13.12: Enzyme

Im Inneren lebender Organismen wirken Enzyme als Katalysatoren für viele biochemische Reaktionen, die am Zellstoffwechsel beteiligt sind. Die Rolle von Enzymen besteht darin, die Aktivierungsenergien biochemischer Reaktionen zu reduzieren, indem sie mit ihren Substraten Komplexe bilden. Die Absenkung der Aktivierungsenergien begünstigt eine Erhöhung der Raten biochemischer Reaktionen.

Enzymmängel können oft zu lebensbedrohlichen Krankheiten führen. Zum Beispiel wirkt sich eine genetische Anomalie, die zu einem Mangel des Enzyms G6PD (Glukose-6-Phosphat-Dehydrogenase) führt, nachteilig auf den Stoffwechselweg aus, der NADPH zu den Zellen liefert.

Eine Störung dieses Stoffwechselwegs kann das Glutathion in den roten Blutkörperchen reduzieren, was zu Schäden an anderen Enzymen und Proteinen wie Hämoglobin führt. Die übermäßige Verstoffwechselung von Hämoglobin baut den Bilirubinspiegel auf, was zu Gelbsucht führt, einer Erkrankung, die schwerwiegend werden kann. Daher müssen Menschen, die an einem G6PD-Mangel leiden, bestimmte Lebensmittel und Arzneimittel meiden, die Chemikalien enthalten, die eine Schädigung ihrer Glutathion-mangelnden roten Blutkörperchen auslösen könnten.

Funktion und Struktur von Enzymen

Enzyme werden in verschiedene Klassen eingeteilt, basierend auf der spezifischen Funktion, die sie erfüllen. So sind beispielsweise Oxidoreduktasen an Redoxreaktionen beteiligt, während Transferasen den Transfer funktioneller Gruppen katalysieren. Die Bindungsbildung bei der ATP-Hydrolyse erfordert Ligasen, während Hydrolysereaktionen und Doppelbindungsbildung durch Hydrolasen bzw. Lyasen katalysiert werden. Isomerase-Enzyme katalysieren in der Regel Isomerisierungsreaktionen.

Enzyme besitzen in der Regel aktive Zentren. Dabei handelt es sich um spezifische Bereiche auf dem Molekül mit einer Konformation, die es dem Enzym begünstigt, an ein spezifisches Substrat (ein Reaktantenmolekül) zu binden, um einen Enzym-Substrat-Komplex oder das Reaktionszwischenprodukt zu bilden.

Zwei Modelle – das Lock-and-Key-Modell und das Induced-Fit-Modell – versuchen, die Funktionsweise einer aktiven Stelle zu erklären (Abbildung 1). Die einfachste Schloss-und-Schlüssel-Hypothese besagt, dass das aktive Zentrum und die molekulare Form des Substrats komplementär sind – sie passen zusammen wie ein Schlüssel in einem Schloss (Abbildung 1a). Auf der anderen Seite deutet die Induced-Fit-Hypothese darauf hin, dass das Enzymmolekül flexibel ist und seine Form ändert, um eine Bindung mit dem Substrat aufzunehmen (Abbildung 1b).

Sowohl das Schloss-und-Schlüssel-Modell als auch das Induced-Fit-Modell berücksichtigen jedoch die Tatsache, dass Enzyme nur an bestimmte Substrate binden können und nur eine bestimmte Reaktion katalysieren.

Abbildung 1 (a) Nach dem Schloss-und-Schlüssel-Modell passt sich die Form des aktiven Zentrums eines Enzyms perfekt an das Substrat an. (b) Gemäß dem induzierten Fit-Modell ist das aktive Zentrum etwas flexibel und kann seine Form ändern, um sich mit dem Substrat zu verbinden.

Enzym-Inhibitoren

Die Aktivität von Enzymen kann auch durch den Prozess der Enzymhemmung unterbrochen werden. Es gibt mehrere gängige Arten der Enzymhemmung.

Während der kompetitiven Hemmung bindet ein Molekül (natürlich oder synthetisch), das nicht das Substrat ist, direkt an das aktive Zentrum des Enzyms. Die strukturelle und chemische Ähnlichkeit des Inhibitors mit dem Substrat erleichtert seine Bindung an das aktive Zentrum. Solche kompetitiven Inhibitoren konkurrieren also mit Substraten und verhindern, dass sie an das Enzym binden. In den meisten Fällen kann eine Erhöhung der Substratkonzentration die Auswirkungen der kompetitiven Hemmung unterdrücken.

Bei der nicht-kompetitiven Hemmung bindet ein Molekül (natürlich oder synthetisch) an eine allosterische (andere) Region des Enzyms, die sich von seinem aktiven Zentrum unterscheidet. Die Inhibitorbindung bewirkt eine Konformationsänderung des aktiven Zentrums des Enzyms, was zu einer Abnahme der Fähigkeit des Enzyms führt, die Reaktion zu katalysieren. Im Gegensatz zur kompetitiven Hemmung mildert eine Erhöhung der Substratkonzentration die hemmende Wirkung der nicht-kompetitiven Hemmung nicht.

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