inte kunde katalysera reaktioner. 1926 visade dock James Sumner att enzymet ureas i sin helhet var ett protein och kristalliserade det. Han gjorde samma sak med enzymet katalas 1937. Slutsatsen att proteiner kan vara enzymer bevisades definitivt av John Northrop och Wendell Stanley som arbetade med matsmältningsenzymerna pepsin, trypsin och kymotrypsin. De tre forskarna belönades för sina upptäckter med 1946 års nobelpris i kemi.
Upptäckten att enzymer kunde kristalliseras ledde småningom till att dess strukturer kunde bestämmas med hjälp av röntgenkristallografi. Det första enzym vars struktur klargjordes på detta sätt var lysozym, ett enzym som finns i tårar, saliv och äggvita och som bryter ner cellväggen hos vissa bakterier. Strukturen bestämdes av en grupp ledd av David Phillips och publicerades 1965. Den högupplösta strukturen för lysozym blev startpunkten för bestämning av många fler enzymstrukturer och försök att förstå hur enzymer fungerar på atomnivå.
Struktur och mekanismer miniatyr|Schematisk illustration av mänskligt karboanhydras II. Det grå klotet är en zink-kofaktor i det aktiva centrumet. Illustrationen är skapad från PDB 1MOO. Enzymer är oftast globulära proteiner och deras längd varierar från endast 62 aminosyror för 4-oxalokrotonat tautomeras, som består av en enda peptidkedja, till en längd på över 2 500 aminosyror i fallet animalt fettsyrasyntas.
Liksom alla protein är enzymer långa, linjära kedjor av aminosyror som veckats till 3-dimensionella strukturer. Varje unik aminosyrasekvens ger en specifik form med unika egenskaper. Enzymers funktion bestäms av deras 3-dimensionella struktur. Trots detta är det svårt att förutsäga ett enzyms funktion utifrån dess struktur, en nöt man hittills inte lyckats knäcka.
De flesta enzymer är mycket större än de substrat de verkar på, och endast en liten del av enzymet (runt 3-4 aminosyror) är direkt inblandade i katalysen.. Den del av enzymet som innehåller dessa katalytiska aminosyror, som binder substratet och sedan stabiliserar reaktionen kallas för det aktiva centrumet. Enzymer kan också ha delar som kan binda kofaktorer, vilka då är nödvändiga för katalys. Vissa enzym har även bindningsplatser för små molekyler, vilka ofta är direkta eller indirekta produkter eller substrat i den reaktion enzymet katalyserar. Dessa bindningsställen kan bidra till att öka eller sänka enzymers aktivitet, och erbjuder på så sätt ett medel för negativ återkoppling.
Proteinkedjor kan ibland gå ihop och ge upphov till proteinkomplex. De flesta enzymer kan denatureras, alltså vecklas upp och inaktiveras, av värme eller kemiska denaturanter, vilka förstör den 3-dimensionella strukturen hos proteinet. Beroende på enzymet kan denatureringen antingen vara reversibel eller irreversibel.
Många enzymer tillverkas som fysiologiskt inaktiva proenzymer, även kallade zymogener, vilka ligger vilande i väntan på att bli aktiverade. Proenzymet aktiveras genom proteolytisk aktivering, då ett proteas klyver bort en del av proenzymet. Denna klyvning kan förändra enzymets form, men ofta har enzymets aktiva yta varit dold och blir fritt att binda sitt substrat i och med aktiveringen. En annan strategi för att hålla enzymer inaktiva tills de nått den plats där de ska agera, eller den tidpunkt då de behövs, är inhibitorer som binder enzymet och håller det inaktivt.
Specificitet Enzymer är oftast mycket specifika vad gäller vilka substrat de katalyserar i vilka reaktioner. Denna specificitet uppnås genom att utnyttja bland annat komplementär passform, elektrisk laddning och hydrofila/hydrofoba egenskaper hos enzymer och substrat. Enzymer kan också uppvisa mycket noggrann sterisk specificitet, regioselektivitet och kemoselektivitet.
Några av de enzymer som visar högst specificitet och noggrannhet är involverade i replikerandet och uttryckandet av genomet, det vill säga proteinsyntesen. Dessa enzymer har korrekturläsningsmekanismer (på engelska: proof-reading). Exempelvis DNA-polymeras utför först katalysen i ett steg, och kontrollerar sedan i andra steget att produkten är korrekt. Denna tvåstegsprocess resulterar i en genomsnittlig felfrekvens på mindre än ett fel per 100 miljarder reaktioner hos de noggrannare typerna av polymeras hos däggdjur. Liknande korrekturläsningsmekanism finns även hos RNA-polymeraser, aminoacyl-tRNA-syntetas och ribosomer.
"Nyckeln i låset"-modellen Enzymer är mycket specifika. Nobelpristagaren och organkemisten Hermann Emil Fischer föreslog 1894 att detta kunde bero på att både enzymet och substratet besitter specifika och komplementära geometriska former som mycket precist passar ihop. Detta benämns som "lås och nyckel"-modellen (en: "the lock and key model").
miniatyr|Illustration som visar hypotesen om hur substrat binder till enzymer genom inducerad passform.
År 1958 föreslog Daniel Koshland en modifiering av denna modell. Eftersom enzymer har flexibel struktur kommer det aktiva centret att förändras till följd av interaktioner mellan substrat och enzym. Detta resulterar i att substratet inte binder till ett oföränderligt aktivt centrum, utan aminosyrornas sidokedjor gjuts in i de exakta positioner som gör att enzymet kan utföra sin katalytiska funktion. Det aktiva centrumet fortsätter att förändras till dess att substratet är fullständigt bundet. Koshlands modell kallas ofta "inducerad passform" och är den modell som idag är allmänt accepterad.
Alloster reglering
Allostera centrum är ställen på enzymer som binder molekyler i sin omgivning i cellen med svaga, icke-kovalenta bindningar och orsakar på så vis en konformationsändring av enzymet. Ändringen i konformation påverkar det aktiva centrumet och därigenom även enzymets reaktionshastighet. Allostera interaktioner kan både hämma och aktivera enzymer. Många av kroppens enzymer regleras allostert.
Kofaktorer och koenzymer
Kofaktorer Många enzymer behöver binda till molekyler som inte är protein för att kunna uppvisa aktivitet. Dessa kallas kofaktorer. Kofaktorer kan antingen vara oorganiska (exempelvis metalljoner och kol-svavel-kluster) eller organiska (exempelvis flavin och hem). Organiska kofaktorer kan antingen vara prostetiska grupper, vilka binder hårt till enzymet, eller koenzymer, vilka frisläpps från enzymets aktiva säte under den kemiska reaktionens gång. Exempel på koenzymer är NADH, NADPH och adenosintrifosfat. Dessa molekyler överför kemiska grupper mellan enzymer.
Ett exempel på enzym som innehåller en kofaktor är karboanhydras, som illustreras ovan med en zink-kofaktor inbunden som en del av dess aktiva centrum. Dessa hårt bundna molekyler återfinns just oftast i det aktiva centrumet och deltar i katalysen.
Enzymer som behöver en kofaktor kallas när den inte har bundit någon sådan för apoenzymer eller apoproteiner. Ett apoenzym tillsammans med dess kofaktor(er) kallas holoenzym (den aktiva formen). De flesta kofaktorer är inte kovalent bundna till ett enzym utan ligger bara väldigt tätt intill. Det finns dock organiska prostetiska grupper som kan binda kovalent (exempelvis tiaminpyrofosfat i enzymet pyruvatdehydrogenas). Termen holoenzym kan också appliceras på enzymer som innehåller flera subenheter, såsom DNA-polymeras; här är holoenzymet det fullständiga komplexet innehållande alla subenheter som behövs för aktivitet.
Koenzymer miniatyr|stående|Kalottmodell av koenzymet NADH