Wat is Enzym, substraat, actieve plaats? — Biologie

Definitie 15.4 Biologie bovenbouw · Hoofdstuk 15 — Enzymen en het fenotype

Een enzym is een eiwit dat één chemische reactie katalyseert: het laat de reactie miljoenen keren sneller verlopen zonder zelf te worden verbruikt. Het molecuul dat het omzet is zijn substraat; de reactie vindt plaats in een holte van het enzym, de actieve plaats, waarvan de vorm en de chemie bij dat ene substraat passen en bij geen ander. Die specificiteit volgt uit de driedimensionale vouwing van het enzym, dus uit zijn aminozuurvolgorde, dus uit zijn gen.

Specificiteit. De actieve plaats is een holte die naar één substraat is gevormd; een molecuul van een andere vorm kan er niet in binden en wordt niet omgezet. Verander de vorm van de holte — door een mutatie — en het enzym verliest zijn substraat, of wisselt het.

Melk, yoghurt en een flesje lactasedruppels. Of een volwassene de melk verteert, hangt van één allel af; de bacteriën van de yoghurt hebben het grootste deel van de lactose al gesplitst; de druppels leveren het enzym dat de darm mist.

Voorbeelden

Voorbeeld 15.5 (Lactase)

Melksuiker, lactose, wordt door het enzym lactase in de bekleding van de dunne darm in twee enkelvoudige suikers gesplitst; zonder die splitsing gaat zij onverteerd door naar de dikke darm, waar bacteriën haar vergisten, met gas, krampen en diarree als gevolg. Alle zuigelingen maken lactase; bij het grootste deel van de mensheid wordt het gen ervan na het spenen uitgeschakeld, en zijn volwassenen lactose-intolerant. Bij bevolkingen met een lange geschiedenis van veehouderij komt een allel veel voor dat het gen levenslang actief houdt — 90% in Noord-Europa, 10% in Oost-Azië. De lactasedruppels die aan intoleranten worden verkocht, bevatten hetzelfde enzym, gemaakt door schimmels.

Voorbeeld 15.8 (Fenylketonurie, en hoe een dieet een fenotype verandert)

Ongeveer één pasgeborene op tienduizend draagt twee niet werkende allelen van het gen voor enzym 1. Fenylalanine uit voedsel wordt niet omgezet; de concentratie ervan in het bloed stijgt twintigvoudig en zij vergiftigt de zich ontwikkelende hersenen. Onbehandeld loopt het kind een ernstige verstandelijke beperking op. Bij de geboorte opgespoord met een druppel bloed op een kaartje — elke pasgeborene wordt getest — en gevoed met een voeding die vrijwel geen fenylalanine bevat, ontwikkelt datzelfde kind zich normaal. Het genotype is onveranderd; het fenotype is, op elke schaal boven de moleculaire, dat van een gezond mens. De omgeving, hier de voeding, gaf de doorslag.

Lees in het hoofdstuk →

Definitie 13.1 Universitaire biologie — jaar 1 · Hoofdstuk 13 — Enzymen en biochemische katalyse

Een enzym is een eiwit (zelden een RNA) dat een reactie katalyseert: het verhoogt de snelheid zonder zelf te worden verbruikt en zonder het evenwicht te verschuiven. De moleculen waarop het inwerkt zijn zijn substraten; die binden in de actieve plaats, een spleet die door enkele residuen wordt bekleed en waar de chemie gebeurt. Enzymen zijn specifiek — voor één substraat of een familie, voor één binding, voor één stereo-isomeer — en zij worden genoemd naar hun substraat en reactie met het achtervoegsel -ase (lactase, DNA-polymerase, succinaatdehydrogenase), in zes klassen: oxidoreductasen, transferasen, hydrolasen, lyasen, isomerasen, ligasen. Vele hebben een niet-eiwitachtige cofactor nodig: een metaalion (Zn, Mg, Fe), of een organisch co-enzym — $\mathrm{NAD^+}$ , FAD, co-enzym A, die vrijwel allemaal uit vitaminen worden gemaakt, en daar dienen vitaminen voor.

De vrije energie langs een reactie. Het enzym (rood) verlaagt de barrière van de overgangstoestand en laat het verschil tussen substraat en product — en daarmee het evenwicht — onaangeroerd.

Waterstofperoxide op een doorgesneden aardappel: katalase in de cellen splitst het per enzymmolecuul veertig miljoen keer per seconde in water en zuurstof, en de zuurstof schuimt eruit.

Voorbeelden

Voorbeeld 13.4 (Drie enzymen)

Lysozym, in tranen en eiwit, spant een suikerring van de bacteriewand tot de vorm van de overgangstoestand en knipt de keten: een versnelling met een factor $10^8$ . Koolzuuranhydrase, in rode cellen, houdt een zinkion vast dat water omzet in een hydroxide dat klaarstaat om $\mathrm{CO_2}$ aan te vallen: een miljoen moleculen per seconde, het snelste enzym na katalase. Chymotrypsine, in het alvleeskliersap, gebruikt een serine die door een histidine reactief is gemaakt om eiwitten na aromatische residuen te knippen: honderd per seconde, met een covalent tussenproduct.

Voorbeeld 13.8 (Enzymen vergeleken)

enzym	$K_m$ ( $\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ )	$k_{\text{cat}}$ ( $\mathrm{s}^{-1}$ )	$k_{\text{cat}}/K_m$ ( $\mathrm{L}\,\mathrm{mol}^{-1}\,\mathrm{s}^{-1}$ )
katalase	$2.5 \times 10^{-2}$	$4 \times 10^{7}$	$1.6 \times 10^{9}$
koolzuuranhydrase	$1.2 \times 10^{-2}$	$1 \times 10^{6}$	$8 \times 10^{7}$
chymotrypsine	$1.5 \times 10^{-2}$	100	$7 \times 10^{3}$
lysozym	$6 \times 10^{-6}$	0.5	$8 \times 10^{4}$
DNA-polymerase	$1 \times 10^{-5}$	15	$1.5 \times 10^{6}$

Katalase en koolzuuranhydrase werken op de diffusiegrens: elke botsing met substraat is vruchtbaar. Chymotrypsine is traag, maar dat moet ook — het knipt een peptidebinding door, een veel zwaardere klus dan peroxide splitsen.

Voorbeeld 13.10 (Concurrentie als geneesmiddel)

Methanol is onschadelijk tot het alcoholdehydrogenase van de lever het in formaldehyde en mierenzuur omzet, die blind maken en doden. De behandeling is ethanol: een concurrerend substraat met een lagere $K_m$ , dat het enzym bezig houdt terwijl het methanol onveranderd wordt uitgescheiden. Statinen zijn competitieve remmers, die op de overgangstoestand lijken, van het enzym dat koolstof aan cholesterol vastlegt; sulfonamiden lijken op het substraat van een bacterieel enzym dat folaat maakt, dat de mens niet maakt en dus ook niet mist.

Lees in het hoofdstuk →

Voorbeelden

Voorbeelden

Verwante begrippen