Enzymet Cas9 med RNA-molekyl (gult) og enkelttrådet DNA (lilla). Av /Shutterstock. Begrenset gjenbruk

enzymer

Modell av enzymet karbonsyreandhydrase.

Artikkelstart

Enzymer er stoffer, hovedsaklig proteiner, som katalyserer de kjemiske prosessene i levende organismer. Enzymene fremmer de kjemiske reaksjonene uten at de selv forbrukes.

Faktaboks

Uttale
ensˈymer
Etymologi
av gresk en- 'i, inni' og zyme, ‘gjær’, altså 'det som er i gjær'
Også kjent som

tidligere ferment

Det er enzymene som gjør det mulig for cellene å trekke energi ut av næringsmidlene, å lagre energi som fett og karbohydrat, og å bygge opp alle de bestanddeler som en levende celle består av, inkludert enzymene selv. Liv kan kjemisk sett sies å være resultatet av et kontrollert system av samarbeidende, enzymkatalyserte reaksjoner. Det er beskrevet vel 3000 forskjellige enzymer.

Ved siden av proteiner som fungerer som enzymer, eksisterer det også ribonukleinsyrer (RNA) som kan bidra til kjemisk katalyse. RNA-molekyler som virker som enzymer kalles ribozymer.

Noen eksempler på enzymer i menneskekroppen:

Egenskaper

De fleste enzymer er proteiner, som betyr at de består av mindre bestanddeler som heter aminosyrer. Aminosyrene binder seg sammen til lange kjeder. Hvert protein har en unik rekkefølge av aminosyrer. Rekkefølgen på aminosyrene bestemmer hvilke egenskaper proteinet har og hvordan det fungerer i kroppen.

Det stoffet som et enzym virker på, kalles enzymets substrat. Enzymene har en tredimensjonal struktur som gjør at de kan binde seg til ulike substrater.

Et protein må ha riktig fasong. Figuren viser hvordan et protein (trypsininhibitor), som består av mange aminosyrer, danner en lang tråd når det strekkes ut. Starten, den C-terminale delen (COOH), aminosyrer med SH-grupper, og den avsluttende delen, den N-terminale delen (NH2) er vist (a). For å kunne utføre sin funksjon må proteinet foldes korrekt. Dette skjer blant annet ved at SH-gruppene tverrbindes (S-S-bindinger) med hverandre, og ved at det dannes kjemiske bindinger mellom grupper i molekylet. Ved dette dannes det flere β-plater (rød) og en α-helix (grønn). Fortsatt er ikke den N-terminale delen (NH2) korrekt foldet (oransje) (b). Den endelige, riktige formen oppnås først når den N-terminale delen «låses på plass» gjennom nye S-S-bindinger (c).

Av /Store medisinske leksikon ※.

Spesialisering

De fleste organene i kroppen har de samme enzymene. Mengdene varierer imidlertid sterkt. På illustrasjonen er mønsteret til en enkelt gruppe enzymer (såkalte melkesyredehydrogenaser, forkortet LD) gjengitt for nyrene, de tverrstripete musklene, leveren, hjertet og lungene. Fra venstre mot høyre angir søylene prosentdelen av de fem LD-enzymenes totale aktivitet. Enzymene er for enkelhets skyld kalt LD1, LD2, LD3, LD4 og LD5.

Av /Store medisinske leksikon ※.

Enzymene er sterkt spesialiserte (spesifikke), både med hensyn til hva slags reaksjoner de katalyserer, og med hensyn til hvilke molekyler (substrater) de vil godta. Et bestemt molekyl kan omdannes av enzymer i forskjellige retninger, men det vil da være ved hjelp av forskjellige enzymer.

Enzymenes spesialisering gjør det mulig for cellen å regulere stoffskiftet sitt med stor presisjon, ettersom hver enkelt reaksjon er under spesifikk kontroll.

Mange enzymer er også mindre spesialiserte. Et eksempel er pepsin som utskilles i magesekken, og som kan bryte ned de fleste proteinene i maten vi spiser.

Katalyse

Et av de hurtigste enzymene som er kjent er karbonsyreanhydrase, et enzym som hjelper til å få karbondioksid, CO2, ut av kroppen ved at det katalyserer reaksjonen CO2 + H2O ⇋ H2CO3. Ett molekyl av dette enzymet hydratiserer en million molekyler CO2 per sekund.

Karbonsyreanhydrasen forskyver imidlertid ikke likevekten for reaksjonen. Dette er et fellestrekk for alle enzymer og katalysatorer. Begge retninger av en reaksjon påskyndes like mye.

Energi

Energidiagram for en kjemisk reaksjon. Aktiveringsenergien er henholdsvis Ea og Eb.

Av /Store norske leksikon ※.

Når et stoff skal omdannes, eller to stoffer reagere med hverandre, må det en deformering til underveis, og denne deformeringen av molekylet krever energi, den såkalte aktiveringsenergien. Bare få molekyler har nok kinetisk energi til «å komme opp bakken». Enzymer fungerer, liksom andre katalysatorer, ved å senke denne aktiveringsenergien. Bakketoppen som molekylene må over, blir lavere, og flere molekyler vil ha den energien som trengs for reaksjonen.

For å få til denne senkningen av aktiveringsenergien, må substratet tre i kontakt med enzymet, det må dannes et enzymsubstratkompleks (ES-kompleks). En reaksjon der enzymet E katalyserer omdannelsen av substratet S til produktet P kan vi da uttrykke slik: E + S ⇋ ES ⇋ E + P. I noen reaksjoner dannes det midlertidig en fast forbindelse (kovalent binding) mellom enzymet og substratet i løpet av reaksjonen. Men dette hører til unntakene. Det vanlige er binding med ikke-kovalente krefter. Det området av enzymet der bindingen skjer, kalles enzymets aktive sete.

De molekylære detaljene i ES-komplekset som gjør at aktiveringsenergien senkes (enzymvirkningsmekanismen), er undersøkt i flere tilfeller. En viss bøyning av substratet fordi det aktive setet ikke passer helt, er én mekanisme. Forskyvning av bindingselektroner ved hjelp av gunstig plassering av ladde grupper innen det aktive setet, er en annen. Midlertidig overføring av et proton mellom enzym og substrat forekommer ofte. Og når to substrater skal reagere, bringer enzymet dem i nær kontakt med hverandre.

Enzym som katalyserer nedbrytning av substrat. Enzymet (E) binder substratet (S) i en fure eller lomme (det «aktive sete») og danner et enzymsubstrat-kompleks (ES). Når substratet holdes fast av enzymet, utsettes substratet for energiforandringer som resulterer i at substratet spaltes i produktet P. Disse løsner fra enzymet, og enzymet kan starte ny spalting av substrat.

Av /Store medisinske leksikon ※.

Substrattilpasning

Enzymene får sin substratspesifisitet ved at det aktive setet er romlig nøye tilpasset substratets struktur.

Ved den gode tilpasningen skapes det mulighet for mange svake bindinger mellom substrat og enzym. Noen ganger medfører dette at bare ett stoff aksepteres, som når urease nedbryter urea til karbondioksid og vann. I andre tilfeller kan enzymene katalysere omvandlingen av en bestemt atomgruppering i beslektede stoffer. Noen esteraser vil således hydrolysere en rekke forskjellige estere. Det aktive setet utgjør en liten del av enzymoverflaten. Men siden enzymproteinet er en foldet polypeptidkjede, kan de aminosyrer som deltar med sine sidekjeder i det aktive setet, befinne seg på mange forskjellige steder i den utstrukkede kjeden.

I den såkalte nøkkellås-modellen (a) så man for seg at substratet ble direkte bundet til det aktive setet, som nærmest er som et «hull» i enzymet. I den mer utbredte hånd-i-hanske-modellen (b) bindes substratet først til et «gjenkjennelsessete». Dette forandrer enzymets form, og gjennom denne forandringen dannes det aktive setet. I begge tilfellene dannes et enzymsubstrat-kompleks (ES-kompleks).

Av /Store medisinske leksikon ※.

Kofaktorer

Noen enzymer er rene proteiner, andre inneholder i eller ved det aktive setet en mindre uorganisk eller organisk gruppe kalt kofaktor. Vanlige uorganiske kofaktorer er metallionene fra magnesium (Mg2+), mangan (Mn2+), sink (Zn2+), kobber (Cu2+), jern (Fe2+) og enkelte andre. Metallioner som kofaktorer sitter i det aktive setet og tar del i katalysen, eller de fungerer som tilknytningspunkter.

Organiske kofaktorer kalles koenzymer. Visse koenzymer (hem, metylkobolamin) inneholder også et metall. Noen koenzymer er bare kortvarig bundet til enzymene, på samme måte som substratene. Andre koenzymer forblir på enzymet. Disse koenzymene kalles også prostetiske grupper. Et koenzym deltar i mange forskjellige enzymreaksjoner. Koenzymer tjener vanligvis som overførere av elektroner og/eller atomer og atomgrupper under enzymatiske reaksjoner. De inneholder ofte et B-vitamin som del av sin struktur.

Regulering

Enzym. Feed-back regulering. Endeproduktet Z, som dannes ved nedbryting av X – via Y – og eventuelt mange flere mellomledd, virker tilbake på enzymet B og hemmer dette. Derved avtar enzymets funksjon, og dannelsen av Z blir redusert. A, B og C er enzymer i en biosyntesevei.

Av /Store medisinske leksikon ※.

Enzym. Virkningen av et enzym avhenger sterkt av temperaturen i vevet. Kurven gjengir hastighetsforandringen i en kjemisk reaksjon som er fremmet av et bestemt enzym (vertikal akse) ved stigende temperatur (horisontal akse). Etter at den optimale temperatur (i eksempelet 44 °C) er nådd, avtar reaksjonshastigheten fordi enzymet blir ødelagt.

Av /Store medisinske leksikon ※.

Som alle kjemiske prosesser vil også enzymreaksjoner øke i hastighet ved økning i temperaturen, inntil den blir så høy at enzymet denatureres. Enzymenes aktivitet er videre avhengig av løsningens surhetsgrad (pH). Både substratet, grupper i det aktive setet som binder substratet og grupper som deltar i katalysen kan ta imot eller avgi et proton, slik at enzymvirkningen opphører. Hvor det optimale pH ligger, vil variere fra enzym til enzym. Et ekstremt tilfelle er pepsin, hvis pH-optimum ligger ved 1,7. Derved kan pepsin arbeide effektivt i magens sure miljø.

Stoffer som ligner på substratmolekylene for et enzym, kan hemme enzymet ved å konkurrere med substratmolekylene om plassen på det aktive setet (konkurrerende hemning). Enkelte legemidler virker på denne måten. Binding av et stoff utenfor det aktive setet kan også virke hemmende ved at enzymets romlige struktur påvirkes. I andre tilfeller kan binding av et stoff utenfor det aktive setet stimulere enzymet. Slike reversible, allosteriske effekter utnyttes i cellen til regulering og koordinering av enzymreaksjonene.

En irreversibel hemning inntrer når tungmetaller som bly og kvikksølv, eller visse organiske molekyler reagerer med grupper i det aktive setet eller andre steder på enzymet og danner kovalente forbindelser. Cyanid reagerer med jernatomet i cytokromoksidasens prostetiske gruppe, og blokkerer derved cellens oksidasjonsprosesser.

Inndeling

Enzymer klassifiseres etter hvilken reaksjonstype de katalyserer. Den nedenstående oversikt viser de seks hovedklassene, og noen eksempler på underklasser.

Oksidoreduktaser

Oksidoreduktaser er oksidasjons–reduksjonsenzymer som deltar i biologisk oksidasjon og reduksjon (se red-oksreaksjon). Viktige undergrupper er dehydrogenaser, som katalyserer dehydrogeneringen av deres substrater, oksidaser og peroksidaser.

Transferaser

Transferaser er overføringsenzymer som katalyserer overføringen av en gruppe fra et stoff til et annet, for eksempel en metyl-, en acyl-, en fosfat- eller en aminogruppe.

Hydrolaser

Hydrolaser er hydrolytiske enzymer som katalyserer spaltning med vann. Det er en rekke undergrupper blant hydrolasene:

Lyaser

Lyaser er enzymer som fjerner grupper fra substratet hvorved det dannes dobbeltbindinger. En viktig undergruppe er dekarboksylaser, som katalyserer fjerningen av karbondioksid (uten oksidasjon) fra forskjellige biologisk viktige karbonsyrer, for eksempel aminosyrer.

Isomeraser

Isomeraser katalyserer isomeriseringer i deres substrater. Undergrupper er blant annet racemaser og epimeraser, cis-transisomeraser og mutaser.

Ligaser

Ligaser eller syntetaser er enzymer som katalyserer sammenkoblingen av to molekyler samtidig med nedbrytningen av ATP. Energien som frigjøres ved denne nedbrytningen, utgjør energien som er nødvendig for syntesen.

Navn

Enzymene gis ut fra dette systemet et nummer og et systematisk navn. Fortsatt brukes enklere trivialnavn som består av navnet på substratet og et navn som ender på «-ase» som spesifiserer reaksjonstypen. Noen få enzymer, som pepsin og trypsin som ble tidlig oppdaget, har beholdt sine opprinnelige navn.

Medisinsk bruk

Kunnskap om enzymer er nødvendig for en rekke virksomheter og fagområder. I medisinen får man hjelp til å stille diagnose og følge utviklingen av en sykdom ved at man måler mengden av ulike enzymer i blodserum. Økt mengde i blodet betyr økt lekkasje av det gjeldende enzymet fra vevene, og enzymmønsteret vil ofte peke ut et eller noen få mulige vev som kan være berørt.

Man kan også måle enzymaktiviteten direkte i cellene, ved at man studerer vevsbiopsier (små biter av vev som tas ut), blodceller eller cellekulturer. Dette har særlig interesse i forbindelse med arvelige enzymdefekter. Enzymer kan videre brukes i medisinen til å måle konsentrasjonen av enzymets substrat i vevsvæsker som blod og urin.

Man kjenner flere hundre forskjellige sykdommer som skyldes arvelige enzymdefekter, for eksempel Føllings sykdom og galaktosemi.

Giftstoffers virkning

En lang rekke giftstoffer virker ved at de hemmer eller ødelegger enzymer. Tungmetaller som for eksempel sølv, kvikksølv og bly er giftige, fordi de deformerer visse enzymer ved å binde seg til atomgrupper utenfor molekylets aktive sentra. Andre gifter kan forene seg med metallatomene i metallholdige enzymer. Blåsyre angriper for eksempel et av enzymene i elektrontransportkjeden, slik at organismen dør av en slags indre kvelning.

Analyse av enzymer

Minst 500 enzymer er blitt fremstilt i krystallinsk form, hvilket krever renfremstilling av enzymet. For å renfremstille et enzym, må først cellene åpnes ved en eller annen form for knusing. De knuste cellene ekstraheres så med vann eller en saltløsning, det foretas fraksjonerte fellinger, kromatografi og elektroforese, i det hele tatt behandlinger som bygger på at enzymene er proteiner.

Når enzymet befinner seg i en ren og konsentrert form kan man forsøke å krystallisere det. Dette gjøres ved såkalt kontrollert utfelling. Ved bruk av røntgenkrystallografi kan man bestemme den tredimensjonale strukturen til enzymet. Visualisering og inspeksjon av den tredimensjonale strukturen kan være nyttig for å forstå hvordan enzymet fungerer.

Tredimensjonale strukturer av enzymer og andre proteiner lagres i en felles internasjonal database som kalles Protein Databank.

Produksjon av enzymer

Enzymer dannes av levende planter og dyr, men er selv døde stoffer.

Dette er mulig på flere måter:

  1. ved å isolere enzymer fra planter og dyr
  2. ved å la mikroorganismer (bakterier og sopp) utskille enzymene (mikrobiologisk fremstilling)
  3. ved rekombinant DNA- (og cDNA-) teknikk

Bioteknologi har gjort storproduksjon av enzymer til ulik bruk mulig.

Bruk i hverdagen

Menneskene har utnyttet enzymene i husholdningen så langt tilbake som historien går. Gjærsopper finnes overalt, og man lærte seg tidlig å bruke gjærsoppenes enzymer i form av surdeig til fremstilling av brød. Gjærsoppenes evne til å forvandle plantesafter til vin og øl er også en av de eldste oppdagelser menneskeheten har gjort.

Enzymer brukes nå i næringsmiddelindustrien, blant annet i osteproduksjon, for smaksforbedring av melkeprodukter og produksjon av sirup.

Et annet viktig bruksområde er behandling av sykdom, for eksempel fibrinolytisk behandling ved blodpropp.

Enzymer brukes også til å fjerne hår på dyrehud ved lærbehandling og til flekkfjerning. Mange vaskemidler tilsettes proteinspaltende enzymer (proteaser). Proteiner forårsaker flekker som er vanskelige å fjerne, siden de klumper seg sammen (koagulerer). Enzymene bryter ned proteinene, som dermed bør de løsne fra tekstilene.

Historikk

Forestillingen om katalyse generelt, og om biokatalyse, ble fremsatt av den svenske kjemikeren Jacob Berzelius i 1835.

Det gamle ordet for enzym, ferment, kommer av det latinske ord fermentum, som betyr gjæring (fermentering). Betegnelsen enzym, som ble innført i 1878, har samme betydning.

Det vitenskapelige studiet av enzymene tok fart da man ble klar over enzymenes universelle rolle som biologiske katalysatorer. En anelse om at enzymene var proteiner, ble bekreftet i 1926, da det lyktes å fremstille urease i krystallinsk form.

Les mer i Store norske leksikon

Eksterne lenker

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg