Enzyme

Enzyme – der Motor unseres Organismus

Was wäre ein Flugzeug ohne Triebwerk oder ein Auto ohne Motor – das Gleiche wie unser Körper ohne Enzyme. Euch allen ist der Begriff garantiert aus dem allgemeinen Sprachgebrauch geläufig. Allerdings – so zumindest die Erfahrung aus meinem unmittelbaren Umfeld – wissen die Wenigsten, was sich konkret dahinter verbirgt oder welche essentiellen Aufgaben sie in unserem Organismus erfüllen.
Kurz gesagt: eine irdische Existenz ohne diese biochemischen Katalysatoren wäre undenkbar, da sie alle lebenswichtigen Prozesse und chemischen Reaktionen des Körpers regulieren.
Es handelt sich hierbei i.d.R. um Proteine, die ihre spezifischen Substrate reversibel (umkehrbar) fixieren. Dabei reduzieren sie die Aktivierungsenergie, die zum Starten einer chemischen Reaktion aufgebracht werden muss.

Aufbau

Primärstruktur

Den Grundbaustein aller Proteine stellen 20 proteinogene Aminosäuren dar. Sie besitzen alle einen gemeinsamen Grundkörper. Dieser besteht in der Basis aus einem α-C-Atom. Ein Kohlenstoffatom besitzt immer 4 Bindungsstellen. Daran werden folgende Komponenten geknüpft: eine Carboxylgruppe (COOH), eine Aminogruppe (NH2), ein Wasserstoffatom (H) sowie eine Seitenkette. Im physiologischen (pH-neutralen) Milieu liegen Aminosäuren als Zwitterionen vor, d.h. sie besitzen gleichzeitig eine positive und negative Ladung, da das Proton der Säuregruppe an die Aminogruppe gebunden wird.

Kleiner Exkurs: Chiralität

Wie ihr seht, erhält das zentrale C-Atom vier unterschiedliche Liganden. Man bezeichnet diese Art der Bindung als „Chiralität“. Von den 20 proteinogenen Aminosäuren besitzen 19 Stück (außer Histidin, dessen Seitenkette aus einem weiteren H-Atom besteht) ein sogenanntes „chirales Zentrum“. Daraus leiten sich übrigens auch die Bezeichnungen L- bzw. D-Aminosäuren ab. Die Bausteine, die in Proteine integriert werden, besitzen alle die räumliche „L-Konfiguration“ (Anordnung). Allerdings existieren daneben auch weitere nichtproteinogene Aminosäuren (z.B. Ornithin, Citrullin etc.), die auch in der „D-Form“ vorliegen können. Beide finden im menschlichen Metabolismus Verwendung, wobei die nichtproteinogenen wichtige Vorstufen für Hormone oder Neurotransmitter (z.B. Dopamin, Histamin, GABA) darstellen.

Eine lineare Aminosäuren-Kette bildet die Primärstruktur der Proteine. Dabei werden die einzelnen Vertreter über ihre Carboxyl- und Aminogruppen miteinander verknüpft. Eine Verbindung aus genau zwei Stück wird als Dipeptid bezeichnet. Wenn mehrere oder ganz viele hintereinander verbunden sind, dann deklariert man sie entsprechend als Oligo- bzw. Polypeptide. Dabei ist die konkrete Anzahl nicht definiert und die Übergänge fließend.
Die genaue Reihenfolge der Aminosäuren-Anordnung im Protein wird durch das Genom vorgegeben, welches während der Genexpression in Form von Transkription und Translation umgesetzt wird.

Sekundärstruktur

Eine lineare Kette von Aminosäuren besitzt metabolisch gesehen keine Funktion. Erst die spontane räumliche Konformation und die damit entstandene definierte Oberfläche verleiht ihr Funktionalität. Die durch Wasserstoffbrücken vermittelte Form der Bindung ist äußerst schwach ausgeprägt. Daraus resultieren drei verschiedene Anordnungen: α-Helix, β-Faltblatt und Schleifenstrukturen.

Tertiärstruktur

Bilden verschiedene Sekundärstrukturen innerhalb eines Proteins eine räumliche Konformation aus, spricht man von der Tertiärstruktur. Auch diese Art wird spontan vermittelt. Neben den relativ schwachen Wasserstoffbrücken wird hier allerdings der Komplex zusätzlich durch kovalente Bindungen über Disulfidbrücken (Verknüpfung über zwei Schwefelatome) stabilisiert.

Quartärstruktur

Wenn sich mehrere Proteine (Tertiärstrukturen) zu einer übergeordneten Struktur zusammenlagern, entsteht die Quartärstruktur. Sie werden durch schwache, nicht kovalente Wechselwirkungen zusammengehalten. Ein prominentes Beispiel hierfür ist das Hämoglobin – der „rote Blutfarbstoff“.

Einteilung

Je nach Substratspezifität oder Reaktionsart lassen sich Enzyme in verschiedene Klassen einteilen. Man erkennt sie an ihrem Suffix „-ase“. Hier ein kurzer Überblick:

Enzymklasse Subklassen Reaktionstyp Beispiele
Oxidoreduktasen Dehydrogenasen, Oxidasen Elektronentransfer Alkoholdehydrogenase, Lactatdehydrogenase
Transferasen Kinasen, Polymerasen, Aminotransferasen Transfer funktioneller Gruppen Transaminase, Hexokinase
Hydrolasen Proteasen, Esterasen, Nukleasen Spaltung chemischer Bindungen durch Reaktion mit Wasser Acetylcholinesterase, ATPase
Lyasen Aldehydlyasen, Decarboxylasen Abspaltung von oder Hinzufügen zu Gruppen von Doppelbindungen Carboanhydrase, Adenylatkinase
Isomerasen Racemasen, Epimerasen Umlagerung funktioneller Gruppen innerhalb eines Moleküls Retinalisomerase, Triosephosphatisomerase
Ligasen Synthetasen Knüpfen von Bindungen unter Energieverbrauch (ATP) Glutaminsynthetase, DNA-Ligase

Eigenschaften

Die Grundlage der Katalyse stellt die Bildung eines reversiblen Enzym-Substrat-Komplexes dar. Sie besitzen ein aktives Zentrum, welches deren Umsetzung ermöglicht. Enzyme sind sowohl substrat- als auch wirkungsspezifisch. Sie arbeiten nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip – mit anderen Worten: die Enzyme binden nur ein einziges bestimmtes Substrat – auch in Gegenwart von strukturell ähnlichen Substanzen und katalysieren auch nur eine bestimmte Reaktion.
Sie tragen dazu bei, dass sich das chemische Gleichgewicht schneller einstellt ohne jedoch dessen Lage zu beeinflussen.
Enzymaktivitäten sind regulierbar. Temperaturerhöhung steigert zunächst die Reaktionsgeschwindigkeit, die allerdings durch deren Hitzelabilität limitiert wird. Ihr Temperaturoptimum beträgt i.d.R. 37-42°C. Werden Enzyme über den Wert hinaus erwärmt, erfolgt eine Denaturierung – sie werden funktionsunfähig. Daraus resultiert im Übrigen auch die Obergrenze in der Rohkosternährung. Hier dürfen die Speisen nicht über genau diesen Wert erhitzt werden.

Wirkung

Während der Katalyse einer chemischen Reaktion wird ein Substrat an sein spezifisches Enzym gebunden. Daraus resultiert ein Endprodukt, während das Enzym unverändert aus der Reaktion hervorgeht. Die Bildung dieses Produktes erfolgt aus dem Enzym-Substrat-Komplex heraus. Als Maß für die Reaktionsgeschwindigkeit dient also einerseits die Abnahme des Substrates, andererseits die Zunahme des Produktes.

Kinetik: Michaelis-Menten-Theorie

Zunächst steigt die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Substratkonzentration. Doch ab einem bestimmten Punkt bleibt – trotz weiterer Erhöhung des Substrats – die Geschwindigkeit konstant und nährt sich einem Maximalwert (vmax) an. Der Grund: alle Enzyme sind mit Substrat abgesättigt (Sättigungskinetik). Die nachfolgende Grafik verdeutlicht noch einmal den Verlauf:

Enzymhemmung

Andere Substanzen können Reaktionen unter Enzymbeteiligung hemmen, indem sie an das Enzym binden. Dabei lassen sich drei verschiedene inhibitorische Wirkungprinzipien unterscheiden:

Kompetitive Hemmung

Der Inhibitor (Hemmstoff) bindet – genau wie das Substrat – an das aktive Zentrum des Enzyms. Allerdings kann dieser Vorgang durch die Erhöhung der Substratkonzentration kompensiert werden, so dass der vmax-Wert nicht beeinflusst wird.

Nichtkompetitive Hemmung

Der Inhibitor (Hemmstoff) bindet am Enzym an einer anderen Stelle als das Substrat (also nicht im aktiven Zentrum). Die Hemmung lässt sich nicht durch die Erhöhung der Substratkonzentration kompensieren, da der Inhibitor hier nicht die Enzym-Substrat-Bindung hemmt, sondern dessen Umsetzung zum Endprodukt.

Irreversible Hemmung

Der Inhibitor bindet an das aktive Zentrum des Enzyms. Allerdings ist diese Bindung so extrem stark ausgeprägt, dass das eigentliche Substrat dauerhaft vom aktiven Zentrum des Enzyms ferngehalten wird, so dass das Enzym für immer deaktiviert wird.

Coenzyme/ Cofaktoren

Oftmals benötigen Enzyme Cofaktoren bzw. Coenzyme, um ihre Funktion als Katalysator wahrzunehmen. Beide Begriffe werden oftmals anonym verwendet, dennoch existieren marginale Unterschiede:

Cofaktoren

Hierbei handelt es sich nicht um Proteine oder Aminosäuren. Vielmehr beteiligen sich meist anorganische Metallionen an den Enzymreaktionen. Hierzu zählen v.a. die Mineralstoffe Zink, Magnesium und Eisen.

Coenzyme (Cosubstrate)

Sie bestehen aus kleinen organischen Molekülen (keine Proteine), die aktiv am Reaktionsprozess beteiligt sind und durch diesen auch verändert werden. Die meisten binden nur während der chemischen Reaktion an ihr Enzym. Danach werden sie wieder abgespalten (z.B. NAD) – ähnlich einer temporären Lebensgemeinschaft. Allerdings sind einige auch dauerhaft mit ihrem Enzym verbunden – sozusagen verheiratet (z.B. FAD).
Auch hier unterscheidet man  – je nach Reaktionstyp – verschiedene Klassen:

  • Wasserstoffübertragende Coenzyme: NAD, NADP, FAD, Ubichinon
  • Gruppenübertragende Coenzyme: ATP
  • C1-Transfer-Coenzyme: Folsäure (Vitamin B9), Biotin (Vitamin H)
  • C2-Transfer-Coenzyme: Coenzym A
  • Coenzyme für Isomerasen bzw. Lyasen: Pyridoxalphosphat

Wie ihr seht, gewährleisten die lebensnotwendigen Enzyme den reibungslosen Ablauf aller metabolischen Prozesse in den Organismen. Ohne diese hilfreichen Biokatalysatoren würde unser Stoffwechsel seine Tätigkeiten nicht verrichten können – so, wie ein Auto ohne Motor nicht funktionstüchtig wäre.

Weiterführende Informationen findet ihr in folgenden Essays:

Falls ihr Fragen zum Thema habt oder noch weiterführende Informationen benötigt, so tretet gern über die Kommentarfunktion oder via Facebook mit mir in Verbindung.


Quellen:

Die dargelegten Informationen und Abbildungen entstammen meinen Mitschriften aus den folgenden Vorlesungen meines Pharmaziestudiums an der Friedrich-Schiller-Universität in Jena von 2003 – 2007, meinen persönlichen Erfahrungen sowie der nachfolgenden Literatur:

  • Vorlesung: „Pharmazeutische Biologie“ aus dem 1.-3. Semester – Dozent: Dr. Bernd Liebermann
  • Vorlesung: „Ökotrophologie“ aus dem 4. Semester – Dozent: PD Dr. Volker Böhm
  • Vorlesung: „Biochemie“ aus dem 5. Semester – Dozent: Prof. Dr. Thomas Winckler
  • Biesalski, H.; Grimm, P.; Nowitzki-Grimm, S.: Taschenatlas Ernährung 6. Auflage, Georg Thieme Verlag 2015
  • Scharf, K.-H.; Miram, W.: Biologie heute, 1. Auflage, Schroedel Verlag, 1997

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