Enzyme: Funktion, Kinetik und Regulation im Stoffwechsel

Enzyme: Biologische Katalysatoren

Enzyme sind biologische Katalysatoren metabolischer Reaktionen und essenziell für die Lebensfunktionen von Lebewesen. Sie bestehen meist aus Proteinen, obwohl es auch ribonukleoproteinartige Enzyme, sogenannte Ribozyme, gibt.

Die Region des Enzyms, in die das Substrat passt, wird als aktives Zentrum bezeichnet. Die Bindung zwischen Enzym und Substrat beinhaltet eine sterische Anerkennung. Die Vielfalt der Enzyme ist auf die Spezifität für jeden Untergrund und jede spezifische biochemische Reaktion zurückzuführen.

Merkmale von Enzymen

• Sie verringern die Aktivierungsenergie des Prozesses.
• Sie ändern nicht die Art oder die Menge der freien Energie (freie Enthalpie).
• Sie ändern nicht das Gleichgewicht einer Reaktion, sondern beschleunigen das Erreichen desselben.
• Am Ende der Reaktion sind sie frei und unverändert, wie jeder andere Katalysator, und können erneut tätig werden.

Einfluss von pH-Wert und Temperatur auf die Enzymaktivität

Temperaturschwankungen induzieren Konformationsänderungen in der tertiären oder quartären Struktur von Enzymen, wodurch sich ihre aktiven Zentren und somit ihre biologische Aktivität verändern. Jedes Enzym besitzt eine optimale Temperatur und einen optimalen pH-Wert, bei dem es am besten arbeitet. pH-Wert-Schwankungen des Mediums führen zu einer Veränderung der elektrischen Oberflächenladungen der Enzyme, was deren Tertiärstruktur und damit ihre Tätigkeit beeinflusst.

Enzym-Kofaktoren

Einige Enzyme sind nicht rein proteinbasiert, sondern mit anderen Molekülen nicht-proteinärer Natur verbunden, von denen ihre Aktivität abhängt (Holoenzyme). Die an das Protein gebundenen Moleküle werden als Kofaktoren bezeichnet, während der Proteinanteil des Enzyms das Apoenzym ist.

Typen von Kofaktoren

• Metallkationen: Sie binden oder regulieren die Aktivierung des Apoenzyms.
• Komplexe organische Moleküle: Werden sie nur schwach an das Apoenzym gebunden, nennt man sie Coenzyme. Bei fester Bindung durch kovalente Bindungen an das Apoenzym werden sie als prosthetische Gruppen bezeichnet.

Die enzymatische Reaktion

Die Bindung des Enzyms an das Substrat ist für das Stattfinden der chemischen Reaktion unerlässlich.

Spezifität

Diese Eigenschaft ergibt sich aus der dreidimensionalen Konformation des Enzyms, wobei das aktive Zentrum komplementär zum Substratmolekül ist, an das es bindet. Man spricht vom Schlüssel-Schloss-Modell oder dem induzierten-Passform-Modell, bei dem die Bindung des Substrats selbst eine Konformationsänderung im aktiven Zentrum des Enzyms auslöst, was zur endgültigen und perfekten Verbindung zwischen Enzym und Substrat führt.

Hemmung der Enzymaktivität

• Reversible Inhibitoren: Sie binden vorübergehend an das Enzym. Man unterscheidet kompetitive Inhibitoren, da sie eine ähnliche räumliche Struktur wie das Substrat aufweisen und mit diesem um die Bindung an das aktive Zentrum konkurrieren.
• Irreversible Inhibitoren oder Gifte: Sie binden irreversibel an das aktive Zentrum des Enzyms und unterdrücken dessen Aktivität vollständig.

Allosterie

Es gibt Liganden oder Effektoren (nicht-kompetitive Inhibitoren), die spezifisch an das Enzym binden und eine Konformationsänderung hervorrufen können. Diese Liganden binden an spezifische regulatorische Stellen des Enzyms. Das Substrat kann als Aktivator-Ligand wirken, sodass die Bindung eines Substratmoleküls die Bindung weiterer Substratmoleküle ermöglicht. Die Reaktionsprodukte verhalten sich häufig als Inhibitor-Liganden, indem sie die Bindung von Substratmolekülen an das Enzym verhindern und somit die enzymatische Reaktion unterbinden. Enzyme, die durch Substrat und Produkt reguliert werden, nennt man allosterische Enzyme. Die Allosterie ist ein wichtiger Regulationsmechanismus für die enzymatische Reaktion.

Kinetik der enzymatischen Reaktion

Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt linear an, bis sie ein Maximum erreicht, was die Sättigung des Enzyms anzeigt. Zu diesem Zeitpunkt hängt die Geschwindigkeit nur noch davon ab, wie schnell das Enzym in der Lage ist, das Substrat umzusetzen.

Die katalytische Konstante (k_cat) gibt die maximale Anzahl von Substratmolekülen an, die ein Enzymmolekül pro Zeiteinheit umwandeln kann, und ist gleichbedeutend mit der Aktivität des Enzyms bei maximaler Reaktionsgeschwindigkeit. Die Michaelis-Konstante (K_m) bezieht sich auf die Affinität des Enzyms zu seinem Substrat und wird zusammen mit k_cat als katalytische Effizienz bezeichnet. Ein kleiner K_m-Wert deutet auf eine sehr enge Bindung zwischen Enzym und Substrat hin, da die Hälfte der maximalen Geschwindigkeit bereits bei niedrigen Substratkonzentrationen erreicht wird.

Vitamine und Stoffwechsel

Vitamine sind Biomoleküle unterschiedlicher Komplexität, die zu verschiedenen Klassen essentieller Prinzipien gehören. Vitamine sind ernährungsphysiologisch wichtig, da sie vom tierischen Organismus (mit Ausnahmen wie Vitamin B5) nicht synthetisiert werden können.

Stoffwechselstörungen im Zusammenhang mit Vitaminen

• Avitaminose: Mangel oder Fehlen eines oder mehrerer Vitamine.
• Hypovitaminose: Unzureichende Präsenz eines bestimmten Vitamins in der Ernährung, das der Körper benötigt.
• Hypervitaminose: Überschuss an Vitaminen, verursacht durch die Anreicherung, da der Körper sie nicht auf üblichem Wege ausscheiden kann.

Viele der bekannten Vitamine sind Coenzyme oder Vorstufen aktiver Moleküle im Stoffwechsel.

Lösliche Vitamine

Wasserlösliche Vitamine

• Vitamin C: Quelle: Milch, Obst und Gemüse. Mangelkrankheit: Skorbut, Anfälligkeit für verschiedene Infektionen. Funktion: Antioxidans, Cofaktor für Hydroxylierungen, Coenzym bei der Kollagensynthese.
• Vitamin B1 (Thiamin): Quelle: Getreide, Hülsenfrüchte, Hefen und Bakterien. Mangelkrankheit: Beriberi. Funktion: Abbau von Aldehydgruppen.

Fettlösliche Vitamine

• Vitamin A: Quelle: Grünes und gelbes Gemüse, Leber, Lebertran, Eier. Mangelkrankheit: Nachtblindheit, Xerophthalmie, Wachstumsstopp des Epithels. Funktion: Sehzyklus, Wachstum, Schutz und Erhaltung des Epithelgewebes.
• Vitamin E: Quelle: Pflanzenöle, Samen, Getreide. Mangelkrankheit: Zellalterung, beeinträchtigtes Wachstum. Funktion: Verhindert die Oxidation ungesättigter Fettsäuren.