När fungerar enzymet bäst?

Kemisk bakgrund

Hur ett enzym fungerar

Enzym är vad man kallar en biologisk katalysator. En katalysator är något som ökar hastigheten för en kemisk reaktion utan att den strukturellt ändras eller förbrukas i reaktionen.

Substrat + enzym ⇄ enzymsubstratkomplex ⇄ produkt + enzym.

Utan enzymer skulle de kemiska reaktionerna i kroppen gå alltför långsamt. De flesta biologiska enzymer är proteiner. Enzym är exempel på proteiner där formen är viktig för funktionen. Enzymet har en aktiv yta med en mycket exakt form till viken ett specifikt substrat (reaktant/reaktanter) binder (figur 1).

Figur 1. Substratet binder till den aktiva ytan och vi får en produkt
Bild: © Wikipedia

Alla kemiska reaktioner behöver aktiveringsenergi för att hända. När substratet binder till den aktiva ytan sänks aktiveringsenergin för reaktionen det vill säga det behövs mindre energi för att bilda produkten (figur 2). Detta gör att reaktionen sker snabbare. (1,2)

Figur 2. Aktiveringsenergi med och utan enzym
Bild: © Wikipedia

Faktorer som kan påverka enzymaktiviteten

Aktiviteten hos ett enzym kan påverkas på ett flertal sätt. I det här experimentet undersöktes hur följande faktorer påverkar enzymaktiviteten:

Substratkoncentration

Figur 3. Reaktionshastighet och Michaelis-Menten-konstanten
Bild: © Wikipedia

Ökar man substratkoncentrationen och håller enzymkoncentrationen konstant och i överskott kommer enzymaktiviteten det vill säga reaktionshastigheten att öka linjärt. Efter ett tag räcker inte antalet enzymmolekyler till för att ytterliggare öka reaktionshastigheten och kurvan planar ut. Man har nått en maximal hastighet.

När substratet späds ut kommer enzymaktiviteten att minska, och i det här fallet kommer det inte bildas lika mycket skum i provröret som fungerar som referens. (2, 3)

Det här bygger på Michaelis Menten-kinetik. Grafen i figur 3 visar sambandet mellan koncentrationen av substratet, [S], och hastigheten, V, för motsvarande enzymkatalyserade reaktion. Man kan använda grafen för att beräkna Michaelis Menten-konstanten. Värdet på konstanten motsvarar den substratkoncentration som krävs för att hastigheten för den enzymkatalyserade reaktionen ska vara hälften av max hastigheten Vmax för enzymet. (4)

Inhibering

Ett enzym kan också inhiberas. Inhibering av ett enzym innebär att det inte kan fungera fullt ut. Det finns reversibla och irreversibla inhibitatorer. En reversibel inhibitor kan lossna från enzymet och enzymet kan fungera som vanligt igen. Irreversibla inhibitatorer fungerar så att de kemiskt ändrar den aktiva ytan och då kan substratet inte binda, enzymet fungerar alltså inte som det ska. Blyjon som används i test 3 är en reversibel inhibitor. Det finns två typer av reversibla inhibitatorer, kompetitiva och icke-kompetitiva. De kompetitiva tävlar med enzymet om att binda till den aktiva ytan och på så sätt sänks enzymaktiviteten. En blyjoner är en icke-kompetitiva inhibitor den binder inte till den aktiva ytan hos enzymet utan till ett annat ställe på enzymet. När inhibitorn binder till enzymet ändras den aktiva ytan så att substratet inte kan binda längre vilket medför att enzymaktiviteten minskar. (1, 3)

Ändring av pH

För de flest enzymer finns ett pH-värde, pH-optimum, då enzymet fungerar optimalt. Om pH-värdet ändras från det optimala för enzymet kan två saker händ med enzymet. Om den aktiva ytan innehåller laddade sidogrupper så kan dessa sidogrupper ändra laddning då pH-värdet ändras vilket gör att substratet inte kan binda till den aktiva ytan. Den andra som kan inträffa är att enzymet ändrar form det vill säga det denaturerar den förlorar sin biologiska aktivitet. (3)

Ändring av temperatur

Enzymaktiviteten ökar upp till en optimal temperatur: vid temperaturer 50 °C och 70 °C denatureras de flesta enzymer relativt snabbt. Därför kan man förvänta sig att vid tillsatts av den frusna levern att rektionen skall gå långsammare och den kokta levern skall innehålla denaturerat katalas (2, 3).

Ämnen som ingår i experimentet

Katalas

Katalas eller H2O2-oxidoreduktas är ett hemprotein det vill säga det innehåller Fe2+-grupper. Enzymet består av fyra polypeptider och varje polypeptid innehåller en hemgrupp. Katalas katalyserar följande reaktion:

2 H2O2(aq) → 2 H2O + O2(g)

Katalas finns i en cellorganell som kallas peroxisom. Peroxisomen i djur celler sköter oxidationen av fettsyror, produktionen av kolesterol och gallsyror. Väteperoxid är en biprodukt vid oxidation av fettsyror. Väteperoxiden som bildas måste brytas ned omedelbart eftersom den skadar cellens olika strukturer. Katalas är ett av de snabbaste enzymen, varje molekyl kan binda upp till 100000 molekyler väteperoxid per sekund. pH-optimum för katalas är ungefär pH = 7. (3, 4, 5)

Väteperoxid (H2O2)

Väteperoxid är en mycket ljust blå vätska som ser ofärgad ut när den är utspädd. Den är en stark oxidant (oxidationsmedel) vilket gör att den kan användas vid till exempel hårblekning. Väteperoxid sönderfaller långsamt till vatten och syre och det är denna reaktion man vill påskynda med hjälp av katalas i cellerna. Väteperoxid bildas som tidigare nämnts vid oxidation av fettsyror och eftersom den är en kraftig oxidant kan den göra stor skada på cellen om den inte bryts ned. (3, 4).

Blylösning (Pb)

Ämnet bly hittar man i grupp 14 i periodiska systemet dess atomnummer är 82. Bly är en metall som ser blåvit om du tittar på snittytan. Snittytan blir gråaktig när den utsätts för luft. Bly tillhör tungmetallerna. Tungmetallerna har en relativt hög atommassa och är orsak till miljöförstörelse. Bly är giftigt och skadar bland annat nervsystemet. Man brukar säga att bly var romarrikets fall. De använde blyacetat som sötningsmedel och det ledde till minnesförlust. I det här experimentet används en blyjonlösning och blyjonerna fungerar som inhibitatorer det vill säga de sänker enzymaktiviteten. (4)

Saltsyra (HCl)

Saltsyra är en vattenlösning av gasen väteklorid. När gasen kommer i kontakt med vatten sker följande reaktion.

HCl + H2O → H3O+ + Cl−

Lösningen är alltså saltsyra, som är en stark syra vilket innebär att den är näst intill fullständigt dissocierad till joner. Det gör saltsyra till en mycket frätande syra, så var försiktig vid hantering. I experimentet sänker saltsyran pH-värdet, vilket medför att vi inte längre är vid det optimala pH-värdet för enzymet och det kommer att påverka enzymaktiviteten negativt. (4)

Natriumhydroxid (NaOH)

Natriumhydroxid är också känd som kaustik soda, sådan man brukar använda för att lösa proppar i avlopp. Natriumhydroxid är ett vitt fast ämne det är lättlösligt i vatten. Det reagerar med luftens koldioxid, så det skall förvaras i en lufttät burk. När natriumhydroxiden löser sig i vatten bildas fria hydroxidjoner i lösningen och det är dessa joner som gör natriumhydroxid till en stark bas. Den är mycket frätande, så var försiktig, speciellt med stänk i ögonen. I experimentet höjer natriumhydroxiden pH-värdet så att det inte längre ligger på enzymets optimala pH. Enzymaktiviteten minskar då. (4)

Exempel på katalys i levande organismer

Alla viktigare kemiska reaktioner i levande organismer är katalyserade. Några exempel är:

Andra exempel på katalys i vardagen

Exempel ur vardagen kan vara:

Fördjupning