Copyright Laurent Mariën

1. Laurent Mariën 6WEWI
Onderzoekscompetentie

2. I. Inleiding
Mijn eindwerk gaat over enzymen. Over hoe ze gebouwd worden, hoe ze werken, en wat hun
talrijke functies zijn, maar ook over hoe we ze met moderne technologieën zelf kunnen
produceren om van hun unieke eigenschappen gebruik te maken.
Ik heb dit onderwerp gekozen omdat ik een algemene interesse heb in de biochemie en de
biotechnologie, en omdat kennis van enzymen in deze domeinen een basisbehoefte is.
Mijn onderzoeksvragen bij het ingaan van dit werk waren de volgende:
• Wat zijn Enzymen, hoe worden ze gebouwd en hoe functioneren ze?
• Welke rol spelen enzymen in de cel en in het lichaam?
• Hoe worden ze op grote schaal geproduceerd en wat zijn de belangrijkste
toepassingen?
Bereidwillige assistenten
2

3. Inhoudsopgave
I. Inleiding
2. Motivatie
3. Onderzoeksvragen
4. Inhoudsopgave
II. Wat zijn enzymen
1. Definitie
2. Aminozuren
3. Codering en productie
4. Peptidenbinding
5. Functionele groepen
6. Ruimtelijke Structuur
7. Denaturatie
8. Indeling en Naamgeving
9. Ribozymen
III. Werking van enzymen
1. Actieve site en Specificiteit
2. Activiteit
3. Regulatie
4. Cofactoren
IV. Functies in het menselijk lichaam
1. Metabolische enzymen
2. Spijsvertering
3. Andere functies in het lichaam
V. Toepassingen
1. Geïmmobiliseerde enzymen
2. Industriële productie
3. Restrictieënzymen
4. Wasproducten
5. Andere toepassingen
VI. Praktische Proef
VII. Bijlagen
1. Bronvermelding
2. Logboek
3

4. II. Wat zijn enzymen?
Definitie
Enzymen zijn biologische katalysators. Ze komen voor in alle levende organismen, en dienen
om chemische reacties te activeren of te versnellen. Ze zijn essentieel voor het leven, en de
afwezigheid van één van de naar schatting 75,000 enzymen in het menselijk lichaam kan tot
ernstige ziektes of de dood leiden.
Bijna alle enzymen bestaan uit eiwitten, proteïnen. Tot zo’n 20 jaar geleden werd gedacht dat
alle enzymen uit proteïnen bestonden, tot de ontdekking van ribozymen (zie Ribozymen).
Eiwitten worden door het lichaam aangemaakt als bouwstof om het lichaam mee op te
bouwen, of in het geval van enzymen, reacties te laten doorgaan.
Enzymen hebben drie belangrijke karakteristieken. Ten eerste is hun basisfunctie om reacties
te versnellen. De meeste cellulaire reacties gekatalyseerd door enzymen vinden ongeveer een
miljoen keer sneller plaats dan in hun afwezigheid. Een enzym kan tot tienduizend reacties
per seconde katalyseren. Ten tweede reageren de verschillende enzymen slechts met
specifieke substraten. De derde en meest merkwaardige eigenschap is dat enzymen
gereguleerd kunnen worden van een staat van lage activiteit naar één van hoge activiteit, en
omgekeerd. Een groot deel van de individualiteit van een cel is te wijten aan de unieke set
enzymen die ze genetisch geprogrammeerd is om aan te maken.
In het algemeen kunnen enzymen inwerken op substraten op drie manieren: substraat
oriëntatie, fysische spanning, of veranderingen in de reactiviteit van het substraat. Substraat
oriëntatie vind plaats wanneer een enzym ervoor zorgt dat twee substraatmoleculen in de
juiste positie komen om een binding te vormen. Wanneer een enzym fysische spanning
uitoefent op een substraat, grijpt het het substraat in feite vast en dwingt het om op te breken.
Een enzym dat een verandering van substraatreactiviteit teweegbrengt wijzigt de positie van
een molecule’s elektronen, wat de mogelijkheid van de molecule om te binden met andere
moleculen beïnvloed.
Aminozuren
Alle proteïnen zijn opgebouwd uit aminozuren. Bij de mens zijn er 21 verschillende, en de
combinatie van deze onderling leidt tot verschillende eiwitten. Een aminozuur bestaat uit een
koolstof-atoom, waar vier dingen aan gebonden zijn: een zuurgroep (COOH), een aminogroep
(NH2), een waterstofatoom en een zijketen (aangeduid als R). De zijketen is wat de
aminozuren van elkaar onderscheidt.
De zijketens bepalen grotendeels de eigenschappen van het aminozuur. Ze bestaan meestal uit
een koolstofketen en kunnen verschillende chemische groepen bevatten:
4

5. • Glycine heeft geen zijketen, enkel een waterstofatoom.
• Aminozuren met restgroepen die enkel een koolstofketen bevatten: Alanine, Valine,
Leucine, Isoleucine
• Aminozuren met een aromatische zijketen (ringstructuur): Fenylalanine, Tyrosine,
Tryptofaan
• Aminozuren met een alcoholgroep in de zijketen: Serine, Threonine
• Aminozuren met een zuurgroep in de zijketen: Asparaginezuur, Glutaminezuur
• Aminozuren met een basische groep in de zijketen: Lysine, Arginine, Histidine
• Aminozuren met een amidegroep in de zijketen: Asparagine, Glutamine
• Aminozuren met een zwavelatoom in de zijketen: Cysteïne, Methionine
• Proline heeft een afwijkende structuur, doordat de aminogroep verbonden is met de
zijketen, waardoor een ringstructuur ontstaat.
• Selenocysteïne is erkend als het 21ste genetisch gecodeerd aminozuur, en komt voor bij
de mens en is gevonden in alle soorten levensvormen. De structuur is dezelfde als die
van Cysteïne, alleen is een zwavelatoom vervangen door een seleenatoom.
• Pyrrolysine is het 22e natuurlijk voorkomend, genetisch gecodeerd aminozuur. Het is
enkel gevonden bij enkele archaea, en niet bij bacteriën of eukaryoten.
• Er bestaan nog natuurlijk voorkomende aminozuren, zoals Ornithine, maar deze zijn
niet genetisch gecodeerd.
De aminozuren kunnen ook ingedeeld worden volgens polariteit en lading bij fysiologische
pH (dit is de pH van een levend systeem, bij de mens ligt dit tussen 7,35 en 7,45 voor een
gezond individu). In onderstaande tabel zijn ze als volgt verdeeld:
• Aminozuren met apolaire zijketens zijn aangeduid in oranje. Deze zijketens zijn dus
hydrofoob.
• Aminozuren met polaire zijketens zonder lading, en die met zijketens die
waterstofbruggen kunnen vormen met O- of N-atomen, zijn aangeduid in groen. Deze
zijketens zijn hydrofiel.
• Aminozuren die in het paars zijn aangeduid hebben een negatief geladen COO- groep
in de zijketen.
• Aminozuren die in het blauw zijn aangeduid hebben een positief geladen NH3+ groep
in de zijketen.
5

6. In water zijn de aminozuren altijd geïoniseerd, door zuur-base reacties met de aminogroep en
de zuurgroep. Bij het iso-elektrisch punt zijn het dubbel geladen ionen (bij lagere pH meer
positief geladen en bij hogere pH meer negatief geladen). De lading van een eiwit wordt dus
bepaald door de pH van de omgeving.
Het iso-elektrisch punt is een belangrijke grootheid voor aminozuren en eiwitten. Het is de
pH-waarde waarbij de stof geen netto elektrische lading draagt. Deze pI-waarde kan berekend
worden uit de gemiddelde pK-waarden van alle ioniseerbare groepen, zolang deze groepen
slechts één proton-uitwisseling verwijderd zijn van de neutrale vorm.
6

7. Codering en productie
De genetische informatie die de cel nodig heeft om eiwitten aan te maken, is opgeslagen in
het DNA. In elke streng van de dubbele helixstructuur van het DNA komen afwisselend vier
nucleotiden voor, meestal aangeduid met één hoofdletter: A staat voor Adenine, T voor
Thymine, C voor Cytosine en G voor Guanine. Deze vormen per twee basenparen, Adenine
altijd met Thymine en Cytosine altijd met Guanine. Deze opeenvolging van basenparen is de
genetische code, en hieruit kan de cel eiwitten aanmaken.
Elk groepje van drie basenparen is een codon. Elk
codon komt overeen met één of meer specifieke
aminozuren. De code voor een bepaald eiwit bestaat uit
een opeenvolging van codons, die overeenkomen met
de aminozuren waaruit dat eiwit bestaat. Vóór deze
code bevindt zich steeds een promotor, een stuk DNA
dat er voor zorgt dat de transcriptie-enzymen op die
plaats beginnen met de transcriptie, en een stopcodon of
terminator, dat ervoor zorgt dat de transcriptie beëindigt
wordt.
Het hiernaast weergegeven schema toont welke codons
coderen voor welke aminozuren. De codons UAA,
UGA en UAG zijn stopcodons. Het UAG codon is
onrechtstreeks ook het codon voor Selenocysteïne: in
de aanwezigheid van het zogenaamde SECIS-element
codeert UAG de aanmaak van Selenocysteïne.
7

8. Deze informatie wordt overgeschreven op messenger-RNA in het
transcriptieproces, onder invloed van het enzym RNA-polymerase.
Dit messenger-RNA gaat samen met transport-RNA dat het juiste
aminozuur gebonden heeft naar de ribosomen, die de verschillende
aminozuren in de juiste volgorde aaneenhechten in een
polypeptidenketen.
RNA-polymerase
Peptidenbinding
Chiraliteit
Het centrale koolstofatoom van een aminozuur
noemt met het Calfa-atoom, en is een chiraal
center. Alle aminozuren gecodeerd door DNA
hebben de L-configuratie rond dit chiraal center.
Een ezelsbruggetje hiervoor is de ‘CORN’-regel:
als men het aminozuur bekijkt recht op de C-H as
en de structuur leest in wijzerzin, spellen de letters
van de aan Calfa gebonden groepen het woord
CORN.
Reactie
De reactie die in de ribosomen plaatsvindt is een dehydratatie-synthese reactie of
condensering. De reactie gebeurt tussen de carboxylgroep van het ene aminozuur en de
aminogroep van het volgende. De resulterende molecule is een amide. De vieratomige groep -
C(=O)NH- noemt men een peptidenschakel.
8

9. Resonantie
De peptidenbinding heeft voor 40% de eigenschappen van een dubbele binding, dit komt
doordat bij amiden resonantie plaatsvindt tussen twee vormen (zie afbeelding). Als gevolg
hiervan zijn alle peptidenbindingen nagenoeg vlak van vorm. Normaal zou men verwachten
dat de moleculen vrij kunnen draaien rond de peptidenbinding, maar dit wordt verhindert door
de resonantie. Ook draagt het zuurstofatoom een kleine negatieve lading, en het stikstof atoom
een positieve.
Cis/trans-isomerie
De sterische hindering tussen de zijketens op de Calfa atomen is het grootst in het cis-
isomeer. Bijgevolg hebben peptidenbindingen bijna altijd de vorm van het trans-isomeer.
9

10. Functionele groepen
Vele enzymen hebben een functionele groep nodig om hun werking mogelijk te maken.
Meestal worden deze na de aanmaak door de ribosomen toegevoegd als een vorm van
posttranslationele modificatie (zie regulatie). Enkele reacties waarbij een functionele groep
wordt toegevoegd, zijn:
w glycosylatie, binding van een oligosacharide.
w fosforylering, binding van een fosfaatgroep.
w methylering, binding van een methylgroep.
w prenylering, binding van een hydrofobe groep.
w acetylering, binding van een acetylgroep.
w arginylering, waarbij het aminozuur arginine aan het N-terminale einde van proteïnen
wordt
vastgemaakt.
Ruimtelijke Structuur
Na de aanmaak door de ribosomen zijn proteïnen ver van klaar. Uit de peptidenketen als basis
ontstaan grote en complexe moleculen, met meer dan alleen aminozuren als onderdelen. De
structuur van een eiwit kan beschouwd worden op vier niveaus. Kort samengevat noemt men
de volgorde van aminozuren de primaire structuur, plaatselijke plooiingen in de keten de
secundaire structuur, de driedimensionale samenstelling van secundaire elementen de tertiaire
structuur en de samenstelling van een eiwit uit zijn subeenheden de quaternaire structuur.
Primaire Structuur
De primaire structuur van een proteïne is zijn lineaire volgorde van aminozuren in de
peptidenketens, zoals ze wordt aangemaakt door de ribosomen met de informatie uit het
DNA. Elke peptidenketen heeft aan het ene uiteinde een zogenaamde amino-terminus of N-
terminus, dit is een vrije aminogroep. Het andere uiteinde is een carboxyl-terminus of C-
terminus, en bestaat uit een vrije carboxylgroep. De conventie om een peptidenketen neer te
schrijven is om de N-terminus links te plaatsen en de sequentie neer te schrijven van N- naar
C-terminus.
10

11. Secundaire Structuur
De meeste proteïnen bevatten stukken peptidenbindingen die een karakteristieke vorm
(conformatie) aannemen in de driedimensionale ruimte, door de vorming van
waterstofbruggen tussen de aminozuren. De meest voorkomende zijn de alfahelices en de
bètavlakken.
Alfahelices
Dit is de vaakst voorkomende en meest voorspelbare conformatie. In deze structuur is de
peptidenketen gespiraliseerd in een in wijzer- of tegenwijzerzin draaiende helix, in de natuur
komen echter enkel de in wijzerzin draaiende helices voor. Deze komt tot stand doordat de
carbonylgroep (C=O) van elke peptidenbinding parallel aan de as van de helix staat, waardoor
ze gericht staat naar de NH-groep van de peptidenbinding vier aminozuren lager in de helix.
Er onstaat een waterstofbrug tussen de carbonyl- en de NH-groep, en dit zorgt voor de
draaiing in de helix. De helix maakt een volledige draai rond ongeveer elke 3,6 aminozuren,
en de meeste alfahelices zijn ongeveer elf aminozuren lang.
Bèta-sheets
De tweede vaak voorkomende secundaire structuur is de bèta-sheet. In deze structuur ligt de
peptidenketen een paar keer geplooid naast zichzelf, waardoor zogenaamde bètastrengen
ontstaan van meestal 5 tot 10 aminozuren in lengte. Deze parallel of antiparallel naast elkaar
liggende strengen worden aan elkaar verbonden door 5 of meer waterstofbruggen tussen een
carbonylgroep van de ene streng en een NH-groep van de andere streng. Hierdoor ontstaat een
gevouwen plaatstructuur.
Twee naast elkaar liggende bètastrengen worden meestal met elkaar verbonden door een
peptidenketen van enkele aminozuren lang, die meestal een glycine of proline bevat omdat die
aminozuren in staat zijn om een dergelijke scherpe draai te kunnen maken. Soms zit er tussen
11

12. de twee strengen echter grote lussen aminozuren, andere secundaire structuren of zelfs
volledige delen van het proteïne.
Een bekend voorbeeld van deze structuur is zijde. Dit natuurlijk proteïne bestaat voor het
grootste deel uit bètasheets.
In 3D-voorstellingen van bèta-vlakken wordt gebruik gemaakt van pijlen die elke bètastreng
aanduiden, in de N- naar C-terminus richting.
12

13. Bètahelices
Een andere secundaire structuur is de bètahelix. In deze structuur vormen twee of drie
bètasheets de zijden van een helix. Het kan gevormd worden door een peptidenketen die
parallel door twee of drie bètavlakken loopt in wijzer- of tegenwijzerzin. De structuur wordt
gestabiliseerd door waterstofbruggen, interacties tussen proteïnen en soms gebonden
metaalionen.
13

14. Tertiaire Structuur
De volgende orde in de proteïnestructuur ontstaat wanneer er bindingen gevormd worden
tussen de zijketens van de aminozuren. Deze bindingen bepalen de uiteindelijk geometrische
structuur van het proteïne. Door deze bindingen tussen zijketens ontstaan lussen, bochten en
plooiingen in de peptidenketens. Een keten kan op verschillende plaatsen aan zichzelf
gebonden worden, of twee ketens kunnen aan elkaar worden gebonden.
Er zijn vier soorten interacties tussen zijketens:
• Waterstofbruggen
• Zoutbruggen
• Zwavelbruggen
• Apolaire hydrofobische interacties
Waterstofbruggen
Waterstofbruggen tussen zijketens ontstaan meestal tussen twee alcoholgroepen, tussen een
alcohol- en een zuurgroep, tussen twee zuurgroepen, tussen een alcohol- en een aminegroep
of tussen een alcohol- en een amidegroep.
Zoutbruggen
Een zoutbrug is een combinatie van een waterstofbrug verstevigd met een elektrostatische
interactie. Ze ontstaan uit de neutralisatiereactie tussen een zuurgroep en een aminogroep in
de zijketens van aminozuren. Het resultaat is een waterstofbrug tussen een zuurstof- en een
waterstofatoom, en een aantrekkingskracht tussen de positief geladen ammoniumgroep en de
negatief geladen zuurgroep. Een zoutbrug kan gevormd worden tussen elke combinatie van
aminozuren met een zuurgroep en een aminogroep in de zijketens.
14

15. Zwavelbruggen
Een zwavel- of disulfidebrug is een sterke covalente binding tussen twee zwavelatomen (S-S),
meestal ontstaan uit een reactie van twee thiolgroepen in de zijketens van cysteïne. Zwavel-
bruggen komen veel voor bij eiwitten en vormen een belangrijk structureel element. Bij
denaturalisatie door hitte worden deze bindingen niet alleen verbroken, maar kunnen er ook
willekeurig nieuwe zwavelbruggen ontstaan waardoor het eiwit zijn vorm verliest.
Apolaire hydrofobische interacties
De hydrofobische interacties tussen apolaire zijketens dragen veel bij tot de stabiliteit van de
tertiaire structuur. Deze interacties zijn het gevolg van de oplossingsregel: polair lost op in
polair en apolair in apolair. Al de apolaire groepen stoten gezamenlijk water en polaire
groepen af, wat resulteert in een netto aantrekkingskracht tussen de apolaire groepen. Ook
aromatische benzeenringen in zijgroepen trekken elkaar op dergelijke manier aan.
In veel gevallen zitten bijgevolg de apolaire zijketens aan de binnenkant van een globulair
eiwit, terwijl de buitenkant voornamelijk polaire groepen bevat.
Quaternaire Structuur
De quaternaire structuur van een proteïne beschrijft hoe verschillende peptiden- of
proteïneketens samenclusteren tot één geheel. Dit gebeurt onder andere door waterstof-, zout-
en zwavelbruggen die de verschillende ketens in een bepaalde geometrie samenbinden. Er zijn
twee grote categorieën van quaternaire structuren: globulaire proteïnen en scleroproteïnen of
fibreuze proteïnen.
Globulaire Proteïnen
Deze eiwitten hebben de vorm van een holle bal of kogel. Zoals reeds vermeld worden ze
vaak gevormd door apolaire hydrofobische interacties in de zijketens. Belangrijk is dat de
meeste enzymen globulair zijn, maar ook bijvoorbeeld insuline en hemoglobine, dat dankzij
deze structuur zuurstof kan transporteren.
Fibreuze Proteïnen
Dit zijn eiwitten die in spoelvormen met elkaar gebonden zijn, vergelijkbaar met een touw. Ze
zijn meestal onoplosbaar en hebben een belangrijke structurele rol in organismen ter
versteviging en bescherming. Er zijn drie groepen fibreuze eiwitten:
• Keratine: komt voor in haar, vinger- en teennagels en de veren van vogels.
• Collagenen: dit zijn de meest voorkomende proteïnen in gewervelde organismen. Het
komt vooral voor in verbindingsweefsels zoals kraakbeen. Het heeft als structuur een
driedubbele helix. (Zie praktische proef)
• Elastine: dit zijn elastische eiwitten die ervoor zorgen dat
verschillende weefsels in het lichaam opnieuw hun
oorspronkelijke vorm kunnen aannnemen na uitrekken of
samentrekken. Elastine helpt de huid terugkeren naar zijn
positie nadat het gepord of geknepen is.
15

16. Denaturatie
Wanneer de natuurlijke omgeving van een eiwit sterk verandert, b.v. door een pH-
verandering, een temperatuursverandering, of het toevoegen van andere stoffen, kan de
tertiaire structuur ( en soms ook de secundaire structuur ) afgebroken worden, waardoor het
eiwit zijn vorm en daardoor ook zijn functie verliest. Dit is een onomkeerbaar proces. Dit
komt omdat deze structuren fragiel zijn en snel uit elkaar vallen onder niet-optimale
omstandigheden, waarbij ionbindingen en waterstofbruggen verbroken worden. Zoute (teveel
Na+ -en Cl--ionen), zure (teveel H+-ionen) en basische (te weinig H+-ionen) omgevingen
breken ionbindingen en waterstofbroggen die interfereren met hun elektrische ladingen. Hitte
zorgt voor een toenemende beweging binnenin de moleculen, waardoor de relatief zwakke
bindingen verstoort worden (zie ruimtelijke structuur: zwavelbruggen). Eens gedenatureerd,
nemen de meeste proteïnen hun oorspronkelijke structuur niet meer terug aan.
Indeling en naamgeving
Over het algemeen wordt een enzym benoemd door de uitgang –ase toe te voegen aan de stam
van de stof waarop het werkt. Bijvoorbeeld, ‘lipase’ is een enzym dat vetten (lipiden)
afbreekt. Uitzonderingen hierop zijn meestal enzymen die ontdekt zijn voor dat deze regel
werd toegepast, bijvoorbeeld pepsine, trypsine en chymotrypsine (zie spijsvertering).
Het Enzym-Commissienummer of EC-nummer is een numeriek classificatiesysteem voor
enzymen, gebaseerd op de reacties die ze katalyseren. Als nomenclatuursysteem voor
enzymen wordt aan elk EC nummer een voorgestelde naam toegekend voor het betreffende
enzym. Deze namen zijn iets gedetailleerder, bijvoorbeeld ‘urease’ wordt ‘urea
amidohydrolase’. Aangezien de EC nummers niet duiden op enzymen maar op de reacties die
ze katalyseren, krijgen twee verschillende enzymen die dezelfde reactie katalyseren
(bijvoorbeeld uit verschillende organismen) hetzelfde EC nummer. Daarom hebben veel
enzymen ook een triviale naam.
Een EC nummer bestaat uit vier getallen gescheiden door punten. Het eerste getal geeft weer
tot welke hoofdgroep het behoort, de andere getallen geven telkens specifiekere informatie.
Volgens de Internationale Enzym Commissie worden de reacties die door enzymen
gekatalyseerd worden opgedeeld in zes grote groepen:
1. Oxidoreductasen
2. Transferasen
3. Hydrolasen
4. Lyasen
5. Isomerasen
6. Ligasen
Oxidoreductasen
Dit zijn enzymen die redoxreacties katalyseren, waarbij door elektronenoverdracht één atoom
wordt gereduceerd en één geoxideerd. Ze hebben NAD+- of NADP+-ionen nodig als cofactor.
Ze werken in op de CH-OH groep van het substraat (=reductor) met NAD+ of NADP+ als
elektronenacceptor (=oxidator).
16

17. Transferasen
Een transferase is een enzym dat de overdracht van een functionele groep van de ene
molecule (de donor) naar de andere (de acceptor) katalyseert. De donor is vaak een co-enzym.
• EC 2.1 Overdracht van een koolstof-groep
• EC 2.2 Overdracht van een aldehyd- of keto-groep
• EC 2.3 Omvatten acyltransferasen
• EC 2.4 Omvatten glycosyltransferasen
• EC 2.5 Overdracht van een alkyl- of aryl-groep
• EC 2.6 Overdracht van stikstofbevattende groepen
• EC 2.7 Overdracht van fosfaatbevattende groepen (kinasen)
• EC 2.8 Overdracht van zwavelbevattende groepen
• EC 2.9 Overdracht van seleenbevattende groepen
Hydrolasen
Hydrolasen zijn enzymen die hydrolysereacties katalyseren. Ze breken enkelvoudige
bindingen door er watermoleculen aan toe te voegen.
• EC 3.1: esterbindingen (esterasen: nucleasen, fosfodiësterasen, lipase, fosfatase)
• EC 3.2: koolhydraten
• EC 3.3: etherbindingen
• EC 3.4: peptidebindingen (proteasen/peptidasen)
• EC 3.5: koolstof-stikstofbindingen, andere dan peptidebindingen
• EC 3.6: zure anhydriden
• EC 3.7: koolstof-koolstofbindingen
• EC 3.8: halogenidebindingen
17

18. • EC 3.9: fosfor-stikstofbindingen
• EC 3.10: zwavel-stikstofbindingen
• EC 3.11: koolstof-fosforbindingen
• EC 3.12: zwavel-zwavelbindingen
• EC 3.13: koolstof-zwavelbindingen
Lyasen
Dit zijn enzymen die een dubbele binding vormen of verbreken. Ze doen dit door bepaalde
functionele groepen over te zetten zoals water en aminogroepen.
• EC 4.1 Omvat lyasen die koolstof-koolstof bindingen knippen, zoals de
o decarboxylasen (EC 4.1.1),
o aldehyde-lyasen (EC 4.1.2),
o oxo-zuur-lyasen (EC 4.1.3) en
o andere (EC 4.1.99)
• EC 4.2 Omvat lyasen die koolstof-zuurstof bindingen knippen, zoals dehydratasen
• EC 4.3 Omvat lyasen die koolstof-stikstof bindingen knippen
• EC 4.4 Omvat lyasen die koolstof-zwavel bindingen knippen
• EC 4.5 Omvat lyasen die koolstof-halogenide bindingen knippen
• EC 4.6 Omvat lyasen die fosfaat-zuurstof bindingen knippen
• EC 4.99 Omvat andere lyasen
Isomerasen
Dit zijn enzymen die reacties katalyseren waardoor moleculen met functionele groepen, die in
verschillende isomeren kunnen voorkomen, overgaan van het ene isomeer naar het andere.
• EC 5.1 omvat isomerasen die racemisatie (razemasen) en epimerisatie (epimerasen)
katalyseren
• EC 5.2 omvat isomerasen die geometrische isomeren (cis-trans isomerasen)
katalyseren
• EC 5.3 omvat isomerasen die intramoleculaire oxidoreductasen katalyseren
18

19. • EC 5.4 omvat isomerasen die intramoleculaire transferasen (mutasen) katalyseren
• EC 5.5 omvat isomerasen die intramoleculaire lyasen katalyseren
• EC 5.99 omvat andere isomerasen
Ligasen
Ligasen zijn enzymen die twee moleculen aan elkaar hechten door een
nieuwe chemische binding te vormen. Hierbij wordt een watergroep
vrijgemaakt, het is dus de omgekeerde reactie als die gekatalyseerd door
de hydrolasen. Meestal worden er eerst door hydrolyse kleinere groepen
afgescheiden van de grote moleculen voordat deze aan elkaar gebonden
worden. Ze halen hiervoor energie uit een ATP-molecule (of een ander
nucleotide trifosfaat) en hebben NAD+ nodig als cofactor.
Een synoniem voor ligase is synthetase, maar een syntase is eender
welk enzym dat een synthese katalyseert, ongeacht of ze nucleotide
trifosfaten gebruiken of niet.
DNA-ligase
• EC 6.1: Binding tussen koolstof en zuurstof
• EC 6.2: Binding tussen koolstof en zwavel
• EC 6.3: Binding tussen koolstof en stikstof
• EC 6.4: Binding tussen twee koolstofatomen
• EC 6.5: Vorming van een fosfaatester
• EC 6.6 : Vorming van een stikstof-metaalatoom-binding
19

20. Ribozymen
Niet alle enzymen bestaan uit proteïnen. Sommige RNA moleculen
kunnen functioneren als enzymen, en dus veranderingen in de
structuur van substraten (meestal ook RNA moleculen) katalyseren.
Deze katalytische RNA moleculen worden ribozymen genoemd.
Ondanks dat de meeste ribozymen erg zeldzaam zijn in de cel, zijn hun
rollen soms essentieel. Het belangrijkste ribozym is het ribosomaal
RNA, het functionele deel van de ribosomen, de organellen die de
translatie van RNA naar proteïne uitvoeren. Omdat r-RNA zowel de
eigenschappen heeft van DNA (replicatie en de mogelijkheid om
informatie te coderen), als van enzymen (katalysatie), wordt het
beschouwd als een belangrijke stap in de evolutie van het DNA.
Een ‘hammerhead’-
De meeste soorten van RNA, namelijk transport RNA (t-RNA), ribozym
ribosomaal RNA (r-RNA) en messenger RNA (m-RNA), worden
eerst aangemaakt als ‘voorlopers’ die groter zijn dan het eindproduct. Ze bevatten vaak
“hoofd” (5’) en “staart” (3’) sequenties, en intronen. Deze moeten verwijderd worden om het
eindproduct te bekomen.
Alle levende organismen synthetiseren bijvoorbeeld een enzym genaamd Ribonuclease P, dat
het 5’-deeltje van de voorloper van de t-RNA molecule afsplitst. In bacteriën is Ribonuclease
P een heterodimeer (molecule gevormd door binding van twee verschillende monomeren),
bestaande uit een RNA en een proteïne deel. Als de twee gescheiden worden, behoudt het
RNA-deeltje zijn werking om de splitsingsstap te katalyseren (hoewel minder effectief dan bij
het intacte dimeer), het proteïne deeltje kan dit niet.
20

21. III. Werking van enzymen
Actieve Site en Specificiteit
Het basismechanisme waarmee enzymen chemische reacties
katalyseren begint bij het binden van het substraat met de actieve site
op het enzym. De actieve plaats is de regio op het enzym die in
contact komt met het substraat en hiermee reageert. Het binden van
het substraat aan het enzym zorgt voor veranderingen in de
elektronenverdeling in de chemische bindingen van het substraat, en
zet zodanig de reacties in gang die leiden tot de vorming van de
reactie-producten. De reactieproducten worden vervolgens
losgemaakt van het enzymoppervlak, waardoor het enzym de
volgende reactie kan katalyseren.
De actieve site heeft, door de complexiteit van de primaire, secundaire en tertiaire structuren
van het enzym, een unieke geometrische vorm. De actieve site is meestal een holte of kloof,
omgeven door aminozuur of andere zijketens die functionele groepen bevatten die
verantwoordelijk zijn voor eigenschappen zoals lading, hydrofobie of –filie en sterische
hindering. Deze vorm, tezamen met de aanwezige functionele groepen is complementair met
de geometrische vorm van een bepaald substraat, waardoor de specificiteit van enzymen
ontstaat. Enzymen zijn heel specifiek, en katalyseren slechts één of enkele reacties.
Er wordt een onderscheid gemaakt tussen vier soorten specificiteit:
• Absolute specificiteit: het enzym katalyseert slechts één reactie.
• Groepsspecificiteit: het enzym zal enkel inwerken op moleculen die een specifieke
functionele groep hebben, zoals amino-, fosfaat-, of methylgroepen.
• Bindingsspecificiteit: het enzym zal enkel inwerken op een bepaalde soort van
chemische binding, ongeacht de rest van de moleculaire structuur.
• Stereochemische specificiteit: het enzym zal enkel inwerken op een bepaald sterisch of
chiraal isomeer.
Vroeger werd het Lock and Key-model gebruikt om dit voor te stellen. Het stelt dat een
bepaald substr aat geometrisch perfect past in de actieve site van het enzym en er verder geen
aanpassing nodig is, maar dit is simplistisch voorgesteld. Een uitbreiding van het Lock and
Key-model is het Induced Fit-model, dat stelt dat de actieve site flexibeler is en door middel
van de residuen zorgt dat het juiste substraat gelokaliseerd wordt, waarna bij de binding
veranderingen in de structuur kunnen voorkomen.
21

22. Substraten binden aan de actieve site van het enzym door middel van waterstofbruggen,
hydrofobische interacties, vanderwaalskrachten, of een combinatie van al deze, en vormen zo
het enzym-substraatcomplex. De functionele groepen rond de actieve site fungeren als donors
en acceptors van protonen of andere groepen op het substraat om de reactie te
vergemakkelijken, door het verlagen van de activatie energie van de reactie. De ontstane
reactieproducten zijn meestal onstabiel in de actieve site door sterische hindering, die ervoor
zorgt dat de reactieproducten vrijgemaakt worden van het enzym waardoor het terugkeert naar
zijn oorspronkelijke, ongebonden vorm.
De actieve site maakt slechts een klein deel uit van het
volume van het enzym, en daardoor komt slechts een fractie
van de residuen op de peptidenketen in contact met het
substraat. De onderdelen waaruit de actieve site bestaat
liggen vaak niet dicht bij elkaar in de primaire structuur van
het enzym, maar de tertiaire plooiingen brengen hen bij
elkaar in de driedimensionale ruimte. Vaak zijn bij de actieve
site ook onderdelen betrokken die voorkomen op de
verbindende structuren tussen de secundaire helices en
vlakken in plaats van op deze structuren zelf, en in veel
gevallen komt de actieve site voor op de verbinding tussen
twee domeinen die tertiair contact maken.
Een actieve site bestaande uit
verschillende onderdelen
Activiteit
De efficiëntie van de werking van een enzym varieert met de omstandigheden. Deze hangen
af van het milieu binnen en buiten de cel, waarin factoren als temperatuur, pH, en de
concentraties van verscheidene stoffen verschillend kunnen zijn van plaats tot plaats en
kunnen veranderen. Op deze manier kunnen de enzymen die werkzaam zijn in een cel hoogst
gereguleerd functioneren. De volgende factoren hebben invloed op de activiteit van een
enzym:
Temperatuur
De snelheid van een reactie die gekatalyseerd wordt door
enzymen neemt toe met de temperatuur. Dit gaat door tot
het enzym zijn optimale temperatuur bereikt heeft, nadien
gaat de activiteit omlaag door denaturatie. Een
temperatuursstijging van 10 graden kan leiden tot een
toename in activiteit van een enzym van 50 tot 100%. Dit
komt omdat een temperatuursstijging in een systeem het
gevolg is van een toename aan kinetische energie in dat
systeem. Dit heeft verschillende effecten op de snelheid
van een reactie:
22

23. - Meer energetische botsingen
- Meer botsingen per tijdseenheid
- Stijging van de enthalpie
pH
Ook veranderingen in de pH van de omgeving hebben een
invloed op de werking van enzymen. Elk enzym heeft een
optimum-pH, die veel kan verschillen van enzym tot enzym
(zie tabel). Een extreem hoge of lage pH zorgt meestal voor
een compleet verlies aan activiteit. De pH speelt ook een
rol in de stabiliteit van enzymen, net zoals bij de activiteit
heeft elk enzym een pH waarbij het een optimale stabiliteit
heeft.
Enzym- en substraatconcentratie
Hoe meer enzymen er aanwezig zijn, hoe meer substraatmoleculen er tegelijk verwerkt
kunnen worden, en hoe sneller de reactie dus gaat. Hoe meer substraatmoleculen er aanwezig
zijn, hoe sneller er complexen gevormd kunnen worden tussen enzym en substraat. Op een
bepaald moment, als alle enzymen in een complex zitten, heeft het toevoegen van
substraatmoleculen geen verhoging van activiteit meer tot gevolg. Ook de concentratie van de
cofactoren van een enzym heeft een invloed. De eerste figuur toont dat de reactiesnelheid
toeneemt met de concentratie van het enzym, en de tweede figuuur toont dat de
reactiesnelheid toeneemt met de concentratie van het substraat, tot een maximum.
23

24. Regulatie
Om de goede werking van enzymen te verzekeren worden ze door het lichaam
gecontroleerd, en kan hun werking soms verhoogd of verlaagd worden en zelfs compleet
uitgeschakeld. Er zijn enkele belangrijke manieren waarop dit gebeurd.
1. De enzymproductie (de transcriptie en translatie van de genen) kan door de cel
verhoogd of verlaagd worden als reactie op veranderingen in de omgeving van de
cel. Dit is een vorm van genregulatie, en gebeurd dus op het niveau van het DNA.
2. Enzymen kunnen gecompartimentaliseerd zijn in een bepaald deel van de cel,
zodat op verschillende plaatsen verschillende reacties kunnen doorgaan.
Bijvoorbeeld, vetzuren worden door één set van enzymen aangemaakt in het
cytosol, endoplasmatisch reticulum en golgi apparaat, en worden door een andere
set enzymen afgebroken in de mitochondriën als energiebron.
3. Enzymen kunnen gereguleerd worden door inhibitors en activators. Inhibitors
verlagen of stoppen de activiteit van enzym door zich eraan te binden. Inhibitors
die aan de actieve site binden om zo de binding van substraatmoleculen te
verhinderen noemt men competitieve inhibitors, de rest zijn niet-competitieve
inhibitors. Een activator is een stof die bij binding met een enzym zijn activiteit
verhoogt. Niet-competitieve inhibitors worden, samen met activators, effectors
genoemd. Deze beïnvloeden de werking van het enzym door middel van
allosterische regulatie. Dit
betekent dat de effectors binden
op een plaats die niet de actieve
site is, een allosterische site.
24

25. De eindproducten van een reactiepad of metabole pathway (een reeks van
reacties gekatalyseerd door enzymen) zijn vaak inhibitors voor de enzymen die
de eerste reactie van de pathway katalyseren. Dit noemt men een negatieve
feedback, omdat de hoeveelheid van een eindproduct dat aangemaakt wordt
gereguleerd wordt door zijn eigen concentratie. Hierdoor kunnen producten
aangemaakt worden op behoefte van de cel, en worden er geen overtollige stoffen
aangemaakt, wat zorgt voor een stabiele interne omgeving in de cel.
4. Enzymen kunnen ook gereguleerd worden door posttranslationele modificatie.
Dit betekend dat er na de synthese van het enzym een verandering wordt
aangebracht. Vaak is dit de laatste stap die nodig is om het enzym actief te
maken, en gebeurt enkel wanneer het enzym nodig is. Dit kan door toevoeging
van een functionele groep die onontbeerlijk is voor de werking van het enzym, of
door afsplitsing van een overbodig stuk peptidenketen die ervoor zorgt dat het
enzym nog niet actief is. Een voorbeeld van dit laatste is de activatie van
trypsinogeen (zie spijsvertering).
5. Sommige enzymen worden geactiveerd als ze in een ander milieu terechtkomen,
bijvoorbeeld van hoge naar lage pH, of van een reducerende naar een oxiderende
omgeving. Hierdoor verandert hun structuur. Een voorbeeld hiervan is de
activatie van pepsinogeen (zie spijsvertering).
Cofactoren
Veel enzymen hebben de aanwezigheid van andere stoffen - cofactoren - nodig om te kunnen
functioneren. Wanneer de cofactor een organische stof is, wordt het een co-enzym genoemd.
Het inactieve enzym zonder de cofactor noemt men het apo-enzym, en het actieve complex
van apo-enzym en cofactor is het holo-enzym.
Co-enzymen zijn relatief kleine moleculen in vergelijking met het apo-enzym. Veel van deze
co-enzymen zijn afkomstig van vitaminen, en ze maken altijd een deel uit van de actieve site.
Wanneer het co-enzym sterk gebonden is aan het apo-enzym noemt men het eerder een
prothetische groep*
25

26. Niet-organische cofactoren zijn meestal metaalionen. Deze zijn bijvoorbeeld: K+, Fe2+, Fe3+,
Cu2+, Co2+, Zn2+, Mn2+, Mg2+, Ca2+, en Mo3+. Enzymen met metaalionen als cofactor noemt
men metallo-enzymen. Vaak is de cofactor samengesteld uit een organisch en een inorganisch
deel.
*Noot: de bronnen spreken elkaar tegen over het verschil in betekenis tussen cofactoren, co-enzymen en
prothetische groepen.
IV. Functies in het menselijk lichaam
Spijsverteringsenzymen
De belangrijkste enzymen in het menselijk lichaam zijn de enzymen die deel uitmaken van de
spijsvertering. Zij zorgen voor de afbraak van de voedingsstoffen zodat deze kunnen
opgenomen worden door het lichaam.
Speeksel
Het speeksel, afgescheiden door de speekselklieren in de mond, bevat
een α-amylase. Amylases zijn enzymen die koolhydraten afbreken, het
specifieke enzym dat voorkomt in het speeksel is ptyaline. Het is
verantwoordelijk voor de afbraak van grote zetmeelketens tot maltose en
dextrines, kortere en oplosbare zetmeelketens. (amylodextrine,
erythrodextrine en achrodextrine) . Hierdoor krijgt voedsel dat weinig
suiker bevat maar veel zetmeel, zoals rijst en aardappelen, een lichte
zoete smaak tijdens de afbraak in de mond. Ptyaline wordt in de maag
gedeactiveerd door het maagzuur. Het heeft calciumionen nodig als co-
factoren, zonder deze is het compleet inactief.
Ptyaline
Amylase was onder de naam diastase het eerste enzym dat ooit ontdekt
is,
en werd gevonden in mout.
Maag
26

27. De sappen afgescheiden door de maag bevatten pepsinogeen, de inactieve vorm van het
enzym pepsine. Pepsine is één van de drie enzymen verantwoordelijk voor de afbraak van
eiwitten in de spijsvertering, samen met trypsine en chymotrypsine. Pepsinogeen wordt
geactiveerd in zure milieus. Dit gebeurt wanneer de maag de aanwezigheid van peptiden
waarneemt en maagsap afscheidt, dat naast pepsinogeen ook waterstofchloride bevat, dat
pepsinogeen activeert. Pepsine was het eerste ontdekte dierlijk enzym.
Pancreas Pepsine
Enzymen die door de pancreas worden aangemaakt zorgen voor de
vertering van suikers (door amylase), vetten (door lipase) en eiwitten
(door trypsine en chymotrypsine). Ze worden door de pancreas
afgescheiden en komen via een afvoerbuis bij de zogenaamde Papil
van Vater in de twaalfvingerige darm terecht. Trypsine en
chymotrypsine worden, net zoals pepsine, aangemaakt in een inactieve
vorm (trypsinogeen en chymotrypsinogeen). Trypsinogeen wordt
geactiveerd door enteropeptidase, dat wordt geproduceerd in de
wanden van de twaalfvingerige darm. Trypsine activeert op zijn beurt Trypsine
chymotrypsinogeen tot chymotrypsine.
Dunne darm
De dunne darm scheidt naast enteropeptidase ook maltase, lactase,
sacharase en peptidase af. De eerste drie breken respectievelijk
maltose, lactose en sacharose af, peptidasen breken de di- en
tripeptiden, die door trypsine zijn gemaakt, af tot aminozuren.
Maltase
Voedingsenzymen
Een belangrijk deel van de vertering wordt gedaan door enzymen afkomstig uit het voedsel
zelf. Zowel plantaardig als dierlijk voedsel bevat deze enzymen. De plantaardige enzymen
zijn stabiel zelfs in de zure omgeving van de maag, en helpen daar bij de afbraak samen met
de enzymen aangemaakt door de maag en de mechanische contractie van de maag. Vanaf het
moment dat het voedsel in de darmen terecht komt, beginnen ook opgenomen dierlijke
enzymen te werken.
Bij gekookt voedsel daarentegen zijn alle enzymen gedenatureerd. Dit heeft tot gevolg dat ze
niet kunnen helpen bij de afbraak, waardoor de lichaamseigen enzymen meer werk moeten
verrichten. Daarom wordt beweerd dat het eten van rauw voedsel vaak gezonder is dan het
eten van gekookt voedsel.
Metabolische enzymen
Dit is de tweede grote groep van enzymen die belangrijk zijn in het menselijk lichaam.
Metabolische enzymen hebben een verscheidenheid aan functies in het lichaam. In het
27

28. algemeen spelen ze een belangrijke rol in de reproductie en de vernieuwing van cellen in onze
vitale organen, maar ze ondersteunen ook andere lichaamsfuncties.
De pancreas is het belangrijkste orgaan dat metabolische enzymen aanmaakt en ze verspreidt
in het lichaam. Deze enzymen zorgen (samen met die van de lever) voor de verwijdering van
toxische stoffen uit het lichaam, helpen met het produceren van energie en verzekeren de
correcte werking van alle organen. Een van hun belangrijkste functies vindt plaats in het
bloed. De enzymen in het bloed verwerken de vijfenveertig nutriënten afkomstig van de
voeding, waarna het lichaam hieruit nieuwe cellen opbouwt die nodig zijn voor de productie
van spier-, zenuw-, bot-, bloed- en longcellen. Zo zorgen ze ervoor dat cellen vernieuwd
worden. Dit doen ze ook door het lichaam te helpen zuurstof naar de cellen te transporteren.
Er is geen enkele cel in het menselijk lichaam dat niet afhankelijk is van metabolische
enzymen.
Een gebrek aan metabolische enzymen is een belangrijke factor in het verouderingsproces. In
de pancreas van oudere personen kunnen minder enzymen worden aangemaakt. Aangezien
spijsverteringsenzymen de hoogste prioriteit hebben voor het lichaam en in grote
hoeveelheden nodig zijn, zal de pancreas die enzymen in dezelfde hoeveelheden blijven
aanmaken ten nadele van de metabolische enzymen. Dit geldt niet enkel voor de pancreas,
maar voor het hele lichaam en leidt tot een slechtere gezondheid. Het veroorzaakt de rimpels,
botverlies en andere aandoeningen die komen met ouderdom. Veel mensen keren zich
daarom tot voedingssuplementen die deze enzymen bevatten, maar dit gebeurd best enkel op
advies van een arts.
Andere functies in het lichaam
Spiercontractie
Om de spieren te laten werken is een enorme hoeveelheid ATP nodig. Deze wordt op het
moment dat er nood aan is vrijgemaakt door enzymen in drie fasen.
In eerste instantie wordt creatine fosfaat, een hoog energetische molecule, omgezet in ATP
door het enzym creatine kinase. De reserves aan creatine fosfaat in de spieren zijn opgebruikt
in enkele seconden.
CP + ADP ATP + Creatine
Daarna worden fosforylasen gebruikt om glycogeen af te breken tot glucose, die omgezet
wordt in ATP. Als de reserves aan glycogeen op zijn wordt overgeschakeld op de afbraak van
vetzuren en aminozuren.
Signaaltransductie
28

29. Signaaltransductie is het doorgeven van signalen binnen een cel. Deze signalen kunnen
worden doorgegeven via eiwitten. Er bestaan lange ‘paden’ van eiwitten tussen plaatsen in de
cel, waarlangs een signaal kan worden doorgegeven. Dit gebeurd door een eiwit te activeren
door bijvoorbeeld een fosfaat-groep op een bepaalde positie aan te hechten (fosforylering
door een kinase), waarna een volgende reactie plaatsvindt en er uiteindelijk een keten van
reacties ontstaat, allen gekatalyseerd door enzymen. Op die manier kan een signaal door de
cel geleid worden naar de plek waar dat nodig is, waarna de cel een actie kan ondernemen,
bijvoorbeeld beweging, afsterven, starten met deling, enz.
Veel ziektes zijn het gevolg van een fout bij de signaaltransductie, bijvoorbeeld diabetes,
hartziekten, autoimmuniteit en kanker.
Actief transport
Veel stoffen moeten getransporteerd worden naar binnen of buiten de cel. Soms moet de
concentratie van een bepaalde stof in een cel anders zijn dan die in zijn omgeving, wat
tegengewerkt wordt door diffusie. Daarom voert de cel actief transport uit.
In het cytosol van dierlijke cellen is de concentratie aan kaliumionen (K+) tot twintig keer
hoger dan die in de vloeistof die de cel omgeeft. Omgekeerd bevat deze extracellulaire
vloeistof een concentratie aan natriumionen (Na+) tot tien keer groter dan dan die binnen de
cel. Deze verhoudingen worden in stand gehouden door actief transport van beide ionen.
Beide ionen worden getransporteerd door één enzym, de Na+/K+ ATPase. Het hydroliseert
ATP om energie te verkrijgen, waarmee het drie Na+ ionen uit de cel kan transporteren voor
elke twee K+ ionen die de cel binnen worden gepompt.
Het belang van dit enzym wordt aangetoond door het feit dat bijna een derde van alle energie
die in dierlijke cellen in de mitochondriën wordt vastgelegd onder de vorm van ATP, gebruikt
wordt om deze pomp te laten functioneren.
29

30. V. Toepassingen
Geïmmobiliseerde enzymen
Enzymen worden op veel manieren commercieel gebruikt, bijvoorbeeld in de wasmiddelen-,
voedings- en brouwindustrie. Het probleem is dat deze enzymen na gebruik vaak moeilijk te
recupereren zijn, omdat ze oplosbaar zijn in water of ze geïnhibiteerd worden door de
reactieproducten. Daarom worden enzymen vaak geïmmobiliseerd door ze vast te hechten aan
een andere stof. Dit heeft enkele commerciële voordelen:
• het enzym wordt gemakkelijker verwijdert uit het reactiemengsel
• een snelle verwijdering van het enzym uit het reactiemengsel vermindert inhibitie
• de stabiliteit van het enzym wordt vergroot, waardoor het minder rap denatureert en er
dus hogere temperaturen kunnen gebruikt worden
• hogere temperaturen verhogen de reactiesnelheid
• het enzym kan gefixeerd worden op kolommen in het reactiemengsel, waardoor het
lange tijd bruikbaar is
Enkele methoden om enzymen te immobiliseren zijn:
• covalente binding aan een vaste structuur
• adsorptie in een onoplosbare stof
• opsluiting binnen een gel
• incapsulatie achter een selectief permeabel membraan
30

31. Industriële productie
Vroeger werden enzymen die nodig waren in de industrie
afgezonderd uit het organisme dat ze van nature
aanmaakt. Voor de productie van kaas bijvoorbeeld,
gebruikt men chymosine, een enzym dat door veel jonge
dieren wordt aangemaakt om van de moedermelk een
vaste stof te maken. Hierdoor blijft de melk (kaas) langer
in het spijsverteringsstelsel van het dier, waardoor het
meer voedingsstoffen kan opnemen. Men gebruikte het
op grote schaal om kaas te produceren, maar de enzymen
moesten afgezonderd worden uit de magen van jonge
(geslachte) kalven.
Tegenwoordig kan men enzymen op grote schaal
produceren door ze te laten aanmaken door micro-
organismen. Gisten, schimmels en bacteriën maken enzymen aan, en kunnen makkelijk
gekweekt worden. Dit gebeurt in fermentoren, grote gesloten tanks die alle voedingsstoffen
nodig voor de groei van de micro-organismen bevatten onder optimale groeiomstandigheden.
Na enkele dagen isoleert men de enzymen en doodt men de resterende micro-organismen.
Om een enzym door micro-organismen te laten aanmaken wordt er gebruik gemaakt van
genetische manipulatie. De genen nodig om het juiste enzym aan te maken worden aan de
genetische informatie van het micro-organisme toegevoegd door recombinant DNA-
technologie. Zo kan men elk gewenst enzym op industriële schaal aanmaken.
Restrictie-enzymen
Restrictie-enzymen of nucleasen zijn enzymen die DNA-strengen splitsen op specifieke
herkenningsplaatsen. Ze komen voor in bacteriën en archaea, en zijn vermoedelijk ontstaan
als verdedigingsmechanisme tegen binnendringende virussen. In de bacteriële cel knippen
deze enzymen selectief het vreemd DNA in een proces genaamd restrictie. Het eigen DNA
van het organisme wordt hiertegen beschermd door methylering, een wijziging die
aangebracht wordt door een methylase enzym. De methylgroepen blokkeren de binding van
de resctrictie-enzymen, maar hebben geen invloed op de normale replicatie en transscriptie
van het DNA. Op deze manier maken restrictie-enzymen een onderscheid tussen eigen en
vreemd DNA.
De naam restrictie-enzym is afkomstig van het feit dat enkel de bacteriofagen (virussen die
bacteriën als doelwit hebben) afkomstig van enzymen van dezelfde stam zich kunnen
reproduceren binnen een bacterie. Elke bacteriestam heeft één of meerdere restrictie-enzymen
die een specifieke herkenningsplaats gebruiken, en een methylase die juist die plaats
beschermd. De enzymen zorgen dus voor een restrictie op infecties van bacteriofagen.
Elk restrictie-enzym herkent een specifieke sequentie DNA. Er zijn drie types:
• Type I knipt het DNA op een willekeurige plaats ver van de herkenningsplaats.
• Type II knipt het DNA binnen de herkenningsplaats.
31

32. • Type III knipt het DNA ongeveer 20 tot 25 baseparen van de herkenningsplaats
verwijderd.
Sommige nucleasen knippen aan beide zijden van de keten tussen de twee nucleotiden van
overeenkomstige baseparen en laten zogenaamde ‘blunt ends’ achter, andere knippen tussen
twee paar nucleotiden die een paar baseparen van elkaar verwijderd zijn en laten ‘sticky ends’
achter. Sticky ends kunnen nadien gemakkelijker terug aan elkaar verbonden worden.
Restrictie-enzymen die knippen midden in de DNA-keten worden endonucleasen genoemd,
degene die knippen aan de uiteinden van de ketens worden exonucleasen genoemd. Enkel de
endonucleasen zijn echter interessant voor de moleculaire biologie.
Toepassingen in de moleculaire biologie
Restrictie-endonucleasen zijn enorm belangrijk voor de wetenschap, omdat ze toelaten om te
knippen en te plakken in het DNA, waardoor men allelen kan afzonderen, de expressie van
eiwitten kan onderzoeken, slechte stukken kan verwijderen uit het DNA en nieuwe genen kan
toevoegen. Het enzym dat men gebruikt om twee DNA-strengen opnieuw met elkaar te
verbinden is DNA-ligase. Na de ontdekking van deze enzymen lag de weg naar de genetische
modificatie open.
In de afbeelding is het restrictie-enzym EcoRV, afkomstig uit de bacterie Escherichia coli,
weergegeven rond een kort stukje DNA-helix. Het bovenste deel toont de molecule voor de
splitsing, met de fosfaatgroep waar geknipt zal worden, het onderste deel toont de molecule
na de splitsing, waar een extra zuurstofatoom is toegevoegd afkomstig van H2O, dicht bij de
fosfaatgroep maar er niet aan gebonden.
32

33. Wasproducten
Het gebruik van enzymen in wasmiddelen is weid verspreid in ontwikkelde landen, en men
schat dat meer dan de helft van alle beschikbare producten enzymen bevatten. Hierdoor is de
Wasmiddelenindustrie de grootste afzetmarkt ter wereld voor enzymen, en maakt tot 30% uit
van de totale verkoop.
Vuil komt voor onder vele vormen, en bevat onder
andere eiwitten, zetmeel en vetten. Het meeste vuil
kan verwijdert worden door de kleren te wassen op
hoge temperaturen en met krachtige bewegingen in de
machine, maar de kosten om het water op te warmen
zijn hoog en door lang mixen of slaan van de kleren
33

34. zal de kwaliteit rapper achteruitgaan. Door enzymen te gebruiken kan er gewassen worden op
lagere temperaturen en kortere periodes van agitatie.
Proteasen en amylasen zijn de enzymen die het meest gebruikt worden, maar er zijn
tegenwoordig ook lipasen bekend die geschikt zijn voor het gebruik in wasmiddelen.
Wasmiddelen met proteasen kunnen vlekken bestaande uit bloed, melk, zweet, gras, enz.
gemakkelijk verwijderen, terwijl wasmiddelen zonder proteasen vaak permanente vlekken
achterlaten door de proteïnen te denatureren en te oxideren. Met moderne bleekmiddelen is
het verschil tussen schoon zijn en schoon lijken niet altijd zichtbaar. De proteasen breken de
eiwitten af tot kortere, beter oplosbare ketens die door de andere wasproducten gemakkelijker
verwijderd kunnen worden.
Amylasen worden gebruikt om restanten van zetmeel bevattende voeding te verwijderen, en
wordt ook vaak gebruikt in afwasmiddelen voor vaatwas. Lipasen breken vetten af, de stoffen
die altijd al het moeilijkst te verwijderen waren uit kleding, zeker op lage temperaturen.
Wasproducten zonder enzymen hebben vooral moeite met het verwijderen van vetten van
kleding bestaande uit een mengeling van katoen en polyester.
De ontwikkeling van enzymen voor wasproducten focust vooral op het verwijderen van
vlekken, maar ook cellulasen hebben handige eigenschappen voor het onderhouden van
kleren. Een cellulase enzym kan de structuur van cellulosedraden, in kleren uit katoen of een
mengeling met katoen, veranderen. Kleren uit katoen kunnen na enkele wasbeurten schijnbaar
hun kleur verliezen, en ze zien er pluizig uit. Dit komt omdat er microfibrillen ontstaan die
zich gedeeltelijk afsplitsen van de katoendraden. Hierdoor wordt het licht dat op de kleren valt
meer teruggekaatst, wat de indruk geeft dat de kleuren doffer zijn. Deze kleine draadjes
kunnen echter door cellulasen afgebroken worden, waardoor de kleding zijn oorspronkelijke
kleur terugkrijgt. De kleren worden ook zachter door de verwijdering van de microfibrillen,
en vuil dat opgesloten zat tussen deze draadjes kan terug verwijdert worden.
Om hypergevoeligheid bij de gebruikers te voorkomen, worden de enzymen tegenwoordig
bevat in kleine granulen van ongeveer een halve millimeter in diameter die geen stof kunnen
vrijgeven en die oplossen in water, waardoor de enzymen ook beschermd worden tegen
beschadiging van andere stoffen in het wasmiddel tijdens de opslag. De gebruikte enzymen
moeten bestemd zijn tegen een grote verscheidenheid van negatieve omstandigheden in de
wasmachine zoals schommelende pH niveaus, de aanwezigheid van andere afbraakproducten
en bestanddelen van waspoeder en temperaturen tot 60°C.
Overige toepassingen
Papierindustrie
In de papierindustrie maakt men gebruik van laccases, enzymen die van nature voorkomen in
houtzwammen. Laccases breken lignine af, een stof die voorkomt in de houtpulp waaruit
papier gemaakt worden. Lignine geeft een bruine kleur aan het papier, maar door het gebruik
van laccases verkrijgt men het gewenste wit papier, zonder nood aan chloorbevattende
bleekmiddelen.
34

35. Brood
Brood rijst door de omzetting van suikers tot CO2 door gist. Bloem bevat echter weinig korte
suikerketens, maar voornamelijk lange zetmeelketens. Daarom wordt amylase toegevoegd die
het zetmeel omzet in suikers, die de gisten kunnen omzetten.
Ook wordt vaak xylanase toegevoegd om andere lange suikerketens, afkomstig uit de
buitenhuid van graankorrels, af te breken waardoor het brood makkelijker rijst.
Bier brouwen
Net zoals bij de gisting van brood gebruikt men bij de gisting van bier amylasen, om zetmeel
uit graan om te zetten tot suikers. Ook voegt men proteasen toe die overblijvende eiwitten uit
gist afbreken, waardoor het bier helderder wordt en makkelijker gefilterd kan worden.
Fruitsap
Bij het persen van fruit verkrijgt men meer sap wanneer er pectinase wordt toegevoegd om
pectine, een kleefstof tussen de celwanden van plantaardige cellen, af te breken. Een ander
pectinase en amylase breken daarna de restanten van pectine en zetmeel af.
Bio-brandstof
Uit gewassen met veel suiker of zetmeel wordt bio-ethanol gewonnen, een van de meest
geproduceerde biobrandstoffen. Amylasen zetten het zetmeel om tot suikers, die kunnen
worden gefermenteerd tot ethanol. Na een paar verwerkingsstappen kan de ethanol als
brandstof worden gebuikt.
Voeding
Veel voedsel wordt in kleine mate voorverteerd door enzymen. Dit geeft het een betere smaak
en kan de houdbaarheid vergroten. Enzymen die gebruikt worden zijn bijvoorbeeld trypsine,
papaïne en cellulase.
Lensvloeistof
Onderhoudsvloeistof voor lenzen bevat vaak een van de enzymen papaïne, pancreatine of
subtiline, die het vuil afbreken waardoor de lens opnieuw schoon is voor gebruik.
VI. Praktische Proef: Afbraak van Gelatine door Proteasen
Doel:
Onderzoeken welke fruitsoorten de enzymgroep proteasen bevatten, en de invloed van
denaturatie op deze enzymen bestuderen.
35

36. Principe:
Gelatine is een eiwit dat bereidt wordt door middel van gedeeltelijke hydrolyse van collageen,
een eiwit dat voorkomt in de bindweefsels van zoogdieren, bijvoorbeeld de huid, de botten en
het kraakbeen. Door hydrolyse wordt de lange ketenstructuur van collageen afgebroken tot
kortere peptidenketens.
Door zijn specifieke aminozuursamenstelling (elk derde aminozuur is glycine, de rest bestaat
voornamelijk uit hydroxyproline en proline) komt collageen voor als driedubbele helix. Deze
structuur wordt in stand gehouden door waterstofbruggen tussen de aminozuren aan de
binnenkant van de helix.
Als aan de gelatine heet water wordt toegevoegd, zullen de waterstofbruggen verbroken
worden en bevinden de peptidenketens zich los van elkaar in de gelatineoplossing. Wanneer
de oplossing afkoelt worden de waterstofbruggen opnieuw gevormd, maar de drievoudige
helix structuur kan zich niet meer perfect vormen. Er ontstaat een groot netwerk van aan
elkaar gebonden peptidenketens, met daartussen holten waarin water wordt vastgehouden.
Hierdoor ontstaat een vaste gel.
Sommige fruitsoorten bevatten van nature proteasen, enzymen die proteïnen splitsen door
middel van hydrolyse. Wanneer deze inwerken op de peptidenketens van gelatine, worden
deze verder afgebroken tot aminozuren of zeer korte peptidenketens, die minder of niet meer
in staat zijn om een gel te vormen.
Door het sap van enkele vruchtensoorten toe te voegen aan gelatineoplossing, onderzoeken
we welke van deze vruchten proteasen bevatten. Als het sap proteasen bevat, zal het ervoor
zorgen dat de gelatineoplossing trager of helemaal niet stolt.
We onderzoeken ook het effect van denaturatie op de werking van de proteasen, door de
vruchten te verhitten en de gelatineproef te herhalen met het sap van de gekookte vrucht. We
bekijken ook geconserveerde vruchten om na te gaan of er denaturatie heeft plaatsgevonden.
1) Verse vruchten
Werkwijze:
We onderzoeken het sap van de volgende vruchtensoorten: kiwi, mango, vijg, ananas, appel
en sinaasappel, en ook van gemberwortel.
36

37. We persen het sap uit de vruchten, filteren het zo dun mogelijk en vangen het op in een
reageerbuis. Ondertussen maken we een gelatineoplossing door gelatinepoeder toe te voegen
aan heet water.
We brengen
in elke
reageerbuis 5 milliliter gelatineoplossing, en voegen hierbij 0,5 milliliter vruchtensap. We
maken ook een reageerbuis waar we niets aan toevoegen, en één waar we 0,5 milliliter water
aan toevoegen. We brengen de reageerbuizen vervolgens in een warmwaterbad van ongeveer
37°C. We laten de enzymen inwerken gedurende 15 minuten, en plaatsen de reageerbuizen
vervolgens in de koelkast. Nu meten we hoe lang het duurt tot de gelatineoplossing eventueel
stolt.
37

38. Metingen:
Naam Vrucht Tijd tot stolling
Blanco 15,17 s
Sinaasappel 16,08 s
Appel 16,23 s
Mango 17,18 s
Water 18,03 s
Vijg 24,22 s
Kiwi Geen stolling
Gember Geen stolling
Ananas Geen stolling
Waarneming:
Na de blanco oplossing stollen eerst appel en sinaasappel, even later stollen ook de mango en
het water. Enkele minuten later stolt ook de reageerbuis met vijgensap. De reageerbuizen met
kiwi, gemberwortel en ananas stollen niet.
Besluiten:
Appels en sinaasappels bevatten geen proteasen. Mango’s bevatten misschien proteasen,
vijgen bevatten een kleine hoeveelheid proteasen, en kiwi’s, gemberwortels en ananassen
bevatten grote hoeveelheden proteasen. Het feit dat de controlebuis waar we water aan
toevoegden later stolt dan die met vruchtensap zonder proteasen, kan verklaart worden
38

39. doordat de aanwezigheid van andere grote moleculen in het vruchtensap de coagulatie
vergemakkelijkt. De blanco controlebuis stolt het snelst omdat de concentratie aan gelatine
daar het hoogst is.
Extra meting:
Om te controleren of mango’s wel degelijk een kleine hoeveelheid proteasen bevatten
herhalen we de proef, maar nu met een veel grotere hoeveelheid sap, en een langere
inwerktijd in het warmwaterbad. Als ze proteasen bevatten, zou dat nu duidelijker tot uiting
moeten komen.
Vorige meting Nieuwe meting
17,18 s 26,40 s
Besluit:
Mango’s bevatten inderdaad een kleine hoeveelheid proteasen.
2) Gekookte vruchten
We herhalen de vorige proef, maar nu enkel met de vruchten die de stolling tegengingen of
vertraagden: vijg, kiwi, gemberwortel en ananas. We koken deze vruchten, met uitzondering
van ananas, waarvoor we geconserveerde ananas gebruiken.
Metingen:
Naam Vrucht Tijd tot stolling
Blanco 13,51 s
Kiwi 14,47 s
Gember 14,51 s
Ananas 14,53 s
Vijg 14,56 s
Water 18,17 s
Waarnemingen:
Alle reageerbuizen met vruchtensap stollen op hetzelfde moment, tussen de blanco
controlebuis en die met water.
39

40. Besluiten:
Bij het koken van de kiwi, gember en vijg zijn alle proteasen volledig gedenaturaliseerd,
waardoor er geen stolling meer plaatsvindt. Ook de proteasen in ananas zijn tijdens het
conserveringsproces volledig gedenaturaliseerd.
VI. Bronvermelding
Cursussen:
Biologie, K. Goubert
Chemie, Y. Buelens
40

41. Boeken:
Het ABC van het DNA: Mens en erfelijkheid. Peter Marynen en Siska Waelkens, Davidsfonds,
Leuven
Sites:
http://www.bioplek.org/inhoudpracticum.html
http://mcdb-webarchive.mcdb.ucsb.edu/sears/biochemistry/
http://www.ebi.ac.uk/intenz/index.jsp
http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/enzymes/
http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/MACiE/
http://www.sigmaaldrich.com/life-science/metabolomics/enzyme-explorer.html
http://ull.chemistry.uakron.edu/genobc/Chapter_20/
http://ull.chemistry.uakron.edu/genobc/periodic/
http://www.kintek-corp.com/index.shtml
http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2004/
http://www.mapsenzymes.com/History_of_Enzymes.asp
http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/E/Enzymes.html
http://www.worthington-biochem.com/IntroBiochem/default.html
http://www.rsc.org/education/teachers/learnnet/cfb/enzymes.htm
http://www.chem4kids.com/files/bio_enzymes.html
http://www.brenda-enzymes.org/
http://www.wisegeek.com/what-are-enzymes.htm
http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/570enzymes.html
http://www.biologyinmotion.com/minilec/wrench.html
http://highered.mcgraw-
hill.com/sites/0072495855/student_view0/chapter2/animation__how_enzymes_work.html
http://www.bioplek.org/kaarten/kaartenenzymen.html
http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/R/Ribozymes.html
http://www.rsc.org/Publishing/eBooks/2007/9780854042531.asp
http://www.hhmi.org/news/ribozyme.html
http://home.scarlet.be/~eb024464/Voeding/Eiwitten/aminozuren1.htm
http://www.gymnasium-apeldoorn.nl/content/bestanden/eiwittendna_en_rna.pps?
AdminoSessieId=762fad405f3776ba3128fe240be2d7be
http://www.cryst.bbk.ac.uk/pps97/course/index.html
http://202.114.65.51/fzjx/wsw/website/mit/lm/proteins/aa/aminoacids.html
http://www.johnkyrk.com/DNAanatomy.html
http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/C/Codons.html
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8811175#
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2978458
http://pubs.acs.org/cen/topstory/8021/8021notw1.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Ornithine
http://www.statemaster.com/encyclopedia/Pyrrolysine
http://www.worthington-biochem.com/IntroBiochem/factors.html
http://www.lpscience.fatcow.com/jwanamaker/animations/Enzyme%20activity.html
http://academic.brooklyn.cuny.edu/biology/bio4fv/page/enz_and.htm
http://www.chemeddl.org/collections/tsts/gellman/Gellmanpg9-12/Primary9to12.html
http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/571lockkey.html
http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/P/PrimaryStructure.html
http://wiz2.pharm.wayne.edu/biochem/prot.html
http://www.hcc.mnscu.edu/chem/V.27/index.html !!!!!
http://www.cryst.bbk.ac.uk/PPS95/course/7_tertiary/glob_enz.html
http://www.cryst.bbk.ac.uk/PPS2/course/section3/sheet.html !!!
http://www.daviddarling.info/encyclopedia/F/fibprot.html
http://www.peptideguide.com/solid-phase-peptide-synthesis.html !!!!
http://www.cryst.bbk.ac.uk/PPS95/course/3_geometry/index.html
http://www.articlealley.com/article_31524_23.html
41

42. http://www.anyvitamins.com/enzymes-info.htm
http://hubpages.com/hub/Importance_of_Enzyme_in_the_Body
http://www.healthynewage.com/eorder.html
http://www.enzymestuff.com/digestion.htm#2
http://www.wisegeek.com/what-are-metabolic-enzymes.htm
http://www.housepetmagazine.com/four/Enzymes.htm
http://www.accessexcellence.org/AE/AEC/CC/restriction.php
http://heartdisease.about.com/lw/Health-Medicine/Conditions-and-diseases/Cardiac-Enzymes-and-Heart-
Attacks.htm
http://www.rcsb.org/pdb/static.do?p=education_discussion/molecule_of_the_month/pdb8_1.html
http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/R/RestrictionEnzymes.html
http://www.restoreunity.org/enzymes_aging.htm
http://beta.essortment.com/37124-health-topics-metabolic-enzymes-body.html
http://findarticles.com/p/articles/mi_m0ISW/is_275/ai_n16675814/ !!!
http://www.fasebj.org/cgi/content/full/16/7/653
http://mcb.asm.org/cgi/content/abstract/9/8/3393
http://uhaweb.hartford.edu/BUGL/immune.htm
http://faculty.clintoncc.suny.edu/faculty/michael.gregory/files/bio%20102/bio%20102%20lectures/digestive
%20system/digestive%20system.htm
http://www.cliffsnotes.com/study_guide/Six-Types-of-Enzyme-
Catalysts.topicArticleId-24998,articleId-24970.html
http://www.biology-online.org/biology-forum/about472.html
http://class.fst.ohio-state.edu/FST822/lectures/Denat.htm
http://www.cartage.org.lb/en/themes/sciences/lifescience/generalbiology/biochemistry/Enzymes/Classification/C
lassification.htm http://www.gezondheid.be/index.cfm?fuseaction=art&art_id=400
http://www1.lsbu.ac.uk/biology/enztech/detergent.html
http://enzymes.me.uk/enzyme/enzymes-in-industry
http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/
http://www.chemieforum.nl/forum
www.kennislink.nl
www.wikipedia.com
Tijdschriften:
www.exploremagazine.nl
www.nature.com
Andere publicaties:
Enzymen: In je lijf en in je leven, Vlaams Instituut voor Biotechnologie, inforeeks een kijk op
biotechnologie, nr. 8
Assistenten:
Julie Florkin en Nicholas Kuppens
Software:
http://pymol.org/
http://mcdermott.chem.columbia.edu/biophys/Lab_PDB_Visualization.html
4242424242424242
42