Enzym -Enzyme

Banddiagramm von Glycosidase mit einem Pfeil, der die Spaltung des Maltose-Zuckersubstrats in zwei Glukoseprodukte zeigt.
Das Enzym Glucosidase wandelt den Zucker Maltose in zwei Glukosezucker um . Reste des aktiven Zentrums in Rot, Maltosesubstrat in Schwarz und NAD- Cofaktor in Gelb. ( PDB : 1OBB )

Enzyme ( / ˈ ɛ nz m z / ) sind Proteine ​​, die als biologische Katalysatoren wirken , indem sie chemische Reaktionen beschleunigen . Die Moleküle, auf die Enzyme einwirken können, werden Substrate genannt , und das Enzym wandelt die Substrate in verschiedene Moleküle um, die als Produkte bekannt sind . Nahezu alle Stoffwechselprozesse in der Zelle benötigen eine Enzymkatalyse , um schnell genug ablaufen zu können, um das Leben zu erhalten. Stoffwechselwege hängen von Enzymen ab, um einzelne Schritte zu katalysieren. Die Untersuchung von Enzymen wird als Enzymologie bezeichnet , und das Gebiet der Pseudoenzymanalyse erkennt an, dass einige Enzyme im Laufe der Evolution die Fähigkeit zur Durchführung biologischer Katalyse verloren haben, was sich oft in ihren Aminosäuresequenzen und ungewöhnlichen "pseudokatalytischen" Eigenschaften widerspiegelt.

Es ist bekannt, dass Enzyme mehr als 5.000 biochemische Reaktionstypen katalysieren. Andere Biokatalysatoren sind katalytische RNA-Moleküle , sogenannte Ribozyme. Die Spezifität von Enzymen ergibt sich aus ihren einzigartigen dreidimensionalen Strukturen .

Wie alle Katalysatoren erhöhen Enzyme die Reaktionsgeschwindigkeit , indem sie ihre Aktivierungsenergie senken . Einige Enzyme können ihre Umwandlung von Substrat zu Produkt viele Millionen Mal schneller machen. Ein extremes Beispiel ist die Orotidin-5'-Phosphat-Decarboxylase , die eine Reaktion in Millisekunden ermöglicht, die sonst Millionen von Jahren dauern würde. Chemisch gesehen sind Enzyme wie jeder Katalysator und werden weder in chemischen Reaktionen verbraucht, noch verändern sie das Gleichgewicht einer Reaktion. Enzyme unterscheiden sich von den meisten anderen Katalysatoren dadurch, dass sie viel spezifischer sind. Die Enzymaktivität kann durch andere Moleküle beeinflusst werden: Inhibitoren sind Moleküle, die die Enzymaktivität verringern, und Aktivatoren sind Moleküle, die die Aktivität erhöhen. Viele therapeutische Medikamente und Gifte sind Enzyminhibitoren. Die Aktivität eines Enzyms nimmt außerhalb seiner optimalen Temperatur und seines optimalen pH-Werts deutlich ab , und viele Enzyme werden (dauerhaft) denaturiert , wenn sie übermäßiger Hitze ausgesetzt werden, wobei sie ihre Struktur und katalytischen Eigenschaften verlieren.

Einige Enzyme werden kommerziell verwendet, zum Beispiel bei der Synthese von Antibiotika . Einige Haushaltsprodukte verwenden Enzyme, um chemische Reaktionen zu beschleunigen: Enzyme in biologischen Waschpulvern zersetzen Protein-, Stärke- oder Fettflecken auf der Kleidung, und Enzyme in Fleischklopfern zerlegen Proteine ​​in kleinere Moleküle, wodurch das Fleisch leichter zu kauen ist.

Etymologie und Geschichte

Foto von Eduard Buchner.
Eduard Buchner

Im späten 17. und frühen 18. Jahrhundert waren die Verdauung von Fleisch durch Magensekrete und die Umwandlung von Stärke in Zucker durch Pflanzenextrakte und Speichel bekannt, aber die Mechanismen, durch die dies geschah, waren nicht identifiziert worden.

Der französische Chemiker Anselme Payen war der erste, der 1833 ein Enzym, die Diastase , entdeckte. Einige Jahrzehnte später, als Louis Pasteur die Fermentation von Zucker zu Alkohol durch Hefe untersuchte , kam er zu dem Schluss, dass diese Fermentation durch eine in den Hefezellen enthaltene Lebenskraft verursacht wurde sogenannte „Fermente“, von denen angenommen wurde, dass sie nur in lebenden Organismen funktionieren. Er schrieb, dass "die alkoholische Gärung ein Vorgang ist, der mit dem Leben und der Organisation der Hefezellen korreliert, nicht mit dem Tod oder der Fäulnis der Zellen."

1877 verwendete der deutsche Physiologe Wilhelm Kühne (1837–1900) erstmals den Begriff Enzym , der vom griechischen ἔνζυμον, „gesäuert“ oder „in Hefe“ stammt , um diesen Vorgang zu beschreiben. Das Wort Enzym wurde später verwendet, um sich auf nicht lebende Substanzen wie Pepsin zu beziehen , und das Wort Ferment wurde verwendet, um sich auf die chemische Aktivität zu beziehen, die von lebenden Organismen produziert wird.

Eduard Buchner reichte 1897 seine erste Arbeit zur Untersuchung von Hefeextrakten ein. In einer Reihe von Experimenten an der Universität Berlin stellte er fest, dass Zucker durch Hefeextrakte vergoren wurde, selbst wenn keine lebenden Hefezellen in der Mischung waren. Er nannte das Enzym, das die Fermentation von Saccharose bewirkte, „ Zymase “. 1907 erhielt er den Nobelpreis für Chemie für „seine Entdeckung der zellfreien Gärung“. In Anlehnung an Buchners Beispiel werden Enzyme üblicherweise nach der Reaktion benannt, die sie ausführen: Die Endung -ase wird mit dem Namen des Substrats (z. B. Laktase ist das Enzym, das Lactose spaltet ) oder mit der Art der Reaktion (z. B. DNA-Polymerase) kombiniert bildet DNA-Polymere).

Die biochemische Identität von Enzymen war Anfang des 20. Jahrhunderts noch unbekannt. Viele Wissenschaftler beobachteten, dass enzymatische Aktivität mit Proteinen verbunden war, aber andere (wie der Nobelpreisträger Richard Willstätter ) argumentierten, dass Proteine ​​lediglich Träger für die wahren Enzyme seien und dass Proteine ​​per se nicht zur Katalyse fähig seien. 1926 zeigte James B. Sumner , dass das Enzym Urease ein reines Protein ist und kristallisierte es; er tat dasselbe 1937 für das Enzym Katalase . Die Schlussfolgerung, dass reine Proteine ​​Enzyme sein können, wurde endgültig von John Howard Northrop und Wendell Meredith Stanley demonstriert , die an den Verdauungsenzymen Pepsin (1930), Trypsin und Chymotrypsin arbeiteten . Diese drei Wissenschaftler wurden 1946 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

Die Entdeckung, dass Enzyme kristallisiert werden können, ermöglichte schließlich die Auflösung ihrer Strukturen durch Röntgenkristallographie . Dies wurde zuerst für Lysozym durchgeführt , ein Enzym, das in Tränen, Speichel und Eiweiß vorkommt und die Beschichtung einiger Bakterien verdaut; Die Struktur wurde von einer Gruppe unter der Leitung von David Chilton Phillips gelöst und 1965 veröffentlicht. Diese hochauflösende Struktur von Lysozym markierte den Beginn des Gebiets der Strukturbiologie und der Bemühungen, die Funktionsweise von Enzymen auf atomarer Detailebene zu verstehen.

Klassifikation und Nomenklatur

Enzyme können nach zwei Hauptkriterien klassifiziert werden: entweder Ähnlichkeit der Aminosäuresequenz (und damit evolutionäre Verwandtschaft) oder enzymatische Aktivität.

Enzymaktivität . Der Name eines Enzyms leitet sich oft von seinem Substrat oder der chemischen Reaktion ab, die es katalysiert, wobei das Wort auf -ase endet . Beispiele sind Laktase , Alkoholdehydrogenase und DNA-Polymerase . Verschiedene Enzyme, die dieselbe chemische Reaktion katalysieren, werden Isozyme genannt .

Die Internationale Union für Biochemie und Molekularbiologie hat eine Nomenklatur für Enzyme entwickelt , die EC-Nummern (für „Enzyme Commission“) . Jedes Enzym wird durch "EC" beschrieben, gefolgt von einer Folge von vier Zahlen, die die Hierarchie der enzymatischen Aktivität darstellen (von sehr allgemein bis sehr spezifisch). Das heißt, die erste Zahl klassifiziert das Enzym allgemein basierend auf seinem Mechanismus, während die anderen Zahlen immer mehr Spezifität hinzufügen.

Die Top-Level-Klassifizierung lautet:

Diese Abschnitte sind durch andere Merkmale wie Substrat, Produkte und chemische Mechanismen unterteilt . Ein Enzym wird durch vier numerische Bezeichnungen vollständig spezifiziert. Beispielsweise ist Hexokinase (EC 2.7.1.1) eine Transferase (EC 2), die eine Phosphatgruppe (EC 2.7) an einen Hexosezucker anfügt, ein Molekül, das eine Alkoholgruppe (EC 2.7.1) enthält.

Sequenzähnlichkeit . EC-Kategorien spiegeln keine Sequenzähnlichkeit wider. Beispielsweise können zwei Ligasen mit derselben EC-Nummer, die genau dieselbe Reaktion katalysieren, völlig unterschiedliche Sequenzen haben. Unabhängig von ihrer Funktion wurden Enzyme wie alle anderen Proteine ​​aufgrund ihrer Sequenzähnlichkeit in zahlreiche Familien eingeteilt. Diese Familien wurden in Dutzenden unterschiedlicher Protein- und Proteinfamilien-Datenbanken wie Pfam dokumentiert .

Struktur

Ein Diagramm, das zeigt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit exponentiell mit der Temperatur ansteigt, bis sie durch Denaturierung wieder abnimmt.
Die Enzymaktivität steigt zunächst mit der Temperatur ( Q10-Koeffizient ), bis sich die Struktur des Enzyms entfaltet ( Denaturierung ), was zu einer optimalen Reaktionsgeschwindigkeit bei einer mittleren Temperatur führt.

Enzyme sind im Allgemeinen globuläre Proteine , die allein oder in größeren Komplexen wirken . Die Abfolge der Aminosäuren gibt die Struktur vor, die wiederum die katalytische Aktivität des Enzyms bestimmt. Obwohl die Struktur die Funktion bestimmt, kann eine neuartige enzymatische Aktivität noch nicht allein aus der Struktur vorhergesagt werden. Enzymstrukturen entfalten sich ( denaturieren ), wenn sie erhitzt oder chemischen Denaturierungsmitteln ausgesetzt werden, und diese Störung der Struktur verursacht typischerweise einen Aktivitätsverlust. Die Denaturierung von Enzymen ist normalerweise mit Temperaturen über dem normalen Niveau einer Art verbunden; Infolgedessen werden Enzyme aus Bakterien, die in vulkanischen Umgebungen wie heißen Quellen leben , von industriellen Anwendern wegen ihrer Fähigkeit geschätzt, bei hohen Temperaturen zu funktionieren, wodurch enzymkatalysierte Reaktionen mit sehr hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden können.

Enzyme sind normalerweise viel größer als ihre Substrate. Die Größen reichen von nur 62 Aminosäureresten für das Monomer der 4-Oxalocrotonat-Tautomerase bis zu über 2.500 Resten in der tierischen Fettsäuresynthase . Nur ein kleiner Teil ihrer Struktur (etwa 2–4 ​​Aminosäuren) ist direkt an der Katalyse beteiligt: ​​das katalytische Zentrum. Diese katalytische Stelle befindet sich neben einer oder mehreren Bindungsstellen , an denen Reste die Substrate ausrichten. Das katalytische Zentrum und die Bindungsstelle bilden zusammen das aktive Zentrum des Enzyms . Der verbleibende Großteil der Enzymstruktur dient dazu, die genaue Orientierung und Dynamik des aktiven Zentrums aufrechtzuerhalten.

Bei manchen Enzymen sind keine Aminosäuren direkt an der Katalyse beteiligt; stattdessen enthält das Enzym Stellen, um katalytische Cofaktoren zu binden und auszurichten . Enzymstrukturen können auch allosterische Stellen enthalten , an denen die Bindung eines kleinen Moleküls eine Konformationsänderung bewirkt , die die Aktivität erhöht oder verringert.

Es gibt eine kleine Anzahl von RNA -basierten biologischen Katalysatoren , die Ribozyme genannt werden , die wiederum allein oder im Komplex mit Proteinen wirken können. Das häufigste davon ist das Ribosom , das ein Komplex aus Protein und katalytischen RNA-Komponenten ist.

Mechanismus

Lysozym wurde als undurchsichtige kugelförmige Oberfläche mit einer ausgeprägten Spalte dargestellt, in die das als Strichdiagramm dargestellte Substrat genau hineinpasst.
Organisation der Enzymstruktur und Beispiel für Lysozym . Bindungsstellen in Blau, katalytische Stelle in Rot und Peptidoglycan- Substrat in Schwarz. ( PDB : 9LYZ )

Substratbindung

Enzyme müssen ihre Substrate binden, bevor sie eine chemische Reaktion katalysieren können. Enzyme sind normalerweise sehr spezifisch in Bezug auf die Substrate, die sie binden, und die dann katalysierte chemische Reaktion. Spezifität wird durch Bindungstaschen mit komplementärer Form, Ladung und hydrophilen / hydrophoben Eigenschaften zu den Substraten erreicht. Enzyme können daher sehr ähnliche Substratmoleküle chemoselektiv , regioselektiv und stereospezifisch unterscheiden .

Einige der Enzyme mit der höchsten Spezifität und Genauigkeit sind an der Vervielfältigung und Expression des Genoms beteiligt . Einige dieser Enzyme haben „ Korrekturlese “-Mechanismen. Dabei katalysiert ein Enzym wie die DNA-Polymerase in einem ersten Schritt eine Reaktion und überprüft dann in einem zweiten Schritt, ob das Produkt korrekt ist. Dieser zweistufige Prozess führt zu durchschnittlichen Fehlerraten von weniger als 1 Fehler in 100 Millionen Reaktionen in High-Fidelity-Säugetier-Polymerasen. Ähnliche Korrekturlesemechanismen finden sich auch in RNA - Polymerase , Aminoacyl - tRNA - Synthetasen und Ribosomen .

Umgekehrt zeigen einige Enzyme Enzympromiskuität , haben eine breite Spezifität und wirken auf eine Reihe verschiedener physiologisch relevanter Substrate. Viele Enzyme besitzen zufällig (dh neutral ) entstandene kleine Nebenaktivitäten , die Ausgangspunkt für die evolutionäre Selektion einer neuen Funktion sein können.

Hexokinase dargestellt als undurchsichtige Oberfläche mit einer ausgeprägten offenen Bindungsspalte neben ungebundenem Substrat (oben) und dasselbe Enzym mit einer geschlosseneren Spalte, die das gebundene Substrat umgibt (unten)
Das Enzym ändert seine Form durch induzierte Anpassung an die Substratbindung, um einen Enzym-Substrat-Komplex zu bilden. Hexokinase hat eine große induzierte Anpassungsbewegung, die sich über die Substrate Adenosintriphosphat und Xylose schließt . Bindungsstellen in Blau, Substrate in Schwarz und Mg 2+ -Cofaktor in Gelb. ( PDB : 2E2N , 2E2Q )

Modell "Schloss und Schlüssel".

Um die beobachtete Spezifität von Enzymen zu erklären, schlug Emil Fischer 1894 vor, dass sowohl das Enzym als auch das Substrat spezifische komplementäre geometrische Formen besitzen, die exakt ineinander passen. Dies wird oft als „Schloss-und-Schlüssel“-Modell bezeichnet. Dieses frühe Modell erklärt die Enzymspezifität, erklärt aber nicht die Stabilisierung des Übergangszustands, den Enzyme erreichen.

Modell der induzierten Anpassung

1958 schlug Daniel Koshland eine Modifikation des Schlüssel-Schloss-Modells vor: Da Enzyme ziemlich flexible Strukturen sind, wird das aktive Zentrum durch Wechselwirkungen mit dem Substrat kontinuierlich umgeformt, wenn das Substrat mit dem Enzym interagiert. Infolgedessen bindet das Substrat nicht einfach an eine starre aktive Stelle; Die Aminosäureseitenketten , aus denen das aktive Zentrum besteht, werden in die genauen Positionen geformt, die es dem Enzym ermöglichen, seine katalytische Funktion auszuüben. In einigen Fällen, wie z. B. bei Glykosidasen , ändert das Substratmolekül auch leicht seine Form, wenn es in das aktive Zentrum eintritt. Das aktive Zentrum ändert sich weiter, bis das Substrat vollständig gebunden ist, an welchem ​​Punkt die endgültige Form und Ladungsverteilung bestimmt wird. Die induzierte Anpassung kann die Genauigkeit der molekularen Erkennung in Gegenwart von Konkurrenz und Rauschen über den konformativen Korrekturlesemechanismus verbessern .

Katalyse

Enzyme können Reaktionen auf verschiedene Arten beschleunigen, die alle die Aktivierungsenergie (ΔG , freie Gibbs-Energie ) senken.

  1. Durch Stabilisierung des Übergangszustands:
    • Schaffung einer Umgebung mit einer Ladungsverteilung, die komplementär zu der des Übergangszustands ist, um dessen Energie zu senken
  2. Durch Bereitstellung eines alternativen Reaktionswegs:
    • Vorübergehende Reaktion mit dem Substrat, Bildung eines kovalenten Zwischenprodukts, um einen Übergangszustand mit niedrigerer Energie bereitzustellen
  3. Durch Destabilisierung des Substratgrundzustands:
    • Verzerren von gebundenen Substraten in ihre Übergangszustandsform, um die zum Erreichen des Übergangszustands erforderliche Energie zu verringern
    • Durch Orientierung der Substrate in einer produktiven Anordnung zur Reduzierung der Reaktionsentropieänderung ( der Beitrag dieses Mechanismus zur Katalyse ist relativ gering)

Enzyme können mehrere dieser Mechanismen gleichzeitig nutzen. Zum Beispiel führen Proteasen wie Trypsin eine kovalente Katalyse unter Verwendung einer katalytischen Triade durch , stabilisieren den Ladungsaufbau an den Übergangszuständen unter Verwendung eines Oxyanionenlochs und vervollständigen die Hydrolyse unter Verwendung eines orientierten Wassersubstrats.

Dynamik

Enzyme sind keine starren, statischen Strukturen; stattdessen haben sie komplexe interne dynamische Bewegungen – das heißt, Bewegungen von Teilen der Enzymstruktur wie einzelne Aminosäurereste, Gruppen von Resten, die eine Proteinschleife oder Einheit der Sekundärstruktur bilden , oder sogar eine ganze Proteindomäne . Diese Bewegungen führen zu einem Konformationsensemble leicht unterschiedlicher Strukturen, die sich im Gleichgewicht ineinander umwandeln . Verschiedene Zustände innerhalb dieses Ensembles können mit verschiedenen Aspekten der Funktion eines Enzyms assoziiert sein. Beispielsweise sind unterschiedliche Konformationen des Enzyms Dihydrofolatreduktase mit den Schritten der Substratbindung, Katalyse, Cofaktorfreisetzung und Produktfreisetzung des Katalysezyklus verbunden, was mit der Theorie der katalytischen Resonanz übereinstimmt .

Substratpräsentation

Die Substratpräsentation ist ein Prozess, bei dem das Enzym von seinem Substrat sequestriert wird. Enzyme können von einem Substrat im Zellkern oder Zytosol an die Plasmamembran sequestriert werden. Oder innerhalb der Membran kann ein Enzym in Lipidflößen weg von seinem Substrat in der ungeordneten Region sequestriert werden. Wenn das Enzym freigesetzt wird, vermischt es sich mit seinem Substrat. Alternativ kann das Enzym in der Nähe seines Substrats sequestriert werden, um das Enzym zu aktivieren. Beispielsweise kann das Enzym löslich sein und bei Aktivierung an ein Lipid in der Plasmamembran binden und dann auf Moleküle in der Plasmamembran einwirken.

Allosterische Modulation

Allosterische Stellen sind Taschen auf dem Enzym, die sich von der aktiven Stelle unterscheiden und an Moleküle in der zellulären Umgebung binden. Diese Moleküle bewirken dann eine Änderung der Konformation oder Dynamik des Enzyms, die an das aktive Zentrum transduziert wird, und beeinflusst somit die Reaktionsgeschwindigkeit des Enzyms. Auf diese Weise können allosterische Wechselwirkungen Enzyme entweder hemmen oder aktivieren. Allosterische Wechselwirkungen mit Metaboliten stromaufwärts oder stromabwärts im Stoffwechselweg eines Enzyms verursachen eine Rückkopplungsregulierung , die die Aktivität des Enzyms entsprechend dem Fluss durch den Rest des Wegs verändert.

Cofaktoren

Thiaminpyrophosphat, dargestellt als undurchsichtige, kugelförmige Oberfläche mit einer offenen Bindungsspalte, in die das Substrat und der Cofaktor, die beide als Strichdiagramme dargestellt sind, hineinpassen.
Chemische Struktur für Thiaminpyrophosphat und Proteinstruktur von Transketolase . Thiaminpyrophosphat-Cofaktor in Gelb und Xylulose-5-Phosphat- Substrat in Schwarz. ( PDB : 4KXV )

Einige Enzyme benötigen keine zusätzlichen Komponenten, um ihre volle Aktivität zu zeigen. Andere erfordern die Bindung von Nicht-Protein-Molekülen, die als Cofaktoren bezeichnet werden, um aktiv zu werden. Cofaktoren können entweder anorganisch (z. B. Metallionen und Eisen -Schwefel-Cluster ) oder organische Verbindungen (z. B. Flavin und Häm ) sein . Diese Cofaktoren dienen vielen Zwecken; Beispielsweise können Metallionen bei der Stabilisierung nukleophiler Spezies innerhalb des aktiven Zentrums helfen. Organische Cofaktoren können entweder Coenzyme sein , die während der Reaktion aus dem aktiven Zentrum des Enzyms freigesetzt werden, oder prosthetische Gruppen , die fest an ein Enzym gebunden sind. Organische prosthetische Gruppen können kovalent gebunden werden (z. B. Biotin in Enzymen wie Pyruvatcarboxylase ).

Ein Beispiel für ein Enzym, das einen Cofaktor enthält, ist die Carboanhydrase , die einen als Teil ihrer aktiven Stelle gebundenen Zink-Cofaktor verwendet. Diese fest gebundenen Ionen oder Moleküle befinden sich normalerweise im aktiven Zentrum und sind an der Katalyse beteiligt. Beispielsweise sind Flavin- und Häm-Cofaktoren häufig an Redoxreaktionen beteiligt .

Enzyme, die einen Cofaktor benötigen, aber keinen gebunden haben, werden Apoenzyme oder Apoproteine ​​genannt . Ein Enzym zusammen mit dem/den für die Aktivität erforderlichen Cofaktor(en) wird als Holoenzym (oder Haloenzym) bezeichnet. Der Begriff Holoenzym kann auch auf Enzyme angewendet werden, die mehrere Proteinuntereinheiten enthalten, wie z. B. die DNA-Polymerasen ; hier ist das Holoenzym der vollständige Komplex, der alle für die Aktivität erforderlichen Untereinheiten enthält.

Coenzyme

Coenzyme sind kleine organische Moleküle, die lose oder fest an ein Enzym gebunden sein können. Coenzyme transportieren chemische Gruppen von einem Enzym zum anderen. Beispiele umfassen NADH , NADPH und Adenosintriphosphat (ATP). Einige Coenzyme wie Flavinmononukleotid (FMN), Flavinadenindinukleotid (FAD), Thiaminpyrophosphat (TPP) und Tetrahydrofolat (THF) werden aus Vitaminen gewonnen . Diese Coenzyme können vom Körper nicht de novo synthetisiert werden und eng verwandte Verbindungen (Vitamine) müssen über die Nahrung aufgenommen werden. Zu den beförderten chemischen Gruppen gehören:

Da Coenzyme als Folge der Enzymwirkung chemisch verändert werden, ist es sinnvoll, Coenzyme als eine spezielle Klasse von Substraten oder zweiten Substraten zu betrachten, die vielen verschiedenen Enzymen gemeinsam sind. Beispielsweise sind etwa 1000 Enzyme bekannt, die das Coenzym NADH verwenden.

Coenzyme werden normalerweise kontinuierlich regeneriert und ihre Konzentrationen innerhalb der Zelle auf einem konstanten Niveau gehalten. Beispielsweise wird NADPH über den Pentosephosphatweg und S -Adenosylmethionin durch Methionin-Adenosyltransferase regeneriert . Durch diese kontinuierliche Regeneration können kleine Mengen an Coenzymen sehr intensiv genutzt werden. Beispielsweise setzt der menschliche Körper jeden Tag sein eigenes Gewicht in ATP um.

Thermodynamik

Ein zweidimensionales Diagramm der Reaktionskoordinate (x-Achse) gegen die Energie (y-Achse) für katalysierte und nicht katalysierte Reaktionen.  Die Energie des Systems nimmt von den Edukten (x = 0) bis zum Erreichen eines Maximums im Übergangszustand (x = 0,5) stetig zu und nimmt zu den Produkten (x = 1) stetig ab.  Bei einer enzymkatalysierten Reaktion erzeugt die Bindung jedoch einen Enzym-Substrat-Komplex (mit leicht reduzierter Energie) und steigt dann bis zu einem Übergangszustand mit einem kleineren Maximum als bei der nicht katalysierten Reaktion an.
Die Energien der Stufen einer chemischen Reaktion . Unkatalysiert (gestrichelte Linie) benötigen Substrate viel Aktivierungsenergie, um einen Übergangszustand zu erreichen , der dann in energieärmere Produkte zerfällt. Bei Enzymkatalyse (durchgezogene Linie) bindet das Enzym die Substrate (ES) und stabilisiert dann den Übergangszustand (ES ), um die Aktivierungsenergie zu verringern, die zur Herstellung von Produkten (EP) erforderlich ist, die schließlich freigesetzt werden.

Wie alle Katalysatoren verändern Enzyme die Position des chemischen Gleichgewichts der Reaktion nicht. In Gegenwart eines Enzyms läuft die Reaktion in die gleiche Richtung ab wie ohne Enzym, nur schneller. Zum Beispiel katalysiert Carboanhydrase seine Reaktion in beide Richtungen, abhängig von der Konzentration seiner Reaktanten:

(im Gewebe ; hohe CO 2 -Konzentration)

 

 

 

 

( 1 )

(in der Lunge ; niedrige CO 2 -Konzentration)

 

 

 

 

( 2 )

Die Geschwindigkeit einer Reaktion hängt von der Aktivierungsenergie ab , die benötigt wird, um den Übergangszustand zu bilden , der dann in Produkte zerfällt. Enzyme erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit, indem sie die Energie des Übergangszustands senken. Erstens bildet die Bindung einen niederenergetischen Enzym-Substrat-Komplex (ES). Zweitens stabilisiert das Enzym den Übergangszustand, sodass er im Vergleich zur unkatalysierten Reaktion (ES ) weniger Energie benötigt, um ihn zu erreichen. Schließlich dissoziiert der Enzym-Produkt-Komplex (EP), um die Produkte freizusetzen.

Enzyme können zwei oder mehr Reaktionen koppeln, so dass eine thermodynamisch günstige Reaktion genutzt werden kann, um eine thermodynamisch ungünstige „anzutreiben“, so dass die kombinierte Energie der Produkte niedriger ist als die der Substrate. Beispielsweise wird die Hydrolyse von ATP oft verwendet, um andere chemische Reaktionen anzutreiben.

Kinetik

Schematische Reaktionsdiagramme für unkatalysierte (Substrat zu Produkt) und katalysierte (Enzym + Substrat zu Enzym/Substratkomplex zu Enzym + Produkt)
Ein chemischer Reaktionsmechanismus mit oder ohne Enzymkatalyse . Das Enzym (E) bindet Substrat (S), um Produkt (P) herzustellen .
Ein zweidimensionales Diagramm der Substratkonzentration (x-Achse) gegen die Reaktionsgeschwindigkeit (y-Achse).  Die Form der Kurve ist hyperbolisch.  Die Reaktionsgeschwindigkeit ist Null bei einer Substratkonzentration von Null und die Geschwindigkeit erreicht asymptotisch ein Maximum bei einer hohen Substratkonzentration.
Sättigungskurve einer Enzymreaktion, die den Zusammenhang zwischen Substratkonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit zeigt.

Enzymkinetik ist die Untersuchung, wie Enzyme Substrate binden und in Produkte umwandeln. Die in kinetischen Analysen verwendeten Geschwindigkeitsdaten werden üblicherweise aus Enzymassays erhalten . 1913 schlugen Leonor Michaelis und Maud Leonora Menten eine quantitative Theorie der Enzymkinetik vor, die als Michaelis-Menten-Kinetik bezeichnet wird . Der Hauptbeitrag von Michaelis und Menten bestand darin, sich Enzymreaktionen in zwei Stufen vorzustellen. Im ersten Fall bindet das Substrat reversibel an das Enzym und bildet den Enzym-Substrat-Komplex. Dies wird ihnen zu Ehren manchmal als Michaelis-Menten-Komplex bezeichnet. Das Enzym katalysiert dann den chemischen Schritt in der Reaktion und setzt das Produkt frei. Diese Arbeit wurde von G. E. Briggs und J. B. S. Haldane weiterentwickelt , die kinetische Gleichungen herleiteten, die noch heute weit verbreitet sind.

Die Enzymgeschwindigkeiten hängen von den Lösungsbedingungen und der Substratkonzentration ab . Um die maximale Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion zu finden, wird die Substratkonzentration erhöht, bis eine konstante Geschwindigkeit der Produktbildung beobachtet wird. Dies ist in der Sättigungskurve rechts dargestellt. Die Sättigung entsteht dadurch, dass mit zunehmender Substratkonzentration immer mehr des freien Enzyms in den substratgebundenen ES-Komplex umgewandelt wird. Bei der maximalen Reaktionsgeschwindigkeit ( Vmax ) des Enzyms sind alle aktiven Stellen des Enzyms an das Substrat gebunden, und die Menge des ES-Komplexes ist gleich der Gesamtmenge des Enzyms.

V max ist nur einer von mehreren wichtigen kinetischen Parametern. Die Menge an Substrat, die benötigt wird, um eine gegebene Reaktionsgeschwindigkeit zu erreichen, ist ebenfalls wichtig. Dies wird durch die Michaelis-Menten-Konstante ( K m ) angegeben, die die Substratkonzentration ist, die ein Enzym benötigt, um die Hälfte seiner maximalen Reaktionsgeschwindigkeit zu erreichen; im Allgemeinen hat jedes Enzym eine charakteristische K M für ein gegebenes Substrat. Eine weitere nützliche Konstante ist k cat , auch Umsatzzahl genannt , die die Anzahl der Substratmoleküle ist, die von einem aktiven Zentrum pro Sekunde gehandhabt werden.

Die Effizienz eines Enzyms kann in Form von k cat / K m ausgedrückt werden . Diese wird auch als Spezifitätskonstante bezeichnet und umfasst die Geschwindigkeitskonstanten für alle Reaktionsschritte bis einschließlich des ersten irreversiblen Schritts. Da die Spezifitätskonstante sowohl die Affinität als auch die katalytische Fähigkeit widerspiegelt, ist sie nützlich, um verschiedene Enzyme miteinander oder dasselbe Enzym mit verschiedenen Substraten zu vergleichen. Das theoretische Maximum für die Spezifitätskonstante wird als Diffusionsgrenze bezeichnet und liegt bei etwa 10 8 bis 10 9 (M –1 s –1 ). An diesem Punkt führt jede Kollision des Enzyms mit seinem Substrat zu einer Katalyse, und die Geschwindigkeit der Produktbildung wird nicht durch die Reaktionsgeschwindigkeit, sondern durch die Diffusionsgeschwindigkeit begrenzt. Enzyme mit dieser Eigenschaft werden als katalytisch perfekt oder kinetisch perfekt bezeichnet . Beispiele für solche Enzyme sind Triosephosphatisomerase , Carboanhydrase , Acetylcholinesterase , Katalase , Fumarase , β-Lactamase und Superoxiddismutase . Der Umsatz solcher Enzyme kann mehrere Millionen Reaktionen pro Sekunde erreichen. Aber die meisten Enzyme sind alles andere als perfekt: Die Durchschnittswerte von und liegen bei etwa bzw. .

Die Michaelis-Menten-Kinetik beruht auf dem Massenwirkungsgesetz , das aus den Annahmen der freien Diffusion und der thermodynamisch getriebenen zufälligen Kollision abgeleitet wird . Viele biochemische oder zelluläre Prozesse weichen aufgrund von makromolekularer Verdrängung und eingeschränkter molekularer Bewegung erheblich von diesen Bedingungen ab. Neuere, komplexere Erweiterungen des Modells versuchen, diese Effekte zu korrigieren.

Hemmung

Zweidimensionale Darstellungen der chemischen Struktur von Folsäure und Methotrexat, die die Unterschiede zwischen diesen beiden Substanzen hervorheben (Amidierung von Pyrimidon und Methylierung von sekundärem Amin).
Das Coenzym Folsäure (links) und das Krebsmedikament Methotrexat (rechts) haben eine sehr ähnliche Struktur (Unterschiede sind grün dargestellt). Infolgedessen ist Methotrexat ein kompetitiver Inhibitor vieler Enzyme, die Folate verwenden.

Enzymreaktionsraten können durch verschiedene Arten von Enzyminhibitoren verringert werden.

Arten der Hemmung

Wettbewerbsfähig

Ein kompetitiver Inhibitor und ein Substrat können nicht gleichzeitig an das Enzym binden. Oft ähneln kompetitive Inhibitoren stark dem realen Substrat des Enzyms. Beispielsweise ist der Wirkstoff Methotrexat ein kompetitiver Inhibitor des Enzyms Dihydrofolat-Reduktase , das die Reduktion von Dihydrofolat zu Tetrahydrofolat katalysiert. Die Ähnlichkeit zwischen den Strukturen von Dihydrofolat und diesem Medikament ist in der beigefügten Abbildung gezeigt. Diese Art der Hemmung kann mit einer hohen Substratkonzentration überwunden werden. In einigen Fällen kann der Inhibitor an eine andere Stelle als die Bindungsstelle des üblichen Substrats binden und eine allosterische Wirkung ausüben , um die Form der üblichen Bindungsstelle zu verändern.

Nicht wettbewerbsfähig

Ein nicht-kompetitiver Inhibitor bindet an eine andere Stelle als das Substrat. Das Substrat bindet immer noch mit seiner üblichen Affinität und daher bleibt K m gleich. Der Inhibitor reduziert jedoch die katalytische Effizienz des Enzyms, so dass V max reduziert wird. Im Gegensatz zur kompetitiven Hemmung kann die nicht-kompetitive Hemmung nicht durch hohe Substratkonzentrationen überwunden werden.

Nicht wettbewerbsfähig

Ein nicht kompetitiver Inhibitor kann nicht an das freie Enzym binden, sondern nur an den Enzym-Substrat-Komplex; daher sind diese Arten von Inhibitoren bei hohen Substratkonzentrationen am wirksamsten. In Gegenwart des Inhibitors ist der Enzym-Substrat-Komplex inaktiv. Diese Art der Hemmung ist selten.

Gemischt

Ein gemischter Inhibitor bindet an eine allosterische Stelle und die Bindung des Substrats und des Inhibitors beeinflussen sich gegenseitig. Die Funktion des Enzyms wird reduziert, aber nicht eliminiert, wenn es an den Inhibitor gebunden ist. Diese Art von Inhibitor folgt nicht der Michaelis-Menten-Gleichung.

Irreversibel

Ein irreversibler Inhibitor inaktiviert das Enzym dauerhaft, normalerweise durch Bildung einer kovalenten Bindung an das Protein. Penicillin und Aspirin sind gängige Medikamente, die auf diese Weise wirken.

Funktionen von Inhibitoren

In vielen Organismen können Inhibitoren als Teil eines Rückkopplungsmechanismus wirken . Wenn ein Enzym zu viel von einer Substanz im Organismus produziert, kann diese Substanz am Anfang des Stoffwechselweges, der sie produziert, als Inhibitor für das Enzym wirken, was dazu führt, dass die Produktion der Substanz verlangsamt oder gestoppt wird, wenn eine ausreichende Menge vorhanden ist. Dies ist eine Form von negativem Feedback . Wichtige Stoffwechselwege wie der Zitronensäurezyklus machen sich diesen Mechanismus zunutze.

Da Inhibitoren die Funktion von Enzymen modulieren, werden sie häufig als Arzneimittel verwendet. Viele dieser Medikamente sind reversible kompetitive Inhibitoren, die dem nativen Substrat des Enzyms ähneln, ähnlich wie Methotrexat oben; Weitere bekannte Beispiele sind Statine zur Behandlung von hohem Cholesterinspiegel und Proteasehemmer zur Behandlung von retroviralen Infektionen wie HIV . Ein gängiges Beispiel für einen irreversiblen Hemmer, der als Medikament eingesetzt wird, ist Aspirin , das die Enzyme COX-1 und COX-2 hemmt , die den Entzündungsbotenstoff Prostaglandin produzieren . Andere Enzyminhibitoren sind Gifte. Beispielsweise ist das Gift Cyanid ein irreversibler Enzyminhibitor, der sich mit Kupfer und Eisen im aktiven Zentrum des Enzyms Cytochrom-C-Oxidase verbindet und die Zellatmung blockiert .

Faktoren, die die Enzymaktivität beeinflussen

Da Enzyme aus Proteinen bestehen, reagieren ihre Wirkungen empfindlich auf Änderungen vieler physikalisch-chemischer Faktoren wie pH-Wert, Temperatur, Substratkonzentration usw.

Die folgende Tabelle zeigt pH-Optima für verschiedene Enzyme.

Enzym Optimaler pH-Wert pH-Beschreibung
Pepsin 1,5–1,6 Sehr sauer
Invertase 4.5 Sauer
Lipase (Magen) 4,0–5,0 Sauer
Lipase (Rizinusöl) 4.7 Sauer
Lipase (Pankreas) 8.0 Alkalisch
Amylase (Malz) 4.6–5.2 Sauer
Amylase (Bauchspeicheldrüse) 6,7–7,0 Säureneutral
Cellobiase 5.0 Sauer
Maltase 6.1–6.8 Sauer
Zucker 6.2 Sauer
Katalase 7.0 Neutral
Urease 7.0 Neutral
Cholinesterase 7.0 Neutral
Ribonuklease 7,0–7,5 Neutral
Fumarase 7.8 Alkalisch
Trypsin 7,8–8,7 Alkalisch
Adenosintriphosphat 9.0 Alkalisch
Arginase 10.0 Hochalkalisch

Biologische Funktion

Enzyme erfüllen eine Vielzahl von Funktionen in lebenden Organismen. Sie sind unverzichtbar für die Signalübertragung und Zellregulation, oft über Kinasen und Phosphatasen . Sie erzeugen auch Bewegung, wobei Myosin Adenosintriphosphat (ATP) hydrolysiert , um eine Muskelkontraktion zu erzeugen , und transportieren als Teil des Zytoskeletts auch Fracht durch die Zelle . Andere ATPasen in der Zellmembran sind Ionenpumpen, die am aktiven Transport beteiligt sind . Enzyme sind auch an exotischeren Funktionen beteiligt, wie z. B. Luciferase , die Licht in Glühwürmchen erzeugt . Viren können auch Enzyme zum Infizieren von Zellen, wie die HIV-Integrase und reverse Transkriptase , oder zur Virusfreisetzung aus Zellen, wie die Influenzavirus - Neuraminidase , enthalten .

Eine wichtige Funktion von Enzymen liegt im Verdauungssystem von Tieren. Enzyme wie Amylasen und Proteasen zerlegen große Moleküle ( Stärke bzw. Proteine ​​) in kleinere, damit sie vom Darm aufgenommen werden können. Stärkemoleküle zum Beispiel sind zu groß, um vom Darm absorbiert zu werden, aber Enzyme hydrolysieren die Stärkeketten in kleinere Moleküle wie Maltose und schließlich Glukose , die dann absorbiert werden können. Verschiedene Enzyme verdauen verschiedene Nahrungsstoffe. Bei Wiederkäuern , die sich pflanzenfressend ernähren, produzieren Mikroorganismen im Darm ein weiteres Enzym, Cellulase , um die Zellulose-Zellwände von Pflanzenfasern abzubauen.

Stoffwechsel

Schematische Darstellung des glykolytischen Stoffwechselweges beginnend mit Glucose und endend mit Pyruvat über mehrere Zwischenchemikalien.  Jeder Schritt auf dem Weg wird von einem einzigartigen Enzym katalysiert.
Der Stoffwechselweg der Glykolyse setzt Energie frei, indem Glucose über eine Reihe von Zwischenmetaboliten in Pyruvat umgewandelt wird. Jede chemische Modifikation (roter Kasten) wird von einem anderen Enzym durchgeführt.

Mehrere Enzyme können in einer bestimmten Reihenfolge zusammenarbeiten und Stoffwechselwege schaffen . In einem Stoffwechselweg nimmt ein Enzym das Produkt eines anderen Enzyms als Substrat. Nach der katalytischen Reaktion wird das Produkt dann an ein anderes Enzym weitergegeben. Manchmal kann mehr als ein Enzym dieselbe Reaktion parallel katalysieren; dies kann eine komplexere Regulation ermöglichen: beispielsweise mit einer niedrigen konstanten Aktivität, die von einem Enzym bereitgestellt wird, aber einer induzierbaren hohen Aktivität von einem zweiten Enzym.

Enzyme bestimmen, welche Schritte in diesen Signalwegen ablaufen. Ohne Enzyme würde der Stoffwechsel nicht die gleichen Schritte durchlaufen und könnte nicht so reguliert werden, dass er den Bedürfnissen der Zelle dient. Die meisten zentralen Stoffwechselwege werden in wenigen Schlüsselschritten reguliert, typischerweise durch Enzyme, deren Aktivität die Hydrolyse von ATP beinhaltet. Da diese Reaktion so viel Energie freisetzt, können andere Reaktionen, die thermodynamisch ungünstig sind , mit der ATP-Hydrolyse gekoppelt werden, was die gesamte Reihe verknüpfter Stoffwechselreaktionen antreibt.

Kontrolle der Aktivität

Es gibt fünf Hauptwege, auf denen die Enzymaktivität in der Zelle kontrolliert wird.

Verordnung

Enzyme können durch andere Moleküle entweder aktiviert oder gehemmt werden. Beispielsweise sind die Endprodukte eines Stoffwechselwegs oft Inhibitoren für eines der ersten Enzyme des Stoffwechselwegs (normalerweise der erste irreversible Schritt, der als festgelegter Schritt bezeichnet wird), wodurch die Menge des von den Stoffwechselwegen hergestellten Endprodukts reguliert wird. Ein solcher Regulierungsmechanismus wird als negativer Rückkopplungsmechanismus bezeichnet , da die Menge des produzierten Endprodukts durch seine eigene Konzentration reguliert wird. Der negative Rückkopplungsmechanismus kann die Syntheserate von Zwischenmetaboliten entsprechend den Anforderungen der Zellen effektiv anpassen. Dies hilft bei der effektiven Materialallokation und Energieeinsparung und verhindert die übermäßige Herstellung von Endprodukten. Wie bei anderen homöostatischen Geräten trägt die Kontrolle der enzymatischen Wirkung dazu bei, eine stabile innere Umgebung in lebenden Organismen aufrechtzuerhalten.

Posttranslationale Modifikation

Beispiele für posttranslationale Modifikation umfassen Phosphorylierung , Myristoylierung und Glykosylierung . Beispielsweise hilft bei der Reaktion auf Insulin die Phosphorylierung mehrerer Enzyme, einschließlich der Glykogensynthase , die Kontrolle der Synthese oder des Abbaus von Glykogen und ermöglicht es der Zelle, auf Änderungen des Blutzuckers zu reagieren . Ein weiteres Beispiel für eine posttranslationale Modifikation ist die Spaltung der Polypeptidkette. Chymotrypsin , eine Verdauungsprotease, wird in inaktiver Form als Chymotrypsinogen in der Bauchspeicheldrüse produziert und in dieser Form zum Magen transportiert , wo es aktiviert wird. Dies hindert das Enzym daran, die Bauchspeicheldrüse oder andere Gewebe zu verdauen, bevor es in den Darm gelangt. Diese Art von inaktiver Vorstufe eines Enzyms ist als Zymogen oder Proenzym bekannt.

Menge

Die Enzymproduktion ( Transkription und Translation von Enzymgenen) kann durch eine Zelle als Reaktion auf Veränderungen in der Umgebung der Zelle verstärkt oder verringert werden. Diese Form der Genregulation wird als Enzyminduktion bezeichnet . Beispielsweise können Bakterien gegen Antibiotika wie Penicillin resistent werden, weil Enzyme namens Beta-Lactamasen induziert werden, die den entscheidenden Beta-Lactam-Ring im Penicillin-Molekül hydrolysieren. Ein weiteres Beispiel stammt von Enzymen in der Leber , den so genannten Cytochrom-P450-Oxidasen , die für den Arzneimittelstoffwechsel wichtig sind . Die Induktion oder Hemmung dieser Enzyme kann Arzneimittelwechselwirkungen verursachen . Enzymspiegel können auch reguliert werden, indem die Geschwindigkeit des Enzymabbaus verändert wird . Das Gegenteil der Enzyminduktion ist die Enzymrepression .

Subzelluläre Verteilung

Enzyme können kompartimentiert werden, wobei unterschiedliche Stoffwechselwege in unterschiedlichen Zellkompartimenten ablaufen . Beispielsweise werden Fettsäuren von einem Enzymsatz im Cytosol , im endoplasmatischen Retikulum und in Golgi synthetisiert und von einem anderen Enzymsatz als Energiequelle im Mitochondrium durch β-Oxidation verwendet . Außerdem kann der Transport des Enzyms zu verschiedenen Kompartimenten den Protonierungsgrad ( z. B. das neutrale Zytoplasma und das saure Lysosom ) oder den oxidativen Zustand (z. B. oxidierendes Periplasma oder reduzierendes Zytoplasma ) verändern, was wiederum die Enzymaktivität beeinflusst. Im Gegensatz zur Aufteilung in membrangebundene Organellen kann die subzelluläre Lokalisierung von Enzymen auch durch Polymerisation von Enzymen in makromolekulare zytoplasmatische Filamente verändert werden.

Orgel Spezialisierung

In vielzelligen Eukaryoten haben Zellen in verschiedenen Organen und Geweben unterschiedliche Muster der Genexpression und verfügen daher über unterschiedliche Sätze von Enzymen (bekannt als Isoenzyme ) für Stoffwechselreaktionen. Dies stellt einen Mechanismus zur Verfügung, um den Gesamtstoffwechsel des Organismus zu regulieren. Zum Beispiel hat Hexokinase , das erste Enzym im Glykolyseweg , eine spezialisierte Form namens Glucokinase , die in der Leber und der Bauchspeicheldrüse exprimiert wird und eine geringere Affinität zu Glukose hat, jedoch empfindlicher auf die Glukosekonzentration reagiert. Dieses Enzym ist an der Messung des Blutzuckers und der Regulierung der Insulinproduktion beteiligt .

Beteiligung an Krankheiten

Banddiagramm der Phenylalaninhydroxylase mit gebundenem Cofaktor, Coenzym und Substrat
In der Phenylalaninhydroxylase verursachen über 300 verschiedene Mutationen in der gesamten Struktur Phenylketonurie . Phenylalanin- Substrat und Tetrahydrobiopterin -Coenzym in Schwarz und Fe 2+ -Cofaktor in Gelb. ( PDB : 1KW0 )
Erbliche Enzymdefekte werden im Allgemeinen autosomal vererbt , da mehr Nicht-X-Chromosomen als X-Chromosomen vorhanden sind, und rezessiv, da die Enzyme der nicht betroffenen Gene im Allgemeinen ausreichen, um Symptome bei Trägern zu verhindern.

Da die strenge Kontrolle der Enzymaktivität für die Homöostase unerlässlich ist , kann jede Fehlfunktion (Mutation, Überproduktion, Unterproduktion oder Deletion) eines einzelnen kritischen Enzyms zu einer genetischen Krankheit führen. Die Fehlfunktion nur eines Enzymtyps von Tausenden von Enzymtypen, die im menschlichen Körper vorhanden sind, kann tödlich sein. Ein Beispiel für eine tödliche genetische Erkrankung aufgrund einer Enzyminsuffizienz ist die Tay-Sachs-Krankheit , bei der den Patienten das Enzym Hexosaminidase fehlt .

Ein Beispiel für einen Enzymmangel ist die häufigste Form der Phenylketonurie . Viele verschiedene einzelne Aminosäuremutationen im Enzym Phenylalaninhydroxylase , das den ersten Schritt beim Abbau von Phenylalanin katalysiert , führen zum Aufbau von Phenylalanin und verwandten Produkten. Einige Mutationen befinden sich im aktiven Zentrum und stören direkt die Bindung und Katalyse, aber viele sind weit vom aktiven Zentrum entfernt und reduzieren die Aktivität, indem sie die Proteinstruktur destabilisieren oder die korrekte Oligomerisierung beeinträchtigen. Dies kann zu einer geistigen Behinderung führen , wenn die Krankheit nicht behandelt wird. Ein weiteres Beispiel ist der Pseudocholinesterase-Mangel , bei dem die Fähigkeit des Körpers, Cholinester-Medikamente abzubauen, beeinträchtigt ist. Die orale Verabreichung von Enzymen kann verwendet werden, um einige funktionelle Enzymmängel zu behandeln, wie z. B. Pankreasinsuffizienz und Laktoseintoleranz .

Eine andere Möglichkeit, wie Fehlfunktionen von Enzymen Krankheiten verursachen können, sind Keimbahnmutationen in Genen, die für DNA-Reparaturenzyme kodieren . Defekte in diesen Enzymen verursachen Krebs, weil Zellen Mutationen in ihrem Genom schlechter reparieren können . Dies verursacht eine langsame Akkumulation von Mutationen und führt zur Entstehung von Krebs . Ein Beispiel für ein solches erbliches Krebssyndrom ist Xeroderma pigmentosum , das die Entwicklung von Hautkrebs als Reaktion auf selbst eine minimale Einwirkung von ultraviolettem Licht verursacht .

Evolution

Ähnlich wie jedes andere Protein verändern sich Enzyme im Laufe der Zeit durch Mutationen und Sequenzabweichungen. Aufgrund ihrer zentralen Rolle im Stoffwechsel spielt die Enzymevolution eine entscheidende Rolle bei der Anpassung . Eine zentrale Frage ist daher, ob und wie Enzyme nebenbei ihre enzymatischen Aktivitäten verändern können. Es ist allgemein anerkannt, dass sich viele neue Enzymaktivitäten durch Genduplikation und Mutation der doppelten Kopien entwickelt haben, obwohl die Evolution auch ohne Duplikation stattfinden kann. Ein Beispiel für ein Enzym, das seine Aktivität geändert hat, ist der Vorfahr von Methionylaminopeptidase (MAP) und Kreatin-Amidinohydrolase ( Kreatinase ), die eindeutig homolog sind, aber sehr unterschiedliche Reaktionen katalysieren (MAP entfernt das aminoterminale Methionin in neuen Proteinen, während Kreatinase Kreatin zu hydrolysiert Sarkosin und Harnstoff ). Darüber hinaus ist MAP metallionenabhängig, während Kreatinase dies nicht ist, daher ging auch diese Eigenschaft im Laufe der Zeit verloren. Kleine Änderungen der enzymatischen Aktivität sind bei Enzymen sehr häufig. Insbesondere die Substratbindungsspezifität (siehe oben) kann sich leicht und schnell mit einzelnen Aminosäureänderungen in ihren Substratbindungstaschen ändern. Dies wird häufig in den Hauptenzymklassen wie Kinasen beobachtet .

Künstliche (in vitro) Evolution wird heute häufig verwendet, um die Enzymaktivität oder -spezifität für industrielle Anwendungen zu modifizieren (siehe unten).

Industrielle Anwendungen

Enzyme werden in der chemischen Industrie und anderen industriellen Anwendungen eingesetzt, wenn sehr spezifische Katalysatoren benötigt werden. Enzyme sind im Allgemeinen in der Anzahl der Reaktionen, zu deren Katalyse sie entwickelt wurden, und auch durch ihre mangelnde Stabilität in organischen Lösungsmitteln und bei hohen Temperaturen begrenzt. Folglich ist das Protein-Engineering ein aktives Forschungsgebiet und beinhaltet Versuche, neue Enzyme mit neuartigen Eigenschaften zu schaffen, entweder durch rationales Design oder In-vitro- Evolution. Diese Bemühungen beginnen erfolgreich zu sein, und einige Enzyme wurden nun „von Grund auf neu“ entwickelt, um Reaktionen zu katalysieren, die in der Natur nicht vorkommen.

Anwendung Enzyme verwendet Verwendet
Biokraftstoffindustrie Cellulasen Abbau von Zellulose in Zucker, der fermentiert werden kann, um Zellulose-Ethanol herzustellen .
Ligninasen Vorbehandlung von Biomasse für die Biokraftstoffproduktion.
Biologisches Reinigungsmittel Proteasen , Amylasen , Lipasen Entfernen Sie Eiweiß-, Stärke-, Fett- oder Ölflecken aus Wäsche und Geschirr.
Mannanasen Entfernen Sie Lebensmittelflecken aus dem gängigen Lebensmittelzusatzstoff Guarkernmehl .
Brauindustrie Amylase , Glucanasen , Proteasen Gespaltene Polysaccharide und Proteine ​​im Malz .
Betaglucanasen Verbesserung der Würze- und Bierfiltrationseigenschaften.
Amyloglucosidase und Pullulanasen Machen Sie kalorienarmes Bier und passen Sie die Gärfähigkeit an.
Acetolactatdecarboxylase (ALDC) Erhöhen Sie die Fermentationseffizienz durch Verringerung der Diacetylbildung .
Kulinarische Verwendung Papain Fleisch zum Kochen zart machen .
Molkerei Industrie Rennin Hydrolysieren Sie Protein bei der Herstellung von Käse .
Lipasen Produzieren Sie Camembert-Käse und Blauschimmelkäse wie Roquefort .
Lebensmittelverarbeitung Amylasen Produzieren Sie Zucker aus Stärke , z. B. bei der Herstellung von Maissirup mit hohem Fruchtzuckergehalt .
Proteasen Senken Sie den Proteingehalt von Mehl , wie bei der Keksherstellung .
Trypsin Stellen Sie hypoallergene Babynahrung her.
Cellulasen , Pektinasen Fruchtsäfte klären .
Molekularbiologie Nukleasen , DNA-Ligase und Polymerasen Nutzen Sie den Restriktionsverdau und die Polymerase-Kettenreaktion, um rekombinante DNA zu erzeugen .
Papierindustrie Xylanasen , Hemicellulasen und Ligninperoxidasen Lignin aus Kraftzellstoff entfernen .
Körperpflege Proteasen Entfernen Sie Proteine ​​auf Kontaktlinsen , um Infektionen vorzubeugen.
Stärkeindustrie Amylasen Wandeln Sie Stärke in Glukose und verschiedene Sirupe um .

Siehe auch

Enzymdatenbanken

Verweise

Weiterlesen

Externe Links

  • Medien zu Enzymen bei Wikimedia Commons