Enzym

Modell av Purine Nucleoside Phosphorylase

Enzym (fra gr en zyme, i gjær) er en betegnelse på forskjellige biologiske katalysatorer som er virksomme i levende organismer. De spiller en avgjørende rolle i livsprosessene. Langt de fleste enzymer kan klassifiseres kjemisk som enkle eller sammensatte proteiner. Men noen få RNA-molekyler kalt ribozymer katalyserer også reaksjoner, og bør derfor også kunne kalles enzymer. Et viktig eksempel finnes i ribosomene. Syntetiske molekyler kalt kunstige enzymer viser også enzymlignende katalysatoreffekt.

I denne artikkelen vil vi imidlertid i det videre begrense oss til enzymer av proteinnatur. Ofte har disse en lavmolekylær del, koenzymet, som skjelnes fra en proteindel, apoenzymet, og disse utgjør sammen i løs forbindelse det aktive holoenzym.

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.

Eduard Buchner

Kjemikere på 1800-tallet kjente til at magesaft kunne bryte ned mat, og Pasteur viste 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 og hans medarbeidere å krystallisere enzymet urease, som spalter urea til karbondioksid og ammoniakk. Siden er mange andre enzymer krystallisert, og oppbygningen bestemt i detalj.

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 av 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)

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 aktiveringsenergien 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.

I 1902 foreslo Victor Henri en modell for enzymenes virkemåte. Det følgende er i alt vesentlig i tråd med hans modell: 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

Proteiner med spesifikke fysiologiske og metabolske funksjoner, slik som enzymer, er kveilet opp på en bestemt måte. Deres aktivitet bestemmes af den tredimensionelle strukturen. De fleste enzymer er langt større end de substratene de virker på, og bare en liten del av enzymet (omkring 3-4 aminosyrer) er direkte involvert i katalysen. Denne delen av enzymmolekylet kalles det aktive setet.

Figur som viser Koshlands "induced fit"-modifisering av Fischers lås-og-nøkkelmodell.

Når et enzymmolekyl er intakt, er det foldet slik at det aktive setet danner en grop på overflaten, som passer til det substratet det skal omdanne. Det er her ES-komplekset blir dannet. For at det aktive setet skal fungere trengs oftest et koenzym eller en prostetisk gruppe som bindeledd mellom substratet og proteindelen av enzymmolekylet. Det aktive setet utgjør bare en liten del, kanskje bare 5 %, av enzymoverflaten. Emil Fischer sammenlignet interaksjonen mellom et substrat og en enzym med en nøkkel som passer inn en lås. Men denne modellen er for statisk til å forklare selve omdannelsen av substratet

I 1958 foreslo Daniel Koshland en modifikasjon av denne modellen som han kalte induced fit (indusert tilpasning). Denne innebærer at det fleksible proteinmolekylet klapper om ved bindingen av substratet, slik at det oppstår spenninger i de kjemiske bindingene i substratet, noe som destabiliserer substratmolekylet og favoriserer dannelsen av ES-komplekset. "Induced fit"-modellen er enerådende i enzymologiske kretser i dag.

Enzymaktivitet

Enzymer kan omsette opptil flere millioner substratmolekyler per sekund. For eksempel vil reaksjonen som katalyseres av enzymet orotidin 5'-fosfatdecarboxylase forbruke halvparten av en viss substratmengde på 78 millioner år hvis enzymet ikke er til stede. Når enzymet tilsettes øker hastigheten slik at halveringen av den samme substratmengden tar 25 millisekunder. Et annet eksempel på enzymenes effektivitet er enzymet karboanhydrase. I forbrenningen i cellene blir sluttproduktet CO₂ dannet. Ved hjelp av karboanhydrase omdannes CO₂-gassen 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)

Temperatur

Ved lav temperatur går reaksjonen sakte. Hastigheten på reaksjonen øker med temperaturen. Dette fordi molekylene som deltar i reaksjonen 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.

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 denaturering av de fleste enzymer. Pepsin bli denaturert ved pH > 5. De fleste enzymer har optimum pH mellom 4 og 10.

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.

Enzymkinetikk

Enzymkinetikk er studiet av reaksjonsforløpet og reaksjonshastigheten i enzymkatalyserte reaksjoner, og hvordan disse varierer med ulike betingelser. Dagens modeller for enzymkinetikk bygger på arbeidene til den tyske kjemikeren Leonor Michaelis og hans kanadiske student Maud Leonora Menten. De bygde videre på Henris modell (se ovenfor), som går ut på at enkle enzymreaksjoner kan uttrykkes på formen:

$E+S\Leftrightarrow ES\Rightarrow E+P$

der E er enzym, ES er et enzym-substrat-kompleks og P er produkt. Noen enzymer kan brukes på nytt etter å ha dannet produktet, mens andre blir inaktivert på grunn av forandringer i proteinstrukturen.

Metningskurve for en enzymreaksjon. Diagrammet viser relasjonen mellom substratkonsentrasjonen (S) og reaksjonshastigheten (v).

For denne reaksjonen kunne de bekrefte hans formel, som han ikke selv fikk til å stemme helt med dataene på grunn av manglende forståelse for den reaksjonen han studerte. Denne formelen som gir sammenhengen mellom reaksjonshastigheten v og substratkonsentrasjonen [S], kalles Henri-Michaelis-Menten-ligningen (eller bare Michaelis-Menten-ligningen). :

$v={\frac {V_{max}[S]}{K_{m}+[S]}}$

Her er V_max den maksimale reaksjonshastigheten for enzymet, mens K_m er Mikaelis-konstanten, som gir substratkonsentrasjoner ved halvparten av V_max.

Les mer om enzymkinetikk på Universitetet i Oslo.

Regulering av enzymer

Enzymer kan binde til ulike molekyler i spesifikke bindingsseter som finnes i proteinet. Molekylene som bindes kalles ligander. Hvor sterkt liganden binder uttrykkes som ligandens affinitet. Høy affinitet betyr sterk binding. Regulering av slik binding gjøres gjerne ved strukturelle (allosteriske) forandringer i proteinet, slik at liganden ikke kan komme i kontakt med bindingssetet. Binding av ligand til ett sete kan også påvirke affiniteten for ligander til andre seter. Konsentrasjon av proteinet er en viktig type regulering.

Det finnes også kunstige metoder for å regulere proteiner. Man kan for eksempel begrense tilgangen på kofaktorer og derved senke aktiviteten. Under sterk varmepåvirkning vil de fleste enzymer denatureres og miste sin funksjon. Denatureringen er i de fleste tilfeller irreversibel og enzymet er ødelagt.

Enzymhemmere

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: ’’kompetitiv’’ og ’’nonkompetitiv’’.

En ’’kompetitiv’’ inhibitor har de samme atomgruppene 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 ’ukompetitiv’’ inhibitor virker 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.

Enkelte inhibitorer gir 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.

Inndeling av enzymer

Over 3 000 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. Blant dehydrogenasene finnes alkoholdehydrogenase, som fjerner to H-atomer fra etanol.

Isomeraser katalyserer isomeriseringen av et molekyl, for eksempel omdanningen av fruktose til glukose - begge med strukturformelen C₆H₁₂O₆. De fleste enzymene er spesifikke med henzyn til den romlige strukturen av et substrat, slik at speilbildeisomeren av substratet ikke kan omdannes.

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. Navnsettingen reguleres ved anbefalinger fra International Union of Biochemistry and Molecular Biology. Det er utviklet et nummersystem, de såkalte EC-numre; hvert enzym beskrives med en sekvens på fire tall som følger etter bokstavene "EC". Det første tallet klassifiserer enzymet basert på den type reaksjon det katalyserer:

Det øverste nivå i klassifiseringen er:

• EC 1 Oxidoreduktaser: katalyserer oksidasjons/reduksjons-reaksjoner
• EC 2 Transferaser: overfører en funksjonell gruppe (f.eks. en metyl- eller fosfatgruppe)
• EC 3 Hydrolaser: katalyserer hydrolyse av forskjellige bindinger
• EC 4 Lyaser: spalter forskjellige bindinger på annen måte enn hydrolyse.
• EC 5 Isomeraser: katalyserer isomerisering innenfor et enkelt molekyl
• EC 6 Ligaser: kobler sammen to molekyler med kovalente bindinger

En fullstendig oversikt over IUMBMBs anbefalinger kan finnes på deres hjemmesider.

Katalytiske mekanismer

1) Syre-basekatalyse 2) Kovalent katalyse 3) Metallionkatalyse 4) Elektostatisk katalyse

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