Enzymer – naturens værktøj

Dette afsnit er det fjerde i Biotech Academys serie om enzymer til folkeskolen.

Figur 6. Enzym og substrat. Her ses et enzym med dets aktive sæde, der er formet lidt som en kløft (blåt). I det aktive sæde sidder substratet (lilla), der lige præcis passer til det aktive sædes form.

For eksempel er laktases substrat laktose, fordi laktose passer i laktases aktive sæde. Den enkleste måde, at forestille sig  enzymet og substratets interaktion på, er at sammenligne et enzym med en lås. Substratet vil så være den nøgle, der lige præcis passer til låsen (enzymet).

Hvis et molekyle ikke passer i et enzyms aktive sæde, vil der ikke ske nogen reaktion. Derfor kan laktase klippe laktose over, men ikke andre molekyler, fordi de ikke passer i laktases aktive sæde. Dette betyder, at enzymer kun kan udføre specielle opgaver. Man siger, at de er specifikke; et bestemt enzym kan kun katalysere en bestemt reaktion med et bestemt substrat. Når et enzym og et substrat er bundet sammen, kaldes de tilsammen et enzym-substrat kompleks. Når substratet er bundet til enzymet, sker den kemiske reaktion. Efter reaktionen har man dels enzymet, dels et eller flere produkter fra enzymets reaktion med substratet. Enzymet kan nu bruges til en ny reaktion. Enzymer virker ved, at et helt bestemt substrat bindes til enzymets aktive sæde. Enzymet hjælper derefter med til, at substratet kan lave en kemisk reaktion.

Enzymer kan lave mange forskellige reaktioner. Nogle enzymer laver reaktioner på en sådan måde, at de kommer til at fungere som sakse og klipper molekyler over. Laktase er et eksempel på et sådant enzym. Andre enzymer sætter molekyler sammen.

Da enzymer er proteiner, fungerer de optimalt ved en helt bestemt temperatur og en helt bestemt pH-værdi, som er forskellig fra enzym til enzym. Hvis temperaturen bliver for høj, bliver enzymet denatureret. Dette betyder, at nogle af de kemiske bindinger i enzymet bliver brudt. Når nogle af bindingerne forsvinder, får enzymet en forkert tredimensionel form, og det kan ikke længere fungere. Det er derfor, at det eksempelvis er nemmere at fordøje varm mad end kold mad, fordi de enzymer, der findes i spyt, virker bedst ved varmere temperaturer. Hvis pH-værdien ikke er optimal, bliver ladningerne på enzymet ændret, hvilket også gør, at enzymet får en forkert form.

Figur 7. Enzym katalyserer en reaktion med et substrat. A: Enzym (gråt) og dets substrat (lilla). Substratet passer lige præcis til enzymet, ligesom en nøgle i en lås. B: Enzymet og substratet er nu bundet til hinanden og kaldes derfor et enzymsubstrat-kompleks. Det er nu den kemiske reaktion foregår. C: Enzymet har katalyseret en reaktion, der har ændret på substratet; substratet er blevet klippet over. Derfor kaldes substratet nu produkter (pink og grøn).

Katalyse

Enzymer virker ved, at de forøger reaktioners hastighed. Dette kaldes at katalysere. Nogle gange skal der et ’skub’ til, før en kemisk reaktion kan gå i gang. Det er lidt som med en kugle på en bakke (figur 8.A). Til at starte med kan kuglen ikke trille ned ad bakken, fordi den ligger i en dal bag bakken og endnu ikke er på toppen. Hvis den får et lille skub, så den kommer op af dalen og op på toppen af bakken, kan den pludselig trille hele vejen ned ad bakken af sig selv (figur 8.B).

Figur 8. Katalyse. A: Kuglen ligger i en dal og kan derfor ikke trille ned af bakken. B: Kuglen har fået tilført energi i form af et skub. Den kan nu trille ned ad bakken af sig selv.

Hvis man i stedet kigger på en kemisk reaktion, svarer situationen til, at der i starten af reaktionen ikke er nok energi til, at den kan gå i gang. Så får reaktionen et ’skub’, hvilket svarer til, at der tilføres energi til reaktionen. Denne energi kaldes aktiveringsenergien (Ea). Når en reaktion har fået tilført den nødvendige energi, sker den helt af sig selv. Nogle reaktioner har en meget høj aktiveringsenergi. Der skal altså et stort skub til, før de går i gang, og det gør, at reaktionen forløber langsomt. Som eksempel tager en fuldstændig nedbrydning af proteiner omkring 1000 år, fordi det kræver meget stor aktiveringsenergi. Både i vores egne celler og i industrien er det som regel smart, at reaktionerne går så hurtigt som muligt. Det ville ikke være så praktisk, hvis det tog tusind år at nedbryde de proteiner, vi spiser. Det er her enzymer kommer ind billedet. Hvis man kan sænke aktiveringsenergien af en reaktion, vil den gå hurtigere, fordi den så skal have et mindre skub før den går i gang. Det er lige præcis det, enzymer gør. Man kan sige, at enzymer gør den bakke, som kuglen skal over, mindre. Der skal derfor et mindre skub til at sætte reaktionen i gang (se figur 9). For eksempel vil laktose helt af sig selv blive nedbrudt til to ens sukkermolekyler i tarmen, men det tager alt for lang tid. Derfor danner kroppen laktase, så reaktionen kan gå hurtigere.

Figur 9. Katalyseret og ikke-katalyseret reaktion. Den ikke-katalyserede reaktion (sort) skal have meget energi før den kan komme i gang, dvs. aktiveringsenergien (Ea) er meget stor. Den katalyserede reaktion (rød) har en mindre aktiveringsenergi, og den går derfor lettere i gang. Start- og slutpunkterne for de to reaktioner er de samme. Den katalyserede reaktion vil gå hurtigere, hvilket er meget praktisk både i naturen og i industrien.