Hoe maken enzymen van ons lichaam één levend lab?

8 minuten leestijd

Hoe maken enzymen van ons lichaam één levend lab?

Dna

Je leest nu

Hoe maken enzymen van ons lichaam één levend lab?

    • Deel op

    • Gekopieerd
  • 7
  • 879

Het verteren van je voeding, het bestrijden van ziektes, het herstellen van beschadigd DNA en de verspreiding van kanker; bij al die processen zijn enzymen betrokken. Ze maken van je lichaam een levend lab. Hoe werkt de chemie van enzymen? En hoe hebben we ze eigenlijk ontdekt?

Samengesteld door Marie-Anne Zuidhof - De Kennis van Nu

Hoe werken enzymen?

Enzymen zijn eiwitten die chemische reacties in je lichaam tot stand brengen. Je zou kunnen zeggen dat je lichaam in feite een soort levend laboratorium is, waar continu van alles gaande is. De cellen in je lichaam communiceren doorlopend met elkaar. Net als in een echt lab heeft je lichaam ook stoffen nodig om scheikundige processen op gang te kunnen brengen. Enzymen nemen die rol op zich.

Enzymen versnellen de vorming van bepaalde stoffen in je lichaam, maar kunnen die stofjes ook weer slopen. Daar ondervinden ze zelf geen schade van. Ze zorgen bijvoorbeeld voor een deel van de vertering van zetmeel.

Enzymen worden daarnaast ook massaal gebruikt voor de productie van medicijnen, voedingsbestanddelen en andere producten. Soms leidt dat tot ophef. In de jaren zeventig is, er met de intrede van  enzymatische wasmiddelenIn veel soorten wasmiddel worden enzymen gebruikt. Deze enzymen binden zich bijvoorbeeld aan eiwitten, vetten of zetmeel. Hierdoor kunnen vlekken van melk, olie of chocolade goed verwijderd worden.  , zorg over de gezondheid van de huisvrouw.

AVRO's Televizier gaat in 1971 in op de mogelijke risico's van enzymen in wasmiddelen. Is de zorg terecht?

Deel alinea

Hoe werkt de chemie van een enzym?

Enzymen komen in elke cel van het lichaam voor. Het zijn complexe eiwitten, die weer uit aminozuren bestaan. Ze vormen een lang parelsnoer van soms wel honderden aminozuren, in diverse combinaties. In het menselijk lichaam kunnen er 22 verschillende aminozuren aanwezig zijn, waarvan er negen met voeding binnenkomen.

Enzymen verzetten een hoop werk om stoffen te kunnen afbreken. Het uiteindelijke doel hiervan is om eten in zulke minuscule deeltjes af te breken dat de voedingsstoffen via onze maag en de bloedcirculatie uiteindelijk bij de cellen uitkomen. Zonder enzymen zou dit proces heel traag verlopen. Een enzym wordt daarom ook wel een ‘biokatalysator’ genoemd.

Het Klokhuis zoekt uit hoe enzymen in bacteriën en schimmels kunnen overleven.

Deel alinea

Om chemische reacties tot stand te brengen, is er een botsing nodig van een bewegend enzym tegen een eveneens bewegend deeltje dat bij het enzym past. Dat deeltje noemen we het substraat. De botsingskans is afhankelijk van de temperatuur in een cel - bij een mens is dat ongeveer zevenendertig graden.

Lichaamseigen enzymen versnellen weliswaar een chemisch proces, maar dat doen ze niet buiten het lichaam. Hoe zit het dan met het afbreken van etensresten op bijvoorbeeld de vieze vaat? Dat afbraakproces gebeurt met afwasmiddelen en vaatwastabletten, waar kunstmatige enzymen in zijn verwerkt die eiwitten en vetten afbreken.

Deze kunstmatige enzymen worden gemaakt in ‘enzymenfabrieken’, waar veel onderzoek wordt gedaan naar het gebruiken van enzymen voor industriële toepassingen. De onderzoekers kunnen de enzymen niet met het blote oog zien, maar op de foto zie je een weergave van hoe een enzym er ongeveer uitziet.

Hoe werkt de sloopkogel van een enzym?

Achter onze lippen bevindt zich een wildgroei aan amylase-enzymen, geproduceerd door speekselklieren. Deze enzymen zorgen ervoor dat ketens van koolhydraten in ons eten worden omgezet in stukjes suikers. Dat dit zo werkt, kun je zelf testen. Neem maar eens een hapje gekookte rijst in je mond en kauw dat heel lang. Dan merk je dat het steeds zoeter wordt. Dat komt omdat de amylasemoleculen zoeter zijn dan de lange koolhydraten.

Voordat dit afbraakproces begint, moeten de enzymen zich aan een specifiek deeltje binden. Dat gebeurt met het zogenoemde ‘sleutel-slot’-principe. Dit betekent dat een specifiek enzym (het slot) tegen een bepaald deeltje, het substraat, moet opbotsen dat de enige ‘sleutel’ is die past. Zo heeft het enzym dat glucose kan afbreken, een (sleutel)gat precies in de vorm van een glucosemolecuul.

Deel alinea

Zodra het amylase-enzym in een keten van zetmeelmoleculen tegen het passende deeltje aanbotst, valt de sleutel (deeltje) precies in het slot (enzym). Het enzym oefent vervolgens druk op de zwakke schakel waarmee de moleculen worden verbonden, waardoor het deeltje wordt losgeknipt. Op dat moment vindt de daadwerkelijke reactie plaats waarbij het product wordt gevormd. Daarna beweegt het enzym weer verder om tegen het volgende deeltje te botsen, te binden en te breken.

Amylase komt niet alleen voor bij mensen, maar ook bij dieren en planten; in fruitplanten gaat het rijpingsproces daardoor sneller. Bijen gebruiken het om honing te produceren.

Naast de knipfunctie van enzymen zijn er enzymen met een ‘plakfunctie’. Ze koppelen twee moleculen juist aan elkaar. Een mooi voorbeeld hiervan is bij de fotosynthesereactie, die planten nodig hebben om te leven. De energie die nodig is voor de fotosynthese krijgen groene bladeren van zonlicht. Hierdoor kunnen ze suikers aanmaken. De mate van licht bepaalt of er voldoende energietoevoer is en hoe de omzetting van water en kooldioxide naar glucose en zuurstof verloopt.

Hoe verloopt de fotosynthese bij algen? Plantenfysioloog Wim van Ieperen legt het uit.

Wie ontdekt het enzym?

Enzym betekent in het Grieks ‘gist’. In de negentiende eeuw houden verschillende mensen zich bezig met vergisting, dus met enzymen. De Franse chemicus Anselme Payen ontdekt in 1833 het eerste enzym, dat zorgt voor het katalyseren van de afbraak van zetmeel; diastase. Dit betekent ‘scheiding’ en wordt nu amylase genoemd.

Rond 1857 toont de Franse scheikundige Louis Pasteur aan dat gistcellen enzymen ontwikkelen die het alcoholprocedé versnellen. Hij moet dit uitzoeken van Keizer Napoleon III omdat die problemen ondervindt met de alcohol in de wijn en de houdbaarheid van de wijn. Dat laatste komt door bacteriën, die door verhitting (pasteurisatie) verdwijnen.

Louis Pasteur in zijn lab.
Deel alinea

Rond 1897 ontdekt Eduard Buchner, tegen de verwachting in, dat door vergisting van suiker alcoholontwikkeling ontstaat. Die methode wordt nu ook gebruikt bij het brouwen van bier. Het amylase-enzym zit in mout. Door warm water toe te voegen zetten de enzymen de zetmeelmoleculen om in suikers. Vergisting van de suikers doet de rest. Buchner krijgt in 1907 de Nobelprijs voor de scheikunde, voor zijn gistwerk.

Op verzoek van de Franse keizer begint Louis Pasteur een onderzoek naar zieke wijnstokken. Hoe gaat hij daarbij te werk?

Hoe stuurt het menselijk lab de aanmaak van enzymen aan?

Enzymen worden zelf niet afgebroken, maar ze worden wel nauwgezet opgebouwd. Dat wordt eiwitsynthese genoemd, omdat enzymen uit eiwitten bestaan. De aanmaak van enzymen wordt aangestuurd door genetische informatie in het DNA in de lichaamscellen.

Stel, je bent hartstikke neusverkouden. Het taaie, groene slijm in je neus, zit er dan niet voor niets. Het snot beschermt je tegen allerlei binnendringers, dankzij enzymen die het snot zo dik maken dat er minder ruimte is voor bacteriën. Het immuunsysteem zorgt hiervoor door tijdens de verkoudheid witte bloedcellen naar de luchtwegen te sturen. In deze cellen zitten groenkleurige enzymen, waardoor snot groen kleurt.

Deze enzymen worden aangemaakt nadat er ‘contact’ is geweest met het DNA over de behoefte aan enzymen. Ons DNA bevat namelijk genen, die een ‘handleiding’ bevatten voor het aanmaken van specifieke enzymen, eiwitten. Aangezien een eiwit uit lange ketens van aminozuren bestaat, wordt er een ‘eiwitfabriek’ in werking gezet. Dit is het ribosoom, die aminozuren aan elkaar schakelt. Het ribosoom krijgt deze opdracht van ‘boodschappermoleculen’ uit het centrum van een cel. Die moleculen hebben de gen-code op een werkkopie gezet, zodat het ribosoom de aminozuren precies zo kan nabouwen tot een eiwit.

Enzymen spelen een belangrijke rol bij het aanmaken van de hete smaak in een paprika of peper. 

Deel alinea

Spelen enzymen een rol bij kanker?

Enzymen zorgen niet alleen voor de stofwisseling binnen cellen, maar ook voor het groeien en repareren van cellen en weefsel. Daarvoor checken ze het DNA continu en herstellen ze waar mogelijk beschadigd DNA. Er zijn echter ook omstandigheden waarin er iets fout gaat in het DNA, zoals bij kanker. Dat kan een negatief effect op enzymen hebben en dus op onze gezondheid.

Wetenschappers hebben enzymen gevonden die er, met hun katalysatorfunctie, voor zorgen dat kankercellen te snel worden gedeeld. Er zijn ook enzymen gevonden die andere lichaamsdelen alvast inlichten dat er kankercellen door het lichaam worden verspreid, zodat ze ruimte maken. Hierdoor kunnen kankercellen makkelijker uitzaaien. Steeds meer kankeronderzoek is dan ook gericht op het remmen van defecte enzymen.  

Deel alinea

Audiofragment

Geen fruit kunnen eten omdat je enzymen kapot zijn
Nieuws en Co - 7 feb 2017 (4:07 min)

Kanker is algemeen bekend bij mensen, maar dat geldt veel minder voor stofwisselingsziektes, ook wel metabole ziektes genoemd. Bij deze metabole afwijkingen worden stoffen niet goed afgebroken en afgevoerd door enzymen, waardoor giftige stoffen zich ophopen. Hierdoor kunnen de organen zo ernstig beschadigd raken dat iemand kan overlijden. Veel stofwisselingsziekten komen door een genetische afwijking en worden al vlak na de geboorte opgespoord met de hielprik.

Wat kunnen we leren van kunstmatige enzymen?

Ontwikkelingen in de synthetische biologie gaan heel hard. In 2014 zijn er voor het eerst kunstmatige enzymen gemaakt van kunstmatig genetisch materiaal. “Kunstmatige enzymen zouden in de verre toekomst misschien zelfs toegepaste oplossingen kunnen bieden voor het tegengaan van kankersoorten,” vertelt wetenschapsjournalist Bennie Mols in onderstaand fragment.

Hij vertelt ook dat enzymen belangrijk zijn voor het menselijk leven, maar ook voor het begrijpen van het ontstaan van leven; het leven op aarde, maar eventueel ook leven elders in het heelal. Dat het nu mogelijk is om op deze manier enzymen te maken, betekent dat bouwstenen van het leven ook anders in elkaar kunnen zitten dan met DNA zoals wij die kennen.

Deel alinea

Audiofragment

Wetenschapsnieuws met Bennie Mols (kunstmatige enzymen)
De kennis van nu - 2 dec 2014 (3:33 min)

In het kort

  • Enzymen maken bepaalde chemische reacties in ons lichaam mogelijk en versnellen deze, ze hebben onder andere een belangrijke rol bij de spijsvertering. Buiten ons lichaam zijn ze ook te vinden in medicijnen, voeding en wasmiddelen. 

  • Een enzym wordt wel een ‘biokatalysator’ genoemd: een enzym kan in één seconde wel één tot duizend mutaties in een andere stof versnellen.

  • Enzymen helpen bij de vertering van eten door moleculen op te breken. Ze maken bijvoorbeeld (korte) suikers van (lange) koolhydraten. Dit proces komt niet alleen in het menselijk lichaam voor, maar ook bij dieren en planten.

  • In de negentiende eeuw wordt ontdekt dat wijn langer bewaard kan worden door het te verhitten en dat er alcoholontwikkeling ontstaat bij de vergisting van suiker. Bij beide processen zijn enzymen betrokken.

  •  De aanmaak van enzymen wordt aangestuurd door genetische informatie in het DNA in de lichaamscellen. Dit wordt eiwitsynthese genoemd.

  • In enkele gevallen pakt de werking van enzymen niet goed uit. Enzymen spelen bijvoorbeeld een belangrijke rol bij stofwisselingsziektes en ze kunnen er voor zorgen dat kankercellen te snel worden gedeeld.

  • Kunstmatige enzymen geven inzichten over de manier waarop leven op aarde in elkaar zit. In de toekomst zouden ze een belangrijke rol kunnen spelen bij het bestrijden van kanker. 

Deel dit venster

collection

Bètacanon

Bètaonderwerpen waar elke Nederlander iets van af zou moeten weten, met onder meer de oerknal, het periodiek systeem en de kwijlende honden van Pavlov.