PROTEINS AS ENZYMES

This page is an introduction to how proteins can work asenzymes ­ biological catalysts. You should realise that this iswritten to cover the needs of a number of UK­based chemistrysyllabuses for 16 ­ 18 year olds. If you want detailed knowledgeabout enzymes for a biology or biochemistry course, you areprobably in the wrong place! This is just an introduction.

Note:  This page follows on from a page about proteinstructure. If you don't have a reasonable knowledge of thestructure of proteins and the sorts of attractions that can befound in them, you may not understand bits of the presentpage. Read the protein structure page first and come backhere later.

Enzymes as catalysts

Enzymes are mainly globular proteins ­ protein molecules wherethe tertiary structure has given the molecule a generallyrounded, ball shape (although perhaps a very squashed ball insome cases). The other type of proteins (fibrous proteins) havelong thin structures and are found in tissues like muscle andhair. We aren't interested in those in this topic.

These globular proteins can be amazingly active catalysts. Youare probably familiar with the use of catalysts likemanganese(IV) oxide in decomposing hydrogen peroxide to giveoxygen and water. The enzyme catalase will also do this ­ but ata spectacular rate compared with inorganic catalysts.

One molecule of catalase can decompose almost a hundredthousand molecules of hydrogen peroxide every second. That'svery impressive!

This is a model of catalase, showing the globular structure ­ a bitlike a tangled mass of string:

Note:  This diagram was obtained from the RCSB ProteinData Bank.

You should be able to identify the alpha­helices and beta­pleated sheets. If you can't, you obviously didn't read thepage about protein structure mentioned above!

If you look very carefully, you might also spot two pink, non­protein structures hidden in the main structure. More aboutthese in a while . . .

An important point about enzymes is that they are very specificabout what they can catalyse. Even small changes in thereactant molecule can stop the enzyme from catalysing itsreaction. The reason for this lies in the active site present in theenzyme . . .

Active sites

Active sites are cracks or hollows on the surface of the enzymecaused by the way the protein folds itself up into its tertiarystructure. Molecules of just the right shape, and with just theright arrangement of attractive groups (see later) can fit intothese active sites. Other molecules won't fit or won't have theright groups to bind to the surface of the active site.

The usual analogy for this is a key fitting into a lock. For the keyto work properly it has to fit exactly into the lock.

In chemistry, we would describe the molecule which is actuallygoing to react (the purple one in the diagram) as the reactant. Inbiology and biochemistry, the reactant in an enzyme reaction isknown instead as the substrate.

You mustn't take this picture of the way a substrate fits into itsenzyme too literally. What is just as important as the physicalshape of the substrate are the bonds which it can form with theenzyme.

Enzymes are protein molecules ­ long chains of amino acidresidues. Remember that sticking out all along those chains arethe side groups of the amino acids ­ the "R" groups that wetalked about on the page about protein structure.

Active sites, of course, have these "R" groups lining them aswell ­ typically from about 3 to 12 in an active site. The nextdiagram shows an imaginary active site:

Remember that these "R" groups contain the sort of featureswhich are responsible for the tertiary structure in proteins. Forexample, they may contain ionic groups like ­NH3+ or ­COO­, or­OH groups which can hydrogen bond, or hydrocarbon chains orrings which can contribute to van der Waals forces.

Groups like these help a substrate to attach to the active site ­but only if the substrate molecule has an arrangement of groupsin the right places to interact with those on the enzyme.

The diagram shows a possible set of interactions involving twoionic bonds and a hydrogen bond.

The groups shown with + or ­ signs are obvious. The ones withthe "H"s in them are groups capable of hydrogen bonding. It ispossible that one or more of the unused "R" groups in the activesite could also be helping with van der Waals attractionsbetween them and the substrate.

If the arrangement of the groups on the active site or thesubstrate was even slightly different, the bonding almostcertainly wouldn't be as good ­ and in that sense, a differentsubstrate wouldn't fit the active site on the enzyme.

This process of the catalyst reacting with the substrate andeventually forming products is often summarised as:

. . . where E is the enzyme, S the substrate and P the products.

The formation of the complex is reversible ­ the substrate couldobviously just break away again before it converted intoproducts. The second stage is shown as one­way, but might bereversible in some cases. It would depend on the energetics ofthe reaction.

So why does attaching itself to an enzyme increase the rate atwhich the substrate converts into products?

It isn't at all obvious why that should be ­ and most sourcesproviding information at this introductory level just gloss over itor talk about it in vague general terms (which is what I am goingto be forced to do, because I can't find a simple example to talkabout!).

Catalysts in general (and enzymes are no exception) work byproviding the reaction with a route with a lower activationenergy. Attaching the substrate to the active site must allowelectron movements which end up in bonds breaking much

more easily than if the enzyme wasn't there.

Strangely, it is much easier to see what might be happening inother cases where the situation is a bit more complicated . . .

Enzyme cofactors

What we have said so far is a major over­simplification for mostenzymes. Most enzymes aren't in fact just pure proteinmolecules. Other non­protein bits and pieces are needed tomake them work. These are known as cofactors.

In the absence of the right cofactor, the enzyme doesn't work.For those of you who like collecting obscure words, the inactiveprotein molecule is known as an apoenzyme. When the cofactoris in place so that it becomes an active enzyme, it is called aholoenzyme.

Note:  If you don't collect obscure words, don't worry aboutthese! Neither of them occurs in the syllabuses I am trying tocover with this material. I have spent a lifetime in chemistryeducation without having come across either of them untilresearching this!

There are two basically different sorts of cofactors. Some arebound tightly to the protein molecule so that they become a partof the enzyme ­ these are called prosthetic groups.

Some are entirely free of the enzyme and attach themselves tothe active site alongside the substrate ­ these are calledcoenzymes.

Prosthetic groups

Prosthetic groups can be as simple as a single metal ion boundinto the enzyme's structure, or may be a more complicatedorganic molecule (which might also contain a metal ion). Theenzymes carbonic anhydrase and catalase are simpleexamples of the two types.

Zinc ions in carbonic anhydrase

Carbonic anhydrase is an enzyme which catalyses theconversion of carbon dioxide into hydrogencarbonate ions (orthe reverse) in the cell. (If you look this up elsewhere, you willfind that biochemists tend to persist in calling

hydrogencarbonate by its old name, bicarbonate!)

In fact, there are a whole family of carbonic anhydrases allbased around different proteins, but all of them have a zinc ionbound up in the active site. In this case, the mechanism is wellunderstood and simple. We'll look at this in some detail,because it is a good illustration of how enzymes work.

Important:  This is just an example! If you are doing a UK­based chemistry syllabus for 16 ­ 18 year olds, there isalmost certainly no need to learn this. If in doubt, check yoursyllabus. If it doesn't explicitly ask for this reaction in detail,you don't need to learn it. To repeat ­ I'm just using it toillustrate how enzymes carry out a simple reaction.

The zinc ion is bound to the protein chain via three links toseparate histidine residues in the chain ­ shown in pink in thepicture of one version of carbonic anhydrase. The zinc is alsoattached to an ­OH group ­ shown in the picture using red for theoxygen and white for the hydrogen.

Note:  This diagram comes from Wikipedia. I have no reasonto doubt its accuracy, but I can't guarantee it.

As far as I have been able to find out, all the various forms ofcarbonic anhydrase have the zinc ion bound to three histidineresidues in this way ­ irrespective of what is happening in therest of the protein molecule. If I am wrong about thisgeneralisation, could you please let me know via the addresson the about this site page.

The structure of the amino acid histidine is . . .

. . . and when it is a part of a protein chain, it is joined up likethis:

If you look at the model of the arrangement around the zinc ionin the picture above, you should at least be able to pick out thering part of the three molecules.

The zinc ion is bound to these histidine rings via dative covalent(co­ordinate covalent) bonds from lone pairs on the nitrogenatoms. Simplifying the structure around the zinc . . .

The arrangement of the four groups around the zinc isapproximately tetrahedral. Notice that I have distorted the usualroughly tetrahedral arrangement of electron pairs around theoxygen ­ that's just to keep the diagram as clear as possible.

So that's the structure around the zinc. How does this catalysethe reaction between carbon dioxide and water?

A carbon dioxide molecule is held by a nearby part of the activesite so that one of the lone pairs on the oxygen is pointingstraight at the carbon atom in the middle of the carbon dioxidemolecule. Attaching it to the enzyme also increases the existingpolarity of the carbon­oxygen bonds.

If you have done any work on organic reaction mechanisms atall, then it is pretty obvious what is going to happen. The lonepair forms a bond with the carbon atom and part of one of thecarbon­oxygen bonds breaks and leaves the oxygen atom with anegative charge on it.

What you now have is a hydrogencarbonate ion attached to thezinc.

The next diagram shows this broken away and replaced with awater molecule from the cell solution.

All that now needs to happen to get the catalyst back to where itstarted is for the water to lose a hydrogen ion. This is transferredby another water molecule to a nearby amino acid residue with anitrogen in the "R" group ­ and eventually, by a series of similartransfers, out of the active site completely.

. . . and the carbonic anhydrase enzyme can do this sequenceof reactions about a million times a second. This is a wonderfulpiece of molecular machinery!

Let me repeat yet again: If you are doing a UK­based chemistryexam for 16 ­ 18 year olds, you are unlikely to need details ofthis reaction. I've talked it through in some detail to show thatalthough enzymes are complicated molecules, all they do issome basic chemistry. It is just that this particular example is alot easier to understand than most!

The haem (US: heme) group in catalase

Remember the model of catalase from further up the page . . .

At the time, I mentioned the non­protein groups which thiscontains, shown in pink in the picture. These are haem (US:heme) groups bound to the protein molecule, and an essentialpart of the working of the catalase. The haem group is a goodexample of a prosthetic group. If it wasn't there, the proteinmolecule wouldn't work as a catalyst.

The haem groups contain an iron(III) ion bound into a ringmolecule ­ one of a number of related molecules calledporphyrins. The iron is locked into the centre of the porphyrinmolecule via dative covalent bonds from four nitrogen atoms inthe ring structure.

There are various types of porphyrin, so there are variousdifferent haem groups. The one we are interested in is calledhaem B, and a model of the haem B group (with the iron(III) ionin grey at the centre) looks like this:

Note:  This diagram comes from Wikipedia, and you will alsofind a proper structure for the group on the page you will getto by following this link if you are interested (and a lot moreinformation that you probably won't want to know about!).

You may have come across haemoglobin in the transport ofoxygen around the blood. This is the same haem group thatis at the heart of that ­ with one small difference. Inhaemoglobin, the iron is present as iron(II) rather thaniron(III).

The reaction that catalase carries out is the decomposition ofhydrogen peroxide into water and oxygen.

A lot of work has been done on the mechanism for this reaction,but I am only going to give you a simplified version rather thandescribe it in full. Although it looks fairly simple on the surface,there are a lot of hidden things going on to complicate it.

Essentially the reaction happens in two stages and involves theiron changing its oxidation state. An easy change of oxidationstate is one of the main characteristics of transition metals. Inthe lab, iron commonly has two oxidation states (as well as zeroin the metal itself), +2 and +3, and changes readily from one tothe other.

In catalase, the change is from +3 to the far less common +4and back again.

In the first stage there is a reaction between a hydrogenperoxide molecule and the active site to give:

The "Enzyme" in the equation refers to everything (haem groupand protein) apart from the iron ion. The "(III)" and "(IV)" are theoxidation states of the iron in both cases. This equation (and thenext one) are NOT proper chemical equations. They are justsummaries of the most obvious things which have happened.

The new arrangement around the iron then reacts with a secondhydrogen peroxide to regenerate the original structure andproduce oxygen and a second molecule of water.

What is hidden away in this simplification are the other thingsthat are happening at the same time ­ for example, the rest ofthe haem group and some of the amino acid residues aroundthe active site are also changed during each stage of thereaction.

And if you think about what has to happen to the hydrogenperoxide molecule in both reactions, it has to be morecomplicated than this suggests. Hydrogen peroxide is joined upas H­O­O­H, and yet both hydrogens end up attached to thesame oxygen. That is quite a complicated thing to arrange insmall steps in a mechanism, and involves hydrogen ions beingtransferred via amino acids residues in the active site.

So do you need to remember all this for chemistry purposes atthis level? No ­ not unless your syllabus specifically asks you forit. It is basically just an illustration of the term "prosthetic group".

It also shows that even in a biochemical situation, transitionmetals behave in the same sort of way as they do in inorganicchemistry ­ they form complexes, and they change theiroxidation state.

And if you want to follow this up to look in detail at what ishappening, you will find the same sort of interactions around theactive site that we looked at in the simpler case of carbonicanydrase. (But please don't waste time on this unless you haveto ­ it is seriously complicated!)

Coenzymes

Coenzymes are another form of cofactor. They are different fromprosthetic groups in that they aren't permanently attached to theprotein molecule. Instead, coenzymes attach themselves to theactive site alongside the substrate, and the reaction involvesboth of them. Once they have reacted, they both leave theactive site ­ both changed in some way.

A simple diagram showing a substrate and coenzyme togetherin the active site might look like this:

It is much easier to understand this with a (relatively) simpleexample.

NAD+ as coenzyme with alcohol dehydrogenase

Alcohol dehydrogenase is an enzyme which starts the processby which alcohol (ethanol) in the blood is oxidised to harmlessproducts. The name "dehydrogenase" suggests that it isoxidising the ethanol by removing hydrogens from it.

The reaction is actually between ethanol and the coenzymeNAD+ attached side­by­side to the active site of the proteinmolecule. NAD+ is a commonly used coenzyme in all sorts ofredox reactions in the cell.

NAD+ stands for nicotinamide adenine dinucleotide. The plussign which is a part of its name is because it carries a positivecharge on a nitrogen atom in the structure.

The "nicotinamide" part of the structure comes from the vitaminvariously called vitamin B3, niacin or nicotinic acid. Severalimportant coenzymes are derived from vitamins.

Note:  I'm not going to confuse you with the structures ofNAD+ or even nicotinic acid ­ this page is already longenough! If you are interested, they are easy to find via aGoogle search. In common with what I have done on the restof this page, this is just an example to illustrate how acoenzyme works which is reasonably easy to understand.You are unlikely to need details for any chemistry exam atthis level.

Ethanol is oxidised by a reaction with NAD+ helped by the activesite of the enzyme. At the end of the reaction, ethanal(acetaldehyde) is formed, and the NAD+ has been convertedinto another compound known as NADH.

As far as the NAD+ is concerned, it has picked up a hydrogenatom together with an extra electron which has neutralised thecharge.

Both major products ­ ethanal and NADH ­ leave the active siteand are processed further in other cell reactions.

The very poisonous ethanal is oxidised at once to ethanoic acidusing a different enzyme, but again using NAD+ as the

coenzyme. And the ethanoic acid from that reacts on through awhole set of further enzyme­controlled reactions to eventuallyend up as carbon dioxide and water.

What about the NADH? This is a coenzyme in its own right, andtakes part in reactions where something needs reducing. Thehydrogen atom and the extra electron that it picked up from theethanol are given to something else. In the process, of course,the NADH gets oxidised back to NAD+ again.

In general terms, for a substrate S which needs reducing:

Note:  Because this page is getting so long, and becausethere is still quite a bit of enzyme chemistry to talk about, itcontinues on another two pages. You will find the link to thefirst of these below.

What follows is a page about the effect of substrateconcentration, temperature and pH on enzymes, and then afurther page about enzyme inhibitors.

Where would you like to go now?

To continue to the next page about enzymes . . .

To the amino acid and proteins menu . . .

To the menu of other organic compounds . . .

To Main Menu . . .

© Jim Clark 2007