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B?ndermodell des Enzyms Triosephosphatisomerase (TIM) der Glykolyse, eine stilisierte Darstellung der Proteinstruktur, gewonnen durch Kristallstrukturanalyse. TIM gilt als katalytisch perfektes Enzym.

Enzyme bieten exakte Bindungsstellen für Substrate und Cofaktoren. (Strukturausschnitt aus der mitochondriellen Aconitase: katalytisches Zentrum mit Fe4S4-Cluster (Mitte unten) und gebundenem Isocitrat (ICT). Ringsherum die n?chsten Aminos?uren des Enzyms.)

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Ein Enzym, auch Ferment genannt, ist ein Stoff, der aus biologischen Gro?molekülen besteht und als Katalysator bestimmte chemische Reaktionen beschleunigen kann. Die katalysierte Reaktion kann zwar prinzipiell auch ohne das jeweilige Enzym ablaufen, doch sehr viel langsamer. Die meisten Enzyme sind Proteine; gebildet werden sie in der Zelle wie die meisten anderen Proteine über die Proteinbiosynthese an den Ribosomen, auch die nichtribosomalen Peptidsynthetasen. Ausnahmen hiervon sind Nukleins?uren mit katalytischer Aktivit?t, so natürlich vorkommende RNA wie snRNA als Ribozym oder künstlich hergestellte katalytisch aktive DNA (Desoxyribozym).

Enzyme haben wichtige Funktionen im Stoffwechsel von Organismen. Mit der enzymatischen Katalyse regulieren Zellen den Energiefluss und Umsatz über die von ihnen bevorzugten Stoffwechselwege. Enzyme steuern den überwiegenden Teil biochemischer Reaktionen – von der Transkription (RNA-Polymerase) und der Replikation (DNA-Polymerase) der Erbinformationen bis hin zur Verdauung.

Wortherkunft und Geschichte der Enzymforschung

Menschen nutzen seit mehreren tausend Jahren die Wirkung von Enzymen wie jener von Hefen und Bakterien; so ist bekannt, dass die Sumerer bereits 3000 v. Chr. Bier brauten, Brot backten und K?se herstellten. Für den Gebrauch von Bier- oder Backhefe, wie beim Maischen oder im Hefeteig, und die damit eingeleiteten Vorg?nge der G?rung entstand die Bezeichnung ?Fermentation“, noch ohne Kenntnis der Existenz von Bakterien (bzw. der mikrobiellen Hefepilze) und ihrer Wirkung durch Enzyme.

Die W?rter Fermentation und Ferment hielten im 15. Jahrhundert Einzug in die deutsche Sprache, sie gehen auf das lateinische Wort fermentum (?G?rung; G?rstoff“, speziell ?Sauerteig, Malz“ – als Fermentum animale wie bei Scribonius Largus auch ?Lab“) zurück. Diesen Ausdruck verwendet Columella etwa 60 n. Chr. auch für das Auflockern und Quellen des Bodens, w?hrend Seneca etwa gleicher Zeit in seinen Epistulae damit einen G?rungsvorgang bezeichnet, den er für die Bildung von Honig als n?tig ansah. Mit dieser Bedeutung als ?G?rungsmittel“ oder ?Sauerteig“ wurde das Wort Ferment aus dem Lateinischen entlehnt, und davon fermentieren, Fermentation sowie Fermenter abgeleitet.

Die ersten G?rungsprozesse beschrieben Paracelsus und Andreas Libavius. Die ersten Versuche zur Erkl?rung kamen von Johann Baptist van Helmont und Georg Ernst Stahl. Nachdem René Réaumur 1752 die Verdauung bei V?geln untersucht und herausgestellt hatte, dass Greifv?gel keinen K?rner zerkleinernden Muskelmagen haben, sondern im Magen eine Flüssigkeit absondern, konnte Lazzaro Spallanzani 1783 belegen, dass allein deren Magensaft schon hinreicht, Fleisch zu verflüssigen. Damit war die Theorie eines nur mechanischen Verdauungsprozesses widerlegt.

Die erste unmittelbare Nutzung von Enzymen ohne die Mitbeteiligung von Mikroorganismen erfolgte durch den deutschen Apotheker Constantin Kirchhoff im Jahre 1811, als er entdeckte, dass man durch Erhitzen von St?rke unter Beigabe von Schwefels?ure gr??ere Mengen Zucker herstellen kann. Der franz?sische Chemiker Anselme Payen verfeinerte 1833 den Prozess; da man zu dieser Zeit annahm, dass man den Zucker lediglich von der St?rke trenne, bezeichnete man diesen Prozess als ?Diastase“ (griechisch für ?Trennung“); heute wird der Begriff ?Diastase“ synonym zu Amylase verwendet. Es folgte die Entdeckung von Erhard Friedrich Leuchs im Jahre 1831, dass der menschliche Mundspeichel St?rke scheinbar verzuckere. 1833 wurde von Eilhard Mitscherlich der Begriff ?Ferment“ im Zusammenhang mit einem Stoff gebraucht, der bei einer Reaktion nicht verwandelt wird, aber zum Kontakt für eine Reaktion erforderlich ist. 1835 wurde die Diastase vom schwedischen Chemiker J?ns Jakob Berzelius als chemischer Prozess mit der Einwirkung von katalytischen Kr?ften vermutet.

1837 entdeckten die drei Wissenschaftler Charles Cagniard de la Tour, Theodor Schwann und Friedrich Traugott Kützing unabh?ngig voneinander, dass Hefe aus Mikroorganismen besteht. Louis Pasteur wies 1862 nach, dass Mikroorganismen für die Fermentation verantwortlich sind; er schlussfolgerte, dass die Fermentation durch eine vitale Kraft erfolge, die in der Schimmelzelle vorhanden sei, welche er ?Fermente“ nannte, die nicht mit dem Tod der Schimmelzelle an Wirkung verlieren.

1878 führte Wilhelm Friedrich Kühne das heutige neoklassische Kunstwort Enzym (griechisch ?νζυμον énzymon) ein, abgeleitet vom Pr?fix ?ν- en- (?in-“) und ζ?μη zymē, welches ?Sauerteig“ oder ?Hefe“ bedeutet; der Sinn ist daher ?das in Sauerteig/Hefe Enthaltene“ (n?mlich der die G?rung ausl?sende oder beeinflussende Stoff). Dieser Begriff hielt dann Einzug in die internationale Wissenschaft und ist nun auch Bestandteil der neugriechischen Sprache.

Kühne grenzte den Begriff Enzyme als Bezeichnung für au?erhalb lebender Zellen wirksame Biokatalysatoren jedoch von Fermenten ab, die ihre Wirkung nach Pasteurs Auffassung nur innerhalb lebender Zellen entfalten k?nnten.

Einen weiteren Meilenstein stellen die Untersuchungen zur Enzymspezifit?t von Emil Fischer dar. Er postulierte um 1890, dass Enzyme und ihr Substrat sich wie ein Schloss und der passende Schlüssel verhalten. 1897 entdeckte Eduard Buchner anhand der alkoholischen G?rung, dass Enzyme auch ohne die lebende Zelle katalytisch wirken k?nnen; 1907 erhielt er für den Nachweis einer Zell-freien Fermentation den Nobelpreis. 1903 schafften Eduard Buchner und Jakob Meisenheimer es, Mikroorganismen, die Milch- und Essigs?ureg?rung ausl?sten, abzut?ten, ohne ihre Enzymwirkung zu beeinflussen. Der deutsche Chemiker Otto R?hm isolierte 1908 erstmals Enzyme und entwickelte Verfahren zur enzymatischen Ledergerbung, Fruchtsaftreinigung sowie eine Reihe diagnostischer Anwendungen.

Anfang des 20. Jahrhunderts war die chemische Komposition von Enzymen noch unbekannt. Man vermutete, dass Enzyme aus Protein bestehen und ihre enzymatische Aktivit?t mit ihrer Struktur assoziiert sei. Andere Wissenschaftler wie Richard Willst?tter argumentierten jedoch, dass Proteine nur Tr?ger der ?echten Enzyme“ w?ren und von sich aus unf?hig w?ren eine katalytische Reaktion einzuleiten. James B. Sumner zeigte 1926, dass das Enzym Urease ein pures Protein ist, und war f?hig, es zu kristallisieren. Die letzten Zweifel zur Komposition von Enzymen wurden von John H. Northop und Wendell M. Stanley ausger?umt, als diese 1930 nachwiesen, dass Pepsin, Trypsin und Chymotrypsin aus purem Protein bestehen. Northrop und Stanley erhielten dafür 1946 den Nobelpreis für Chemie.

Die Erkenntnis, wie man Enzyme kristallisiert, erlaubte es den Forschern nun durch Kristallstrukturanalyse die Struktur und die Funktionsweise von Enzymen auf der atomaren Ebene aufzukl?ren. In den Jahren 1930 bis 1939 konnten die Kristallstrukturen von elf weiteren Enzymen aufgedeckt werden. Die erste Aminos?uresequenz, die von einem Enzym komplett entschlüsselt war, ist die der Ribonuklease. Dieser Schritt gelang Stanford Moore und William Howard Stein. 1969 synthetisierte Robert Bruce Merrifield dann die gesamte Sequenz der Ribonuklease mit der nach ihm benannten Technik (Merrifield-Synthese). Gleichzeitig schafften dies auch R. G. Denkewalter und R. Hirschmann.

In den 1980er Jahren wurden katalytische Antik?rper von Richard Lerner entdeckt, die eine Enzymaktivit?t aufwiesen, nachdem gegen ein dem übergangszustand nachempfundenes Molekül immunisiert wurde. Linus Pauling hatte bereits 1948 vermutet, dass Enzyme dem übergangszustand ?hnliche Moleküle besonders gut binden. Ende der 1980er Jahre wurde entdeckt, dass auch RNA im Organismus katalytische (enzymatische) Aktivit?t entfalten kann (Ribozym). 1994 wurde das erste Desoxyribozym, GR-5, entwickelt.

Forscher wie Leonor Michaelis und Maud Menten leisteten Pionierarbeit in der Erforschung der Enzymkinetik mit der Formulierung der Michaelis-Menten-Theorie.

Nomenklatur und Klassifikation nach IUPAC und IUBMB

Nomenklatur

Die IUPAC und die IUBMB haben zusammen eine sogenannte Nomenklatur der Enzyme erarbeitet, die diese homogene und zahlreiche Vertreter enthaltende Gruppe der Moleküle klassifiziert. Hierzu erarbeitete die IUPAC Prinzipien der Nomenklatur:

• Enzymnamen haben die Endung (oder das Suffix) ?-ase“, wenn das betreffende Enzym chemische oder organische Verbindungen auftrennt oder spaltet (wie beispielsweise die ?Hydrolasen“ oder ?Proteasen“) oder neuverbindet (wie beispielsweise die ?Oxidasen“ oder ?Telomerase“).
• Der Enzymname soll erkl?rend sein, also die Reaktion, die das Enzym katalysiert, beschreiben. (Beispiel: Cholinesterase: Ein Enzym, das die Ester-gruppe im Cholin-Molekül hydrolysiert.)
• Der Enzymname soll seine Klassifikation (siehe unten) enthalten. (Beispiel: Cholinesterase)

Au?erdem wurde ein Codesystem, das EC-Nummern-System, entwickelt, in dem die Enzyme unter einem Zahlencode aus vier Zahlen eingeteilt werden. Die erste Zahl bezeichnet eine der sieben Enzymklassen. Listen aller erfassten Enzyme gew?hrleisten ein schnelleres Auffinden des angegebenen Enzymcodes, z. B. bei BRENDA. Zwar orientieren sich die Codes an Eigenschaften der Reaktion, die das Enzym katalysiert, in der Praxis erweisen sich Zahlencodes jedoch als unhandlich. H?ufiger gebraucht werden systematische, nach den oben genannten Regeln konzipierte Namen. Probleme der Nomenklatur ergeben sich etwa bei Enzymen, die mehrere Reaktionen katalysieren. Für sie existieren deshalb manchmal mehrere Namen. Einige Enzyme tragen Trivialnamen, die nicht erkennen lassen, dass es sich bei der genannten Substanz um Enzyme handelt. Da die Namen traditionell eine breite Verwendung fanden, wurden sie teilweise beibehalten (Beispiele: die Verdauungsenzyme Trypsin und Pepsin des Menschen).

Klassifikation

Enzyme werden entsprechend der von ihnen katalysierten Reaktion in sieben Enzymklassen eingeteilt:

• EC 1: Oxidoreduktasen, die Redoxreaktionen katalysieren.
• EC 2: Transferasen, die funktionelle Gruppen von einem Substrat auf ein anderes übertragen.
• EC 3: Hydrolasen, die Bindungen unter Einsatz von Wasser spalten.
• EC 4: Lyasen, die die Spaltung oder Synthese komplexerer Produkte aus einfachen Substraten katalysieren, allerdings ohne Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) oder eines anderen Nukleosidtriphosphats (NTP).
• EC 5: Isomerasen, die die Umwandlung von chemischen Isomeren beschleunigen.
• EC 6: Ligasen oder Synthetasen, die Additionsreaktionen mithilfe von ATP (oder eines anderen NTP) katalysieren. Eine Umkehrreaktion (Spaltung) ist meist energetisch ungünstig und findet nicht statt.
• EC 7: Translokasen, die den Transport von Stoffen an oder durch Zellmembranen katalysieren.

Manche Enzyme sind in der Lage, mehrere, zum Teil sehr unterschiedliche Reaktionen zu katalysieren. Ist dies der Fall, werden sie mehreren Enzymklassen zugerechnet.

Aufbau

Enzyme lassen sich anhand ihres Aufbaus unterscheiden. W?hrend viele Enzyme aus nur einer Polypeptidkette bestehen, so genannte Monomere, bestehen andere Enzyme, die Oligomere, aus mehreren Untereinheiten/Proteinketten. Einige Enzyme lagern sich mit weiteren Enzymen zu sogenannten Multienzymkomplexen zusammen und kooperieren oder regulieren sich gegenseitig. Umgekehrt gibt es auch einzelne Proteinketten, welche mehrere, verschiedene Enzymaktivit?ten ausüben k?nnen (multifunktionelle Enzyme). Eine weitere m?gliche Einteilung hinsichtlich ihres Aufbaus berücksichtigt das Vorhandensein von Kofaktoren:

• Reine Protein-Enzyme bestehen ausschlie?lich aus Proteinen und verarbeiten Substrate schneller als Holoenzyme. Das aktive Zentrum wird nur aus Aminos?ureresten und dem Peptidrückgrat gebildet. Zu dieser Gruppe geh?ren beispielsweise das Verdauungsenzym Chymotrypsin und die Triosephosphatisomerase (TIM) der Glykolyse.
• Holoenzyme (altgr. ?λο? holos ?ganz“, ?vollst?ndig“ und -enzym) bestehen aus einem Proteinanteil, dem Apoenzym, sowie aus einem Kofaktor, einem niedermolekularen Molekül (kein Protein). Beide zusammen sind für die Funktion des Enzyms wichtig. Organische Moleküle als Kofaktoren werden Koenzyme genannt. Sind sie kovalent an das Apoenzym gebunden, nennt man sie prosthetische Gruppen, andernfalls zutreffender Kosubstrat, da sie in ?quivalenten Mengen bei der enzymatischen Reaktion mit dem Substrat umgesetzt werden. Kosubstrate sind zum Beispiel Adenosintriphosphat (ATP) und Nicotinamidadenindinukleotid (NAD). ATP wird oft als Energiequelle für die Reaktion von Proteinkinasen genutzt. NAD wird von Enzymen, wie der Alkoholdehydrogenase, als Elektronenakzeptor verwendet. Ben?tigt ein Enzym Metallionen (Eisen-, Zink- oder Kupfer-ionen), spricht man von einem Metalloenzym. Die Lipoxygenase zum Beispiel enth?lt Eisen und die Carboanhydrase enth?lt Zink.

Eine spezielle Gruppe bilden die Protein-RNA-Komplexe bzw. Protein-Ribozym-Komplexe, Beispiele hierfür sind die Telomerasen. Auch die Ribosomen sind solche Komplexe.

Funktion

Enzyme sind Biokatalysatoren. Sie beschleunigen biochemische Reaktionen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen, die überwunden werden muss, damit es zu einer Stoffumsetzung kommt. Damit wird die Reaktionsrate erh?ht (siehe Theorie des übergangszustandes). Theoretisch ist eine enzymatische Umsetzung reversibel, d. h., die Produkte k?nnen wieder in die Ausgangsstoffe umgewandelt werden. Die Ausgangsstoffe (Edukte) einer Enzymreaktion, die Substrate, werden im so genannten aktiven Zentrum des Enzyms gebunden, es bildet sich ein Enzym-Substrat-Komplex. Das Enzym erm?glicht nun die Umwandlung der Substrate in die Reaktionsprodukte, die anschlie?end aus dem Komplex freigesetzt werden. Wie alle Katalysatoren liegt das Enzym nach der Reaktion wieder in der Ausgangsform vor. Enzyme zeichnen sich durch hohe Substrat- und Reaktionsspezifit?t aus, unter zahlreichen Stoffen w?hlen sie nur die passenden Substrate aus und katalysieren genau eine von vielen denkbaren Reaktionen.

Energetische Grundlagen der Katalyse

Siehe auch: Theorie des übergangszustandes

Energiediagramm einer enzymatischen Reaktion: Die Aktivierungsenergie (freie Aktivierungsenthalpie) wird im Vergleich zur unkatalysierten Reaktion durch Stabilisierung des übergangszustandes gesenkt. Die freie Reaktionsenthalpie dagegen bleibt unver?ndert.

Die meisten biochemischen Reaktionen würden ohne Enzyme in den Lebewesen nur mit vernachl?ssigbarer Geschwindigkeit ablaufen. Wie bei jeder spontan ablaufenden Reaktion muss die freie Reaktionsenthalpie ($\Delta G$) negativ sein. Das Enzym beschleunigt die Einstellung des chemischen Gleichgewichts – ohne es zu ver?ndern. Die katalytische Wirksamkeit eines Enzyms beruht einzig auf seiner F?higkeit, in einer chemischen Reaktion die Aktivierungsenergie $(\Delta G^{\ddagger })$ zu senken: das ist der Energiebetrag, der zun?chst investiert werden muss, um die Reaktion in Gang zu setzen. W?hrend dieser wird das Substrat zunehmend ver?ndert, es nimmt einen energetisch ungünstigen übergangszustand ein. Die Aktivierungsenergie ist nun der Energiebetrag, der ben?tigt wird, um das Substrat in den übergangszustand zu zwingen. Hier setzt die katalytische Wirkung des Enzyms an: Durch nicht-kovalente Wechselwirkungen mit dem übergangszustand stabilisiert es diesen, so dass weniger Energie ben?tigt wird, um das Substrat in den übergangszustand zu bringen. Das Substrat kann wesentlich schneller in das Reaktionsprodukt umgewandelt werden, da ihm gewisserma?en ein Weg ?geebnet“ wird.

Das aktive Zentrum – strukturelle Grundlage für Katalyse und Spezifit?t

Für die katalytische Wirksamkeit eines Enzyms ist das aktive Zentrum (katalytisches Zentrum) verantwortlich. An dieser Stelle bindet es das Substrat und wird danach ?aktiv“ umgewandelt. Das aktive Zentrum besteht aus gefalteten Teilen der Polypeptidkette oder reaktiven Nicht-Protein-Anteilen (Kofaktoren, prosthetische Gruppen) des Enzymmoleküls und bedingt eine Spezifit?t der enzymatischen Katalyse. Diese Spezifit?t beruht auf der Komplementarit?t der Raumstruktur und der oberfl?chlich m?glichen Wechselwirkungen zwischen Enzym und Substrat. Es kommt zur Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes.

Die Raumstruktur des aktiven Zentrums bewirkt, dass nur ein strukturell passendes Substrat gebunden werden kann. Veranschaulichend passt ein bestimmtes Substrat zum entsprechenden Enzym wie ein Schlüssel in das passende Schloss (Schlüssel-Schloss-Prinzip). Dies ist der Grund für die hohe Substratspezifit?t von Enzymen. Neben dem Schlüssel-Schloss-Modell existiert das nicht starre Induced fit model: Da Enzyme flexible Strukturen sind, kann das aktive Zentrum durch Interaktion mit dem Substrat neu geformt werden.

Graphische Darstellung des Modells ?Induzierte Passform“ (engl. induced fit)

Bereits kleine strukturelle Unterschiede in Raumstruktur oder Ladungsverteilung des Enzyms k?nnen dazu führen, dass ein dem Substrat ?hnlicher Stoff nicht mehr als Substrat erkannt wird. Glucokinase beispielsweise akzeptiert Glucose als Substrat, deren Stereoisomer Galactose jedoch nicht. Enzyme k?nnen verschieden breite Substratspezifit?t haben, so bauen Alkohol-Dehydrogenasen neben Ethanol auch andere Alkohole ab und Hexokinase IV akzeptiert neben der Glucose auch andere Hexosen als Substrat.

Die Erkennung und Bindung des Substrats gelingt durch nicht-kovalente Wechselwirkungen (Wasserstoffbrücken, elektrostatische Wechselwirkung oder hydrophobe Effekte) zwischen Teilen des Enzyms und des Substrats. Die Bindung des Enzyms muss stark genug sein, um das oft gering konzentrierte Substrat (mikro- bis millimolare Konzentrationen) zu binden, sie darf jedoch nicht zu stark sein, da die Reaktion nicht mit der Bindung des Substrates endet. Wichtig ist eine noch st?rkere Bindung des übergangszustandes der Reaktion und damit dessen Stabilisierung. Nicht selten nehmen zwei Substrate an einer Reaktion teil, das Enzym muss dann die richtige Orientierung der Reaktionspartner zueinander garantieren. Diese letzteren mechanistischen Eigenheiten einer enzymatischen Reaktion sind die Grundlage der Wirkungsspezifit?t eines Enzyms. Es katalysiert immer nur eine von vielen denkbaren Reaktionen der Substrate. Die Aktivit?t von Enzymen wird teilweise durch Pseudoenzyme (Varianten von Enzymen ohne Enzymaktivit?t) reguliert.

Katalytische Mechanismen

Obwohl die Mechanismen enzymatischer Reaktionen im Detail vielgestaltig sind, nutzen Enzyme in der Regel eine oder mehrere der folgenden katalytischen Mechanismen.

Bevorzugte Bindung des übergangszustandes

Die Bindung des übergangszustandes ist st?rker als die Bindung der Substrate und Produkte, daraus resultiert eine Stabilisierung des übergangszustandes.

Orientierung und Ann?herung von Substraten

Die Bindung zweier Substrate in der passenden Orientierung und Konformation kann die Reaktionsgeschwindigkeit erheblich erh?hen, da die reaktiven Gruppen der Moleküle in die richtige Lage zueinander kommen und für die Reaktion günstige Konformationen der Moleküle stabilisiert werden.

Allgemeine S?ure-Basen-Katalyse

Aminos?urereste beispielsweise von Histidin reagieren als S?ure oder Base, indem sie w?hrend einer Reaktion Protonen (H⁺-Ionen) aufnehmen oder abgeben.

Kovalente Katalyse

Aminos?urereste oder Koenzyme gehen kovalente Bindungen mit einem Substrat ein und bilden ein kurzlebiges Zwischenprodukt. In der Regel sind bei solchen Reaktionen nukleophile Aminos?ure-Seitenketten (beispielsweise Lysin-Seitenketten mit Aminogruppe) oder Koenzyme wie Pyridoxalphosphat beteiligt.

Metallionen-Katalyse

Metallionen k?nnen als strukturstabilisierende Koordinationszentren, Redox-Partner (oft Eisen- oder Kupfer-Ionen) oder als Lewis-S?uren (h?ufig Zink-Ionen) die Katalyse unterstützen. Sie k?nnen negative Ladungen stabilisieren bzw. abschirmen oder Wassermoleküle aktivieren.

Enzymkinetik

→ Hauptartikel: Enzymkinetik

Die Enzymkinetik besch?ftigt sich mit dem zeitlichen Verlauf enzymatischer Reaktionen. Eine zentrale Gr??e hierbei ist die Reaktionsgeschwindigkeit. Sie ist ein Ma? für die ?nderung der Substratkonzentration mit der Zeit, also für die Stoffmenge Substrat, die pro Reaktionsvolumen und pro Zeitspanne umgesetzt wird (Einheit: mol/(l·s)). Neben den Reaktionsbedingungen wie Temperatur, Salzkonzentration und pH-Wert der L?sung h?ngt sie von den Konzentrationen des Enzyms, der Substrate und Produkte sowie von Effektoren (Aktivatoren oder Inhibitoren) ab.

Im Zusammenhang mit der Reaktionsgeschwindigkeit steht die Enzymaktivit?t. Sie gibt an, wie viel aktives Enzym sich in einer Enzym-Pr?paration befindet. Die Einheiten der Enzymaktivit?t sind Unit (U) und Katal (kat), wobei 1 U definiert ist als diejenige Menge Enzym, welche unter angegebenen Bedingungen ein Mikromol Substrat pro Minute umsetzt: 1 U = 1 μmol/min. Katal wird selten benutzt, ist jedoch die SI-Einheit der Enzymaktivit?t: 1 kat = 1 mol/s. Eine weitere wichtige Messgr??e bei Enzymen ist die spezifische Aktivit?t (Aktivit?t pro Masseneinheit, U/mg). Daran kann man sehen, wie viel von dem gesamten Protein in der L?sung wirklich das gesuchte Enzym ist.

Die gemessene Enzymaktivit?t ist proportional zur Reaktionsgeschwindigkeit und damit stark von den Reaktionsbedingungen abh?ngig. Sie steigt mit der Temperatur entsprechend der RGT-Regel an: eine Erh?hung der Temperatur um ca. 5–10 °C führt zu einer Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit und damit der Aktivit?t. Dies gilt jedoch nur für einen begrenzten Temperaturbereich. Bei überschreiten einer optimalen Temperatur kommt es zu einem steilen Abfallen der Aktivit?t durch Denaturierung des Enzyms. ?nderungen im pH-Wert der L?sung haben oft dramatische Effekte auf die Enzymaktivit?t, da dieser die Ladung einzelner für die Katalyse wichtiger Aminos?uren im Enzym beeinflussen kann. Jenseits des pH-Optimums vermindert sich die Enzymaktivit?t und kommt irgendwann zum Erliegen. ?hnliches gilt für die Salzkonzentration bzw. die Ionenst?rke in der Umgebung.

Michaelis-Menten-Theorie

→ Hauptartikel: Michaelis-Menten-Theorie

S?ttigungshyperbel

Ein Modell zur kinetischen Beschreibung einfacher Enzymreaktionen ist die Michaelis-Menten-Theorie (MM-Theorie). Sie liefert einen Zusammenhang zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit v einer Enzymreaktion sowie der Enzym- und Substratkonzentration [E₀] und [S]. Grundlage ist die Annahme, dass ein Enzym mit einem Substratmolekül einen Enzym-Substrat-Komplex bildet und dieser entweder in Enzym und Produkt oder in seine Ausgangsbestandteile zerf?llt. Was schneller passiert, h?ngt von den jeweiligen Geschwindigkeitskonstanten k ab.

Enzymkinetik: k₂ = k_cat

Das Modell besagt, dass mit steigender Substratkonzentration auch die Reaktionsgeschwindigkeit steigt. Das geschieht anfangs linear und flacht dann ab, bis eine weitere Steigerung der Substratkonzentration keinen Einfluss mehr auf die Geschwindigkeit des Enzyms hat, da dieses bereits mit Maximalgeschwindigkeit v_max arbeitet. Die MM-Gleichung lautet wie folgt:

$v={\frac {k_{\text{cat}}[E_{0}][S_{0}]}{K_{\text{m}}+[S_{0}]}}$

Die Parameter K_m (Michaeliskonstante) und k_cat (Wechselzahl) sind geeignet, Enzyme kinetisch zu charakterisieren, d. h. Aussagen über ihre katalytische Effizienz zu treffen. Ist K_m beispielsweise sehr niedrig, hei?t das, das Enzym erreicht schon bei niedriger Substratkonzentration seine Maximalgeschwindigkeit und arbeitet damit sehr effizient. Bei geringen Substratkonzentrationen ist die Spezifit?tskonstante k_cat/ K_m ein geeigneteres Ma? für die katalytische Effizienz. Erreicht sie Werte von mehr als 10⁸ bis 10⁹ M^?1 s^?1, wird die Reaktionsgeschwindigkeit nur noch durch die Diffusion der Substrat- und Enzymmoleküle begrenzt. Jeder zuf?llige Kontakt von Enzym und Substrat führt zu einer Reaktion. Enzyme, die eine solche Effizienz erreichen, nennt man ?katalytisch perfekt“.

Kooperativit?t und Allosterie

→ Hauptartikel: Kooperativit?t

Einige Enzyme zeigen nicht die hyperbolische S?ttigungskurve, wie sie die Michaelis-Menten-Theorie vorhersagt, sondern ein sigmoides S?ttigungsverhalten. So etwas wurde erstmals bei Bindeproteinen wie dem H?moglobin beschrieben und wird als positive Kooperativit?t mehrerer Bindungsstellen gedeutet: die Bindung eines Liganden (Substratmolekül) beeinflusst weitere Bindungsstellen im gleichen Enzym (oft aber in anderen Untereinheiten) in ihrer Affinit?t. Bei positiver Kooperativit?t hat ein Bindeprotein mit vielen freien Bindungsstellen eine schw?chere Affinit?t als ein gr??tenteils besetztes Protein. Bindet derselbe Ligand an alle Bindungszentren, spricht man von einem homotropen Effekt. Die Kooperativit?t ist bei Enzymen eng mit der Allosterie verknüpft. Unter Allosterie versteht man das Vorhandensein weiterer Bindungsstellen (allosterischen Zentren) in einem Enzym, abgesehen vom aktiven Zentrum. Binden Effektoren (nicht Substratmoleküle) an allosterische Zentren, liegt ein heterotroper Effekt vor. Die Allosterie ist zwar begrifflich von der Kooperativit?t zu unterscheiden, dennoch treten sie oft gemeinsam auf.

Mehrsubstrat-Reaktionen

→ Hauptartikel: Mehrsubstratreaktion

Die bisherigen überlegungen gelten nur für Reaktionen, an denen ein Substrat zu einem Produkt umgesetzt wird. Viele Enzyme katalysieren jedoch die Reaktion zweier oder mehrerer Substrate bzw. Kosubstrate. Ebenso k?nnen mehrere Produkte gebildet werden. Bei reversiblen Reaktionen ist die Unterscheidung zwischen Substrat und Produkt ohnehin relativ. Die Michaelis-Menten-Theorie gilt für eines von mehreren Substraten nur, wenn das Enzym mit den anderen Substraten ges?ttigt ist.

Ein Enzym katalysiert eine Reaktion zweier Substrate zu einem Produkt. Erfolgt die Bindung des Substrats 1 stets vor der Bindung des Substrats 2, so liegt ein geordneter sequenzieller Mechanismus vor.

Für Mehrsubstrat-Reaktionen sind folgende Mechanismen vorstellbar:

Sequenzieller Mechanismus

Die Substrate binden nacheinander an das Enzym. Haben alle Substrate gebunden, liegt ein zentraler Komplex vor. In diesem findet die Umwandlung der Substrate zu den Produkten statt, welche anschlie?end der Reihe nach aus dem Komplex entlassen werden. Man unterscheidet dabei zwischen:

• Zufalls-Mechanismus (engl. random): Die Reihenfolge der Substratbindung ist zuf?llig.
• Geordneter Mechanismus (engl. ordered): Die Reihenfolge der Bindung ist festgelegt.

Ping-Pong-Mechanismus

Die Bindung von Substrat und die Freisetzung von Produkt erfolgen abwechselnd. Erst bindet Substrat A an das Enzym und wird als erstes Produkt P abgespalten. Dabei wird das Enzym modifiziert. Dann wird das zweite Substrat B aufgenommen und reagiert zu einem zweiten Produkt Q. Das Enzym hat wieder seine Ausgangsgestalt.

Enzymhemmung

Schema der kompetitiven Enzymhemmung: Das aktive Zentrum ist blockiert. Die Reaktion kann nicht stattfinden.

Begrenzung der Produktion durch Endprodukthemmung am Beispiel der Biosynthese der Aminos?ure Isoleucin. Das Enzym 1 wird allosterisch durch das Produkt Isoleucin gehemmt.

→ Hauptartikel: Enzymhemmung

Als Enzymhemmung (Inhibition) bezeichnet man die Herabsetzung der katalytischen Aktivit?t eines Enzyms durch einen spezifischen Hemmstoff (Inhibitor). Grundlegend unterscheidet man die irreversible Hemmung, bei der ein Inhibitor eine unter physiologischen Bedingungen nicht umkehrbare Verbindung mit dem Enzym eingeht (so wie Penicillin mit der D-Alanin-Transpeptidase), von der reversiblen Hemmung, bei der der gebildete Enzym-Inhibitor-Komplex wieder in seine Bestandteile zerfallen kann. Bei der reversiblen Hemmung unterscheidet man wiederum zwischen

• kompetitiver Hemmung – das Substrat konkurriert mit dem Inhibitor um die Bindung an das aktive Zentrum des Enzyms. Der Inhibitor ist aber nicht enzymatisch umsetzbar und stoppt dadurch die Enzymarbeit, indem er das aktive Zentrum blockiert;
• allosterische Hemmung (auch nicht-kompetitive Hemmung) – der Inhibitor bindet am allosterischen Zentrum und ver?ndert dadurch die Konformation des aktiven Zentrums, sodass das Substrat dort nicht mehr binden kann;
• unkompetitive Hemmung – der Inhibitor bindet an den Enzym-Substrat-Komplex und verhindert dadurch die katalytische Umsetzung des Substrates zum Produkt.
• Endprodukthemmung – das Endprodukt einer Reihe von enzymatischen Umsetzungen blockiert das Enzym 1 und beendet so die Umwandlung des Ausgangssubstrates in das Produkt. Diese negative Rückkopplung sorgt bei einigen Stoffwechselprozessen für mengenm??ige Begrenzung der Produktion.

Regulation und Kontrolle der Enzymaktivit?t im Organismus

Enzyme wirken im lebenden Organismus in einem komplexen Geflecht von Stoffwechselwegen zusammen. Um sich schwankenden inneren und ?u?eren Bedingungen optimal anpassen zu k?nnen, ist eine feine Regulation und Kontrolle des Stoffwechsels und der zugrundeliegenden Enzyme n?tig. Unter Regulation versteht man Vorg?nge, die der Aufrechterhaltung stabiler innerer Bedingungen bei wechselnden Umweltbedingungen (Hom?ostase) dienen. Als Kontrolle bezeichnet man Ver?nderungen, die auf Grund von externen Signalen (beispielsweise durch Hormone) stattfinden. Es gibt schnelle/kurzfristige, mittelfristige sowie langsame/langfristige Regulations- und Kontrollvorg?nge im Stoffwechsel:

Kurzfristige Anpassung

Schnelle Ver?nderungen der Enzymaktivit?t erfolgen als direkte Antwort der Enzyme auf ver?nderte Konzentrationen von Stoffwechselprodukten, wie Substrate, Produkte oder Effektoren (Aktivatoren und Inhibitoren). Enzymreaktionen, die nahe am Gleichgewicht liegen, reagieren empfindlich auf Ver?nderungen der Substrat- und Produktkonzentrationen. Anh?ufung von Substrat beschleunigt die Hinreaktion, Anh?ufung von Produkt hemmt die Hinreaktion und f?rdert die Rückreaktion (kompetitive Produkthemmung). Allgemein wird aber den irreversiblen Enzymreaktionen eine gr??ere Rolle bei der Stoffwechselregulation und Kontrolle zugeschrieben.

Von gro?er Bedeutung ist die allosterische Modulation. Substrat- oder Effektormoleküle, die im Stoffwechsel anfallen, binden an allosterische Zentren des Enzyms und ver?ndern seine katalytische Aktivit?t. Allosterische Enzyme bestehen aus mehreren Untereinheiten (entweder aus gleichen oder aus verschiedenen Proteinmolekülen). Die Bindung von Substrat- oder Hemmstoff-Molekülen an eine Untereinheit führt zu Konformations?nderungen im gesamten Enzym, welche die Affinit?t der übrigen Bindungsstellen für das Substrat ver?ndern. Eine Endprodukt-Hemmung (Feedback-Hemmung) entsteht, wenn das Produkt einer Reaktionskette auf das Enzym am Anfang dieser Kette allosterisch hemmend wirkt. Dadurch entsteht automatisch ein Regelkreis.

Mittelfristige Anpassung

Eine h?ufige Form der Stoffwechselkontrolle ist die kovalente Modifikation von Enzymen, besonders die Phosphorylierung. Wie durch einen molekularen Schalter kann das Enzym beispielsweise nach einem hormonellen Signal durch phosphat-übertragende Enzyme (Kinasen) ein- oder ausgeschaltet werden. Die Einführung einer negativ geladenen Phosphatgruppe zieht strukturelle ?nderungen im Enzym nach sich und kann prinzipiell sowohl aktive als auch inaktive Konformationen begünstigen. Die Abspaltung der Phosphatgruppe durch Phosphatasen kehrt diesen Vorgang um, so dass eine flexible Anpassung des Stoffwechsels an wechselnde physiologische Anforderungen m?glich ist.

Langfristige Anpassung

Als langfristige Reaktion auf ge?nderte Anforderungen an den Stoffwechsel werden Enzyme gezielt abgebaut oder neugebildet. Die Neubildung von Enzymen wird über die Expression ihrer Gene gesteuert. Eine solche Art der genetischen Regulation bei Bakterien beschreibt das Operon-Modell von Jacob und Monod. Der kontrollierte Abbau von Enzymen in eukaryotischen Zellen kann durch Ubiquitinierung realisiert werden. Das Anheften von Polyubiquitin-Ketten an Enzyme, katalysiert durch spezifische Ubiquitin-Ligasen, markiert diese für den Abbau im Proteasom, einem ?Müllschlucker“ der Zelle.

Biologische Bedeutung

Enzyme haben eine hohe biologische Bedeutung, sie spielen die zentrale Rolle im Stoffwechsel aller lebenden Organismen. Nahezu jede biochemische Reaktion wird von Enzymen bewerkstelligt und kontrolliert. Bekannte Beispiele sind Glycolyse und Citrat-Zyklus, Atmungskette und Photosynthese, Transkription und Translation sowie die DNA-Replikation. Enzyme wirken nicht nur als Katalysatoren, sie sind auch wichtige Regulations- und Kontrollpunkte im Stoffwechselgeschehen.

Die Bedeutung der Enzyme beschr?nkt sich jedoch nicht auf den Stoffwechsel, auch bei der Reizaufnahme und -weitergabe sind sie wichtig. An der Signaltransduktion, also der Vermittlung einer Information innerhalb einer Zelle, sind h?ufig Rezeptoren mit enzymatischer Funktion beteiligt. Auch Kinasen, wie die Tyrosinkinasen und Phosphatasen spielen bei der Weitergabe von Signalen eine entscheidende Rolle. Die Aktivierung und Deaktivierung der Tr?ger der Information, also der Hormone, geschehen durch Enzyme.

Weiterhin sind Enzyme an der Verteidigung des eigenen Organismus beteiligt, so sind zum Beispiel diverse Enzyme wie die Serinproteasen des Komplementsystems Teil des unspezifischen Immunsystems des Menschen.

Fehler in Enzymen k?nnen fatale Folgen haben. Durch solche Enzymdefekte ist die Aktivit?t eines Enzyms vermindert oder gar nicht mehr vorhanden. Manche Enzymdefekte werden genetisch vererbt, d. h., das Gen, das die Aminos?uresequenz des entsprechenden Enzyms codiert, enth?lt eine oder mehrere Mutationen oder fehlt ganz. Beispiele für vererbbare Enzymdefekte sind die Phenylketonurie und Galaktos?mie.

Artifizielle Enzyme (beispielsweise in Brot-teig, die beim Backvorgang nicht denaturiert werden,) bergen das Risiko Allergien auszul?sen.

Verwendung und Auftreten im Alltag

Enzyme sind wertvolle Werkzeuge der Biotechnologie. Ihre Einsatzm?glichkeiten reichen von der K?seherstellung (Labferment) über die Enzymatik bis hin zur Gentechnik. Für bestimmte Anwendungen entwickeln Wissenschaftler heute gezielt leistungsf?higere Enzyme durch Protein-Engineering. Zudem konstruierte man eine neuartige Form katalytisch aktiver Proteine, die katalytischen Antik?rper, die aufgrund ihrer ?hnlichkeit zu den Enzymen Abzyme genannt wurden. Auch Ribonukleins?uren (RNA) k?nnen katalytisch aktiv sein; diese werden dann als Ribozyme bezeichnet.

Enzyme werden unter anderem in der Industrie ben?tigt. Waschmitteln und Geschirrspülmitteln fügt man Lipasen (Fett spaltende Enzyme), Proteasen (Proteine spaltende Enzyme) und Amylasen (St?rke spaltende Enzyme) zur Erh?hung der Reinigungsleistung hinzu, weil diese Enzyme die entsprechenden Flecken in Kleidung oder Speisereste am Geschirr zersetzen.

Enzyme werden auch zur Herstellung einiger Medikamente und Insektenschutzmittel verwendet. Bei der K?seherstellung wirkt das Labferment mit, ein Enzym, das aus K?lberm?gen gewonnen wurde.

Viele Enzyme k?nnen heute mit Hilfe von gentechnisch ver?nderten Mikroorganismen hergestellt werden.

Die in rohen Ananas, Kiwifrüchten und Papayas enthaltenen Enzyme verhindern das Erstarren von Tortengelatine, ein unerwünschter Effekt, wenn beispielsweise ein Obstkuchen, der rohe Stücke dieser Früchte enth?lt, mit einem festen Tortengelatinebelag überzogen werden soll. Das Weichbleiben des übergusses tritt nicht bei der Verwendung von Früchten aus Konservendosen auf, diese werden pasteurisiert, wobei die eiwei?abbauenden Enzyme deaktiviert werden.

Beim Sch?len von Obst und Gemüse werden pflanzliche Zellen verletzt und in der Folge Enzyme freigesetzt. Dadurch kann das gesch?lte Gut (bei ?pfeln und Avocados gut ersichtlich) durch enzymatisch unterstützte Reaktion von Flavonoiden oder anderen empfindlichen Inhaltsstoffen mit Luftsauerstoff braun werden. Ein Zusatz von Zitronensaft wirkt dabei als Gegenmittel. Die im Zitronensaft enthaltene Ascorbins?ure verhindert die Oxidation oder reduziert bereits oxidierte Verbindungen (Zusatz von Ascorbins?ure als Lebensmittelzusatzstoff).

In der Medizin spielen Enzyme eine wichtige Rolle. Viele Arzneimittel hemmen Enzyme oder verst?rken ihre Wirkung, um eine Krankheit zu heilen. Prominentester Vertreter solcher Arzneistoffe ist wohl die Acetylsalicyls?ure, die das Enzym Cyclooxygenase hemmt und somit unter anderem schmerzlindernd wirkt.

Siehe auch: Protoplastenisolation

Enzyme in der Technik

Die folgende Tabelle gibt einen überblick über die Einsatzgebiete von Enzymen. Zur Herstellung siehe Protein.

technischer Prozess	Enzyme	Wirkung
St?rkeverarbeitung	α-Amylase, Glucoamylase	St?rkehydrolyse
Racematspaltung	L-Acylase	Herstellung von Aminos?uren
Waschmittel	Waschmittelenzyme	Hydrolyse von Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten
K?seproduktion	Proteasen	Milchgerinnung
Brennerei-Produkte	α-Amylase, Glucoamylase	St?rkeverzuckerung
Brauereiindustrie	α-Amylase, Glucoamylase, Proteasen	Maischprozess
Fruchtsaftverarbeitung	Pektinasen, α-Amylase	Hydrolyse der Pektine bzw. von St?rke
Backwarenherstellung	α-Amylase, Proteasen, Pentosanase	teilweise Hydrolyse von Mehl- und Teiginhaltsstoffen
Lederverarbeitung	Proteasen	Weichen, Enthaaren von Leder
Textilindustrie	α-Amylase	St?rkehydrolyse, Entschlichten

Einsatz von Enzymen für Plastikrecycling

Enzyme kommen auch für das Recycling von Plastik zum Einsatz. Diese müssen ausreichend hitzestabil sein, d. h., sie müssen Temperaturen um die 70 Grad aushalten. Die franz?sische Firma Carbios hat ein Enzym gefunden, das Polyethylenterephthalat (PET) in seine Monomere (Ethylenglycol und Terephthals?ure) zerlegt. Die Flaschen müssen vor dem Erhitzen zuerst verkleinert werden. Am Ende des Prozesses steht ein Plastikgranulat, das für neue PET-Produkte verwendet werden kann. Trotz des relativ hohen Aufwands wird das Verfahren als lohnend bewertet, da die Ausgaben sich nur auf etwa 4 % der Kosten belaufen, die für die Produktion neuer Plastikflaschen aus Roh?l anfallen.

Bedeutung von Enzymen in der medizinischen Diagnostik

Die Diagnostik verwendet Enzyme, um Krankheiten zu entdecken. In den Teststreifen für Diabetiker befindet sich zum Beispiel ein Enzymsystem, das unter Einwirkung von Blutzucker einen Stoff produziert, dessen Gehalt gemessen werden kann. So wird indirekt der Blutzuckerspiegel gemessen. Man nennt diese Vorgehensweise eine ?enzymatische Messung“. Sie wird auch in medizinischen Laboratorien angewandt, zur Bestimmung von Glucose (Blutzucker) oder Alkohol. Enzymatische Messungen sind relativ einfach und preisgünstig anzuwenden. Man macht sich dabei die Substratspezifit?t von Enzymen zu Nutze. Es wird also der zu analysierenden K?rperflüssigkeit ein Enzym zugesetzt, welches das zu messende Substrat spezifisch umsetzen kann. An der entstandenen Menge von Reaktionsprodukten kann man dann ablesen, wie viel des Substrats in der K?rperflüssigkeit vorhanden war.

Im menschlichen Blut sind eine Reihe von Enzymen anhand ihrer Aktivit?t direkt messbar. Die im Blut zirkulierenden Enzyme entstammen teilweise spezifischen Organen. Es k?nnen daher anhand der Erniedrigung oder Erh?hung von Enzymaktivit?ten im Blut Rückschlüsse auf Sch?digungen bestimmter Organe gezogen werden. So kann eine Bauchspeicheldrüsenentzündung durch die stark erh?hte Aktivit?t der Lipase und der Pankreas-Amylase im Blut erkannt werden.

Literatur

• Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer: Biochemie. 5. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg – Berlin 2003, ISBN 3-8274-1303-6.
• David Fell: Understanding the Control of Metabolism. Portland Press Ltd, London 1997, 2003, ISBN 1-85578-047-X.
• Alfred Schellenberger (Hrsg.): Enzymkatalyse. Einführung in die Chemie, Biochemie und Technologie der Enzyme. Gustav Fischer Verlag, Jena 1989, ISBN 3-540-18942-4.
• Donald Voet, Judith G. Voet: Biochemistry. 3. Auflage. John Wiley & Sons Inc., London 2004, ISBN 0-471-39223-5.
• Maria-Regina Kula: Enzyme in der Technik. Chemie in unserer Zeit, 14. Jahrg. 1980, Nr. 2, S. 61–70, doi:10.1002/ciuz.19800140205
• Brigitte Osterath, Nagaraj Rao, Stephan Lütz, Andreas Liese: Technische Anwendung von Enzymen: Wei?e W?sche und Grüne Chemie. Chemie in unserer Zeit 41(4), S. 324–333 (2007), doi:10.1002/ciuz.200700412
• Otto Westphal, Theodor Wieland, Heinrich Huebschmann: Lebensregler. Von Hormonen, Vitaminen, Fermenten und anderen Wirkstoffen. Societ?ts-Verlag, Frankfurt am Main 1941 (= Frankfurter Bücher. Forschung und Leben. Band 1), insbesondere S. 57–64 (Geschichte der Fermentforschung).

Weblinks

Commons: Enzym – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wikibooks: Biochemie und Pathobiochemie: Enzyme – Lern- und Lehrmaterialien

Wiktionary: Enzym – Bedeutungserkl?rungen, Wortherkunft, Synonyme, übersetzungen

• IUBMB – Verzeichnis und Nomenklatur der Enzyme
• BRENDA umfangreiche Enzymdatenbank
• ExploreEnz – The Enzyme Database
• Enzymdatenbank mit Suchmaschine
• KEGG Metabolic Pathway Database (graphische Darstellungen der biochemischen Reaktionen mit den dazugeh?rigen, systematisch identifizierten Enzymen)
• Auswahl von Enzymen, die Brotteig zugesetzt werden