Enzymen

Enzymen zorgen ervoor dat alle chemische reacties in de cel kunnen verlopen. Maar ook
buiten de cel, spelen enzymen een belangrijke rol. In het ziekenhuis om een ziekte aan
te tonen, in de was om vlekken te verwijderen, in de chemische industrie om allerlei
producten te maken en in het DNA laboratorium om DNA te knippen en te plakken.
Inleiding Enzymen
1. Enzymen zijn eiwitten
Chemische reacties verlopen sneller naarmate de temperatuur stijgt of de concentratie
van de aan de reactie deelnemende stoffen toeneemt. In een levend organisme verlopen
de chemische reacties in de cel razend snel. Dat komt door de aanwezigheid van
enzymen. Enzymen zijn bio-katalysatoren: het zijn eiwitten met een katalytische
functie. Een katalysator is een stof die de snelheid van de reactie vergroot zonder
daarbij zelf verbruikt te worden.
2. Hoe werken enzymen?
Enzymen zijn grote eiwitten met een bepaalde ruimtelijke structuur (meestal
bolvormig). De stof die door een enzym wordt omgezet heet substraat. Bij een enzym
gekatalyseerde reactie bindt het enzym het substraat: er ontstaat een enzymsubstraat-complex. Vervolgens vindt de reactie plaats, de producten laten los van het
enzym. Het enzym kan dan weer opnieuw het substraat binden. De actieve plaats van een
enzym is de plaats waar het enzym in contact komt met het substraat. Bij de enzymsubstraatbinding spelen waterstofbruggen een belangrijke rol.
Enzymen werken specifiek, ze kunnen slechts één of hoogstens enkele aan elkaar
verwante substraten omzetten. Enzym en substraat moeten immers in elkaar passen als
een sleutel in een slot. Aan de naam van een enzym kun je vaak zien welk substraat
wordt omgezet: amylase zet zetmeel (amylum) om, protease zet eiwit om (proteïne=
eiwit), peroxidase zet peroxide om. Soms geeft de naam aan welk type chemische
reactie het enzym katalyseert: hydrolase (hydrolyse reactie), polymerase (vorming van
polymeren).
3. Eigenschappen van enzymen
Omdat enzymen eiwitten zijn, zijn ze gevoelig voor temperatuur en pH. Die gevoeligheid
verschilt enorm per enzym. Er zijn enzymen die nog werken bij een temperatuur van
95°C. Dat zijn enzymen die voorkomen in bacteriën die in heet waterbronnen leven.
Andere enzymen verliezen hun werking al bij 40°C.
Enzymen kunnen geremd worden door bepaalde stoffen. De blokkade (remmende
werking) van enzymen kun je begrijpen als je ze voorstelt met ruimtelijke structuren. Er
zijn twee typen van remmers: irreversibele en reversibele remmers. In veel
insectendodende middelen zit Parathion. Parathion is een voorbeeld van een
irreversibele remmer. Het gaat een binding aan met het enzym acetylcholine-esterase
dat verantwoordelijk is voor overdracht van zenuwimpulsen. Als dit enzym geblokkeerd
is, gaat het insect dood. Ook kwik en andere zware metalen behoren tot de irreversibele
remmers. Ze maken enzymen kapot door een binding aan te gaan met de bepaalde
aminozuren in een eiwit waardoor de structuur onherstelbaar (irreversibel) beschadigd
wordt. Het enzym kan dan geen substraat meer binden en de reactie verloopt niet of
langzaam. Deze schade is permanent.
Er zijn ook stoffen die tijdelijk een binding aangaan met een enzym, de remming is dan
reversibel. De remmer lijkt wat betreft de ruimtelijke structuur (stereochemisch)
sterk op het substraat en kan ook op de actieve plaats binden, de actieve plaats is dan
'bezet'. Als zowel remmer als substraat aanwezig zijn, vindt er een competitie plaats
tussen die twee stoffen. Als er heel veel substraat aanwezig is, zullen de meeste
enzymen het substraat binden, de reactie verloopt dan iets langzamer. Naarmate er
meer remmer aanwezig is, verloopt de reactie steeds trager. Is er geen remmer meer,
dan doet het enzym gewoon zijn werk weer. Deze vorm van remming wordt competitieve
remming genoemd: er is competitie tussen remmer en substraat om aan het enzym te
binden.
Behalve remmers, zijn er ook stoffen die de werking van het enzym versterken. Bij de
bloedstolling in het lichaam zijn calcium-ionen en vitamine-K-moleculen belangrijke
activators van de stollingsenzymmoleculen. Het amylase in het speeksel wordt
geactiveerd door chloride-ionen.
4. Aantonen van enzymen (enzymwerking)
Fleming, de ontdekker van penicilline, voerde in 1921 een experiment uit:
Hij was erg verkouden en druppelde een kleine hoeveelheid traanvocht op een plaat met
bacteriën. Tot zijn verbazing zag hij dat op die plaats de bacteriën verdwenen. Bij
toeval had hij nu de werking van het enzym lysozym aangetoond. Pas in 1928 ontdekte
hij, eveneens bij toeval, het penicilline.
Lysozym is een enzym dat voorkomt in traanvocht, zweet en ook in het wit van een ei.
Dit enzym breekt de celwanden van bacteriën af. Zonder stevige celwand kunnen de
bacterie-cellen de osmotische druk niet weerstaan, ze klappen uit elkaar.
Je hebt waarschijnlijk zelf ook al eens de werking van een enzym aangetoond: in
speeksel zit amylase dat zetmeel omzet in maltose-eenheden. Zetmeel kleurt met
jodium blauw/paars. Als je speeksel een poosje op zetmeel laat inwerken, kun je met
jodium geen zetmeel meer aan tonen.
In het algemeen toon je de werking van een enzym aan door zichtbaar te maken dat het
substraat verdwijnt of dat er een bepaald product ontstaat. In het geval van het
speekselproefje toon je aan dat het substraat, het zetmeel dus, verdwijnt. De snelheid
waarmee het substraat wordt omgezet hangt af van de hoeveelheid enzym en de
gebruikte omstandigheden. Om enzymwerking aan te tonen hoef je het enzym dus niet
zuiver in handen te hebben.
5. Klinische chemie
In een ziekenhuislaboratorium spelen enzymbepalingen een belangrijke rol. Bijvoorbeeld
om beschadigingen van cellen en weefsels aan te tonen: Bij een hartinfarct worden
hartspiercellen beschadigd. De inhoud van deze cellen komt dan in het bloed. De
hoeveelheid specifieke hartspierenzymen in het bloed is een maat voor het aantal
beschadigde hartspiercellen. Enzymbepalingen (biochemisch onderzoek) zijn in dit geval
belangrijk om de omvang van de schade vast te stellen. Deze vorm van biochemisch
onderzoek heet ‘klinische chemie’. Omdat er per dag in een ziekenhuis heel veel
bepalingen gedaan moeten worden, is dit werk voor een groot deel geautomatiseerd
waarbij men o.a. gebruik maakt van spectrometrie.
Bij veel aantoningsreacties wordt gebruik gemaakt van kleuren. Het zetmeel kleurt
blauw/paars met jodium, glucose kleurt geel (oranje/bruin) met Benedict. Kleur (=
golflengte van het licht) kun je meten met een spectrofotometer (soms ook colorimeter
genoemd, als de stralingsbron licht uitzendt in het zichtbare gebied). Een
spectrofotometer stuurt licht met een bepaalde intensiteit door een oplossing en meet
de intensiteit van het licht dat door de oplossing heengaat in verhouding met het licht
dat er door heen gestuurd wordt.
Enzymen kunnen ook gebruikt worden als 'biosensor' om stoffen op te sporen. Sommige
van die testen zijn zo eenvoudig dat je ze thuis kunt gebruiken:
Glucose in urine toon je aan met speciale dipsticks. Dat zijn kleine stukjes papier waarop
enzymen zijn gehecht. Door zo'n stickje in de urine te dopen (dip-sticks) kun je zelf
heel snel onderzoeken of er glucose in je urine zit. Ook voor het aantonen van eiwitten
bestaan er dergelijke eenvoudige testjes.
6. Biotechnologische productie van enzymen
Bedrijven halen de enzymen uit biologisch materiaal: planten, dieren, mensen of microorganismen. Enzymen bevinden zich in het cytoplasma, in de celorganellen of worden
uitgescheiden naar buiten de cel (= exo-enzymen). Op welke manier je enzymen kunt
isoleren uit biologisch materiaal hangt af van het soort organisme en van de plaats waar
het enzym zich in dat organisme bevindt.
Bacteriën bijvoorbeeld scheiden enzymen uit die betrokken zijn bij de extracellulaire
(buiten de cel) vertering. Door deze bacteriën op grote schaal te kweken, soms wel in
tanks (fermentoren) van 105 liter, kunnen de enzymen uit het groeimedium geïsoleerd
worden.
7. Recombinant DNA en enzymen
Als micro-organismen gebruikt worden voor de productie van allerlei stoffen, dus ook
enzymen, spreken we over Biotechnologie. Het maken van bier, wijn en brood is daarom
ook biotechnologie. De biotechnologie heeft zich de laatste jaren enorm kunnen
ontwikkelen door de komst van recombinant-DNA technologie. In het begin van de jaren
'70 was het alleen mogelijk om micro-organismen genetisch te veranderen, te
modificeren. Inmiddels kunnen ook planten en dieren gemodificeerd worden. Met de
komst van het recombinant-DNA kan aan de bevruchte eicel van een organisme een
extra gen, een stukje DNA dat de informatie bevat voor een eiwit, worden toegevoegd.
De dieren die hieruit ontstaan noemen we transgeen.
Stier Herman is wel de meest bekende transgene stier: hij heeft het menselijke gen
voor lactoferrine in zijn erfelijk materiaal. Zijn vrouwelijke nakomelingen produceren
lactoferrine in hun melk. Lactoferrine is een eiwit dat gebruikt kan worden bij de
behandeling van infectieziekten. De volgende stap is de transgene dieren door middel
van kloneren te vermenigvuldigen. Schaap Dolly staat bekend als het eerste gekloneerde
schaap, alhoewel het kloneren van dieren daarvoor al uitgevoerd werd bij kleinere
dieren.
8. De industriële toepassingen van enzymen
De eigenschappen van een enzym zijn afhankelijk van het organisme waaruit dat enzym
geïsoleerd is, ook al hebben de verschillende vormen van een enzym chemisch dezelfde
werking. Neem het ß-galactosidase. Dat zet lactose om in glucose en galactose. Dit
enzym komt voor in bacteriën, gisten en schimmels. In de tabel zijn de optimale
temperatuur en pH van de verschillende vormen weergegeven:
PH optimum
Temperatuur
optimum
Escherichia coli
(bacterie)
7,2
40
Aspergillus niger
(schimmel)
3,0 - 4,0
55 - 60
6,6
37
Bron
Sacharomyces fragilis
(gist)
Het ß-galactosidase is een enzym dat een belangrijke rol speelt in de voedingsindustrie.
Bij de kaasproductie wordt het enzym chymosine aan de melk toegevoegd waardoor de
melk gaat stremmen. De gestremde melk heet de wrongel, de overgebleven vloeistof
wordt wei genoemd. Wei is rijk aan lactose (=melksuiker). Door lactose om te zetten in
galactose en glucose ontstaat een zoete siroop die gebruikt wordt in frisdranken als
Taksi. Aangezien de wei vrij zuur is kan het enzym uit Aspergillus niger (schimmel) wel,
maar dat uit Sacharomyces fragilis (gist) niet gebruikt worden voor dit proces.
In de onderstaande tabel staan nog meer voorbeelden van toepassingen van enzymen in
de industrie.
Tabel: Enkele enzymen die veel gebruikt worden:
Industrietak
Toepassing
Enzym
Brouwerij
Mouten
Amyloglucosidase
Zuivel
Lactosevrij maken van
zuivel
β-galactosidase
Kaasbereiding
Rennine, chymosine
Vruchtensappen
Klaring, filtratie
Pectinase, amylase,
cellulase
Wasmiddelen
Vlekverwijdering
Wasverzachter
Protease, amylase,
lipase
Hyaluronidase
Fermentatie en
fijnchemie
L-aminozuurproductie
L-aspartaatsynthese
Aspartaamproductie
Antibiotica-productie
Aminoacylase
Aspartase
Thermolysine
Penicilline-acylase
Oliewinning
Spoeling van bronnen en
boorgaten
Cellulase,
hemicellulase
Enzymen worden in de industrie ook toegepast in plaats van chemische katalysatoren.
Een voorbeeld daarvan is de vorming van aspartaam (een kunstmatige zoetstof) uit twee
aminozuren. Het enzym thermolysine koppelt de aminozuren asparaginezuur en
fenylalanine zo aan elkaar dat alleen het α -dipeptide ontstaat. Chemisch (dus zonder
thermolysine) is deze reactie ook mogelijk maar dan ontstaat een mengsel met het
zoete α-dipeptide en het bittersmakende β-dipeptide.
9. De voordelen en nadelen van enzymatische katalyse
Enzymen hebben een enorm katalytisch vermogen en werken zeer specifiek. Ze doen dat
onder zeer milde omstandigheden. De meeste enzymen werken goed bij temperaturen
tussen de 25°C en 30°C in waterige oplossingen van pH 5-10 en bij een druk van1
atmosfeer. Er ontstaan geen bijproducten, dus de zuiverheid van het eindproduct is heel
hoog.
Er zijn ook nadelen aan enzymatische katalyse. Enzymen zijn gevoelig voor pH- en
temperatuurschommelingen en bovendien vrij duur. Een ander nadeel is dat enzymen
vaak hulpstoffen (co-factoren) nodig hebben die ook weer duur zijn.
10. Immobilisatie
Het immobiliseren van enzymen is een methode om de stabiliteit van het enzym te
verbeteren en daarmee de levensduur te verlengen. Immobiliseren wil zeggen:
vastzetten op een drager of in te sluiten in een matrix (zie de onderstaande figuur).
Het voordeel daarvan is, dat ontvouwing van de ketens niet meer mogelijk is waardoor
het enzym minder gevoelig is voor pH- en temperatuurschommelingen.
Het geïmmobiliseerde enzym is veel eenvoudiger uit een reactiemengsel te isoleren dan
een niet geïmmobiliseerd enzym. Het geïsoleerde enzym kan daarna opnieuw gebruikt
worden.