ضی از آنزیمها منحصرا از واحد های اسید آمینه تشکیل یافته اما برخی دیگر برای فعالیت خود نیاز به ترکیبات غیرپروتئینی دارند که به نام گروه پروستتیک3 معروف است و این گروه میتواند یک فلز یا یک کوآنزیم4 باشد و با آنزیم اتصال محکمی را برقرار میکنند. بخش پروتئینی آنزیم (بدون گروه پروستتیک) آپوآنزیم5 نام دارد و مجموع آنزیم فعال از نظر کاتالیزوری و کوفاکتور مربوطه هولوآنزیم6 نام دارد.
از ویژگیهای مهم آنزیمها این است که پس از انجام هر واکنش و در پایان آن سالم و دست نخورده باقی میمانند و میتوانند واکنش بعدی را کاتالیز کنند. در یک واکنش ساده آنزیمی، ابتدا آنزیم (E) با ماده اولیه یا سوبسترا7 (S) ترکیب میشود و کمپلکس آنزیم-سوبسترا میدهد در مرحله بعدی با انجام واکنش، فراورده یا محصول (P) ایجاد میشود و آنزیم رها میگردد ]17-19[.
شکل 1-2- ساختار آنزیم
در زیر نمونه ای از واکنشهای ساده آنزیمی نشان داده شده است:
E + S ? ES
ES ? E + P
1-1-واکنش آنزیمی
1-5-2- خصوصیات واکنشهای آنزیمی:
آنزیمها کاتالیزورهای زیست شناختی ای هستند که طبیعتا از مولکوهای پروتئین، توسط سلولهای زنده (حیوانی، گیاهی و میکروارگانیسمها) تولید میشوند. آنزیمها در واکنشهای زیست شناختی نقش بسیار عمده ای بر عهده دارند و در اغلب واکنشهای درون سلولی باعث شکستن پیوندهای شیمیایی ترکیبات میشوند، بنابراین، ویژگی عمده این مواد، افزایش سرعت واکنشهاست بدون اینکه خود در واکنش شرکت داشته باشند.

قابلیت کاتالیزگری آنزیم ها به خاطر وجود مولکولهای پروتئین با ساختمانهای ویژه در آنهاست و واکنشهای شیمیایی در موضع مخصوصی بهنام موضع فعال آنزیم انجام میپذیرند. و اصولا پاره ای از برهم کنشهای فیزیکی و شیمیایی در این موضع باعث انجام این واکنشها برای یک آنزیم ویژه میشود.
تفاوت عمده واکنشهای آنزیمی با واکنش های شیمیایی در موارد زیر خلاصه میشود:
1-یک آنزیم کاتالیزگر دارای ویژگی خاصی است که فقط قادر است یک یا تعداد کمی از واکنشها را کاتالیز کند.
2-سرعت انجام واکنشهای شیمیایی با حضور آنزیم به مراتب بالاتر از حالت بدون آنزیم است و معمولا با بکارگیری مقادیر بسیار کمی آنزیم، واکنشها کاتالیز میشوند.
3-شرایط فیزیکی نظیر دما، فشار و pHمحیط در واکنشهای آنزیمی معمولا در حد متعادل بوده و از فشار و دماهای بالا کمتر استفاده میشود.
4-آنزیمها در مقابل تغیرات ناگهانی شرایط، حساس و ناپایدارند و کار کردن با آنها مستلزم دقت و توجه خاص است ]1 [.
با توجه به اینکه ساختمان شیمیایی آنزیمها از پروتئین با آمینو اسیدهای ویژه ای شکل گرفته است تولید انبوه آنها از طریق سنتز شیمیایی بسیار مشکل و در بعضی حالات غیر عملی است. آنزیمها معمولا از لحاظ میکرواورگانیسمهای رشد یافته در محیطهای خالص و مخصوص، یا به طور کلی آنزیمهای تجارتی، به سه گروه اصلی طبقه بندی میشوند:
1-آنزیمهای صنعتی که در صنایع مختلف از جمله صنایع غذایی به کار گرفته میشوند، مانند: آمیلاز، پروتئاز، کاتالاز و پنیسیلین آسیلاز.
2-آنزیمهای تجزیه ای که در تجزیه مواد از آنها استفاده میشود. نظیر گلوکز اکسیداز، گالاکتوز اکسیداز، الکل دهیدروژناز ، هگزوکیناز، مورامیداز، کلسترول اکسیداز.
3-آنزیمهای پزشکی که در مسائل پزشکی مورد توجه اند مثل آسپاراژیناز، پروتئاز، لیپاز، و استرپتوکیناز.
کاربرد آنزیمها در صنایع، روز به روز گسترش مییابد و دلیل عمده ی آن، تولید محصولی است با درجه ی خلوص و کیفیت بالاتر، به طور کلی مزایای کاتالیزگر آنزیمی به مراتب بیشتر از کاتالیزگرهای غیرآنزیمی است زیرا با استفاده از کاتالیزگر اختصاصی آنزیمی میتوان از واکنشهای ناخواستهی جانبی که در طی مصرف کاتالیزگرهای غیر اختصاصی انجام میشوند اجتناب کرد ]2[.
قدرت آنزیمها در بهکارگیری اثرشان در دماهای نسبتا پایین کمک بیشتری به پیشگیری از واکنشهای جانبی ناخواسته میکند. بهدلیل آنکه آنزیمها را معمولا با غلظتهای خیلی کم مصرف میکنند، جداسازی آنها پس از تکمیل واکنش معمولا غیرضروری و یا آسانتر از حالتی است که کاتالیزگر استفاده شود و پیشرفتهای اخیر در زمینه تهیه و استفاده از آنزیمهای تثبیت شده که با مواد نامحلول واسطهی واکنش ایجاد پیوند میکنند ویا جذب آنها میشوند، باعث افزایش امتیازات سیستمهای کاتالیزگر آنزیمی شده است. این آنزیمها حتی در مواردی که آنزیم واقعا به صورت محلول نیست مؤثر عمل میکند در نتیجه مشکل جداسازی آنزیم از ماد? اولیه در انتهای واکنش به حداقل میرسد، زیرا فاز جامد و آنزیم ملحق شده به آن را میتوان به راحتی به روش صاف کردن جدا کرد. سپس آنزیم برای انجام واکنش های بعدی قابل استفاده است. در بسیاری از موارد، استفاده از آنزیم تثبیت شده در یک سیستم پیوسته امکان پذیر است. به عنوان مثال، محلولی از مواد واکنش آنزیمی به طور پیوسته از بستری از آنزیم عبور کرده واکنش مورد نظر به هنگام عبور جریان مایع انجام میشود. میزان انجام واکنش را میتوان با تنظیم سرعت عبور محلول از بستر ثابت آنزیم کنترل کرد.
معمولا استفاده از آنزیم با غلظت زیاد برروی مواد جامد، که بتواند مدت زمان لازم برای انجام واکنش در محلول را طی عبور از واکنشگاههای بسیار کوتاه کند، امکانپذیر است. بنابراین میتوان میزان انجام واکنش در زیست واکنشگاههای کوچک را نیز افزایش داد. به این ترتیب، مدت قرار گرفتن ماد? اولیه تحت شرایط دما و pH لازم برای انجام واکنش، کم میشود، در نتیجه واکنشهای جانبی که احتمالا طی واکنش دراز مدت اتفاق میافتد به میزان زیادی کاهش مییابد و درج? خلوص محصولات واکنش زیادتر خواهد شد. امکان استفاده از آنزیم با غلظت زیاد در حالت تثبیت شده، باعث انجام واکنش به طور پیوسته و در دمای نسبتا کم و همچنین استفاده از زیست واکنشگاههایی با ابعاد مناسب میشود. به این ترتیب، مدت فعالیت آنزیم بیشتر شده در نتیجه هزینهی کلی به ازای وزن واحد محصول کاهش مییابد ]1 [.
به طور کلی ویژگیهای کاتالیزگری یک آنزیم را ساختمان شیمیایی و ترکیب آن تعیین میکند. میزان انجام واکنش نوری و درج? نهایی آن بستگی به عوامل متعددی از قبیل غلظت ماد? اولیه و آنزیم، دما، pH، قدرت یونی، فعالسازها، بازدارندههای خاص و مدت انجام واکنش دارد. عوامل مشابهی نیز برمیزان انجام واکنش بدون فعالیت کاتالیزی اثر میگذارند. گرچه اثر کاتالیزگرهای آنزیمی به طور کلی اختصاصی است، اما یک آنزیم میتواند واکنشهایی را که شامل ترکیبات کاملا مختلف هستند کاتالیز کند. در چنین مواردی پیوندهای بین اتمی و گروههای همسایه مشابه هستند. در کاربردهای صنعتی آنزیم، میتوان از کلی? عاملهای موثربر خواص کاتالیزی آنزیم برای کنترل استفاده کرد. در بیشتر موارد شرایطی مورد استفاده قرار میگیرد که تحت تاثیر آنها اقتصادی ترین موازنه بین عامل های موثر بر میزان واکنش اصلی مورد نظر و واکنشهای جانبی ناخواسته و میزان کاهش فعالیت آنزیمی ایجاد گردد. بنابراین شرایط بهینه در استفاده صنعتی از یک آنزیم، ممکن است با شرایط موصوف نظری درباره آنزیم بسیار متفاوت باشد. طبیعتا هزینه مناسب و افزایش ارزش محصول تولیدی در تعیین شرایط بهین? صنعتی، در درجه اول اهمیت قرار دارند ]2[.
1-5-3- پارامترهای موثر بر واکنش های آنزیمی:
پارامترهای محیطی متعددی بر توان کاتالیزوری آنزیم تأثیر میگذارند. این فاکتورها نه تنها بر فعالیت آنزیم، بلکه بر پایداری آن نیز اثر میگذارند. در این بخش به برخی از این پارامترها اشاره میشود.
1-5-3-1- دما :
از مهمترین پارامترهای موثر درسیستم های بیولوژیکی میباشد. در فرآیندهای آنزیمی، دما، اثرات معکوس بر فعالیت و پایداری آنزیم اعمال میکند. افزایش دما سرعت واکنش شیمیایی را افزایش می دهد و در عین حال باعث میشود آنزیم با سرعت بیشتری فعالیت خود را از دست دهد. معمولا در دماهای پایین تر از 30 درجه سانتیگراد و برای دوره زمانی کم، از دست رفتن فعالیت آنزیم ناچیز بوده و با افزایش دما سرعت واکنش افزایش مییابد. در دماهای بالاتر، فعالیت آنزیم با پیشرفت واکنش، سرعت بیشتری کاهش مییابد. بنابر این مقدار بهینه دما با افزایش زمان واکنش کاهش مییابد]20[.
1-5-3-2-pH:
عملکرد آنزیم به شدت تحت تاثیر pHقرار میگیرد. کاهش فعالیت آنزیم در محدوده ای از pH میتواند در نتیجه دو عامل اصلی باشد. اول، pHبر پایداری آنزیم اثر میگذارد و میتواند آن را به طور برگشت ناپذیری غیرفعال کند. دوم تغییر pH میتواند پارامترهای سینتیکی واکنش آنزیمی را تغییر دهد. به این صورت که ممکن است بر پایداری حالت واسطه و یا بر مرحله کنترل کننده سرعت واکنش تأثیر بگذارد ]21[.
1-5-3-3-بازدارندهها8:
بسیاری از ترکیبات طبیعی و شیمیایی در واکنش های آنزیمی نقش بازدارنده دارند. بازدارندهها ترکیباتی شیمیایی هستند که با اضافه شدن به مخلوط واکنش سرعت واکنش های آنزیمی را کاهش میدهند. بازدارنده ها به دو دسته کلی بازدارنده های برگشت پذیر و برگشت ناپذیر تقسیم میشوند. بازدارنده های برگشت ناپذیر، با برقراری پیوندهای غیرکووالانسی 9با آنزیم، کاملا آن را غیر فعال میکنند. آنزیم غیر فعال شده با این نوع بازدارنده ها را نمیتوان با دیالیز10 یا روش های ساده فعال کرد. بازدارنده های برگشت پذیر پیوندهای کووالانسی با آنزیم برقرار کرده و فعالیت آنزیم را کاهش میدهند. این نوع بازدارنده ها با دیالیز حذف شده و مجددا فعالیت کاتالیزوری آنزیم به طور کامل قابل دستیابی است ]22[.
هر آنزیم بر سوبسترای ویژه خود اثر کرده و فرآورده ویژهای را تولید میکند. به این منظور هر آنزیم ساختار سه بعدی ویژه خود را دارا است. که آن را برای انجام فعالیت کاتالیستی مناسب میسازد و بخشی از آنزیم که با سوبسترا بند و بست مییابد