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Die Maschinerie des Stoffwechsels

Enzyme: Hochleistungskatalysatoren des Organismus

Ohne sie ginge in unserem Stoffwechsel kaum etwas: die Enzyme. Diese hochspezialisierten Proteine zerlegen und verwerten Nährstoffe, bauen Fettvorräte auf und ab, produzieren und deaktivieren Botenstoffe und ermöglichen noch unzählige weitere Stoffwechselvorgänge.

Schlüssel-Schloss-Prinzip der Enzymreaktion © Jerry Crimson Mann, gemeinfrei

Streng genommen führen sie die nötigen biochemischen Reaktionen dabei nicht selbst aus – es handelt sich lediglich um chemische Katalysatoren. Sie betreiben die jeweiligen Reaktionen jedoch mit einer derart hohen Effizienz, dass man sie geradezu als Nanomaschinen bezeichnen kann. Im Jahr 1833 entdeckte der Naturforscher Anselme Payen das erste Enzym, die Diastase. Sie spaltet Stärke in Malzzucker auf. Das Enzym Diastase wurde zur Vorlage für alle später entdeckten Enzyme: die Endsilbe –ase tragen nun alle katalytisch aktiven Proteine.

Stoffwechsel seit dreieinhalb Milliarden Jahren

Enzyme an sich sind selbstverständlich viel älter als ihre Entdeckung: Die ersten katalysierten wahrscheinlich bereits vor mehr als dreieinhalb Milliarden Jahren den Abbau von Nährstoffen zur Energiegewinnung in den ersten einzelligen Lebewesen. Am grundlegenden Mechanismus hat sich seitdem nichts geändert.

Einige Enzyme haben seit dieser Zeit auch ihre Struktur und Funktionsweise kaum verändert. Andere sind im Laufe der Evolution geradezu perfektioniert worden: Die Carboanhydrase etwa reguliert das Lösen von Kohlendioxid in Wasser oder Blut, und kann bis zu einer Million Moleküle pro Sekunde umsetzen. Diese Reaktion spielt eine große Rolle bei der Atmung und auch bei der Regulation des pH-Wertes im Magen.

Schlüssel und Schloss

Entscheidend für die Arbeit des Enzyms ist seine Form: Durch die Proteinfaltung bilden sich Flächen, Taschen und sogar Tunnel. Durch diese Oberfläche wird das Protein hochgradig spezifisch für eine bestimmte Molekülsorte, mit der es interagieren kann. Ein oft verwendeter Vergleich ist das „Schlüssel-Schloss-Modell“: Das Zielmolekül passt in die Bindungsstelle des Enzyms wie ein Schlüssel ins Schloss. Nur so kann das Enzym sein Ziel, das sogenannte Substrat, in das gewünschte Produkt umwandeln.

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In der Regel bilden mehrere Enzyme ganze Produktionsketten. Jedes Enzym katalysiert dabei eine Teilreaktion eines Stoffwechelweges: das Produkt des einen Enzyms wird zum Substrat für das nächste. Schritt für Schritt wird so zum Beispiel während der Glykolyse ein Molekül Glucose abgebaut. Chemisch gesehen „verbrennt“ der Zucker dabei zu Kohlendioxid und Wasser. Der Körper kann jedoch aus einzelnen Schritten dieser Verbrennung mit Hilfe der beteiligten Enzyme die Energie nutzen.

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Ansgar Kretschmer
Stand: 21.03.2014

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Proteine: Makromoleküle mit unbegrenzten Möglichkeiten
Bedeutung einer vielseitigen Stoffklasse für den Organismus

Perlenketten aus Aminosäuren
Die Anatomie eines Proteins

Die Maschinerie des Stoffwechsels
Enzyme: Hochleistungskatalysatoren des Organismus

Unentbehrliche Nervenhelfer
Signalvermittlung durch Proteine

Vorsicht, Gift!
Wenn Proteine toxisch werden

Chaos in der Proteinkette
Defekte im Protein: Mutationen, Krankheiten, Denaturierung

Hitzeschock und Klumpen
Wenn Proteine denaturieren oder falsch gefaltet sind

Von Waschmittel bis Naturfaser
Proteine im Dienst der Industrie

Extrem vielseitig: Exoten der Familie
Stilblüten der Evolution unter den Proteinen

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