Nachdem wir uns im letzten Teil einführend die Verdauung angeschaut hatten, wissen wir, dass Makronährstoffe im Rahmen dieses Ablaufs gespaltet werden müssen, damit diese vom Dünndarm aufgenommen werden können. Bereits bei der Verdauung, aber vor allem auch bei allen weiteren Vorgängen im Körper, treten die Enzyme auf den Plan, zu der eine kleine Einführung notwendig ist, bevor im nächsten Teil die Verstoffwechselung von Kohlenhydraten genauer betrachtet wird.
Enzyme: Die Katalysatoren chemischer Vorgänge
Im grundlegenden ► zweiten Teil dieser Serie lernten wir das Periodensystem mit seinen Elementen sowie wichtige chemische Verbindungen kennen.
Damit es überhaupt zu chemischen Reaktionen kommen kann, sind die Bedingungen im menschlichen Körper denkbar ungünstig, wie in der Literatur immer wieder betont wird: Weitgehend verdünnte Substanzen, die bei einer Temperatur von in der Regel kaum mehr als 37 Grad unter einem Druck zusammenliegen, der praktisch der Atmosphäre entspricht.
Was sich auf den ersten Blick kompliziert liest, sind grundlegende Einflussfaktoren, ob Stoffe chemische Reaktionen durchlaufen können.
Im Alltag sind wir mit unzähligen praktischen Beispielen konfrontiert:
Damit Benzin verbrennt, wird mittels Zylinderkolben Druck darauf ausgeübt.
Um das Gas im Herd zu entzünden, benötigt man eine Flamme (bzw. einen Funken) und
wenn man Kirschsaft stark genug mit Wasser verdünnen würde, könnte man die Flüssigkeit auf Kleidungsstücke gießen und es würde keinerlei Verfärbung bemerkt werden.
Damit es zu chemischen Reaktionen kommen kann, benötigt der Körper Katalysatoren, also Stoffe, die die Geschwindigkeit der Reaktion verstärken. Diese Aufgabe erfüllen Enzyme sehr effektiv: Sie beschleunigen die Reaktionsgeschwindigkeit auf das 107- bis zum Teil 1014-fache.
Das klingt etwas abstrakt, daher zur Veranschaulichung:
Eine enzymkatalysierte Reaktion, die sich innerhalb einer Sekunde abspielt, würde ohne Enzyme 30 (!) Jahre (!!) benötigen.
Etwas bildhafter beschrieben: Wenn ich eine große Menge Baumstämme aus meinem Vorgarten entfernen will (warum auch immer ich Idiot die da hingelegt hab), kann ich entweder warten, bis die Witterung dafür sorgt, dass diese verfaulen und nach und nach verschwinden oder ich lasse dies mit Hilfe von Holzarbeitern innerhalb einer deutlich kürzeren Zeit erledigen.
Wie effektiv die Enzyme arbeiten, wird dabei sowohl durch die Menge also auch die Aktivität beeinflusst.Ähnlich wie es mit meinen Holzarbeitern funktioniert: Wenn diese unmotiviert ihre Arbeit verrichten, kann ich entweder eine Belohnung ausloben, wenn die Stämme bis zum Tagesende aus meinem Garten verschwinden, oder ich ordere weitere Holzarbeiter an, die ich stundenweise (offenbar zu schlecht) bezahle, damit die Stämme vor dem Abend abtransportiert werden.
Um meine Arbeiten wie gewünscht erledigen zu lassen, benötige ich jedoch entsprechende Fachmänner. Maler oder Bäcker würden mir bei den Baumstämmen nicht weiterhelfen. Genauso verhält es sich in der Regel auch mit Enzymen.
Ähnlich eines Schloss-Schlüssel-Prinzips, wie es bereits von Emil Fischer 1894 beschrieben wurde, arbeiten Enzyme relativ spezifisch. Das bedeutet, dass sich das Enzym und der jeweils reagierende Stoff (Substrat) bei der gemeinsamen Verbindung durchaus gegenseitig beeinflussen ("induced fit"), jedoch muss von Anfang an eine große Komplementarität bestehen.
Ausnahmen stellen multifunktionale Enzyme dar, die im Körper verschiedene Aufgaben übernehmen können.
Cofaktoren: Essentielle Helfer für Enzyme
Viele Enzyme benötigen für ihre volle Funktionsfähigkeit sogenannte Cofaktoren, die entweder Metallionen oder Coenzyme darstellen.
Dies ist der Grund, warum genügend Mikronährstoffe in der täglichen Ernährung zugeführt werden sollten. Mangelt es an diesen, können die entsprechenden Enzyme oder auch die Cofaktoren nicht mehr optimal arbeiten und das oftmals angesprochene Phänomen des Flaschenhalsprinzips entsteht.
Die Cofaktoren stellen, wenn man so möchte, die oben angesprochene Motivation für die Holzarbeiter (Enzyme) dar. Mehr Geld (Metallionen) oder ein ausgelobter Kasten Bier (Coenzyme) können bei den geplanten Arbeiten Wunder bewirken und je nach Arbeiter (Enzym) werden unterschiedliche Motivationen (Cofaktoren) benötigt.
Die häufigsten metallischen Cofakoren sind Zink- und Magnesiumionen, wohingegen Coenzyme häufig aus Vitaminen abgeleitet werden. Aufgrund der spezifischen Funktion sind jedoch alle entsprechenden Cofaktoren für eine optimale Funktion des Körpers notwendig.
Das bedeutet aber auch, dass eine übermäßige Mikronährstoff-Supplementation die Vorgänge im Körper nicht bis ins unermessliche beschleunigen bzw. verbessern kann. Es geht immer darum den individuellen Bedarf zu decken.
Einteilung der Enzyme
Da tausende Enzyme existieren, werden diese zur besseren Übersicht in sechs Enzym-Hauptklassen unterteilt, die an dieser Stelle in erster Linie zum Überblick aufgeschlüsselt werden sollen:
Oxidoreduktasen: Diese Enzyme sind an der Übertragung von Elektronen zwischen Molekülen beteiligt. Die Oxidation und Reduktion wurde entsprechend im ► dritten Teil beschrieben.
Transferasen: Diese übertragen ganze funktionelle Gruppen zwischen Molekülen. Funktionelle Gruppen wurden ebenfalls im ► dritten Teil erläutert.
Hydrolasen: Bindung und Spaltung von Stoffen findet hier unter dem Einfluss von Wasser statt, wie es zum Beispiel bei der Verbindung von Aminosäuren zu Peptiden der Fall ist, wie im ► sechsten Teil dargestellt.
Isomerasen: Hier finden Neuordnungen von Bindungsverhältnissen statt.
Lyasen und
Ligasen sind an der Auflösung und Bildung von Atombindungen beteiligt, die im ► zweiten Teil angesprochen wurden.
Dies soll uns im Rahmen dieses Artikels zu den Enzym-Hauptklassen genügen.
Proenzyme
Ein weiterer Begriff, der im Zusammenhang mit Enzymen oftmals fällt und von Bedeutung ist, sind die sogenannten Zymogene, auch Proenzyme genannt. Dies sind inaktive Vorformen der Enzyme, die für eine zeitliche und räumliche Koordination sorgen.
Um dies an unserem Holzarbeiter-Beispiel zu verdeutlichen: Sobald die Arbeiter beginnen die Baumstämme abzuarbeiten, werden entsprechende Abtransportmöglichkeiten benötigt. Darüber hinaus sollte ich beim Besitzer des Komposthaufens, wo das Holz hin soll, rechtzeitig Bescheid geben, dass eine neue Lieferung kommt.
Eine einzige enzymatische Reaktion kann also viele weitere Folgereaktionen nach sich ziehen.
Proenzyme sorgen dafür, dass diese katalytische Kaskade nicht vorzeitig in Gang gesetzt wird.
Die Arbeiter beginnen also erst das Holz abzubauen, wenn ich alles geregelt habe und das Startkommando (Proenzym) gebe.
SNPs: Warum manche Menschen mehr Mikronährstoffe benötigen
Wir haben im Rahmen dieses Artikels Enzyme und deren Bedeutung für den menschlichen Körper kennengelernt. Enzyme sind die Antriebskraft für die gesamten biochemischen Vorgänge in uns. Darüber hinaus lernten wir bereits Coenzyme kennen, ohne die Stoffwechselvorgänge nicht in der optimalen Geschwindigkeit vonstattengehen können. Aber warum gibt es durchaus einen unterschiedlichen Bedarf an Mikronährstoffen wie Vitaminen und Spurenelementen?
Neben Einflussfaktoren wie der Absorption aufgrund der Ernährung und dem restlichen Lifestyle gibt es durchaus einen genetisch bedingten individuellen Bedarf, der erhöht sein kann. Denn auch wenn unser genetischer Code relativ identisch ist, können in den Genen selbst Veränderungen einzelner Nucleotide entstehen.
Wenn dies nur einzelne Nucleotide betrifft, spricht man von einem SNP (single nucleotide polymorphismus), wovon jeder Mensch schätzungsweise 50.000 besitzt.
In der Regel stellen diese SNPs kein Problem dar. Befinden sich diese jedoch in einem Bereich, der zum Ablesen eines bestimmten Proteins zuständig ist, kann dies zu einem erhöhten Bedarf von Cofaktoren wie Vitaminen und Spurenelementen führen.
Solche Veränderungen sind entweder genetisch bedingt oder treten im Alter durch Schäden in der DNA auf, so dass entsprechende Personen einen erhöhten Bedarf an bestimmten Mikronährstoffen besitzen können.
Wird dieser erhöhte Bedarf wiederum nicht gedeckt, bemerken die Betroffenen früher als ihre Mitmenschen Mangelerscheinungen, da die enzymatischen Tätigkeiten im Körper nicht mehr optimal ablaufen können.
Das bedeutet nicht, dass man Unmengen an Nahrungsergänzungsmitteln als Sportler in sich hineinschütten sollte, sondern soll nur verdeutlichen, dass Enzyme und deren fehlerfreie Funktionsweise stark von Cofaktoren und genetischen Veränderungen beeinflusst werden kann.
Darüber hinaus kann die gleichzeitige Zufuhr von mehreren Cofaktoren über die Nahrung die Aufnahme im Körper verschlechtern. Auf dem Papier würde man also genügend Cofaktoren zu sich führen, jedoch werden diese nicht vollständig absorbiert. – Weiteres dazu in späteren Teilen.
Zusammenfassung
Dieser Teil stellte einen grundlegenden Einstieg in das Thema der Enzyme dar. Was sollten wir aus diesem Teil mitnehmen?
Enzyme sind hochspezifische Biokatalysatoren für biochemische Vorgänge im Körper.
Enzyme beschleunigen Vorgänge, verändern diese aber sonst nicht.
Coenzyme können mit Enzymen zu Holoenzymen verbunden werden, was die Aktivität des Enzyms voll ausschöpft.
Der Bedarf an Coenzymen kann durch Umweltfaktoren, aber auch genetisch beeinflusst sein.
Wie immer, wird in Zukunft bei Bedarf auf diesen Artikel hingewiesen.
Nachdem eine grundlegende Einordnung und die Bedeutung von Enzymen nun klar sein sollte, kann es im nächsten Teil mit der Verstoffwechselung von Kohlenhydraten, was sicherlich für den ein oder anderen wieder deutlich interessanter wird und eventuell auch den ein oder anderen Mythos relativiert. Ihr dürft gespannt sein!
Hinweis: Der Autor dieses Artikels bietet individuelle Trainings- und Ernährungsberatung und -betreuung an. Weiteres erfahrt ihr unter ► become-fit.de oder schaut einfach auf seinem ► Instragram-Account vorbei.
Quellen
Berg, Jeremy / Tymoczko, John / Stryer, Lubert (2014): Stryer Biochemie. Heidelberg: Springer Verlag.
Biesalski, Hans Konrad (2015): Mikronährstoffe als Motor der Evolution. Springer: Heidelberg.
Horn, Florian (2012): Biochemie des Menschen. Das Lehrbuch für das Medizinstudium. Stuttgart: Thieme Verlag.
