Enzymkinetiek

 

Enzymen zijn eiwitten die chemische reacties in levende cellen mogelijk maken. Ze doen dit door aan een specifieke reactant (het zogenaamde substraat) te binden en deze om te zetten in een product. Net als andere katalysatoren hebben enzymen het vermogen om de activeringsenergie van een reactie te verlagen, zodat deze reactie (veel) makkelijker plaatsvindt. Een vaststaand principe van enzymen is dat zij het chemisch evenwicht tussen het substraat en het eindproduct niet veranderen.^[2] Met andere woorden, een enzym is niet in staat de vrije energie (ΔG) van een reactie te beïnvloeden. Doordat een cel enzymen tot expressie kan brengen, is een organisme in staat om zijn stofwisseling te reguleren. Veelal katalysteren enzymen kleine stapjes in een metabole route.^[3]

In tegenstelling tot niet-gekatalyseerde chemische reacties vertonen enzymgekatalyseerde reacties een verzadigingskinetiek. Bij een relatief lage substraatconcentraties neemt de reactiesnelheid lineair toe met de substraatconcentratie; er zijn immers genoeg enzymmoleculen vrij om de reactie te katalyseren. Wanneer de substraatconcentratie echter stijgt, benadert de reactiesnelheid asymptotisch een theoretisch maximum (${\displaystyle V_{max}}$ ).^[4] De actieve centra (bindingsplaatsen) van de enzymen zijn in dit geval allemaal bezet met substraten: er is verzadiging. De reactiesnelheid wordt dan niet meer bepaald door de substraatconcentratie, maar door concentratie enzym en de intrinsieke omzettingssnelheid van het enzym. De substraatconcentratie halverwege deze twee grensgevallen wordt aangegeven met de constante K_M.^[4]

De twee belangrijkste kinetische eigenschappen van een enzym zijn (1) hoe gemakkelijk het enzym verzadigd raakt met een bepaald substraat en (2) de maximale snelheid waarmee het enzym katalyseert. Kennis van deze eigenschappen wordt gebruikt om te voorspellen wat een enzym zou kunnen doen in de cel, en hoe het enzym zal reageren op veranderingen in deze omstandigheden.

Enzymatische mechanismen kunnen worden onderverdeeld in mechanismen met één substraat en met meerdere substraten. Kinetisch onderzoek naar enzymen die slechts aan één substraat binden, zoals triosefosfaatisomerase, hebben tot doel de affiniteit van het enzym voor het substraat vast te stellen en de omzetsnelheid (turnover rate) te beschrijven. Andere voorbeelden van dergelijke enzymen zijn fosfofructokinase en hexokinase, die beide belangrijk zijn voor celademhaling (in de glycolyse).

Bij enzymen die meerdere substraten binden, zoals dihydrofolaatreductase (rechts afgebeeld), kan uit enzymkinetisch onderzoek ook blijken in welke volgorde de substraten binden en in welke volgorde de producten vrijkomen. Een voorbeeld van een enzym dat één substraat omzet in twee producten is protease. Hoewel dergelijke reacties vaak in meerdere stappen verlopen, is er doorgaans één snelheidsbepalende stap die de algehele kinetiek bepaalt.^[1]

  Zie Enzymatische analyse voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Een enzymassay is een methode om het verloop of de snelheid van een enzymatische reactie te meten. Omdat enzymen zelf niet worden verbruikt tijdens de reactie, zijn enzymassays gewoonlijk gericht op veranderingen in de concentratie van substraten, producten of cofactoren. Er zijn verschillende meetmethoden in gebruik. Spectrofotometrie meet de veranderingen in de absorptie van licht tussen producten en reactanten. Zo kan men bijvoorbeeld relatief eenvoudig de activiteit van enzymen in de ademhalingsketen meten via de oxidatie of reductie van NAD/NADH; deze cofactoren absorberen ultraviolet licht, waardoor men kan meten hoeveel NAD/NADH tijdens een reactie wordt gevormd.^[5] In het verleden werden ook radiometrische assays gebruikt, die de opname of afgifte van een radioactieve stof meten die gedurende het verloop van de reactie verandert.

Bij de meest gevoelige enzymassays worden lasermicroscopen gebruikt om veranderingen in individuele enzymmoleculen te observeren tijdens de reactie. Deze metingen zijn gebaseerd op ofwel veranderingen in de fluorescentie van cofactoren, of op fluorescente kleurstoffen die aan het enzym worden gebonden om bewegingen te volgen die optreden tijdens katalyse.^[6]

  Zie Michaelis-Mentenvergelijking voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

 

Alle enzymatische reacties vertonen verzadiging: de snelheid van de katalyse is niet evenredig aan de substraatconcentratie, maar benadert een limiet. Als de beginsnelheid van de reactie wordt gemeten over een reeks substraatconcentraties (aangeduid met [S]), neemt de reactiesnelheid (${\displaystyle v_{0}}$ ) aanvankelijk even snel toe naarmate [S] toeneemt. Als [S] echter hoger wordt, raken de aanwezige enzymmoleculen verzadigd met de substraatmoleculen en bereikt de curve een limiet, de maximale snelheid van het enzym (V_max). De vergelijking die deze Michaelis-Mentenkinetiek uitdrukt wordt als volgt weergegeven.^[1][7]

${\displaystyle v_{0}={\frac {V_{\max }[{\ce {S}}]}{K_{M}+[{\ce {S}}]}}}$ 

• Enzymatische katalyse
• Enzymassay