Enzyme sind molekulare Maschinen in der Zelle

Enzyme sind molekulare Maschinen in der Zelle
Die Biokatalysatoren der Zelle
Sie haben erfahren, wie Proteine aufgebaut sind, doch wussten Sie auch,
welch wichtige Rolle sie in Organismen spielen? Pflanzen, Tiere, Mikroorganismen und Menschen enthalten in ihren Zellen Enzyme, eine spezielle Gruppe von Proteinen. Diese Enzyme sorgen als Biokatalysatoren dafür, dass die vielen biochemischen Reaktionen in der Zelle in der richtigen
Weise und schnell genug ablaufen.
Was sind Enzyme und wie funktionieren sie?
Enzyme senken, wie alle Katalysatoren,
die Aktivierungsenergie eines chemischen
Prozesses, d. h. die Energie, die nötig ist,
um einen Prozess zu starten.
Enzyme sind eine Gruppe von Proteinen. Sie ermöglichen bzw. beschleunigen chemische Reaktionen. Das bedeutet, viele chemische Prozesse in
der Zelle würden ohne Enzyme gar nicht oder nur sehr langsam ablaufen.
Dabei haben sie katalytische Wirkung, das heißt sie werden bei der Reaktion nicht selbst verbraucht. Aus diesem Grund werden Enzyme auch als
Werkzeuge des Stoffwechsels bezeichnet.
Genauso wie Werkzeuge sind Enzyme sind auch sehr spezifisch. Sie reagieren nur mit ganz bestimmten Stoffen und haben nur eine ganz bestimmte Funktion. Ein Enzym, welches Stärke spaltet, kann nicht zwei
Aminosäuren zusammenfügen, genauso wenig wie man mit einem Hammer eine Schraube aus dem Holz drehen kann.
Enzyme sind oft sehr große Proteine und bestehen aus sehr vielen Aminosäuren. Die Stelle, die die Funktion des Enzyms erfüllt, ist aber oft nur ein
kleiner Teil des Moleküls. Diese Stelle wird als aktives Zentrum bezeichnet. Der Rest des Enzyms ist nur dazu da, das Enzym zusammenzuhalten
oder das aktive Zentrum in die richtige Position zu bringen. Auch hier ist
wieder der Vergleich mit einem Werkzeug passend: Das aktive Zentrum
eines Hammers wäre die Schlagfläche des Hammerkopfes.
Wenn ein Enzym eine biochemische Reaktion in Gang bringt, dann muss
es mit den anderen Molekülen (diese nennt man Substrat) in Kontakt treten, sie also kurz berühren – in der gleichen Weise, wie beim Arbeiten
ein Hammer den Nagel oder der Schraubenzieher die Schraube berühren
muss. Dabei muss das Enzym genau zum anderen Molekül passen. Aus
diesem Grund spricht man vom Schlüssel-Schloss-Prinzip: Das Enzym
muss wie ein Schlüssel zum Schloss passen, damit es seine Aufgabe erfüllen kann.
Schlüssel oder Handschuh? In den letzten Jahren hat man erkannt,
dass der Vergleich mit Schlüssel und Schloss doch nicht ganz richtig ist.
Manchmal muss das Enzym nicht ganz genau, sondern nur einigermaßen
passen.
In der unteren Grafik kann man sehen, dass das Enzym nicht perfekt zu
passen scheint. Wenn es sich aber mit dem Substrat verbindet, passen sie
zusammen. Man spricht dann statt vom „Schlüssel-Schloss-Prinzip“ vom
„Hand-im-Handschuh-Prinzip“, weil auch eine Hand, die in einen Handschuh schlüpft, diesen etwas verformen kann.
Mit einem Schraubenzieher kann man eine Schraube ins Holz drehen, die man sonst nicht oder nur
schwer in das Holz gebracht hätte. Er verbraucht
sich dabei aber nicht. Wie ein Enzym ist er speziell
für diese Funktion gemacht und hat eine spezielle
Stelle, wo er die Schraube berührt.
Schlüssel-Schloss-Prinzip
Laut dem Schlüssel-Schloss-Prinzip passt jedes
Enzym nur für bestimmte Substrate.
Hand-im-Handschuh-Prinzip
Beispiele für die Wirkung von Enzymen
Der Ausgangsstoff für eine chemische Reaktion in einer Zelle wird
Substrat genannt. Enzyme ermöglichen die Umwandlung des Substrats
in das jeweilige Endprodukt. Dabei entsteht für kurze Zeit ein Zwischenprodukt, eine Verbindung von Substrat und Enzym. Man spricht
vom Substrat-Enzym-Komplex.
Das Bild von der Hand im Handschuh soll verdeutlichen, dass Enzym und Substrat oft nicht perfekt
zueinander passen müssen, um eine Reaktion auszulösen.
Enzyme können sehr unterschiedliche Funktionen haben:
● Enzyme können Substrate miteinander verbinden: Die Glucosidase verbindet Glukose-Moleküle zu Glykogen.
● Enzyme können das Substrat spalten: Die Amylase spaltet Stärke.
Spaltungsreaktion
Enzym
Substrat
SubstratEnzym-Komplex
Das Substrat wurde in die
Teile A und B gespalten
Spaltung des Substrats in die Produkte A und B durch das passende Enzym (SchlüsselSchloss-Prinzip). Das Enzym bleibt dabei unverändert.
Verklumpung
Fließbandarbeit in der Zelle
Erkennung eines Krankheitserregers durch das Schlüssel-Schloss-Prinzip. Die Y-förmigen Antikörper verklumpen mit dem Eindringling.
● Enzyme können die Form eines Moleküls verändern: Die Helicase entwindet die DNA.
● Enzyme können Elektronen von einem Molekül auf ein anderes übertragen und so Redoxreaktionen ermöglichen: Enzyme der Fotosynthese
Die meisten Reaktionen im Körper laufen nur ab, wenn das entsprechende
Enzym vorhanden ist.
Auch andere Stoffe im Körper arbeiten nach dem Hand-im-HandschuhPrinzip. Zu ihnen gehören Botenstoffe und deren Rezeptoren und Antikörper.
Oft ist das Endprodukt einer Reaktion
gleichzeitig das Substrat für die nächste
Reaktion. So entsteht eine Stoffwechselkette: Wenn nun beispielsweise ein
Glukose-Molekül in ein Lipid umgewandelt werden soll, so geschieht dies über
viele Zwischenschritte (Glukose â Stoff
A â Stoff B â Stoff C â Fett). Für jeden Zwischenschritt wird ein eigenes
Enzym benötigt. Fehlt in der Kette auch
nur ein einziges Enzym, so kann kein
Endprodukt produziert werden. Stattdessen häuft sich jenes Zwischenprodukt an,
welches das Substrat für das fehlende
Enzym gewesen wäre.