Enzyme
Enzyme spielen die zentrale Rolle im Stoffwechsel. Aber was ist ein Enzym, wie sind Enzyme aufgebaut und was ist ihre Funktion? In diesem Beitrag bekommst du von uns Enzyme einfach erklärt.
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Was sind Enzyme?
Enzyme sind biologische Riesenmoleküle. Die meisten Enzyme sind Proteine, genauer gesagt komplexe Eiweißmoleküle. Sie katalysieren (beschleunigen) biochemische Reaktionen, weswegen du sie auch Biokatalysatoren nennst. Enzyme werden bei einer Enzymreaktion nicht verändert. Sie katalysieren nur bestimmte Reaktionen. Die Eigenschaft bezeichnest du als Wirkungsspezifität.
Bei enzymatischen Reaktionen bindet ein Substrat an das aktive Zentrum des Enzyms. Dadurch entsteht ein Enzym-Substrat-Komplex. Das Enzym kann das Substrat umsetzen und es entstehen ein oder mehrere Produkte. Auch hier ist das Enzym wählerisch: es setzt nur bestimmte Substrate zu Produkten um. Deshalb kannst du ein Enzym auch substratspezifisch nennen.
Enzyme spielen eine zentrale Rolle im Stoffwechsel aller lebenden Organismen. Das liegt daran, dass Enzyme fast an jeder biochemischen Reaktion in deinem Körper beteiligt sind. Ohne Enzyme wäre also kein Leben möglich.
Enzyme (engl. enzymes) katalysieren biochemische Reaktionen. Die meisten Enzyme sind Proteine. Eine Ausnahme bilden die Ribozyme, die aus RNA aufgebaut sind.
Enzyme Aufbau
Enzyme kannst du anhand ihres Aufbaus unterscheiden. Viele Enzyme bestehen aus nur einer Proteinkette (Polypeptidkette) und sind dadurch Monomere. Es ist aber auch möglich, dass ein Enzym aus mehreren Proteinketten besteht. Dann nennst du es ein Oligomer.
Du kannst Enzyme auch noch nach folgendem Kriterium einteilen: Enzyme, bei denen ein Cofaktor vorhanden ist und Enzyme, bei denen kein Cofaktor vorhanden ist. Cofaktor ist ein Überbegriff für anorganische Komponenten wie Metallionen und organische Moleküle, die du Coenzyme nennst. Coenzyme haben im Gegensatz zu Enzymen keinen Proteinanteil. 
Enzyme mit Cofaktoren
Wenn ein Coenzym an ein Enzym gebunden ist, besteht das Enzym also aus einem Proteinanteil und einem Nicht-Proteinanteil. Den Proteinanteil bezeichnest du als Apoenzym. Wenn an dem Apoenzym noch ein Coenzym hängt, nennst du das ein Holoenzym. Ein Coenzym kann fest und nicht fest an ein Enzym binden. Bindet das Coenzym fest an das Enzym, nennst du das Coenzym prosthetische Gruppe. Bindet das Coenzym nicht fest an das Enzym, nennst du es ein Cosubstrat.
Enzyme ohne Cofaktoren
Wenn an einem Enzym kein Cofaktor und daher kein Coenzym bindet, ist es ein „reines“ Enzym. Es besteht dann ausschließlich aus Proteinen (also aus vielen Aminosäureketten).
Enzyme Funktion
Enzyme katalysieren biochemische Reaktionen. Aber was ist eigentlich die Wirkungsweise von Enzymen? Enzyme setzen die Aktivierungsenergie einer Reaktion herab. Die Aktivierungsenergie ist eine energetische Hürde, die von den Reaktionspartnern überwunden werden muss. Sonst kann der Übergangszustand nicht erreicht werden und keine Reaktion ablaufen. Die meisten Reaktionen, die in Zellen ablaufen, erfordern eine zu hohe Aktivierungsenergie. Ohne Hilfe könnten die Reaktionspartner die energetische Hürde nicht überwinden. Deswegen werden die Enzyme benötigt.
Die Enzyme „helfen“ den Substraten, den Übergangszustand zu erreichen. Dafür bilden sie selbst einen Übergangszustand mit den Substraten. Dabei handelt es sich um den sogenannten Enzym-Substrat-Komplex. Der Enzym-Substrat-Komplex wird durch nicht-kovalente (nicht feste) Bindungen stabilisiert. Dadurch wird weniger Aktivierungsenergie gebraucht, um das Substrat in den Übergangszustand zu bringen. Auf diese Weise senkt also das Enzym die Aktivierungsenergie. Genauer gesagt: Durch das Enzym erreicht das Substrat leichter und schneller den Übergangszustand. Das Substrat wird dann in einer enzymatischen Reaktion in die Produkte umgewandelt.
Wie schnell eine Enzymreaktion stattfindet, hängt von unterschiedlichen Parametern, wie der Substratkonzentration, ab. Die Reaktionsgeschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion in Abhängigkeit der Substratkonzentration kannst du mit der sogenannten Michaelis-Menten-Gleichung berechnen. 
Enzymklassen
Je nachdem, welche Art von Reaktionen die Enzyme katalysieren, kannst du sie in sechs Enzymklassen unterteilen:
- Oxidoreduktasen: katalysieren Reaktionen, bei denen Elektronen übertragen werden (Redoxreaktionen ); Beispiel: Dehydrogenasen (oxidieren das Substrat)
- Transferasen: katalysieren Reaktionen, bei denen funktionelle Gruppen (zum Beispiel Phosphatgruppen) von einem Molekül auf ein anderes Molekül übertragen werden; Beispiel: DNA-Polymerase (überträgt Nukleotide)
- Hydrolasen: katalysieren zwei Arten von Reaktionen: entweder entsteht unter Wasseraustritt eine chemische Bindung oder eine chemische Bindung wird durch Wasseranlagerung gespalten; Beispiel: Proteasen (spalten Peptidbindungen)
- Lyasen: katalysieren Reaktionen, bei denen chemische Bindungen ohne Energieverbrauch gespalten werden; Beispiel: Aldolase (spaltet Fructose-1,6-biphosphat bei der Glykolyse )
- Isomerasen: ordnen Bindungsverhältnisse innerhalb eines Moleküls neu; Beispiel: Racemasen (lagern Wasserstoffatome um)
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Ligasen: katalysieren Reaktionen, bei denen unter Energieverbrauch zwei Moleküle miteinander verbunden werden; Beispiel: DNA-Ligase (verknüpfen DNA Stränge miteinander)
Enzyme Schlüssel Schloss Prinzip
Enzyme sind substratspezifisch. Das bedeutet, dass nur bestimmte Substrate von einem Enzym umgesetzt werden. Aber warum ist das so? Das kannst du mit dem Schlüssel Schloss Prinzip erklären.
Das aktive Zentrum eines Enzyms hat eine bestimmte molekulare Struktur. Die ist bei jedem Enzym anders. Deshalb kann nur ein Substrat an das Enzym binden, das die komplementäre (ergänzende) molekulare Struktur zum aktiven Zentrum hat. Das Enzym ist dabei das Schloss und das Substrat der Schlüssel. Wenn das Substrat an das aktive Zentrum des Enzyms gebunden ist, kann es in Produkte umgewandelt werden.
Enzymhemmung
Nicht nur Substrate können an ein Enzym binden, sondern auch Hemmstoffe (Inhibitoren). So können Enzyme in ihrer Funktion gehemmt werden. Dabei unterscheidest du zwischen der irreversiblen und der reversiblen Enzymhemmung. Bei der irreversiblen Enzymhemmung kann die Hemmung nicht mehr rückgängig gemacht werden. Das liegt daran, dass der Inhibitor so fest an das Enzym bindet, dass er sich nicht mehr vom Enzym lösen lässt.
Bei der reversiblen Enzymhemmung kann die Hemmung wieder rückgängig gemacht werden. Du kannst die reversible Enzymhemmung noch weiter einteilen in:
- die kompetitive Hemmung: Hemmstoff bindet an das aktive Zentrum; aktives Zentrum ist somit blockiert und das Substrat kann nicht mehr an das Enzym binden
- die allosterische Hemmung: Hemmstoff bindet an eine andere Stelle, das sogenannte allosterische Zentrum. Dadurch verändert sich die Form des aktiven Zentrums des Enzyms; Substrat kann deshalb nicht mehr an das Enzym binden
- die unkompetitive Hemmung: Hemmstoff bindet an den Enzym-Substrat-Komplex und verhindert so die Umsetzung des Substrats zum Produkt
Wo kommen Enzyme vor?
Enzyme sind lebensnotwendig, weswegen du unzählige Enzyme im Körper hast. Du findest sie aber auch im Alltag: Enzyme in der Medizin, in der Landwirtschaft oder in der Lebensmittelherstellung. Schauen wir uns das noch genauer an.
Enzyme im Alltag
Enzyme findest du in sämtlichen Bereichen des Alltags. Unter anderem wenn du deine Wäsche wäschst oder dein Geschirr abspülst. In Waschmitteln und Geschirrspülmitteln sind Enzyme, die die Reinigungsleistung erhöhen. Dadurch lassen sich bestimmte Flecken oder Speisereste noch besser entfernen.
Enzyme werden außerdem in der Medizin zur Herstellung von Medikamenten oder Insektenschutzmittel verwendet.
Auch aus der Landwirtschaft sind Enzyme nicht wegzudenken. Sie werden dort dem Tierfutter zugesetzt, damit die Tiere die wichtigen Inhaltsstoffe des Futters noch besser in ihren Organismus aufnehmen können.
Enzyme sind aber nicht nur im Tierfutter zu finden, sondern auch in Lebensmitteln, die du zu dir nimmst. Bei der Käseherstellung werden der Milch Enzyme zugesetzt, sodass die Milch fest wird.
Enzyme im Körper
Fassen wir noch einmal zusammen: Enzyme katalysieren nahezu alle biochemischen Reaktionen in deinem Körper. Sie spielen die zentrale Rolle im Stoffwechsel aller Organismen.
Deswegen sind sie an den meisten Stoffwechselprozessen beteiligt wie zum Beispiel bei der Glykolyse , dem Citratzyklus oder bei der Photosynthese .
Nicht nur im Stoffwechsel sind Enzyme essenziell, sondern auch bei anderen Abläufen in deinem Körper. Zum Beispiel bei der Vermittlung von Information innerhalb einer Zelle . Außerdem verteidigen Enzyme deinen Organismus, da sie Teil deines Immunsystem sind.
Auch unsere Verdauung funktioniert nur dank Verdauungsenzymen. Die Verdauungsenzyme zerlegen unsere Nahrung in kleine Teile, damit sie für den Stoffwechsel verwertbar ist.
