10.5 Metaller - produksjon og resirkulering

Kjemikere som arbeider ved kroppstemperatur

I et laboratorium trenger mange reaksjoner høy temperatur, sterke syrer eller lang tid. Likevel skjer tusenvis av kjemiske reaksjoner i kroppen din akkurat nå, ved 37 grader, i nøytralt vann, på brøkdeler av sekunder. Hemmeligheten er enzymer -- biologiske katalysatorer, som oftest proteiner, som øker reaksjonshastigheten uten selv å bli forbrukt.

Enzymene har egenskaper som gjør dem til kjemiens mestere. De er svært spesifikke: hvert enzym virker som regel bare på sitt bestemte substrat. De er utrolig effektive og kan gjøre reaksjoner $10^6$ til $10^{12}$ ganger raskere. De virker under milde betingelser, og -- like viktig -- de kan reguleres, slås av og på etter cellens behov. I dette kapittelet skal vi forstå hvordan de får til alt dette, hvordan vi måler hastigheten deres, og hvordan både gift og legemidler kan gripe inn.

Inn i det aktive setet

Hvert enzym har et aktivt sete -- en lomme i proteinet der substratet binder og selve reaksjonen skjer. Hvordan passer substratet inn? To modeller beskriver det. Nøkkel-lås-modellen sier at substratet passer perfekt inn i setet som en nøkkel i en lås. Den mer presise indusert tilpasning-modellen sier at enzymet endrer form litt og tilpasser seg substratet når det binder.

Selve katalysen følger en fast gang. Først binder substratet til det aktive setet og danner et enzym-substrat-kompleks. Inne i komplekset senker enzymet aktiveringsenergien, slik at reaksjonen kan skje lettere. Deretter frigjøres produktene, og enzymet står igjen uendret, klart til neste runde. Vi skriver hele forløpet slik:

$$\text{E} + \text{S} \rightleftharpoons \text{ES} \rightarrow \text{E} + \text{P}$$

Her er E enzymet, S substratet, ES komplekset og P produktet. Det vesentlige er at enzymet ikke forbrukes -- det er nettopp dette som gjør det til en katalysator.

Hvor fort går det egentlig?

For å sette tall på enzymene bruker vi Michaelis-Menten-kinetikk, som beskriver hvordan hastigheten avhenger av substratkonsentrasjonen:

$$v = \frac{V_{\max}[\text{S}]}{K_m + [\text{S}]}$$

To størrelser styrer dette. $V_{\max}$ er den maksimale hastigheten, som nås når enzymet er mettet med substrat. $K_m$, Michaelis-konstanten, er substratkonsentrasjonen der hastigheten er nøyaktig halvparten av $V_{\max}$. En lav $K_m$ betyr at enzymet når halv fart allerede ved lite substrat -- altså høy affinitet mellom enzym og substrat.

Flere ytre forhold påvirker aktiviteten. Temperatur øker farten opp til et optimum, men over det begynner enzymet å denaturere og miste aktivitet. pH har også et optimum -- hvert enzym har sin foretrukne surhetsgrad. Økende substratkonsentrasjon gir høyere fart helt til metning, der kurven flater ut mot $V_{\max}$. Og økende enzymkonsentrasjon gir en omtrent lineær økning i hastighet, så lenge det er nok substrat.

Når enzymene må stoppes

Noen ganger må et enzym bremses, enten av cellen selv, av gift eller av et legemiddel. Dette kalles inhibisjon, og den kan være reversibel eller irreversibel.

Den reversible inhibisjonen kommer i tre varianter. Ved kompetitiv inhibisjon binder inhibitoren til det aktive setet og konkurrerer med substratet. Det øker $K_m$, mens $V_{\max}$ er uendret -- for inhibisjonen kan overvinnes ved å tilsette nok substrat. Ved ukompetitiv inhibisjon binder inhibitoren til selve ES-komplekset og senker både $K_m$ og $V_{\max}$. Ved ikke-kompetitiv inhibisjon binder den et annet sted enn det aktive setet, lar $K_m$ være uendret, men senker $V_{\max}$.

Den irreversible inhibisjonen er permanent -- inhibitoren binder eller modifiserer enzymet for godt. Nervegasser og penicillin virker slik. I tillegg finnes allosterisk regulering, der et molekyl binder et annet sted enn det aktive setet og enten øker aktiviteten (aktivator) eller senker den (inhibitor). Slik kan cellen finstyre hvilke reaksjoner som går, og hvor fort.

Oppsummering

Vi har sett at enzymer er proteinkatalysatorer som senker aktiveringsenergien og får reaksjoner til å gå $10^6$ til $10^{12}$ ganger raskere, uten selv å forbrukes. Substratet binder i det aktive setet -- enten ved nøkkel-lås eller indusert tilpasning -- danner et ES-kompleks og slipper produktet fri: $\text{E} + \text{S} \rightleftharpoons \text{ES} \rightarrow \text{E} + \text{P}$.

Hastigheten beskrives av Michaelis-Menten-kinetikken, der $V_{\max}$ er metningshastigheten og lav $K_m$ betyr høy affinitet. Temperatur, pH og konsentrasjoner styrer aktiviteten, og over optimaltemperaturen denaturerer enzymet. Enzymer kan stoppes ved inhibisjon -- kompetitiv, ukompetitiv, ikke-kompetitiv, reversibel eller irreversibel -- og finstyres ved allosterisk regulering. Klassene oksidoreduktaser, transferaser, hydrolaser, lyaser, isomeraser og ligaser deler enzymene inn etter hvilken type reaksjon de katalyserer.