Enzym

Grundprinzip und Bedeutung

Enzyme, auch Fermente, sind biologische Großmoleküle, die als Katalysatoren bestimmte chemische Reaktionen beschleunigen. Die Reaktionen könnten grundsätzlich auch ohne Enzym stattfinden, wären dann aber meist sehr langsam. Die meisten Enzyme sind Proteine und werden in Zellen durch Proteinbiosynthese an Ribosomen gebildet. Ausnahmen sind katalytisch aktive Nukleinsäuren: natürlich vorkommende RNA kann als Ribozym wirken; künstlich hergestellte katalytisch aktive DNA heißt Desoxyribozym.

Enzyme steuern den überwiegenden Teil der biochemischen Reaktionen. Dadurch regulieren Zellen Energiefluss und Stoffumsatz in Stoffwechselwegen. Sie sind unter anderem an Transkription durch RNA-Polymerase, DNA-Replikation durch DNA-Polymerase und Verdauung beteiligt. Nahezu jede biochemische Reaktion in Organismen wird durch Enzyme ermöglicht und kontrolliert.

Namen, Klassen und Aufbau

Nach IUPAC und IUBMB sollen Enzymnamen meist auf „-ase“ enden und die katalysierte Reaktion beschreiben, zum Beispiel Cholinesterase. Das EC-Nummern-System ordnet Enzyme mit vier Zahlen ein; die erste Zahl bezeichnet eine von sieben Klassen:

• EC 1 Oxidoreduktasen katalysieren Redoxreaktionen.
• EC 2 Transferasen übertragen funktionelle Gruppen.
• EC 3 Hydrolasen spalten Bindungen mit Wasser.
• EC 4 Lyasen spalten oder synthetisieren komplexere Produkte ohne ATP oder ein anderes Nukleosidtriphosphat (NTP).
• EC 5 Isomerasen beschleunigen die Umwandlung chemischer Isomere.
• EC 6 Ligasen oder Synthetasen katalysieren Additionsreaktionen mit ATP oder einem anderen NTP.
• EC 7 Translokasen katalysieren Stofftransport an oder durch Zellmembranen.

Ein Enzym kann eine Polypeptidkette besitzen und dann ein Monomer sein, oder aus mehreren Untereinheiten bestehen und als Oligomer bezeichnet werden. Multienzymkomplexe bestehen aus zusammenwirkenden Enzymen; multifunktionelle Enzyme sind einzelne Proteinketten mit mehreren Enzymaktivitäten.

Reine Protein-Enzyme bestehen nur aus Protein; ihr aktives Zentrum wird durch Aminosäurereste und Peptidrückgrat gebildet. Holoenzyme bestehen aus Apoenzym und einem nicht proteinartigen Kofaktor. Organische Kofaktoren heißen Koenzyme. Kovalent gebundene Koenzyme sind prosthetische Gruppen, nicht kovalent gebundene heißen Kosubstrate, beispielsweise ATP und NAD. Metallionen wie Eisen, Zink oder Kupfer werden bei Metalloenzymen benötigt. Telomerasen und Ribosomen sind Protein-RNA- beziehungsweise Protein-Ribozym-Komplexe.

Katalyse und aktives Zentrum

Substrate, also die Ausgangsstoffe einer Enzymreaktion, binden im aktiven Zentrum. Es entsteht ein Enzym-Substrat-Komplex, in dem die Substrate zu Produkten umgewandelt werden. Die Produkte werden freigesetzt; das Enzym liegt danach wieder in seiner Ausgangsform vor. Enzyme besitzen Substratspezifität, weil sie nur passende Substrate binden, und Wirkungsspezifität, weil sie nur eine bestimmte Reaktion katalysieren.

Sie senken die Aktivierungsenergie ΔG‡, also die Energie zum Erreichen des energiereichen Übergangszustands. Die freie Reaktionsenthalpie ΔG bleibt dagegen unverändert; für eine spontan ablaufende Reaktion muss sie negativ sein. Enzyme beschleunigen daher die Einstellung des chemischen Gleichgewichts, verändern dessen Lage aber nicht.

Das aktive Zentrum besteht aus gefalteten Teilen der Polypeptidkette und gegebenenfalls Kofaktoren. Seine räumliche und chemische Komplementarität zum Substrat wird im Schlüssel-Schloss-Prinzip beschrieben. Beim Induced-fit-Modell kann sich das flexible aktive Zentrum erst durch die Wechselwirkung mit dem Substrat passend formen. Wasserstoffbrücken, elektrostatische Wechselwirkungen und hydrophobe Effekte ermöglichen die Bindung. Glucokinase akzeptiert beispielsweise Glucose, aber nicht deren Stereoisomer Galactose; andere Enzyme können eine breitere Substratspezifität haben.

Typische katalytische Mechanismen sind die bevorzugte Bindung und Stabilisierung des Übergangszustands, die richtige Orientierung mehrerer Substrate, allgemeine Säure-Basen-Katalyse durch Protonenaufnahme oder -abgabe, kovalente Zwischenprodukte sowie Metallionen-Katalyse. Metallionen können dabei Ladungen stabilisieren, als Redoxpartner wirken oder Wassermoleküle aktivieren.

Kinetik, Hemmung und Regulation

Die Enzymkinetik untersucht den zeitlichen Verlauf enzymatischer Reaktionen. Die Reaktionsgeschwindigkeit gibt die pro Reaktionsvolumen und Zeit umgesetzte Substratmenge an; ihre Einheit ist mol/(l·s). Sie hängt unter anderem von Temperatur, pH-Wert, Salzkonzentration sowie Enzym-, Substrat-, Produkt- und Effektorkonzentrationen ab. Die Enzymaktivität beschreibt die Menge aktiven Enzyms in einer Präparation: 1 U = 1 µmol/min, 1 kat = 1 mol/s. Die spezifische Aktivität wird in U/mg angegeben.

Nach der RGT-Regel führt eine Temperaturerhöhung um etwa 5–10 °C zunächst zur Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit. Oberhalb der optimalen Temperatur sinkt die Aktivität wegen Denaturierung. Auch Abweichungen vom pH-Optimum oder Änderungen der Ionenstärke können die Aktivität stark vermindern.

Die Michaelis-Menten-Theorie beschreibt einfache Reaktionen mit einem Substrat. Mit steigender Substratkonzentration steigt v zunächst linear und erreicht bei Enzymsättigung v_max. Die Gleichung lautet: v = k_cat[E₀][S₀]/(K_m + [S₀]). Ein niedriges K_m bedeutet, dass ein Enzym schon bei niedriger Substratkonzentration seine Maximalgeschwindigkeit erreicht. Bei geringer Substratkonzentration ist k_cat/K_m ein Maß für die Effizienz. Werte über 10⁸ bis 10⁹ M⁻¹ s⁻¹ kennzeichnen katalytisch perfekte Enzyme; dann begrenzt die Diffusion die Geschwindigkeit.

Bei positiver Kooperativität beeinflusst die Bindung eines Liganden weitere Bindungsstellen und erzeugt eine sigmoide statt hyperbolische Sättigungskurve. Allosterische Zentren sind zusätzliche Bindungsstellen neben dem aktiven Zentrum; Effektoren können dort die Enzymaktivität verändern. Mehrsubstrat-Reaktionen können sequenziell ablaufen, zufällig oder in fester Reihenfolge, oder nach einem Ping-Pong-Mechanismus mit vorübergehend modifiziertem Enzym.

Hemmstoffe senken die Aktivität. Irreversible Inhibitoren bilden unter physiologischen Bedingungen nicht umkehrbare Verbindungen, etwa Penicillin mit D-Alanin-Transpeptidase. Reversible Hemmung kann kompetitiv durch Blockade des aktiven Zentrums, allosterisch durch Konformationsänderung oder unkompetitiv durch Bindung an den Enzym-Substrat-Komplex erfolgen. Bei der Endprodukthemmung hemmt das Endprodukt einer Reaktionskette das erste Enzym als negative Rückkopplung.

Anpassung und biologische Aufgaben

Regulation dient der Homöostase, also stabilen inneren Bedingungen trotz wechselnder Umweltbedingungen. Kontrolle bezeichnet Veränderungen durch äußere Signale, etwa Hormone. Kurzfristig reagieren Enzyme direkt auf veränderte Mengen an Substraten, Produkten sowie Aktivatoren oder Inhibitoren. Besonders wichtig ist die allosterische Modulation: Die Bindung eines Stoffes an eine Untereinheit kann die Form des gesamten Enzyms und damit die Affinität weiterer Bindungsstellen ändern. Eine Feedback-Hemmung bildet so einen Regelkreis.

Mittelfristig werden Enzyme häufig durch kovalente Modifikation reguliert, besonders durch Phosphorylierung. Kinasen übertragen nach einem Signal Phosphatgruppen und können Enzyme ein- oder ausschalten; Phosphatasen entfernen diese Gruppen wieder. Langfristig werden Enzyme gezielt neu gebildet oder abgebaut. Die Neubildung wird über Genexpression gesteuert; bei Eukaryoten kann Ubiquitinierung Enzyme für den Abbau im Proteasom markieren.

Enzyme sind außerdem an Glycolyse, Citrat-Zyklus, Atmungskette, Photosynthese, Translation, Signaltransduktion und Immunabwehr beteiligt. Beispielsweise wirken Serinproteasen im Komplementsystem. Enzymdefekte können die Aktivität vermindern oder aufheben und sind teilweise erblich; Beispiele sind Phenylketonurie und Galaktosämie.

Alltag, Technik und Diagnostik

Enzyme sind Werkzeuge der Biotechnologie, etwa bei Käseherstellung, Enzymatik und Gentechnik. Protein-Engineering dient der Entwicklung leistungsfähigerer Enzyme. In Wasch- und Geschirrspülmitteln bauen Lipasen Fette, Proteasen Proteine und Amylasen Stärke ab. Weitere Anwendungen sind Stärkeverarbeitung, Brennerei und Brauerei, Fruchtsaftverarbeitung, Backwaren-, Leder- und Textilherstellung. Viele Enzyme werden mithilfe gentechnisch veränderter Mikroorganismen produziert.

Proteasen in rohen Ananas, Kiwifrüchten und Papayas verhindern das Erstarren von Tortengelatine. Bei Früchten aus Konservendosen sind diese eiweißabbauenden Enzyme durch Pasteurisierung deaktiviert. Nach dem Schälen können Äpfel und Avocados durch enzymatisch unterstützte Oxidation braun werden; Ascorbinsäure aus Zitronensaft verhindert die Oxidation oder reduziert bereits oxidierte Verbindungen. Arzneistoffe können Enzyme hemmen oder ihre Wirkung verstärken; Acetylsalicylsäure hemmt Cyclooxygenase und wirkt unter anderem schmerzlindernd.

Beim Plastikrecycling kann ein von Carbios gefundenes Enzym PET bei Temperaturen um 70 Grad in Ethylenglycol und Terephthalsäure zerlegen. Die Flaschen werden vorher zerkleinert; das entstandene Granulat kann für neue PET-Produkte genutzt werden. Die Ausgaben betragen laut Artikel etwa 4 % der Kosten für neue Plastikflaschen aus Rohöl.

In der medizinischen Diagnostik ermöglichen enzymatische Messungen den Nachweis bestimmter Stoffe. Bei Diabetiker-Teststreifen erzeugt ein Enzymsystem unter Einwirkung von Blutzucker einen messbaren Stoff. Die Produktmenge zeigt indirekt die Substratmenge an; die Methode wird auch für Glucose und Alkohol in Laboren genutzt. Enzymaktivitäten im Blut können auf Organschäden hinweisen: Bei Bauchspeicheldrüsenentzündung sind Lipase und Pankreas-Amylase stark erhöht.