Alle enzymen hebben een bepaald pH-bereik waarbij ze het beste werken. Een enzym is een eiwit dat is samengesteld uit moleculen die aminozuren worden genoemd, en deze aminozuren hebben regio's die gevoelig zijn voor pH. De pH-schaal definieert hoe zuur of basisch een oplossing is, waarbij een lage pH zuur is en een hoge pH basisch. De menselijke maag heeft een pH van 2 en enzymen die in de maag werken, zijn aangepast om op die pH-waarde te functioneren.
Maag heeft een lage pH
Als we eten en drinken binnenkrijgen, gaan bacteriën mee. Ons lichaam kan zichzelf beschermen tegen infecties door bacteriën in de maag te doden. Bij een pH van 2 zijn de maagsappen van de maag zuur genoeg om de bacteriën die we binnenkrijgen te doden. De cellen die de maag bekleden - pariëtale cellen genoemd - scheiden zoutzuur of HCl af, en dit zuur geeft maagsappen hun lage pH. HCl verteert geen voedsel, maar het doodt bacteriën, helpt het bindweefsel in vlees af te breken en activeert pepsine, het spijsverteringsenzym van de maag.
Pepsine verteert eiwitten
Hoofdcellen, die ook de maag bekleden, produceren een pro-enzym dat pepsinogeen wordt genoemd. Wanneer pepsinogeen in contact komt met de zure omgeving van de maag, katalyseert het een reactie om zichzelf te activeren en wordt het het actieve enzym pepsine. Pepsine is een protease, of een enzym dat chemische bindingen in eiwitten verbreekt. Pepsine gebruikt de carbonzuurgroep op een van zijn aminozuren om de chemische binding tussen stikstof en zuurstof in de eiwitten die in voedsel worden aangetroffen, te verbreken.
Pepsine werkt bij pH 2
De reden waarom pepsine het beste functioneert bij pH 2 is omdat de carbonzuurgroep op het aminozuur in de actieve plaats van het enzym in de geprotoneerde toestand moet zijn, wat betekent dat het gebonden is aan een waterstofatoom. Bij een lage pH is de carbonzuurgroep geprotoneerd, waardoor deze de chemische reactie van het verbreken van chemische bindingen kan katalyseren. Bij pH-waarden hoger dan 2 wordt het carbonzuur gedeprotoneerd en kan het dus niet deelnemen aan chemische reacties. Pepsine is het meest actief bij pH 2, waarbij de activiteit ervan afneemt bij hogere pH en volledig afneemt bij pH 6,5 of hoger. In het algemeen is enzymactiviteit gevoelig voor pH omdat de katalytische groep van een enzym - in het geval van pepsine, het carbonzuur groep -- zal ofwel geprotoneerd of gedeprotoneerd zijn, en deze toestand bepaalt of het al dan niet kan deelnemen aan een chemische stof reactie.
Pepsine inactief bij hogere pH
Na vertering in de maag verlaat het voedsel de pylorische sluitspier in de twaalfvingerige darm van de dunne darm, waar de pH veel hoger is. Pepsine wordt in deze omgeving inactief omdat de concentratie waterstofatomen lager is. De waterstof op het carbonzuur van pepsine in de actieve plaats van het enzym wordt vervolgens verwijderd en het enzym wordt inactief. De chemische reactie die door pepsine wordt gekatalyseerd, hangt af van de aanwezigheid van een geprotoneerd carbonzuur, dus de activiteit van het enzym is sterk afhankelijk van de pH van de oplossing waarin het zich bevindt. Lage pH leidt tot hoge activiteit en hoge pH geeft weinig of geen activiteit.