Enzymer er stoffer som dannes i levende celler og som setter cellen i stand til å utføre og regulere det tusentall av kjemiske reaksjoner som er nødvendige for dens livsprosesser. Alle enzymer er proteiner. Bare ved hjelp av sine enzymer kan cellene holde stoffskifteprosessene i gang og avpasse deres hastigheter. Enzymer inngår i praktisk talt alle prosesser i en levende celle: Uten enzymer, intet liv. Da den amerikanske romfartsorganisasjonen ville forsøke å finne ut om det er liv på Mars, forsøkte den blant annet å etterspore om det fant sted enzymatiske reaksjoner når «jordbunnen» på Mars ble tilsatt bestemte organiske stoffer.

Enzymene er katalysatorer. En katalysator er i kjemisk forstand et stoff som deltar i en prosess og øker dens hastighet uten selv å bli forbrukt. Katalysatoren gjendannes eller frigjøres uforandret og blir ikke bundet i de produktene som den medvirker til å danne. På samme måte fungerer enzymene i cellen: De er biologiske katalysatorer som katalyserer (fremskynder) cellens stoffskifteprosesser. For eksempel kan man oppbevare rørsukker (sukrose) uforandret i mange år. Men om vi spiser sukker, blir det omdannet til melkesyre i løpet av noen minutter (og videre blir det nedbrutt til karbondioksid og vann). Denne reaksjonen går det ikke an å få til uten enzymer, selv om det teoretisk sett er tenkelig å få det til med uorganisk-kjemiske metoder. Likevel er det viktig å være oppmerksom på at alt enzymer gjør, er å øke hastigheten på prosesser som er teoretisk mulige (kjemikere vil si «prosesser som utvikler fri energi»).

Biologiske katalysatorer er langt mer spesifikke enn uorganiske katalysatorer. Det at de er spesifikke, vil si at de ikke fremmer kjemiske reaksjoner i alminnelighet, men har hvert sitt virkefelt. Noen enzymer er så spesifikke at de bare kan katalysere en bestemt reaksjon i en type av molekyler. For eksempel har enzymet urease ikke noen annen funksjon enn den å spalte urinstoff til ammoniakk og karbondioksid. Det stoffet som et enzym virker på, kalles enzymets substrat, og i dette eksempelet er altså urinstoff substrat for urease, som betegnes som et substratspesifikt enzym. Denne egenskapen ved enzymene er av grunnleggende betydning, for den gjør det mulig for cellen å regulere sitt stoffskifte med den største presisjon. Hver enkelt reaksjon er under spesifikk kontroll, og cellen kan gjennomføre sine prosesser i mange små trinn, som hver for seg bare forbruker (eller frigjør) små energimengder. Mange enzymer er riktignok langt mindre spesifikke. Det gjelder særlig enzymer som utskilles og virker utenfor cellen. Et enzym som for eksempel pepsin, som utskilles i magesekken, kan bryte ned de fleste av de proteinene som opptas med føden.

Enzymene er som alle proteiner bygd opp av aminosyrer, som er knyttet sammen i kjeder. Kjedene er foldet på forskjellig måte ved bindinger mellom atskilte ledd slik at molekylet får en tredimensjonal struktur. Enzymvirkningen skyldes atomgrupper som befinner seg litt under overflaten og der danner såkalte aktive sentra. Substratmolekylene, som i forhold til enzymene er meget små molekyler, tiltrekkes av de aktive sentrene og fastholdes av fysiske eller kjemiske krefter mens de omdannes ved en reaksjon med atomgruppene på stedet. Deretter frigis de igjen. Det er en meget kortvarig prosess, for disse enzymmolekylene arbeider hurtig. De mest langsomme klarer ca. 1000 omdanninger per minutt, mens de hurtigste gjennomfører mange millioner reaksjoner i minuttet.

Ikke alle enzymer er rene proteiner. Metallatomer (jern, kobber, magnesium, sink m.fl.) inngår som nødvendige elementer i en del enzymer, og mange enzymer kan bare fungere i forbindelse med visse andre stoffer som kalles koenzymer og som kan være fast knyttet til enzymet (en såkalt prostetisk gruppe) eller finnes fritt i oppløsning inne i cellen. Koenzymets funksjon er som regel å levere eller motta en atomgruppe som overføres av enzymet. Et av de viktigste koenzymene er adenosintrifosfat (ATP), som er cellens energileverandør. I mange koenzymer inngår et av B-vitaminene, og også C-vitamin fungerer som koenzym. Det er grunnen til at mangel på disse vitaminene kan resultere i alvorlige stoffskifteforstyrrelser.

Det er ikke helt klarlagt hvordan bindingen mellom et enzym og dets substrat etableres, men den avgjørende faktor er overensstemmelse mellom form og størrelse på det aktive senteret og substratet. Opprinnelig forestilte man seg at det aktive senteret var et slags hull i molekylet som substratet passet inn i som en nøkkel i en lås. Så enkelt er det imidlertid ikke. En rekke iakttakelser har ført til at man oppfatter enzymmolekyler som meget plastiske molekyler, som lett deformeres. Og man arbeider nå med en hånd-i-hanske-hypotese som går ut på at det aktive senteret tilpasses under bindingsprosessen i vekselvirkning med substratet, slik at de atomgruppene som skal reagere, orienteres riktig i forhold til hverandre.

Enzymbesetningen til en celle er genetisk bestemt. Alle de enzymene som en celle kan danne, er kodet i genenes DNA, og det er disse enzymoppskriftene cellen gir videre som arveanlegg til sine datterceller når den deler seg. Men skjønt alle celler i en organisme har det samme DNA, har de ikke samme enzyminnhold. Det er særlig mengden av de forskjellige enzymene som varierer fra vevstype til vevstype, slik at man kan skjelne leverceller fra hjerteceller, hudceller fra netthinneceller osv. bare på en enzymanalyse. Den differensieringen av celler i vev og organer som finner sted under fosterutviklingen, skyldes en organisert aktivering og blokkering av genenes enzymuttrykk.

Man kjenner en rekke mekanismer som regulerer enzymuttrykk og enzymaktivitet i cellene. En mekanisme som særlig er av betydning for cellens oppbygging av stoff, er feedback-kontroll. Feedback (tilbakekobling) er et uttrykk som opprinnelig er hentet fra elektronikken, og det betyr i denne sammenheng at produktet virker regulerende tilbake på produksjonen. I cellen er mange enzymer organisert i kjeder eller systemer, slik at substratet føres fra enzym til enzym som på et transportbånd. Feedback-regulering består i at det ferdige stoffet, når det finnes i tilstrekkelige mengder, blokkerer det første enzym i kjeden slik at produksjonen går i stå.

En annen mekanisme, som særlig er iakttatt hos bakterier, kalles enzyminduksjon. Det vil si at et substrat stimulerer produksjonen av et enzym som kan angripe substratet. Hvis man dyrker bakterien Escherichia coli på et medium som ikke inneholder galaktose, finner man bare minimale mengder (2–3 molekyler per celle) av det galaktosespaltende enzym, men få minutter etter at man har tilsatt galaktose til mediet, har cellene tusendoblet produksjonen av enzymet. Produksjonen reduseres like plutselig hvis man igjen fjerner galaktosen fra mediet. Hos de høyere organismer kan særlig cellene i leveren, som inntar en sentral stilling i stoffskiftet, i et visst omfang avpasse sin enzymproduksjon etter de stoffene som tilføres med blodet. For vevscellene for øvrig, som lever i et konstant miljø, spiller enzyminduksjon mindre rolle. Det må også nevnes at mange hormoner utfolder sin virkning ved å stimulere produksjonen av visse enzymer.

Enzymer er meget temperaturfølsomme. Deres effektivitet økes med stigende temperatur, men ved ca. 40 °C, altså få grader over normal kroppstemperatur, begynner de fleste enzymer å denatureres (forandres). Ved denatureringen brister de svake bindingene som gir molekylene deres romlige struktur. De deformeres og mister sine katalytiske egenskaper.

Generelt kan man anta at enzymer i menneskekroppen virker best ved normal temperatur (37 °C), og dessuten har en reservekapasitet som kommer til uttrykk ved temperaturforhøyelse (37–38 °C) og feber (over 38 °C). Ved en høyere kroppstemperatur forløper kroppsprosessene altså raskere. Dette er gunstig for den naturlige bekjempelse av sykdomsprosesser. Høy feber er imidlertid mindre gunstig, fordi den fører til en forstyrrelse av den innbyrdes likevekten mellom prosessene.

Miljøets surhetsgrad er også av avgjørende betydning for effektiviteten til enzymene. De fleste enzymene er stabile bare i et snevert område omkring nøytral reaksjon (pH 7), men det er store og karakteristiske forskjeller mellom de enkelte enzymene. Forskjellene svarer til at enzymene skal fungere i miljøer med vidt forskjellig surhetsgrad. Peptidasene, som virker i den sterkt sure magesaften, er mest effektive i et pH-intervall mellom 1,5 og 4.

En lang rekke giftstoffer virker på den måten at de hemmer eller ødelegger enzymer. Tungmetaller som f.eks. sølv, kvikksølv og bly er giftige, fordi de deformerer visse enzymer ved å binde seg til atomgrupper utenfor molekylets aktive sentra. Andre gifter kan forene seg med metallatomene i metallholdige enzymer. Hydrogencyanid (blåsyre) angriper f.eks. et av cellenes jernholdige respirasjonsenzymer, slik at organismen dør av en slags indre kvelning.

En spesiell form for enzymhemming er konkurransehemming. Da blir enzymet satt ut av funksjon av et stoff som ikke kan fungere som substrat, men som ligner substratet så meget at det kan besette de aktive sentrene hos enzymet. På den måten blokkeres også den stoffskifteprosessen som enzymet inngår i. Dette fenomenet spiller en meget viktig rolle i legekunsten; bruken av sulfonamider og visse antibiotika baserer seg på dette. Sulfonamidfølsomme bakterier er bakterier som bruker paraaminobenzosyre (et mellomprodukt i oppbyggingen av en folsyre) som råstoff til sin oppbygging av folsyre. Sulfanilamid og andre sulfonamider har så stor strukturlikhet med paraaminobenzosyre at de kan beslaglegge det enzymet som bruker paraaminobenzosyre, og på den måten bremse folsyresyntesen. Trimetroprim virker også ved å konkurrere i enzymprosesser, og det stoffet det konkurrerer med, er selve folsyren. På den måten kan det ramme bakterier som er motstandsdyktige mot sulfonamider, ved å bremse prosessen der folsyre inngår som koenzym.

Enzymanalyser av blodprøver brukes i stigende grad som diagnostisk hjelpemiddel, særlig i forbindelse med lidelser i hjerte, lever, galleblære og bukspyttkjertel, dessuten ved visse blod- og muskelsykdommer og ved visse svulstformer. Metoden bygger på at det ved skader i cellene i de angrepne organer avgis karakteristiske enzymer til blodet. For eksempel finner man en forhøyet konsentrasjon i blodet av enzymet aspartat-aminotransferase (ASAT) ved hepatitt og hos pasienter som har hatt et hjerteanfall med skader i hjertemuskulaturen (infarkt). Et annet enzym av samme art, alanin-aminotransferase (ALAT), finnes fortrinnsvis i leverceller og er derfor forhøyet ved leverlidelser, men ikke ved hjerteinfarkt. Mange enzymer finnes i litt forskjellige former (såkalte isoenzymer). De har samme virkning, men forekommer i varierende og karakteristiske konsentrasjoner i forskjellige organer. Det gjelder f.eks. laktatdehydrogenase (LDH), som opptrer i fem forskjellige former. LDH 1 og 2 er forhøyet i blodet ved hjerteinfarkt og ubehandlet pernisiøs anemi, mens LDH 5 dominerer ved lever- og muskellidelser. Man kan også nevne en enzymgruppe som kalles fosfataser. De basiske fosfataser kan være forhøyet ved forskjellige lidelser i lever, lunger, bukspyttkjertel og knokler, mens de sure fosfataser (og særlig en gruppe som kalles tartratfølsomme fosfataser) opptrer i sterkt forhøyet konsentrasjon ved kreft i prostata (blærehalskjertelen).

En lang rekke arvelige stoffskiftelidelser skyldes defekter i enzymsystemet. Man kjenner over 400 lidelser av denne art, og for opp mot 40 % av dem har man identifisert det defekte eller manglende enzym. Det dreier seg om sjeldne sykdommer, og som eksempel skal bare nevnes to av dem som forekommer oftest: fenylketonuri (Føllings sykdom) og galaktosemi. Fenylketonuri skyldes mangel på et enzym som nedbryter aminosyren fenylalanin, og denne sykdommen behandles med en diett som bare inneholder den absolutt nødvendige mengden av fenylalanin (denne aminosyren kan ikke unnværes helt). Årsaken til galaktosemi er mangel på et enzym som nedbryter galaktose (en sukkerart som finnes i melk), og denne sykdommen behandles lett ved at man helt utelukker galaktose (dvs. melk og melkeprodukter) fra pasientens kost. Mange av de arvelige stoffskiftelidelsene kan nå behandles ved at man tilfører eventuelle manglende stoffer eller fjerner eventuelle giftstoffer som hoper seg opp i pasientens organisme. Men den fundamentale årsak til lidelsene, nemlig enzymdefekten i cellene, kan man ennå ikke avhjelpe.

Menneskene har utnyttet enzymene i husholdningen så langt tilbake som historien går. Gjærsopper finnes overalt, og man lærte seg tidlig å bruke gjærsoppenes enzymer i form av surdeig (gjæret deig) til fremstilling av brød. Gjærsoppenes evne til å forvandle plantesafter til vin og øl er også en av de eldste oppdagelser menneskeheten har gjort. Det gamle ord for enzym, ferment, kommer av det latinske ord fermentum, som betyr gjæring. Betegnelsen enzym, som ble innført i 1878, har samme betydning.

Det vitenskapelige studiet av enzymene kom først i gang omkring midten av forrige århundre, og det tok fart da man ble klar over enzymenes universelle rolle som biologiske katalysatorer. En anelse om at enzymene var proteinstoffer, ble bekreftet i 1926, da det lyktes å fremstille urease i krystallinsk form. Siden da har man fått kjennskap til et par tusen stoffer med enzymvirkning, og dette tallet vil sannsynligvis bli mangedoblet i de kommende årene. I dag kan man, etter at det humane genom ble kartlagt, se at det finnes et meget stort antall gener som koder og som synes å kunne kode for proteiner. Bruken av enzymer i medisin og kjemisk industri vil stadig øke.

Visse stoffer, som tidlig ble identifisert som enzymer (fordøyelsesenzymer som pepsin og chymotrypsin), betegnes fremdeles med sine opprinnelige navn. Men det voksende antall stoffer har gjort det nødvendig å innføre en systematisk navngiving, og den utvidede innsikt i enzymenes funksjon har gjort det mulig å stille opp en klassifikasjon. I dette systemet er enzymene fordelt på seks hovedgrupper etter arten av den reaksjon som de katalyserer, og innenfor hovedgruppene er de fordelt i undergrupper og undergruppers undergrupper, som spesifiserer substrat- og reaksjonstype. Enzymene får et kodenummer etter desimalklassesystemet og forsynes dessuten med et systematisk beskrivende navn som skal ende på -ase. De seks hovedgruppene er: oksidoreduktaser, transferaser, hydrolaser, lyaser, isomeraser og ligaser.

Enzymer dannes av levende planter og dyr, men er selv døde stoffer. I prinsippet er det mulig å lage enzymer også på kunstig måte, men på grunn av praktiske vanskeligheter er bare ett eneste enzym hittil blitt fremstilt helt utenfor levende celler. Da enzymer er svært nyttige redskaper innenfor kjemien, har man forsøkt å finne metoder til å fremstille enzymer i stor stil. Dette er mulig på flere måter:

1) ved å isolere enzymer fra planter og dyr,

2) ved å la mikroorganismer (bakterier og sopp) utskille enzymene (mikrobiologisk fremstilling), og

3) ved rekombinant DNA- (og cDNA-) teknikk.

Mikrobiologisk fremstilling er i de senere år blitt sterkt utviklet, og i dag blir store mengder enzymer produsert fabrikkmessig for anvendelse på mange forskjellige områder. Man må da først og fremst ha rådighet over en mikroorganisme som produserer det ønskede enzym. Som regel går man ut fra såkalte ville stammer av mikroorganismer som forekommer i naturen. Deretter blir bakterien dyrket på et fast næringsgrunnlag (f.eks. agar-agar) eller i en flytende oppløsning av næringsstoffer. Hvis næringsgrunnlaget inneholder de riktige stoffene og en del andre betingelser (bl.a. temperaturen) er oppfylt, vil bakterien formere seg, og på denne måten oppstår det etter en tid kolonier av bakterier. Prosessen med å la bakterier eller gjærsopper produsere enzymer (eller andre proteiner) er raffinert ytterligere ved å føre inn «DNA-biter» i bakteriene (ved hjelp av vektorer), dyrke opp bakteriene i stort antall og isolere enzymet fra bakteriemediet. Forskjellige raffinementer over denne tilnærming har i dag fått stor kommersiell interesse (se bioteknologi). Med kjemiske metoder kan man så fastslå om vedkommende bakterie produserer det ønskede enzym. Et slikt enzym må oppfylle en mengde krav. Det må bl.a. ikke virke sykdomsfremkallende på mennesker eller dyr, og ikke inneholde giftige biprodukter.

Enzymer som fyller alle de betingelser som stilles, finner anvendelse bl.a. i osteproduksjon, smaksforbedring av melkeprodukter, sirupproduksjon, og etter hvert ikke minst i behandling av sykdom (som f.eks. ved oppløsning av blodpropp i hjertet med fibrinolytisk vevsaktivator (tissue plasminogen activator og streptokinase)). Enzymer brukes også til å fjerne hårene på huden ved lærbehandling og som bestanddel i såkalte biologiske vaskemidler. Mange vaskemidler tilsettes proteinspaltende enzymer (proteaser). Ideen bak dette er at proteiner forårsaker flekker som er vanskelige å fjerne, og som enzymene så skal løsne fra tekstilene. I varmt vann kan fett lett fjernes av alminnelige vaskemidler, men vasketemperaturen er vanligvis ugunstig for fjerning av proteiner, da disse klumper seg sammen (koagulerer) og blir sittende enda bedre fast.

Et problem ved slik bruk er at det av og til opptrer overfølsomhet (allergiske reaksjoner) hos personer som kommer i kontakt med vasken eller vaskevannet. Det er iakttatt temmelig alvorlige plager hos arbeidere i fabrikker som produserer slike vaskemidler. Sykdommen gir seg som regel tydeligst til kjenne om kvelden og natten, og ytrer seg ved pesing, hosting og tretthet. Når man ikke lenger utsettes for stoffene, blir man frisk, men noen ganger først etter flere uker eller måneder. Hudreaksjonsprøver har vist at det ofte er forurensninger i enzymproduktet som forårsaker overfølsomhetsreaksjoner. Bedriftshelsetjenesten er i dag ytterst påpasselig når disse symptomene opptrer, og når det gjelder overholdelse av de spesielle sikkerhetstiltakene ved slike bedrifter.

Foreslå endring

Kommentarer

Har du spørsmål til artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.