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Was ist und wie wirkt ein Enzym?

Enzym

Ein Enzym ist ein Biokatalysator. Ein Katalysator kann eine chemische Reaktion in Gang setzen oder beschleunigen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Im Gegensatz zu "einfachen" Katalysatoren werden "BioKatalysatoren" extra vom Organismus hergestellt und können so auch auf Prozesse im Körper einwirken, die sonst nicht oder nur langsam funktionieren würden. Ein Enzym ist also ein körpereigenes Molekül, dass zur Steuerung von Körperfunktionen wichtig ist. Nach Ablauf des Prozesses hat das Enzym wieder exakt die gleiche Struktur wie zuvor.

Enzyme haben wichtige Funktionen im Stoffwechsel von Organismen: Sie steuern den überwiegenden Teil biochemischer Reaktionen – von der Verdauung bis hin zur Transkription (RNA-Polymerase) und Replikation (DNA-Polymerase) der Erbinformationen. Die Namen von Enzymen enden in aller Regel auf "...ase".

Wie funktioniert ein Enzym?

Ein Enzym hat ein sog. aktives Zentrum. An diesen Bereich können andere Substanzen andocken (sog. Substrat), wenn sie exakt in die aktive Zone passen. Diese kombinierte Struktur nennt man Enzym-Substrat-Komplex. Das Enzym bewirkt dann eine Veränderung der räumlich-chemischen Struktur dieses Substrats, das dadurch seine Eigenschaften verändert oder in einzelne Teile zerlegt wird. Das veränderte Molekül oder die neuen Teile spalten sich dann wieder ab (Produkte) - zurück bleibt das Enzym in seiner ursprünglichen Form.

Enzym Funktionsweise
Enzym Funktionsweise - CC-BY-SA

Zwei Dinge sind in diesem Zusammehang von besonderer Bedeutung:

Der ganze Vorgang kann auch in die andere Richtung ablaufen - allerdings braucht es dann ein anderes Enzym (hier andere Farbe = Enzym B)

Enzym B: Rückumwandlung
Enzym B: Rückumwandlung in den ursprünglichen Zustand- CC-BY-SA

Die Wirkung eines Enzyms kann allerdings auch kontrolliert blockiert werden (sog. Inhibition). In dem Fall besetzt ein Hemmstoff die aktive Zone des Enzyms, so dass sich kein Substrat mehr anlagern kann.

Enzym durch Hemmstoff deaktiviert
Enzym durch Hemmstoff deaktiviert - CC-BY-SA

Aufbau eines Enzyms

Die meisten Enzyme sind Einweise (Proteine), also lange Ketten aus Aminosäuren, die eine spezifische räumliche Struktur haben. Sie werden zum besseren Verständnis je nach Enzym in verschiedene Bereiche eingeteilt, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften und Funktionen besitzen. Entscheidend ist das sog. aktive Zentrum, an das sich nur ganz spezifische Strukturen anlagern können. Es funktioniert nach dem "Schlüssel-Schloss-Prinzip".

Enzym Aufbau
Enzym Aufbau - CC-BY-SA

Im Blut lassen sich eine Reihe verschiedener Enzyme nachweisen und analysieren. So kann man Hinweise bekommen, ob und in welchen Organen Fehlfunktionen oder Störungen vorliegen. Zum Beispiel in der Leber: die wichtigsten Leberwerte sind die Enzyme ASAT, ALAT, Gamma GT, AP)

Enzyme in der Nahrung

Nicht alle Enzyme, die wir brauchen, können im Körper gebildet werden. Einige müssen wir auch über die Nahrung aufnehmen. Viele wichtige Enzyme sind in Obst und Gemüse enthalten. Dabei ist vor allem darauf zu achten, dass die Nahrungsmittel frisch sind. Als Proteine werden auch Enzyme bei Temperaturen von über 40°C zerstört.

Beispiel Blutgerinnung

Thrombin

Ein gutes Beispiel ist das Enzym Thrombin (Serinprotease), das aus aus 622 Aminosäuren besteht. Die Blutbahnen im Körper (sog. Blutgefäße) sind enorm wichtig, damit das Blut den gesamten Organismus versorgen kann. Kleine oder große Öffnungen würden dazu führen, dass unkontrolliert Blut abfließt, was schon nach kurzer Zeit zu einer lebensgefährlichen Unterversorgung führen kann. Es ist daher sehr wichtig, Verletzungen der Blutbahn so schnell wie möglich zu schließen.

Thrombozyten im blut
Thrombozyten im Blut

Genau dafür ist eine der drei Blutzellen-Arten zuständig: die Thrombozyten. Sie schwimmen in großer Zahl ununterbrochen im gesamten Blut mit. Normalerweise sind sie kleine, zusammengeknüllte Fetzen - aber wenn sie aktiviert werden, entfalten sie zahlreiche Tentakel und lange Fangarme. Die entfalteten Thrombozyten verfangen sich ineinander und bilden so ein feinmaschiges Netz, durch das die anderen Blutzellen (Erythrozyten, Leukozyten) nicht mehr hindurchpassen. So wird jede Verletzung der Blutbahn innerhalb kurzer Zeit (einige Sekunden oder Minuten) wieder geschlossen. Man nennt diesen Vorgang auch Thrombozytenaggregation bzw. Blutgerinnung.

Thrombozytenaggregation - blutgerinnung
Thrombozytenaggregation - Blutgerinnung

Das Thrombin ist nun das Enzym, dass in den nicht-aktivierten Thrombozyten vorkommt (als sog. Prothrombin). Wenn sich ein Thrombozyt entfaltet, wird Thrombin ins Blut abgegeben, dass dann wiederum im Blut schwimmendes Fibrinogen (Substrat) in Fibrin (Produkt) umwandelt. Fibrin wirkt dann nicht nur wie ein Klebstoff, sondern aktiviert gleichzeitig auch noch neue Thrombozyten, die sich wiederum entfalten.

Warum geht das nun alles so schnell? Es handelt sich um eine Kaskade (Wasserfall), die sich selber verstärkt. Aus einem Thrombin-Enzym können Hunderte von Fibrin-Molekülen entstehen, von denen jedes wiederum Hunderte von Thrombozyten aktivieren kann, von denen jeder wiederum Hunderte von neuen Thrombin-Enzymen freisetzen kann. In kurzer Zeit werden so also Millionen von Thrombozyten aktiviert, die dann sehr schnell und effektiv eine Wunde verschließen können.

Enzyme in der Umwelt

Enzyme kommen nicht nur in lebenden Organismen vor. Sie wirken auch an vielen weiteren chemischen Prozessen mit. So enthält zum Beispiel Waschmittel Enzyme, die dabei helfen, Partikel (Schmutz) von Fasern (Kleidung) abzulösen. Für die industrielle Verwendung werden Enzyme auch in großem Maße künstlich hergestellt.

Das folgende Video gibt noch einmal einen kurze Zusammenfassung zum Thema Enzyme.

Bitte anklicken, um das Youtube-Video zu laden.
Enzyme (Video für Schule)
Enzyme (Video für Schule)
Enzym
Enzym

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