Zum Inhalt springen

Enzym

Links bearbeiten
aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Dies ist eine alte Version dieser Seite, zuletzt bearbeitet am 11. Oktober 2005 um 23:02 Uhr durch Achim Raschka (Diskussion | Beiträge) ({{Kandidat (Lesenswert)}}). Sie kann sich erheblich von der aktuellen Version unterscheiden.
Ribbon Diagramm des katalytisch perfekten Enzymes Triose-phosphate Isomerase (TIM).

Ein Enzym (griechisch ένζυμο, énsimo, von εν~, en~ - in~ und ζύμη, zýme - der Sauerteig, die Hefe, veraltet: Ferment (lateinisch)) ist ein Protein, welches eine chemische Reaktion katalysiert. Als Katalysatoren beschleunigen Enzyme chemische Reaktionen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen, die überwunden werden muss, damit es zu einer Stoffumsetzung kommt. Die Ausgangsstoffe (Edukte) einer Enzymreaktion, die Substrate, werden in ein oder mehrere Produkte umgesetzt. Das Enzym geht dabei mit den Substraten eine vorübergehende Verbindung (Enzym-Substrat-Komplex) ein, liegt aber wie alle Katalysatoren nach der Reaktion wieder in der Ausgangsform vor. Theoretisch ist eine enzymatische Umsetzung reversibel, d. h. die Produkte können wieder in die Edukte umgewandelt werden. Wie bei der Hinreaktion auch setzt das Enzym bei der Rückreaktion die Aktivierungsenergie um den gleichen Betrag herab. Enzyme zeichnen sich durch hohe Substrat- und Wirkungsspezifität aus, unter zahlreichen Stoffen wählen sie nur die passenden Substrate aus und katalysieren genau eine von vielen denkbaren Reaktionen. Es sind über 5.000 verschiedene Enzyme bekannt. Enzyme spielen eine tragende Rolle im Stoffwechsel aller lebenen Organismen, fast alle biochemischen Reaktionen werden von Enzymen katalysiert und gesteuert. Zur Namensgebung der Enzyme dient oft der Name des Substrates und die Endung "-ase". z.B. Lactase ist das Enzym, das die Spaltung des Milchzuckers (Lactose) katalysiert. Die Biotechnologie hat erfolgreich katalytische Antikörper (Abzyme) entwickelt, eine neuartige Form katalytisch aktiver Proteine. Auch Ribonukleinsäuren (RNA) können katalytisch aktiv sein; diese werden als Ribozyme bezeichnet.

Benennung und Einteilung

Nomenklatur nach IUPAC und IUBMB

Die IUPAC und International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB [1]) haben zusammen eine Nomenklatur der Enzyme erarbeitet, die diese heterogene und zahlreiche Vertreter enthaltende Gruppe der Moleküle klassifiziert. Hierzu erarbeitete die IUPAC Prinzipien der Nomenklatur:

  • Enzymnamen enden auf -ase, wenn es sich nicht um mehrere Enzyme in einem System handelt. (Beispiel: Hydrolase.)
  • Der Enzymname soll erklärend sein, also die Reaktion, die das Enzym katalysiert, beschreiben (Beispiel: Cholinesterase: ein Enzym, das die Estergruppe im Cholin-Molekül hydrolysiert'.)
  • Der Enzymname soll seine Klassifikation (siehe oben) enthalten. (Beispiel: Cholinesterase.)

Außerdem wurde ein Codesystem (siehe EC-Nummern) entwickelt, in dem die Enzyme unter einem Zahlencode aus vier Ziffern zu finden sind. Die erste Ziffer bezeichnet die Enzymklasse. Listen aller erfassten Enzyme gewährleisten ein schnelleres Auffinden des angegebenen Enzymcodes. Allerdings lassen die Codes nicht auf die Reaktion, die das Enzym katalysiert, zurückschließen. Dies ist mit dem Namen, wenn er nach obigen Regeln entwickelt wurde, möglich. Probleme der Nomenklatur ergeben sich etwa bei Enzymen, die mehrere Reaktionen katalysieren. Für sie existieren deshalb manchmal mehrere Namen. Einige Enzyme tragen Trivialnamen, die nicht erkennen lassen, dass es sich bei der genannten Substanz um Enzyme handelt. Da diese Namen aber traditionell eine breite Verwendung fanden, wurden sie teilweise beibehalten. (Beispiele: die Verdauungsenzyme Trypsin und Pepsin des Menschen.)

Weitere Informationen zur Nomenklatur von Enzymen: [2]

Klassifikation nach IUPAC und IUBMB

Es werden nach ihrer Funktion sechs Klassen von Enzymen unterschieden:

  1. Oxidoreduktasen, die Redoxreaktionen katalysieren.
  2. Transferasen, die funktionelle Gruppen von einem Substrat auf ein anderes übertragen.
  3. Hydrolasen, die Bindungen unter Einsatz von Wasser spalten.
  4. Lyasen, auch Synthasen genannt, die die Spaltung oder Synthese komplexerer Produkte aus einfachen Substraten katalysieren, allerdings ohne Spaltung von ATP.
  5. Isomerasen, die die Umwandlung von chemischen Isomeren beschleunigen.
  6. Ligasen oder Synthetasen, die die Bildung von Substanzen katalysieren, die chemisch komplexer sind als die benutzten Substrate, allerdings im Unterschied zu den Synthasen nur unter Energieverbrauch, das heißt durch ATP-Spaltung, enzymatisch wirksam sind.

Auch wenn ein Enzym von seiner Funktion her zu mehreren Klassen gehören könnte, wird es in der Regel nur einer dieser Klassen zugeordnet:

Aufbau

Enzyme lassen sich anhand ihres Aufbaus unterscheiden. Während viele Enzyme aus nur einer Proteinkette bestehen (Monomere), bilden andere Enzyme Oligomere aus mehreren Proteinketten. Einige Enzyme lagern sich mit weiteren Enzymen zu sogenannten Multienzymkomplexen zusammen und kooperieren miteinander oder regulieren sich gegenseitig. Umgekehrt gibt es auch einzelne Proteinketten, welche mehrere Enzymaktivitäten enthalten (multifunktionelle Enzyme). Eine weitere mögliche Einteilung berücksichtigt das Vorhandensein von Cofaktoren:

  • Reine Protein-Enzyme bestehen ausschließlich aus Protein, das aktive Zentrum wird nur aus Aminosäureresten und dem Peptidrückrad gebildet. Zu dieser Gruppe gehören beispielsweise das Verdauungsenzym Chymotrypsin und die Triosephosphatisomerase (TIM) der Glycolyse.
  • Holoenzyme bestehen aus einem Proteinanteil, dem Apoenzym, sowie aus einem Cofaktor. Beide zusammen sind für die Funktion des Enzyms wichtig. Organische Moleküle als Cofaktoren werden Coenzyme genannt und sind oft Abkömmlinge von Vitaminen. Sind sie kovalent an das Apoenzym gebunden, nennt man sie prosthetische Gruppen. Benötigt ein Enzym Metallionen (z. B. Eisen-, Zink- oder Kupferionen) als Cofaktoren, spricht man von einem Metalloenzym.

Funktion

Katalytische Wirksamkeit

Energiediagramm einer enzymatischen Reaktion: Die Aktivierungsenergie (freie Aktivierungsenthalpie) wird im Vergleich zur unkatalysiert Reaktionen durch Stabilisierung des Übergangszustandes gesenkt. Die freie Reaktionsenthalpie dagegen bleibt unverändert.

Die meisten biochemischen Reaktionen würden ohne Enzyme praktisch überhaupt nicht ablaufen oder nur extrem langsam. Enzyme erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit solcher Reaktionen um mehrere Größenordnungen, sie ermöglichen somit erst einen funktionierenden Stoffwechsel. Wichtig ist aber folgendes: Ein Enzym kann auf keinen Fall Reaktionen stattfinden lassen, die energetisch verboten sind, das heißt deren Produkte energetisch höher stehen als die Ausgangsstoffe (Substrate). Wie bei jeder spontan ablaufenden Reaktion muss die freie Reaktionsenthalpie () negativ sein. Das chemische Gleichgewicht wird durch das Enzym nicht verändert, wohl aber die Geschwindigkeit, mit der es sich einstellt. Die katalytische Wirksamkeit eines Enzyms beruht einzig auf seiner Fähigkeit, die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion zu senken. Die Aktivierungsenergie ist der Energiebetrag, der zunächst überwunden werden muss, um die Reaktion in Gang zu setzen. Während der Reaktion wird das Substrat zunehmend verändert, es nimmt einen energetisch ungünstigen Übergangszustand ein. Die Aktivierungsenergie ist nun der Energiebetrag der benötigt wird, um das Substrat in den Übergangszustand zu zwingen. Hier setzt die katalytische Wirkung des Enzyms an: Durch nicht-kovalente Wechselwirkungen mit dem Übergangszustand stabilisiert es diesen, so dass weniger Energie benötigt wird, um das Substrat in den Übergangszustand zu bringen. Das Substrat kann wesentlich schneller in das Reaktionsprodukt umgewandelt werden, da ihm gewissermaßen ein Weg "geebnet" wird.

Für die katalytische Wirksamkeit eines Protein-Enzyms ist das aktive Zentrum verantwortlich. An dieser Stelle bindet das Substrat und wird danach "aktiv" umgewandelt. Das aktive Zentrum besteht aus gefalteten Teilen der Polypeptidkette oder reaktiven Nicht-Eiweiß-Anteilen (Kofaktoren) des Enzymmoleküls. Eine spezielle Hohlstruktur im Enzym bewirkt, dass das aktive Zentrum mit einem strukturell passenden Substrat in Kontakt treten kann. Es kommt zur Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes. Wie ein Schlüssel in das zugehörige Schloss, so passt ein bestimmtes Substrat zum entsprechenden Enzym (Schlüssel-Schloss-Prinzip). Hierin liegt auch der "Schlüssel" zu der hohen Substratspezifität der Enzyme. Bereits kleine strukturelle Unterschiede können dazu führen, dass ein dem Substrat ähnlicher Stoff nicht mehr als Substrat erkannt wird. Hexokinase beispielswiese akzeptiert Glucose als Substrat, die verwandte Galactose jedoch nicht. Andere Enzyme besitzen eine breitere Substratspezifität, z. B. bauen Alkohol-Dehydrogenasen neben Ethanol auch andere Alkohole ab. Die Erkennung und Bindung des Subtrats gelingt durch nicht-kovalente Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrücken oder hydrophobe Wechselwirkungen zwischen Teilen des Enzyms und des Substrats. Fälschlicherweise vermittelt das Schlüssel-Schloss-Modell die Vorstellung, Substrat und Enzym seien starre Gebilde. Tätsächlich verändert das Enzym bei der Bindung des Substrats oft seine Gestalt, wobei die Bindungspartner erst in die nötige Nähe und räumliche Lage zueinander kommen. Man spricht bei dieser Art der Erkennung von induced fit oder induzierter Anpassung. Die Bindung des Substrats muss stark genug sein, um das oft gering konzentrierte Substrat (mikro- bis millimolare Konzentrationen) zu binden, sie darf jedoch nicht zu stark sein, da die Reaktion nicht mit der Bindung des Substrates endet. Wichtig ist eine noch stärkere Bindung des Übergangszustandes der Reaktion und damit dessen Stabilisierung. Nicht selten nehmen zwei Substrate an einer Reaktion teil, das Enzym muss dann die richtige Orientierung der Reaktionspartner zueinander garantieren. Letztere mechanistischen Eigenheiten einer enzymatischen Reaktion sind die Grundlage der Wirkungsspezifität eines Enzyms. Es katalysiert immer nur eine von vielen denkbaren Reaktionen der Substrate.

Ein Enzym katalysiert die Reaktion aus zwei Substraten ein Produkt zu erstellen.

Enzymkinetik

Die Enzymkinetik beschäftigt sich mit den Gesetzen, die den zeitlichen Verlauf enzymatischer Reaktionen beschreiben. Eine zentrale Größe hierbei ist die Reaktionsgeschwindigkeit, die von zahlreichen Faktoren abhängig ist. Neben Temperatur, Salzkonzentration und pH-Wert der Lösung, hängt sie von den Konzentrationen des Enzyms, der Substrate und Produkte sowie vom Vorhandensein von Effektoren (Aktivatoren oder Inhibitoren) ab. Ein bewährtes Modell zur Beschreibung einfacher Enzymreaktionen ist die Michaelis-Menten-Theorie.

Enzymhemmung

Als Enzymhemmung (Inhibition) bezeichnet man die Herabsetzung der katalytischen Aktivität eines Enzyms durch einen spezifischen Hemmstoff (Inhibitor). Es gibt verschiedene Typen der Enzymhemmung, die sich in ihrem Wirkmechanismus unterscheiden.

Irreversible Hemmung

Einige Arzneimittel und Gifte hemmen ein Enzym dauerhaft und unumkehrbar, man spricht auch von irreversibler Hemmung. Die Bindung des Inhibitors kann kovalenter Natur sein oder eine sehr starke nicht-kovalente Bindung. Bei den sogenannten Selbstmord-Inhibitoren handelt es sich um Substanzen, welche zunächst vom Enzym als Substrat erkannt und in das aktive Zentrum aufgenommen werden. Dort gehen sie jedoch eine feste kovalente Bindung mit Aminosäureresten des aktiven Zentrums ein, wodurch dieses dauerhaft blockiert wird. Bildlich gesprochen hat das Enzym durch die Aufnahme des Inhibitors "Selbstmord" begangen. Ein bekannter Selbstmord-Inhibitor ist das Antibiotikum Penicillin, welches ein Enzym der baktieriellen Zellwandsynthese irreversibel ausschalten kann.

Reversible Hemmung

Die sogenannte reversible Enzymhemmung ist grundsätzlich umkehrbar und spielt bei der Feinregulation des Stoffwechsels in lebenden Organismen eine entscheidende Rolle. Man teilt die reversible Hemmung in weitere spezielle Untertypen ein:

Das Substrat konkurriert mit dem Hemmstoff um die Bindung an das aktive Zentrum des Enzyms. Beide können nicht gleichzeitig an das Enzym binden. Der Inhibitor ist im Gegensatz zum Substrat aber nicht enzymatisch umsetzbar und stoppt dadurch die Enzymarbeit. Zunehmende Konzentrationen des Inhibitors führen zu einer zunehmenden Verdrängung des Substrats und damit zu einer Verminderung der Enzymaktivität. Eine Erhöhung der Substratkonzentration dreht diesen Vorgang um und ermöglicht eine vermehrte Substratumsetzung.
  • Unkompetitive Hemmung
Der Hemmstoff kann ausschließlich an den Enzym-Substratkomplex binden, nicht an das freie Enzym. Bindung des Hemmstoffes verhindert die katalytische Umsetzung des Substrates zum Produkt.
  • Nicht-kompetitive Hemmung
Der Hemmstoff bindet sowohl an das freie Enzym als auch an den Enzym/Substrat-Komplex. Der Enzym/Substrat/Inhibitor-Komplex ist katalytisch inaktiv.


Eine andere Einteilung betrachtet die Bindungsstelle des Inhibitors:

  • Isosterische Hemmung
Der Hemmstoff bindet an das aktive Zentrum des Enzyms.
  • Allosterische Hemmung
Während der allosterischen Hemmung bindet der Hemmstoff an eine zweite Bindungsstelle im Enzym, die vom aktiven Zentrum verschieden ist, ein allosterisches Zentrum. Die Bindung des Hemmstoffes an das allosterische Zentrum bewirkt eine Strukturänderung im aktiven Zentrum, woraus eine Herabsetzung der katalytischen Aktivität resultiert. Die allosterische Hemmung ist ein bedeutender Mechanismus der Stoffwechselregulation. Bei der als Endprodukt-Hemmung (Feedback-Hemmung) bekannten Regulation wirkt das Endprodukt eines Stoffwechselweges als allosterischer Inhibitor für das erste Enzym desselben Weges.

Regulation und Kontrolle der Enzymaktivität im Organismus

Enzyme wirken im lebenden Organismus in einem komplexen Geflecht von Stoffwechselwegen zusammen. Um sich schwankenden inneren und äußeren Bedingungen optimal anpassen zu können, ist eine feine Regulation und Kontrolle des Stoffwechsels und der zugrundeliegenden Enzyme nötig. Unter Regulation versteht man Vorgänge, die der Aufrechterhaltung stabiler innerer Bedingungen bei wechselnden Umweltbedingungen (Homöostase) dienen. Als Kontrolle bezeichnet man Veränderungen, die auf Grund von externen Signalen (z. B. Hormonen) stattfinden. Es gibt schnelle/kurzfristige, mittelfristige sowie langsame/langfristige Regulations- und Kontrollvorgänge im Stoffwechsel:

Kurzfristige Anpassung

Schnelle Veränderungen der Enzymaktivität erfolgen als direkte Antwort der Enzyme auf veränderte Konzentrationen von Stoffwechselprodukten, wie Substrate, Produkte oder Effektoren (Aktivatoren und Inhibitoren). Enzymreaktionen, die nahe am Gleichgewicht liegen, reagieren empfindlich auf Veränderungen der Substrat- und Produktkonzentrationen. Anhäufung von Substrat beschleunigt die Hinreaktion, Anhäufung von Produkt hemmt die Hinreaktion und fördert die Rückreaktion (kompetitive Produkthemmung). Allgemein wird aber den irreversiblen Enzymreaktionen eine größere Rolle bei der Stoffwechselregulation und Kontrolle zugeschrieben.

Von großer Bedeutung ist die allosterische Regulation . Substrat- oder Effektormoleküle, die im Stoffwechsel anfallen, binden an allosterische Zentren des Enzyms und verändern seine katalytische Aktivität. Allosterische Enzyme bestehen aus mehreren Untereinheiten (entweder aus gleichen oder auch aus verschiedenen Proteinmolekülen). Die Bindung von Substrat- oder Hemmstoff-Molekülen an eine Untereinheit führt zu Konformationsänderungen im gesamten Enzym, welche die Affinität der übrigen Bindungsstellen für das Substrat verändern. Eine Endprodukt-Hemmung (Feedback-Hemmung) entsteht, wenn das Produkt einer Reaktionskette auf das Enzym am Anfang dieser Kette allosterisch hemmend wirkt. Dadurch entsteht automatisch ein Regelkreis.

Mittelfristige Anpassung

Eine häufige Form der Stoffwechselkontrolle ist die kovalente Modifikationen von Enzymen, besonders die Phosphorylierung. Wie durch einen molekularen Schalter kann das Enzym beispielweise nach einem hormonellen Signal durch phosphat-übertragende Enzyme (Kinasen) ein- oder ausgeschaltet werden. Die Einführung einer negativ geladenen Phosphatgruppe zieht strukturelle Änderungen im Enzym nach sich und kann prinzipiell aktive als auch inaktive Konformationen begünstigen. Die Abspaltung der Phosphatgruppe durch Phosphatasen kehrt diesen Vorgang um, so dass eine flexible Anpassung des Stoffwechsels an wechselnde physiologische Anforderungen möglich ist.

Langfristige Anpassung

Als langfristige Reaktion auf geänderte Anforderungen an den Stoffwechsel werden Enzyme gezielt abgebaut oder neugebildet. Die Neubildung von Enzymen wird über die Expression ihrer Gene gesteuert. Eine solche Art der genetischen Regulation bei Bakterien beschreibt das Operon-Modell von Jacob und Monod. Das Anheften von Polyubiquitin-Ketten an Enzyme (Ubiquitinierung), katalysiert durch spezifische Ubiquitin-Ligasen, markiert diese für den Abbau im Proteasom, einem "Müllschlucker" der Zelle.

Vorkommen und Verwendung von Enzymen

In unserem Körper wirken Hunderte von verschiedenen Enzymen. Viele Enzyme befinden sich im Cytoplasma der Zellen. Zahlreiche von ihnen sitzen in den Biomembranen, die dieses Cytoplasma durchziehen. Andere können auch außerhalb der Zellen in Körperhohlräumen wirken, so wie die Verdauungsenzyme im Darmtrakt. Fehlt ein Enzym oder ist es etwa durch Vitaminmangel nicht aktiv, kann es zu schweren Stoffwechselstörungen kommen. Enzyme werden aber auch von der Industrie benötigt. Waschmitteln fügt man Lipasen (fettspaltende Enzyme), Proteasen (eiweißspaltende Enzyme) und Amylasen (stärkespaltende Enzyme) zur Erhöhung der Reinigungsleistung hinzu, weil diese Enzyme die entsprechenden Flecken zersetzen. Enzyme werden auch zur Herstellung einiger Medikamente und Insektenschutzmittel verwendet. Bei der Käseherstellung wirkt das Labferment mit, ein Enzym, das aus Kälbermägen gewonnen wurde. Viele Enzyme können heute mit Hilfe von gentechnisch veränderten Mikroorganismen hergestellt werden.

In der Medizin spielen Enzyme eine wichtige Rolle. Viele Arzneimittel hemmen Enzyme oder verstärken ihre Wirkung, um eine Krankheit zu heilen. Prominentester Vertreter solcher Arzneistoffe ist wohl die Acetylsalicylsäure, die das Enzym Cyclooxigenase hemmt und somit unter anderem schmerzlindernd wirkt. Die Diagnostik verwendet Enzyme, um Krankheiten zu entdecken. In den Teststreifen für Diabetiker befindet sich zum Beispiel ein Enzymsystem, das unter Einwirkung von Blutzucker einen Stoff produziert, dessen Gehalt gemessen werden kann. So wird indirekt der Blutzuckerspiegel gemessen.

Viele Vergiftungen sind auf die Hemmung von Enzymen zurück zu führen. Die meisten Schwermetalle wirken giftig durch ihre hemmende Wirkung auf Enzyme. Auch das wohl bekannteste Gift Cyankali wirkt hemmend auf ein Enzymsystem.

Immobilisierung von Enzymen in der Biotechnologie

Ein immobilisiertes Enzym ist ein Enzym, das in besonderer Weise chemisch gebunden vorliegt, durch Adsorption an einem Trägermaterial haftet oder in Membranen oder Mikrokapseln eingeschlossen ist. Letztere sind für das Enzym undurchlässig, aber erlauben trotzdem einen stetigen Austausch von Substrat und Produkt. (Vorteile: garantiert längere Halbwertszeit der Enzymaktivität, einfache Abtrennung des Reaktionsprodukts, kontinuierliche Arbeitsweise. Nachteile: erhöhte Herstellungskosten, Aktivitätsverlust, Massentransfer limitiert.)

Man unterscheidet grob zwischen drei verschiedenen Immobilisierungstechniken:

  • Adsorption: Bei dieser Technik adsorbieren die Enzyme am Trägermaterial mit großen Oberflächen (zum Beispiel Silicagele oder modifizierte Dextrane) oder werden über ionische Kräfte zwischen der Oberfläche und geladenen Gruppen des Enzyms gebunden.
  • Kovalente Bindung: Bei dieser Technik findet eine echte Bindung zwischen der Trägeroberfläche und dem Enzym statt. Meistens wird ein aktivierter Träger verwendet, der mit funktionellen Gruppen der Aminosäuren reagiert.
  • Immobiliserung durch Einschluss: Hier werden durch gezielte Polymerisation die Enzyme in eine kugel- oder schlauchförmige Matrix, in Mikrokapseln oder Membranen eingeschlossen.

Literatur

Allgemein:

  • Berg, Tymoczko, Stryer: Biochemie. 5. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg Berlin 2003, ISBN 3-8274-1303-6

Enzymkinetik und Enzymhemmung:

  • Hans Bisswanger: Enzymkinetik. 3. Auflage. WILEY-VCH Verlag, Weinheim 2000, ISBN 3-527-30096-1

Regulation und Kontrolle:

  • David Fell: Understanding the Control of Metabolism. Portland Press Ltd, London 1997 Reprinted 2003, ISBN 1-85578-047-X

Vorlage:Commons2

Vorlage:Kandidat (Lesenswert)

Abgerufen von „https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Enzym&oldid=9905845“