Enzymer: hvordan de senker aktiveringsenergien

Enzymer får kjemiske reaksjoner i kroppen til å gå raskere. De virker ved å senke aktiveringsenergien, altså energibarrieren som må overvinnes for at en reaksjon skal skje. Formen på enzymet er viktig: blir det for varmt, kan formen endres slik at enzymet slutter å virke.

Et enzym er en biologisk katalysator, og oppgaven er å få kjemiske reaksjoner til å gå raskt nok. Uten enzymer ville de fleste reaksjonene i cellene gått så sakte at liv hadde vært umulig. De aller fleste enzymer er proteiner, og alt du leser nedenfor handler om dem. Det finnes også noen få RNA-molekyler med katalytisk virkning, kalt ribozymer, og de nevnes i enkelte læreverk.

Denne artikkelen forklarer hva aktiveringsenergi er, hvordan det aktive setet gir enzymet spesifisitet, og hvorfor kurven for enzymaktivitet faller så bratt etter optimum, altså temperaturen der aktiviteten er høyest.

Hva er aktiveringsenergi?

For at en kjemisk reaksjon skal starte, må stoffene som reagerer få tilført energi først. Denne energien kalles aktiveringsenergi.

Tenk på det som en bakke som må forseres. Aktiveringsenergien er hvor mye det koster å komme seg opp. Når du er over toppen, går resten av seg selv. Er bakken høy og bratt, tar det lang tid, eller reaksjonen uteblir helt.

Enzymets viktigste oppgave er å gjøre bakken lavere. Reaksjonen ender på nøyaktig samme sted, men veien dit krever mindre energi, og derfor går den mye raskere. Enzymet endrer reaksjonsfarten, men ikke likevekten eller den samlede energiendringen i reaksjonen.

Hvordan virker det aktive setet?

For å forstå hvordan enzymet klarer dette, må du se på formen. Et enzym er et protein som er brettet i en bestemt tredimensjonal struktur. Et sted på overflaten finnes en lomme som kalles det aktive setet. Det er her reaksjonen skjer.

Formen på det aktive setet er avgjørende. Bare molekyler med riktig form passer inn. Passer molekylet dårlig, uteblir reaksjonen. Dette kalles enzymets spesifisitet, og det er grunnen til at cellen trenger tusenvis av forskjellige enzymer i stedet for ett universelt.

Hva skjer fra substrat til produkt?

Molekylet som binder seg til enzymet kalles substratet. Det passer inn i det aktive setet omtrent som en nøkkel i en lås. Nyere lærebøker beskriver det som induced fit: det aktive setet endrer form litt når substratet binder seg, som en hanske som former seg etter hånden. Nøkkel og lås forklarer hvorfor enzymer er spesifikke, induced fit forklarer hvordan bindingen faktisk foregår.

Når substratet binder seg, dannes et enzym-substrat-kompleks. Reaksjonen skjer mens substratet sitter der. Resultatet av reaksjonen kalles produkter, og de har en annen form enn substratet hadde. Derfor slipper de taket i det aktive setet og forsvinner ut.

Enzymet står igjen uendret og er klart til å binde et nytt substrat. Det er nettopp dette som gjør et enzym til en katalysator: det kommer uforandret ut av reaksjonen og kan brukes om igjen.

Hva påvirker enzymaktiviteten?

Siden alt henger på formen til det aktive setet, er enzymer sårbare for alt som endrer formen på et protein.

Temperatur og denaturering

Aktiviteten øker med temperaturen opp til et punkt, fordi molekylene beveger seg raskere og støter oftere sammen. Over dette punktet faller aktiviteten bratt. Årsaken er denaturering: de svake bindingene som holder proteinet i form ryker, og det aktive setet mister formen sin. Da passer substratet dårlig, og reaksjonen stopper opp.

Legg merke til at de to sidene av kurven har helt ulik karakter. Lav temperatur gjør bare reaksjonen treg, og enzymet virker igjen når det varmes opp. Kraftig denaturering er derimot som regel varig. Et stekt egg blir aldri rått igjen, fordi de denaturerte proteinkjedene har viklet seg sammen med hverandre og ikke finner tilbake til den opprinnelige bretningen.

Vær presis når du skal formulere dette. Denaturering kan være irreversibel, og i praksis er den det for de fleste enzymer som varmes langt over optimum. Noen små proteiner folder seg tilbake til riktig form når forholdene normaliseres, og hvordan det går avhenger av proteinet, hvor kraftig påkjenningen var og hvor lenge den varte. Skriv «denatureringen er i praksis irreversibel» og ikke «all denaturering er irreversibel».

Enzymene i menneskekroppen er tilpasset å fungere rundt 37 °C. Temperaturen der aktiviteten måles som høyest, varierer mellom enzymer og forsøksbetingelser.

pH

Samme mekanisme gjelder for surhetsgrad. Hvert enzym har en pH der det virker best. De fleste enzymene i kroppen ligger rundt pH 7, men det finnes tydelige unntak.

Pepsin i magesekken har optimum rundt pH 2, fordi det skal virke i det sure miljøet der. Trypsin i tynntarmen har optimum rundt pH 8, fordi miljøet der er basisk. Flytter du pepsin til tynntarmen, slutter det å virke. Ladningene i det aktive setet endres, og formen forstyrres.

Legg merke til avstanden. To enzymer som begge bryter ned protein fra det samme måltidet, arbeider under forhold som skiller seks pH-trinn. Siden pH-skalaen er logaritmisk, betyr seks trinn en million ganger forskjell i konsentrasjonen av H₃O⁺.

Substratkonsentrasjon

Mer substrat gir raskere reaksjon, helt til alle de aktive setene er opptatt hele tiden. Da er enzymet mettet, og videre tilførsel av substrat gir ingen effekt. Kurven flater ut.

Faktorene samlet i én tabell

Faktor	Effekt	Hva skjer i enzymet
Økende temperatur, under optimum	Raskere reaksjon	Flere sammenstøt mellom enzym og substrat
Temperatur over optimum	Aktiviteten faller bratt	Proteinet denatureres, det aktive setet mister formen
pH langt fra optimum	Aktiviteten faller	Ladninger i det aktive setet endres, formen forstyrres
Økende substratkonsentrasjon	Raskere, så flat kurve	Alle aktive seter blir opptatt, enzymet blir mettet

Slik leser du en enzymkurve

I oppgaver om enzymer får du ofte en graf du skal tolke. Det er tre spørsmål du bør stille deg.

Hva står på x-aksen? Er det temperatur eller pH, forventer du en topp med fall på begge sider. Er det substratkonsentrasjon, forventer du en kurve som stiger og så flater ut, uten fall.

Er fallet symmetrisk? På en temperaturkurve er det ikke det. Venstresiden stiger jevnt og slakt: jo varmere det blir, jo raskere beveger molekylene seg, og jo oftere støter enzym og substrat sammen. Høyresiden stuper, fordi denatureringen skjer raskt når den først begynner.

Hva skjer hvis du reverserer? Varmer du opp igjen et enzym som har stått for kaldt, tar aktiviteten seg opp. Kjøler du ned et enzym som har vært for varmt, skjer som regel ingenting. Denne forskjellen er det vanligste oppfølgingsspørsmålet.

Hvor brukes enzymer?

I cellene deltar enzymer i nesten alle prosesser. De bryter ned næringsstoffene fra maten, bygger opp nye molekyler, kopierer DNA og frigjør energi gjennom celleånding.

Utenfor kroppen brukes enzymer i matproduksjon, som løype i ostemaking, i vaskemidler som bryter ned fett- og proteinflekker ved lave temperaturer, og i medisin og bioteknologi.

Vanlige misforståelser

«Enzymer blir brukt opp under reaksjonen.» Nei. En katalysator er per definisjon et stoff som kommer uendret ut av reaksjonen. Enzymet er intakt når reaksjonen er ferdig og kan brukes på nytt.

«Enzymet tilfører energi til reaksjonen.» Nei. Enzymet senker kravet til energi. Det gir ingen energi selv. Det er viktig å skille mellom å tilføre energi og å senke energibarrieren.

«Alle enzymer har optimum ved pH 7.» Nei. Pepsin i magesekken virker best ved pH 2, trypsin i tynntarmen ved pH 8. Hvert enzym har sitt eget optimum, tilpasset stedet det arbeider.

«Denaturering ødelegger aminosyrene.» Nei. Bindingene i selve aminosyrekjeden er intakte. Det er bare bretningen som er borte, og det holder for å ødelegge funksjonen.

Ofte stilte spørsmål

Lær mer

Den beste øvingen på dette stoffet er graftolkning. Finn tre kurver i læreboka di, én med temperatur på x-aksen, én med pH og én med substratkonsentrasjon, og forklar for deg selv hvorfor hver enkelt har akkurat den formen. Klarer du å begrunne hvorfor temperaturkurven faller brattere enn den stiger, sitter det. Enzymer går igjen i celleånding, fotosyntese og proteinsyntese, så tiden du legger ned her betaler seg gjennom hele Biologi 2. På EnkelEksamen finner du videoundervisning og repetisjonsoppgaver til hver leksjon.