• Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

enzymer

Oprindelig forfatter BQui Seneste forfatter Redaktionen

Enzymer. Sammenhængen mellem substratkoncentration (S) og hastigheden (V), hvormed produktet dannes i en enzymkatalyseret reaktion, som følger Michaelis-Menten-kinetik. Hastigheden af omdannelsen af substrat til produkt ændrer sig under reaktionens forløb. Vmax er den maksimale hastighed. KM kaldes Michaelis-konstanten, som er den substratkoncentration, hvor halv maksimal hastighed opnås.

Enzymer. Sammenhængen mellem substratkoncentration (S) og hastigheden (V), hvormed produktet dannes i en enzymkatalyseret reaktion, som følger Michaelis-Menten-kinetik. Hastigheden af omdannelsen af substrat til produkt ændrer sig under reaktionens forløb. Vmax er den maksimale hastighed. KM kaldes Michaelis-konstanten, som er den substratkoncentration, hvor halv maksimal hastighed opnås.

enzymer, proteiner, som dannes af levende celler, og som katalyserer kemiske reaktioner. Enzymer har en specifik tredimensional struktur. Langt hovedparten af de kemiske reaktioner i levende celler katalyseres af enzymer. De fleste reaktioner ville forløbe meget langsomt ved cellens normale temperatur, hvis de ikke blev katalyseret. Karakteristisk for enzymer er deres specificitet over for en bestemt kemisk reaktion.

Et enzym består af selve enzymet (apoenzym) samt eventuelle prostetiske grupper og cofaktorer (små uorganiske eller organiske molekyler), som er nødvendige for enzymets funktion. Coenzymer er lavmolekylære stoffer, fx NAD, der indgår som et nødvendigt led i visse enzymatiske reaktioner. Katalytisk aktive RNA-molekyler kaldes ribozymer.

Enzymer anvendes i vid udstrækning industrielt, fx i vaskemiddel- og levnedsmiddelindustrien.

Ordet enzymer kommer af en- og græsk zyme 'gær, surdej'.

Den katalytiske proces

Enzymer øger reaktionshastigheden (op til millioner af gange) uden selv at blive forbrugt i reaktionen og uden at ændre reaktionens ligevægt. Den enzymatiske reaktion foregår ved, at substratet, som skal omsættes, bindes til enzymet, hvorefter det dannede produkt frigøres fra enzymet.

Annonce

Substratet bindes til et særligt område (active site) af enzymet, der specielt passer til substratet. Dette er basis for et enzyms specificitet. I det aktive område består enzymet af kemiske grupper, som bevirker, at den energi (aktiveringsenergi), som er nødvendig for at igangsætte reaktionen, bliver så lille, at reaktionen kan forløbe ved cellens normale temperatur, fx 37 °C. De fleste enzymer fungerer med optimal hastighed netop ved den normale biologiske temperatur (temperatur-optimum). Ligeledes har enzymer normalt et pH-optimum.

Opdeling af enzymer i klasser efter funktion

oxidoreduktaser

  • dehydrogenaser
  • oxidaser
  • reduktaser
  • peroxidaser
  • katalaser
  • oxygenaser
  • hydroxylaser

transferaser

  • transaldolaser og transketolaser
  • acyl-, methyl-, glykosyl- og fosforyl-transferaser
  • kinaser
  • fosfomutaser

hydrolaser

  • esteraser
  • glykosidaser
  • peptidaser
  • fosfataser
  • thiolaser
  • fosfolipaser
  • amidaser
  • deaminaser
  • ribonukleaser

lyaser

  • decarboxylaser
  • aldolaser
  • hydrataser
  • dehydrataser
  • syntaser
  • lyaser

isomeraser

  • racemaser
  • epimeraser
  • isomeraser
  • mutaser (ikke alle)

ligaser

  • syntetaser
  • carboxylaser

Regulering af enzymers aktivitet

Enzymkinetik beskriver, hvorledes hastigheden af omdannelsen af substrat til produkt ændrer sig under reaktionens forløb. Omdannelseshastigheden følger normalt det såkaldte Michaelis-Menten-udtryk. Omsætningshastigheden er proportional med substratkoncentrationen, så længe denne er lav, men går herefter gradvis over i en mætningsfase. Der kan således med en given enzymmængde højst omsættes en bestemt mængde substrat pr. tidsenhed uanset yderligere stigning i substratkoncentrationen. Denne omsætningshastighed ved substratmætning betegnes som enzymets maksimale aktivitet, Vmax. Vmax er således proportional med mængden af enzym.

Kontrol af cellernes stofskifte og dermed af organismens homeostase sker i vid udstrækning via regulering af en række centrale enzymatiske processer. Et enzyms aktivitet kan reguleres på flere måder:

Produkthæmning

Det dannede produkt kan hæmme sin egen dannelse. Stofskifteprocesser er ofte arrangeret som kæder af enzymatiske reaktioner. I mange af disse kæder virker kædens slutprodukt hæmmende på enzymet i et af de første enzymatiske trin i kæden. Dette betegnes også feedback-hæmning.

Allosterisk regulering

Nogle enzymer er forsynet med et eller flere såkaldte aktivator-inhibitor-bindingsområder. Sådanne enzymers aktivitet kan reguleres af fx koncentrationen af en række af stofskiftets centrale molekyler (fx ATP, ADP og AMP), når disse bindes til det regulatoriske bindingsområde på enzymmolekylet.

Covalent modifikation

Et tredje reguleringsprincip består i, at enzymmolekylet kan fosforyleres, dvs. fosfat bindes covalent til en eller flere OH-grupper i enzymmolekylet. Processen, hvorved et enzym modificeres covalent, er også katalyseret af enzymer. Sådanne enzymer kaldes kinaser, når der er tale om fosforylering, og fosfataser, når der er tale om defosforylering, dvs. at fosfat fjernes. Processen er ofte reguleret af hormoner. Fx er nedbrydningen af glykogen i muskler styret på denne måde via hormonet adrenalin.

Visse enzymer, fx fordøjelsesenzymer, syntetiseres i en inaktiv form (zymogen), som aktiveres, når der er brug for enzymet. Fx syntetiseres trypsinogen i bugspytkirtlen; det aktiveres i tyndtarmen til det aktive enzym trypsin.

Konkurrencehæmning

Enzymatiske reaktioner kan hæmmes af fremmede stoffer. Stoffer, som ligner det rigtige substrat, kan bindes til enzymets aktive område og herved konkurrere med det normale substrat. En sådan konkurrencehæmning kan i nogle tilfælde modvirkes ved tilførsel af høje koncentrationer af det naturlige substrat. I andre tilfælde bindes hæmmeren irreversibelt til det aktive område og kan ikke fjernes ved tilsætning af yderligere naturligt substrat; så er enzymet permanent inaktiveret. En række lægemidler virker som enzymhæmmere. Fx virker penicillin ved, at det bindes til et enzym, som fungerer i bakteriers cellevægsdannelse. Penicillin ligner enzymets normale substrat og bindes irreversibelt til enzymet. Så kan bakterierne ikke danne cellevæg, og de går til grunde.

Enzymers aktivitet kan hæmmes irreversibelt eller reversibelt. En irreversibel hæmmer (inhibitor) reagerer med enzymet under dannelse af et permanent modificeret enzymmolekyle, der er inaktivt. Det er enzymets egen kemiske aktivitet, der forårsager reaktionen, hvorfor en irreversibel hæmmer også kaldes en suicide inhibitor ('selvmordshæmmer'). Vedrørende reversible hæmmere skelnes mellem tre forskellige mekanismer samt kombinationer heraf: kompetitive hæmmere (konkurrencehæmmere), som binder til samme sted som enzymets substrat, non-kompetitive hæmmere, som binder til et andet sted end substratet, samt ukompetitive hæmmere, som også binder til et andet sted end substratet, men kun når enzymet allerede har bundet substratet.

Dannelse og nedbrydning af enzymer

Som andre proteiner er også enzymer indkodet som et gen i cellernes DNA. En mutation i enzymgenet kan medføre en arvelig enzymdefekt. Dette bevirker nedsat eller manglende aktivitet af enzymet, hvilket medfører forstyrrelser i stofskiftet, eventuelt sygdom.

Regulering af enzymsyntesen

Alle de nødvendige enzymer findes i ganske bestemte mængder, som får processerne i cellen til at forløbe optimalt. En lang række reguleringsmekanismer sørger for, at det rette antal enzymmolekyler altid er til stede. Styringen af dannelsen af disse proteinmolekyler sker gennem en regulering af kopieringen af cellens gener til de messenger-RNA-molekyler, som vha. cellens ribosomer oversættes til proteinet.

Induktion og repression

Reguleringen af mRNA-produktionen i cellerne sker som svar på en ydre påvirkning, der for bakteriers og andre fritlevende cellers vedkommende kan være en ændring i vækstmiljøet, eller for celler i mangecellede organismer kan være tilstedeværelsen af et hormon eller et cytokin. Fx er det glukoseomsættende enzym glukokinase ikke til stede i leveren efter længere faste, men det dannes igen efter fødeindtagelse, idet insulin aktiverer genet for glukokinase i leveren. Tæt op ad genet for et enzym findes et DNA-område, kaldet en promotor, der styrer, hvor hyppigt genets information kopieres til et RNA-molekyle. Et eller flere kontrolproteiner binder til promotor-området, og under bestemte bindingsforhold vil RNA-polymerase påbegynde transkriptionen af messenger-RNA. En induktion giver en øget produktion af mRNA, en repression en nedsat produktion af mRNA.

Attenuation

Hos bakterier findes yderligere en reguleringsmekanisme, som hindrer færdiggørelsen af de mRNA-molekyler, der koder for enzymer, som indgår i aminosyre-syntesen. Tæt efter startpunktet for mRNA-syntesen findes et stopsignal, der afbryder den videre syntese af RNA-molekylet. Attenuation er koblet til proteinsyntesen, og kun når denne er nedsat på grund af aminosyremangel, vil RNA-polymerase fortsætte forbi stopsignalet og danne et komplet mRNA.

Enzymer. Til venstre: Et enzym tiltrækker et eller flere substratmolekyler, ofte to, som passer i dets aktive center som nøgle(r) i en lås. Her er substratet ethanol, og NAD+ fungerer som coenzym. I midten: Substratmolekylerne holdes tæt sammen af enzymet. De reagerer og danner slutproduktet. Til højre: Produktet, acetaldehyd, og det reducerede coenzym, NADH, fjerner sig fra enzymet. Enzymet ændres ikke af reaktionen og kan nu tiltrække nye substratmolekyler.

Enzymer. Til venstre: Et enzym tiltrækker et eller flere substratmolekyler, ofte to, som passer i dets aktive center som nøgle(r) i en lås. Her er substratet ethanol, og NAD+ fungerer som coenzym. I midten: Substratmolekylerne holdes tæt sammen af enzymet. De reagerer og danner slutproduktet. Til højre: Produktet, acetaldehyd, og det reducerede coenzym, NADH, fjerner sig fra enzymet. Enzymet ændres ikke af reaktionen og kan nu tiltrække nye substratmolekyler.

Enzymnedbrydning

Enzymer kan ligesom andre proteiner nedbrydes af særlige proteinspaltende enzymer, såkaldte proteaser (proteinaser, se også endo- og eksopeptidase).

Normalt ødelægges enzymer, når de opvarmes til over 40-60 °C, idet proteinets rumlige struktur ødelægges, svarende til hvad der sker, når æggehvide størkner på stegepanden. Herved mister enzymet sin katalytiske egenskab. Der eksisterer dog bakterier, som lever i varme kilder ved 70-80 °C; deres enzymer er tilpassede til den høje temperatur. Visse arkebakterier, fx slægten Pyrococcus, har endda temperaturoptimum ved 100 °C.

Enzymer kan også inaktiveres ved behandling med stærk syre eller base. Der er dog enzymer, som er specielt modstandsdygtige over for syre, fx det proteinnedbrydende enzym pepsin, som udskilles af celler i mavens slimhinde, og som har optimal aktivitet omkring pH 3,0.

Klassifikation og navngivning af enzymer

Enzymer inddeles efter deres funktion i seks hovedklasser:
1) Oxidoreduktaser, som katalyserer oxidation hhv. reduktion.
2) Transferaser, som katalyserer overførsel af grupper, fx en acetylgruppe.
3) Hydrolaser, som katalyserer hydrolytisk spaltning af molekyler, dvs. spaltning under samtidig vandoptagelse.
4) Lyaser, som katalyserer ikke-hydrolytisk spaltning af substratet eller den modsatte reaktion, dvs. sammenbinding af to substrater.
5) Isomeraser, som katalyserer isomeriseringsreaktioner.
6) Ligaser (syntetaser), som katalyserer dannelse af bindinger mellem molekyler under samtidig ATP-spaltning.

Hovedklasserne kan yderligere underinddeles i tre niveauer. Hvert enzym kan således angives entydigt med et firecifret nummer. Enzymet 1.1.1.1. betegner alkoholdehydrogenase (alkohol-NAD:oxido-reduktase), som katalyserer følgende reaktion:
alkohol + NAD+ → acetaldehyd + NADH + H+.
Denne redoxreaktion foregår i leveren, og NAD er coenzym for reaktionen.

Enzymers navne består ofte af endelsen -ase i forbindelse med navnet på enzymets substrat, således katalyserer laktase nedbrydningen af laktose, og proteaser (proteinaser) er gruppen af proteinnedbrydende enzymer. Nogle af fordøjelsens enzymer har endelsen -in, fx trypsin. Visse enzymgrupper, fx isomeraser, er navngivet efter funktion.

Se også fremstilling og anvendelse af enzymer.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Bjørn Quistorff: enzymer i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 19. oktober 2017 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=71290