Enzyme - Wirkstoffe des Lebens

Heute im Chemieunterricht: | Enzyme sind Katalysatoren der Zelle, Enzyme sind Eiweißkörper, Enzyme in Haushalt und Technik

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117. Enzyme - Wirkstoffe des Lebens

 
Bei welchen biologischen Vorgängen hast du schon von Enzymen gehört?
 
Zyme heißt Sauerteig. Kannst Du damit den Begriff »Enzyme« in Verbindung bringen?

Enzyme sind Proteine, die von lebenden Organismen selbst produziert werden. Sie dienen als Katalysatoren für biochemische Reaktionen. Im menschlichen Körper gibt es tausende unterschiedliche Enzyme. Jedes einzelne ist für eine bestimmte Reaktion verantwortlich. Beispielsweise ermöglicht das Enzym Amylase im Speichel den Abbau von Stärke in Zucker. Stärke ist in Brot und anderen Lebensmitteln enthalten. Ohne Enzyme würde die Verdauung der Nahrung und andere chemische Reaktionen nicht ablaufen, da die Körpertemperatur dafür zu niedrig ist.

Durch die katalytische Wirkung der Enzyme kann jedoch die Geschwindigkeit einer biochemischen Reaktion, die bei Körpertemperatur nur langsam abläuft, beträchtlich erhöht werden. Nahezu jede biochemische Reaktion wird von Enzymen bewerkstelligt und kontrolliert. Bekannte Beispiele sind GlycolyseAtmungskette und Photosynthese sowie die DNA-Replikation. Enzyme wirken nicht nur als Katalysatoren, sie sind auch wichtige Regulations- und Kontrollpunkte im Stoffwechselgeschehen.


Enzyme sind Katalysatoren der Zelle

Wasserstoffperoxid wird unter dem katalytischen Einfluß von Braunstein in Wasser und Sauerstoff unter Freisetzung von Wärmeenergie gespalten. Die gleiche chemische Reaktion läuft auch ab, wenn biologisches Gewebe mit Wasserstoffperoxid in Berührung kommt. In den Zellen muß es also einen Katalysator geben, der die gleiche Zersetzung bewirkt. Dieser Katalysator ist das Enzym Katalase.


$ \mathrm { H_2O_2 \ \xrightarrow{ \ \lbrack Katalase \rbrack \ } \ H_2O + \frac {1}{2} \ O_2 \ \uparrow }$


Für einen Organismus ist es lebensnotwendig, dass Wasserstoffperoxid als giftiges Zwischenprodukt des Stoffwechsels in Sauerstoff (O2) und Wasser (H2O) zerlegt wird. Die Katalase setzt dabei die Aktivierungsenergie soweit herab, dass diese Reaktion schon bei Körpertemperatur ablaufen kann.


Bild 1. Video: Wirkung von Rinderblut auf Wasserstoffperoxid. Ohne Katalysator benötigt der Zerfall einer bestimmten Menge H2O2 19 Jahre, mit Katalase erfolgt die Reaktion in einer Minute.
 

 
In 4 Reagenzglas gibt man je 5 ml Wasserstoffperoxid (10 %ig). Dann versetzt man das 1. Reagenzglas mit einer Spatelspitze Braunstein, das 2. Reagenzglas mit zerriebener Hefe, das 3. Reagenzglas mit roher Kartoffelmasse und das 4. Reagenzglas mit dem Blut eines Schlachttieres. Wie ist die allen Versuchen gemeinsame Reaktion zu erklären?

Ebenfalls Voraussetzung für die Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen ist es, dass die chemischen Reaktionen in einer Körperzelle zum richtigen Zeitpunkt und am richtigen Ort stattfinden. Auch daran sind in erster Linie unterschiedliche Enzyme beteiligt, die sich im Laufe der Evolution auf unterschiedliche Substanzen im Körper spezialisiert haben. Man spricht von Stoffspezifität und meint damit: Wie ein Schlüssel nur zu einem bestimmten Schloß passt, so pass auch ein Enzym nur zu einem bestimmten Stoff (Schlüssel-Schloss-Prinzip). Der von einem Enzym ausgelöste Reaktionsschritt wird dann von anderen Enzymen weitergeführt, man spricht von Wirkungsspezifität. Allein 11 verschiedene Enzyme werden benötigt, um bei körperlicher Anstrengung die Glucose (Kapitel 123) in den Muskeln abzubauen.


Bild 2. Schlüssel-Schloss-Prinzip der Enzymwirkung (englisch).
 

 
Stoffspezifität: die Wirkung eines Enzyms ist auf eine bestimmte Verbindung beschränkt
 
Enzyme sind verantwortlich, dass die chemischen Vorgänge der Zelle bei Körpertemperatur mit der lebensnotwendigen Geschwindigkeit ablaufen
 
Schlüssel-Schloss-Modell: Vorstellung, dass das Enzym und der Stoff, auf den es wirkt, wie Schlüssel und Schloß zusammenpassen müssen

Enzyme sind Proteine

 
Stofflich gesehen handelt es sich bei Enzymen um Proteine
 
Eine Aufschwemmung von Kartoffelmasse bzw. Hefe in je einem Reagenzglas wird aufgekocht und nach dem Abkühlen mit Wasserstoffperoxidlösung versetzt.
 
In eine weitere Aufschwemmung tropft man Kupfersulfat- oder Bleinitratlösung und gibt Wasserstoffperoxid dazu.
 
Abhängigkeit der Enzymwirkung: Temperatur, Wassertoffionenkonzentration der Umgebung, Konzentration des Enzyms

Die Wirksamkeit von Enzymen ist nicht nur von der Temperatur abhängig, sondern meist auch von der Wasserstoffionenkonzentration (pH-Wert). Kocht man Enzyme wie in Versuch 4 auf, so verlieren sie ihre Wirkung. Ähnlich verhält es sich, wenn Enzyme mit Schwermetallionen (Versuch 5) oder Giften wie Strychnin oder Blausäure in Berührung kommen - sie wirken nicht mehr. Erklären kann man dies damit, dass Enzyme Proteinverbindungen sind. Durch Hitze oder Gift wird ihre komplizierte chemische Struktur zerstört, so dass der »Schlüssel« nicht mehr ins »Schloss« paßt.


Enzyme in der Ernährung

Herstellung von Brot, Wein und Bier

Hefe ist ein Pilz, der aus Millionen winziger lebender Zellen besteht. Diese ernähren sich von Zucker, und zwar mit Hilfe eines Enzyms, das den Zucker in Ethanol und Kohlendioxid spaltet. Diesen Vorgang bezeichnet man als Gärung.


$ \mathrm { \underbrace {C_6H_{12}O_4}_{Zucker} \ \longrightarrow \ \underbrace {2 \ C_2H_5OH}_{Ethanol} + \underbrace {2 \ CO_2 \ \uparrow}_{Kohlenstoffdioxid} }$


Frischer Brotteig enthält Hefe und Zucker. Wenn man den Teig für etwa eine Stunde an einen warmen Ort stellt, verbraucht die Hefe den Zucker und es entsteht Kohlendioxid. Dieser Vorgang lässt den Teig aufgehen. Durch das Backen in einem heißen Ofen dehnt sich das Kohlendioxid aus, so dass der Teig noch weiter aufgeht. Durch die Hitze des Ofens wird die Hefe abgetötet.

Hefe kommt auch bei der Herstellung alkoholhaltiger Getränke zum Einsatz, beispielsweise bei der Herstellung von Wein und beim Brauen von Bier. Der Vorgang der Gärung ist der gleiche wie beim Brotbacken, man spricht von der alkoholischen Gärung. Der Zucker stammt in diesem Fall aus der Weinrebe bzw. der Gerste. Wenn der Ethanolgehalt 14% erreicht hat, stellt die Hefe ihre Arbeit ein. Die entstandene Kohlensäure bleibt im fertigen Bier (oder Sekt) unter Druck gebunden und perlt nach dem Öffnen der Flasche nach oben.

Herstellung von Joghurt

Joghurt wird durch Zugabe von Bakterien in Milch hergestellt. Zunächst wird die Milch sterilisiert oder durch Erhitzen pasteurisiert, um schädliche Bakterien abzutöten. Dann wird mit einer Starterkultur aus speziellen Bakterien inokuliert (Animpfen einer Zellkultur). Diese produzieren Enzyme, die den Zucker (Lactose) in der Milch in Milchsäure und andere Stoffe umwandeln. Außerdem verdicken diese Enzyme die Proteine der Milch. Den Vorgang nennt man Fermentation.

Käseherstellung

Für die Herstellung von Käse wurde traditionell eine Flüssigkeit aus Kälbermägen namens Lab verwendet. Lab ist ein Gemisch aus den Enzymen Chymosin und Pepsin. Es wird heute zwar immer noch verwendet, jedoch gibt es mittlerweile Ersatzstoffe, die zu den gleichen Ergebnissen führen.

Zuerst gibt man zu pasteurisierter Milch eine Starter-Kultur, um sie zu säuern. Dann wird das Lab hinzugegeben. Es bewirkt, dass das Protein Casein in der Milch eine fett- und kalziumhaltige Substanz produziert. Der flüssige Anteil, die Molke, wird durch Abtropfenlassen in einem Tuch, bei industrieller Herstellung durch Zentrifugieren, entfernt und es entsteht Quark. Dieser wird komprimiert und bei gleichbleibender Temperatur gelagert und durch die Wirkung von Enzymen auf Proteine und Fett entsteht Käse. Die Eigenschaft vom Lab, das Milcheiweiß Kasein so zu spalten, dass die Milch eindickt, ohne sauer zu werden, wurde schon im Altertum erkannt und für Käseerzeugung nutzbar gemacht.


Enzyme in Haushalt, Technik und Medizin

Enzyme werden unter anderem in der Industrie benötigt. Waschmitteln fügt man Lipasen (Fett spaltende Enzyme), Proteasen (Eiweiß spaltende Enzyme) und Amylasen(Stärke spaltende Enzyme) zur Erhöhung der Reinigungsleistung hinzu, weil diese Enzyme die entsprechenden Flecken zersetzen. Waschmittelenzyme verlieren bei über 60 °C ihre Wirksamkeit, daher ist ihr Einsatzgebiet die Vorwäsche, bei der die Wäsche auf den Hauptwaschgang (Temperaturen um 90 °C) vorbereitet wird.

Verwendung von Enzymen und ihre Herkunft
Enzyme Herkunft Verwendung
Amylasen Pankreas als Verdauungshilfsmittel in pharmazeutischen Präparaten
Pilze in Backhilfsmitteln zur Verbesserung der Brotqualität, zur Herstellung von Stärkesirup und reinem Traubenzucker durch enzymatische Spaltung von Stärke, zum Abbau von Stärke in Fruchtsäften, die dort unerwünschte Trübungen bildet
Bakterien zur Herstellung von Dextrinen für die Papierindustrie, zum Abbau von Stärke in Nahrungsmitteln und Futterstoffen zur Erleichterung der Verdauung, als Zusatz zu Wasch- und spülmitteln, zur Entfernung von Resten stärkehaltiger Nahrungsmittel
Peptidasen Pankreas in Gerbereihilfsmitteln, zum Eiweißabbau in Nahrungsstoffen, zur Gewinnung von Nährmitteln und Futterzusätzen
Pilze in Gerbereihilfsmitteln, in der bäckerei zum Abbau des Getreideklebers bei der Herstellung von Keksen
Bakterien in Gerbereihilfsmitteln, als Zusatz zu Wasch- und Spülmitteln, zum Aufschluß von Futtermitteln.

Früher wurden Enzyme zur technischen Verwendung aus der Bauchspeicheldrüse von Schlachttieren gewonnen. Heute spielt die Gewinnung von Enzymen aus Bakterien und niederen Pilzen die größte Rolle. Für bestimmte Anwendungen entwickeln Wissenschaftler heute gezielt leistungsfähigere Enzyme durch Protein-Engineering. Zudem konstruierte man eine neuartige Form katalytisch aktiver Proteine, die katalytischen Antikörper, die aufgrund ihrer Ähnlichkeit zu den Enzymen Abzyme genannt wurden. Auch Ribonukleinsäuren (RNA) können katalytisch aktiv sein; diese werden dann als Ribozyme bezeichnet.

In der Medizin spielen Enzyme eine wichtige Rolle. Es gibt Arzneimittel, die die Wirkung von Enzymen hemmen oder verstärken und so eine Krankheit heilen können. Das bekannteste Medikament ist wohl die Acetylsalicylsäure (im Aspirin), die das Enzym Cyclooxygenase hemmt und somit schmerzlindernd wirkt.