Enzymkinetik för katalas

Kemisk bakgrund

Vad är ett protein?

Proteiner är polymerer vars molekyler består av aminosyror. Den generella formeln för aminosyror kan skrivas enligt exemplet nedan i bilden (se amino acid 1 eller amino acid 2) där R-gruppen utgör en kolvätekedja eller endast väte för aminosyran glycin. Det finns totalt 20 olika aminosyror och beroende på hur dessa ordnas bildas olika proteiner. Aminosyror i protein binder till varandra med peptidbindningar och bildas via en kondensationsreaktion mellan två aminosyror varvid en karboxylgrupp från den ena aminosyran reagerar med en amingrupp från andra aminosyran och i denna reaktion spjälkas vatten bort och resultatet blir en peptidbindning.

Bilden visar hur två aminosyror slås ihop till en dipeptid via en kondensationsreaktion.
Bild: © Wikipedia

Resultatet av en kondensationsreaktion mellan två aminosyror är en dipeptid. Om dipeptiden fortsätter att binda till sig fler aminosyror bildas en polypeptid som består av många aminosyror som är hopsatta. Denna ordning ger polypeptiden eller proteinets dess primärstruktur.

Uppbyggnaden av katalas.
Bild: © Wikipedia

Hur är katalas uppbyggt?

Enzymet katalas är ett globulärt protein som består av fyra polypeptidkedjor på över 500 aminosyror. Det aktiva centrumet i katalas består av fyra porfyringrupper (består av flera aromatiska ringar) som binder järnjoner till sig.

Hur fungerar ett enzym?

Enzym är globulära proteiner som påskyndar en reaktion genom att sänka aktiveringsenergin för en specifik reaktion, utan att själv förbrukas. Enzym har en speciell tredimensionell struktur och därmed s.k. "bindningsfickor" i vilka substratmolekylen passar in som nyckeln i ett lås, där enzymet utgör låset. I enzymet (låset) påverkas substratets kemiska bindningar så att bindningar bryts och nya bindningar bildas. Enzym kan såväl sätta ihop molekyler som att sönderdela molekyler. Då substratet binder till enzymet ändrar enzymets också till viss del form. Detta kallas för "the induced fit model".

Bilden visar hur ett enzym fungerar då det splittrar molekyler enligt "induced fit"-modellen.
Bild: © Wikipedia

Hur fungerar katalas?

Katalas katalyserar väteperoxids sönderfall till vatten och syrgas. Väteperoxid reagerar med och skadar celler och vävnader. Katalas är ett viktigt enzym för såväl djur som växter, eftersom det oskadliggör väteperoxid som kan bildas vid andningskedjan i cellandningen. I nästan alla celler finns enzymet katalas och oftast i höga koncentrationer i cellernas peroxisomer (en cellorganell). Framförallt i leverceller finns katalas i stora mängder.

Reaktionen som katalas katalyserar kan skrivas som:

H2O2 → H2O + O2

Denna formel kan också skrivas mer generellt enligt formeln:

S → P1 + P2
där S = substrat, P1 = produkt 1, P2 = produkt 2

När fungerar ett enzym optimalt?

Alla enzym har såväl pH- som temperaturoptima, d.v.s. där de fungerar effektivast. För många enzym som finns i människokroppen ligger pH-optimum ganska nära kroppstemperatur och pH-optimum på ca 7. Om pH-värdet blir för högt eller för lågt för enzymet denaturerar proteinet, d.v.s. det förlorar sin tredimensionella form och därmed också sin funktion. Samma sak gäller för protein om det upphettas, vilket händer då man t.ex. steker ett ägg och äggvitan stelnar.

Det finns dock vissa enzym som funderar bättre vid surt pH och ett exempel på det är pepsin som bryter ner proteiner till peptider och fungerar bäst vid pH 2 och som denatureras vid pH 5. Pepsin finns i vår magsäck och där har vi surt pH och därmed är enzymet funktionellt i magsäcken, men inte utanför magsäcken. För katalas ligger pH-optimum på 7.0 och temperaturoptimum på 37°C.

Bilden visar på hur reaktionshastigheten för en enzymatisk reaktion beror på substratkoncentrationen.
Bild: © Wikipedia

Ju mer substrat som finns tillgängligt desto snabbare går reaktionen såvida inte någon annan faktor är begränsande som t.ex. enzymmängden. Vid konstanta enzymmängder och om man bara ökar substrathalten får man fram en graf enligt bilden. Där grafen planar ut börjar faktorer som enzymmängd bli begränsande. Detta beror på att det som begränsar reaktionen inte längre är substrat koncentrationen utan tillgången på "ledig" enzym där substratmolekylerna kan binda till enzymets aktiva centrum.

En liknande kurva fås fram om man håller substratkoncentrationen konstant och bara ökar enzymmängden och då beror avmattningen av kurvan på att det inte finns tillräckligt med substrat som kan reagera med enzymernas aktiva centrum.

Fördjupning

pH-begreppet


pH-värden för några vanliga ämnen.
"pH scale" av OpenStax College" (CC BY 3.0)

pH är ett mått på surhetsgraden i en vattenlösning. Det som gör vattnet surt är vätejoner, H+. Vätejoner kommer från syror, såsom ättiksyra, svavelsyra eller kolsyra, men jonerna bildas inte förrän syran löser sig i vatten.

pH är definierat bara i vattenlösningar. Man kan alltså inte ange pH för till exempel en etanollösning, även om syran kan lösa sig i etanolen och avge vätejoner på liknande sätt som i vatten.

pH i vardagen

Det är vätejonerna som ger de sura egenskaperna hos lösningen. Till exempel är vätejoner frätande på många ämnen. Vätejonerna ger också en syrlig smak. Faktiskt är mycket av det vi äter mer eller mindre surt. Frukter innehåller fruktsyror av olika slag. Filmjölk innehåller mjölksyra och läsk innehåller kolsyra. Den syrliga smaken är faktiskt uppfriskande.

Vattenlösningar med högt pH innehåller väldigt lite vätejoner. De är basiska. Basiska livsmedel finns nästan inte. Undantag kan vara svagt basiska kakor bakade med bikarbonat eller lutfisk där det finns små rester av luten. Däremot är många rengöringsmedel starkt basiska. I basiska lösningar är halten vätejoner väldigt låg. I stället finns det gott om hydroxidjoner, OH.

pH-skalan

pH-skalan går från cirka pH 0 för starkt sura lösningar via pH 7 för en neutral lösning till cirka pH 14 för mycket basiska lösningar.

Vätejonerna (H+) står i jämvikt med hydroxidjonerna (OH) i vattenlösningen. Vätejoner och hydroxidjoner är som vågskålarna i en balansvåg. När det finns mycket av den ena finns det lite av den andra, och vice versa. Det väger jämnt vid pH 7, när vattnet är neutralt. Så är fallet i alldeles rent vatten.


pH-skalans koppling till koncentrationen av vätejoner

Halten av vätejoner kan variera mycket. I mycket sura lösningar är halten i storleksordningen 1 mol/dm3. I mycket basiska lösningar är halten väldigt låg, ned till cirka 0,00000000000001 mol/dm3. I en neutral vattenlösning är halten 0,0000001 mol/dm3.

För att slippa skriva så många siffror, så kan man uttrycka halterna med hjälp av 10-potenser. Då blir det på följande sätt:

lösning[H+] på vanligt sätt[H+] med 10-potenserpH
mycket sur1 mol/dm3100 mol/dm3 0
neutral0,0000001 mol/dm310–7 mol/dm37
mycket basisk0,00000000000001 mol/dm310–14 mol/dm314

Man använder hakparenteser för att ange att det handlar om koncentrationen av något. Koncentrationen av vätejoner betecknas då [H+].

Genom att definiera pH som exponentens värde med motsatt tecken, så kan vi hantera halter från suraste lösningen till den mest basiska utan att skriva så många siffror. I tabellen finns pH-värdet i kolumnen längst till höger.

När man skriver 10-potenser är exponenten ett mått på storleksordningen hos vätejonhalten. Varje minskning av pH med ett steg motsvarar en multiplikation av vätejonkoncentrationen med faktorn 10, och ökning av pH motsvarar en division av vätejonkoncentrationen med faktorn 10. Att låga pH ger hög halt av vätejoner beror på att man bytt tecken när man definierat pH.

På motsvarande sätt motsvarar 2 steg faktorn 100, 3 steg faktor 1000, och så vidare.

Beräkningar med pH och [H+]

Man får man pH-värdet ur vätejonkoncentrationen med följande formel:
pH = –log [H+]

Omvänt beräknar man vätejonkoncentrationen ur pH-värdet med följande formel:
[H+] = 10–pH

Formell definition av pH


Moln av motjoner bildas kring enskilda joner i lösningen.
"Ionenverteilung inLoesung" av Daniele Pugliesi" (CC BY 3.0)

I praktiken använder man koncentrationer av ämnen i lösningar när man räknar på kemiska jämvikter. Koncentrationen av vätejoner, [H+], stämmer väl med hur stor effekt vätejonerna har kemiskt när de deltar i kemiska reaktioner om lösningen är relativt utspädd. Men om koncentrationen är högre än cirka 0,1 mol/dm3, så börjar man se tydliga avvikelser mellan den faktiska kemiska effekten och den man förväntar sig utifrån koncentrationen.

Orsaken till att kemisk effekt och koncentration inte längre är proportionella vid höga koncentrationer är att det bildas moln av motjoner kring vätejonerna som påverkar deras möjlighet att delta i kemiska reaktioner. Detta beskrivs av Debye–Hückel i deras teori. De kom fram till en korrektionsfaktor som kallas aktivitetskoefficient.

Vätejonens kemiska aktivitet, som betecknas {H+}, får man genom att multiplicera jonkoncentrationen [H+] med aktivitetskoefficienten γ.


Aktivitetskoefficienten γ för lösningar med olika jonstyrkor.
"Debye-Hückel equation" av V8rik" (CC BY 3.0)

Vid låga koncentrationer är aktivitetskoefficienten γ = 1, men vid högre koncentrationer tenderar γ att vara mindre än 1.

Debye–Hückels teori för aktivitetskoefficienten γ bygger på lösningens jonstyrka. Om lösningen bara innehåller envärda joner, så är jonstyrkan lika med koncentrationen av saltet. Men om lösningen innehåller 2-värda, eller till och med 3-värda joner, så blir jonstyrkan betydligt högre. Då sjunker aktivitetskoefficienten betydligt mera.

Den formella definitionen av pH bygger på vätejonens aktivitet:
pH = –log {H+}, där {H+} = γ [H+]

Omvänt får man:
{H+} = 10–pH

Livsmedel

Maten håller igång oss

Livsmedel behövs för att hålla igång vårt biologiska maskineri. Det är via maten som vi får energi att röra oss, tänka, men också att växa och reparera våra celler i kroppen. Kroppens maskineri är oerhört komplicerat, men det klarar att styra flödena av både energi och näring till kroppens olika delar vid rätt tillfälle. Kroppen hanterar också att ta hand om de restprodukter som vi måste göra oss av med.

Processerna i kroppen när maten bryts ned, fördelas, omvandlas och görs av med, är i grund och botten kemiska reaktioner som drivs av energin i maten. Maskinen är vår biologiska kropp, men de enskilda reaktionerna är kemiska. På så sätt kan man säga att vår kropp är en kemisk maskin.

Matens ursprung

Ursprungligen hittade vi vår föda i naturen. I det moderna samhället är de flesta livsmedlen processade på något sätt. Även livsmedel som inte är processade i sig är ofta odlade eller uppfödda med metoder som skiljer sig från det som sker i naturen. Syftet är att öka produktionen och att säkerställa kvalitén.

Att livsmedlen inte är helt naturligt producerade behöver inte vara ett problem. Det är bra att vi kan producera mera med mindre resurser. Det är också bra att vi har koll på kvalitén. Men vissa saker är inte bra. Tillsatser som gör att livsmedlen får längre hållbarhet, ser mer aptitliga ut och smakar bättre är inte alltid nyttiga, även som det kan verka så.

Grunden till all produktion av livsmedel är solens energi och växternas fotosyntes. I nästa steg kan djuren äta växterna och producera kött som vi sedan kan äta, men ursprunget är växterna. Men om inte djuren och människorna fanns, så skulle växterna till slut bli utan koldioxid som de behöver för sin fotosyntes. Djur och människor andas ut koldioxid. Kropparna bryts också ned till koldioxid och mineraler när de förmultnar. Detta tar växterna hand om, ofta med svamparna som mellanled. Det hela är ett kretslopp där både växter, svampar och djur ingår. Allt levande både äter och äts. Det som får kretsloppet att hålla igång är strålningen från solen.

Tycke och smak

Genom evolutionen har vi lärt oss att välja vad som är bra med hjälp av lukten och smaken. Oftast är det som vi gillar också nyttigt. När maten är skämd, brukar den börja lukta illa, vilket gör att vi inte äter det som kan göra oss sjuka.

Men det vi tycker om är inte nödvändigtvis bra för oss. Sötma är en signal att maten är bra, vilket stämde väl när människan levde nära naturen och behövde den energi man kunde finna. Men nu finns socker i överflöd. Det blir för mycket av det goda, så att vi blir feta och får sjukdomar som karies och diabetes.

Smaken för maten är också en kulturell fråga. Den mat vi lär oss tycka om från barnsben tycker vi oftast om resten av livet. Det finns också kulturella aversioner mot vissa typer av mat. I Sverige är vi inte vana att äta insekter, men insekter är förträfflig mat som är både nyttig och miljövänlig.


material på avancerad nivå kommer att läggas in här