A6.1 Enzymer
Uden enzymer ville det tage år at fordøje et måltid. Med enzymer tager det timer. Enzymer er proteiner, der virker som katalysatorer, og næsten alle reaktioner i en celle har sit eget enzym. Det grundlæggende står i afsnit B1.5 og afsnit B7.8. I dette afsnit ser du nærmere på, hvad der holder substratet fast.
Enzym og substrat
Et enzym er en lang kæde af aminosyrer, som er foldet til en klump. Foldningen danner en lomme, det aktive center. Her sætter substratet sig, og her sker reaktionen.
Når substratet sidder i det aktive center, kaldes de to tilsammen et enzym-substrat-kompleks, ES. Det første trin kan gå begge veje: substratet kan slippe igen uden at have reageret. I det andet trin bliver substratet til produkter, og enzymet er klar til et nyt substratmolekyle.
Enzym-substrat-komplekset er et mellemprodukt, og enzymet er en katalysator, præcis som i afsnit A5.5.
Det aktive center holder substratet i den helt rigtige stilling og trækker i de bindinger, der skal brydes. Derfor er aktiveringsenergien meget lavere end uden enzym.
Bindingerne i det aktive center
Substratet sidder ikke fast med elektronparbindinger. Det holdes på plads af intermolekylære bindinger til sidekæderne i det aktive center. På A-niveau skal du kende fire slags:
| Binding | Mellem | Styrke |
|---|---|---|
| ion-ionbinding | en negativt ladet og en positivt ladet gruppe, fx −COO− og −NH3+ | stærkest |
| hydrogenbinding | et hydrogenatom på O eller N og et andet O eller N | stærk |
| dipol-dipolbinding | to polære grupper, der ikke kan danne hydrogenbinding med hinanden | svagere |
| londonbindinger | alle grupper, også upolære som carbonkæder og benzenringe | svagest, men der er mange |
Hydrogenbindinger, dipol-dipolbindinger og londonbindinger kender du fra afsnit B3.2. Ion-ionbindingen mødte du i afsnit A3.2. Den er den samme tiltrækning som i et salt, men her er det to ladede grupper på hver sit molekyle, der holder sammen.
Hver binding er svag sammenlignet med en elektronparbinding. Men et substrat holdes af flere på én gang, og kun det rigtige substrat har grupper, der passer til dem alle. Det er grunden til, at et enzym kun virker på ét stof eller på få, der ligner hinanden.
Hvilke sidekæder kan hvad?
Sidekæderne lærte du om i afsnit B7.7. Det er sidekædens yderste gruppe, der afgør, hvilken binding den kan danne.
| Sidekædens gruppe | Aminosyrer | Ved pH 7 | Stærkeste binding til et substrat |
|---|---|---|---|
| carboxylgruppe | asparaginsyre (Asp), glutaminsyre (Glu) | −COO− | ion-ionbinding til en positiv gruppe |
| aminogruppe | lysin (Lys) | −NH3+ | ion-ionbinding til en negativ gruppe |
| hydroxygruppe | serin (Ser), threonin (Thr), tyrosin (Tyr) | −OH | hydrogenbinding |
| amidgruppe | asparagin (Asn), glutamin (Gln) | −CO−NH2 | hydrogenbinding |
| carbonkæde eller benzenring | alanin (Ala), valin (Val), leucin (Leu), phenylalanin (Phe) | uændret | londonbindinger |
Arginin (Arg) har også en sidekæde, der er positivt ladet ved pH 7.
Alle grupper danner londonbindinger. Når du skal angive bindingen mellem to grupper, skriver du den stærkeste, de kan danne med hinanden.
Lactat, CH3−CH(OH)−COO−, er den ion, mælkesyre danner ved kroppens pH. Figuren viser lactat i det aktive center på et enzym. Angiv, hvilken slags binding der er ved 1, 2 og 3.
| Nr. | Gruppe i lactat | Gruppe i enzymet | Binding |
|---|---|---|---|
| 1 | methylgruppen, −CH3 | den upolære sidekæde i valin | londonbindinger |
| 2 | hydroxygruppen, −OH | hydroxygruppen i serin | hydrogenbinding |
| 3 | carboxylatgruppen, −COO− | den positivt ladede gruppe −NH3+ i lysin | ion-ionbinding |
Begrundelse
Methylgruppen og sidekæden i valin er begge upolære og kan kun danne londonbindinger. De to hydroxygrupper har begge et hydrogenatom på oxygen og kan danne en hydrogenbinding. Carboxylatgruppen er negativt ladet, og gruppen i lysin er positivt ladet, så de tiltrækker hinanden med en ion-ionbinding.
pH ændrer ladningerne
En sur eller basisk sidekæde er en svag syre eller base. Dens ladning afhænger derfor af pH, som du så i fordelingsdiagrammerne i afsnit A1.7.
| Sidekæde | pKs omkring | Når pH er lavere end pKs | Når pH er højere end pKs |
|---|---|---|---|
| carboxylgruppe (Asp, Glu) | 4 | −COOH, uden ladning | −COO−, negativ |
| aminogruppe (Lys) | 10,5 | −NH3+, positiv | −NH2, uden ladning |
Ved pH 2 har carboxylgruppen optaget en hydron. Så er ladningen væk, og ion-ionbindingen til substratet forsvinder. Substratet sidder dårligere fast, og enzymet arbejder langsommere. Ved meget lav eller meget høj pH mister hele proteinet sin foldning og denaturerer.
Hvert enzym har derfor en pH-værdi, hvor det arbejder bedst. Den kaldes enzymets pH-optimum.
Pepsin spalter proteiner i mavesækken, hvor pH er omkring 2. Amylase spalter stivelse i munden, hvor pH er omkring 7. Når maden med amylase når ned i mavesækken, holder amylasen op med at virke.
Temperatur
Op til omkring 40 °C stiger enzymets aktivitet med temperaturen, som Arrhenius-ligningen fra afsnit A5.4 siger. Bliver det varmere, ryster de svage bindinger, der holder proteinet foldet, fra hinanden. Enzymet denaturerer, det aktive center mister sin form, og aktiviteten falder brat. Figuren står i afsnit B1.5.
Inhibitorer
En inhibitor er et stof, der får et enzym til at arbejde langsommere. Mange lægemidler og gifte er inhibitorer.
- En kompetitiv inhibitor ligner substratet og sætter sig i det aktive center. Den konkurrerer med substratet om pladsen. Er der meget substrat, vinder substratet for det meste, og inhibitoren betyder mindre.
- En non-kompetitiv inhibitor sætter sig et andet sted på enzymet og ændrer dets form, så det aktive center virker dårligere. Her hjælper det ikke at tilsætte mere substrat.
| Inhibitor | Enzym | Slags |
|---|---|---|
| ibuprofen | et enzym, der danner signalstoffer for smerte | kompetitiv: ibuprofen sætter sig i det aktive center |
| ethanol, brugt som modgift mod methanol | alkoholdehydrogenase | kompetitiv: ethanol optager pladsen, så methanol ikke bliver omdannet til giftige stoffer |
| ioner af bly og kviksølv | mange enzymer | non-kompetitiv: ionerne binder sig til SH-grupper i cystein og ændrer enzymets form |
Inhibitoren holdes fast af de samme fire slags bindinger som substratet. Når et nyt lægemiddel udvikles, prøver man at lave et molekyle, hvis grupper passer til sidekæderne i enzymets aktive center.
- Skriv for hver binding både bindingens navn og de to grupper, den er imellem.
- Brug de fire navne: ion-ionbinding, hydrogenbinding, dipol-dipolbinding og londonbindinger.
- Tjek ladningerne ved den pH, opgaven oplyser. En carboxylgruppe er −COO− ved pH 7, og en aminogruppe er −NH3+.
- En hydrogenbinding kræver et hydrogenatom, der sidder på O eller N, i den ene gruppe og et O eller N i den anden.
- Skal du forklare, hvorfor et andet stof ikke binder, så peg på den ene binding, der mangler.