. begrenset

(av en- og gr. 'gjær'), proteiner som katalyserer de kjemiske prosessene i levende organismer. Enzymene fremmer reaksjonene uten at de selv forbrukes. Forestillingen om katalyse generelt, og om biokatalyse, ble fremsatt av den svenske kjemiker J. J. Berzelius i 1835. 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, hvorav ca. 500 er blitt fremstilt i krystallinsk form. 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.

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

Et av de hurtigste enzymene som er kjent er karbonsyreanhydrasen, 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 1 000 000 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 meget.

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 energi som trengs for reaksjonen.

For å få til denne senkningen av aktiveringsenergien, må substratet tre i kontakt med enzymet, det må dannes et enzymsubstratkompleks. 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 kovalent forbindelse 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 detaljer i ES-komplekset som gjør at aktiveringsenergien senkes (enzymvirkningsmekanismen), er undersøkt i flere tilfeller. En viss bøyning av substratet fordi det aktive sete ikke passer helt, er én mekanisme. Forskyvning av bindingselektroner ved hjelp av gunstig plassering av ladde grupper innen det aktive sete, 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.

Enzymene får sin substratspesifisitet ved at det aktive sete 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 sete utgjør en liten del av enzymoverflaten. Men siden enzymproteinet er en foldet polypeptidkjede, kan de aminosyrer som deltar med sine sidekjeder i det aktive sete, befinne seg på mange forskjellige steder i den utstrukkede kjeden.

Noen enzymer er rene proteiner, andre inneholder i eller ved det aktive sete en mindre uorganisk eller organisk gruppe kalt kofaktor. Vanlige uorganiske kofaktorer er metallionene Mg2+, Mn2+, Zn2+, Cu2+, Fe2+ og enkelte andre. Metallioner som kofaktorer sitter i det aktive sete 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.

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 sete 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 sete (konkurrerende hemning). Enkelte medikamenter virker på denne måten. Binding av et stoff utenfor det aktive sete kan også virke hemmende ved at enzymets romlige struktur påvirkes. I andre tilfeller kan binding av et stoff utenfor det aktive sete 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 sete eller andre steder på enzymet og danner kovalente forbindelser. Cyanid reagerer med jernatomet i cytokromoksidasens prostetiske gruppe, og blokkerer derved cellens oksidasjonsprosesser.

Enzymene klassifiseres etter hvilken reaksjonstype de katalyserer. Den nedenstående oversikt viser de 6 hovedklassene, og noen eksempler på underklasser.

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

Transferaser, overføringsenzymer, katalyserer overføringen av en gruppe fra et stoff til et annet, f.eks. en metyl-, en acyl-, en fosfat- eller en aminogruppe.

Hydrolaser, hydrolytiske enzymer, katalyserer spaltning med vann. Omfatter en rekke undergrupper: Esteraser som katalyserer hydrolysen av esterbindingen mellom syrer og alkoholer, f.eks. lipaser som hydrolyserer triglyserider av høyere fettsyrer. Glykosidaser hydrolyserer glykosidbindingene i enkle glykosider og polysakkarider. Et eksempel er amylaser fra planter og fra pankreas og spyttkjertler. Disse enzymene hydrolyserer glykogen og stivelse. Peptidaser (proteinaser, proteolytiske enzymer) katalyserer spaltningen av peptidbindinger i proteiner og peptidkjeder. Eksempler er de viktige fordøyelsesenzymene pepsin, trypsin, kymotrypsin.

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, f.eks. aminosyrer.

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

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

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 enzymer i blodserum. Økt mengde i blodet betyr økt lekkasje av angjeldende enzym 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 anvendes 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, f.eks. Føllings sykdom og galaktosemi.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål til artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.