Enzymen

Inleiding

Enzymen komen overal in je lichaam voor, ze hebben vele functies en kunnen voor veel meer doeleinden gebruikt worden dan ze eigenlijk voor ontworpen zijn.
Ze zijn bijvoorbeeld ontworpen om je voedsel te verteren, maar sommige maken juist de kleur van je ogen, terwijl anderen zorgen voor afbraak van ziekteverwekkers.
Maar denk bijvoorbeeld ook aan je was, op het moment dat je was niet warm kan wassen dan heeft zeep ook weinig zin. De vetten van de vlekken gaan dan samenklonteren met de zeep, dit zorgt er dus alleen maar voor dat de vlek groter wordt.
Enzymen kunnen de vetten afbreken bij lagere temperaturen.
Maar ze kunnen ook heel erg goed gebruikt worden bij het opsporen van ziektes.
Zonder enzymen zou het leven veel langzamer gaan.
Enzymen zijn namelijk katalysatoren, dit houdt in dat de enzymen gebruikt worden bij reacties en niet verbruikt. Daarom kan je lichaam met relatief weinig enzymen veel stoffen afbreken.
In deze PO ga ik het hebben over de werking van enzymen, het ontstaan ervan en hoe het in ziektes gebruikt kan worden. Deze PO gaat uit van menselijke enzymen

Geschiedenis van het enzym

Het enzym is in 1833 ontdekt door wetenschappers Anselme Payen en Jean-Francois de diastase. Ze ontdekten amylase.
In 1897 ontdekte Eduard Buchner een extract van dode biergistcellen dat in staat wsa om suiker om te zetten in alcohol en koolzuur. Hij gaf het de naam Zymnase.
Dit enzym had nog veel te verbergen op dat moment, maar Embden en Meyhof hebben hier veel onderzoek naar gedaan, en het helemaal uitgepluisd. Vanaf hier is het eigenlijk heel snel gegaan, nu wisten onderzoekers immers naar wat ze zochten.
In 1940 waren er 100 enzym soorten bekend en in 1965 1000, in 1983 werd de grens van 10000 overschreden en nu zijn er meer dan 15.000 menselijke enzymen bekend.

Werking van het enzym

Enzymen worden gebruikt en gemaakt door levende organismen, maar een enzym op zich is levenloos. In principe is het dus mogelijk dat Enzymen kunstmatig gemaakt worden.
Dit is al gelukt, alleen zijn deze enzymen vele malen langzamer en minder stabiel.
Er zijn wel manieren om enzymen op grote schaal te bereiden, namelijk isoleren uit planten of organen van dieren.
Of enzymen laten produceren door micro-organismen.
Er is al gezegd dat enzymen katalysatoren zijn, ze versnellen een reactie en worden daarbij gebruikt en niet verbruikt. Ze kunnen een reactie versnellen van 100.000 tot 100.000.000 keer sneller.
De opbouw van elk enzym is hetzelfde, een groot eiwitmolecuul (apo-enzym) sommige hebben nog een klein molecuul nodig om te kunnen werken dit heet het co-enzym, deze samen vormen dan het enzym. Elk enzym werkt specifiek op één substraat (de af te breken stof), enkele uitzonderingen daargelaten. Dit komt omdat de bouw van de enzymen verschilt, je hebt dus misschien relatief weinig enzymen in je lichaam maar wel heel veel verschillende, je hebt bijvoorbeeld al 6 verschillende soorten LDH (afkorting van melkzuurdehydrogenase). Dit enzym breekt in stappen melkzuur af, elk soort enzym heeft zijn eigen stap om af te breken en kan geen andere stap doen.
De naam van een enzym is meestal genoemd naar het proces dat deze katalyseert en daar is een achtervoegsel –ase achter geplakt. Zo heet LDH melkzuurdehydrogenase.
Melkzuur is het substraat, en dehydrogenyse betekent afbreken.
Nu ga ik uitleggen hoe een enzym werkt met behulp van een afbeelding:

<ontbreekt>

het enzym `amylase` en het zetmeelmolecuul hebben een zetmeel-enzymsubstraatcomplex gevormd

<ontbreekt>

het enzym `amylase` heeft geholpen het zetmeelmolecuul om te zetten in suikers

<ontbreekt>

In stap 1 benadert het enzym het substraat en draait zo dat het met het actieve centrum precies op het substraat valt.
Stap 2, nu is het enzymsubstraatcomplex gevormd, nu zal het actieve centrum bliksemsnel het substraat opbreken in meerdere producten (in het voorbeeld glucose en fructose, beide suikers).
Stap 3 het substraat is opgesplitst en het enzym is klaar om een volgend substraat op te breken.

Dit alles gebeurt in een fractie van een seconde, als het lichaam dit zou moeten doen dan zou dit zo´n 10 seconde duren per substraat. Één amylase enzym kan 10.000 substraten per seconde afbreken, mist de omstandigheden het toelaten natuurlijk.
Waar is de activiteit van een enzym van afhankelijk

• De zuurgraad moet goed zijn
• De temperatuur
• Er moet een activator zijn
• Remmers
• De concentratie van het substraat
• De concentratie van het enzym

De zuurgraad:

De zuurgraad in je lichaam (ook wel met PH aangeduid) is nogal verschillend, van 1 PH in je maag tot 7,0 PH in je alvleesklier. Dit lijkt misschien weinig maar dit is wel 106 hoger, dus 10.000.000 maal hoger. In je maag moet de PH zo laag zijn om eventuele ziekteverwekkers zo nog te smoren, maar in je spijsvertering zitten die ziekteverwekkers er meestal niet meer en dus hoeft die niet zo´n lage PH te hebben. De optimum van de activiteit van een enzym ligt meestal van PH 6 tot PH 8. Een hogere of lagere PH tast meestal de structuur van het enzym aan en verliest dan dus zijn functie.

De temperatuur:

Er is een reden waarom onze lichaamstemperatuur 37.7 graden is, dit is namelijk net voor het optimum van de enzymen, daar werken ze het snelst.
Loopt de temperatuur nog meer op (koorts 38 naar 40°C) dan hebben de enzymen nog een reserve capaciteit, de ziekteverwekkers hebben hier over het algemeen meer moeite mee en daarom is het een natuurlijke reactie om de lichaamstemperatuur tijdens ziekte omhoog te brengen.
Op het moment dat de temperatuur nog hoger wordt dan bewegen de moleculen zo snel dat ze hun unieke structuur verliezen, en zonder die structuur kunnen ze hun taak niet meer doen. Dit gebeurt dus ook in de spieren, en daarom is het enorm slecht als je 42° koorts hebt of hoger, je spier enzymen gaan kapot en na verloop van tijd kan je niet meer ademen of je hart laten slaan.
Ook te laag is natuurlijk slecht, maar meestal is dit niet fataal voor de structuur van het enzym, het is dan gewoon niet werkzaam. Kijk maar eens naar kikkers, als deze te koud worden gaan deze een winterslaap houden, omdat de enzymen haast niets meer doen kan deze de hele winter zonder eten, een beer en eekhoorn kunnen dit bijvoorbeeld niet. Zij moeten goed eten voor de winterslaap of een wintervoorraad aanleggen.

De activator:

Ook wel energiedrempel genoemd, meestal zijn dit tweewaardige metaalionen. Zoals Magnesium, mangaan en zink. Deze bevorderen dus de enzymactiviteit in tegenstelling tot de zwaar metaalionen (meestal driewaardig geladen) zoals kwik en lood.
Sommige enzymen werken op het elektromagnetische veld hiervan, om deze te activeren heb je dus alleen het veld nodig wat ook op te wekken is met wat spoelen. En niet de ionen zelf.

De remstof:

Er zijn vele remstoffen voor enzymen, de meest natuurlijk voorkomende zijn de zwaar metaalionen kwik en lood. Maar ook veel giffen remmen de werking van enzymen.
Bijvoorbeeld het zenuwgas blauwzuur, dit zorgt ervoor dat de actieve kern van de enzymen vervormd en dus het enzym zijn functie verliest. Hierdoor stoppen je longen met samen trekken en oprekken, dus je krijgt geen lucht meer.
Ook mosterdgas werkt volgens dit principe. Op het moment dat je een spier aanstuurt dan gaan er via de zenuwcellen elektrische stroompjes naar de uiteindes van de zenuwcellen, deze zetten het signaal voort door pijlsnel een molecuul te maken dat ze sturen naar een volgende zenuwcel die dit oppikt en daarna met behulp van enzymen dit molecuul afbreekt.
Mosterdgas blokkeert dit specifieke enzym en dus denkt de zenuwcel dat deze zich constant onder druk moet voelen, dit geldt voor sensorischezenuwcellen (registreren pijn) net zoals motorische zenuwcellen (sturen de spieren aan). Ofwel Mostergas zorgt ervoor dat je enorm veel pijn hebt en daarbij verlamd raakt omdat je je spieren na aanspannen niet meer kan ontspannen. Mosterdgas is een specifiek gifgas omdat het louter en alleen werkt op deze enzymen en Blauwzuur werkt op nagenoeg alle enzymen.
Naast stoffen die de structuur van enzymen aantast zijn er ook nog de remstoffen die tijdelijk het actieve centrum van het enzym insluit. Penicilline omsluit bijvoorbeeld het enzym dat bacteriën gebruiken om hun celwanden op te bouwen. Deze vorm heet competitieve inhibitie. Ook antibiotica remt specifieke enzymen in bacteriën.
De tegenhanger van deze vorm van remmen van enzym activiteit is noncompetetive inhibitie, dit is dus lood en kwik, deze vormen de structuur om van de enzymen en maken deze nutteloos.

De concentratie van het substraat:

Hoe meer substraat hoe meer kans er bestaat op een effectieve botsing met een enzym.
Hoe kleiner de verdelingsgraad hoe meer kans op een effectieve botsing, op het moment dat zich een blok van het substraat vormt kan het enzym natuurlijk niet de binnenste afbreken en als ze zich allemaal los door het milieu bevinden dan is er meer kans op succes.

De concentratie van het enzym:

Dit werkt precies hetzelfde als de concentratie van het substraat, dus hoe meer enzym in zo´n klein mogelijke verdelingsgraad hoe meer kans op een effectieve botsing.

Waar komen enzymen vandaan?

Op het moment dat er een tekort is aan een bepaald soort enzym in je lichaam dan komt er een overschot van het substraat in je lichaam, er zitten bepaalde receptoren in je lichaamscellen die dit waar kunnen nemen en zodoende sturen deze een signaal naar de celkern welk enzym er bij moet komen. Als dit signaal bij de celkern aankomt dan schrijft deze het bouwplan voor het specifieke enzym dmv mRNA. De dubbele helix van het DNA wordt dan dus open gespleten en een streng mRNA vormt zich.
Daarna gaat dit mRNA naar de ribosomen, dit organel verzamelt alle bouwstenen die op het bouwplan staan en zet deze in elkaar.
Op het moment dat het eiwit klaar is kan het niet zomaar los gelaten worden. Veel onderdelen in de cel zijn namelijk substraten van die enzymen, en we willen dat het ons eten afbreekt niet ons lichaam. Daarom is het maar goed ook dat de ribosomen zo strategisch goed geplaatst zijn, namelijk op het endoplasmatisch recticulum.
Dit organel zorgt ervoor dat het enzym in wordt gesnoerd in een blaasje dat het enzym niet af kan breken.
Nu zit ons enzym dus veilig en wel in het blaasje goed afgeschermd voor de andere cel delen. Maar nu moet het nog uit de cel zijn te komen en in de darmen (of waar het ook gebruikt moet worden, nu gaan we uit van de spijsvertering).
Nu komt het golgi-systeem van toepassing, dit systeem bestaat uit opeengestapelde platte blaasjes omgeven door een membraan vergelijkbaar met dat van de celwand.
Het blaasje met daarin het enzym smelt samen met het golgi systeem, en laat zo het enzym los in het golgi systeem. Hierna zorgt het dit systeem ervoor dat het enzym een nieuw blaasje krijgt men net zo´n membraan als de celwand en laat het weer los. Dit blaasje heet een lysosoom.
Uiteindelijk zal deze lysosoom de celwand bereiken, op het moment dat dit gebeurt zullen beide membranen met elkaar samensmelten en zo het enzym uit de cel laten.
Dit allemaal gebeurt binnen enkele seconden, wat snel lijkt maar in vergelijking met enzymactiviteit natuurlijk helemaal niet zo snel is.

Hoe zijn enzymen te gebruiken in de Geneeskunde?

Enzymen zijn een gemakkelijk doelwit voor ziektes, maar daarbij zijn ze erg gunstig voor ziekteverwekkers en om ziektes aan te tonen.
Dit komt omdat de receptoren, waar we eerder over hebben gesproken, waarnemen dat er iets mis is. Vervolgens gaan deze een signaal versturen om een enzym aan te maken dat misschien wel de ziekte kan verhelpen. We kunnen deze enzymen opvangen om ze vervolgens op een agar-agar voedingsbodem (of een vloeistof met daarin voedingsstoffen) te planten en te wachten tot dit kolonies vormen en naar aanleiding daarvan, nu ze in grote getalen zijn kijken welke enzymen het zijn en wat de activiteit is. Zo werd dit vroeger gedaan, nu kijken we meestal naar het product dat uit het substraat valt om te zien of er verhoogde of verlaagde enzym activiteit is van een specifiek enzym.