Enzymer fremskynder reaktioner med en faktor på op til en million eller mere (tabel 8.1). Faktisk finder de fleste reaktioner i biologiske systemer ikke sted med mærkbar hastighed i fravær af enzymer. Selv en så simpel reaktion som hydrering af kuldioxid er katalyseret af et enzym – nemlig kulsyreanhydrase (afsnit 9.2). Overførslen af CO2 fra vævene til blodet og derefter til den alveolære luft ville være mindre fuldstændig i fravær af dette enzym. Faktisk er kulsyreanhydrase et af de hurtigste kendte enzymer. Hvert enzymmolekyle kan hydrere 106 CO2-molekyler pr. sekund. Denne katalyserede reaktion er 107 gange så hurtig som den ikke-katalyserede reaktion. Vi vil se på mekanismen for katalysen af kulsyreanhydrase i kapitel 9. Enzymer er meget specifikke både i de reaktioner, som de katalyserer, og i deres valg af reaktanter, som kaldes substrater. Et enzym katalyserer normalt en enkelt kemisk reaktion eller et sæt nært beslægtede reaktioner. Side-reaktioner, der fører til spilddannelse af biprodukter, er sjældne i enzymkatalyserede reaktioner, i modsætning til ikke-katalyserede reaktioner.

Tabel 8.1

Rateforøgelse ved udvalgte enzymer.

Lad os betragte proteolytiske enzymer som et eksempel. In vivo katalyserer disse enzymer proteolyse, dvs. hydrolyse af en peptidbinding.

De fleste proteolytiske enzymer katalyserer også en anden, men beslægtet reaktion in vitro – nemlig hydrolyse af en esterbinding. Sådanne reaktioner er lettere at overvåge end proteolyse og er nyttige i eksperimentelle undersøgelser af disse enzymer (afsnit 9.1.2).

Proteolytiske enzymer adskiller sig markant i deres grad af substratspecificitet. Subtilisin, som findes i visse bakterier, er ganske udifferentieret: det vil kløve enhver peptidbinding uden at tage hensyn til identiteten af de tilstødende sidekæder. Trypsin, et fordøjelsesenzym, er ret specifikt og katalyserer kun spaltning af peptidbindinger på carboxylsiden af lysin- og argininrester (figur 8.1A). Trombin, et enzym, der deltager i blodets størkning, er endnu mere specifikt end trypsin. Det katalyserer kun hydrolysen af Arg-Gly-bindinger i bestemte peptidsekvenser (figur 8.1B).

Figur 8.1

Enzymspecificitet. (A) Trypsin spalter på carboxylsiden af arginin- og lysinrester, mens (B) thrombin spalter Arg-Gly-bindinger i bestemte sekvenser specifikt.

DNA-polymerase I, som er et skabelonstyret enzym (afsnit 27.2), er en anden meget specifik katalysator. Det tilføjer nukleotider til en DNA-streng, der er under syntese, i en sekvens, der er bestemt af sekvensen af nukleotider i en anden DNA-streng, der tjener som skabelon. DNA-polymerase I er bemærkelsesværdigt præcis i udførelsen af de instruktioner, der er givet af skabelonen. Den indsætter det forkerte nukleotid i en ny DNA-streng mindre end én ud af en million gange.

Et enzyms specificitet skyldes substratets præcise interaktion med enzymet. Denne præcision er et resultat af enzymproteinets indviklede tredimensionelle struktur.

8.1.1. Mange enzymer kræver kofaktorer for at være aktive

Den katalytiske aktivitet af mange enzymer afhænger af tilstedeværelsen af små molekyler, der kaldes kofaktorer, selv om den præcise rolle varierer med kofaktoren og enzymet. Et sådant enzym uden sin cofaktor kaldes et apoenzym; det komplette, katalytisk aktive enzym kaldes et holoenzym.

Cofaktorer kan opdeles i to grupper: metaller og små organiske molekyler (tabel 8.2). Enzymet kulsyreanhydrase kræver f.eks. Zn2+ for sin aktivitet (afsnit 9.2.1). Glykogenphosphorylase (afsnit 21.1.5), som mobiliserer glykogen til energi, kræver det lille organiske molekyle pyridoxalphosphat (PLP).

Tabel 8.2

Enzymkofaktorer.

Kofaktorer, der er små organiske molekyler, kaldes coenzymer. Coenzymer, der ofte er afledt af vitaminer, kan være enten tæt eller løst bundet til enzymet. Hvis de er tæt bundne, kaldes de prostetiske grupper. Løst tilknyttede coenzymer ligner mere cosubstrater, fordi de binder sig til og frigives fra enzymet ligesom substrater og produkter. Brugen af det samme coenzym af en række enzymer og deres oprindelse i vitaminer adskiller imidlertid coenzymer fra normale substrater. Enzymer, der anvender det samme coenzym, er normalt mekanisk set ens. I kapitel 9 undersøger vi den mekanistiske betydning af kofaktorer for enzymaktiviteten. En mere detaljeret diskussion af coenzymvitaminer findes i afsnit 8.6.

8.1.2. Enzymer kan omdanne energi fra én form til en anden

I mange biokemiske reaktioner omdannes reaktanternes energi med høj effektivitet til en anden form. I fotosyntesen omdannes lysenergi f.eks. til energi fra kemiske bindinger gennem en iongradient. I mitokondrier omdannes den frie energi, der er indeholdt i små molekyler, som stammer fra fødevarerne, først til den frie energi fra en iongradient og derefter til en anden valuta, nemlig den frie energi fra adenosintrifosfat. Enzymer kan derefter bruge ATP’s kemiske bindingsenergi på mange måder. Enzymet myosin omdanner ATP-energien til den mekaniske energi, der opstår i kontraherende muskler. Pumper i cellernes og organellernes membraner, som kan opfattes som enzymer, der flytter substrater i stedet for at ændre dem kemisk, skaber kemiske og elektriske gradienter ved at bruge ATP’s energi til at transportere molekyler og ioner (figur 8.2). De molekylære mekanismer for disse energitransducerende enzymer er ved at blive opklaret. Vi vil i de efterfølgende kapitler se, hvordan ensrettede cyklusser af diskrete trin – binding, kemisk omdannelse og frigivelse – fører til omdannelse af en energiform til en anden.

Figur 8.2

Et energitransformerende enzym. Ca2+ ATPase bruger energien fra ATP-hydrolyse til at transportere Ca2+ over membranen, hvorved der dannes en Ca2+ gradient.

8.1.3. Enzymer klassificeres på grundlag af de typer af reaktioner, som de katalyserer

Mange enzymer har fælles navne, der kun giver lidt information om de reaktioner, som de katalyserer. F.eks. kaldes et proteolytisk enzym, der udskilles af bugspytkirtlen, for trypsin. De fleste andre enzymer er navngivet efter deres substrater og efter de reaktioner, som de katalyserer, med tilføjelsen “ase” som suffiks. Således er en ATPase et enzym, der nedbryder ATP, mens ATP-syntase er et enzym, der syntetiserer ATP.

For at skabe en vis konsistens i klassificeringen af enzymer nedsatte den internationale union for biokemi i 1964 en enzymkommission, der skulle udvikle en nomenklatur for enzymer. Reaktioner blev inddelt i seks hovedgrupper nummereret fra 1 til 6 (tabel 8.3). Disse grupper blev underinddelt og yderligere underopdelt, således at et firecifret nummer med bogstaverne EC for Enzymkommissionen foran sig kunne identificere alle enzymer præcist.

Tabel 8.3

Seks hovedklasser af enzymer.

Se som eksempel nukleosidmonofosfat (NMP)-kinase, et enzym, som vi vil undersøge nærmere i næste kapitel (afsnit 9.4). Det katalyserer følgende reaktion:

NMP kinase overfører en fosforylgruppe fra ATP til NMP for at danne et nukleosiddiphosphat (NDP) og ADP. Det er derfor en transferase eller et medlem af gruppe 2. Der kan overføres mange grupper ud over fosforylgrupper, f.eks. sukkerstoffer og kulstofenheder. Transferaser, der flytter en fosforylgruppe, betegnes som 2.7. Forskellige funktionelle grupper kan acceptere fosforylgruppen. Hvis en fosfat er acceptoren, betegnes transferasen som 2.7.4. Det endelige nummer angiver acceptoren mere præcist. Hvad angår NMP-kinase, er et nukleosidmonofosfat acceptoren, og enzymets betegnelse er EC 2.7.4.4. Selv om de almindelige navne bruges rutinemæssigt, anvendes klassifikationsnummeret, når den præcise identitet af enzymet kan være tvetydig.