Enzym

Ribbon diagram of the catalytic perfect enzyme triose-phosphate isomerase (TIM).

Een enzym is een eiwit, dat een bepaalde reactie versnelt, een katalysator. Een enzym maakt een chemische reactie in of buiten een cel mogelijk of versnelt deze zonder daarbij zelf verbruikt te worden of van samenstelling te veranderen. Wel verbindt het enzym zich tijdens de reacties met het substraat, dat is datgene wat middels de stofwisseling of vertering een reactie aangaat. Dit gebeurt voor elk enzym op een eigen manier, doordat elk enzym reactiespecifiek is. Enzymen worden door het organisme (dieren, planten, insecten, schimmels) zelf gemaakt. Voor de opbouw ervan zijn in een aantal gevallen vitaminen nodig. Bij de verdere behandeling van enzymen worden alleen voorbeelden van het menselijk lichaam gebruikt.

Na de reactie keert het enzym weer terug naar de oorspronkelijke toestand en kan direct weer een reactie versnellen. Een enzym “wacht” totdat de moleculen, waarmee het enzym aan de slag kan, bereikbaar zijn. Het enzym klemt zich dan op een plaats aan het substraat, veelal moleculen van voedingsmiddelen die ontbonden worden, waar dat past en waartoe hij dus geschikt is. Dat deel dat omklemd is, wordt losgemaakt van het grotere geheel, waarna ook het enzym weer vrij is en verder kan met het volgende molecuul(deel). Zo worden voedingsstoffen in kleine stukjes gebroken en verwerkt, de spijsvertering. Ketens van moleculen van diverse aard, kunnen zo in andere enkelvoudige moleculen worden omgezet.

Enzym + Substraat → Enzym-Substraat-Complex → Enzym + Product

Enzymen zijn vaak specifiek voor hun substraat, meestal bindt een enzym maar aan één substraat. Er zijn echter ook enzymen die een heleboel verschillende substraten kunnen omzetten. Hiervan komen er een paar voor in de lever, bijvoorbeeld CYP2D6, een enzym uit het cytochroom P450-enzymsysteem.

Reactiekinetiek

Model van Purine Nucleoside Phosphorylase (PNP)

De reactiesnelheid van een enzym is afhankelijk van de temperatuur, de zuurgraad (pH) en de concentratie van enzym en substraat, de stof waarmee het enzym reageert.

Temperatuur: De ruimtelijke structuur van eiwitten verandert met de temperatuur. Zo zijn de meeste enzymen inactief bij lage temperaturen. Boven 50° wordt de werking van het eiwit ook geblokkeerd door denaturatie. Ieder enzym heeft bij een bepaalde temperatuur (optimumtemperatuur) een maximale activiteit.

Zuurgraad: Ieder enzym werkt het best bij een bepaalde zuurgraad (pH).

Veel enzymen zijn sneller en efficiënter dan tot nu toe door de mens ontworpen katalysatoren. Enzymen worden mede daarom ook doelbewust ingezet in chemische processen, bijvoorbeeld in de voedselbereiding. Zonder enzymen zouden stofwisselingsprocessen zeer langzaam verlopen zodat gesteld kan worden dat enzymen het leven op gang houden.

Enzymen kunnen ook bestaan uit meerdere delen, bijvoorbeeld meerdere eiwitten. Daarnaast hebben ze vaak ook nog een co-enzym, een kleinere component zonder welke het enzym zijn functie niet kan vervullen. Dit kan bijvoorbeeld een metaal-ion zijn. Het co-enzym fungeert in een cel vaak als een soort van aan/uitschakelaar. Door de concentratie van het metaal-ion te variëren wordt de chemische reactie die het enzym faciliteert vertraagd of versneld.

Indeling van de enzymen

Enzymen worden benoemd naar het proces dat zij katalyseren, gevolgd door de uitgang -ase.

• Oxidoreductasen → katalyseren oxidatie- en reductiereacties. Hieronder vallen de enzymen desaturasen, hydrogenasen, oxidasen, reductasen, transhydrogenasen en hydroxylasen. Veel voorkomende co-enzymen in deze groep zijn NAD⁺ en FAD.
• Transferasen → katalyseren groepsoverdrachtsreacties zoals methyl-, carboxyl-, acyl-, glycosyl-, amino- of fosfaatgroepoverdracht. Hiertoe behoren onder andere transfosfatasen (kinasen) en de transaminasen. Bij de laatstgenoemde komt het co-enzym pyridoxaalfosfaat veel voor.
• Hydrolasen → katalyseren hydrolyses. Enzymen uit deze groep zijn onder andere peptidasen, esterasen, glycosidasen en fosfatasen.
• Lyasen → katalyseren splitsing van C-C, C-O en C-N bindingen door middel van eliminatiereacties. Enzymen uit deze groep zijn decarboxylasen en dehydratasen. Gebruikte co-enzymen zijn co-enzym A en thiaminepyrofosfaat.
• Isomerasen → katalyseren isomerisatiereacties. Hieronder vallen racemasen en epimerasen.
• Ligasen → katalyseren de koppeling van twee substraten waarbij een binding van een koolstofatoom met een ander atoom gevormd wordt (meestal zuurstof, stikstof of zwavel). De benodigde energie wordt vaak geleverd door hydrolyse van ATP. Tot deze groep behoren onder andere elongasen, synthetasen en carboxylasen. Belangrijke co-enzymen zijn acetyl co-enzymA en biotine [1].

EC-nummer

Zij worden ook geklasseerd met een nummering: het EC-nummer (Enzyme Commission number). Dit nummer is gebaseerd op de chemische reacties die ze katalyseren. Het EC-nummer bestaat uit 4 getallen en begint met een cijfer dat één van de zes bovenstaande hoofdgroepen (of klassen) aanduidt. De twee hieropvolgende getallen bepalen de subgroep en de sub-subgroep. Het laatste getal tenslotte bepaalt specifiek het enzym in de sub-subgroep waarover het gaat. Een voorbeeld is katalase, aangeduid met "EC 1.11.1.6", dit wil zeggen dat het tot klasse 1 (de oxidoreductasen) behoort, in de subgroep 11 (met een peroxide als acceptor), in de sub-subgroep 1 (er is maar één subgroep in 1.11), en het gaat hier om het 6de enzyme (katalase).

Enzymremmers

Wil het enzym zijn effect kunnen uitoefen, dan moet tussen enzym en substraat een kort en hecht contact zijn. Wanneer het substraat (dat normaal bindt aan zijn enzym) concurrentie krijgt van een molecuul "competitieve inhibitie" waarvan de structuur erg lijkt op die van het substraat kan het de werking remmen. Het competetieve molecuul bindt met het enzym en zorgt ervoor dat het enzym niet kan binden aan zijn normale substraat, waardoor de reactie wordt verhinderd. Deze stoffen kunnen celprocessen remmen of stoppen. Voorbeelden van enzymremmers zijn sommige pesticiden, zoals DDT, die de werking van belangrijke enzymen in het zenuwstelsel tegengaan. Veel antibiotica remmen specifieke enzymen in bacteriën. Zo blokkeert penicilline het actieve deel van een enzym, dat veel bacteriën gebruiken om hun celwanden op te bouwen. Andere gifstoffen remmen de enzymwerking doordat ze zich op een andere plaats van het enzym hechten "noncompetetive inhibitie", waardoor de vorm verandert en de werkzaamheid van het enzym wordt verhinderd. Het substraat kan zich niet meer binden aan de "active site" (=de plaats waar het substraat aan het enzym bindt en de katalytische reactie van het enzym plaatsvindt), omdat deze een conformatieverandering heeft ondergaan en zodoende geen "induced fit" (sleutel(=substraat) / slot(=active site) principe) kan plaatsvinden tussen substraat en enzym.

Allosterische regulatie

Veel enzymen bevatten naast het actieve centrum ('active site') ook een specifieke receptorplaats, die allosterische zijde wordt genoemd. Moleculen kunnen zich binden aan deze plaats d.m.v. een zwakke binding (niet covalent) en zodoende een conformatieverandering teweegbrengen aan het enzym. De moleculen die zich binden aan de allosterische zijde kunnen zowel inhibitie als excitatie (stimulatie) bewerkstelligen van de enzymactiviteit.

De meeste allosterische regulatie-enzymen zijn geconstrueerd uit twee of meer polypeptide ketens, oftewel subunits. Elke subunit heeft zijn eigen actief centrum en de allosterische zijde bevindt zich meestal tussen deze afzonderlijke subunits. Het binden van een activatormolecule aan de allosterische zijde stabiliseert de conformatie van het actieve centrum. Alle subunits kunnen zich conformeren als er één activatormolecule reageert met de allosterische zijde. De conformatieverandering van 1 subunit heeft direct gevolg voor dezelfde conformatieverandering bij de overige subunits: een soort kettingreacie.

Soms zijn een activatormolecule en een inhibitormolecule hetzelfde qua vorm om te competeren voor dezelfde allosterische zijde van een enzym. Sommige enzymen in katabolische paden hebben een allosterische zijde voor zowel ATP (adenosine trifosfaat) als AMP (adenosine monofosfaat). Deze enzymen worden geïnhibeerd door ATP en geactiveerd door AMP. Dit is logisch, want een hele belangrijke functie van de cel is om ATP te regenereren. Als de ATP productie achter komt te liggen, wordt AMP geaccumuleerd en activeert het enzym om het ATP weer sneller te katabolyseren. Als de voorraad ATP de vraag overschrijdt, dan gaat het katabolyseren minder snel, omdat het ATP zich accumuleert.

Co-enzymen

Veel enzymen werken niet zonder de aanwezigheid van een extra factor die niet uit eiwit bestaat: een co-factor. Dat kan een ion zijn van bijvoorbeeld zink, mangaan, koper, magnesium, ijzer, kalium of natrium. Dit zijn de sporenelementen in het voedsel. De co-factor kan ook een klein organisch molecuul zijn: een co-enzym. Voorbeelden zijn de vitamines B: thiamine (B1), riboflavine (B2) en nicotinamide alsmede vitamine C. Co-enzymen kunnen sterk (covalent) gebonden zijn aan het eiwitdeel van het enzym of heel zwak. Dan zijn ze slechts tijdelijk gebonden aan het enzym wanneer dit zijn katalytische functie uitoefent.

Invloeden

De enzymwerking kan door verschillende factoren worden beïnvloedt :

• De temperatuur
• De zuurgraad
• De enzymconcentratie

Invloed van de temperatuur

Doordat enzymen eiwitten zijn, is de activiteit van enzymen afhankelijk van de temperatuur. Als de temperatuur wijzigt, wijzigt ook de ruimtelijke structuur van het enzym.

Ieder enzym heeft een optimale activiteit bij een bepaalde temperatuur. Bij een lage temperatuur zijn de meeste enzymen niet actief, doordat de deeltjes te traag bewegen. Bij hogere temperaturen (boven 50°C) kan een enzym ook niet meer functioneren, door denaturatie (het verlies van de ternaire en quarternaire structuur). De enzymwerking is maximaal rond de 37°C. Dat is niet voor niets de lichaamstemperatuur van de mens. Wanneer we bijvoorbeeld koorts hebben, dan vermindert onze enzymwerking, doordat onze lichaamstemperatuur stijgt. Andersom gaat het bij onderkoeling : dan daalt onze enzymwerking, doordat onze lichaamstemperatuur daalt. Het functiesysteem in ons lichaam wordt dan langzaam uitgeschakeld.

Invloed van de zuurgraad

De activiteit van een enzym wordt ook beïnvloed door de zuurgraad (pH). Bepaalde enzymen, zoals peptase in de maag, werken goed tot zeer goed in een zuur milieu (pH< 7). De optimum pH-waarde ligt doorgaans tussen pH 5 en pH 8. Een inleiding in de aangeboren stoornissen van de stofwisseling Andere enzymen, zoals trypsine in de darmen, werken enkel in basisch milieu (pH > 7).

Invloed van de enzymconcentratie

Ook de enzymconcentratie heeft een grote invloed op de enzymwerking. Wanneer een enzym met een afnemende concentratie inwerkt op een substraat, is de werking het grootst bij de hoogste concentratie. Dat wil niet zeggen dat enzymen bij lage concentratie niet actief zijn, integendeel. Dit wijst ook op het herbruikbaar zijn van een enzym na een reactie.

Bekende enzymen

• Amylase
• Cellulase
• Desaturase
• DNA-polymerase
• Elongase
• Katalase
• Lactase
• Lysozym
• Monoamino-oxidase (MAO)
• Pectinase
• Peptase
• Protease
• Restrictie-enzym
• Trypsine
• RNase L

Externe links

• over vetzuur metabolisme
• BRENDA - enzym database
• het enzym-spel (Engels)
• - Enzymen