Alles über Enzyme (I)

Enzyme & Leben

Während jeder Bewegung eines jeden Lebewesens ist ein Enzym an der Arbeit, um es am Leben zu erhalten. Zu jedem beliebigen Zeitpunkt sind im menschlichen Körper mehrere Millionen Enzyme an der Arbeit, um die Ausführung der einfachsten Aufgaben wie z.B. Atmen, Lesen, Schmecken oder Hören zu ermöglichen. Bis jetzt wurden über 3.000 unterschiedliche Enzyme im menschlichen Körper identifiziert, von denen uns Millionen erneuern, erhalten und schützen. Es ist unnötig zu erwähnen, dass wir ohne Enzyme ziemlich tot wären.

Enzyme sind proteinbasierte Substanzen, die sich in jeder Zelle von Pflanzen und Tieren wiederfinden. Ohne sie würde Bier nicht gären, würden Blätter ihre Farbe im Herbst nicht ändern und würden Früchte nicht reifen. Sie sind das Kraftwerk einer jeden Zelle (sorry Mitochondrien) und lassen chemische Reaktionen schneller ablaufen, während sie selbst unverändert bleiben. Jede Zivilisation hat Enzyme wissentlich oder unwissentlich verwendet, um so fundamentale Dinge wie Wein, Käse oder Brot herzustellen. Enzyme haben der Menschheit schon immer dabei geholfen Nahrungsmittel zuzubereiten und zu konservieren. preview

Frühere Kulturen haben geglaubt, dass die Umwandlung eines Nahrungsmittels in ein anderes, wie z.B. die Umwandlung von Milch in Käse, ein magischer Prozess ist, an dem ein inhärentes Geheimnis aller lebenden Dinge beteiligt ist – eine Art Lebenskraft. Alchemisten versuchten diese Lebenskraft bei ihrem Bestreben Eisen in Gold zu verwandeln zu nutzen. Heute nutzen wir die Magie der Fermentation, indem wir uns die von Bakterien, mikroskopisch kleiner Hefe und Schimmel induzierten chemischen Veränderungen zu Nutze machen. Diese Veränderungen machen die Produktion vieler Arten von Antibiotika möglich, erlauben die Veränderung von Materialen auf effizientere Art und Weise und ermöglichen fortschrittliche Verarbeitungstechniken für Lebensmittel.

Enzyme regulieren eine Reihe komplexer chemischer Reaktionen, die auch als Stoffwechsel bekannt sind und die kombinierte Aktion von Anabolismus und Katabolismus darstellen. Anabolismus ist der Prozess des Aufbaus (wie z.B. das Wachstum neuen Gewebes) durch eine Kombination einfacherer Substanzen um komplexere Substanzen zu bilden. Katabolismus ist genau das Gegenteil und umfasst jeden Prozess, der eine Substanz in einfachere Substanzen aufbricht (wie z.B. die Verdauung). Enzyme katalysieren die chemischen Prozesse, die den Stoffwechsel möglich machen. Genauso, wie Enzyme unseren Stoffwechsel in Gang halten, agieren Enzyme auch als Nahrungsmittel Verstärker, indem sie den potentiell nahrhaften Inhalt der Nahrung freisetzen.

Unsere Enzymproduktion kann durch das Altern, Krankheiten oder Stress abnehmen und wenn der Körper nicht genügend Enzyme produziert, dann müssen diese über externe Quellen zugeführt werden. Man kann sich dies wie ein Aquarium mit defektem Wasserfilter vorstellen – etwas, das zuvor autark war, benötigt jetzt eine externe Quelle frischen Wassers. Wenn es dem Körper nur an einem Enzym mangelt, dann beeinflusst dies viele andere Enzyme und irgendwann wird es notwendig, enzymreiche Nahrungsmittel oder Supplements zuzuführen. Die Millionen von Enzymen, die in jedem System unseres Körpers existieren, sind das, was uns gesund und am Leben hält.

Typen von Enzymen und ihre Aktionen

Enzyme werden basierend auf ihren Aktionen, ihren Substraten und der Reaktionen, die sie starten oder beschleunigen, in sechs Hauptgruppen eingeteilt. Diese sechs Gruppen sind folgende:

• Hydrolasen: Diese Gruppe bricht Protein, Kohlenhydrate und Fette wie z.B. während der Verdauung durch das Hinzufügen eines Wassermoleküls auf.
• Isomerasen: Diese Gruppe agiert als Katalysator für die Neuordnung chemischer Gruppen mit demselben Molekül.
• Ligasen: Durch die Verwendung einer Energiequelle agiert diese Gruppe als Katalysator für die Bildung einer Verbindung zwischen zwei Substratmolekülen.
• Lyasen: Durch das Hinzufügen oder Entfernen chemischer Gruppen katalysiert dieses Enzym die Bildung von Doppelbindungen zwischen Atomen.
• Oxidoreduktasen: Diese Gruppe macht oxidative Reduktionen möglich.
• Transferasen: Diese Gruppe von Enzymen überträgt chemische Gruppen von einem Molekül zu einem anderen.

Die Mehrzahl der Enzyme (etwa 95%) ist kataboler Natur und hilft dem Körper dabei, etwas auseinander zu nehmen. Mit anderen Worten ausgedrückt brechen Sie komplexe Substanzen in verwendbare, einfache Substanzen auf. Die Verdauungsenzyme helfen z.B. dabei, eine Mahlzeit in ihre kleinsten Komponenten wie Aminosäuren, Mono- und Disacchaide, Ester, usw. aufzubrechen, indem sie die Bindungen zerschneiden, die die unterschiedlichen Bestandteile zusammenhalten.

Alle Enzyme sind substratspezifisch, was bedeutet, dass es eines Enzyms bedarf, um das Protein in Fleisch aufzubrechen, während andere Enzyme an die Arbeit gehen, um Kartoffeln, Brokkoli, Käse, Ketchup, usw. aufzubrechen.

Warum dies funktioniert...

• Die Schlüssel und Schloss Theorie: Diese Theorie schlägt vor, dass das richtige Substrat für ein Enzym als Schlüssel agiert und in eine spezifische aktivierende Form des entsprechenden Enzyms passt.
• Die Theorie des induzierten Passens: Bei dieser Theorie wird das Enzym zu einer Art Decke, die ihre Form verändert, um ein Substrat zu umschließen oder sich mit ihm zu verbinden.

Die Stelle, an der ein Enzym sich mit einem Substrat verbindet, wird als aktive Stelle bezeichnet. Es ist notwendig, dass ein Substrat mit einer aktiven Enzymstelle in Kontakt kommt, um es dem Enzym zu ermöglichen, seine Arbeit zu verrichten. Dieser Prozess stellt sicher, dass ein Enzym nur ein spezifisches Molekül als passendes Substrat erkennt.

Alle Enzyme arbeiten unter ihren eigenen Bedingungen mit ihrer eigenen spezifischen Geschwindigkeit. Um eine Idee davon zu bekommen, wie schnell Enzyme arbeiten (und sie arbeiten sehr schnell) sollte man sich das langsamste bekannten Enzym Lysozym ansehen. Lysozym zerstört Bakterien und verarbeitet etwa 30 Substratmoleküle pro Minute oder ein Substrat alle zwei Sekunden. Doch im Vergleich zur Carboanhydrase, die 36 Millionen Substratmoleküle pro Minute verarbeiten kann, ist dies nicht wirklich schnell. Die Arbeitsgeschwindigkeit wird natürlich durch die Umgebung beeinflusst – mit anderen Worten ausgedrückt, durch die Gesundheit der entsprechenden Person.

Enzymfaktoren

Enzyme können ihre Arbeit nur in Zusammenarbeit mit kleinen Molekülen verrichten, die als Coenzyme oder Cofaktoren bezeichnet werden. Damit ein Enzym funktionieren kann, müssen Cofaktoren wie die Mineralstoffe Zink, Magnesium, Kupfer und Kalzium präsent sein. Ein inaktives Enzym (ein Apoenzym) kann zu einem aktiven Enzym (einem Holoenzym) werden, wenn es mit organischen Substanzen, die als Coenzyme bekannt sind, kombiniert wird. Zu diesen Coenzymen gehören die C und B Vitamine und auch Vitamin A kann in einigen Situationen als Coenzym agieren.

Genau wie es Substanzen gibt, die ein Enzym besser arbeiten lassen, gibt es Substanzen, die die Aktivität von Enzymen hemmen. Einige Enzyminhibitoren sind als kompetitiv bekannt, da sie das Substrat daran hindern, zur aktiven Stelle des Enzyms zu gelangen und sich mit dem Enzym zu verbinden. Andere Inhibitoren sind nicht kompetitiv und behindern ganz einfach die Umwandlung eines Substrats durch ein Enzym. Die Mehrzahl der Medikamente (inklusive des harmlosen Aspirins) hemmt die Funktion unserer Enzyme. Auch organische Lösungsmittel wie Methanol, Ethanol, Ameisensäure, Ethylen Glykol und andere sind dafür bekannt, dass sie eine große Bandbreite von Enzymen hemmen.

Jedes Enzym nutzt sich irgendwann ab und stirbt. Wenn ein Enzym beginnt Zeichen von Abnutzung zu zeigen, kommt ein anderes Enzym und bricht dieses Enzym auf, so dass es abtransportiert werden kann. Einige Enzyme besitzen eine Lebensspanne von nur etwa zwanzig Minuten, während andere mehrere Wochen alt werden können. Nachdem ein Enzym stirbt, wird es durch ein neu gebildetes Enzym desselben Typs ersetzt. Enzyme arbeiten und kommunizieren mit anderen Enzymen, um Kooperativen zu bilden, falls dies notwendig ist und um das Gleichgewicht aller Systeme des Körpers aufrecht zu erhalten.