Enzyme – Funktionsweise (Basiswissen)

Enzyme – Biologie

Wie können Pflanzen Traubenzucker in Stärke umwandeln? Wie wird die DNA im Zellkern in RNA umgeschrieben? Und wie wird unsere Nahrung in unserem Magen zerkleinert? All diese und noch viel mehr Prozesse benötigen die Hilfe von Enzymen. An unserer Verdauung sind einige Enzyme beteiligt – beispielsweise Alpha-Amylase, Pepsin und Trypsin. Was genau Enzyme sind, welche biologische Funktion sie haben und warum es so viele verschiedene gibt, lernst du im Folgenden.

Enzyme – Definition

Den Begriff Katalysatoren kennst du vielleicht schon aus der Chemie. Ebenso wie chemische Katalysatoren setzen Enzyme die Aktivierungsenergie einer bestimmten Reaktion herab, indem sie eine Zwischenverbindung mit den Reaktanten eingehen. So ist es möglich, dass eine Reaktion beispielsweise bei Körpertemperatur ablaufen kann, obwohl sie normalerweise erst bei höheren Temperaturen stattfinden würde.
Außerdem beeinflussen Enzyme die Reaktionsgeschwindigkeit: Langsam ablaufende Reaktionen werden beschleunigt und so bewirken Enzyme, dass Stoffe schneller umgesetzt werden.
Zudem haben Enzyme die Eigenschaft, substrat-, wirkungs- und reaktionsspezifisch zu sein. Was das genau bedeutet, lernen wir, wenn wir uns die Arbeitsweise von Enzymen genauer anschauen. Aber zuerst klären wir noch einige wichtige Fachbegriffe.

Enzyme – Enzym-Substrat-Komplex

Enzyme steuern nahezu alle biochemischen Reaktionen unseres Stoffwechsels. Wie du aus der Chemie vielleicht schon weißt, werden bei Reaktionen Stoffe umgewandelt. Stoffe, die mithilfe eines Enzyms umgewandelt werden, nennt man Substrate. Ein Enzym bindet ein Substrat und so wird ein Enzym‑Substrat‑Komplex gebildet. Die Reaktion – also die Umwandlung des Substrats in das Produkt – läuft ab und anschließend löst sich der Komplex wieder auf. Das Enzym geht dabei unverändert aus der Reaktion hervor und kann nun erneut ein Substrat binden.

Enzyme – Aufbau

Enzyme sind Proteine (Biologie) und demzufolge aus Aminosäuren aufgebaut. Die Aminosäuren sind, wie in jedem Protein, über Peptidbindungen miteinander verknüpft. Aber es gibt noch andere Enzymarten neben den reinen Proteinenzymen:

• Ribozyme sind katalytisch aktive RNA‑-Moleküle.
• Holoenzyme setzen sich aus einem Apoenzym (Proteinteil) und einem Cofaktor (Nichtproteinteil) zusammen. Cofaktoren können beispielsweise Metallionen sein.

Betrachtet man die 3D‑Struktur eines Enzyms, erkennt man ein aktives Zentrum, in welchem das Substrat umgesetzt wird. Manche Enzyme besitzen zudem ein regulatorisches Zentrum. Es dient der Regulation der Enzymaktivität. An dieses Zentrum binden beispielsweise Inhibitoren, welche das Enzym in seiner Aktivität bremsen oder sogar stoppen.

Enzyme – Wirkungsmechanismen

Die biologische Wirkung von Enzymen haben wir zu Beginn kennengelernt: Sie katalysieren bestimmte Reaktionen und steuern so Stoffwechselprozesse. Doch wie genau funktioniert das? Was ist die Arbeitsweise eines Enzyms? Das klären wir im Folgenden.

Enzyme – Katalytische Reaktion

Meist wird das Substrat in einer Vertiefung des Enzyms gebunden. In dieser Vertiefung liegt das aktive Zentrum, welches die spezifische Reaktion katalysiert. Bestimmte Aminosäurereste ragen in dieses aktive Zentrum hinein – man nennt sie auch katalytische Reste. Sie reagieren mit den Atomen des Substratmoleküls und gehen so eine energetisch günstige Zwischenverbindung ein. Nach Ablauf der Reaktion trennen sich Enzym und das oder die entstandene(n) Produkt(e). Das Enzym geht wieder in seinen Ausgangszustand zurück, sodass es erneut ein Substratmolekül binden und umwandeln kann.

Schauen wir uns exemplarisch zwei verschiedene Reaktionstypen an:

• Spaltung eines Substrats: Bei der Verdauung wird unsere Nahrung bis auf die Grundbausteine zerkleinert. Dabei wird beispielsweise aus einem Vielfachzucker ein Einfachzucker. Enzyme spalten die Bindungen zwischen den einzelnen Zuckereinheiten.

• Verknüpfung zweier Substrate: Oft müssen in der Zelle zwei Moleküle miteinander verknüpft werden. Damit eine kovalente Bindung entstehen kann, müssen die Atome, zwischen denen eine Bindung entstehen soll, in räumliche Nähe gebracht werden. So gibt es Enzyme, die Bindungsstellen für zwei Substrate haben – als Beispiel ist hier die Gruppe der Ligasen zu nennen. Es ist nicht unüblich, dass Enzyme mehr als ein Substrat binden können.

Wie ein Substrat an ein Enzym bindet, beschäftigt auch die Wissenschaft. Zwei Theorien wollen wir im Folgenden kurz durchgehen.

Enzyme – Schlüssel-Schloss-Prinzip

Das wohl älteste Modell zur Erklärung der Funktionsweise von Enzymen ist das sogenannte Schlüssel‑Schloss‑Prinzip. Es wurde bereits 1894 von Emil Fischer beschrieben. Dabei stellt das Substrat den Schlüssel dar und das Enzym das Schloss. Das heißt, dass nur ein ganz bestimmtes Substratmolekül oder einige wenige Substratmoleküle, die sich sehr ähnlich sind, zu der Bindungsstelle und dem aktiven Zentrum des Enzyms passen. Nur dann kann das Substrat gebunden und umgewandelt werden. Enzyme sind daher substratspezifisch. Auch die ablaufende chemische Reaktion ist genau festgelegt. Enzyme können immer nur eine bestimmte Reaktion katalysieren und folgen dabei selbst festgelegten Reaktionsschritten. Daher sagt man auch, dass Enzyme reaktionsspezifisch sind.

Enzyme – Induced‑Fit‑Modell

Das Induced‑Fit‑Modell ist die Erweiterung des eben besprochenen Schlüssel‑Schloss‑Prinzips. Es wurde 1958 von Daniel E. Koshland beschrieben. Während das Schlüssel‑Schloss‑Prinzip einen sehr statischen Blick auf den Enzym‑Substrat‑Komplex hat, impliziert das Induced‑Fit‑Modell, dass sich Enzym und Substrat dynamisch verhalten. Man nimmt an, dass sich erst durch Bindung des Substrats an das Enzym die richtige Passform des aktiven Zentrums ausbildet. In der Biologie bezeichnet man das als induzierte Konformationsänderung, wobei die Konformation die dreidimensionale Struktur eines Proteins beschreibt.

Enzyme – Spezifität und Optimum

Nun haben wir bereits besprochen, dass Substrat und Enzym sehr gut zueinander passen müssen, damit es zur Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes kommt. Die Fähigkeit eines Enzyms, nur ein ausgewähltes Substrat zu erkennen und nur eine bestimmte Reaktion zu katalysieren, nennt man Spezifität. Man unterscheidet zwischen der Substratspezifität – ein Enzym bindet nur ein bestimmtes Substrat – und der Reaktions- oder Wirkungsspezifität – ein Enzym kann nur eine bestimmte Reaktion ausüben.
Zudem gibt es für jedes Enzym ganz bestimmte Bedingungen, unter denen es am effektivsten arbeiten kann – das Optimum. Bedingungen, die dieses Optimum beeinflussen, sind beispielsweise Temperatur, pH-Wert und Salzkonzentration. Je optimaler die Bedingungen für ein Enzym, desto höher ist sowohl die Spezifität als auch die Effektivität eines Enzyms.

Enzyme – Beispiele

In der Biologie gibt es zahlreiche Beispiele für das Vorkommen von Enzymen, auch außerhalb unseres Körpers. Schauen wir uns einige ausgewählte Beispiele von Enzymen und ihren Funktionen an.

• Verdauungsenzyme: Zu Beginn hatten wir die drei Verdauungsenzyme Alpha-Amylase, Pepsin und Trypsin angesprochen. Natürlich gibt es noch viel mehr. Amylasen wie die Alpha-Amylase spalten Kohlenhydrate (Biologie) in unserer Nahrung. Dieser Vorgang beginnt bereits im Mund. Wenn du lange auf einem Stück Brot kaust, schmeckt es süßlich. Dann wurde die Stärke zu Zucker abgebaut.
  Peptidasen (auch Proteasen) wie Pepsin und Trypsin hingegen spalten die Eiweiße in unserer Nahrung. Das passiert vor allem im Magen und Darm.

• Blutzuckermessung: Kennst du vielleicht einen Diabetiker, also jemand der unter der Krankheit Diabetes leidet? Menschen mit dieser Zuckerkrankheit müssen regelmäßig den Gehalt des Blutzuckers messen. Dabei wird ein Tropfen Blut aus der Fingerkuppe auf einen Teststreifen aufgetragen. In einer kleinen Reaktionskammer reagiert das darin enthaltene Enzym mit der Glucose im Blut. Je mehr Glucose im Blut ist, desto mehr Reaktionsprodukte entstehen. Diese können von dem Messgerät ausgewertet werden. Das ist ein gutes Beispiel für den Einsatz von Enzymen in der Medizin.

• Biotechnologischer Einsatz von Enzymen: Enzyme werden in der Industrie von gentechnisch veränderten Mikroorganismen in riesigen Mengen hergestellt. Sie finden beispielsweise Anwendung in Waschmitteln. Hier werden beispielsweise Proteasen, Lipasen und Cellulasen eingesetzt. Während Proteasen und Lipasen zur Fleckenentfernung beitragen, glätten Cellulasen die Baumwollfasern, was gegen den sogenannten „Grauschleier“ bei farbigen Textilien hilft.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Enzyme (Biologie)