Die lebenswichtigen Superstoffe
Proteine sind auch für die Funktion des
Organismus von entscheidender Bedeutung. Schauen wir uns chemische
Reaktionen im Reagenzglas an, so erkennen wir, dass diese durch
Wärmezufuhr erheblich beschleunigt - und oft überhaupt erst möglich -
werden. Nun ist der menschliche Organismus zur Erhaltung des Lebens ja
auf schnelle und fein gesteuerte chemische Reaktionen angewiesen, ohne
dass diese über die Wärmezufuhr gesteuert werden könnten - der Körper
erträgt keine großen Temperaturschwankungen.
Der Stoffwechsel katalysiert deshalb seine Reaktionen, das heißt er
beschleunigt bestimmte chemische Reaktionen um das Tausend- bis
Hunderttausendfache durch den Einsatz von Hilfsstoffen. Diese
lebenswichtigen Hilfsstoffe heißen Enzyme (Biokatalysatoren). Sie
sind wesentliche Elemente der Maschinerie, die aus einfachen chemischen
Verbindungen die kompliziertesten biologischen Strukturen herstellt und
ihr geordnetes Funktionieren sicherstellt.
Enzyme und Coenzyme
Chemisch gesehen gehören alle bisher bekannten Enzyme zu den
Proteinen. Die Stoffe, die von einem Enzym umgesetzt werden, nennt man
Substrate. Im Verlauf der
Enzymreaktion wir das Substrat chemisch verändert, indem entweder neue
Bindungen geknüpft oder bestehende Bindungen gespalten werden. So
entstehen ein bzw. mehrere Produkte.
Für die Wirksamkeit des Enzyms ist sein
aktives Zentrum verantwortlich. Dieses entsteht durch eine
besondere Faltung der Polypeptidkette, aus der das Enzym aufgebaut ist.
Hierdurch entsteht an der Oberfläche des Enzyms eine Struktur, die genau
mit dem Substrat zusammenpasst. So wie ein Schlüssel nur in ein ganz
bestimmtes Schloss passt, so passt auch das Substrat nur in das
entsprechende aktive Zentrum "seines" Enzyms.
Damit Enzyme ihre Funktion ausüben können, sind die meisten von ihnen
jedoch auf einen zusätzlichen "Helfer" angewiesen, den man
Coenzym nennt. Dies ist deshalb
erforderlich, weil das Enzym selbst an der chemischen Reaktion nicht
teilnimmt, sondern nur die beteiligten Partner in geeigneter Weise
zusammenbringt. So ist es nur das Coenzym, das bei der
Enzymreaktion verändert wird, indem es entweder vom Substrat
abgespaltene Elektronen bzw. Atome aufnimmt oder diese dem Substrat zur
Verfügung stellt.
Coenzyme sind meist sehr kompliziert aufgebaute organische Moleküle
und im Gegensatz zu den Enzymen grundsätzlich keine Proteine. Coenzyme
leiten sich häufig von Vitaminen ab.
Die Abbildung zeigt schematisch
eine Enzymreaktion, bei der eine chemische Bindung aufgebrochen wird
(katabole Reaktion) und das anfallende Spaltprodukt, das aus einzelnen
Elektronen, Atomen oder Molekülgruppen bestehen kann, vom Coenzym
aufgenommen wird. Die neu gebildeten Moleküle, die
Reaktionsprodukte, entfernen sich dann von der
Enzymoberfläche, und das unveränderte Enzym kann nun neue
Substratmoleküle binden.
Die Geschwindigkeit, mit der ein einziges Enzymmolekül Substrate
in Reaktionsprodukte verwandelt, ist ungeheuer groß und kann
mehrere Hunderttausend Substratmoleküle pro Sekunde betragen.
Faktoren, die enzymatische Reaktionen beeinflussen
Viele Enzyme arbeiten nicht nur mit Coenzymen, sondern auch mit
bestimmten Ionen wie Mg2+,
Fe2+ oder Zn2+ - Magnesium, Eisen und Zink -
zusammen. Fehlen die entsprechenden Ionen, so ist die Enzymfunktion
gestört.
Deswegen spielt die Körpertemperatur
für die Enzymfunktion eine große Rolle: Mit steigender Körpertemperatur
steigt auch die Substratumsatzrate eines Enzyms steil an. Bei hohen
Temperaturen, z.B. Fieber über 41 ºC, wird das Enzym jedoch geschädigt,
und seine Eiweißstruktur bricht zusammen. Dann fällt die Umsatzrate fast
bis auf Null ab.
Die Enzymfunktion ist ferner vom pH-Wert
abhängig. Für die meisten intrazellulären Enzyme ist ein pH-Wert von 7,2
optimal.
