Enzym

Eenenzym(Oudgrieks:ἐνenin, ζύμηzúmegist) is eenmacromoleculaire katalysatordie een specifiekechemische reactiein eenlevend wezenkan laten verlopen. Het enzym maakt de reactie mogelijk of versnelt de reactie, zonder daarbij zelf te worden verbruikt of van samenstelling te veranderen. De stof waar het enzym op inwerkt en die nodig is voor destofwisselingheet hetsubstraat.Tijdens de reactie gaat het enzym kortstondig een binding aan met het substraat. Dit gebeurt voor elk enzym op een eigen manier, doordat elk enzym specifiek is.

Enzymen zijneiwittenen worden aangemaakt in alle organismen: vanbacteriëntotschimmels,plantenendieren.Voor de opbouw ervan zijn in een aantal gevallenvitaminennodig. Enzymen bevinden zich ook in voedsel, voor zover dat niet (langdurig) verhit is geweest. Omdat enzymen een bepalende rol spelen in het geheel van reacties binnen de cel, kunnen cellen hun chemie nauwkeurig afstellen door de aanmaak van enzymen te reguleren.

Na de reactie keert het enzym weer terug naar de oorspronkelijke toestand en kan het direct weer een reactie versnellen. Een enzym “wacht” totdat demoleculen,waarmee het enzym “aan de slag kan”, bereikbaar zijn. Het enzym klemt zich dan op een plaats aan het substraat, veelal moleculen vanvoedingsmiddelendie ontbonden worden, waar dat past en waartoe het 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). De plaats waar substraat en enzym aan elkaar hechten heten desleutelvoor het substraat en hetslotofactieve centrumvoor het enzym. Wanneer het enzym zich aan het substraat hecht, is er sprake van eeninduced fit:het enzym vervormt zich waardoor het substraat volledig wordt omsloten. 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 delever,bijvoorbeeld CYP2D6, een enzym uit hetcytochroom P450-enzymsysteem. Veel enzymen zijn sneller en efficiënter dan tot nu toe door de mens ontworpen katalysatoren. Enzymen worden mede daarom ook ingezet inchemischeprocessen, bijvoorbeeld in de voedselbereiding. Zonderenzymatische katalysezouden stofwisselingsprocessen niet mogelijk zijn zodat gesteld kan worden dat enzymen het leven op gang houden.

Geschiedenis

Het allereerste enzym werd ontdekt in 1833 door Anselme Payen. Hij vond in gerst een groep enzymen diezetmeelafbreken in verteerbare suikers. Hij noemde deze enzymen "diastase", naar διάστασιςdiastasishet griekse woord voor "scheiden". Diastase staat sindsdien voor de groep enzymen die zetmeel inmaltoseomzet.

In de19e eeuwkwamen enzymen steeds meer in de wetenschappelijke belangstelling te staan.

De moderne enzymtechnologie begon in 1874, toen de Deense chemicus Christian Hansen het eerstestremseluit kalvermagen produceerde. Dit was het eerste relatief zuivere enzympreparaat dat commercieel werd vermarkt.

Co-enzymen

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

Veel enzymen werken niet zonder de aanwezigheid van een co-factor, dat is een extra factor die niet uit eiwit bestaat. Dat kan een ion zijn van bijvoorbeeldzink,mangaan,koper,magnesium,ijzer,kaliumofnatrium.Dit zijn desporenelementenin het voedsel. De co-factor kan ook een klein organisch molecuul zijn: eenco-enzym.Voorbeelden zijn de vitamines B:thiamineB1,riboflavineB2 ennicotinamidealsmedeascorbinezuurC. 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 zijnkatalytischefunctie uitoefent.

Indeling van de enzymen

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

Oxidoreductasenzijn enzymen die oxidatie- en reductiereacties katalyseren. Hieronder vallen de enzymendesaturasen,hydrogenasen,oxidasen,reductasen, transhydrogenasen en hydroxylasen. Veel voorkomende co-enzymen in deze groep zijn NAD⁺en FAD.
Transferasenzijn enzymen die groepsoverdrachtsreacties zoals methyl-, carboxyl-, acyl-, glycosyl-, amino- of fosfaatgroepoverdracht katalyseren. Hiertoe behoren onder andere transfosfatasen ofkinasenen de transaminasen. Bij de laatstgenoemde komt het co-enzym pyridoxaalfosfaat veel voor.
Hydrolasenzijn enzymen diehydrolysereactieskatalyseren. Enzymen uit deze groep zijn onder anderepeptidasen,esterasen,glycosidasen enfosfatasen,amylase.
Lyasenzijn enzymen die splitsing van C-C, C-O en C-N bindingen door middel van eliminatiereacties katalyseren. Enzymen uit deze groep zijndecarboxylasenen dehydratasen. Gebruikte co-enzymen zijn co-enzym A en thiaminepyrofosfaat.
Isomerasen→ katalyserenisomerisatiereacties.Hieronder vallen racemasen en epimerasen.
Ligasenzijn enzymen die de koppeling van twee substraten katalyseren waarbij een binding van een koolstofatoom met een ander atoom gevormd wordt, meestal met zuurstof, stikstof of zwavel. De benodigde energie wordt vaak geleverd door hydrolyse vanATP.Tot deze groep behoren onder andereelongasen,synthetasen en carboxylasen. Belangrijke co-enzymen zijn acetyl co-enzym A enbiotine.
Translocasenkatalyseren het transport van ionen of moleculen, typisch door membranen heen.

EC-nummer

Enzymen worden ook geclassificeerd met een nummer: hetEnzymeCommission number.DitEC-nummermoet niet verward worden met hetEG-nummer,waarmee een chemische stof wordt aangeduid. Het EC-nummer is gebaseerd op de chemische reacties die het enzym katalyseert. Zo kan het voorkomen dat niet aan elkaar verwante enzymen, maar die wel dezelfde reactie katalyseren, hetzelfde nummer krijgen. Het EC-nummer bestaat uit 4 cijfers en begint met een cijfer dat een van de zes bovenstaande hoofdgroepen of klassen aanduidt. De twee hierop volgende getallen bepalen de subgroep en de sub-subgroep. Het laatste getal ten slotte bepaalt specifiek het enzym in de sub-subgroep waarover het gaat. Een voorbeeld iskatalase,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 6^deenzym (katalase).

Reactiekinetiek

De snelheid van een enzymatische reactie, ofenzymkinetiek,is afhankelijk van detemperatuur,dezuurgraaden de concentratie van enzym en substraat. Concentraties van eventueleco-enzymenof vreemde agonisten enantagonistenkunnen ook invloed op de reactiesnelheid hebben. De enzymwerking kan door verschillende factoren worden beïnvloed:

De temperatuur
De zuurgraad
De enzymconcentratie
De substraatspecificiteit

Invloed van de temperatuur

De ruimtelijke structuur van eiwitten verandert met de temperatuur. Zo zijn de meeste enzymen inactief bij lage temperaturen. Boven 50 °C wordt de werking van het eiwit ook geblokkeerd doordenaturatie.Ieder enzym heeft bij een bepaalde temperatuur, de zogenoemde optimale temperatuur, de maximale activiteit. De activiteit van enzymen wordt veelal uitgedrukt in de hoeveelheid substraat die in een bepaalde periode kan worden omgezet. Aangezien enzymen vaak de katalysator zijn voor een specifieke omzetting, zijn er dus zeer veel soorten substraat, dus ook zeer veel eenheden.

Invloed van de zuurgraad

De activiteit van een enzym wordt ook beïnvloed door de zuurgraad. Bepaalde enzymen, zoalspeptasein demaag,werken goed tot zeer goed in eenzuur milieu,met een pH < 7. De optimale pH-waarde ligt doorgaans tussen pH 5 en pH 8. Andere enzymen, zoalstrypsinein dedarmen,werken alleen in eenbasisch milieu,met pH>7.

Invloed van de enzymconcentratie

Ook de enzymconcentratie heeft een grote invloed op de enzymwerking. Wanneer een enzym met een afnemendeconcentratieinwerkt 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 chemische reactie.

Enzymremmers

Wil het enzym zijn effect kunnen uitoefenen, dan moet tussen enzym en substraat een kort en hecht contact zijn. Wanneer het substraat, waar het enzym zich aan bindt, concurrentie krijgt van een molecuul, dat heet "competitieve inhibitie", waarvan de structuur erg lijkt op die van het substraat, kan het de werking remmen. Het competitieve molecuul bindt het enzym aan zich en zorgt ervoor dat het enzym zich niet aan het normale substraat kan binden, waardoor de reactie wordt verhinderd. Deze stoffen kunnen processen in de cel remmen of stoppen. Voorbeelden van enzymremmers zijn sommigechemisch bestrijdingsmiddelen,zoalsDDT,die de werking van belangrijke enzymen in het zenuwstelsel tegengaan. Veel antibiotica remmen specifieke enzymen in bacteriën. Zo blokkeertpenicillinehet 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, dat heet "noncompetitive inhibitie", waardoor de vorm verandert en de werkzaamheid van het enzym wordt verhinderd. Het substraat kan zich niet meer aan het enzym binden, omdat deze een verandering heeft ondergaan. Er kan geen "induced fit"meer plaatsvinden tussen substraat en enzym.

Allosterische regulatie

Veel enzymen bevatten behalve het actieve centrum ook een specifieke receptorplaats, die allosterische zijde wordt genoemd. Moleculen kunnen zich binden aan deze plaats door middel van een zwakke binding, een nietcovalente binding,en zodoende een conformatieverandering teweegbrengen aan het enzym. De moleculen die zich binden aan de allosterische zijde kunnen zowel inhibitie als excitatie, dat is stimulatie, bewerkstelligen van de enzymactiviteit.

De meeste allosterische regulatie-enzymen bestaan uit twee of meerpolypeptideketens,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 één subunit heeft direct gevolg voor dezelfde conformatieverandering bij de overige subunits: een soort kettingreactie.

Soms zijn een activatormolecule en een inhibitormolecule hetzelfde qua vorm om te concurreren voor dezelfde allosterische zijde van een enzym. Sommige enzymen inkatabolischepaden hebben een allosterische zijde voor zoweladenosinetrifosfaat (ATP)alsadenosinemonofosfaat (AMP).Deze enzymen worden geïnhibeerd door ATP en geactiveerd door AMP. Dit is logisch, want een heel 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, doordat het ATP zich accumuleert.

Bekende enzymen

Zie ook

Externe links

Benno Beukema,Enzymen.Gearchiveerdop20 januari 2021.
(en)over het vetzuur metabolisme
(en)BRENDA The Comprehensive Enzyme Information System.Gearchiveerd op6 mei 2015.Geraadpleegd op19 maart 2020.
(en)The Enzyme Game(pdf).Gearchiveerdop19 september 2009.

Zie de categorieEnzymesvanWikimedia Commonsvoor mediabestanden over dit onderwerp.