Was sind Enzyme? Aufbau, Funktionsweise und Beispiele

Enzyme sind komplexe Moleküle, die als Katalysatoren von Stoffwechselreaktionen fungieren. Ein Katalysator ist in der Biologie ein Stoff, der die Aktivierungsenergie von Reaktionen herabsetzt. Es wird also weniger Energie zum Starten der Reaktion benötigt. Die Enzyme ermöglichen dies, indem sie eine Zwischenverbindung mit den Reaktanten eingehen. Außerdem beschleunigen Enzyme den Ablauf der chemischen Reaktion, da sie die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen. Durch Enzyme können Reaktionen schneller und mit weniger Energieaufwand ablaufen. Die Enzyme selbst bleiben während der Reaktion unverändert.

In Reaktionen werden Stoffe umgewandelt. Der Ausgangsstoff wird als Substrat bezeichnet und der Stoff, der nach der Reaktion entsteht, nennt sich Produkt. Wenn sich ein Enzym an ein Substrat bindet, um dessen Umwandlung zu katalysieren, entsteht ein Enzym-Substrat-Komplex. Nachdem das Substrat in das Produkt umgewandelt wurde, löst sich der Komplex auf und das Enzym kann erneut Substrate binden.

Die Geschwindigkeit, mit der die Reaktion abläuft, hängt von vielen Parametern ab, beispielsweise der Substratkonzentration. Die Gleichung zur Berechnung der Reaktionsgeschwindigkeit ist die sogenannte Michaelis-Menten-Gleichung.

Enzyme besitzen eine hohe Spezifität. Einerseits können Enzyme nur bestimmte Reaktionen katalysieren, beispielsweise eine Oxidation. Diese Eigenschaft wird als Wirkungsspezifität bezeichnet.

Andererseits kann jedes Enzym nur mit ganz bestimmten Substraten reagieren. Es kann nur die Substrate umsetzen, für die es exakt angepasst ist. Dies nennt sich Substratspezifität. 

Deshalb gibt es zahlreiche Enzyme, da es eine große Anzahl an Substraten und an möglichen Reaktionen gibt, für die jeweils spezifische Enzyme benötigt werden.

Die meisten Enzyme sind Proteine und bestehen demnach aus Aminosäuren, die miteinander verknüpft sind. Es gibt jedoch auch katalytisch aktive RNA-Moleküle, sogenannte  Ribozyme. 

Viele Enzyme bestehen nicht nur aus einem Proteinanteil (Apoenzym), sondern zusätzlich aus einem Nichtproteinanteil, einem sogenannten Cofaktor. Das kann beispielsweise ein Metallion oder ein organisches Molekül (Coenzym) sein. Ein Protein, das sowohl aus Apoenzym als auch aus einem Cofaktor besteht, wird als Holoenzym bezeichnet. 

In der Tabelle sind die verschiedenen Arten von Proteinen zusammengefasst.

Enzyme bestehen aus einem aktiven Zentrum. In diesem Zentrum wird das Substrat umgesetzt. Außerdem besitzen einige Enzyme ein regulatorisches Zentrum, in dem die Enzymaktivität reguliert werden kann. Dort können beispielsweise Stoffe andocken, die die Aktivität des Enzyms hemmen oder stoppen.

Die Struktur von Enzymen kann unterschiedlich sein. Einige bestehen nur aus einer Proteinkette, sie werden als Monomere bezeichnet. Andere, die sogenannten Oligomere, bestehen aus mehreren Proteinketten. 

Um die Umwandlung eines Stoffes zu katalysieren, muss das Substrat an das Enzym gebunden werden. In der Regel dockt das Substrat an einer Vertiefung des Enzyms an, in der sich das aktive Zentrum befindet. Das aktive Zentrum hat eine bestimmte Struktur. Diese Struktur ist bei jeder Enzymart individuell, sodass nur die Substrate an das Enzym gebunden werden können, die die komplementäre molekulare Struktur zu der des aktiven Zentrums aufweisen. Das ist das sogenannte Schlüssel-Schloss-Prinzip. Nicht jeder Schlüssel passt in jedes Schloss. Dadurch entsteht eine große Substratspezifität. 

Nachdem das Substrat an das passende Enzym gebunden wurde, gehen die beiden eine energetisch günstige Zwischenverbindung ein und die spezifische Reaktion kann ablaufen. Mögliche enzymatische Reaktionen sind zum Beispiel die Spaltung des Substrats in seine Grundbausteine oder die Verknüpfung des Substrats mit anderen Substraten.

Nach dem Ablauf der Enzymreaktion trennen sich das Enzym und das entstandene Produkt und das Enzym geht wieder in seinen Ausgangszustand zurück, sodass es erneut passende Substrate binden kann. 

Die Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes ist in der Abbildung dargestellt.

Es gibt eine große Anzahl an Enzymen, die an den verschiedensten Reaktionen innerhalb und außerhalb des Körpers beteiligt sind und viele Aufgaben erfüllen. Einige Beispiele sind in der folgenden Tabelle aufgelistet.

Einige Enzyme, die im Körper vorkommen, werden auch in der Technik verwendet, beispielsweise Amylasen für die Stärkeverarbeitung oder in der Brauereiindustrie und Lipasen und Proteasen in Waschmitteln oder der Lederverarbeitung.