Enzymer

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi

Enzymer (fra gr en zyme, i surdeig) er enkle eller sammensatte proteiner som er katalytisk virksomme i levende organismer uten selv å bli påvirket. De spiller en avgjørende rolle i livsprosessene. Ofte kan en lavmolekylær del, koenzymet, skjelnes fra en proteindel, apoenzymet, og disse utgjør sammen i løs forbindelse det aktive holoenzym.

Innhold 1 Historie 2 Oppbygning 3 Oppgave og virkemåte 4 Enzymaktivitet 4.1 Temperatur 4.2 pH 4.3 Substratkonsentrasjon 4.4 Enzymhemmer 5 Inndeling av enzymer 6 Katalytiske mekanismer 7 Viktige enzymer

[rediger] Historie

I 1835 brukte svensken J.J. Berzelius ordet katalysator om et stoff som får en prosess til å gå raskere. Han beskrev hvordan en katalysator øker reaksjonsfarten uten at den blir forbrukt i reaksjonen. Berzelius forsto ikke hvordan en katalysator virker.

Kjemikere på 1800-tallet kjente til at magesaft kunne bryte ned mat, og at gjær kunne omdanne sukker til alkohol. Det første kjente enzymet, som den gang ble kalt ferment (fra lat. gjæringsstoff), var pepsin fra magesekken. Kjemikerne trodde lenge at enzymene måtte være i levende celler for å virke, men i 1897 viste tyskeren E. Buchner at en ekstrakt av knuste gjærceller fikk gjæringen (fermenteringen) av sukker til alkohol til å skje.

I 1917 bestemte amerikaneren J.B. Summer seg for å prøve å isolere og krystallisere enzymer. Ti år senere klarte han å krystallisere enzymet urease, som spalter urea til karbondioksid og ammoniakk. Siden er mange andre enzymer krystallisert, og oppbygningen bestemt i detalj.

[rediger] Oppbygning

Et enzym kan bestå av bare et enkelt protein slik som urease. Mange enzymer må imidlertid ha et annet stoff bundet til proteinet for å kunne virke. Disse molekylene kaller vi kofaktorer. Dette stoffet kan være et komplisert organisk molekyl som er midlertidig bundet til proteinet og kalles da et koenzym. De fleste B-vitaminene fungerer som koenzymer. Stoffet kan også være fast bundet til proteinet og kalles da en prostetisk gruppe. Gruppen kan være et organisk molekyl som for eksempel hemmolekylet. Den prostetiske gruppen kan også bestå av uorganiske ioner. For eksempel er jern- og kobberioner fast bundet i mange enzymer. Mangan- og sinkioner er andre vanlige prostetiske grupper i enzymer. Et enzym kan bestå av følgende deler:

• Kofaktor (nødvendig for enzymaktiviteten)
• Koenzym (organisk kofaktor)
• Prostetisk gruppe (kofaktor permanent assosiert med enzymet)
• Holoenzym (katalytisk aktivt enzym)
• Apoenzym (Enzym uten holoenzym)

apoenzym (inaktivt) + kofaktor = holoenzym (aktivt)

[rediger] Oppgave og virkemåte

Enzymer gjør det mulig for cellene både å få energi fra næringsstoffene og å lagre energi som fett og karbohydrat. Enzymene gjør det også mulig å bygge opp alle de stoffene som en levende celle består av.

Et enzym virker som katalysator ved å senke aktiveringsenerigen for den reaksjonen det katalyserer. Et enzym senker aktiveringsenergien mer effektivt enn en uorganisk katalysator. Dette kan illustreres med et naturlig eksempel. I kroppen blir det kontinuerlig dannet hydrogenperoksid (H₂O₂) som et biprodukt i stoffskiftet. Men hydrogenperoksid er en gift for cellene og må brytes ned fort. Det spaltes til vann og oksygengass. Reaksjonen har en aktiveringsenergi på 75 kJ per mol hydrogenperoksid. Med jernioner som uorganisk katalysator senkes aktiveringsenergien bare til 54 kJ/mol, men med enzymet katalase senkes aktiveringsenergien til 5–25 kJ/mol avhengig av organismen.

Enzymene er spesialisert med hensyn til hvilke typer reaksjoner de katalyserer, og hvilke stoffer de omdanner. Det stoffet et enzym omdanner, blir kalt substrat. Substratet reagerer med enzymet og danner et mellomprodukt. Dette enzym-substrat-komplekset, ES, spaltes så til produkter, og enzymet blir gjendannet.

E+S → ES → E+P₁+P₂
enzym + substrat → enzym-substrat-kompleks → enzym + produkter

Et enzym kan også virke i en reaksjon der to eller flere substrater reagerer med hverandre og danner ett produkt:

E+S₁+S₂ → ES₁S₂ → E+P
enzym + substrater → enzym-substrat-kompleks → enzym + produkt

Et enzym som er et protein, er kveilet opp på en bestemt måte slik at det på overflaten blir en grop som passer til det substratet som skal omdannes. Gropen kalles det aktive setet i enzymet, og det er her ES-komplekset blir dannet. Et koenzym eller en prostetisk gruppe er det virksomme området i det aktive setet. Det aktive setet utgjør bare en liten del, kanskje bare 5 %, av enzymoverflaten. Det er vanlig å sammenligne et substrat og en enzym med en nøkkel som passer inn en lås.

[rediger] Enzymaktivitet

I forbrenningen i cellene blir sluttproduktet CO₂ dannet. Gassen omdannes til vannløselige ioner som kan fraktes med blodet til lungene.

CO₂ + H₂O ⇌ H⁺ + HCO₃^–

Med ett enzymmolekyl kan millioner av CO₂-molekyler bli omdannet per minutt. Uten enzymet blir bare ett molekyl CO₂ omdannet i samme tidsrom.

Aktiviteten til enzymer kan studeres på laboratoriet. Det er flere faktorer som påvirker enzymaktiviteten. De viktigste er:

• temperatur
• pH
• substratkonsentrasjon
• enzymhemmer (inhibitor)

[rediger] Temperatur

Ved lav temperatur går reaksjonen sakte. Hastigheten på reaksjonen øker med temperaturen. Dette fordi molekylene som deltar i reaksjoen har større bevegelsesenergi ved høy temperatur, og dermed også større potensiell energi som kan bli brukt til å danne produktet. Den temperaturen som reaksjonen går fortest ved, kalles optimumstemperaturen. Et enzym virker optimalt ved en bestemt temperatur. Temperatur høyere enn optimumstemperaturen vil føre til denautering (ødeleggelse) av enzymet og følgelig at reaksjonen stopper opp. De fleste enzymene i menneskekroppen, har naturlig nok, en optimumstemperatur rundt 37 °C. Enzymer i vaskemidler virker best ved 30-50 °C. Ved temperatur over 60 °C denauteres enzymene og har da ingen virkning.

[rediger] pH

Det er vanligvis en bestemt pH som fører til størst reaksjonsfart i en enzymkatalysert reaksjon. Den optimale pH-verdien er oftest rundt 7 for de reaksjonene som skjer i kroppen til et menneske. Enzymet pepsin i magesekken virker likevel best ved lav pH, og den optimale pH-verdien er 1,7. Ved store pH-endringer skjer det en denautering av de fleste enzymer. Pepsin bli denautert ved pH > 5. De fleste enzymer har optimum pH mellom 4 og 10.

[rediger] Substratkonsentrasjon

Konsentrasjonen av substratet har også betydning for enzymaktiviteten. Når det er mye enzym til stede, vil farten på reaksjonen øke med konsentrasjonen av substratet til et maksimum. Dette skyldes at det blir lettere for enzym- og substratmolekylene å binde seg sammen og reagere når det er mye substrat til stede. Fortsatt tilsetning av substrat etter at maksimumet er nådd vil ikke føre til økt fart fordi antallet enzymmolekyler da blir den begrensende faktoren.

[rediger] Enzymhemmer

En enzymhemmer, inhibitor, senker reaksjonsfarten. Den kan føre til en midlertidig hemning av enzymet, og når inhibitoren ikke er til stede lenger, virker enzymet som før. Dette kalles reversibel hemning. Det er to former for reversibel hemning. En inhibitor kan ha samme form (samme atomgrupper) som substratet, og den konkurrerer da om plassen i det aktive setet. Hvis det er mye inhibitor til stede, vinner den i konkurransen, og enzymet blokkeres midlertidig. En inhibitor kan også virke uten å konkurrere om det aktive setet. I stedet fester inhibitoren seg da til et annet sted på enzymet. Det fører til deformering av enzymet og endring i det aktive setet slik at substratet ikke lenger passer helt inn.

En inhibitor kan også ha en irreversibel hemning på enzymet. En slik inhibitor kalles en enzymgift. Enzymgiften binder seg fast til enzymet og blokkerer det aktive setet. Kvikksølv er en gift for mange enzymer, blant annet katalase som spalter hydrogenperoksid. En annen beryktet enzymgift er cyanid (CN^-), som binder seg til det enzymet som katalyserer siste trinn i forbrenningen av glukose.

[rediger] Inndeling av enzymer

Over 3000 forskjellige enzymer er blitt påvist og beskrevet. De første kjente enzymene, for eksempel pepsin, fikk spesielle navn. Etter hvert ble det vanlig å gi enzymet navn etter substratet og legge til endelsen -ase. Eksempler på noen enzymer som følger denne navnsettingsmetoden er urease, lipase og laktase. Lipase og laktase er fordøyelsesenzymer, der lipase spalter lipider og laktase spalter disakkaridet laktose.

Noen enzymer omdanner bare ett bestemt substrat og er dermed spesialiserte. Andre enzymer katalyserer en gruppe substrater. Enzymene deles derfor inn i flere hovedgrupper. Det første kriteriet er hvilken reaksjonstype enzymet deltar i. De to hovedgruppene er oksido-reduktaser (overfører oksygen, hydrogen eller elektroner) og isomeraser (omdanner en isomer til en annen).

Oksido-reduktaser katalyserer oksidasjoner og reduksjoner. Det er flere undergrupper, men oksidaser og dehydrogenaser er blant de viktigste. Oksidaser oksiderer en forbindelse (A-2H) ved at to H-atomer i forbindelsen blir overført til ett oksygenatom, og det blir dannet et vannmolekyl. Dehydrogenaser oksiderer en forbindelse ved å overføre to H-atomer fra et molekyl til et annet.

Isomeraser katalyserer isomeriseringen av et molekyl, for eksempel omdanningen av fruktose til glukose - begge med strukturformelen C₆H₁₂O₆.

Man har også spaltende enzymer. Disse spalter ulike molekyler under medvirkning av henholdsvis vann og fosforsyre.

I dag har hvert enzym et systematisk navn og et nummer etter hvilken reaksjonstype og hvilket substrat det katalyserer. Blant dehydrogenasene finnes alkoholdehydrogenase, som fjerner to H-atomer fra etanol. De fleste enzymene er spesifikke med henzyn til den romlige strukturen av et substrat, slik at speilbildeisomeren av substratet ikke kan omdannes.

[rediger] Katalytiske mekanismer

1) Syre-base katalyse 2) Kovalent katalyse 3) Metallion katalyse 4) Elektostatisk katalyse

[rediger] Viktige enzymer

• Lysozym – ødelegger bakteriecellevegg

• Proteolytiske enzymer = Serin Protease

• Katalase – spalter hydrogenperoksid. 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂

• ATP-syntase – deltar i dannelsen av ATP

• Urease – spalter urea til ammoniakk og karbondioksid