Summary
Highlights
Enzyme sind essenziell für biologisches Leben, da sie fast alle chemischen Reaktionen in Zellen katalysieren. Sie ermöglichen Synthese, Abbau, Transport, Bewegung und Signalübertragung. Enzyme sind hochspezifisch, arbeiten unter milden Bedingungen und können komplex reguliert werden. Sie beschleunigen Reaktionen bis zum Faktor 10^17, ohne das Gleichgewicht zu beeinflussen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen.
Die meisten Enzyme sind Proteine, viele enthalten aber auch nicht-Protein-Anteile, sogenannte Kofaktoren (Metallionen oder Koenzyme). Holoenzyme sind enzymatisch aktive Formen, bestehend aus Apoenzym und Kofaktor. Multi-Enzymkomplexe sind vorteilhaft für effiziente Stoffwechselwege durch verkürzte Diffusionswege und einheitliche Regulation. RNA-Spezies (Ribozyme) können ebenfalls katalytische Eigenschaften besitzen.
Enzyme zeichnen sich durch hohe Substrat- und Wirkungsspezifität aus. Die Substratspezifität beruht auf geometrischer und elektronischer Komplementarität. Das Induced-Fit-Modell erklärt die Anpassung des Enzyms an das Substrat während der Bindung. Stereospezifität und Gruppenspezifität sind Beispiele für spezielle Substratspezifitäten. Die Wirkungsspezifität klassifiziert Enzyme in sechs Hauptklassen (Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Lyasen, Isomerasen, Ligasen). Enzyme reduzieren die Aktivierungsenergie durch Stabilisierung von Übergangszuständen, Entropiereduktion, Dehydratisierung und Orientierung der Substrate. Wichtige Katalysemechanismen sind die Säure-Base-Katalyse, kovalente Katalyse und Metallionenkatalyse.
Die Enzymaktivität wird stark von pH-Wert und Temperatur beeinflusst. Jedes Enzym hat ein spezifisches pH- und Temperaturoptimum. Das Michaelis-Menten-Modell beschreibt die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Substratkonzentration. Die Michaelis-Menten-Konstante (Km) ist die Substratkonzentration, bei der die halbmaximale Reaktionsgeschwindigkeit erreicht wird. Die maximale Geschwindigkeit (Vmax) wird bei Substratsättigung erreicht. Das Lineweaver-Burk-Diagramm linearisiert die Michaelis-Menten-Gleichung, was die Bestimmung von Km und Vmax erleichtert. Die Effizienz von Enzymen wird durch den Quotienten kcat/Km ausgedrückt. Die Diffusionsrate des Substrats kann die Enzymgeschwindigkeit limitieren.
Enzymhemmung ist therapeutisch relevant. Reversible Hemmungstypen umfassen kompetitive (Bindung am aktiven Zentrum, Km erhöht, Vmax unverändert), nicht-kompetitive (Bindung ausserhalb des aktiven Zentrums, Vmax reduziert, Km unverändert) und unkompetitive Hemmung (Bindung nur an den ES-Komplex, Vmax und Km reduziert). Die Substratüberschusshemmung ist ein Spezialfall, bei dem eine zu hohe Substratkonzentration die Geschwindigkeit reduziert. Irreversible Hemmer binden kovalent ans Enzym, was zu dauerhafter Inaktivierung führt. Prodrugs erfordern enzymatische Umwandlung innerhalb der Zelle, um ihre hemmende Wirkung zu entfalten, was zu selektiver Wirkung führen kann.
Die Regulation der Enzymaktivität ist entscheidend für zelluläre Prozesse. Regulierende Enzyme sind oft geschwindigkeitsbestimmende Enzyme am Anfang oder Ende von Stoffwechselwegen. Die Regulation kann über die Verfügbarkeit des Enzyms (Synthese, Abbau, Lokalisation) oder über die Aktivität einzelner Enzymmoleküle erfolgen. Allosterische Effektoren binden ausserhalb des aktiven Zentrums und bewirken Konformationsänderungen, die die Substratbindung oder -umsetzung beeinflussen (positive oder negative Kooperativität). Reversible kovalente Modifikationen, wie die Phosphorylierung durch Proteinkinasen und Dephosphorylierung durch Phosphatasen, sind ein wichtiger regulatorischer Mechanismus, der schnelle Anpassungen ermöglicht.
Isoenzyme sind Enzyme, die die gleiche Reaktion katalysieren, aber unterschiedliche Aminosäuresequenzen und somit unterschiedliche kinetische und regulatorische Eigenschaften haben. Dies ermöglicht eine gewebe- oder zellkompartiment-spezifische Regulation und Anpassung. Beispiele sind die Hexokinase (Typ 1 und 4) und die Laktatdehydrogenase (LDH-Isoformen), die in verschiedenen Geweben unterschiedliche Expressionsmuster und kinetische Parameter aufweisen.
Die Enzymaktivität wird als Substratumsatz pro Zeit gemessen und in Katal (mol/s) oder International Units (IU) angegeben. Die Messung erfordert strenge Standardisierung. Der optische Test, der die Absorption von NAD(P)H bei 340 nm nutzt, ist eine gängige Methode, auch indirekt durch gekoppelte Reaktionen. In der klinischen Diagnostik dienen erhöhte oder erniedrigte Serumenzymspiegel als Marker für Organschäden oder -dysfunktionen. Die Unterscheidung zwischen sezernierten und zellulären Enzymen sowie die subzelluläre Lokalisation (z.B. zytosolisch vs. mitochondrial) geben Aufschluss über Art und Schweregrad der Schädigung. Die Analyse von Isoenzymen und Enzymquotienten (z.B. De-Ritis-Quotient) verbessert die diagnostische Aussagekraft. Beispiele für klinisch relevante Enzyme sind Gamma-GT (Leber), Lipase/Amylase (Pankreas) und Kreatinkinase (Herz).