Enzyme
Was ist ein Enzym, wie sind sie aufgebaut und was ist ihre Funktion? In diesem Beitrag und im Video bekommst du von uns Enzyme einfach erklärt.
Inhaltsübersicht
Was sind Enzyme?
Enzyme sind komplexe Moleküle (meist Proteine), die Stoffwechselvorgänge im Körper katalysieren — also beschleunigen — ohne selbst verändert zu werden. Sie werden deswegen auch als Biokatalysatoren bezeichnet. Die Umwandlung von Nahrung ist nur einer der zahlreichen biochemischen Prozesse, für die Enzyme notwendig sind. Lebewesen könnten deshalb ohne Enzyme nicht überleben.
Merke: Nicht alle Enzyme sind Proteine, denn die sogenannten Ribozyme — Enzyme, die unter anderem am Ablesen der DNA (Transkription ) beteiligt sind — sind aus RNA aufgebaut!
Bei einer enzymatischen Reaktionen bindet der entsprechende Stoff (Substrat) an das sogenannte aktive Zentrum des Enzyms. Dadurch entsteht ein Enzym-Substrat-Komplex. Das Enzym kann das Substrat dann umsetzen und es entstehen ein oder mehrere Produkte.
Ein Enzym (engl. enzyme) ist ein komplexes Molekül, das Stoffwechselprozesse (biochemische Reaktionen) in Organismen beschleunigt. Das Enzym selbst dient als Katalysator, bleibt also unverändert. Es handelt sich bei Enzymen meist um Proteine, nur die Ribozyme sind aus RNA aufgebaut.
Eigenschaften von Enzymen: Substrat- und Wirkungsspezifität
Bei der Wirkung von Enzymen sind folgende zwei Eigenschaften wichtig:
- Substratspezifität: Jedes Enzym katalysiert nur ganz bestimmte Reaktionen. Es kann also nur die Substrate zu Produkten umsetzen, für die es angepasst ist. Jedes Enzym ist also substratspezifisch.
- Wirkungsspezifität: Jedes Enzym ist für eine bestimmte Wirkungen zuständig. Es wird also nur eine bestimmte Reaktion katalysieren (z. B. Hydrolyse), selbst wenn das beteiligte Substrat eigentlich verschiedene Reaktionen (z. B. Hydrolyse, Oxidation, Transfer, etc.) eingehen könnte. Das Enzym ist also wirkungsspezifisch.
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 danach einteilen, ob bei ihnen ein Cofaktor vorhanden ist oder nicht. ‚Cofaktor‚ ist dabei ein Überbegriff für anorganische Stoffe, 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. Dabei handelt es sich um eine energetische Hürde. Sie muss von den Reaktionspartnern überwunden werden muss, damit der Übergangszustand erreicht werden kann und die Reaktion abläuft.
Die meisten Reaktionen, die in Zellen ablaufen, erfordern eine zu hohe Aktivierungsenergie. Ohne Hilfe könnten die Reaktionspartner diese Hürde nicht überwinden. Deswegen werden die Enzyme benötigt.
Enzym-Substrat-Komplex als Übergangszustand
Die Enzyme helfen den Substraten sozusagen, den Übergangszustand zu erreichen. Dafür bilden sie selbst mit den Substraten 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 umzusetzen. Auf diese Weise senkt das Enzym also die Aktivierungsenergie.
Einfach erklärt: Durch das Enzym erreicht das Substrat leichter und schneller den Übergangszustand. Das Substrat wird dann in einer enzymatischen Reaktion in die Produkte umgewandelt.
Reaktionsgeschwindigkeit berechnen
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.
Wenn du wissen willst, wie die Michaelis-Menten-Gleichung lautet und wie das Diagramm dazu aussieht, schau dir jetzt unser Video dazu an!
Welche Enzyme gibt es?
Je nachdem, welche Art von Reaktionen die Enzyme katalysieren, also welche Aufgabe sie haben, 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 (z. B. 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) -
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. Das kannst du mit dem Schlüssel-Schloss-Prinzip begründen.
Das aktive Zentrum eines Enzyms hat eine bestimmte molekulare Struktur. Sie ist bei jedem Enzym anders. Deshalb kann nur das 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). Auf diese Weise 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:
- kompetitive Hemmung: Der Hemmstoff bindet an das aktive Zentrum. Dadurch ist das aktives Zentrum blockiert und das Substrat kann nicht mehr an das Enzym binden.
- allosterische Hemmung: Der Hemmstoff bindet an eine andere Stelle, das sogenannte allosterische Zentrum. Dadurch verändert sich die Form des aktiven Zentrums und das Substrat kann nicht mehr an das Enzym binden.
- unkompetitive Hemmung: Der Hemmstoff bindet an den Enzym-Substrat-Komplex und verhindert so die Umsetzung des Substrats zum Produkt.
Schau dir als nächstes unser Video zur Enzymhemmung an, um die Arten der Enzymhemmung näher kennenzulernen und sie im Vergleich zu sehen!
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.
Im Folgenden erklären wir dir, wo sie im Alltag genau vorkommen und welche Vorgänge sie im Körper katalysieren.
Enzyme im Alltag
Enzyme findest du in sämtlichen Bereichen des Alltags:
- Reinigung: Unter anderem wenn du deine Wäsche wäschst oder dein Geschirr abspülst, sind Enzyme beteiligt. In Waschmitteln und Geschirrspülmitteln befinden sich Enzyme, die die Reinigungsleistung erhöhen. Dadurch lassen sich bestimmte Flecken oder Speisereste noch besser entfernen.
- Medizin: Enzyme werden bei der Herstellung von verschiedenen Medikamenten und auch Insektenschutzmitteln verwendet. Außerdem werden bestimmte Enzyme in der Gentechnik verwendet. Die Genschere CRISPR-Cas9 ist beispielsweise erst durch Enzyme möglich.
- Landwirtschaft: Auch hier 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.
- Lebensmittel: Enzyme sind nicht nur im Tierfutter, sondern auch in Lebensmitteln zu finden. Sie werden beispielsweise bei der Herstellung von Käse, Backwaren, Obstsäften oder auch Fleisch verwendet. Dabei sollen sie Prozesse erleichtern, indem sie sie beschleunigen oder sogar erst ermöglichen.
- Bleichen: Bei der Herstellung von Textilien und auch Papier werden Enzyme verwendet, um das betreffende Material aufzuhellen. Dadurch kann auf gefährliche Chemikalien, wie Wasserstoffperoxid, verzichtet werden.
Enzyme im Körper
Enzyme katalysieren nahezu alle biochemischen Reaktionen in deinem Körper und funktionieren in der Regel optimal bei Körpertemperatur. Dabei spielen sie beim Stoffwechsel aller Organismen eine zentrale Rolle — also nicht nur bei Menschen und Tieren, sondern auch bei Pflanzen. Dort sind sie an den meisten Stoffwechselprozessen beteiligt. Ohne sie könnten Prozesse, wie die Glykolyse , der Citratzyklus oder die Photosynthese , nicht stattfinden.
Aber 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 Immunsystems sind.
Auch unsere Verdauung funktioniert nur dank der Verdauungsenzyme in unseren Verdauungsorganen. Die Verdauungsenzyme zerlegen unsere Nahrung in kleine Teile, damit sie für den Stoffwechsel verwertbar ist.
Enzyme Beispiele
Einige Beispiele von wichtigen Enzymen in deinem Körper, haben wir dir hier aufgelistet:
- Amylasen, Lipasen und Proteasen: Dabei handelt es sich um Verdauungsenzyme, die unter anderem in deinem Mund und im Magen vorhanden sind und an der Verdauung deines Essens beteiligt sind. Sie zersetzen Kohlenhydrate (Amylasen, z. B. Maltase), Fette (Lipasen, z. B. TAG-Lipase) und Proteine/Eiweiße (Proteasen, z. B. Pepsin).
- Lactatdehydrogenase (LDH): Das Enzym spielt bei der Milchsäuregärung in allen Zellen eine besondere Rolle, denn es katalysiert den Vorgang, bei dem Energie erzeugt wird.
- Leucinaminopeptidase (LAP): Dieses Enzym findest du in verschiedenen Körperflüssigkeiten (z. B. Speichel, Magensaft). Dort ist es für den Stoffwechsel, genauer gesagt für die Spaltung von Eiweißen wichtig.
- Creatinkinase (CK): Es kommt vor allem in deiner Muskulatur vor. Dort ist es dafür zuständig, dass Energie bereitgestellt werden kann, sodass du deine Muskeln benutzen kannst.
- Lysozym/Muramidase: Das ist ein Enzym, welches in verschiedenen Körperflüssigkeiten (z. B. Speichel, Schweiß oder Blut) enthalten ist und bestimmte Bakterien zersetzen kann.
Wie genau das Lysozym die Bakterien angreift und gegen welche Bakterien das Enzym nichts ausrichten kann, erfährst du in unserem Video dazu!