Enzyme beschleunigen Reaktionen um den Faktor von einer Million oder mehr (Tabelle 8.1). In der Tat laufen die meisten Reaktionen in biologischen Systemen ohne Enzyme nicht mit nennenswerter Geschwindigkeit ab. Selbst eine so einfache Reaktion wie die Hydratation von Kohlendioxid wird von einem Enzym katalysiert, nämlich der Kohlensäureanhydrase (Abschnitt 9.2). Ohne dieses Enzym wäre der Transfer von CO2 aus den Geweben in das Blut und dann in die Alveolenluft weniger vollständig. Tatsächlich ist die Kohlensäureanhydrase eines der schnellsten bekannten Enzyme. Jedes Enzymmolekül kann 106 Moleküle CO2 pro Sekunde hydratisieren. Diese katalysierte Reaktion ist 107-mal so schnell wie die unkatalysierte Reaktion. Wir werden den Mechanismus der Kohlensäureanhydrase-Katalyse in Kapitel 9 betrachten. Enzyme sind sehr spezifisch, sowohl in Bezug auf die Reaktionen, die sie katalysieren, als auch in Bezug auf die Auswahl der Reaktanten, die als Substrate bezeichnet werden. Ein Enzym katalysiert in der Regel eine einzige chemische Reaktion oder eine Reihe von eng miteinander verbundenen Reaktionen. Nebenreaktionen, die zur verschwenderischen Bildung von Nebenprodukten führen, sind bei enzymkatalysierten Reaktionen selten, im Gegensatz zu unkatalysierten Reaktionen.
Tabelle 8.1
Ratenerhöhung durch ausgewählte Enzyme.
Betrachten wir als Beispiel proteolytische Enzyme. In vivo katalysieren diese Enzyme die Proteolyse, also die Hydrolyse einer Peptidbindung.
Die meisten proteolytischen Enzyme katalysieren auch in vitro eine andere, aber verwandte Reaktion, nämlich die Hydrolyse einer Esterbindung. Solche Reaktionen lassen sich leichter überwachen als die Proteolyse und sind bei experimentellen Untersuchungen dieser Enzyme nützlich (Abschnitt 9.1.2).
Proteolytische Enzyme unterscheiden sich deutlich in ihrem Grad der Substratspezifität. Subtilisin, das in bestimmten Bakterien vorkommt, ist recht undifferenziert: Es spaltet jede Peptidbindung ohne Rücksicht auf die Identität der benachbarten Seitenketten. Trypsin, ein Verdauungsenzym, ist recht spezifisch und katalysiert die Spaltung von Peptidbindungen nur an der Carboxylseite von Lysin- und Argininresten (Abbildung 8.1A). Thrombin, ein Enzym, das an der Blutgerinnung beteiligt ist, ist sogar noch spezifischer als Trypsin. Es katalysiert nur die Hydrolyse von Arg-Gly-Bindungen in bestimmten Peptidsequenzen (Abbildung 8.1B).
Abbildung 8.1
Enzymspezifität. (A) Trypsin spaltet an der Carboxylseite von Arginin- und Lysinresten, während (B) Thrombin Arg-Gly-Bindungen in bestimmten Sequenzen spezifisch spaltet.
Die DNA-Polymerase I, ein vorlagengesteuertes Enzym (Abschnitt 27.2), ist ein weiterer hochspezifischer Katalysator. Es fügt Nukleotide an einen zu synthetisierenden DNA-Strang an, und zwar in einer Reihenfolge, die durch die Nukleotidsequenz in einem anderen DNA-Strang, der als Vorlage dient, bestimmt wird. Die DNA-Polymerase I führt die von der Vorlage gegebenen Anweisungen mit bemerkenswerter Präzision aus. Sie fügt das falsche Nukleotid weniger als eins zu einer Million in einen neuen DNA-Strang ein.
Die Spezifität eines Enzyms beruht auf der präzisen Wechselwirkung zwischen dem Substrat und dem Enzym. Diese Präzision ist ein Ergebnis der komplizierten dreidimensionalen Struktur des Enzymproteins.
8.1.1. Viele Enzyme benötigen Kofaktoren für ihre Aktivität
Die katalytische Aktivität vieler Enzyme hängt von der Anwesenheit kleiner Moleküle ab, die als Kofaktoren bezeichnet werden, wobei die genaue Rolle je nach Kofaktor und Enzym variiert. Ein solches Enzym ohne seinen Cofaktor wird als Apoenzym bezeichnet; das vollständige, katalytisch aktive Enzym wird als Holoenzym bezeichnet.
Cofaktoren können in zwei Gruppen unterteilt werden: Metalle und kleine organische Moleküle (Tabelle 8.2). Das Enzym Kohlensäureanhydrase zum Beispiel benötigt Zn2+ für seine Aktivität (Abschnitt 9.2.1). Die Glykogenphosphorylase (Abschnitt 21.1.5), die Glykogen zur Energiegewinnung mobilisiert, benötigt das kleine organische Molekül Pyridoxalphosphat (PLP).
Tabelle 8.2
Enzym-Cofaktoren.
Kofaktoren, die kleine organische Moleküle sind, werden Coenzyme genannt. Oft von Vitaminen abgeleitet, können Coenzyme entweder fest oder lose an das Enzym gebunden sein. Wenn sie fest gebunden sind, werden sie als prosthetische Gruppen bezeichnet. Locker gebundene Coenzyme ähneln eher Kosubstraten, da sie sich an das Enzym binden und von ihm freigesetzt werden, genau wie Substrate und Produkte. Die Verwendung desselben Coenzyms durch eine Vielzahl von Enzymen und seine Herkunft aus Vitaminen unterscheidet Coenzyme jedoch von normalen Substraten. Enzyme, die das gleiche Coenzym verwenden, sind in der Regel mechanistisch ähnlich. In Kapitel 9 werden wir die mechanistische Bedeutung von Kofaktoren für die Enzymaktivität untersuchen. Eine ausführlichere Diskussion über Coenzymvitamine findet sich in Abschnitt 8.6.
8.1.2. Enzyme können Energie von einer Form in eine andere umwandeln
In vielen biochemischen Reaktionen wird die Energie der Reaktanten mit hoher Effizienz in eine andere Form umgewandelt. Bei der Photosynthese zum Beispiel wird die Lichtenergie durch ein Ionengefälle in Energie aus chemischen Bindungen umgewandelt. In den Mitochondrien wird die in kleinen Molekülen aus der Nahrung enthaltene freie Energie zunächst in die freie Energie eines Ionengradienten und dann in eine andere Währung, die freie Energie von Adenosintriphosphat, umgewandelt. Die Enzyme können dann die chemische Bindungsenergie des ATP auf vielfältige Weise nutzen. Das Enzym Myosin wandelt die Energie des ATP in die mechanische Energie der Muskelkontraktion um. Pumpen in den Membranen von Zellen und Organellen, die man sich als Enzyme vorstellen kann, die Substrate bewegen, anstatt sie chemisch zu verändern, erzeugen chemische und elektrische Gradienten, indem sie die Energie von ATP zum Transport von Molekülen und Ionen nutzen (Abbildung 8.2). Die molekularen Mechanismen dieser energieumsetzenden Enzyme werden derzeit entschlüsselt. Wir werden in den folgenden Kapiteln sehen, wie unidirektionale Zyklen diskreter Schritte – Bindung, chemische Umwandlung und Freisetzung – zur Umwandlung einer Energieform in eine andere führen.
Abbildung 8.2
Ein Energie-umwandelndes Enzym. Die Ca2+-ATPase nutzt die Energie der ATP-Hydrolyse, um Ca2+ durch die Membran zu transportieren und einen Ca2+-Gradienten zu erzeugen.
8.1.3. Enzyme werden auf der Grundlage der Arten von Reaktionen klassifiziert, die sie katalysieren
Viele Enzyme haben gebräuchliche Namen, die wenig Informationen über die Reaktionen liefern, die sie katalysieren. Ein proteolytisches Enzym, das von der Bauchspeicheldrüse ausgeschieden wird, heißt zum Beispiel Trypsin. Die meisten anderen Enzyme werden nach ihren Substraten und den Reaktionen, die sie katalysieren, benannt und mit dem Suffix „ase“ versehen. So ist eine ATPase ein Enzym, das ATP abbaut, während eine ATP-Synthase ein Enzym ist, das ATP synthetisiert.
Um die Klassifizierung von Enzymen zu vereinheitlichen, setzte die International Union of Biochemistry 1964 eine Enzymkommission ein, um eine Nomenklatur für Enzyme zu entwickeln. Die Reaktionen wurden in sechs Hauptgruppen mit den Nummern 1 bis 6 unterteilt (Tabelle 8.3). Diese Gruppen wurden unterteilt und weiter untergliedert, so dass eine vierstellige Nummer, der die Buchstaben EC für Enzyme Commission vorangestellt sind, alle Enzyme genau identifizieren kann.
Tabelle 8.3
Sechs Hauptklassen von Enzymen.
Betrachten wir als Beispiel die Nukleosidmonophosphat (NMP)-Kinase, ein Enzym, das wir im nächsten Kapitel (Abschnitt 9.4) genauer untersuchen werden. Es katalysiert die folgende Reaktion:
Die NMP-Kinase überträgt eine Phosphorylgruppe von ATP auf NMP und bildet so ein Nukleosiddiphosphat (NDP) und ADP. Folglich handelt es sich um eine Transferase oder ein Mitglied der Gruppe 2. Neben Phosphorylgruppen können viele andere Gruppen, wie Zucker und Kohlenstoffeinheiten, übertragen werden. Transferasen, die eine Phosphorylgruppe verschieben, werden als 2.7 bezeichnet. Verschiedene funktionelle Gruppen können die Phosphorylgruppe akzeptieren. Wenn ein Phosphat der Akzeptor ist, wird die Transferase mit 2.7.4 bezeichnet. Die letzte Zahl gibt den Akzeptor genauer an. Bei der NMP-Kinase ist ein Nukleosidmonophosphat der Akzeptor, und die Bezeichnung des Enzyms lautet EC 2.7.4.4. Obwohl die gebräuchlichen Namen routinemäßig verwendet werden, wird die Klassifizierungsnummer verwendet, wenn die genaue Identität des Enzyms unklar sein könnte.