I en levende organisme foregår mange komplicerede reaktioner, som uden hjælp af en biologisk katalysator ville gå alt for langsomt til, at man ville kunne opretholde de nødvendige livsprocesser. Katalysatorerne udgøres i en organisme især af enzymer, der øger hastigheden af kemiske reaktioner uden selv at blive forbrugt.

Enzymers specificitet
Enzymer, der er proteiner, er meget specifikke mht. hvilke reaktioner, de katalyser, og hvilke substrater de binder. Specificiteten opstår på grund af den tredimensionelle form og struktur af enzymet og dets aktive center. Enzymets aktive center er det sted, hvor katalytiske grupper, der kan bryde eller danne bindinger, befinder sig, og hvor substratet bindes. Hvis man kigger på hele enzymet, udgør det aktive center kun en meget lille del (6-12 aminosyrer) (Fig. 1), men det betyder ikke, at den resterende del af enzymet kan undværes. Tværtimod. Udformningen af det aktive center, de substrater, der bindes, samt de reaktioner, der katalyseres, er stærkt afhængige af hele enzymets opbygning.

Figur 1: Det aktive center er markeret med blåt. Som det ses, udgør det kun en meget lille del af enzymet. Enzymet er fordøjelsesenzymet trypsin. Den lilla struktur (et peptid) er et fragment af et større protein. 

Dannelse af ES-kompleks
Når et substrat bindes til det aktive center på et enzym, dannes et såkaldt enzym-substrat-kompleks (ES-kompleks). Binding af substrat til det aktive center kan finde sted på tre forskellige måder, nemlig ved hydrogenbindinger, ved elektrisk tiltrækning eller frastødning og ved hydrofobiske vekselvirkninger.
De kræfter, der holder enzymer og deres substrater sammen, er forholdsvis svage og virker kun, hvis enzymet og substratet passer godt sammen. Af denne grund passer enzym og substrat tit sammen som en nøgle i en lås (Fig. 2).

Figur 2: Nøgle i lås.

Da et enzym imidlertid ikke er en fast struktur, men er forholdsvis fleksibel, sker det dog oftere, at enzymet ændrer form ved binding af substrat. Dette fænomen kaldes induced fit og er illustreret i Figur 3. Substratet ændrer ofte også form.

Figur 3: Induced fit.

Ændringen i enzymets form medfører, at substratet og enzymet passer bedre sammen, og at substratet og det aktive center kommer i tæt kontakt med hinanden. Derudover kan ændringen også bruges til f.eks. at holde vand ude af det aktive center, så den reaktion, der skal katalyseres, kan forløbe uden problemer. Begge dele er tilfældet for den gruppe af enzymer, der hedder kinaser (fosfatoverførende transferaser). Disse enzymer overfører fosfatgrupper fra molekyler med højt fosfatgruppe-overførselspotentiale , som f.eks. ATP, til substrater ved en reaktion, som kaldes fosforylering. Hvis der er vand til stede ved disse reaktioner, er der en stor sandsynlighed for, at fosfatdonor-molekylerne vil hydrolyseres, og der vil i så fald ikke blive overført en fosfatgruppe til substratet (Fig. 4).

 Figur 4: Enzymet hexokinase. Det røde molekyle er glukose. Holder du musen hen over figuren, vil du se, at hexokinase ændrer form, når glukosemolekylet bindes. Vand kan ikke komme ind til det aktive center.

Kemiske reaktioner og spontanitet
Ved de fleste kemiske såvel som biokemiske reaktioner, vil der enten frigives eller skulle tilføres energi. En reaktion, hvor der frigives energi, en såkaldt exergon reaktion, kan opfattes som en kugle, der ruller ned ad en bakke. Det er noget, der sker spontant, dvs. af sig selv (Fig. 5A). Omvendt vil en reaktion, der kræver energitilførsel - en endergon reaktion, ikke være spontan. På samme måde som en kugle ikke af sig selv ruller op ad en bakke (Fig. 5B).

Figur 5: Exergone og endergone reaktioner.
A: I en exergon reaktion, vil reaktanterne opføre sig som en kugle, der ruller ned ad en bakke. Der vil frigives energi.
B: I en endergon reaktion skal der tilføres energi. En kugle ruller ikke op ad en bakke af sig selv.

Det, der har betydning for, om en reaktion er spontan eller ej (exergon eller endergon), er energiindholdet - også kaldt Gibbs fri energi (G), i henholdsvis reaktanterne og produkterne i reaktionen. Denne energi afhænger især af de bindinger, der findes i molekylerne, og de vil som regel ikke være ens for reaktanter og produkter i den samme reaktion. Når der foregår en reaktion, sker der således enten et fald eller en stigning i den fri energi.
Ændringen i den fri energi (∆G) ved en reaktion er givet som den fri energi i produkterne (G_produkter) minus den fri energi i reaktanterne (G_reaktanter):

Hvis reaktanternes fri energi er større end produkternes (∆G < 0), betyder det, at der frigives energi ved reaktionen, og at den er spontan. Omvendt vil en stigning i fri energi (∆G > 0), dvs. en reaktion, hvor produkternes energiindhold er større end reaktanternes, betyde, at reaktionen ikke forløber spontant, men kræver energitilførsel. Se Figur 6. Det giver god mening; for at få noget med et større energiindhold, er man nødt til at tilføre energi. Og omvendt. 
 

Figur 6: Spontane og ikke spontane reaktioner.

Ændringen i fri energi (∆G) fortæller altså, om reaktionen er spontan eller ej. Den siger imidlertid intet om, hvordan reaktionen forløber, eller hvor hurtigt det går.

Aktiveringsenergi E_a
Selvom en reaktion er spontan, kræves der ofte et input af energi, før den går i gang. Dette input kaldes aktiveringsenergien E_a.

Hvis vi vender tilbage til kuglen på toppen af bakken (Fig. 5A) er der ingen tvivl om, at kuglen vil rulle ned. Eneste problem er blot, at kuglen nu ligger i en lille fordybning (Fig. 7). For at kuglen kan rulle ned ad bakken, skal den op af fordybningen, hvilket kræver et energi-input.

Figur 7: Kuglen ligger nu i en lille fordybning. For at den kan rulle ned ad bakken, er det nødvendigt med et energi-input.

Det samme gør sig gældende ved kemiske reaktioner, hvor reaktanterne skal over en energibarriere, før reaktionen forløber. Aktiveringsenergien tilfører reaktanterne energi, hvilket medfører, at de passerer energibarrieren og befinder sig på en mere ustabil form. Dette er en overgangstilstand, der kaldes transition state.

I Figur 7 ses det, at lige før kuglen ruller ned, har den en højere fri energi, end da den lå i fordybningen, hvilket skyldes den tilførte energi. Det samme gælder molekyler i overgangstilstanden (transition state). De har her højere fri energi end både reaktanter og produkter (Fig. 8).

Figur 8: Energiforløb for en proces, der passerer en overgangstilstand. Aktiveringsenergi (E_a) og ændring i fri energi (ΔG) er vist.

Ændringen i fri energi (∆G) for reaktionen er uafhængig af aktiveringsenergien (E_a) samt af molekylernes fri energi, når de er i transition state. Ændringen afhænger udelukkende af den fri energi for reaktanter og produkter. I forhold til ændringen i fri energi er aktiveringsenergien normalt ikke særlig stor.

Enzymers virkemåde
Enzymer øger reaktionshastigheden ved at sænke substratets aktiveringsenergi (E_a), hvilket er det samme som at lette overgangen til transition state. Selvom aktiveringsenergien er mindre i en enzymkatalyseret reaktion, er ændringen i fri energi (∆G) ved reaktionen den samme (Fig. 9). Som nævnt afhænger ∆G kun af den fri energi i reaktanter og produkter. Den er uafhængig af om reaktionen er enzymkatalyseret eller ej.

Figur 9: Enzymer sænker aktiveringsenergien.

Ved dannelsen af et ES-kompleks er der forskellige katalytiske mekanismer, der kan bevirke, at aktiveringsenergien bliver mindre, og reaktionen får lettere ved at forløbe. Et par af dem er beskrevet nedenfor.

I det tilfælde, hvor der er to substrater, der skal reagere med hinanden, er det oftest enzymets rolle at bringe de to i kontakt med hinanden og orientere dem rigtigt, således at de atomer, mellem hvilke der skal dannes nye bindinger, føres sammen (Fig. 10). Dette er måske den mest simple mekanisme, hvorved et enzym kan katalysere en reaktion.

Figur 10: Enzymet orienterer de to substrater rigtigt i forhold til hinanden.

Aktiveringsenergien kan også mindskes, ved at de eksisterende bindinger i substratmolekylerne gøres ustabile, hvorved overgangen til transition state fremmes. Der findes enzymer, som gør dette ved at strække eller vride substratmolekylerne (Fig. 11). Det er f.eks. det, man ser ved induced fit, hvor enzym og substrat ændrer form, når ES-komplekset dannes.

Figur 11: Enzymet belaster substratmolekylet, så de eksisterende bindinger bliver ustabile.

Fjernelse eller tilførsel af protoner (H⁺) destabiliserer også substratmolekylernes bindinger, der herved bliver lettere at bryde. Det sker ved syre-base katalyse, hvor sure eller basiske sidekæder på aminosyrerne i enzymets aktive center fjerner eller overfører protoner (Fig. 12).

Figur 12: Enzymet destabiliserer bindingerne i substratmolekylet ved at give det ladninger.

Oxidoreduktaser indeholder typisk metalioner som co-faktorer. Her udnyttes metalioners evne til at optage og afgive elektroner uden at metalionerne frigøres fra enzymet. Som ved syre-base katalyse vil fjernelse eller tilførsel af elektroner til substratmolekylerne kunne destabilisere eksisterende bindinger og fremme dannelse af nye.

Enzymkinetik
Ordet kinetik stammer fra det græske ord kineein, der betyder bevæge. I forbindelse med kemi og biologi handler det om, hvordan molekyler bevæger sig, hvordan de støder ind i hinanden, og hvordan dette kan resultere i, at der sker en reaktion. Beskæftiger man sig med enzymkinetik, undersøger man enzymers reaktionshastigheder, der typisk udtrykkes ved den omdannede stofmængde af produktet pr. sekund. Ud fra reaktionshastighederne er man i stand til at beskrive enzymernes aktivitet og udtale sig om andre vigtige kendetegn ved de enzymkatalyserede reaktioner.
I forbindelse med anvendelsen af enzymer i fødevareproduktion har enzymernes aktivitet bl.a. stor betydning for, hvor meget enzym der skal tilsættes. 

Læs mere

Proteinstruktur

Enzymer er proteiner, hvilket vil sige, at de har en primær, en sekundær, en tertiær og i visse tilfælde også en kvarternær struktur. Disse strukturer kan du læse om i det Biotech Academy projekt, der handler om antimikrobielle peptider.

Michaelis-Menten modellen

Beskæftiger man sig med enzymkinetik, vil man ofte benytte Michalis-Menten modellen. Denne model er forholdsvis simpel og gør rede for de kinetiske karateristika af de fleste enzymkatalyserede reaktioner. Du kan læse om Michaelis-Menten modellen her.  

Enzyme kinetics

Dette er en hjemmeside på engelsk, hvor du kan læse mere om enzymkinetik. For at få det fulde udbytte af hjemmesiden kan det være nødvendigt, at du i forvejen ved lidt om kinetik, f.eks. fra kemiundervisning.

Hvis du har lyst til at lære mere om enzymkinetik har Kemi Forlaget i 2005 udgivet en god bog. Bogen hedder Enzymkinetik - Introduktion til Enzymkinetik, og den er skrevet af Hans Christian Jensen, Ulla Christensen og Jakob Schiødt (ISBN 87-89782-19-4).