Enzyme

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Enzyme bestehen aus komplexen Riesenmolekülen, zumeist Eiweißmolekülen. Somit sind die meisten Enzyme Proteine. Sie wirken im Körper als Biokatalysatoren, beschleunigen also biochemische Reaktionen. Enzyme sind in Organismen die zentralen Antreiber für biochemische Stoffwechselprozesse und damit absolut essentiell. Von der Verdauung über den Energiestoffwechsel der Zellen bis hin zum Kopieren der Erbinformation, viele wichtige Abläufe im Körper werden von ihnen gesteuert.


Da der Großteil der Enzyme Proteine sind, erfolgt die Bildung in der Zelle, wie auch bei anderen Proteinen, über die Proteinbiosynthese an den Ribosomen.


Nomenklatur und Klassifikation von Enzymen


Die IUPAC und die IUBMB haben zusammen eine Nomenklatur der Enzyme erarbeitet, damit die zahlreichen Vertreter dieser Gruppe klassifiziert werden können. Die Prinzipien der Nomenklatur sind:


  • Enzymnamen haben die Endung „-ase“, wenn das betreffende Enzym chemische oder organische Verbindungen trennt, spaltet oder neu verbindet.
  • Der Enzymname soll erklärend sein, also die Reaktion, die das Enzym katalysiert, beschreiben. (Beispiel Cholinesterase: Ein Enzym, das die Ester­gruppe im Cholin-Molekül hydrolysiert.)
  • Der Enzymname soll seine Klassifikation enthalten.

 

Klassifiziert werden Enzyme entsprechend der von ihnen katalysierten Reaktion. Es gibt:

 

  • Oxidoreduktasen, die Redoxreaktionen katalysieren.
  • Transferasen, die funktionelle Gruppen von einem Substrat auf ein anderes übertragen.
  • Hydrolasen, die Bindungen unter Einsatz von Wasser spalten.
  • Lyasen, die die Spaltung oder Synthese komplexer Produkte aus einfachen Substraten katalysieren.
  • Isomerasen, die die Umwandlung von chemischen Isomeren beschleunigen.
  • Ligasen oder Synthetasen, die Additionsreaktionen katalysieren. 
  • Translokasen, für den Transport von Stoffen an oder durch Zellmembranen.




Funktion von Enzymen


Enzyme ermöglichen und beschleunigen fast alle biochemischen Reaktionen im Körper. Bei diesen Reaktionen verbinden sich Enzyme vorübergehend mit dem umzusetzenden Stoff (auch Substrat genannt), damit dieser beispielsweise zerlegt oder anderweitig verändert werden kann. Die Enzyme selbst bleiben dabei unverändert.


Die Enzyme unterstützen eine chemische Reaktion, indem sie die Reaktionspartner eng zusammenbringen und die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen. Das tun sie, in dem sie die für die Reaktion notwendige Energie, die Aktivierungsenergie, herabsetzen. Das ist wichtig, denn die meisten chemischen Prozesse in den Zellen benötigen eine so hohe Aktivierungsenergie, dass sie bei der herrschenden Umgebungstemperatur von ca. 37 °C im Körper nicht oder nur sehr langsam ablaufen können. Senken die Enzyme die Aktivierungsenergie, werden wichtige Reaktionen also überhaupt erst möglich beziehungsweise ausreichend stark beschleunigt.


Enzyme arbeiten dabei sehr spezifisch. Ein einzelnes Enzym katalysiert meist nur eine einzige Reaktion und setzt normalerweise nur ein ganz bestimmtes Molekül oder Substrat um. Daher werden Enzyme oft als biologische Spezialwerkzeuge bezeichnet.  Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer hohen Substrat- und Reaktionsspezifität.


Die Reaktion läuft im Enzym am sogenannten aktiven Zentrum ab, diese Region liegt auf der Oberfläche des Enzymmoleküls. Die Substrate werden im aktiven Zentrum gebunden, es bildet sich ein Enzym-Substrat-Komplex, den man auch im folgenden Bild erkennen kann. Das Enzym ermöglicht nun die Umwandlung der Substrate in die Reaktionsprodukte, die anschließend aus dem Komplex freigesetzt werden. 




via wikipedia.org

 


Die Raumstruktur des aktiven Zentrums bewirkt, dass nur ein strukturell passendes Substrat gebunden werden kann. Das bestimmte Substrat passt zum entsprechenden Enzym wie ein Schlüssel in das passende Schloss. Daher ist bei Enzymen häufig vom Schlüssel-Schloss-Prinzip die Rede. Neben dem Schlüssel-Schloss-Modell existiert des Weiteren das sogenannte Induced fit-Modell. Da Enzyme nämlich flexible Strukturen sind, kann das aktive Zentrum durch Interaktion mit dem Substrat auch neu geformt werden.


Die Erkennung und Bindung des Substrats gelingt durch nicht-kovalente Wechselwirkungen, zum Beispiel Wasserstoffbrücken oder hydrophobe Effekte, zwischen Teilen des Enzyms und des Substrats.




Bedeutung der Enzyme


Die biologische Bedeutung von Enzymen ist nicht zu unterschätzen, da nahezu jede biochemische Reaktion im Körper von Enzymen bewerkstelligt und kontrolliert wird. Sie wirken nicht nur als Katalysatoren, sondern sind auch wichtige Regulations- und Kontrollpunkte im Stoffwechsel. Auch bei der Reizaufnahme und -weitergabe sind Enzyme wichtig, denn an der Vermittlung einer Information innerhalb einer Zelle sind häufig Rezeptoren mit enzymatischer Funktion beteiligt. 


Auch die Aktivierung und Deaktivierung der Träger der Information, also der Hormone, geschieht durch Enzyme. Weiterhin sind sie an der Verteidigung des eigenen Organismus beteiligt, denn diverse Enzyme sind Teil des Immunsystems des Menschen.


Enzymdefekte können im Körper fatale Folgen haben, da sie dafür sorgen, dass die Aktivität eines Enzyms vermindert oder gänzlich verhindert wird. Es gibt vererbbare Enzymdefekte, die dann beispielsweise für erblich bedingte Stoffwechselstörungen verantwortlich sind.



Wichtige Enzyme im Alltag


Enzyme sind wertvolle Werkzeuge der Biotechnologie. Sie werden für verschiedene industrielle Herstellungsverfahren genutzt und sind in unserem Alltag allgegenwärtig. Sie werden beispielsweise Waschmitteln und Geschirrspülmitteln beigefügt, da Lipasen (fettspaltende Enzyme), Proteasen (eiweißspaltende Enzyme) und Amylasen (stärkespaltende Enzyme) die Flecken oder Speisereste zersetzen können.


Besonders wichtig sind Enzyme bei der Herstellung von Lebensmitteln, vor allem bei Backwaren, Milchprodukten, Fleisch oder Getränken. Wichtige Enzymgruppen sind dabei Amylasen, Lipasen, Isomerasen und Pektinasen, es werden heutzutage aber über 50 verschiedene Enzyme in der Lebensmittelindustrie verwendet.



Enzyme werden auch zur Herstellung einiger Medikamente und Insektenschutzmittel verwendet. Auch in der Textilindustrie, zum Beispiel der Lederverarbeitung spielen Enzyme, vor allem Proteasen, eine wichtige Rolle. Einige Enzyme kommen auch für das Recycling von Plastik zum Einsatz. 


Mit Hilfe der sogenannten enzymatischen Messung werden Enzyme auch in der Diagnostik verwendet, zum Beispiel bei Diabetikern. In den Teststreifen für Diabetiker befindet sich ein Enzymsystem, das unter Einwirkung von Blutzucker einen Stoff produziert, dessen Gehalt gemessen werden kann. So wird indirekt der Blutzuckerspiegel gemessen. Enzyme können also helfen, Krankheiten zu diagnostizieren.



Enzyme - Alles Wichtige auf einen Blick


Wie du sicherlich bereits gemerkt hast, sind Enzyme für unseren Körper und auch in unserem Alltag essentiell. Damit du den Überblick über die wichtigsten Informationen zu den Enzymen behältst, ist hier eine Zusammenfassung, die du unbedingt im Kopf haben solltest: 


  • Enzyme bestehen zumeist aus komplexen Eiweißmolekülen.


  • Sie wirken im Körper als Biokatalysatoren, beschleunigen also biochemische Reaktionen. Zudem sind sie die zentralen Antreiber für zahlreiche biochemische Stoffwechselprozesse im Körper und damit absolut essentiell.


  • Enzyme werden entsprechend der von ihnen katalysierten Reaktion klassifiziert und enthalten meist die Endung „-ase“.


  • Sie verbinden sich vorübergehend mit dem umzusetzenden Stoff (Substrat), damit dieser beispielsweise zerlegt oder anderweitig verändert werden kann.



  • Enzyme arbeiten sehr spezifisch. Ein einzelnes Enzym katalysiert meist nur eine einzige Reaktion und setzt normalerweise nur ein ganz bestimmtes Molekül oder Substrat um.


  • Die Substrate werden im aktiven Zentrum gebunden, wo die Umwandlung in die Reaktionsprodukte erfolgt. Dabei passt das Substrat perfekt zum entsprechenden Enzym.


  • Enzyme sind unter anderem bei der Herstellung von Lebensmitteln und Medikamenten sehr wichtig. Sie werden beispielsweise Waschmitteln beigefügt oder in der medizinischen Diagnostik verwendet.


Finales Enzyme Quiz

Frage

Aus welchen 2 unterschiedlichen funktionellen Gruppen bestehen Aminosäuren? 

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Antwort

1. Carboxylgruppe

2. Aminogruppe

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Frage

Erläutere die Aminosäureeigenschaft: Zwitterion.

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Antwort

Aminosäuren besitzen 2 verschiedene funktionelle Seitengruppen: Carboxylgruppe und Aminogruppe. Die Carboxylgruppe verleiht der Aminosäure die Eigenschaft Protonen abzugeben, während die Aminogruppe in der Lage ist Protonen aufzunehmen. Als Resultat können Aminosäuren deshalb sowohl in einer negativen als auch einer positiven Ladung vorliegen. In der Zwitterionform besitzt die Aminosäure eine sowohl negative geladene Carboxylatgruppe als auch eine positive geladene Aminogruppe, was dazu führt, dass die Ladungen sich aufheben und effektiv eine neutrale Ladung vorliegt. 

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Frage

Was zeichnet ein Ampholyt aus? Sind Aminosäuren Ampholyte? 

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Antwort

Ampholyte sind in der Lage sowohl Protonen abzugeben (Protonendonor) als auch Protonen aufzunehmen (Protonenakzeptor). Aminosäuren haben sowohl eine Carboxylgruppe, als auch eine Aminogruppe und sind deshalb in der Lage sowohl Protonen abzugeben als auch aufzunehmen. Sie sind demnach Ampholyten. 

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Frage

Aus welchem Grund weist Glycin bei einem pH-Wert von 6,3 eine verschwindend geringe Leitfähigkeit auf?

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Antwort

Aminosäuren werden bei geringen pH-Wert vollständig protoniert und bei hohen pH-Wert vollständig deprotoniert. Bei einem bestimmten pH-Wert, dem sogenannten ioselektrischen Punkt, liegt die Aminosäuren in der Zwitterion Form vor. Die Aminosäure hat sowohl eine negative als auch eine positive Ladung. Beide entgegengesetzt Ladungen heben sich auf, sodass eine neutrale Ladung vorliegt. In diesem Zustand können Aminosäuren keine Spannung weiterleiten. Ein pH-Wert von 6,3 zeigt geringe Leitfähigkeit bei Glycin, weil bei diesem pH-Wert der isoelektrische Punkt erreicht wird. 

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Frage

Welche 4 Strukturen tragen zur Stabilisierung der 3D Anordnung eines Proteins bei?

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Antwort

  1. Primärstruktur
  2. Sekundärstruktur
  3. Tertiärstruktur
  4. Quartärstruktur
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Frage

Nenne mindestens 3 Faktoren, die die räumliche Anordnung von Proteinen verändern und zur Denaturierung führen können.  

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Antwort

  1. Hitze
  2. pH-Wert
  3. Ethanol bzw. Reduktionsmittel
  4. Schwermetalle 
  5. radioaktive Strahlen 
Frage anzeigen

Frage

Nenne 2 Arten von Sekundärstrukturen, die die 3D Anordnung von Proteine stabilisieren.

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Antwort

  1.  a-Helix

  2. ß-Faltblatt 

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