3.1 Was sind Enzyme?

Enzyme sind Biokatalysatoren. Biokatalysatoren beschleunigen biochemische Reaktionen, indem sie die dafür benötigte Energie verringern. Sie sind ein wichtiger Bestandteil aller Lebewesen, da sie für elementare Funktionen im Organismus verantwortlich sind. So ermöglichen Enzyme alle wichtigen Stoffwechselvorgänge, wie zum Beispiel die Verdauung. Sie setzen genetische Informationen um und sind so für alles Lebendige unerlässlich. Bis auf wenige Ausnahmen sind Enzyme Proteine, also Eiweiße. Aber Achtung: Nicht alle Proteine sind Enzyme!

Vertiefung
Proteine sind aus gefalteten Aminosäureketten aufgebaut. Die Information für die Reihenfolge der Aminosäuren ist direkt in der DNA gespeichert. Bei Bedarf erstellt die Zelle von dieser DNA eine „Abschrift“. Mit den darin enthaltenen Informationen werden durch die Ribosomen einzelne Aminosäuren zu einer Kette verbunden. Das Protein ist entstanden!


Frage
Die Information für den Aufbau von Enzyme ist in der DNA gespeichert. Für die Umsetzung der Information in Proteine werden wiederum Enzyme benötigt. Was war also zuerst da? Das ist wie mit der Henne und dem Ei...

Enzyme sind Spezialisten

Die Reaktionen, die Enzyme katalysieren können, sind sehr vielfältig. Dabei ist jedes Enzym meist auf eine bestimmte Reaktion spezialisiert. So gibt es zum Beispiel Enzyme, die speziell die Spaltung von Polysaccharidketten (wie Cellulose oder Stärke) in kleinere Bausteine zuständig sind.

Frage
Wie kommt die Spezialisierung der Enzyme zustande? - Die Spezialisierung kommt durch die Faltung des Enzymes zustande, bei der meist nur ein bestimmter Stoff (das sogenannte Substrat) als Ausgangsmaterial passt.

Zunächst ging man davon aus, dass die Bindung zwischen Enzym und Substrat nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip erfolgt. Diese Theorie wurde dann zum Induced-Fit-Modell weiterentwickelt. Es besagt, dass sich die Passform des Enzym-Substrat-Komplexes erst durch gegenseitige Wechselwirkung ausbildet.
Das Enzym ermöglicht durch Verringerung der benötigten Energie eine Reaktion, bei der aus den Substrat ein Produkt gebildet wird. Das Enzym bleibt dabei unverändert und kann die nächste Reaktion katalysieren.

Amylasen bauen Amylose ab. Als Produkt dieser Hydrolyse entsteht Glukose.

Frage
Sind Enzyme eigentlich unzerstörbar? - Keineswegs! Ähnlich wie das Eiweiß eines Hühnereis in der Bratpfanne, können Enzyme unumkehrbar verändert werden.

Auch das Eiweiß des Hühnereis besteht neben Wasser aus gefalteten Aminosäureketten. Durch die Hitze in der Bratpfanne wird diese Faltung zerstört. So ergeht es auch den meisten Enzymen bei hohen Temperaturen. Diesen Vorgang nennen wir Denaturierung. Dabei werden die Bindungen und Wechselwirkungen, die die Faltung aufrechterhalten, aufgelöst. Der innere hydrophobe (also wasserabstoßende) Teil der gefalteten Aminosäurekette wird freigelegt. Das Protein verliert dadurch seine Wasserlöslichkeit und bildet gleichzeitig Netzwerke mit den hydrophoben Abschnitten anderer denaturierter Proteine in seiner Umgebung. Es entsteht ein chaotisches Durcheinander aneinanderhaftender Ketten. Dadurch wird das Eiweiß in der Pfanne weiß und fest. Der gleiche Effekt sorgt übrigens auch bei einer Dauerwelle für perfekten Halt.


Die Enzyme thermophiler Mikroorganismen hingegen können hohe Temperaturen ertragen und behalten so auch ihre Faltung und Funktion. Diese thermostabilen Enzyme besitzen eine stabilere Faltung, die durch häufigere Anziehungskräfte zwischen verschiedenen Aminosäuren erzeugt wird. Diese Anziehungskräfte sorgen aber auch dafür, dass die Enzyme bei niedrigeren Temperaturen starr werden. Deshalb funktionieren sie nur noch wenig oder gar nicht, wenn es kühl ist. Dafür gibt es wiederum Enzyme psychrophiler Organismen, die bei niedrigen Temperaturen relaxt sind und dabei Reaktionen sehr gut katalysieren können. Allerdings halten diese Enzyme meist nicht viel Wärme aus. Auch ein hoher Salzgehalt, ein hoher Druck oder ein extremer pH Wert, z.B. durch Säure, zerstört die Faltung der meisten Proteine. Doch auch an diese extremen Lebensbedingungen haben sich Mikroorganismen mit ihren Enzymen angepasst.