Enzyme: Struktur, Funktion, Klassifikation und Regulation

Grundlagen der Enzyme

Enzyme sind biologische Katalysatoren, die als globuläre Proteine betrachtet werden und eine katalytische Aktivität besitzen. Sie verändern das Gleichgewicht einer Reaktion nicht.

Struktur und Spezifität

• Enzyme enthalten eine aktive Seite im globulären Protein.
• Sie sind hochspezifisch.
• Die Spezifität wird durch die Komplementarität des aktiven Zentrums des Enzyms mit dem Substrat bestimmt.
• Enzyme weisen eine große katalytische Leistung auf (10⁶ oder mehr) und verändern die Reaktion nicht dauerhaft.
• Das Enzym sorgt für die nötige Orientierung und Nachbarschaft, damit die Reaktion eintritt.
• Es besteht eine strukturelle, elektrostatische und stereospezifische Komplementarität zwischen dem Substrat und dem aktiven Zentrum.

Modelle für die Enzym-Substrat-Wechselwirkungen

1. Schloss-und-Schlüssel-Modell: Wechselwirkung zwischen dem Substrat und dem aktiven Zentrum, die eine perfekte Ergänzung darstellt.
2. Induced-Fit-Modell: Wechselwirkungen zwischen dem Substrat und dem aktiven Zentrum sind intensiv, aber die Form des Substrats führt dazu, dass die Form des Substrats eine Ergänzung zur aktiven Seite darstellt, was eine Torsion des Substrats und des Enzyms bewirkt.

Klassifikation der Enzyme (IUBMB)

Enzyme werden in sechs Hauptklassen eingeteilt:

1. Oxidoreduktasen (Dehydrogenasen): Katalysieren Oxidations-Reduktions-Reaktionen.
2. Transferasen: Katalysieren den Transfer von funktionellen Gruppen.
3. Hydrolasen: Katalysieren die Spaltung von Bindungen unter Einbeziehung von Wasser (Hydrolyse).
4. Lyasen: Katalysieren die Spaltung von Bindungen, bei der eine elektronische Umlagerung stattfindet.
5. Isomerasen: Katalysieren Isomerisierungsreaktionen.
6. Ligasen (Synthetasen): Katalysieren Ligationsreaktionen oder die Verknüpfung zweier Substrate unter Energiebedarf (ATP).

Enzyminhibition

Irreversible und reversible Inhibitoren

• Irreversible Inhibitoren: Sie bilden stabile kovalente Bindungen im aktiven Zentrum des Enzyms.
• Reversible Hemmer: Binden an das Enzym und verhindern die Bildung des ES-Komplexes sowie die Freisetzung von E + P daraus.

Kompetitive Hemmung

Der Inhibitor ähnelt strukturell dem Substrat und konkurriert um das aktive Zentrum.

Grafische Darstellung: Die Zugabe des Inhibitors verlangsamt die Reaktion, beeinflusst aber nicht die maximale Geschwindigkeit (V_max). Die Michaelis-Konstante (K_m) wird in Gegenwart des Inhibitors größer.

Nicht-kompetitive Hemmung

Die K_m bleibt unverändert, während die V_max sinkt, da der Inhibitor die katalytische Effizienz des Enzyms beeinträchtigt, ohne das aktive Zentrum direkt zu blockieren.

Regulation der enzymatischen Aktivität

Die Regulation erfolgt durch kovalente Modifikation, allosterische Mechanismen, Synthese und Abbau des Enzyms sowie partielle Proteolyse.

Allosterische Enzyme

Die Enzymaktivität wird durch Modulatoren geregelt.

• Allosterischer Inhibitor: Negative allosterische Modulation. Der Inhibitor bindet an eine andere Stelle als das aktive Zentrum, was eine Konformationsänderung bewirkt, die das Enzym inaktiviert.
• Diese Enzyme besitzen oft eine Quartärstruktur und zeigen Kooperativität bei der Substratbindung.
• Der Aktivator stabilisiert die aktive Form des Enzyms; der Inhibitor stabilisiert die inaktive Form.
• Bei einigen allosterischen Enzymen mit Quartärstruktur haben Untereinheiten keine katalytische, sondern eine regulatorische Rolle. An diesen Untereinheiten befindet sich die Bindungsstelle für den allosterischen Modulator.

Allosterische Regulierung (Feedback-Hemmung)

Dies geschieht oft durch Feedback-Regulierung: Ein allosterisches Enzym nutzt ein Produkt, das wiederum als Substrat für ein nachfolgendes Enzym dient. Das Endprodukt hemmt als allosterischer Inhibitor das erste Enzym der Kaskade, sobald eine ausreichende Menge produziert wurde, um die weitere Produktion zu reduzieren.

Cofaktoren und Coenzyme

Viele Enzyme benötigen Cofaktoren oder Coenzyme, um ihre katalytische Funktion zu erfüllen. Dies sind Metallionen oder organische Moleküle, die die katalytische Aktivität unterstützen.

• Cofaktoren sind stabil an das Enzym gebunden.
• Coenzyme sind nur vorübergehend mit dem Enzym verbunden und dissoziieren nach der Reaktion.

Metall-Cofaktoren

Beispiele sind Fe³⁺, Cu²⁺, Co²⁺, Zn²⁺. Metallionen können an der Katalyse teilnehmen oder das Enzym stabilisieren. Enzyme, die strukturell stark an Ionen gebunden sind, werden als Metalloenzyme bezeichnet.

Fe-Sulfid-Aggregate: Eisenatome im Komplex mit einer gleichen Anzahl von Sulfid-Ionen (S^2-) und Thiol-Gruppen von Cystein-Seitenketten.

Wichtige Coenzyme

NAD⁺ und NADP⁺

• Coenzyme, abgeleitet von Niacin (Nicotinsäure oder Nicotinamid sind Vorstufen).
• Menschen erhalten Niacin aus Fleisch, Getreide, Hülsenfrüchten und Nüssen.
• NAD⁺ ist an Oxidationsreaktionen beteiligt.
• NADP⁺ ist an Reduktionsreaktionen beteiligt.
• NAD⁺ und NADPH sind Coenzyme für Dehydrogenasen bzw. Reduktasen. Die Oxidation durch Dehydrogenasen beinhaltet immer einen 2-Elektronen-Transfer, wobei ein Hydrid-Ion (H^-) vom Substrat auf das C-4 des Pyridinrings von NAD⁺ übertragen wird: NAD⁺ + 2e^- + 2H⁺ → NADH + H⁺.

FAD und FMN

• Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) und Flavin-Mono-Nukleotid (FMN) sind von Riboflavin abgeleitet. Sie sind in grünem Blattgemüse, Fleisch und Milch zu finden.
• Flavin-Coenzyme sind an Redoxreaktionen vieler Enzyme (Flavoenzyme oder Flavoproteine) beteiligt und spielen eine Rolle im Stoffwechsel von Kohlenhydraten, Proteinen und Lipiden.
• Reaktion: FAD (FMN) + 2e^- + 2H⁺ → FADH₂ (FMNH₂).

Coenzym A (CoA oder HS-CoA)

• Abgeleitet von Vitamin-Pantothenat.
• Beteiligt an Acyl-Gruppen-Transfer-Reaktionen mit Carbonsäuren und Fettsäuren (CoA-abhängige Reaktionen), einschließlich der Oxidation von Brennstoffen und der Biosynthese von Fettsäuren.
• Acylgruppen werden kovalent über die -SH-Gruppe des CoA als Thioester gebunden. Es ist in Leber, Niere, Eiern und Milch zu finden.