Mogelijke examenvragen enzymen en biokatalyse (Thema 2)
1) Invloed van parameters op de v (snelheid) van reactie
Er zijn diverse factoren die de snelheid van een enzymatische reactie beïnvloeden,
waaronder de concentratie van het substraat, de concentratie van het enzym, de pH, de
temperatuur en de aanwezigheid van activatoren of remmers. Elk van deze vijf factoren
oefent afzonderlijk een unieke invloed uit op de reactiesnelheid. De snelheid van de
enzymatische reactie kan wiskundig worden weergegeven als v = v max * S / (S + Km).
1. Substraatconcentratie:
Bij de substraatconcentratie kunnen we drie verschillende situaties onderscheiden:
a) Zeer lage substraatconcentratie:
In deze situatie, wanneer de substraatconcentratie veel kleiner is dan de concentratie bij
Km, kan worden geconcludeerd dat de term in de noemer verwaarloosbaar is. Hierdoor
kan de vergelijking worden vereenvoudigd tot v = vmax * S/Km. Dit lineaire verband blijft
behouden als de substraatconcentratie constant blijft en veel kleiner is dan Km (<<< 10-2
Km).
b) Zeer hoge substraatconcentratie:
Wanneer de substraatconcentratie veel groter is dan de concentratie bij Km, is er een
limiet bereikt waarbij de enzymen niet in staat zijn om al het aanwezige substraat
tegelijkertijd om te zetten. In deze situatie kan de snelheid worden geschreven als v =
vmax. Het is duidelijk te zien dat de snelheid van de reactie nu ONAFHANKELIJK is van de
substraatconcentratie (>>> 102 Km).
c) Substraatconcentratie = Km-waarde:
Bij deze situatie is de concentratie van het substraat zodanig dat de reactiesnelheid
precies de helft is van de maximale enzymatische reactiesnelheid. Hieruit kan worden
afgeleid dat v = vmax/2. De Km-waarde en dus de substraatconcentratie bij de helft van
de maximale reactiesnelheid verschilt per enzym, maar ligt meestal tussen (10-1 en 10-
6M). Een hoge Km-waarde betekent dat [ES] (enzym-substraatcomplex) klein is, wat wijst
op een lage affiniteit van het enzym voor het substraat. Een lage Km-waarde betekent
dat [ES] groot is, wat wijst op een hoge affiniteit van het enzym voor het substraat.
2. Enzymconcentratie:
De reactiesnelheid is recht evenredig met de enzymconcentratie, op voorwaarde dat het
substraat in overmaat aanwezig is. Twee enzymmoleculen zetten, in dezelfde tijd en
onder dezelfde omstandigheden, twee keer zoveel substraatmoleculen om als één
enzymmolecuul.
,3. pH:
De snelheid van de biologische reactie wordt sterk beïnvloed door de pH. Kleine
veranderingen in pH kunnen een drastische afname van de reactiesnelheid van het
enzym veroorzaken. Er zijn enkele uitzonderingen, zoals pepsine in de maag, die bij
extreem lage pH-waarden werken. De sterke pH-afhankelijkheid van enzymen wordt
veroorzaakt door de ionisatie van eiwitten bij lage pH-waarden, wat leidt tot verlies van
activiteit.
4. Temperatuur:
De snelheid van een enzymatische reactie neemt sterk toe bij toenemende temperatuur,
volgens de Arrhenius-vergelijking. De snelheid v neemt exponentieel toe met de
temperatuur. Echter, een stijging in temperatuur gaat gepaard met fouten, aangezien
een temperatuurverschil van 1°C al kan leiden tot een foutmarge van 10%. De optimale
werktemperatuur is meestal rond 40°C, aangezien denaturatie optreedt bij
temperaturen vanaf 50°C.
5. Activatoren of remmers:
Reacties kunnen versneld worden door positieve effectoren of activatoren, terwijl
negatieve effectoren of remmers de reactiesnelheid vertragen. Activatoren versterken
de katalytische werking van het enzym, terwijl remmers de katalytische activiteit van het
enzym verminderen of vernietigen door eraan te binden. Zowel organische als
anorganische stoffen kunnen dienen als activatoren of remmers.
,2) Betekenis van MM kinetiek : betekenis van vmax en KM
De Michaelis-Menten-kinetiek is een model dat gebruikt wordt om de snelheid van
enzymatische reacties te beschrijven. Het model is gebaseerd op de aanname van een reactie
tussen een enzym (E) en een substraat (S) om een enzym-substraatcomplex (ES) te vormen,
gevolgd door de omzetting van het complex naar producten (P) en het vrijkomen van het
enzym.
In dit model zijn er twee belangrijke parameters: Vmax en KM.
Vmax (maximale reactiesnelheid):
Vmax is de maximale snelheid waarmee een enzymatische reactie kan plaatsvinden wanneer
het substraat in overmaat aanwezig is. Het vertegenwoordigt het punt waarop alle enzymen
verzadigd zijn met substraat en op hun maximale capaciteit werken. Bij hogere
substraatconcentraties zal de snelheid niet verder toenemen, omdat alle enzymen al volledig
bezet zijn. Vmax is dus een maat voor de enzymatische activiteit en wordt vaak uitgedrukt in
mol product per tijdseenheid.
KM (Michaelis-constant):
KM is een maat voor de affiniteit van een enzym voor zijn substraat. Het vertegenwoordigt
de substraatconcentratie waarbij de reactiesnelheid de helft van de maximale snelheid
(Vmax/2) bereikt. Een lage KM-waarde duidt op een hoge affiniteit van het enzym voor het
substraat, wat betekent dat het enzym effectief substraat kan binden, zelfs bij lage
concentraties. Een hoge KM-waarde duidt daarentegen op een lagere affiniteit, waarbij
hogere substraatconcentraties nodig zijn om de helft van de maximale snelheid te bereiken.
KM wordt uitgedrukt in mol per volume-eenheid.
De verhouding tussen de substraatconcentratie ([S]) en KM bepaalt de snelheid van de
reactie volgens de Michaelis-Menten-vergelijking:
v = (Vmax * [S]) / (KM + [S])
Deze vergelijking illustreert het verband tussen de snelheid van de reactie (v), de maximale
snelheid (Vmax), de substraatconcentratie ([S]) en de Michaelis-constant (KM).
In het MM-model is Vmax een maat voor de katalytische capaciteit van het enzym, terwijl
KM de affiniteit van het enzym voor het substraat weergeeft. Deze parameters zijn essentieel
bij het begrijpen van de kinetiek van enzymatische reacties en kunnen gebruikt worden om
het gedrag van enzymen te karakteriseren en te vergelijken.
, 3) De verschillende types inhibitoren – kinetiek eigenschappen in vergelijking met een normale
M-M kinetiek (wat doet Vmax , wat is KM? In elke inhiberende situatie)
Er zijn drie verschillende soorten inhibitoren die de bemangrijkste zijn om te bespreken:
compititieve inhibitie, non-competititieve inhibitite en oncompetititeve inhibitie.
Hieronder vindt u de herziene tekst met de gewenste structuur en verbeteringen:
1. Competitieve inhibitie: (Km↑ vmax =)
Bij competitieve inhibitie kan de inhibitor aan dezelfde plaats binden als het substraat op
het enzym. Dit komt doordat de inhibitor structureel verwant is aan het substraat, wat
resulteert in concurrentie binnen het substraat-enzym systeem. De reactievergelijking
kan nu als volgt worden geschreven:
V = (vmax * S) / (Km * (1 + [I]/KI) + S).
Bij hoge concentraties inhibitor zal de snelheid van de reactie afnemen en dus minder
product vormen. Echter, bij hoge concentraties substraat zal de inhibitor uit het enzym-
inhibitorcomplex worden verdrongen en krijgt het substraat de overhand.
Effect op Km: Km ↑, omdat er meer substraat nodig is om de helft van de maximale
snelheid te bereiken.
Effect op Vmax: Vmax blijft gelijk! Grotere concentraties substraat duwen de inhibitor uit
het complex, waardoor de competitieve inhibitie kan worden opgeheven zonder invloed
op de maximale enzymatische snelheid.
2. Niet-competitieve inhibitie: (Km = vmax ↓)
De inhibitor bindt niet aan de substraatbindingsplaats van het actieve centrum, maar aan
een andere locatie. Er worden twee vormen onderscheiden: zuivere niet-competitieve
inhibitie en gemengde niet-competitieve inhibitie.
2.1. Zuivere niet-competitieve inhibitie:
Bij zuivere niet-competitieve inhibitie bindt de remmer zich aan zowel het enzym-
substraatcomplex (ES) als het vrije enzym (E), maar op een andere bindingsplaats dan het
substraat. De bindingsplaats van de inhibitie overlapt niet met die van het substraat.
Hierdoor wordt de enzymatische activiteit geremd zonder dat de bindingsaffiniteit voor
het substraat wordt beïnvloed. De inhibitie kan zowel tijdens de vorming van het enzym-
substraatcomplex als tijdens de omzetting ervan optreden. De binding van de inhibitie
verandert de conformatie van het enzym, wat resulteert in verlies van enzymatische
activiteit. Zowel de maximale reactiesnelheid (Vmax) als de Michaelis-constante (Km)
kunnen veranderen bij zuivere niet-competitieve inhibitie.
Effect op Km: Km blijft gelijk!!! De binding van de inhibitor heeft geen invloed op de
affiniteit van het enzym voor het substraat omdat deze op een andere locatie bindt dan
de inhibitor.
Effect op Vmax: Vmax ↓ omdat het product niet kan worden gevormd of langzamer
wordt gevormd wanneer de inhibitor is gebonden. Een toename in substraatconcentratie
heft deze inhibitie niet op. Alleen het losmaken van de inhibitor van het enzym kan de
inhibitie opheffen.
