enzymwerking  (theorie - theorie)| bovenbouw v |

enzymen

In cellen vinden talrijke stofwisselingsreacties plaats. Deze reacties verlopen uit zichzelf doorgaans traag of helemaal niet. Dit komt door de omstandigheden in de cel. Het celmilieu kan een beperkende of vertragende factor zijn op de reacties die zich in de cel voltrekken. Enzymen katalyseren reacties. Dit wil zeggen dat enzymen reacties versnellen. De katalysator (het enzym) wordt bij deze reacties zelf niet verbruikt. Enzymen zijn eiwitten en worden in lichaamscellen gesynthetiseerd.

substraat, enzymcomplex en product en evenwichtsreacties

evenwichtsreactie

Als met behulp van enzymen stof A omgezet wordt in stof B, wordt stof A het substraat en stof B het product genoemd. Enzymreacties zijn echter vaak evenwichtsreacties. Dit wil zeggen dat als er meer stof B is dan stof A dat de reactie de andere kant op verloopt. In dat geval is stof B het substraat en stof A het product.

omzetting van maltose in glucose onder invloed van maltase


In de bovenstaande animatie is de omzetting van maltose naar glucose in het darmkanaal schematisch weergegeven. Onder invloed van maltase (enzym) wordt maltose omgezet in glucose. Enzymen krijgen doorgaans de uitgang van het substraat. Aangezien in dit geval 'maltose' het substraat is, wordt het enzym 'maltase' genoemd. Hoewel enzymreacties doorgaans evenwichtsreacties zijn, loopt de reactie in de bovenstaande animatie slechts in één richting: de omzetting van maltose in glucose. Dit komt omdat het product glucose meteen wordt opgenomen door de cellen in het darmepitheel (darmdekweefsel). Omdat het product glucose als het ware verdwijnt, blijft de evenwichtsreactie in de richting van de omzetting naar glucose verlopen en niet omgekeerd.

activeringsenergie

Om een reactie plaats te laten vinden is activeringsenergie nodig. Pas als door een vonk of lucifer energie aan een brandstof wordt toegevoegd zal deze ontbranden. Om een brandstof te laten ontbranden moet de energiedrempel worden overschreden. Substraten bij een stofwisselingsreactie hebben meestal een hoge energiedrempel. De temperatuur in lichaamscellen is te laag om de reactie spontaan te kunnen laten plaatsvinden. Door de inwerking van enzymen op het substraat wordt de energiedrempel aanzienlijk verlaagd. Door de verlaging van de energiedrempel is minder activeringsenergie nodig om de reactie te laten plaatsvinden.

activeringsenergie bij een reactie met en bij een reactie zonder enzymen

reactiespecifiek

Enzymen zijn reactiespecifiek. Dit wil zeggen dat een enzym slechts één type reactie katalyseert. Dit komt omdat een substraat als een sleutel past in het actieve centrum van een enzym. Omdat enzymen niet verbruikt worden bij reacties, komen in ons lichaam slechts kleine hoeveelheden enzymen voor. Bij kamertemperatuur zet het enzym urease circa 10.000 moleculen per seconde om.

actief centrum

eiwitsynthese

Enzymen worden in lichaamscellen gesynthetiseerd. In het DNA ligt de genetische code voor eiwitsynthese vastgelegd. Via een messenger (mRNA) wordt de informatie die op het DNA ligt vastgelegd naar de ribosomen op het endoplasmatisch reticulum gevoerd. Aan de hand van deze messenger (mRNA) worden aminozuren in een specifieke volgorde aan elkaar geregen. Enzymen zijn, net als alle andere eiwitten, opgebouwd uit aminozuren. In darmepitheelcellen zijn de stukken DNA die de genetische code voor de synthese van verteringsenzymen bevatten niet geblokkeerd, waardoor in dit type cel verteringsenzymen kunnen worden gesynthetiseerd. In andere lichaamscellen is dit specifieke deel van het DNA wel geblokkeerd.

DNA, mRNA en ribosomen

lysosomen

Enzymen die bijvoorbeeld eiwitten verteren kunnen in cellen grote problemen veroorzaken. Op de ribosomen worden in dit geval inactieve enzymen (proto-enzymen) gesynthetiseerd. Deze proto-enzymen blijven binnen de membranen van het endoplasmatisch reticulum. De membranen van het endoplasmatisch reticulum zijn vergelijkbaar met celmembranen en net als celmembranen opgebouwd uit een dubbele laag van fosfolipiden. Door kleine delen (blaasjes) van het endoplasmatisch reticulum af te scheiden kan het proto-enzym naar het Golgi-systeem worden getransporteerd.

transcriptie, eiwitsynthese, membraanfusies en lysosomen


Het Golgi-systeem is, net als het endoplasmatisch reticulum, omgeven door een membraan dat is opgebouwd uit een dubbele laag fosfolipiden. In het Golgi-systeem wordt het inactieve enzym omgezet in een actief enzym. Door een deel van het Golgi-systeem af te scheiden, ontstaan lysosomen met actief enzym. Het actief enzym is in het lysosoom door een dubbele fosfolipidenlaag afgescheiden van de rest van het celmilieu. Omdat het membraan van lysosomen op dezelfde manier is opgebouwd als een celmembraan, kan het membraan van het lysosoom fuseren met het celmembraan. Door deze membraanfusie kan het actieve enzym aan het externe milieu worden afgegeven.

temperatuur en enzymactiviteit

Onder normale omstandigheden geldt: hoe hoger de temperatuur des te sneller een reactie verloopt. Als bij enzymreacties de temperatuur te hoog wordt, kunnen enzymen chemisch van vorm veranderen. De enzymen zijn dan niet meer werkzaam omdat de actieve centra dan geen substraatmoleculen meer kunnen binden. Als de maximumtemperatuur van enzymen wordt overschreden veranderen enzymen definitief van vorm. Deze verandering is onomkeerbaar (irreversibel), omdat enzymmoleculen na afkoeling hun oorspronkelijk vorm niet meer kunnen aannemen. De enzymen zijn dan gedenatureerd (gestold).

verband tussen enzymactiviteit en temperatuur


In de bovenstaande animatie is het verband tussen de temperatuur en de enzymactiviteit en de temperatuur uitgezet in een grafiek. Bij een hogere temperatuur zijn enzymen actiever en wordt meer substraat omgezet in product [3]. Bij hoge temperatuur worden echter steeds meer enzymmoleculen inactief omdat ze chemisch van vorm veranderen [1]. Het nettoresultaat van grafiek [3] en grafiek [1] is weergegeven in grafiek [2]. In grafiek [2] is duidelijk een optimum te zien. Bij deze temperatuur wordt het meeste substraat omgezet in product. In het menselijk lichaam is voor veel enzymen de optimum temperatuur 37°C. Bij een lichaamstemperatuur van 42°C denatureren een aantal enzymen. Daarom is 42°C is een kritieke temperatuur voor mensen.

pH en enzymactiviteit

Zuiver water (H2O) heeft een pH van 7. Zuiver water wordt neutraal genoemd. Als zich H+-ionen in een oplossing bevinden is deze oplossing in meer of mindere mate zuur. Als zich OH- -ionen in een oplossing bevinden is een oplossing in meer of mindere mate basisch. H2O kan zich splitsen in H+-ionen en OH- -ionen.
H2O → H+ + OH-
De maat voor de zuurgraad is pH. Hoe zuurder een oplossing hoe lager de pH. De pH is exponentieel. Dat wil in dit geval zeggen dat een oplossing met pH 5 10x zoveel H+ -ionen bevat als een oplossing met pH 6. Of, anders gezegd: een oplossing van pH 4 moet 10x verdund worden om een oplossing van pH 5 te krijgen. Logischerwijs kan van een oplossing van pH 6 (zwak zuur) geen oplossing van pH 8 (zwak basisch) gemaakt worden door verdunning. Bij een pH van 8 worden de OH- -ionen als maat voor de zuurgraad (basisch) gebruikt en bij een pH van 6 worden H+ -ionen als maat voor de zuurgraad gebruikt.

zuurgraad van enkele stoffen

Verschillende enzymen zijn gevoelig voor verschillende zuurgraden. Pepsine in de maag (denatureert en splitst eiwitmoleculen) werkt het best bij een pH van 2.5, maltase in de 12-vingerige en dunne darm (zet maltose om in glucose) werkt het best bij een pH van 6.6 en lipase (splitst vetten in glycerol, vetzuren en monoglyceriden) werkt het best bij een pH van 8. De optima van de verschillende spijsverteringsenzymen wordt bepaald door het instant blijven van het actieve centrum van de enzymen bij verschillende zuurgraden. Als het actieve centrum van de enzymen vervormd raakt, worden geen enzymsubstraatcomplexen meer gevormd waardoor het enzym zijn werking verliest.

optimumkromme voor het enzym sacharase (omzetting van sacharose in glucose en fructose)

activering en remming van enzymactiviteit

Enzymwerking kan beïnvloed worden door inhibitors (remstoffen). Inhibitors verlagen de enzymactiviteit, omdat ze inwerken op de ruimtelijke structuur van de enzymmoleculen. Bindingen tussen inhibitors en het enzymmolecuul zijn doorgaans omkeerbaar (reversible). Inhibitors kunnen een concurrerende en een niet-concurrerende remming hebben.

inhibitor met een concurrerende remming


inhibitor met een niet-concurrerende remming


Bij sommige niet-concurrerende remstoffen is de hechting tussen het enzym en de remstof zo sterk dat de binding onomkeerbaar (irreversibel) is. De giftige werking van zware metalen zoals zink, lood, kwik en cadmium is gerelateerd aan een irreversibel hechting tussen de remstof en het enzym.

negatieve terugkoppeling

negatieve terugkoppeling


In de centrale stofwisselingsroute worden onder andere organische stoffen omgezet in andere organische stoffen. In de bovenstaande animatie is de omzetting van een aminozuur in een ander aminozuur weergegeven. Bij deze omzetting ontstaan 4 tussenproducten en zijn 5 enzymen betrokken. Het product dat aan het einde van deze reactieketen ontstaat, is een remstof voor de reactieketen. Dit komt omdat het eindproduct zich kan hechten aan het enzym (en daarmee het actieve centrum van het enzym wijzigt) dat de reactie in gang zet. Het product van de reactieketen is een niet-concurrerende remstof voor de eerste reactie van de reactieketen. Dit proces wordt negatieve terugkoppeling genoemd, omdat het product de aanmaak van meer product stopt.


persoonlijke score

history

advertentie

advertentie

© 2021 Leon Dahmen biodoen Den Haag