Enzym: Unterschied zwischen den Versionen

Ein Enzym ist ein biochemischer Katalysator, der hilft, ein Substrat zu spalten oder anderweitig zu verändern. Das Enzym erleichtert die dafür nötige Reaktion, indem es die Aktivierungsenergie herabsetzt, die stets überwunden werden muss, damit es überhaupt zu einer Stoffumsetzung kommt. Das Enzym nimmt an der biochemischen Reaktion teil, geht mit den umzusetzenden Stoffen sogar eine vorübergehende Verbindung, den Enzym-Substrat-Komplex ein, wird aber durch die Reaktion nicht verändert.

Enzyme sind ihrer chemischen Natur nach Proteine. Für die katalytische Wirksamkeit ist das so genannte aktive Zentrum verantwortlich, das aus besonders gefalteten Teilen der Polypeptidkette oder reaktiven Nicht-Eiweiß-Anteilen des Enzymmoleküls besteht. Eine spezielle Hohlstruktur im Enzym bewirkt, dass das aktive Zentrum mit einem passenden Substrat in Kontakt treten kann. Jedoch kann ein bestimmtes Enzym nur ein bestimmtes Substrat umsetzen. Man nennt dies die Substratspezifität. Des Weiteren ist ein Enzym nur in der Lage, eine bestimmte Reaktion zu katalysieren. Dies nennt man Wirkungsspezifität. Ein Substrat kann dagegen von unterschiedlichen Enzymen umgesetzt werden.

An den komplexen biochemischen Reaktionen der meisten Stoffwechselwege sind mehrere Enzyme beteiligt. Bestimmt ein Enzym maßgeblich die Reaktionsgeschwindigket eines Stoffwechselwegs, nennt man es Schrittmacherenzym. Enzyme, die in einem Stoffwechselweg stark exergone Reaktionen katalysieren, die in der Zelle nicht mehr umkehrbar sind, bezeichnet man als Schlüsselenzyme.

Reine Protein-Enzyme

• Das aktive Zentrum wird bei ihnen von bestimmten Aminosäure-Resten gebildet. Zu dieser Gruppe von Enzymen gehören die Hydrolasen, die ein Substrat hydrolytisch spalten.
• Neben diesen reinen Protein-Enzymen gibt es noch Enzyme mit einem reaktiven Nicht-Eiweiß-Anteil (Cofaktor). Der Cofaktor eines Enzyms kann entweder ein anorganisches Ion sein (z.B. ein Eisen- oder Mangan-Ion) oder ein komplexeres organisches Molekül, das man Coenzym nennt. Einige Enzyme benötigen sowohl ein Coenzym als auch ein oder mehrere Metallionen für ihre Aktivität. Der Cofaktor kann dauerhaft oder nur vorübergehend mit dem Proteinanteil des Enzyms verbunden sein. Daher unterscheidet man:

Enzyme mit prosthetischer Gruppe

• Viele Enzyme haben eine prosthetische Gruppe fest und dauerhaft gebunden.
• Das aktive Zentrum wird von einem Nicht-Protein-Molekül, der so genannten prosthetischen Gruppe, gebildet. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Vitamin-Derivat handeln.

Holoenzyme

• Holoenzyme bestehen aus einem Apoenzym und einem Coenzym (Cosubstrat).
• Das Apoenzym ist der Proteinanteil, das Coenzym oder Cosubstrat ein abspaltbarer Cofaktor. Das Holoenzym ist der Komplex aus Apo- und Coenzym, der nur vorübergehend gebildet wird.

Der Proteinanteil ist verantwortlich für die Substratspezifität und für die Wirkungsspezifität (Reaktionsspezifität) eines Enzyms, das heißt, er entscheidet darüber, welche Stoffe überhaupt umgesetzt werden, und welche von den zahlreichen möglichen Reaktionen das Substratmolekül eingeht.

Die Enzymaktivität, einer der Parameter der Enzymkinetik, ist von äußeren Faktoren abhängig.

• Temperatur: Eine Temperaturerhöhung vermag die Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion zu steigern, jedoch nur dann, wenn durch die erhöhte Temperatur die Enzymproteine nicht denaturiert werden (=Temperaturoptimum). Grundlage für dies ist die RGT-Regel (Reaktions-Geschwindigkeits-Temperatur Regel). Erhöht sich die Temperatur um 10°C, so verdoppelt sich die Geschwindigkeit, solange diese Temperatur nicht das Temperaturoptimum überschreitet
• pH-Wert: Auch pH-Wert-Änderungen haben einen Einfluss auf die Enzymaktivität, da die Enzymkatalyse häufig vom Zustand dissoziabler Gruppen am Enzym oder Substrat abhängt. Deswegen haben alle Enzyme bei einen bestimmten pH-Wert ihre optimale Wirksamkeit, man nennt dies "pH-Optimum".

In unserem Körper wirken Hunderte von verschiedenen Enzymen. Fehlt ein Enzym oder ist es z.B. durch Vitaminmangel nicht aktiv, kann es zu schweren Stoffwechselstörungen kommen. Enzyme werden aber auch von der Industrie benötigt. Waschmitteln fügt man die Lipase, ein fettspaltendes Enzym, zur Erhöhung der Reinigungsleistung hinzu. 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.

Die frühere Bezeichnung für Enzym war das Wort Ferment. Meistens endet die Bezeichnung eines Enzyms mit der Silbe -ase, z.B. Lipase, Amylase, Proteinase. Enzyme werden also oft nach dem Namen des Substrates benannt. Sie können aber auch nach dem Vorgang benannt werden, den sie katalysieren. Einige Ausnahmen von der Regel sind die Eiweiß spaltenden Enzyme Trypsin und Chymotrypsin aus der Bauchspeicheldrüse sowie das im Magen wirkende Pepsin; diese Enzyme haben ihre traditionellen Trivialnamen beibehalten.

Nach internationalem Standard lassen sich Enzyme aufgrund der von ihnen katalysierten Reaktionen in sechs Klassen einteilen, denen jeweils eine EC-Nummer (Enzyme Commission) zugeordnet wird:

• Gruppe I: Oxidoreduktasen
• Gruppe II: Transferasen
• Gruppe III: Hydrolasen
• Gruppe IV: Lyasen (Synthasen)
• Gruppe V: Isomerasen
• Gruppe VI: Ligasen (Synthetasen)

Man unterscheidet vier Formen der Enzymhemmung:

Kompetitive Hemmung

Der Hemmstoff (Inhibitor) konkurriert mit dem Substrat um das aktive Zentrum, da sich Hemmstoff und Substrat in ihrer chemischen Struktur sehr ähneln. Unterschied zum Substrat ist, dass der Inhibitor vom Enzym nicht umgesetzt werden kann und dadurch die Enzymarbeit stoppt. Jedoch bleibt das Enzym nur bei ausreichend hoher Hemmstoff-Konzentration gehemmt. Nimmt die Konzentration des Hemmstoffes ab und die Substratkonzentration zu, kann wieder Substrat vom Enzym umgesetzt werden.

Somit haben reversible kompetitive Inhibitoren keinen Einfluss auf die maximale Reaktionsgeschwindigkeit V_max. Erhöht wird jedoch die Michaeliskonstante, da in Anwesenheit eines kompetitiven Inhibitors eine höhere Substratkonzentration notwendig ist, um die halbmaximale Umsetzungsgeschwindigkeit zu erreichen.

Nichtkompetitive Hemmung

Bei einer nichtkompetitiven Hemmung erfolgt keine Anlagerung des Inhibitors an das aktive Zentrum des Enzyms (Substratbindungsstelle). Statt dessen bindet der Inhibitor an einen anderen Ort des Enzyms. Diese Bindung führt zu einer Konformationsänderung des Enzyms, das dadurch inaktiviert wird. Die Substratbindung selbst wird nicht beeinträchtigt. Die Bindung des Inhibitors und die Inaktivierung des Enzyms finden daher auch unabhängig vom Substrat statt.

Ein nichtkompetitiver Inhibitor verändert für die katalytische Aktivität wichtige Gruppen des Enzymmoleküls. Diese Veränderungen sind häufig irreversibel, beispielsweise bei Einwirkung von Schwermetallionen auf Enzymproteine. Bei einer nichtkompetitiven Hemmung wird V_max demnach herabgesetzt, jedoch bleibt die Michaeliskonstante unverändert.

Allosterische Hemmung

Der Inhibitor wird bei dieser Form der Hemmung an einem anderen Zentrum des Enzyms aktiv, dem allosterischen Zentrum, dort heftet es sich reversibel an und verändert die Form des aktiven Zentrums, so dass das Substrat nicht mehr in das Enzym passt. Durch eine Substratkonzentrationserhöhung wird der Inhibitor aus dem Enzym verdrängt und die Reaktion kann weiterlaufen.

Feedback Hemmung

Ein Variante der allosterischen Hemmung, nur hierbei dient das Endprodukt als Inhibitor, dadurch entsteht automatisch ein Regelkreis. Diese auch als Endprodukthemmung bezeichnete Variante sorgt dafür, dass ein Stoff nur so lange synthetisiert wird, bis er sich anzusammeln beginnt. Dadurch spart der Organismus Rohstoffe und Energie. Eine Feedback-Hemmung ist oft bei Multienzymkomplexen vorzufinden.

• Geschichte der Entdeckung der Enzyme
• Aufbau und Wirkungsweise von Enzymen
• Enzymatik
• Enzyme: EC Nomenklatur - 1. Ebene: Reaktionstypen der Enzyme