Enzymen versnellen reacties met factoren van wel een miljoen of meer (tabel 8.1). De meeste reacties in biologische systemen verlopen niet met een waarneembare snelheid als er geen enzymen aanwezig zijn. Zelfs een zo eenvoudige reactie als de hydratatie van kooldioxide wordt gekatalyseerd door een enzym, namelijk koolzuuranhydrase (Paragraaf 9.2). De overdracht van CO2 uit de weefsels naar het bloed en vervolgens naar de alveolaire lucht zou minder volledig zijn zonder dit enzym. In feite is koolzuuranhydrase een van de snelste enzymen die we kennen. Elk enzymmolecuul kan 106 moleculen CO2 per seconde hydrateren. Deze gekatalyseerde reactie is 107 keer zo snel als de ongekatalyseerde. We zullen het mechanisme van de katalyse van koolzuuranhydrase in hoofdstuk 9 bekijken. Enzymen zijn zeer specifiek, zowel in de reacties die zij katalyseren als in hun keuze van reactanten, die substraten worden genoemd. Een enzym katalyseert gewoonlijk één chemische reactie of een reeks nauw verwante reacties. Nevenreacties die leiden tot de verspillende vorming van bijproducten zijn zeldzaam in enzym-gekatalyseerde reacties, in tegenstelling tot ongekatalyseerde.
Tabel 8.1
Snelheidsverhoging door geselecteerde enzymen.
Laten we proteolytische enzymen als voorbeeld nemen. In vivo katalyseren deze enzymen proteolyse, de hydrolyse van een peptidebinding.
De meeste proteolytische enzymen katalyseren ook een andere, maar verwante reactie in vitro, namelijk de hydrolyse van een esterbinding. Dergelijke reacties zijn gemakkelijker te volgen dan proteolyse en zijn nuttig bij experimenteel onderzoek van deze enzymen (paragraaf 9.1.2).
Proteolytische enzymen verschillen sterk in hun mate van substraatspecificiteit. Subtilisine, dat in bepaalde bacteriën wordt aangetroffen, maakt geen onderscheid: het klieft elke peptideverbinding zonder zich te bekommeren om de identiteit van de aangrenzende zijketens. Trypsine, een spijsverteringsenzym, is vrij specifiek en katalyseert het splitsen van peptidebindingen alleen aan de carboxylzijde van lysine- en arginineresiduen (figuur 8.1A). Trombine, een enzym dat deelneemt aan de bloedstolling, is nog specifieker dan trypsine. Het katalyseert alleen de hydrolyse van Arg-Gly bindingen in bepaalde peptidesequenties (figuur 8.1B).
Figuur 8.1
Enzymspecificiteit. (A) Trypsine klieft aan de carboxylzijde van arginine- en lysineresiduen, terwijl (B) trombine specifiek Arg-Gly-bindingen in bepaalde sequenties klieft.
DNA polymerase I, een template-directed enzym (Sectie 27.2), is een andere zeer specifieke katalysator. Het voegt nucleotiden toe aan een DNA-streng die wordt gesynthetiseerd, in een volgorde die wordt bepaald door de volgorde van nucleotiden in een andere DNA-streng die als sjabloon dient. DNA-polymerase I is opmerkelijk nauwkeurig in het uitvoeren van de instructies die door de template worden gegeven. Minder dan één op een miljoen keer voegt het een verkeerde nucleotide in een nieuwe DNA-streng in.
De specificiteit van een enzym is te danken aan de precieze interactie van het substraat met het enzym. Deze precisie is het resultaat van de ingewikkelde driedimensionale structuur van het enzymproteïne.
8.1.1. Veel enzymen hebben cofactoren nodig voor hun activiteit
De katalytische activiteit van veel enzymen is afhankelijk van de aanwezigheid van kleine moleculen die cofactoren worden genoemd, hoewel de precieze rol varieert naar gelang van de cofactor en het enzym. Een dergelijk enzym zonder zijn cofactor wordt een apoenzym genoemd; het volledige, katalytisch actieve enzym wordt een holoenzym genoemd.
Cofactoren kunnen worden onderverdeeld in twee groepen: metalen en kleine organische moleculen (tabel 8.2). Het enzym koolzuuranhydrase, bijvoorbeeld, heeft Zn2+ nodig voor zijn activiteit (paragraaf 9.2.1). Glycogeenfosforylase (Paragraaf 21.1.5), dat glycogeen mobiliseert voor energie, heeft de kleine organische molecule pyridoxaalfosfaat (PLP) nodig.
Tabel 8.2
Enzymatische cofactoren.
Cofactoren die kleine organische moleculen zijn, worden co-enzymen genoemd. Vaak afgeleid van vitaminen, kunnen co-enzymen strak of losjes aan het enzym gebonden zijn. Als ze stevig gebonden zijn, worden ze prothetische groepen genoemd. Losjes aan het enzym gebonden co-enzymen lijken meer op cosubstraten, omdat zij zich aan het enzym binden en weer vrijkomen, net zoals substraten en producten dat doen. Het gebruik van hetzelfde co-enzym door verschillende enzymen en hun bron in vitamines onderscheidt co-enzymen echter van normale substraten. Enzymen die hetzelfde co-enzym gebruiken, lijken mechanistisch gezien meestal op elkaar. In hoofdstuk 9 zullen we het mechanistische belang van cofactoren voor de enzymactiviteit onderzoeken. Een meer gedetailleerde bespreking van co-enzymen is te vinden in Paragraaf 8.6.
8.1.2. Enzymen kunnen energie van de ene vorm in een andere omzetten
In veel biochemische reacties wordt de energie van de reactanten met hoge efficiëntie in een andere vorm omgezet. Bijvoorbeeld, in fotosynthese, wordt lichtenergie omgezet in chemisch-bindende energie door middel van een ionengradiënt. In mitochondriën wordt de vrije energie in kleine moleculen afkomstig van voedsel eerst omgezet in de vrije energie van een ionengradiënt en vervolgens in een andere munteenheid, de vrije energie van adenosinetrifosfaat. Enzymen kunnen de chemische bindingsenergie van ATP vervolgens op vele manieren gebruiken. Het enzym myosine zet de energie van ATP om in de mechanische energie van samentrekkende spieren. Pompen in de membranen van cellen en organellen, die kunnen worden beschouwd als enzymen die substraten verplaatsen in plaats van ze chemisch te wijzigen, creëren chemische en elektrische gradiënten door de energie van ATP te gebruiken om moleculen en ionen te transporteren (figuur 8.2). De moleculaire mechanismen van deze energie-overdragende enzymen worden momenteel ontrafeld. We zullen in de volgende hoofdstukken zien hoe eenrichtingscycli van discrete stappen – binding, chemische omzetting en vrijgave – leiden tot de omzetting van de ene vorm van energie in de andere.
Figuur 8.2
Een energie-omvormend enzym. Ca2+ ATPase gebruikt de energie van ATP-hydrolyse om Ca2+ over het membraan te transporteren, waardoor een Ca2+ gradiënt ontstaat.
8.1.3. Enzymen worden geclassificeerd op basis van de soorten reacties die zij katalyseren
Veel enzymen hebben gewone namen die weinig informatie geven over de reacties die zij katalyseren. Een proteolytisch enzym dat door de alvleesklier wordt afgescheiden, heet bijvoorbeeld trypsine. De meeste andere enzymen worden genoemd naar hun substraat en naar de reactie die zij katalyseren, met toevoeging van het achtervoegsel “ase”. Zo is een ATPase een enzym dat ATP afbreekt, terwijl ATP synthase een enzym is dat ATP synthetiseert.
Om enige consistentie te brengen in de classificatie van enzymen, richtte de Internationale Unie voor Biochemie in 1964 een Enzymencommissie op om een nomenclatuur voor enzymen te ontwikkelen. De reacties werden verdeeld in zes hoofdgroepen, genummerd van 1 tot en met 6 (tabel 8.3). Deze groepen werden onderverdeeld en verder onderverdeeld, zodat met een viercijferig nummer, voorafgegaan door de letters EC voor Enzyme Commission, alle enzymen nauwkeurig konden worden geïdentificeerd.
Tabel 8.3
Zes grote klassen van enzymen.
Nemen we als voorbeeld nucleoside monofosfaat (NMP) kinase, een enzym dat we in het volgende hoofdstuk (paragraaf 9.4) uitvoerig zullen bestuderen. Het katalyseert de volgende reactie:
NMP kinase brengt een fosforylgroep van ATP over op NMP om een nucleoside-difosfaat (NDP) en ADP te vormen. Het is dus een transferase, of lid van groep 2. Naast fosforylgroepen kunnen vele groepen, zoals suikers en koolstofeenheden, worden overgedragen. Transferases die een fosforylgroep verplaatsen worden aangeduid als 2.7. Verschillende functionele groepen kunnen de fosforylgroep accepteren. Als een fosfaat de acceptor is, wordt de transferase aangeduid met 2.7.4. Het laatste nummer geeft de acceptor nauwkeuriger aan. In het geval van NMP-kinase is een nucleoside-monofosfaat de acceptor, en wordt het enzym aangeduid met EC 2.7.4.4. Hoewel de gewone namen routinematig worden gebruikt, wordt het classificatienummer gebruikt wanneer de precieze identiteit van het enzym dubbelzinnig kan zijn.