Een goed glas wijn met een stokbroodje franse kaas. Zonder enzymen zouden wij dat genot niet kennen. Het moeten magische ontdekkingen zijn geweest: een drupje van de inhoud van een kalfsmaag deed melk veranderen in kaas, vergistende druiven verwerden tot tongstrelende wijn en geconcentreerd bakkersgist hielp een plak deeg rijzen tot luchtig en smaakvol brood.
Wat zulke veranderingen veroorzaakt werd pas eind 19de eeuw duidelijk. Toen kreeg Louis Pasteur van Keizer Napoleon III de opdracht een oplossing te vinden voor het bederven van wijn tijdens export naar het buitenland. Dat zette hem ertoe aan alle processen in het wijnvat uit te zoeken tot op de bodem: en daar trof hij een weelderige culture van micro-organismen aan. Het werd Pasteur duidelijk dat deze zowel de alcoholische vergisting als de minder gewenste vorming van azijn verklaarden. De observatie werd later gepreciseerd: door gistcellen uitgescheiden stoffen veroorzaken de alcoholvorming. Stoffen met zulke toverachtige werking kregen de naam enzym, Grieks voor ‘in gist’.
Een enzym katalyseert chemische reacties: het versnelt een proces dat van zichzelf zeer traag verloopt, maar neemt er zelf geen deel aan. Gas uit het fornuis ontbrandt niet vanzelf, maar met een lucifertje is de ‘activeringsenergie’ geleverd en staat het vuur blijvend aan. In analogie verlopen de processen in een levend organisme niet zomaar vanzelf, maar worden door enzymen op gecontroleerde wijze begeleid.
Enzymen zijn complexe eiwitten, gespecialiseerd in specifieke chemische taken binnen de cel: verbranding van energierijke koolwaterstoffen, intact houden van de infrastructuur, afvoer van afvalstoffen en veel meer. Een legioen van duizenden soorten handhaaft zo de hoge graad van organisatie in de levende cel. Als uw enzymen een minuut collectief zouden staken, zou u per direct levenloos omvallen. Leven valt of staat dus met enzymen. Sterker nog, het ontstaan van leven in de oersoep van biljoenen jaren geleden wordt herleid tot het eerste molecuul dat zichzelf door middel van enzymwerking kon kopieren.
Hoe werkt een enzym? Ter illustratie beschouwen we het huzarenstukje van het enzym amylase, dat in speeksel voorkomt en het ketenvormige zetmeel afbreekt tot afzonderlijke suikers. Een speurend amylase stuit op zijn slachtoffermolecuul zetmeel en bindt daaraan als in een innige omhelzing. Maar vervolgens verkiest amylase een andere houding en forceert zo een wurggreep. Daarbij richt het enzym zijn elektrisch geladen ledematen op de beoogde zwakke plek van het slachtoffer. De elektronen die daar de atomen van het zetmeelmolecuul bij elkaar houden worden door de lading uit het lood geslagen en zo bezwijkt een schakel in de zetmeelketen; één suikertje is losgeknipt.
Volgens een vergelijkbaar principe kunnen andere enzymen juist nieuwe bindingen smeden door de koppen van twee slachtoffermoleculen bij elkaar te steken. We spreken dan van synthese. Een voorbeeld is glycogeensynthase, een enzym uit de lever dat suikers voor reserve opslaat in de vorm van lange suikerketens (glycogeen). Door beide suikers aan zich te binden vergroot glycogeensynthase de kans dat de twee tegen elkaar opbotsen en een binding aangaan.
Tot zover het voorbeeld van suiker als object voor enzymatisch opbouwen en afbreken. Maar hoe komt nu een enzym als amylase zelf tot stand? Het antwoord op deze vraag is eiwitsynthese en gaat wéér over enzymen. We beginnen in de keuken. U hebt een boterham met kaas klaargemaakt en het water staat u in de mond. Speekselkliercellen in uw mond hebben tot taak amylase aan het speeksel af te geven. Wil een kliercel dit enzym vervaardigen, dan raadpleegt het dat gedeelte van zijn DNA, waarin het gen voor amylase besloten ligt. Gespecialiseerde enzymen tasten het gen af en creëren tegelijkertijd een exacte kopie in de vorm van een RNA-molecuul Het RNA-molecuul verhuist naar een ribosoom, een reusachtige enzymatische machine die aminozuren aan elkaar kan koppelen tot een eiwit. De code op het RNA-molecuul vertelt het ribosoom precies welke aminozuren in welke volgorde aan elkaar gekoppeld moeten worden. En zo is een amylase geboren.
Eenmaal uitgeworpen in het speeksel valt de verse amylase genadeloos de zetmelen uit de voedzame boterham aan. Verderop in het maagdarmtraject springen collega-enzymen bij: pepsines hakken de eiwitten kundig in mootjes en lipases leggen zich toe op de afbraak van vetten. Uiteindelijk zijn de aan de boterham onttrokken nutriënten klein genoeg om de darmwand over te steken en via de bloedbaan de lichaamscellen te bereiken. Zo komen we op een ander cruciaal voorbeeld van enzymfuncties: het metabolisme van koolwaterstoffen. De cel wil zoveel mogelijk energie uit de verse nutriënten wringen en is dan ook uitgerust met een peloton van enzymen die suikers en vetten onderwerpen aan een serie afbraakreacties. De daarbij vrijkomende energie wordt opgeslagen in een universeel brandstof-molecuul van de cel, ATP. Zo is één boterham met kaas verworden tot miljarden bruikbare energiepakketjes ATP. En daarmee is de energievoorziening geleverd voor vele processen, waaronder de door enzymen te verrichten werkzaamheden.
Als er fouten in het DNA sluipen kunnen defecte enzymen ontstaan, soms met ziekten tot gevolg Zo bevatten kankercellen vaak overactieve varianten van enzymen die celdeling bevorderen. Daardoor schiet celdeling in een te hoge versnelling. Ook kan de rem op celdeling worden losgelaten als enzymen die celdeling onderdrukken hun functie verliezen. Veel onderzoek richt zich dan ook op zulke enzymen en op het vinden van manieren om hun activiteit te beïnvloeden.
Het meest alledaagse voorbeeld van een enzym-remmer is paracetamol, 99 cent bij de drogist. Dit kleine molecuul remt de activiteit van het enzym dat verantwoordelijk is voor de aanmaak van pijnsignalen. Zo schakelt het de sensatie van hoofdpijn uit, al bestrijdt het de oorzaak niet. Een ander voorbeeld is het antibioticum penicilline. Deze door schimmels uitgescheiden factor richt zijn pijlen op het enzym waarmee de bacterie zijn celwand opbouwt. Zo wordt de bacterie effectief te gronde gericht terwijl menselijke cellen, die geen celwand aanmaken, ongemoeid blijven.
Enzymen zijn een terugkerend thema in de strijd tussen de verschillende vormen van leven. Met hun antibiotica maken schimmels steevast bacteriële enzymen tot achilleshiel. Bijen, spinnen of slangen voegen zelf agressieve enzymen toe aan hun gifmengsel, louter gericht op het aanbrengen van weefselschade. Ter voorkoming van bacteriële infecties voorzien honden, katten en apen hun speeksel van bacteriedodende enzymen. Waarschijnlijk kon de prehistorische mens dat veel beter dan wij nu; sinds de uitvinding van het vuur bakken we ons vlees steriel, waardoor het belang van bacteriedodend speeksel is weggevallen.
Op deze verloren eigenschap is handig ingespeeld door de industrie. Dezer dagen koop je tandpasta met verschillende enzymen erin. Die breken suikers af en produceren een remstof voor bacteriegroei. Zo zien wij ons gesteund in de oorlog tegen cariës. In een andere commerciële toepassing worden enzymen aan wasmiddelen toegevoegd voor afbraak van eiwitten en vetten. De professionele sloopmoleculen doen hun werk goed op 40 graden, dus de was hoeft niet meer te krimpen om brandschoon te worden. We kunnen dus de vondsten van de natuur inzetten voor veel van onze dagelijkse klussen. Een zeer verstandige strategie, want miljoenen jaren evolutie hebben deze minuscule machines nu eenmaal op briljante wijze scherpgeslepen.
In de industrie worden enzymen dan ook op grote schaal ingezet als werkpaarden voor de productie van bijvoorbeeld geneesmiddelen of voedingscomponenten. Zoals eerder genoemd bevat het stremsel uit de kalfsmaag een enzym dat kaasbereiding mogelijk maakt. Tegenwoordig laten kaasmakers het kalf met rust. Het werkzame enzym, chymosine, wordt aangemaakt door genetisch gemodificeerde gistcellen. Die hoeven niet te scharrelen in de vrije natuur, maar zwemmen in reusachtige, klimaatgereguleerde productievaten. Bovendien kan hun productie gemakkelijk worden opgeschroefd met biotechnologische ingrepen.
De wetenschappelijke inzichten in de werking van enzymen vorderen dus snel. Maar voor celbiologen is de toenemende hoeveelheid kennis haast problematisch. Van duizenden afzonderlijke enzymen kennen we het kunstje, maar omdat velen elkaar onderling beïnvloeden in hun werking, lijkt het onmogelijk een totaalbeeld te creëren van hun gezamenlijke gedrag in een levende cel. De cel mag erg klein zijn, maar vanuit het perspectief van een enzym is het een gigantische ballenbak van rondsuizende moleculen. Al die deeltjes botsen maar en reageren maar en beïnvloeden elkaars gedrag. Wie houdt de regie in deze grandioze chaos? Dat is het gezamenlijke werk van de duizenden enzymen. Het leven is even enigmatisch als enzymatisch.
Tekst: Bas Ponsioen (1977)
Relevante boeken
Worden in de loop van 2020-2021 toegevoegd (3 september 2020)
Homepage Bètacanon
(zaterdag 1 april 2007)
