Enzyme

Das Wort „Enzym“ stammt aus dem Griechischen (énzymon). Das früher gebräuchliche Wort „Ferment“ dagegen entstammt dem Lateinischen (fermentum). Dieser Begriff war konkurrenzlos bis etwa 1878. Er bedeutete soviel wie „Sauerteig“ oder „Gärungsmittel“, nicht zuletzt, weil viele Gärungsprozesse unter Einwirkung von „Fermenten“ ablaufen. Von daher entstanden Worte, wie „Fermenter“ und „Fermentation“, die in Bezug stehen zur  Funktion und Prozess mit dem benutzten „Ferment“. 1878 war es Wilhelm Friedrich Kühne, ein deutscher Physiologe, der das Wort „Enzym“ einführte, um das „Ferment“ zu verdrängen. Die Bedeutung ist praktisch die Gleiche wie „Ferment“, nur dass es sich hier um ein griechisches Kunstwort handelt. In der Wissenschaft hat sich dann im Laufe der Zeit das „Enzym“ durchsetzen können und ist sogar Bestandteil der griechischen Sprache geworden.

„Enzym“ und „Ferment“, beide Begriffe stehen für eine besondere Klasse von Proteinen mit besonderen Aufgaben im menschlichen und tierischen Organismus: Sie katalysieren biochemische Reaktionen. Sie sind besonders für den Stoffwechsel von Bedeutung, da sie hier eine Art „Polizeifunktion“ einnehmen, indem sie den ganzen „biochemischen Verkehr“ regeln, sei es bei der Verdauung bis hin zu den genetischen Vorgängen von Kopieren, Transkribieren etc. des Erbmaterials.
Nomen est omen

Die IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ist eine internationale Organisation von Chemikern und Biochemikern, die Nomenklatur, Symbole, Terminologie, standardisierte Messmethoden, Werte für molare Massen usw. bewertet und normiert. So hat die IUPAC zusammen mit der International Union of Biochemistry eine Nomenklatur für Enzyme erstellt, alldieweil die Zahl der Enzyme unüberschaubar ist. Der typische Name eines Enzyms setzt sich aus der Endung „-ase“ und dem Stammwort zusammen, das das Substrat bezeichnet, auf das das Enzym eine Wirkung ausübt. So ist die „Laktase“ das Enzym, das „Laktose“ hydrolysiert und damit in Glukose und Galaktose aufspaltet. Oder Cholinesterase, das die Estergruppe des Cholins hydrolysiert. Der Enzymname kann auch die Art der Reaktion, die es initiiert, bezeichnen, z.B. DNA Polymerase veranlasst die Bildung von DNA Polymeren. Aber auch mit dem Versuch, die Namensgebung zu standardisieren, gibt es noch viele „Ungereimtheiten“, wie z.B. Trivialnamen für Enzyme, die den Enzymcharakter des Proteins verbergen, wie z.B. Trypsin, Pepsin und andere Verdauungsenzyme. Dazu kommen noch die Enzyme, die in der Lage sind, mehrere biochemische Vorgänge zu katalysieren. Eine Berücksichtigung hier von allen Substraten, die diese Enzyme katalysieren, würde einen Namen ergeben, der so lang ist, dass er in der Praxis nicht anwendbar wäre.

Um aus diesem Dilemma herauszufinden, wurden sechs Enzymklassen geschaffen. Die Namen orientieren sich im Wesentlichen an den von ihnen katalysierten Vorgängen.

1. Die „Oxidoreduktasen“ katalysieren Redoxreaktionen.
2. Die „Transferasen“  übertragen funktionelle Gruppen von einem Substrat auf ein anderes.
3. Die „Hydrolasen“ spalten Bindungen unter Einsatz von Wasser.
4. Die „Lyasen oder Synthasen“ katalysieren die Spaltung oder Synthese komplexerer Produkte aus einfachen Substraten, allerdings ohne Spaltung von ATP.
5. Die „Isomerasen“  beschleunigen die Umwandlung von chemischen Isomeren.
6. Die „Ligasen oder Synthetasen“ katalysieren die Bildung von Substanzen, die chemisch komplexer sind als die benutzten Substrate. Ligasen sind im Unterschied zu den Lyasen nur unter ATP-Spaltung enzymatisch wirksam.
7. Dies ist keine eigene Klasse, sondern beschreibt die Enzyme, die in der Lage sind, unterschiedliche Reaktionen zu katalysieren. Diese werden dann mehreren Enzymklassen zugerechnet.

Aufbau von Enzymen

Enzyme unterscheiden sich nicht nur durch die Namensgebung, sondern ebenfalls durch ihren Aufbau. So „bunt“ die Namen für die verschiedenartigsten Enzyme sind, so unterschiedlich sind sie geformt.

Da gibt es die Enzyme, die aus einer einzigen Proteinkette bestehen. Sie werden Monomere genannt im Gegensatz zu den Oligomeren, die aus einigen wenigen Kette bzw. Untereinheiten bestehen (mono = allein; oligo = wenig). Multienzymkomplexe sind „Vereinigungen“ mehrerer Enzyme, die miteinander kooperieren bzw. sich gegenseitig regulieren. Aber es gibt auch Monomere, die verschiedene Enzymaktivitäten entfalten können, die sogenannten multifaktoriellen Enzyme.

Eine weitere Differenzierung ist möglich anhand der vorhandenen oder nicht vorhandenen Kofaktoren. Chymotrypsin z.B. ist ein reines Protein-Enzym, ohne Kofaktor, dessen aktives Zentrum lediglich aus Aminosäureresten und einem Peptidrückgrat gebildet wird. Ein anderes Enzym dieser Kategorie ist die Triosephosphatisomerase der Glycolyse. 

Bei den Holoenzymen handelt es sich um eine Kombination von Protein, dem Apoenzym, und dem Kofaktor, der meist ein niedermolekulares Molekül aber kein Protein ist.

Beide Komponenten sind für das Funktionieren des Enzyms notwendig, gerade so wie ein Fahrrad ein Vorder- und ein Hinterrad benötigt, um funktionstüchtig zu sein. Bestehen die Kofaktoren aus organischen Molekülen, dann werden sie Koenzyme genannt. Sie können sich kovalent an das Apoenzym binden und bilden so die sogenannte prosthetische Gruppe (=funktionelle Einheit). Bei einer nicht kovalenten, also lockeren Bindung verbleibt das Koenzym (Kofaktor) nur für die Dauer der Reaktion, um dann wieder zu dissoziieren.

Ein solcher Kofaktor, manchmal auch Kosubstrat genannt, sind Adenosintriphosphat (ATP) und Nicotinamidadenindinukleotid (NAD). ATP ist die universelle, biochemische „Energiewährung“ des Organismus. Proteasen z.B. nutzen es als Energiequelle für ihre Aktivitäten. NAD dient als Elektronenakzeptor für die  Alkoholdehydrogenase und andere Enzyme und steuert somit Redox-Reaktionen.

Enzyme mit Metallionen, wie Eisen, Kupfer, Zink etc., werden Metalloenzyme genannt. Die Lipoxygenase ist ein Beispiel für ein eisenhaltiges Metalloenzym, die Carboanhydrase für ein zinkhaltiges.

Funktion von Enzymen

Allen Enzymen gemeinsam ist die biologische Bedeutung für biochemische Vorgänge im Organismus. Enzyme sind Biokatalysatoren, und als solche initieren bzw. beschleunigen sie biochemische Reaktionen. Der Grund für die Initierung bzw. Beschleunigung liegt in der Herabsetzung der Aktivierungsenergie, die ein Prozess benötigt, um einsetzen zu können. Viele enzymatische Prozesse sind reversibel, d.h., dass die Endprodukte einer Reaktion wieder zurückgeführt werden können in die Ausgangsstoffe.

Die Ausgangsstoffe, auch Substrat genannt, bilden einen Komplex mit dem Enzym in dessen aktiven Zentrum. Hier vollzieht sich die Umwandlung der Substrate in die Endprodukte, die nach erfolgter Umwandlung freigesetzt werden. Das Enzym selbst wird nicht verändert und liegt, wie alle Katalysatoren, nach Beendigung des Umwandlungsprozesses unverändert in seiner Ausgangsform vor. Damit bleibt es für weitere katalytische Prozesse erhalten und muss nicht wieder und wieder erneuert werden, was für den Organismus eine hohe Energieeinsparung bedeutet. Enzyme sind äußerst „wählerisch“. Sie akzeptieren unter den zahlreichen Substraten immer nur die Passenden aus und katalysieren nur spezifische Reaktionen aus einer Unzahl an möglichen Reaktionen.
Energie und Katalyse

Theoretisch wäre ein Leben ohne Enzyme denkbar. Allerdings sind solche Überlegungen rein akademisch, denn dann würden die meisten biochemischen Reaktionen quälend langsam ablaufen, was einer Entwicklung von höheren Lebewesen entschieden entgegen stehen würde.

Aber wie bewirken die Enzyme die Beschleunigung biochemischer Prozesse?

Die Antwort ist, dass sie die Aktivierungsenergie, die ein solcher Prozess benötigt, herabsetzt. Man könnte auch sagen, dass der Schwellenwert für eine Prozessaktivierung herabgesetzt wird. Von daher muss deutlich weniger Energie seitens des Organismus „investiert“ werden, um biochemische Reaktionen in Gang zu setzen, was den Vorgang erleichtert und beschleunigt. Ohne enzymatische Beteiligung müssten erst einmal „Unmengen“ an Energie, meist in Form von ATP, „angespart“ werden, damit ausreichend Energie für die Reaktionen zusammen kommt. Dieses „Ansparen“ erfolgt natürlich nicht in wenigen Minuten oder Sekunden, sondern würde unter Umständen Tage dauern.

Die Enzyme sind also in der Lage, die Substrate zu binden und unter einem deutlich geringeren Energieaufwand in einen Übergangszustand zu bewegen. Die nicht-kovalente Bindung zum Substrat, die sich leicht lösen lässt, stabilisiert diesen Übergangszustand, der immer das Bestreben hat, in die Ausgangsform zurückzugleiten. Diese Stabilisierung bewirkt ein deutlich schnelleres Umwandeln in das erwünschte Reaktionsprodukt, weil hier vom Enzym Wege „vorgezeichnet oder geebnet“ werden, die das Reaktionsprodukt als Endprodukt anvisieren.

Schlüsselposition dieser Aktivitäten ist das aktive Zentrum des Enzyms. Es ist für die katalytische Wirksamkeit verantwortlich. Denn dies ist die Stelle, wo das Substrat gebunden und umgewandelt wird. Wie sieht so ein Zentrum aus? Es besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten, den gefalteten Teilen einer Polypeptidkette auf der einen Seite und einem Kofaktor oder prosthetischen Gruppe auf der anderen Seite. Die Spezifität des Enzyms, also das „Wählerisch-Sein“, mit welchem Substrat es anbandeln will, wird bedingt durch die räumliche Struktur, die nur die Substrate erlaubt, die sich dieser Struktur angepasst haben. Denn nur wenn diese Anforderung erfüllt ist, kann es zu einer Wechselwirkung zwischen Enzym und Substrat kommen, der Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes. Dieses Prinzip ähnelt dem Schlüssel-Schloß-Prinzip, bei dem auch nur wenige, bestimmte Schlüssel in ein entsprechendes Schloss passen. Als Beispiel sei hier genannt die Glucokinase, die Glucose als Substrat akzeptiert, die nah verwandte Galactose jedoch nicht. Allerdings sind Enzyme und deren aktive Zentren keine starren Strukturen, sondern verändern sich durch die Interaktionen mit dem Substrat, was aber auch als Reaktion auf die Veränderungen im Substrat selbst verstanden werden kann. Die Substratspezifität der Enzyme ist allerdings nicht notwendigerweise auf nur ein Substrat begrenzt. Alkohol-Dehydrogenasen z.B. bauen nicht nur Ethanol ab, sondern auch andere Alkohole, Hexokinase IV wirkt nicht nur substratspezifisch auf Glucose, sondern auch auf andere Hexosen.

Die nicht-kovalenten Bindungen im aktiven Zentrum sind im Wesentlichen Wasserstoffbrücken, elektrostatische Wechselwirkungen oder hydrophobe Effekte, die zwischen Enzym und Substrat agieren. Dabei muss die Bindung stark genug sein, um das Substrat zu halten, welches in der Regel in nur geringer Konzentration vorliegt. Eine zu starke Bindung jedoch, wie sie bei einer kovalenten Bindung vorkommt, würde die Reaktion mit der Bindung beenden und es käme zu keiner Freisetzung des Endprodukts. Allerdings ist die Bindung des Übergangszustandes stärker als die Bindung von Substrat und Endprodukt. Diese Verstärkung der Bindung garantiert die Stabilisierung des Übergangszustandes. Wenn mehr als ein Substrat an der Enzym-Substrat-Reaktion beteiligt sind, dann ist es Aufgabe des Enzyms, diese in eine korrekte räumliche Orientierung zu bringen, um wirksame Bindungen aufbauen zu können. Die korrekte Orientierung der Substrate im aktiven Zentrum erhöht die Geschwindigkeit der Reaktionen, da die an der Reaktion beteiligten Molekülgruppen von Enzym und Substraten nah genug bei einander sind. Diese räumliche Nähe bewirkt außerdem einen erhöhten Stabilisierungsgrad. In Einzelfällen können allerdings Koenzyme kovalente Bindungen mit dem Substrat eingehen und ein kurzlebiges Zwischenprodukt bilden.

Die Geschwindigkeit von enzymatischen Reaktionen ist weitestgehend temperaturabhängig. Eine Erhöhung der Temperatur von 5 bis 10 Grad Celsius führt zu einer Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit und –aktivität. Allerdings lässt sich dieses Spiel nicht beliebig hoch betreiben. In höheren Temperaturbereichen kommt es dann zu einer Abnahme der Reaktionsbereitschaft und bei noch höheren Temperaturen zu einer Denaturierung von Enzym und  teilweise auch Substrat. Eine Änderung im pH-Wert ist eine weitere Konstante, die die Aktivität von Enzymen wesentlich beeinflusst. Der pH-Wert bestimmt die elektrische Ladung von Aminosäuren im Enzym, welches die Aktivität herauf- oder herabsetzen kann. So kann ein saurer Bereich (niedriger pH-Wert kleiner als 7) die Enzymaktivität soweit herabsetzen, dass sie irgendwann einmal vollständig zum Erliegen kommt. Gleiches ist richtig für Salzkonzentrationen.
Michaelis-Menten-Kinetik

Enzym und Substrat stehen in einem mengenmäßigen Verhältnis zu einander. Dabei gibt es drei Möglichkeiten:

1. hohe Mengen an Enzym und wenig Substrat;
2. hohe Mengen an Substrat und wenig Enzym und
3. gleich große Mengen von Enzym und Substrat.

Eine Messung von Enzymaktivität und Reaktionsgeschwindigkeit bei allen drei möglichen Konstellationen würde eine verringerte Geschwindigkeit bei Möglichkeit 1 mit wenig Substrat zeigen. Mit Zunahme von Substrat kommt es dann auch zu einer Zunahme der Umsatzgeschwindigkeit.

Unter Möglichkeit 3, bei aquivalenten Mengen von Enzym und Substrat ist die Umsatzgeschwindigkeit optimal.

Möglichkeit 2, eine weitere Zunahme von Substrat ohne Vermehrung des Enzyms bringt keinen weiteren Geschwindigkeitszuwachs. Aber nicht alle Enzyme verhalten sich nach diesem Modell, sondern einige zeigen eine hyperbolische Sättigungskurve, wie z.B. das Hämoglobin. Hier wird vermutet, dass mehrere Bindungsstellen für mehrere Substrate vorliegen, so dass die Michaelis-Menten-Theorie primär auf Enzyme mit wenigen oder nur einer Bindungsstelle im aktiven Zentrum anzuwenden ist.

Die hyperbolische Sättigungskurve bedeutet, dass mit Zunahme von Substrat die Reaktionsgeschwindigkeit wieder abnimmt und nur ein ausgewogenes Verhältnis von Enzym und Substrat optimale Ergebnisse liefert.

Die Reaktionen für mehrere Substrate an einem Enzym vollziehen sich sequenziell, d.h. die Substrate binden nacheinander an das Enzym und bilden darauf folgend einen Komplex, der zum Produkt umgewandelt wird. Nach Beendigung der Umwandlung wird das Produkt freigesetzt.

Enzymhemmung

Eine Enzymhemmung bewirkt die Herabsetzung der Aktivitäten des Enzyms, ausgelöst durch spezifische Inhibitoren. Die Hemmung kann dabei irreversibel sein oder aber reversibel. Die reversible Hemmung kann verschiedene Formen annehmen. Eine Form ist die kompetitive Hemmung, bei dem das Substrat mit dem Inhibitor um die Bindung an das aktive Zentrum „streitet“. Wenn der Inhibitor das Substrat verdrängen kann, kommt es zu einem Stillstand der Enzymaktivität, da der Inhibitor nicht produktfähig ist. Bei einer unkompetitiven Hemmung kommt es zur Ausbildung des Enzym-Substrat-Komplexes, jedoch beeinträchtigt der Inhibitor die katalytische Umsetzung des Substrats. Bei der nicht-kompetitiven Hemmung bindet der Inhibitor an das freie Enzym und gleichzeitig an den Enzym-Substrat-Komplex und bildet so den Enzym-Substrat-Inhibitor-Komplex, der allerdings inaktiv bleibt.
Biologische Bedeutung

Die biologische Bedeutung der Enzyme ist universell. Praktisch wäre fast kein Stoffwechsel vorstellbar ohne das Dazutun der Enzyme. Denn nahezu jeder biochemischer Ablauf in lebenden Organismen wird von Enzymen gesteuert. Einige Beispiele für wichtige enzymatische Prozesse, die auch dem Nicht-Biochemiker bekannt sein dürften, sind der Citrat Zyklus und die Atmungskette, die Photosynthese in Pflanzen, die Transkription und Translation bei der DNA-Replikation und die Glycolyse. Enzyme wirken über ihre katalysatorischen Fähigkeiten gleichzeitig auch als Steuerungs- und Kontrollinstanzen in der Zelle und im Stoffwechselgeschehen. Des Weiteren sind enzymatische Prozesse in Rezeptoren zu finden, die bei der Vermittlung von Informationen zwischen Zellen eine Rolle spielen. Hier werden über Enzyme oft Botenstoffe abgebaut oder aktiviert, was dann die entsprechende Signalwirkung am Rezeptor moduliert.

Enzyme spielen in einem gewissen Maße auch eine Rolle im unspezifischen Immunsystem des Menschen. Dies trifft besonders auf das Komplementsystem zu, dessen Komplementproteine zum großen Teil Zymogene sind. Dies sind wiederum Proteasen, also Enzyme, die Proteine spalten, die durch proteolytische Spaltung aktiviert werden (auch ein Produkt enzymatischer Aktivität). Zymogene kommen im gesamten Körper vor, sind aber inaktiv bis dass es zu einer Infektion kommt. Dann werden sie am Infektionsherd aktiviert durch enzymatische Aktivität und aktivieren weitere Zymogene, so dass es zu einer enzymatischen Kettenreaktion kommt, die eine unspezifische Immunantwort auf einen erfolgten Infekt darstellt.

Da es eine große Zahl an verschiedenen Enzymen gibt, die alle genetisch determiniert sind, gibt es auch Raum genug für Fehler. Die meisten Enzymdefekte sind deshalb auch genetisch bedingt. Ein solcher Defekt ist dann oft verantwortlich dafür, dass es zu keiner Enzymexpression kommt. Das fehlende Enzym dann wiederum ist ein fehlendes Gied in einer Kette von enzymatischen Ereignissen, was einen bestimmten Stoffwechselprozess zum Erliegen bringt. Ein Beispiel ist die Galaktosämie. Hier fehlt das Enzym Galaktosetransferase, welches für den Abbau von Galaktose verantwortlich ist. Es kommt im Organismus zu einem Überangebot an Galaktose. Da dieser genetische Defekt nicht erst im Erwachsenenalter auftritt, sondern beim Säugling sofort bei der Geburt ausgeprägt ist, kommt es mit der Verabreichung von Milch und sogar Muttermilch zu lebensbedrohlichen Komplikationen aufgrund einer Galaktose“vergiftung“. Bei der Phenylketonurie liegen ähnliche Bedingungen vor. Hier kann der Organismus die Aminosäure Phenylalanin nicht abbauen. Durch Anreicherung entsteht „wahlweise“ Phenylpyruvat, Phenylacetat oder Phenyllactat, die beim Neugeborenen zu schweren geistigen Entwicklungsstörungen mit Epilepsie führen kann.
Geschichtliches und Praktisches

Die Erforschung von Enzymen begann 1833, die damals aber noch Fermente genannt wurden. Der französische Chemiker Anselme Payen entdeckte mit der Diastase das erste Enzym. 1894 war es dann Emil Fischer, der das Schlüssel-Schloss-Prinzip bei den Enzymen und ihren Substraten erkannte und postulierte. Da zu diesem Zeitpunkt, bedingt auch durch Pasteur, der Glaube herrschte, dass Fermentation nur in Verbindung mit Mikroorganismen möglich sei, konnte Eduard Buchner 1897 zeigen, dass die alkoholische Gärung ohne lebende Zellen und nur mit Einsatz von Enzymen möglich war. Anfang des  20. Jahrhunderts wurde dann deutlich intensiver an den Enzymen geforscht. Leonor Michaelis und Maud Menten waren hier mit die wichtigsten Pioniere in der Erforschung der Enzymkinetik. Von ihnen wurde auch die Michaelis-Menten-Kinetik postuliert.

Enzyme werden heute in vielen Bereichen eingesetzt. Sie sind in der Käseherstellung als Labferment zu finden, in Waschmitteln als Lipasen, Proteasen und Amylasen, um die Reinigungskraft des Waschmittels zu erhöhen. Sie kommen bei der Herstellung von Medikamenten und anderen pharmakologischen Erzeugnissen zum Einsatz. Viele dieser industriell gefertigten Enzyme werden heut mit Hilfe von gentechnisch veränderten Mikroorganismen hergestellt. In der Medizin kommen Medikamente zum Einsatz, um Enzymsysteme des Organismus zu beeinflussen, damit Krankheiten, meist symptomatisch behandelt werden können. Die Acetylsalicylsäure ist ein solcher Enzymsystemhemmer, nämlich der Cyclooxygenase, die die Prostaglandinsynthese einleitet. Eine Blockierung führt zu einer Abnahme von Prostaglandinen und damit zu einer Abnahme von Entzündungen und Schmerzen.

Auch in der Diagnostik kommen Enzyme zum Einsatz. Die Teststreifen für Diabetiker z.B. sind mit einem Enzym versehen, dass bei Anwesenheit von Zucker eine biochemische Reaktion mit dem Zuckermolekül einleitet, dessen Produktmenge gemessen werden kann. So wird der Blutzuckerspiegel über die Stärke der enzymatischen Reaktion gemessen, nicht der Blutzucker direkt. Dieses Verfahren der enzymatischen Messung findet in den Labors vielfache Anwendungsbereiche, da sie einfach zu handhaben sind und zudem auch preisgünstig. Ein weiterer diagnostischer Einsatz der Enzyme sind die von bestimmten Organen produzierten Enzyme selbst. So sind bei Organschäden die Blutwerte für diese Enzyme verändert. Leberschäden z.B. gehen oft einher mit erhöhten Werten von Aspartat-Aminotransferase (AST),  Alanin-Aminotransferase (ALT), Gamma-Glutamyl-Transferase (Gamma-GT), Alkalische Phosphatase (AP) etc. Durch die Schädigung der Leberzellen treten diese Enzyme aus den zerstörten Zellen aus und gelangen in den Blutkreislauf, was die Erhöhung ausmacht. Je nach dem, welches Enzymsystem erhöhte Werte zeigt, kann man sogar auf die Art der Erkrankung schließen. Je höher die Blutwerte ausfallen, umso größer ist in der Regel der aufgetretene Schaden.