Metabolisme hoofdstuk 8
Twee belangrijke eigenschappen van enzymen zijn de katalytische werking (aan de active site) en de
specifiteit. Enzymen kunnen eiwitten of RNAs zijn. Middels interacties brengen enzymen de
substraten samen in een optimale oriëntatie. De enzymen katalyseren door de transition state te
stabiliseren die in een reactie normaliter de hoogste energie hebben.
De meeste reacties in biologische systemen vinden niet plaats in de afwezigheid van de enzymen. Zo
is de verplaatsing van CO2 van weefsel naar het bloed en uiteindelijk de alveoli lang niet efficiënt
genoeg zonder carbonic anhydrase. Elk enzym kan 106 CO2 moleculen per seconde hydrateren.
Een enzym katalyseert meestal één reactie of enkele nauw verwante reacties.
Proteolytic enzymes katalyseren het verbreken van peptiden bindingen middels hydrolyse. Veel
proteolytic enzymen katalyseren ook de nauw verwante hydrolyse van ester verbindingen. Omdat
deze verbindingen makkelijker te volgen zijn is dit handig voor onderzoek naar deze enzymen. De
proteolytische enzymen verschillen sterk in hun specifiteit. De specifiteit van een enzym is afhankelijk
van de precieze interactie van het substraat met het enzym, de precisie is afhankelijk van de
driedimensionale structuur van het enzym.
De catalytische activiteit is vaak afhankelijk van cofactors. De cofactors zijn in staat tot chemische
reacties waar de 20 aminozuren alleen niet toe in staat zijn. Cofactoren worden opgedeeld in
metalen en in kleine organische moleculen, ook wel coenzymen. Als de coenzymen sterk gebonden
zijn worden ze ook wel prosthetic groups genoemd. De minder sterk gebonden coenzymen zijn
eerder cosubstraten omdat ze net als de substraten loslaten. De coenzymen verschillen in het aantal
enzymen waar ze aan binden en hun achtergrond (afkomstig van vitaminen).
Apoenzym: het enzym zonder zijn cofactor.
Holoenzym: het complete katalytisch actieve enzym.
Enzymen spelen een essentiële rol in energie transformatie. Zo spelen ze fundamentele rollen in
fotosynthese en cellulaire respiratie.
Enzymen hebben enkel invloed op de energie die nodig is om de verandering van reactanten in
producten te initiëren. Ze hebben dus geen invloed op de vrije-energie tussen de substraten en de
reactanten (en dus of een reactie spontaan verloopt).
Exergonic: reacties met een negatieve delta G, deze verlopen dus spontaan.
Endergonic: reacties met een positieve delta G, deze reacties hebben energie toevoer nodig om te
verlopen.
Een systeem is in evenwicht en er kan geen netto verandering plaatsvinden als delta G nul is. De
delta G zegt verder niets over hoe snel een reactie verloopt maar enkel of een reactie spontaan kan
verlopen. De snelheid van een reactie is afhankelijk van de vrije energie van activatie.
De delta Go’ is makkelijk te bepalen in evenwicht omdat de delta G hier nul is. Of een reactie verloopt
is afhankelijk van de delta G en niet van de delta G o’, de delta Go’ kan worden aangepast door de
concentratie van producten en substraten aan te passen. Enzymen kunnen het evenwicht van een
reactie niet aanpassen.
Ook als een enzym wordt toegevoegd stabiliseert de hoeveelheid product die gevormd wordt, dit
gebeurt omdat de omzetting van het product in het substraat even snel verloopt als de omzetting van
het substraat in het product. Het evenwicht (K) wordt bepaald door de voorwaartse snelheids
, constante te delen door de omgekeerde snelheids constante. Enzymen versnellen het bereiken van
het evenwicht.
Een chemische reactie van S naar P komt eerst door een transitie staat (X). Deze transitiestaat heeft
een hogere vrij energie dan zowel S als P. De staat is het minst stabiel en wordt hierom ook het minst
bezet. Het verschil in vrije energie tussen S en X wordt de Gibbs free energy of activation genoemd.
De activation energy wordt niet meegerekend in de berekening voor de vrije energie omdat deze
energie weer vrijkomt bij het vormen van het product. Enzymen faciliteren de formatie van de
transition state en verlagen hiermee de activatie energie (en dragen dus niet bij aan de vrije energie).
De katalytische werking wordt dus veelal verkregen door het binden van substraten en het
veranderen van de structuur om zo de transitie staat de bevorderen. De eerste stap in catalyse is de
formatie van het enzyme-substrate (ES) complex.
Bewijs voor het bestaan van een ES-complex:
1. Bij een constante hoeveelheid enzym en een toenemende hoeveelheid substraat neemt de
activiteit toe tot een maximum is behaald. In dit geval zijn alle active sites bezet en kan de
reactiesnelheid dus niet toenemen. Reacties zonder een enzym vertonen deze verzadiging
niet.
2. De spectroscopische eigenschappen van enzymen en substraten veranderen na de formatie
van een ES-complex.
3. X-ray kristallografie heeft beelden getoond van substraten en substraten gebonden aan de
active site van enzymen.
In de active site bevinden zich de aminozuren (en cofactoren) die direct betrokken zijn bij het maken
en verbreken van verbindingen. Deze residuen worden de catalytic groups genoemd.
- De active site is een drie dimensionale gleuf, gevormd door verschillende delen van de
aminozuur sequentie.
- De active site is maar een klein deel van het totale volume van het enzym. Al zijn de andere
delen van het enzym niet direct betrokken bij de katalyse, ze dragen wel bij aan het correct
positioneren van het substraat. Een minimaal enzym heeft ongeveer 100 aminozuren nodig.
Dit betekent dus dat ook de residuen die niet in de active site nodig zijn.
- De active site is een uniek microenvironment. Omdat de active site niet-polair is wordt de
binding van substraten en de katalyse versterkt.
- De substraten binden aan de enzymen door meerdere zwakke verbindingen. De van der
waalskrachten worden pas significant als er meerdere moleculen tegelijk aan de active site
binden (door de hydrofobe interacties), dus de active site en het substraat moeten
complementerende structuren hebben. Daarnaast zorgen waterstofbruggen voor de
specifiteit van de verbinding.
- De specifiteit van de verbinding hangt af van de precieze samenstelling van atomen in de
active site. Omdat het substraat en het enzym binden middels niet-covalente interacties
moet de afstand waarop de twee moleculen zich bevinden heel klein zijn.
Induced fit: enzymen zijn flexibel en de vorm van de active site kan aangepast worden door
de binding van een substraat.
Conformational selection: het substraat bindt enkel aan bepaalde conformaties van het
enzym.
Vrije energie komt vrij door de zwakke interacties tussen het enzym en het substraat. De vrij energie
die vrijkomt bij deze bindingen wordt de binding energy genoemd. Enkel bij het juiste substraat is de
bindings energie maximaal en deze energie komt pas vrij als het substraat in de transitie staat zit. De
transitie staat is echter zeer onstabiel en afhankelijk van de delta G verandert de transitie staat al
snel in substraat of product.
Kinetics: de studie van de snelheid van chemische reacties.
Twee belangrijke eigenschappen van enzymen zijn de katalytische werking (aan de active site) en de
specifiteit. Enzymen kunnen eiwitten of RNAs zijn. Middels interacties brengen enzymen de
substraten samen in een optimale oriëntatie. De enzymen katalyseren door de transition state te
stabiliseren die in een reactie normaliter de hoogste energie hebben.
De meeste reacties in biologische systemen vinden niet plaats in de afwezigheid van de enzymen. Zo
is de verplaatsing van CO2 van weefsel naar het bloed en uiteindelijk de alveoli lang niet efficiënt
genoeg zonder carbonic anhydrase. Elk enzym kan 106 CO2 moleculen per seconde hydrateren.
Een enzym katalyseert meestal één reactie of enkele nauw verwante reacties.
Proteolytic enzymes katalyseren het verbreken van peptiden bindingen middels hydrolyse. Veel
proteolytic enzymen katalyseren ook de nauw verwante hydrolyse van ester verbindingen. Omdat
deze verbindingen makkelijker te volgen zijn is dit handig voor onderzoek naar deze enzymen. De
proteolytische enzymen verschillen sterk in hun specifiteit. De specifiteit van een enzym is afhankelijk
van de precieze interactie van het substraat met het enzym, de precisie is afhankelijk van de
driedimensionale structuur van het enzym.
De catalytische activiteit is vaak afhankelijk van cofactors. De cofactors zijn in staat tot chemische
reacties waar de 20 aminozuren alleen niet toe in staat zijn. Cofactoren worden opgedeeld in
metalen en in kleine organische moleculen, ook wel coenzymen. Als de coenzymen sterk gebonden
zijn worden ze ook wel prosthetic groups genoemd. De minder sterk gebonden coenzymen zijn
eerder cosubstraten omdat ze net als de substraten loslaten. De coenzymen verschillen in het aantal
enzymen waar ze aan binden en hun achtergrond (afkomstig van vitaminen).
Apoenzym: het enzym zonder zijn cofactor.
Holoenzym: het complete katalytisch actieve enzym.
Enzymen spelen een essentiële rol in energie transformatie. Zo spelen ze fundamentele rollen in
fotosynthese en cellulaire respiratie.
Enzymen hebben enkel invloed op de energie die nodig is om de verandering van reactanten in
producten te initiëren. Ze hebben dus geen invloed op de vrije-energie tussen de substraten en de
reactanten (en dus of een reactie spontaan verloopt).
Exergonic: reacties met een negatieve delta G, deze verlopen dus spontaan.
Endergonic: reacties met een positieve delta G, deze reacties hebben energie toevoer nodig om te
verlopen.
Een systeem is in evenwicht en er kan geen netto verandering plaatsvinden als delta G nul is. De
delta G zegt verder niets over hoe snel een reactie verloopt maar enkel of een reactie spontaan kan
verlopen. De snelheid van een reactie is afhankelijk van de vrije energie van activatie.
De delta Go’ is makkelijk te bepalen in evenwicht omdat de delta G hier nul is. Of een reactie verloopt
is afhankelijk van de delta G en niet van de delta G o’, de delta Go’ kan worden aangepast door de
concentratie van producten en substraten aan te passen. Enzymen kunnen het evenwicht van een
reactie niet aanpassen.
Ook als een enzym wordt toegevoegd stabiliseert de hoeveelheid product die gevormd wordt, dit
gebeurt omdat de omzetting van het product in het substraat even snel verloopt als de omzetting van
het substraat in het product. Het evenwicht (K) wordt bepaald door de voorwaartse snelheids
, constante te delen door de omgekeerde snelheids constante. Enzymen versnellen het bereiken van
het evenwicht.
Een chemische reactie van S naar P komt eerst door een transitie staat (X). Deze transitiestaat heeft
een hogere vrij energie dan zowel S als P. De staat is het minst stabiel en wordt hierom ook het minst
bezet. Het verschil in vrije energie tussen S en X wordt de Gibbs free energy of activation genoemd.
De activation energy wordt niet meegerekend in de berekening voor de vrije energie omdat deze
energie weer vrijkomt bij het vormen van het product. Enzymen faciliteren de formatie van de
transition state en verlagen hiermee de activatie energie (en dragen dus niet bij aan de vrije energie).
De katalytische werking wordt dus veelal verkregen door het binden van substraten en het
veranderen van de structuur om zo de transitie staat de bevorderen. De eerste stap in catalyse is de
formatie van het enzyme-substrate (ES) complex.
Bewijs voor het bestaan van een ES-complex:
1. Bij een constante hoeveelheid enzym en een toenemende hoeveelheid substraat neemt de
activiteit toe tot een maximum is behaald. In dit geval zijn alle active sites bezet en kan de
reactiesnelheid dus niet toenemen. Reacties zonder een enzym vertonen deze verzadiging
niet.
2. De spectroscopische eigenschappen van enzymen en substraten veranderen na de formatie
van een ES-complex.
3. X-ray kristallografie heeft beelden getoond van substraten en substraten gebonden aan de
active site van enzymen.
In de active site bevinden zich de aminozuren (en cofactoren) die direct betrokken zijn bij het maken
en verbreken van verbindingen. Deze residuen worden de catalytic groups genoemd.
- De active site is een drie dimensionale gleuf, gevormd door verschillende delen van de
aminozuur sequentie.
- De active site is maar een klein deel van het totale volume van het enzym. Al zijn de andere
delen van het enzym niet direct betrokken bij de katalyse, ze dragen wel bij aan het correct
positioneren van het substraat. Een minimaal enzym heeft ongeveer 100 aminozuren nodig.
Dit betekent dus dat ook de residuen die niet in de active site nodig zijn.
- De active site is een uniek microenvironment. Omdat de active site niet-polair is wordt de
binding van substraten en de katalyse versterkt.
- De substraten binden aan de enzymen door meerdere zwakke verbindingen. De van der
waalskrachten worden pas significant als er meerdere moleculen tegelijk aan de active site
binden (door de hydrofobe interacties), dus de active site en het substraat moeten
complementerende structuren hebben. Daarnaast zorgen waterstofbruggen voor de
specifiteit van de verbinding.
- De specifiteit van de verbinding hangt af van de precieze samenstelling van atomen in de
active site. Omdat het substraat en het enzym binden middels niet-covalente interacties
moet de afstand waarop de twee moleculen zich bevinden heel klein zijn.
Induced fit: enzymen zijn flexibel en de vorm van de active site kan aangepast worden door
de binding van een substraat.
Conformational selection: het substraat bindt enkel aan bepaalde conformaties van het
enzym.
Vrije energie komt vrij door de zwakke interacties tussen het enzym en het substraat. De vrij energie
die vrijkomt bij deze bindingen wordt de binding energy genoemd. Enkel bij het juiste substraat is de
bindings energie maximaal en deze energie komt pas vrij als het substraat in de transitie staat zit. De
transitie staat is echter zeer onstabiel en afhankelijk van de delta G verandert de transitie staat al
snel in substraat of product.
Kinetics: de studie van de snelheid van chemische reacties.
