Enzyme

Enzymen zijn eiwitmoleculen in cellen die werken als biologische katalysatoren. Enzymen versnellen chemische reacties in het lichaam, maar raken daarbij niet uitgeput en kunnen dus steeds weer opnieuw worden gebruikt.

Voor bijna alle biochemische reacties in levende wezens zijn enzymen nodig. Met een enzym verlopen chemische reacties veel sneller dan zonder het enzym het geval zou zijn. p39 Andere biokatalysatoren zijn katalytische RNA-moleculen, ribozymen genoemd.

De stoffen aan het begin van een reactie worden substraten genoemd. De stoffen aan het eind van een reactie zijn de producten. Enzymen werken op de substraten en maken er producten van. De studie van enzymen wordt enymologie genoemd.

Het eerste enzym werd in 1833 gevonden door Anselme Payen.



Lintdiagram van een enzym genaamd TIM
Lintdiagram van een enzym genaamd TIM

Lintdiagram van een enzym genaamd TIM
Lintdiagram van een enzym genaamd TIM

Enzym structuur

Er zijn duizenden verschillende enzymen en elk enzym is specifiek voor de reactie die het katalyseert. Enzymen hebben namen waaruit blijkt wat ze doen. Namen van enzymen eindigen meestal op -ase om aan te geven dat het enzymen zijn. Voorbeelden hiervan zijn ATP synthase. Het maakt een chemische stof die ATP heet. Een ander voorbeeld is DNA polymerase. Het leest een intacte DNA-streng en gebruikt die als sjabloon om een nieuwe streng te maken.

Een voorbeeld van een enzym is amylase, dat in speeksel wordt aangetroffen. Het breekt zetmeelmoleculen af tot kleinere glucose- en maltosemoleculen. Een ander soort enzym is lipase. Het breekt vetten af in kleinere moleculen, vetzuren en glycerol.d

De proteasen zijn een hele klasse van enzymen. Zij breken andere enzymen en eiwitten weer af tot aminozuren. Nucleasen zijn enzymen die DNA of RNA doorsnijden, vaak op een specifieke plaats in het molecuul.

Enzymen zijn er niet alleen om grote chemicaliën in kleinere chemicaliën te breken. Andere enzymen nemen kleinere chemicaliën en bouwen die op tot grotere chemicaliën, en doen vele andere chemische taken. In de onderstaande classificatie worden de belangrijkste typen opgesomd.

Biochemici maken vaak een tekening van een enzym om het te gebruiken als visueel hulpmiddel of als kaart van het enzym. Dit is moeilijk omdat er honderden of duizenden atomen in een enzym kunnen zitten. Biochemici kunnen niet al deze details tekenen. In plaats daarvan gebruiken zij lintmodellen als afbeeldingen van enzymen. Lintmodellen kunnen de vorm van een enzym laten zien zonder elk atoom te hoeven tekenen.

De meeste enzymen werken alleen als de temperatuur en de pH-waarde juist zijn. Bij zoogdieren is de juiste temperatuur gewoonlijk ongeveer 37oC graden (lichaamstemperatuur). De juiste pH-waarde kan sterk variëren. Pepsine is een voorbeeld van een enzym dat het best werkt bij een pH van ongeveer 1,5.

Verhitting van een enzym boven een bepaalde temperatuur vernietigt het enzym voorgoed. Het zal worden afgebroken door protease en de chemicaliën zullen opnieuw worden gebruikt.

Sommige chemische stoffen kunnen een enzym helpen zijn werk nog beter te doen. Deze worden activatoren genoemd. Soms kan een chemische stof een enzym afremmen of er zelfs voor zorgen dat het enzym helemaal niet meer werkt. Dit worden remmers genoemd. De meeste geneesmiddelen zijn chemische stoffen die een enzym in het menselijk lichaam sneller of langzamer laten werken.



Speekselamylase: chloride-ion groen; calcium beige
Speekselamylase: chloride-ion groen; calcium beige

Enzym structuur

Er zijn duizenden verschillende enzymen en elk enzym is specifiek voor de reactie die het katalyseert. Enzymen hebben namen waaruit blijkt wat ze doen. Namen van enzymen eindigen meestal op -ase om aan te geven dat het enzymen zijn. Voorbeelden hiervan zijn ATP synthase. Het maakt een chemische stof die ATP heet. Een ander voorbeeld is DNA polymerase. Het leest een intacte DNA-streng en gebruikt die als sjabloon om een nieuwe streng te maken.

Een voorbeeld van een enzym is amylase, dat in speeksel wordt aangetroffen. Het breekt zetmeelmoleculen af tot kleinere glucose- en maltosemoleculen. Een ander soort enzym is lipase. Het breekt vetten af in kleinere moleculen, vetzuren en glycerol.d

De proteasen zijn een hele klasse van enzymen. Zij breken andere enzymen en eiwitten weer af tot aminozuren. Nucleasen zijn enzymen die DNA of RNA doorsnijden, vaak op een specifieke plaats in het molecuul.

Enzymen zijn er niet alleen om grote chemicaliën in kleinere chemicaliën te breken. Andere enzymen nemen kleinere chemicaliën en bouwen die op tot grotere chemicaliën, en doen vele andere chemische taken. In de onderstaande classificatie worden de belangrijkste typen opgesomd.

Biochemici maken vaak een tekening van een enzym om te gebruiken als visueel hulpmiddel of als kaart van het enzym. Dit is moeilijk omdat er honderden of duizenden atomen in een enzym kunnen zitten. Biochemici kunnen niet al deze details tekenen. In plaats daarvan gebruiken zij lintmodellen als afbeeldingen van enzymen. Lintmodellen kunnen de vorm van een enzym laten zien zonder elk atoom te hoeven tekenen.

De meeste enzymen werken alleen als de temperatuur en de pH-waarde juist zijn. Bij zoogdieren is de juiste temperatuur gewoonlijk ongeveer 37oC graden (lichaamstemperatuur). De juiste pH-waarde kan sterk variëren. Pepsine is een voorbeeld van een enzym dat het best werkt bij een pH van ongeveer 1,5.

Verhitting van een enzym boven een bepaalde temperatuur vernietigt het enzym voorgoed. Het zal worden afgebroken door protease en de chemicaliën zullen opnieuw worden gebruikt.

Sommige chemische stoffen kunnen een enzym helpen zijn werk nog beter te doen. Deze worden activatoren genoemd. Soms kan een chemische stof een enzym afremmen of er zelfs voor zorgen dat het enzym helemaal niet meer werkt. Dit worden remmers genoemd. De meeste geneesmiddelen zijn chemische stoffen die een enzym in het menselijk lichaam sneller of langzamer laten werken.



Speekselamylase: chloride-ion groen; calcium beige
Speekselamylase: chloride-ion groen; calcium beige

Slot en sleutel model

Enzymen zijn zeer specifiek. In 1894 stelde Emil Fischer voor dat zowel het enzym als het substraat specifieke complementaire geometrische vormen hebben die precies in elkaar passen. Dit wordt vaak het "slot en sleutel"-model genoemd. Dit model verklaart echter niet wat er daarna gebeurt.

In 1958 stelde Daniel Koshland een wijziging van het slot-sleutel model voor. Aangezien enzymen tamelijk flexibele structuren zijn, krijgt de actieve plaats een nieuwe vorm door interacties met het substraat. Als gevolg daarvan bindt het substraat zich niet eenvoudigweg aan een starre actieve plaats. De aminozuurzijketens van de actieve plaats worden omgebogen in posities waarin het enzym zijn katalytische werk kan doen. In sommige gevallen, zoals bij glycosidases, verandert het substraatmolecuul ook enigszins van vorm wanneer het de actieve plaats binnenkomt.



Diagrammen om de geïnduceerde fit-hypothese van de enzymwerking te laten zien
Diagrammen om de geïnduceerde fit-hypothese van de enzymwerking te laten zien

Slot en sleutel model

Enzymen zijn zeer specifiek. In 1894 stelde Emil Fischer voor dat zowel het enzym als het substraat specifieke complementaire geometrische vormen hebben die precies in elkaar passen. Dit wordt vaak het "slot en sleutel"-model genoemd. Dit model verklaart echter niet wat er daarna gebeurt.

In 1958 stelde Daniel Koshland een wijziging van het slot-sleutel model voor. Aangezien enzymen tamelijk flexibele structuren zijn, krijgt de actieve plaats een nieuwe vorm door interacties met het substraat. Als gevolg daarvan bindt het substraat zich niet eenvoudigweg aan een starre actieve plaats. De aminozuurzijketens van de actieve plaats worden omgebogen in posities waarin het enzym zijn katalytische werk kan doen. In sommige gevallen, zoals bij glycosidases, verandert het substraatmolecuul ook enigszins van vorm wanneer het de actieve plaats binnenkomt.



Diagrammen om de geïnduceerde fit-hypothese van de enzymwerking te laten zien
Diagrammen om de geïnduceerde fit-hypothese van de enzymwerking te laten zien

Functie

De algemene vergelijking voor een enzymreactie is:

Substraat + Enzyme -> Substraat:Enzyme -> Product:Enzyme -> Product + Enzyme

Enzymen verlagen de activeringsenergie van een reactie door met het substraat een intermediair complex te vormen. Dit complex wordt een enzym-substraatcomplex genoemd.

Zo splitst sucrase, dat 400 maal zo groot is als zijn substraat sucrose, de sucrose in de samenstellende suikers, namelijk glucose en fructose. De sucrase buigt de sucrose, en spant de binding tussen de glucose en fructose. Watermoleculen doen mee en splitsen in een fractie van een seconde. Enzymen hebben deze hoofdkenmerken:

  1. Ze zijn katalytisch. Zij verhogen de reactiesnelheid gewoonlijk met het 10-voudige. p39 Het enzym zelf wordt door de reactie niet veranderd.
  2. Ze zijn effectief in kleine hoeveelheden. Eén enzymmolecuul kan 1000 moleculen substraat per minuut omzetten, en van sommige is bekend dat ze er 3 miljoen in een minuut omzetten. p39
  3. Ze zijn zeer specifiek. Een enzym zal slechts één van de vele reacties uitvoeren waartoe een substraat in staat is.

Controle van de enzymactiviteit

Er zijn vijf belangrijke manieren waarop de enzymactiviteit in de cel wordt geregeld.

  1. De productie van enzymen (transcriptie en translatie van enzymengenen) kan worden verhoogd of verlaagd als reactie op veranderingen in de omgeving van de cel. Deze vorm van genregulatie wordt enzyminductie en -inhibitie genoemd. Bijvoorbeeld, in bacteriën die resistent zijn tegen antibiotica zoals penicilline, worden enzymen geïnduceerd die het penicillinemolecuul hydrolyseren.
  2. Enzymen kunnen in verschillende cellulaire compartimenten voorkomen. Zo worden vetzuren gesynthetiseerd door één set enzymen in het cytosol, het endoplasmatisch reticulum en het Golgi-apparaat. Vervolgens worden zij door een andere groep enzymen gebruikt als energiebron in de mitochondriën.
  3. Enzymen kunnen door hun eigen producten worden gereguleerd. Het eindproduct (de eindproducten) remt (remmen) bijvoorbeeld vaak een van de eerste enzymen van de route. Een dergelijk reguleringsmechanisme wordt negatieve terugkoppeling genoemd, omdat de hoeveelheid van het geproduceerde eindproduct wordt gereguleerd door de eigen concentratie. Dit voorkomt dat de cellen te veel enzym maken. De beheersing van de enzymwerking draagt bij tot een stabiel intern milieu in levende organismen.
  4. Enzymen kunnen worden gereguleerd door ze na hun productie te modificeren. Een voorbeeld hiervan is de splitsing van de polypeptideketen. Chymotrypsine, een protease voor de spijsvertering, wordt in inactieve vorm geproduceerd in de pancreas en in deze vorm naar de maag vervoerd, waar het wordt geactiveerd. Hierdoor kan het enzym de alvleesklier of andere weefsels niet verteren voordat het in de darm terechtkomt. Dit type inactieve voorloper van een enzym staat bekend als een zymogeen.
  5. Sommige enzymen kunnen worden geactiveerd wanneer zij zich in een andere omgeving bevinden (bijvoorbeeld van hoge pH naar lage pH). Zo wordt hemagglutinine in het influenzavirus geactiveerd door een verandering van vorm. Dit wordt veroorzaakt door de zure omstandigheden die zich voordoen in het lysosoom van de gastheercel.



Grafiek met het effect van veranderende temperatuur op de enzymactiviteit
Grafiek met het effect van veranderende temperatuur op de enzymactiviteit

Grafiek van het effect van een veranderende pH op de enzymactiviteit
Grafiek van het effect van een veranderende pH op de enzymactiviteit

Functie

De algemene vergelijking voor een enzymreactie is:

Substraat + Enzyme -> Substraat:Enzyme -> Product:Enzyme -> Product + Enzyme

Enzymen verlagen de activeringsenergie van een reactie door met het substraat een intermediair complex te vormen. Dit complex wordt een enzym-substraatcomplex genoemd.

Zo splitst sucrase, dat 400 maal zo groot is als zijn substraat sucrose, de sucrose in de samenstellende suikers, namelijk glucose en fructose. De sucrase buigt de sucrose, en spant de binding tussen de glucose en fructose. Watermoleculen doen mee en splitsen in een fractie van een seconde. Enzymen hebben deze hoofdkenmerken:

  1. Ze zijn katalytisch. Zij verhogen de reactiesnelheid gewoonlijk met het 10-voudige. p39 Het enzym zelf wordt door de reactie niet veranderd.
  2. Ze zijn effectief in kleine hoeveelheden. Eén enzymmolecuul kan 1000 moleculen substraat per minuut omzetten, en van sommige is bekend dat ze er 3 miljoen in een minuut omzetten. p39
  3. Ze zijn zeer specifiek. Een enzym zal slechts één van de vele reacties uitvoeren waartoe een substraat in staat is.

Controle van de enzymactiviteit

Er zijn vijf belangrijke manieren waarop de enzymactiviteit in de cel wordt geregeld.

  1. De productie van enzymen (transcriptie en translatie van enzymengenen) kan worden verhoogd of verlaagd als reactie op veranderingen in de omgeving van de cel. Deze vorm van genregulatie wordt enzyminductie en -inhibitie genoemd. Bijvoorbeeld, in bacteriën die resistent zijn tegen antibiotica zoals penicilline, worden enzymen geïnduceerd die het penicillinemolecuul hydrolyseren.
  2. Enzymen kunnen in verschillende cellulaire compartimenten voorkomen. Zo worden vetzuren gesynthetiseerd door één set enzymen in het cytosol, het endoplasmatisch reticulum en het Golgi-apparaat. Vervolgens worden zij door een andere groep enzymen gebruikt als energiebron in de mitochondriën.
  3. Enzymen kunnen door hun eigen producten worden gereguleerd. Het eindproduct (de eindproducten) remt (remmen) bijvoorbeeld vaak een van de eerste enzymen van de route. Een dergelijk reguleringsmechanisme wordt negatieve terugkoppeling genoemd, omdat de hoeveelheid van het geproduceerde eindproduct wordt gereguleerd door de eigen concentratie. Dit voorkomt dat de cellen te veel enzym maken. De beheersing van de enzymwerking draagt bij tot een stabiel intern milieu in levende organismen.
  4. Enzymen kunnen worden gereguleerd door ze na hun productie te modificeren. Een voorbeeld hiervan is de splitsing van de polypeptideketen. Chymotrypsine, een protease voor de spijsvertering, wordt in inactieve vorm geproduceerd in de pancreas en in deze vorm naar de maag vervoerd, waar het wordt geactiveerd. Hierdoor kan het enzym de alvleesklier of andere weefsels niet verteren voordat het in de darm terechtkomt. Dit type inactieve voorloper van een enzym staat bekend als een zymogeen.
  5. Sommige enzymen kunnen worden geactiveerd wanneer zij zich in een andere omgeving bevinden (bijvoorbeeld van hoge pH naar lage pH). Zo wordt hemagglutinine in het influenzavirus geactiveerd door een verandering van vorm. Dit wordt veroorzaakt door de zure omstandigheden die zich voordoen in het lysosoom van de gastheercel.



Grafiek met het effect van veranderende temperatuur op de enzymactiviteit
Grafiek met het effect van veranderende temperatuur op de enzymactiviteit

Grafiek van het effect van een veranderende pH op de enzymactiviteit
Grafiek van het effect van een veranderende pH op de enzymactiviteit

Enzym remmers

Inhibitoren kunnen worden gebruikt om een enzym te verhinderen zich aan een substraat te binden. Dit kan worden gedaan om een door een enzym gestuurde reactie te vertragen. De remmers passen losjes of gedeeltelijk in de actieve site van het enzym. Hierdoor wordt de vorming van een enzym-substraatcomplex verhinderd of vertraagd.



Enzym remmers

Inhibitoren kunnen worden gebruikt om een enzym te verhinderen zich aan een substraat te binden. Dit kan worden gedaan om een door een enzym gestuurde reactie te vertragen. De remmers passen losjes of gedeeltelijk in de actieve site van het enzym. Hierdoor wordt de vorming van een enzym-substraatcomplex verhinderd of vertraagd.



Denaturatie

Denaturatie is de onomkeerbare verandering van de actieve plaats van een enzym, veroorzaakt door een extreme verandering in temperatuur of pH. Hierdoor daalt de reactiesnelheid omdat het substraatmolecuul niet meer in de actieve zone past, zodat geen producten kunnen worden gevormd.



Denaturatie

Denaturatie is de onomkeerbare verandering van de actieve plaats van een enzym, veroorzaakt door een extreme verandering in temperatuur of pH. Hierdoor daalt de reactiesnelheid omdat het substraatmolecuul niet meer in de actieve zone past, zodat geen producten kunnen worden gevormd.



Cofactoren

Cofactoren, of co-enzymen, zijn hulpmoleculen die nodig zijn om een enzym te laten werken. Het zijn geen eiwitten, en het kunnen organische of anorganische moleculen zijn. Beide soorten moleculen bevatten soms een metaalion in het centrum, zoals Mg2+, Cu2+, Mn2+ of ijzer-zwavelclusters. Dergelijke ionen kunnen namelijk als elektronendonor fungeren, en dat is bij veel reacties van belang. De behoefte van enzymen aan diverse kleine helpers is de basisreden waarom dieren, inclusief wijzelf, spoorelementen en vitamines nodig hebben.



Cofactoren

Cofactoren, of co-enzymen, zijn hulpmoleculen die nodig zijn om een enzym te laten werken. Het zijn geen eiwitten, en het kunnen organische of anorganische moleculen zijn. Beide soorten moleculen bevatten soms een metaalion in het centrum, zoals Mg2+, Cu2+, Mn2+ of ijzer-zwavelclusters. Dergelijke ionen kunnen namelijk als elektronendonor fungeren, en dat is bij veel reacties van belang. De behoefte van enzymen aan diverse kleine helpers is de basisreden waarom dieren, inclusief wijzelf, spoorelementen en vitamines nodig hebben.



Classificatie

Enzymen zijn geclassificeerd door de Internationale Unie voor Biochemie. Hun Commissie voor Enzymen heeft alle bekende enzymen in zes klassen ingedeeld:

  1. Oxido-reductases: katalyseren de overdracht van elektronen
  2. Transferases: verplaatsen functionele groep van het ene molecuul naar het andere
  3. Hydrolasen: voegen -OH (hydroxyl)-groep toe
  4. Logen: splitsen chemische bindingen, en voegen vaak dubbele bindingen of ringstructuren toe
  5. Isomerases: A -> B waarbij B een isomeer is van A
  6. Ligasen: verbinden twee grote moleculen: Ab + C -> A-C + b

De individuele enzymen krijgen een viercijferig nummer dat hen in de databank classificeert. p145



Classificatie

Enzymen zijn geclassificeerd door de Internationale Unie voor Biochemie. Hun Commissie voor Enzymen heeft alle bekende enzymen in zes klassen ingedeeld:

  1. Oxido-reductases: katalyseren de overdracht van elektronen
  2. Transferases: verplaatsen functionele groep van het ene molecuul naar het andere
  3. Hydrolasen: voegen -OH (hydroxyl)-groep toe
  4. Logen: splitsen chemische bindingen, en voegen vaak dubbele bindingen of ringstructuren toe
  5. Isomerases: A -> B waarbij B een isomeer is van A
  6. Ligasen: verbinden twee grote moleculen: Ab + C -> A-C + b

De individuele enzymen krijgen een viercijferig nummer dat hen in de databank classificeert. p145



Gebruik van enzymen

Enzymen worden commercieel gebruikt voor:

  • babyvoeding maken - voorverteerbare voeding voor baby's
  • het zachter maken van het midden van chocolaatjes
  • biologisch waspoeder - dat protease enzymen bevat om vuil en stof af te breken. Het breekt de grote, onoplosbare moleculen af tot kleine, oplosbare moleculen. Het werkt bij een lagere temperatuur, zodat minder energie nodig is (thermostabiel)



Gebruik van enzymen

Enzymen worden commercieel gebruikt voor:

  • babyvoeding maken - voorverteerbare voeding voor baby's
  • het zachter maken van het midden van chocolaatjes
  • biologisch waspoeder - dat protease enzymen bevat om vuil en stof af te breken. Het breekt de grote, onoplosbare moleculen af tot kleine, oplosbare moleculen. Het werkt bij een lagere temperatuur, zodat minder energie nodig is (thermostabiel)



Verwante pagina's

  • Uitbarstingskinetiek



Verwante pagina's

  • Uitbarstingskinetiek





AlegsaOnline.com - 2020 - License CC3