Wat is de actieve site van een enzym?

Biochemische reacties in levende cellen worden gekatalyseerd door enzymen. De enzymen worden gesynthetiseerd in hun inactieve vorm die vervolgens wordt omgezet in de actieve vorm. De activiteit van een enzym wordt bepaald door de aminozuursequentie van de primaire structuur. Substraten binden aan de actieve plaats van het enzym om specifiek een bepaalde chemische reactie te versnellen. De actieve plaats van een enzym omvat een substraatbindingsplaats en een katalytische plaats. De specifieke chemische omgeving, die wordt ontwikkeld door de aminozuurresiduen in de actieve site, bepaalt welke substraten in staat zijn om aan het enzym te binden.

Dit artikel legt uit,

1. Wat zijn Enzymen en hoe werken ze?
2. Wat is de actieve site van een enzym?
3. Hoe binden een enzym en een substraat zich?

Wat zijn Enzymen en hoe werken ze?

Een enzym is een eiwitmolecuul dat als een biologische katalysator kan werken. De moleculen waarop enzymen reageren, worden substraten genoemd. Verschillende moleculen die worden gecreëerd door de werking van een enzym op een bepaald substraat, worden producten genoemd. Enzymen katalyseren biochemische reacties door de activeringsenergie ervan te verlagen. De katalyse van de reactie door een enzym verhoogt de snelheid van die specifieke reactie in de cel. Sommige enzymen zijn in staat dezelfde reactie te katalyseren. Ze worden isozymen genoemd. Een unieke set van ongeveer 3.000 enzymen is genetisch geprogrammeerd om te worden gesynthetiseerd, waardoor een cel een individualiteit krijgt. Anders dan eiwitten, kunnen RNA-moleculen zoals ribozymen ook als enzymen werken. Als een enzym defect raakt, zou het effect rampzalig zijn.

Enzymen bezitten drie karakteristieke kenmerken. De primaire functie van een enzym is het verhogen van de reactiesnelheid. Ten tweede werkt een bepaald enzym specifiek op een bepaald substraat, waardoor een product wordt geproduceerd. Ten derde kunnen enzymen worden gereguleerd van een lage activiteit tot hoge activiteit en omgekeerd. De binding van een substraat aan een enzym, het creëren van het product door het verhogen van de reactiesnelheid en het vrijkomen van het product worden getoond in Figuur 1.

Figuur 1: De werking van een enzym

De activiteit van een enzym hangt in de eerste plaats af van de aminozuursequentie van de eiwitketen. Enzymen worden gesynthetiseerd als een lineaire sequentie van aminozuren die de primaire structuur wordt genoemd. De primaire structuur vouwt zich spontaan samen tot een 3D-structuur die is samengesteld uit alfa-helices en / of beta-vellen die secundaire structuur worden genoemd. De secundaire structuur van het enzym vouwt opnieuw in een compacte 3D-structuur die de tertiaire structuur wordt genoemd. De tertiaire structuur van het enzym bestaat in zijn inactieve vorm.

Het polypeptide- of eiwitdeel van het enzymcomplex wordt het apoenzym genoemd. De inactieve vorm van het apoenzym in de oorspronkelijk gesynthetiseerde structuur staat bekend als het pro-enzym of zymogen. Verschillende aminozuren worden uit het zymogeen verwijderd om het polypeptidedeel in een apoenzym om te zetten. Meestal combineert het apoenzym zich met andere verbindingen die cofactoren worden genoemd om een ​​reactie te katalyseren. De combinatie van apoenzym en cofactor wordt holoenzym genoemd. De relatie tussen het apoenzym, de cofactor en het holoenzym wordt getoond in Figuur 2.

Figuur 2: Apoenzym, cofactor en holo-enzym

Wat is de actieve site van een enzym?

De actieve plaats van een enzym is het gebied waar specifieke substraten aan het enzym binden, waardoor de chemische reactie wordt gekatalyseerd. Substraatbindingsplaats samen met de katalytische plaats vormt de actieve plaats van het enzym. Het enzym bindt zich aan een specifiek substraat om een ​​chemische reactie te katalyseren die op een of andere manier het substraat verandert. Het substraat is kleiner in omvang dan zijn enzym. Het substraat is perfect georiënteerd in het enzym door de actieve site. Eén of meer substraatbindingsplaatsen kunnen in een enzym worden gevonden. De katalytische plaats vindt plaats naast de bindingsplaats en voert de katalyse uit. Het is samengesteld uit ongeveer twee tot vier aminozuren, betrokken bij de katalyse. De aminozuren die de actieve plaats vormen bevinden zich in verschillende delen van de aminozuursequentie van het enzym. Daarom moet de primaire structuur van het enzym in de 3D-structuur worden gevouwen, waardoor de actieve site kan samenkomen. De actieve plaats van het enzym, het lysozym, wordt getoond in figuur 3. Het substraat, peptidoglycan, wordt weergegeven in zwarte kleur.

Figuur 3: Actieve plaats van het enzym

Anders dan de actieve site, bevatten enzymen pockets die zich binden aan effectormoleculen, waardoor de conformatie of dynamiek van het enzym verandert. Deze pockets staan ​​bekend als allosterische sites die betrokken zijn bij de allosterische regulatie van de reactiesnelheid van het enzym.

Hoe binden een enzym en een substraat zich?

De bindingsplaats van het enzym bindt op substraat-specifieke wijze aan het substraat. Deze binding oriënteert het substraat voor katalyse. De aminozuurresten die zich op de bindingsplaats van het enzym bevinden, kunnen zwak zuur of basisch zijn; hydrofiel of hydrofoob; en positief geladen, negatief geladen of neutraal. De zeer specifieke chemische omgeving gecreëerd binnen de bindingsplaats bepaalt de specificiteit van een enzym. Tijdelijke covalente interacties zoals van der Waals krachten, hydrofiele / hydrofobe interacties of waterstofbruggen worden gevormd door de actieve plaats met het substraat. Het enzym vormt samen met het substraat het enzym-substraatcomplex. 

De binding van substraat aan het enzym kan plaatsvinden in twee mechanismen: lock-and-key model en geïnduceerd fit-model. De lock-and-key model beweert dat substraat precies in één moment in het enzym past. De binding verandert de structuur van het enzym enigszins. Alleen de substraten met de juiste grootte en vorm kunnen met het enzym binden in een lock-and-key-model. Tijdens de model met geïnduceerde pasvorm, de vorm van de actieve plaats van het enzym verandert continu in reactie op substraatbinding. Dit verklaart waarom andere moleculen binden aan de actieve plaats van het enzym. Deze dynamische binding van het substraat aan een enzym stabiliseert het substraat echter en verhoogt de snelheid van de biochemische reactie. Hexokinase is een enzym dat van vorm verandert, passend in de vormen van zijn substraten, adeninetrifosfaat en xylose. Het geïnduceerde fit-model van hexokinase wordt getoond in figuur 4.  Bindingsplaatsen en de substraten worden weergegeven in blauwe en zwarte kleuren.

Figuur 4: Geïnduceerd fit model van hexokinase

De katalyse van een chemische reactie door een enzym kan op verschillende manieren plaatsvinden die de activeringsenergie van de chemische reactie verlaagt. Ten eerste stabiliseren enzymen de overgangstoestand door complementaire ladingsverdeling te creëren naar die van de overgangstoestand, waardoor de energie ervan wordt verlaagd. Ten tweede bevorderen enzymen een alternatieve reactieroute die een tweede overgangstoestand met lagere energie bevat dan die van de oorspronkelijke overgangstoestand. Ten derde destabiliseren enzymen de grondtoestand van het substraat.

Conclusie

Enzymen zijn chemische reacties die de snelheid van biochemische reacties in levende cellen verhogen. De meeste van de enzymen zijn eiwitten die worden gesynthetiseerd in hun primaire structuur. Deze aminozuurketens vouwen in hun 3D-structuren en produceren de actieve vorm van enzymen. Deze vouwing creëert een zak in het enzym actieve site. Substraten binden zich specifiek aan de actieve plaats van het enzym, waardoor de snelheid van de biochemische reacties die in het lichaam optreden toeneemt.

Referentie:
1. "Rol van enzymen in biochemische reacties." Enzymen. N.p., n.d. Web. 21 mei 2017. .
2. "Enzymen en de actieve site." Khan Academy. N.p., n.d. Web. 21 mei 2017. .
3. "Enzyme Active Site and Substrate Specificity." Grenzeloos. 17 nov. 2016. Web. 21 mei 2017.

Afbeelding met dank aan:
1. "Induced fit diagram" door Created door TimVickers, gevectoriseerd door Fvasconcellos - Geleverd door TimVickers (Public Domain) via Commons Wikimedia
2. "Enzymes" door Thomas Shafee - Eigen werk (CC BY 4.0) via Commons Wikimedia
3. "Enzymstructuur" door Thomas Shafee - Eigen werk (CC BY 4.0) via Commons Wikimedia
4. "Hexokinase geïnduceerde pasvorm" door Thomas Shafee - Eigen werk (CC BY 4.0) via Commons Wikimedia