Enzyme

in Biologie, geschrieben von Ingrid D.

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Enzyme ermöglichen den geregelten und streng regulierten Ablauf chemischer Reaktionen im Organismus. In lebenden Zellen kennt man bisher etwa 3000 Enzyme. 150 davon sind isoliert und genau untersucht worden.

 
Kennzeichen:
Biokatalysatoren:
Viele Stoffwechselreaktionen in lebenden Systemen würden bei Körpertemperatur und normalem Druck nur sehr langsam ablaufen. In Zellen reagieren Enzyme als Reaktionsbeschleuniger = Katalysatoren.

Eigenschaften einer Katalysators:
  • Setzen die Aktivierungsenergie, die erforderlich ist, um eine Reaktion in Gang zu bringen herab, und beschleunigen sie dadurch.
Beispiel: H2O2 entsteht immer in kleinen Mengen bei Oxidationsprozessen in wässriger Umgebung. Da es jedoch ein Zellgift darstellt, müss es sofort abgebaut werden. Hier sorgt das Enzym Katalase (Leber) für eine schnelle Zerlegung in Wasserstoff und Sauerstoff. Auch in diesem Fall wird die Energieschwelle so weit herabgesetzt, dass die Körpertemperatur ausreicht, um die Reaktion ablaufen zu lassen.

Sie gehen unverbraucht aus der Reaktion heraus; scheinen also im Endprodukt nicht auf.
Sie sind bereits in kleinsten Mengen wirksam.
Sie wirken nur in wässrigen Lösungen (z.b. Verdauungssäfte, Blut,…)
 
 
Aufbau von Enzymen
a.) Enzyme sind chemisch großteils Proteine, z.B. Trypsin, Lipase, Pepsin, Urease, Lysozym…..
Es gibt aber auch katalytisch wirksame RNA.
Die restlichen Enzyme haben Proteidcharakter,d.h.an einem Eiweißanteil (Apoenzym) ist ein Molekülteil ohne Eiweißcharakter (Coenzym) gebunden. Wenn ein Coenzym nicht fest mit dem Apoenzym verknüpft ist und auch auf andere Apoenzyme übertragen werden kann, spricht man von Cosubstrat. Besonders wichtige Cosubstrate sind ATP bzw.ADP (Übertragung von Phosphatgruppen), NADH/H+ bzw. NAD+ und NADPH/H+   (beide wirken wasserstoffübertragend).

b.) Enzyme besitzen, wie alle Proteine, eine hochgeordnete, 3-dimensionale Struktur. Verlieren sie diese Struktur ( Hitze, Säuren, Sauerstoff), können sie ihre Funktion nicht mehr ausüben, sie denaturieren.
 
c.) Die Raumstruktur zeigt eine Besonderheit. Teile der Aminosäurekette bilden in ihrem Inneren eine muldenartige Vertiefung = „hydrophobe Tasche“  =  aktives Zentrum. In dieses passt das Substrat genau hinein = Schlüssel – Schloss – Prinzip
Nur an dieser Stelle findet die chemische Reaktion statt. Das Molekül, das hier umgesetzt wird = Substratmolekül, geht eine lockere Bidnung mit dem Enzym ein = Enzym – Substrat- Komplex.
 
 
Phasen einer enzymatisch katalysierten Reaktion
  1. Zunächst muss sich das Substrat mit dem aktiven Zentrum zu einem Enzym – Substrat -Komplex verbinden.
  2. In diesem Augenblick befindet sich das Substrat im Zustand höchster Reaktionsbereitschaft = aktivierter Übergangszustand.
  3. Schon Bruchteile von hunderttausendstel Sekunden später hat die chemische Reaktion stattgefunden. Dabei hat sich das Substratmolekül so verändert, dass es nicht mehr ins aktive Zentrum passt.
  4. Es löst sich daher ab. Das Enzym ist dabei völlig unverändert und steht für die nächste Reaktion zur Verfügung. Auf diese Weise kann ein einziges Enzym pro Minute zwischen tausend und mehreren Millionen Substrate umsetzen. 

 

Spezifität der Enzyme

a.) Substratspezifisch
Wie schon erläuertert, müssen Substrat und Enzym wie Schlüssel – Schloss zueinander passen., damit eine Reaktion stattfinden kann. Daraus folgt notwendigerweise, dass ein bestimmtes Enzym nur ein bestimmtes Substrat katalysieren kann.
  1. Beispiel : Das Enzym Maltase kann nur die Maltose in zwei Moleküle Glukose zerlegen.Das aktive Zentrum ist so spezifisch gestaltet, dass nur die Maltose und nicht die sehr ähnlich gebaute Cellobiose zerlegt wird. Der geringfügige Unterschied in der Anordnung gleicher Moleküle (Isomerie= gleiche Summenformel aber verschiedene Strukturformel) verhindert die Anlagerung an das aktive Zentrum.
  2. Beispiel: Urease reagiert nur mit Harnstoff nicht aber mit Thioharnstoff, bei dem das Sauerstoffatom durch ein Schwefelatom ersetzt ist.

b.) Wirkungsspezifisch
Die Spezifität geht aber noch weiter: Ein Enzym kann nur einen speziellen Reaktionstyp katalysieren.
Beispiel: Anaerober Glukoseabbau
Mikroorganismen verwerten die Brenztraubensäure (BTS), die beim Glukoseabbau ensteht recht unterschiedlich:.
  • In Hefezellen wird die BTS zuerst decarboxyliert (CO2-Abspaltung) und anschließend zu Alkohol (Ethanol) reduziert (H-Atome angelagert). 
  • Milchsäurebakterien dagegen reduzieren die BTS sofort, d.h. sie lagern zwei Wasserstoffatome an Milchsäure
Die Substratspzifität eines Enzyms resultiert aus der räumlichen Struktur , die Wirkungsspezifität resultiert aus der chemischen Zusammensetzung des aktiven Zentrums.
Sie sind bei jeder Enzymsorte anders, abhängig von der Aminosäuresequenz des Moleküls. Letztlich entscheidet also die bloße Reihenfolge der Aminosäuren darüber, an welchem Substrat ein Enzym welche chemische Veränderung bewirkt.
In letzter Konsequenz bedeutet dieser Zusammenhang, dass in einem Enzymmolekül die Information darüber, an welcher Stelle und in welcher Weise es in den Stoffwechsel einer Zelle eingreift, in Form seiner Aminosäuren gespeichert ist.


Abhängigkeit der Enzymaktivität von verschiedenen Faktoren
Die Aktivitäteines Enzyms zeigt sich in der Stoffmenge, die von ihm in einer bestimmten Zeit umgesetzt wird. Der Stoffumsatz pro Zeit ist als Reaktionsgeschwindigkeit definiert; sie ist ein geeignetes Maß für die Enzymtätigkeit. Bei einer bestimmten Enzymkonzentration hängt die Reaktionsgeschwindigkeit von verschiedenen Faktoren ab.
 
1.)  Temperatur:
 Dieanschließende Kurve ist das Ereignis zweier sich überlagender Funktionen.

RGT-Funktion:
(Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Funktion = RGT-Regel): bei einem Temperaturanstieg von 100 C erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit auf das Zwei-Dreifache.

Inaktivierungsfunktion:
Ab einer bestimmtes Temperatur lässt die katalytische Wirksamkeit des Ezyms allerdings erheblich nach, weil es durch die Hitze denaturiert wird. Durch die Wärmeenergie werden die Bindungen zwischen den Aminosäureresten, die die Tertiärstruktur stabilisieren, gelöst. Diese Veränderung betrifft auch das aktive Zentrum, die Bindung des Substrats ist nicht mehr möglich – das Enzym gerinnt (Enzyme sind ja Proteine!).
Als Folge dieser beiden Faktoren zeigen Enzyme ein Temperaturoptimum. Bei Enzymenvon Bakterien die in heißen Quellen leben liegt ea ca. bei800 C. Bei Säugern und Vögeln liegt es meist im Bereich der Körpertemperatur. 
 
2.)   pH-Wert:
 Enzymatische Reaktionen laufen wie alle zellulären Stoffwechselprozesse in wässriger Lösung ab. Die sauren bzw. basischen Seitenketten der Aminosäuren reagieren auf den pH-Wert der umgebenden Flüssigkeit. Da die Ionenbindungen zwischen den sauren und basischen Aminosäuren zur Ausbildung der spezifischen Raumstruktur des Enzyms beitragen, wird eine Änderung des pH-Wertes auch eine Veränderung der Raumstruktur (aktives Zentrum) mit sich bringen.

Im menschlichen Verdauungstrakt zum Beispiel kommen ganz verschiedene pH-Werte vor: Im Mund finden wir pH 7, dort wirkt die Stärke spaltende    -Amylase des Speichels. Im Magen kann der pH-Wert 1,5 betragen; dort wirkt das Eiweiß spaltende Pepsin. Im Dünndarm schließlich liegt ein basischer pH-Wert um 8 vor, bei dem das Enzym Trypsin wirkt. Jedes Enzym zeigt also ein pH-Optimum. Extreme pH-Werte verändern die Raumstruktur irreversibel – die Enzymmoleküle gerinnen (Proteine denaturieren). Die meisten Enzyme in unserem Organismus arbeiten optimal bei einem pH-Wert von 7.
 
Bei manchen Verdauungsstörungen muss man Verdauungsenzyme schlucken. Damit diese Enzyme , die ja Proteine sind, nicht schon im Magen durch das Pepsin abgebaut werden, schließt man sie in Kapseln ein, die durch die Magensäure nicht angegriffen werden und sich erst im basischen Milieu des Dünndarms auflösen.


3.)  Mineralstoffe und Spurenelemente:
Viele enzymatische Reaktionen verlaufen nur optimal, wenn bestimmte anorganische Ionen in der richtigen Konzentration vorhanden sind = Konzentrationsoptimum.
Von den Mineralstoffen ist an erster Stelle Magnesium zu nennen. Es liegt als Mg2+ -Ion vor und wirkt als Enzymaktivator vor allem bei ATP-abhängigen Reaktionen.
Tagesbedarf eines Erwachsenen beträgt 200 – 300 mg Magnesium.

Ein weiterer wichtiger Mineralstoff ist Calcium. Es ist im menschlichen Körper zu 99% in den Knochen deponiert. Strömt Calcium in die Zellen (Nerven,Muskeln…)ein, werden dort Enzyme aktiviert. Der Tagesbedarf eines Erwachsenen beträgt 500 – 800 mg Calcium.

Spurenelemente beeinflussen in noch geringeren Konzentrationen die Enzymaktivität:
Cu, Fe, Mn, Zk, Mb. Se, Ni.
 
 
4.)    Schwermetallionen:
Quecksilber-, Blei-, Kupfer- und Cadmiumionen führen zu einer schnellen und irreversiblen Hemmung der Enzymaktivität. Diese Ionen gehen mit den Aminosäuren stabile Bindungen ein und deformieren dadurch dieTertiärstruktur.


Einfluss der Substratkonzentration auf die Enzymaktivität
Die Geschwindigkeit einer enzymkatalysierten Reaktion hängt von der Konzentration des Substrats und Enzyms ab.

Im Punkt 1.: Zunächst ist die Substratkonzentration niedrig; nicht jedes Enzymmolekül hat ein Substratmolekül. Dann steigt die Reaktionsgeschwindigkeit des Enzyms mit zunehmender Substratkonzentration beträchtlich an.

Im Punkt 2.: Genau die Hälfte der Enzymmoleküle sind mit Substrat gebunden = halbmaximale Reaktionsgeschwindigkeit (1/2 vmax).
Bei weiterer Erhöhung der Substratkonzentration tritt eine Sättigung ein.

Im Punkt 3.: Hier sind alle Enzymmoleküle mit Substratmolekülen besetzt. Eine weitere Erhöhung der Substratkonzentration kann die Reaktionsgeschwindigkeit nicht mehr erhöhen. (wenn kein Enzym mehr frei ist, kann keinSubstrat mehr umgesetzt werden).

1913 haben Leonor Michaelis und Maud Menten diesenZusammenhang erkannt

KM = Michaelis – Menten Konstante

Aussagen der Michaelis – Konstanten:
  1. Die Michaelis- Konstante KM ist die Substratkonzentration, bei der halbmaximale Reaktionsgeschwindigkeit vorliegt. Sie ist eine charakteristische, enzymspezifische Konstante. Sie ist ein Maß für die Affinität (Bindungsfreudigkeit) des Enzyms zu seinem Substrat.
  2. Bei einer kleinen KM ist nur wenig Substrat zur Halbsättigung notwenig; das Enzym weist eine hohe Affinität zu seinem Substrat auf und damit eine hohe Aktivität.
  3. Je kleiner KM, umso schneller erfolgt die Bildung des Enzym-Substrat-.Komplexes; der Anstieg der Sättigungskurve erfolgt sehr steil.
  4. Ein großer KM-Wert deutet auf eine geringere Affinität und Aktivität des Enzyms hin.. Die Substratsättigungskurve verläuft flach.

Die Bedeutung der Michaelis-Konstanten ergibt sich beispielsweise in der Medizin daraus, dass bei bestimmten Untersuchungen an Patienten Enzymaktivitätsmessungen durchgeführt werden müssen. Weichen dabei die KM-Werte von den Sollwerten ab, sind Rückschlüsse auf bestimmte Erkrankungen möglich.


Enzyme können gehemmt werden
Einige tausend Enzyme katalysieren in jeder Zelle eine große Zahl verschiedener Stoffwechselreaktionen. Die Anpassung der Stoffwechselaktivitäten an den Bedarf ist für die Zelle von großer Bedeutung. Eine Möglichkeit der Stoffwechselbeeinflussung ist die Neusynthese von Enzymen, wenn plötzlich Substrat vorliegt; z.B. die Bildung von Alkoholhydrogenase in der Leber nach Alkoholgenuss. Die Synthese dauert allerdings lange. Eine sehr schnelle andere Möglichkeit ist die Hemmung bzw. Aktivierung schon vorhandener Enzyme.

Sehr gut untersucht sind die Hemmmechanismen bei Enzymen, die z.B. dann auftreten, wenn schon genügend Substrat vorhanden ist. Obwohl der Begriff Hemmung negativ belegt ist, sind gezielte Hemmungen und Aktivierungen wichtige Regulationsmechanismen in der Zelle.

a.) Hemmung durch Substratüberschuss
Aufgrund hoher Substratkonzentrationen behindern sich die Substrate gegenseitig. Die Enzymreaktion wird verlangsamt oder kommt ganz zum Erliegen. Diese Hemmung ist reversibel, d.h.der Inhibitor kann das Enzym wieder verlassen.

b.) Kompetitive Hemmung = Verdrängungshemmung
Der Hemmstoff = Inhibitor besitzt eine ähnliche Struktur wie das Substrat. Er kann sich deshalb an das aktive Zentrum des Enzyms binden, wird aber nicht umgesetzt. Substrat und Enzym konkurrieren also um das aktive Zentrum. Der Inhibitor blockiert für kurze Zeit die Anlagerung und Umsetzung des Substrats. Ob Substrat oder Inhibitor das Enzym besetzen, ist alleine von der Konzentration abhängig. Je höher die Konzentration des Inhibitors, desto mehr Enzymmoleküle werden blockiert. Wird die Substratkonzentration sehr stark erhöht (bei gleichbleibender Hemmstoffkonzentration), verschwindet die Hemmwirkung, da nun der Hemmstoff vom aktiven Zentrum verdrängt werden kann, d.h. auch diese Hemmung ist reversibel.
 
Aus Bernsteinsäure, die im Zellstoffwechsel vorkommt, werden zwei Wasserstoffatome abgespalten. Dadurch entsteht Fumarsäure. Diese Reaktion kann durch ein chemisch ähnliches Molekül, die Malonsäure, gehemmt werden. Malonsäure lagert sich ebenfalls an das aktive Zentrum des Enzyms, ohne allerdings umgesetzt zu werden. Man nennt die Malonsäure dann den Inhibitor für diese Reaktion.


Viele Giftstoffe, aber auch Medikamente, wirken, indem sie Enzyme kompetitiv hemmen.
Bakterielle Infektionen können sehr unangenehm sein: der Arzt verschreibt Antibiotika oder Sulfonamide. Diese Substanzen hemmen das Wachstum der Bakterien – wie, wird am folgenden Beispiel gezeigt: Bakterien benötigen für ihr Wachstum Folsäure. Das ist ein kompliziert gebautes Molekül. Einer der Bausteine ist die para-Aminobenzoesäure (PABS). Wenn Bakterien Folsäure herstellen, bauen sie PABS mit noch anderen Substanzen in einer enzymatisch katalysierten Reaktion zusammen. Sulfonamide besitzen eine der PABS sehr ähnlichen Struktur. Sie können daher an das aktive Zentrum des Enzyms anlagern, das die Folsäure-Herstellung katalysiert. Wegen der Wirkkungsspezifität kann das Enzym die ähnlich gebaute Substanz aber nicht zur Reaktion bringen. Dadurch wird das aktive Zentrum        für das eigentliche Substrat blockiert. 
 
c.) Nichtkompetitive Hemmung
Es gibt auch Enzyme , die von Molekülen gehemmt werden, die keine strukturelle Ähnlichkeit mit dem Substrat haben. Man hat festgestellt, dass solche Enzyme neben dem aktiven Zentrum noch eine zweite Bindungsstelle haben. Hier wirkt als Substrat ein Zellgift = Inhibitor = meist Schwermetalle (Pb,Hg,Cd…) auf das Enzym ein, indem es an unterschiedliche Stellen des Enzyms binden kann, und dadurch die 3-dimensionale Struktur des Enzyms so verändert, dass das eigentliche Substrat nicht mehr ins aktive Zentrum passt; die Substratumsetzung wird dadurch erschwert bis sogar verhindert. Da der   Hemmstoff nicht am aktiven Zentrum, sondern an seiner zweiten Bindungsstelle angreift = nichtkompetitive Hemmung.
Das Enzym Phosphofructokinase wandelt Fructose-6-Phosphat in Fructose-1,6-diphosphat um. Durch die später im Glucosestoffwechsel auftretende Citronensäure wird das Enzym gehemmt und damit der Glucoseabbau verringert.
 
Da diese kompetitive Hemmmoleküle nicht um das aktive Zentrum konkurrieren, kann auch eine Erhöhung der Substratkonzentration die Hemmung nicht beeinflussen . Da sie außerdem nicht reversibel ist , eignet sich die nichtkompetitive Hemmung nicht für die Regulation der Enzymaktivität.

d.) Allosterische Hemmung – Aktivierung
Hier weisen Substrat und Hemmstoff keine strukturellen Ähnlichkeiten auf. Allosterische Enzyme verfügen über ein aktives Zentrum in dem das Substrat gebunden und umgesetzt wird; weiters gibt es ein allosterisches Zentrum; an dieses bindet der Effektor.
Der Effektor kann das Enzym hemmen oder aktivieren.
Wirkt der Effektor hemmend = Inhibitor: dann verändert dieser die räumliche Struktur des Enzyms, so dass das Substrat nicht mehr im aktiven Zentrum binden kann. Die Stärke der hemmenden Wirkung ist durch die Substratkonzentration nicht mehr beinflussbar. Durch den Hemmstoff wird eine bestimmte Menge des Enzyms inaktiviert, sodass der Anteil aktiver Enzymmoleküle sinkt.

Aktiviert der Effektor das Enzym = Aktivator, so verändert sich mit der Bindung des Aktivators das Enzym die räumliche Struktur, so dass das Substrat binden kann.

Allosterische Hemmung und Aktivierung sind reversibel.
 
Ein Beispiel für allosterische Regulation ist dieAktivierung eines Enzyms durch ADP sowie die Hemmung durch ATP. Alle drei konkurrieren aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeit um das allosterische Zentrum.
Wenn genügend ATP vorhanden ist, besetzt es die allosterischen Zentren und hemmt das Enzym und damit die Synthese von ATP aus ADP + P. Ist viel ADP vorhanden, besetzt vorwiegend dieses Molekül die allosterischen Zentren, und die ATP-Synthese wird aktiviert (Rückkopplungsmechanismus).


Coenzyme
Ein Großteil enzymatischer Reaktionen kann nur ablaufen, wenn außer dem Enzym und dem Substrat noch ein weiterer Reaktionspartner vorhanden ist = Coenzym. Es ist ein Teil des aktiven Zentrums und ein Nicht – Proteinanteil des Enzyms. Im Gegensatz zum Enzym wird es bei der chemischen Reaktion verändert, d.h. für Coenzyme gilt nicht die Definition wie für einen Katalysator, der ja unverändert aus der Reaktion hervorgeht. Das Coenzym übernimmt das Substrat oder einen Teil des Substratmoleküls, das umgesetzt werden soll. Erst in einer weiteren Reaktion wird das Coenzym dann wieder regeneriert.
 Viele Coenzyme können vom Körper nicht selbst synthetisiert werden und müssen deshalb mit der Nahrung aufgenommen werden. Sie tragen wesentlich zur Vernetzung vieler chemischer Reaktionen bei, indem sie wichtige Stoffgruppen übertragen. 
 
a.)  Wasserstoffübertragende Coenzyme: z.B. bei Glykolyse Fotosynthese
NAD = Nikotinadmid-adenin-dinukleotid                           NADH2
NADP                                                                       NADPH2 
FAD   = Flavin-adenin-dinukleotid                                  FADH2

b.)  Energieübertragende Coenzyme: Glykolyse, Fotosynthese,
ATP                ADP +P

Die Menge an umgesetzten ATP ist ca 70kg pro Tag.Jedes ATP durchläuft den Zyklus ca.

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