Enzymer

Enzymer er biologiske katalysatorer og katalyserer derfor biokemiske processer i levende organismer. De kan dog også fungere ekstracellulært – altså uden for cellen eller organismen. En katalysator øger reaktionshastigheden for en kemisk reaktion uden selv at blive omdannet og uden at ændre den kemiske ligevægt. Enzymer fungerer som katalysatorer ved at danne et fysisk og kemisk miljø, der fremmer, at den givne reaktion kan forløbe. Dette gør de ved at binde til substrater og derved øge den lokale koncentration af substrater såvel som at have reaktive funktionelle grupper, der kan deltage i reaktionen. Enzymer sænker derved aktiveringsenergien og øger reaktionshastigheden for biokemiske reaktioner. Af den grund er enzymer essentielle for alt liv på Jorden. De katalyserer reaktioner i cellers metabolisme, der ellers ville være for langsomme – helt op til millioner af år – hvis de skulle forløbe uden enzymers tilstedeværelse.

De to vigtigste pointer når det kommer til enzymers struktur og funktion er:

1. Enzymer binder til deres substrat med høj affinitet og specificitet.
2. Når substratet binder sig til det aktive site, forsager det strukturelle ændringer i enzymet.

Når et substrat bindes, vil der ske en ændring i de intermolekylære bindinger i enzymet. Disse ændringer i strukturen fremmer, at produktet af reaktionen kan dannes. Selvom nogle ændringer forsager større ændringer i hele enzymet, foregår de fleste i eller omkring det aktive site.

De forskellige hovedklasser af enzymer

De fleste proteiner, hvis funktion er at være enzymer, har endelsen -ase. Udover endelsen er substratet, eller en beskrivelse af den biokemiske funktion enzymet udfører, oftest inkluderet i navnet. F.eks. har hydrolasen, peptidase, dets navn, da den bryder peptidbindingerne i proteiner ved hydrolyse.

Enzymer klassificeres i et system efter 6 typer af enzymatiske reaktioner, som enzymer katalyserer, og de hedder derfor således: oxidoreduktaser, transferaser, hydrolaser, lyaser, isomeraser, og ligaser. Til disse 6 hovedklasser er der mange underklasser til dem hver. I dette undervisningsmateriale vil vi fokusere på hydrolaser, som er yderligere opdelt i underklasser efter hvilken type binding de bryder, og dernæst efter deres type af substrat. I tabel 1 er vist en oversigt over hovedklasserne af enzymer.

Tabel 1: 

Strukturen af proteiner og de 20 aminosyrer

Det er vigtigt først at forstå strukturen af proteiner, hvis man vil vide, hvordan enzymers struktur relaterer til deres funktion og katalytiske mekanisme.

Proteiner er polymerer af aminosyrer. Når man omtaler aminosyrer i proteiner, refererer man til de 20 almindelige aminosyrer (figur 12), der kodes for i DNA. Der findes faktisk over 140 aminosyrer, da disse 20 aminosyrer kan blive modificeret efter translationen. Men her vil der kun være fokus på de 20.

Som det ses i figur 11, har alle aminosyrer et centralt carbon atom, der er bundet til et hydrogenatom, en ladet primær amin (NH₃⁺), også kaldet en aminogruppe, samt en ladet carboxylsyregruppe (COO-), og en variabel siddekæde R.

Figur 11: Struktur af aminosyre.

Det er den variable sidekæde, der kendetegner den enkelte aminosyre. De 20 aminosyrer kan inddeles i 4 forskellige hovedgrupper efter hvilke egenskaber, deres variable sidekæde har. I oversigten i figur 12 ses det, hvordan aminosyrerne er inddelt i polære (hydrofile), upolære (hydrofobe), og efter deres elektriske ladning ved en pH værdi på 7 og derfor enten er basiske (positivt ladet) eller sure (negativt ladet). Det ses, at glycin er den eneste aminosyre, der ikke har et stereocenter, da dets variable sidekæde er et hydrogenatom. Glycin er derfor også den simpleste af alle aminosyrerne.

Figur 12: Oversigt over de 20 aminosyrer inddelt efter de kemiske egenskaber af deres sidekæde. Download oversigten som PDF her.

Aminosyrer bindes til hinanden ved en bestemt type af kovalente bindinger, kaldet peptidbindinger. Peptidbindingerne bliver dannet ved en kondensation reaktion. Her dannes der en kovalent binding mellem aminogruppen i den ene aminosyre og carboxylsyregruppen i den anden, og der fraspaltes vand. Når to eller flere aminosyrer bindes sammen, kaldes det en peptid, og ved mange aminosyrer kaldes det et polypeptid. Når polypeptidkæder dannes, vil der altid være en fri aminogruppe i den forreste ende og en fri carboxylsyregruppe i den bagerste ende af polypeptidet. Man kalder derfor forenden i et polypeptid N- terminalen efter nitrogenatomet i den frie aminogruppe, mens bagenden kaldes C-terminalen efter carbonatomet i den frie carboxylsyregruppe.

Figur 13: Kondensations reaktion hvor der dannes en peptidbinding.

Proteiners strukturniveauer

Den største bestanddel af proteiner udgøres af polypeptidkæder. Dette kaldes den primære struktur af proteiner. Den primære struktur beskriver sekvensen af aminosyrer i polypeptidkæden fra N-terminalen til C-terminalen. Sekvensen af aminosyrer afgører proteinets tredimensionelle struktur og biokemiske funktion.

Der er 3 forskellige sekundære strukturer; α-helixer, β-sheets og β-loops. Dette er lokale strukturer i proteinet, dannet af bindinger mellem peptider, der ligger tæt på hinanden i polypeptidkæden. Hovedkæden af polypeptidet (delen der ikke er variabel) er polær, da peptidbindingen indeholder en hydrogendonor, NH, og en carbonylgruppe (C=O), som er i stand til at danne hydrogenbindinger. Denne polaritet er et problem, hvis der skal skabes et hydrofobt miljø, og for at overkomme dette problem, bliver α helixer og β sheets dannet. Deres dannelse neutraliserer nemlig polariteten ved, at der dannes hydrogenbindinger mellem NH og C=O grupperne i peptidkæderne.

I α-helixer danner carbonylgruppen en hydrogenbinding med H fra peptidbindingen, der ligger fire aminosyreenheder længere nede i kæden. Der dannes herved en højredrejende helix. I enderne af α-helixer er der en C=O og NH-gruppe, der ikke danner bindinger. Disse to grupper er polære, og man ser derfor som regel enderne af helixer nær overfladen af proteinet. Disse helixer er typisk fra 4 til over 40 peptider lange i globulære  proteiner.

I β-sheets dannes der også hydrogenbindinger mellem NH og C=O grupperne i peptidbindingerne, men mellem kæder, der ligger parallelt langs hinanden. β-sheets danner derfor en flad struktur, hvor de parallelle kæder typisk er 5-10 aminosyreenheder lange.

α-helixer og β-sheets er forbundet med β-loops, som typisk ligger på overfladen af proteinet. Dette er fordi, der ikke dannes hydrogenbindinger mellem NH og C=O i β-loops. Sidekæderne er frit tilgængelige til at danne hydrogenbindinger i det miljø, proteinet befinder sig i.

Figur 14: Figuren viser de tre typer af sekundære strukturer. Der dannes hydrogenbindinger (gule stiplede linjer) mellem oxygen fra C=O (rød) og NH-grupper (blå).

Den tertiære struktur af proteiner er deres overordnet tredimensionelle struktur, som udgøres af bindinger mellem de variable sidekæder i aminosyrerne. Proteiner folder sig på den mest energifavorable måde. Dvs., at den danner den struktur, der kræver mindst energi at opretholde. Den stærkeste type binding i den tertiære struktur er kovalente bindinger i form af disulfidbindinger mellem svovlatomer i to cysteiner. Herefter kommer ionbindinger, som dannes af aminosyrer med forskelligt ladede sidegrupper. Dette kunne f.eks. være mellem den negativt ladede aspartat/asparaginsyre (D) og det positivt ladede lysin (K). De næststærkeste bindinger er hydrogenbindinger. Hydrogenbindinger kan f.eks. dannes mellem aminosyrer med en alkoholgruppe i deres sidekæde som f.eks. serin og threonine. De svageste bindinger er de hydrofobe interaktioner mellem de upolære sidekæder i aminosyrerne

Figur 15: Figuren viser de forskellige bindingstyper der kan dannes mellem aminosyresidegrupperne

De hydrofobiske effekter er en primær drivkraft for, at proteinet får sin sfæriske (kugleformede) struktur. Man ser for vandopløselige proteiner, som man f.eks. finder i cytoplasmaet, at de har en hydrofil overflade, da dette er i kontakt med det omkringliggende miljø og et hydrofobisk indre.

Mange proteiner er opbygget af flere end en polypeptidkæde. Polypeptidkæderne kan være enten ens eller helt forskellige. Ved sådanne proteiner betragter man også den kvarternære struktur. Her omtales de forskellige polypeptidkæder, der indgår i proteiner, som subunits. Den kvaternære struktur er derfor den rummelige fordeling af subunits, der indgår i proteiner.

Illustration af proteiner

Proteiner illustreres ofte på forskellige måder alt efter, hvad man er interesseret i at undersøge ved proteinet. I figur 16 vises det samme protein på 3 forskellige måder. Sticks bruges mest, hvis man kun kigger på enkelte dele af proteinet tæt på. Den sekundære struktur er rigtig vigtig for, hvordan proteiner folder sig, og derfor en meget hyppig måde at illustrere proteiner på. Overfladen af proteinet viser delen af proteinet, der er tilgængeligt for andre molekyler eller den solvent, proteinet befinder sig i.

Figur 16: Strukturen af en peptidase fra bakterien Bacillus cereus vist på tre forskellige måder. Proteinet er farvet alt efter om den enkelte aminosyrer er en del af en α-helix (pink), et β-sheet (orange) eller et β-loop (hvid).

Funktionen af enzymer

Enzymers funktion er at omdanne substrater, som enten kan være et enkelt eller flere molekyler, til et eller flere produkter. Man har tidligere troet, at måden enzym og substrat blev bundet kunne forklares ved en lock and key model. I denne model passer enzymet og substratet strukturelt sammen øjeblikkeligt, som en lås og nøgle. Den del af enzymet, der binder til substrater, og hvor reaktionen forløber, kaldes det aktive site (eller aktive center). Lock and key modellen kan dog ikke forklare, hvordan enzymaktiviteten bliver reguleret af cellen. Eller hvordan substrater kan formå at binde sig til et aktivt site, der ligger dybt inde i et enzym.

Enzymer er dynamiske og ikke statiske, da aminosyresidekæderne står og bevæger sig en lille smule hele tiden.  Senere forskning har vist, at enzym og substrat bindes på en lidt mere kompleks måde, forklaret ved induced-fit modellen (se figur 17). I denne model ændrer både enzym og substrat sig strukturelt, så enzym og substrat kan binde. Samtidigt er denne binding ikke alt for stærk, hvilket sikrer, at produkterne også kan frigives igen.

Ved induced-fit modellen forløber en enzym-katalyseret reaktion sig således:

1. Enzym (E) og substrat (S) befinder sig i samme miljø.
2. Enzymet og substratet bindes indledningsvist og danner et enzym-substrat kompleks, ES.
3. Enzymet og substratet ændres ved induced fit. Her går den kemiske reaktion for alvor i gang, og substratet er i transition state. Dette kaldes også transition state intermediatet. Dette er et ustabilt stadie, hvor substratet er i gang med at blive kemisk ændret. Substratet befinder sig i et stadie imellem reaktant og produkt. Det universelle symbol for transition state er ‡. Her har vi et aktiveret kompleks EX, hvor substratet ikke længere er i den sammen konfiguration, som inden reaktionen gik i gang.
4. Efter at have været i transition state, er substratet omdannet til produkt(er), men stadig bundet til enzymet. Der er derved dannet et enzym-produkt kompleks EP.
5. Produkterne frigives fra enzymet, og enzymet er nu frit i stand til at reagere med et nyt substrat.

Figur 17: Induced fit modellen vist i 5 trin. Læg mærke til at substratet ændres intramolekylært, da det er i transition state EX^‡ i trin 3.

Modellen i figur 17 beskriver en simpel enzymkatalyseret reaktion, hvor et substrat spaltes til to produkter. Det er vigtigt at huske, at nogle enzymer også kan binde to substrater, og omdanne dem til ét produkt. At enzymer stabiliserer substratet i transition state spiller en stor rolle i, at aktiveringsenergien for biokemiske reaktioner sænkes. Det er netop derfor, enzymer er så effektive.

Det aktive site

Selvom et enzym og substrat tilpasser sig hinanden, når de binder, er enzymer stadig meget specifikke. Enzymer katalyserer derfor kun én bestemt biokemisk reaktion. Deres specificitet afgøres ud fra dets tredimensionelle struktur og dets aktive site.

Det aktive site orienterer substraterne således, at de får den optimale orientering til at indgå i en reaktion med de funktionelle grupper i aminosyrernes sidekæder.

Aminosyrerne i det aktive site afgør, om de kan binde og indgå i en reaktion med et molekyle eller ej. Aminosyresidegrupperne i det aktive site har funktionelle grupper, hvis kemiske egenskaber hjælper med at vende og orientere substratet, så reaktionen kan forløbe. I figur 18 ses det, at to substrater passer ind i et aktivt site, således at der dannes ionbindinger mellem de ladede sidekæder med det aktive site. Substraterne passer også ind i det aktive site, så de hydrofobe dele finder sammen.

Figur 18: Det aktive sites kemiske miljø passer til de(t) substrater det binder til. Det aktive site i enzymet sørger også for at orientere substraterne så de kan reagere med hinanden og danne produktet.

Et aktivt site er faktisk opdelt i to; en bindingsdel og en katalytisk del. Bindingsdelen består af et antal aminosyresidegrupper, hvis formål er at danne intermolekylærebindingen med et substrat. Substratet bliver således bundet til enzymet. Ved bindingen bliver substratet også drejet, så dets konfiguration er optimal for, at dets funktionelle grupper kan interagere med det aktive site. Det er i den katalytiske del, at reaktionen forløber. Her bliver bindinger evt. brudt, og elektroner og atomer flyttes rundt, så der dannes et eller flere produkter.

Cofaktorer og coenzymer

Enzymer består ikke altid kun af aminosyrer.  Oftest kræver enzymer, at små molekyler i det aktive site, kaldet cofaktorer, er tilstede, for at den katalytiske reaktion kan forløbe. Cofaktorer er ikke-proteiner, der er direkte involveret i den katalytiske mekanisme. De stabiliserer enten enzymet, substraterne eller hjælper med at omdanne et molekyle til et nyt. De kan være uorganiske metal-ioner som Fe²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Cu²⁺, og Zn²⁺ eller organiske molekyler som vitaminer. Hvis cofaktorerne er organiske molekyler, kaldes de i stedet coenzymer. Cofaktorens eller coenzymets rolle i reaktionen er at overføre enten elektroner eller atomer. Hvis et enzym har en bundet cofaktor, kaldes det et holoenzym, hvis cofaktoren er fjernet kaldes, enzymet et apoenzym.