1.

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.

2.

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.

3.

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.

4.

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.

5.

Regulierung der Enzymaktivität

Enzymreaktionen können auf verschiedenen Wegen ausgelöst, verstärkt, gestoppt oder von vornherein verhindert werden. Dies ist einerseits wichtig, um ein unkontrolliertes Überschießen bestimmter Reaktionen mit Auswirkungen auf den Stoffwechsel zu vermeiden. Andererseits beruhen viele Krankheiten oder Funktionsstörungen auf unterdrückten oder fehlgesteuerten Enzymreaktionen. Bakterien sind bei der Regulierung ihrer Enzymaktivität im Vergleich zu eukaryontischen Lebewesen sehr flexibel. In einer Bakterienzelle setzt die Synthese eines bestimmten Enzyms oft erst dann ein, wenn das entsprechende Substrat im umgebenden Medium vorhanden ist.

Bei der allosterischen Hemmung bindet ein bestimmtes Molekül (Effektor) an eine Stelle des Enzymmoleküls und lässt das Enzym sich verformen, so dass es seine Funktion nicht mehr erfüllen kann. Dies ist etwa dann von Nutzen, wenn das gewünschte Endprodukt einer Reaktionskette sich in einer gewissen Konzentration im Zytoplasma angesammelt hat. Wenn dieses Endprodukt das erste Enzym in der Kette hemmt, kommt seine Synthese zum Erliegen. Normalerweise ist die allosterische Hemmung des Enzyms reversibel, d. h., sie endet, wenn der gebundene Stoff sich wieder löst. Eine Ausnahme ist die allosterische Hemmung durch giftige Schwermetallionen. In diesem Fall löst sich die Bindung nicht mehr, das betreffende Enzym bleibt dauerhaft funktionsunfähig.

Bei der kompetitiven Hemmung ist im aktiven Zentrum anstelle des Substratmoleküls bereits ein anderes Molekül gebunden, das diesem strukturell ähnelt. Ein solches Molekül wird Inhibitor genannt. Die kompetitive Hemmung eines Enzyms ist vergleichbar mit der Hemmung des Atempigments Hämoglobin durch Kohlenmonoxid. Enzyme können auch bereits auf der Ebene der Gene in ihrer Aktivität reguliert werden. Normalerweise dient bei der Bildung eines Enzyms das entsprechende Gen als Vorlage für die genetischen Prozesse der Transkription und der Translation, an deren Ende das Proteinmolekül entstanden ist. Durch die Genregulation kann die Bildung eines Enzyms sowohl unterdrückt als auch induziert (ausgelöst) werden.

Einige Enzyme besitzen die Fähigkeit zur Autokatalyse: Sind sie einmal entstanden, fördern sie als Katalysator ihre eigene Synthese, d. h., sie sorgen für ihre eigene Produktion aus einer inaktiven Vorstufe, dem Zymogen. Deshalb können diese Enzyme auch im Reagenzglas erzeugt werden, wenn die entsprechenden Teile für den Aufbau des Moleküls vorhanden sind. Eine solche Autokatalyse kann andere Enzyme einbeziehen, die jeweils die Synthese des folgenden Enzyms katalysieren, bis eines wiederum die Synthese des ersten Enzyms katalysiert und so den Zyklus vervollständigt. Auch ein katalytischer Kreislauf mehrerer solcher Zyklen kommt bei der Enzymsynthese vor; man spricht in diesem Fall von einem Hyperzyklus.

6.

Kinetik von Enzymreaktionen

Enzymreaktionen laufen nach einer etwas anderen Kinetik ab als die vergleichsweise einfachen Umsetzungen der anorganischen Chemie. Die meisten Enzyme entfalten ihre maximale Aktivität bei einer ganz bestimmten Temperatur. Ein Temperaturanstieg kann die Reaktion zwar beschleunigen, doch werden Enzyme instabil und denaturieren, wenn man sie zu stark erhitzt. Die Katalysatoraktivität eines Enzyms wird von der Aminosäuresequenz und der in ihr festgelegten Tertiärstruktur bestimmt, d. h. von der räumlichen Faltung der Molekülkette.

Die Kinetik von Enzymreaktionen lässt sich mit Hilfe einer 1913 von Leonor Michaelis und Maud Menten aufgestellten Theorie beschreiben. Die nach den beiden Biochemikern benannte Michaelis-Menten-Gleichung stellt die Beziehung zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Substratkonzentration dar. Die maximale Reaktionsgeschwindigkeit wird praktisch erst dann erreicht, wenn das Enzym mit Substrat gesättigt ist, also jedes Enzymmolekül als Enzym-Substrat-Komplex vorliegt.

7.

Anwendungen für Enzyme

Eine Reihe von industriell genutzten Stoffumwandlungen basieren auf der Tätigkeit von Enzymen (Biotransformation). Gärungsprozesse, mit denen Hefe- oder Bakterienzellen Energie gewinnen, werden beispielsweise zur Erzeugung von Brot, Milchprodukten und alkoholischen Getränken, zur Lebensmittelkonservierung sowie für biotechnologische Synthesevorgänge genutzt. Enzyme der beteiligten Bakterien spielen darüber hinaus auch bei der Abwasserreinigung und bei der Gewinnung von Biogas eine Rolle.

Einige Enzyme werden zu medizinischen Zwecken eingesetzt, z. B. zur Behandlung örtlicher Entzündungen. Trypsin etwa dient zur Entfernung von Fremdstoffen und abgestorbenem Gewebe aus Wunden. Beispiele für den spezifischen Nutzen von Enzymen sind die L-Asparaginase, mit der Leukämie behandelt wird, und die Dextranase, die Karies vorbeugt. Manche Krankheiten entstehen durch Funktionsstörungen von Enzymen (Enzymopathien), z. B. die Hämophilie und die Phenylketonurie. Solche teils lebensbedrohlichen Krankheiten können oft nur dann behandelt werden, wenn das fehlende Enzym oder dessen Stoffwechselprodukt verabreicht wird.

8.

Geschichtliches

Bereits im Altertum war der Prozess der alkoholischen Gärung bekannt; man hielt sie aber ebenso wie viele andere Vorgänge in der Natur für Reaktionen, die von selbst ablaufen. 1783 beobachtete der italienische Biologe Lazzaro Spallanzani, dass Magensaft, den er Falken entnommen hatte, Fleisch verdaut. In diesem Experiment vollzog Spallanzani wahrscheinlich zum ersten Mal eine biochemische Reaktion außerhalb eines Lebewesens nach. 1857 zeigte der französische Chemiker Louis Pasteur, dass Gärung in Gegenwart lebender Zellen abläuft. In den folgenden Jahren fand man in Organen wie der Bauchspeicheldrüse und dem Pansen von Wiederkäuern Substanzen, die eine Spaltung von Proteinen auslösten. Alle derartigen Substanzen wurden bis dahin als Fermente bezeichnet.

1876 prägte der deutsche Physiologe Wilhelm Kühne (1837-1900) den Begriff Enzym. Dieser leitet sich vom griechischen en zymē (in der Hefe) ab. Kühne unterschied damit Fermente lebender Zellen von anderen Fermenten, erkannte aber den Mechanismus der Enzymwirkung noch nicht. Der deutsche Chemiker Eduard Buchner entdeckte 1897, dass auch ein zellfreier Hefeextrakt alkoholische Gärung in Gang setzt. Damit hatte Buchner gezeigt, dass nicht die Hefe selbst die Gärung bewirkt, sondern dass Hefe ein Enzym produziert, das dann die Umsetzungsreaktion bei der Gärung ablaufen lässt.

Nach Buchners Entdeckung setzte sich die Ansicht durch, dass Gärung wie auch alle anderen biochemischen Reaktionen von Enzymen verursacht werden. Versuche, diese Substanzen zu isolieren und ihren chemischen Aufbau zu ermitteln, schlugen aber fehl. Erst 1926 gelang es dem US-amerikanischen Biochemiker James Batcheller Sumner, Urease in kristalliner Form zu isolieren. Vier Jahre später reinigte und kristallisierte John Howard Northrop, auch ein Biochemiker aus den USA, Pepsin und Trypsin. Northrop wies nach, dass es sich bei den Enzymen um Proteine handelt.

In neuerer Zeit lieferten wissenschaftliche Untersuchungen an Enzymen neue Erkenntnisse über Grundfunktionen des Lebens. Die Ribonuclease, die 1938 von dem amerikanischen Bakteriologen René Dubos entdeckt und 1946 von seinem Landsmann, dem Chemiker Moses Kunitz gereinigt wurde, stellten amerikanische Forscher 1969 erstmals künstlich her. Bei der Synthese fügten sie 124 Molekülbausteine in genau festgelegter Reihenfolge zu einem Makromolekül zusammen. Da es gleichzeitig gelang, in dem Molekül diejenigen Teile zu identifizieren, die für die chemische Funktion verantwortlich sind, eröffnete sich die Möglichkeit, gezielt in der Natur nicht vorkommende Enzyme mit besonderen Eigenschaften herzustellen. Diese Aussichten haben sich durch die Methoden der Gentechnik weiter verbessert. Sie erlaubt es, manche Enzyme in großen Mengen herzustellen (siehe Biochemie).