Enzyme

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Einleitung

Enzyme, früher als Fermente bezeichnete Katalysatoren, vor allem spezialisierte Proteine, die im Stoffwechsel der Lebewesen fast alle biochemischen Umsetzungen steuern.

Enzyme kommen in den Zellen aller Lebewesen vor. Sie stellen bis zu 90 Prozent aller Zellproteine. Wie alle Proteine besitzen Enzyme ein relativ hohes Molekulargewicht (sie gehören zu den Makromolekülen) und eine komplexe dreidimensionale Struktur, oft aus zwei oder mehr ineinander verschachtelten Polypeptidketten. Nicht alle Enzyme sind jedoch Proteine: Einige, die Ribozyme, bestehen aus RNA (Ribonucleinsäure). Enzyme sind außerdem nicht die einzigen Katalysatoren in lebenden Zellen: Auch Strukturproteine können bestimmte Reaktionen katalysieren, z. B. Actin und Myosin bei der Muskelbewegung. Eine Substanz, die durch ein Enzym in ein anderes Produkt umgewandelt wird, heißt Substrat.

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Einteilung und Namen

Weit mehr als 2 000 Enzyme sind heute in ihrer Struktur und Funktion bekannt. Sie werden nach den jeweils katalysierten chemischen Reaktionen in sechs Hauptklassen eingeteilt:

• Oxidoreduktasen katalysieren Reaktionen, bei denen Protonen oder Elektronen übertragen werden, so dass eine Oxidation bzw. Reduktion der beteiligten Moleküle stattfindet.
• Transferasen übertragen Teile von Molekülen von einem Substrat auf das andere.
• Lyasen fördern die Abspaltung von Molekülteilen aus einem Substrat.
• Hydrolasen sind spezielle Lyasen, die Reaktionen katalysieren, bei denen z. B. ein Substratmolekül unter Einlagerung von Wasser gespalten wird (siehe Hydrolyse).
• Isomerasen fördern die Umordnung von Atomen innerhalb eines Substratmoleküls, so dass ein Isomer in ein anderes verwandelt wird.
• Ligasen sind an der Verknüpfung zweier Substrate – also der Synthese einer neuen Verbindung – beteiligt.

Die Nomenklatur der Enzyme basiert auf Empfehlungen der Internationalen Enzym-Kommission. Danach erhalten Enzyme einen systematischen Namen und einen empfohlenen Trivialnamen. Der systematische Name besteht oft aus der Bezeichnung der Substrat-Enzym-Hauptklasse oder des Substrats und der Endung -ase. In manchen Fällen (z. B. aus historischen Gründen) verwendet man nur den Trivialnamen, beispielsweise bei Trypsin und Chymotrypsin; beides sind Peptid-Hydrolasen. Viele Enzymnamen tragen dieselbe Vorsilbe wie das Substrat, das von dem betreffenden Enzym umgesetzt wird, z. B. Amylasen (spalten Amylose, d. h. Stärkemoleküle) oder Nucleasen.

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Eigenschaften von Enzymen

Wie der schwedische Chemiker Jöns Jakob von Berzelius schon 1823 erkannte, sind Enzyme typische Katalysatoren: Sie beschleunigen chemische Reaktionen, ohne dass sie selbst dabei verbraucht werden. Einige Enzyme können Substrate nicht direkt umsetzen, sondern benötigen dazu weitere Substanzen, die als Kofaktoren bezeichnet werden (bei einer dauerhaften Bindung bezeichnet man den gebundenen Teil als prosthetische Gruppe). In diesem Fall wird das funktionsfähige Molekül als Holoenzym, das Proteinmolekül allein als Apoenzym bezeichnet. Kofaktoren sind beispielsweise Metallionen, die an das Enzymmolekül gebunden werden. Größere organische Moleküle, z. B. die Häm-Gruppe der Cytochrome, werden Coenzyme genannt.

Viele Enzyme stellen bei ihrer Umsetzungsreaktion biochemisch gespeicherte Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) bereit, die im Stoffwechsel jedes Lebewesens benötigt wird. Im Stoffwechsel setzen Enzyme Nährstoffe zu den Verbindungen um, die der Organismus braucht, um Zellen und Gewebe aufzubauen. Auch an kontrollierten Abbauprozessen und den meisten anderen Vorgängen im Körper sind Enzyme beteiligt. Manche Enzyme, etwa Pepsin und Trypsin, die eine wesentliche Rolle bei der Verdauung von Fleisch spielen, katalysieren mehrere Reaktionen (Umsetzungen unterschiedlicher, aber chemisch ähnlicher Substanzen). Andere, etwa Urease, setzen nur eine einzige Reaktion in Gang. Viele Enzyme wirken innerhalb von Zellen, manche werden aber auch in Körperflüssigkeiten (z. B. Speichel) oder ins umgebende Medium freigesetzt (z. B. bei Bakterien und Pilzen).

Die lebenden Zellen in einem Organismus werden in der Regel nicht von eigenen Enzymen angegriffen, weil von den entsprechenden Verdauungsenzymen nur inaktive Vorstufen (Zymogene) produziert werden. Erst dort, wo sie ihre Funktion ausüben sollen, werden sie aktiviert. Abgestorbene Zellen werden jedoch schnell von Lipasen (Fett abbauenden Enzymen) und Proteasen (Proteine abbauenden Enzymen) beseitigt (siehe Autolyse). Solange die Zelle lebt, ist ihre Membran für viele Enzyme undurchlässig. Sobald sie aber stirbt, wird die Membran undicht, so dass Abbauenzyme eindringen können. Manche Zellen enthalten auch Hemmstoffe, welche die Tätigkeit bestimmter Enzyme verhindern.

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Wirkung von Enzymen

Enzyme arbeiten höchst effizient. Eine winzige Enzymmenge bringt bei Körpertemperatur chemische Reaktionen zuwege, die man mit den üblichen Mitteln der Chemie nur durch Einsatz aggressiver Chemikalien und bei hohen Temperaturen in Gang setzen könnte. Etwa 30 Gramm reines, kristallines Pepsin würden beispielsweise ausreichen, um innerhalb weniger Stunden mehr als zwei Tonnen Hühnereiweiß abzubauen. Eine derartige Leistungsfähigkeit beruht auf einigen Charakteristika der Enzyme und ihrer Wirkungsweise.

Enzyme sind substratspezifisch, d. h., sie setzen nur ein bestimmtes Substrat um (oder einige sehr ähnliche Substanzen). Dies ist unumgänglich, weil in jeder Zelle gleichzeitig Hunderte verschiedener enzymatischer Reaktionen stattfinden, die räumlich nur teilweise voneinander getrennt sind. Manche Enzyme sind zu einem so genannten Multienzymkomplex vereinigt, in dem ein Enzym das Umsetzungsprodukt der angelagerten Enzyme als Substrat nutzt. Auch in Membranen liegen solche Enzyme oft dicht beieinander, z. B. die Enzyme der Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran, welche die Kette von Redoxreaktionen bei der Zellatmung katalysieren.

Ein besonderer Fall von Substratspezifität ist die Stereospezifität: Enzyme setzen von zwei Isomeren eines Substrats nur eines um. Spiegelbildlich isomere Moleküle (Enantiomere) kommen beispielsweise bei der Milchsäure oder fast allen Aminosäuren vor; wegen ihrer unterschiedlichen chemischen Eigenschaften ist es wichtig, dass Enzyme solche Enantiomere unterscheiden können.

Innerhalb der räumlichen Struktur des Enzymmoleküls befindet sich ein Bereich, in dem das entsprechende Substrat gebunden werden kann: das aktive Zentrum. Für die Bindung eines Substratmoleküls an das aktive Zentrum des Enzymmoleküls gibt es zwei Möglichkeiten: Bei einer Bindung nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip passt die räumliche Struktur des aktiven Zentrums genau zur räumlichen Struktur des Substratmoleküls, so dass dieses von dem Enzym gebunden und umgesetzt wird. Nach dem Induced-Fit-Modell (englisch induced fit: induzierte Passform) verformt sich das aktive Zentrum erst dann passgenau, wenn das Substrat vorliegt und gebunden werden kann.