Enzymfamilien

Enzyme sind von lebenden Zellen gebildete Proteine oder RNA, die sich durch eine hohe Substratspezifität und eine hohe katalytische Effizienz auszeichnen. Die katalytische Wirkung eines Enzyms hängt von der Integrität der Primärstruktur sowie der räumlichen Struktur des Enzymmoleküls ab. Denaturierung oder Depolymerisation von Untereinheiten von Enzymmolekülen kann zum Verlust der Enzymaktivität führen. Enzyme sind biologische Makromoleküle mit Molekulargewichten von mindestens 10.000; große Enzyme können bis zu einer Million erreichen. Enzyme stellen eine äußerst wichtige Klasse von Biokatalysatoren dar. Durch die Wirkung von Enzymen können chemische Reaktionen in lebenden Organismen unter äußerst milden Bedingungen effizient und spezifisch ablaufen. Mit der Vertiefung und Weiterentwicklung der Forschung zur Struktur und Funktion von Enzymmolekülen sowie zur Kinetik enzymatischer Reaktionen hat sich die Enzymologie als eigenständige Disziplin schrittweise herausgebildet. Die chemische Natur von Enzymen ist Protein oder RNA (Ribonukleinsäure), sodass sie ebenfalls Primär-, Sekundär-, Tertiär- und sogar Quartärstrukturen aufweisen. Nach ihrer molekularen Zusammensetzung lassen sie sich in einfache Enzyme und konjugierte Enzyme einteilen. Ein Protein, das ausschließlich aus Protein besteht, wird als einfaches Enzym bezeichnet; ein konjugiertes Enzym besteht aus einem Enzymprotein und einem Kofaktor. So bestehen die meisten Hydrolasen ausschließlich aus Protein; Flavin-Mononukleotid-Enzyme bestehen aus Enzymprotein und Kofaktor. Das Enzymprotein im konjugierten Enzym ist der Proteinanteil, der Kofaktor der Nicht-Protein-Anteil. Erst wenn beide zu einem vollständigen Enzym (Holoenzym) zusammengefügt sind, liegt katalytische Aktivität vor.

Struktur

Enzyme sind in der Regel deutlich größer als ihre Substrate. Das Monomer der 4-Oxalylcrotonat-Tautomerase reicht in der Größe von nur 62 Aminosäureresten bis zu mehr als 2.500 Resten bei der tierischen Fettsäuresynthase. Nur ein kleiner Teil ihrer Struktur (etwa 2–4 Aminosäuren) ist direkt an der Katalyse beteiligt: das katalytische Zentrum. Das katalytische Zentrum liegt in unmittelbarer Nähe zu einer oder mehreren Bindungsstellen für das substratspezifische Erkennungsmotiv. Katalytisches Zentrum und Bindungsstelle bilden zusammen das aktive Zentrum des Enzyms. Der überwiegende Teil der übrigen Enzymstruktur dient der Aufrechterhaltung der präzisen Orientierung und Dynamik des aktiven Zentrums. Bei einigen Enzymen ist keine Aminosäure direkt an der Katalyse beteiligt; stattdessen enthalten sie Bindungsstellen zur Bindung und Positionierung katalytischer Kofaktoren. Darüber hinaus kann die Enzymstruktur allosterische Zentren enthalten. Die Bindung kleiner Moleküle kann Konformationsänderungen auslösen, die die Aktivität erhöhen oder vermindern. Es gibt zudem einige RNA-basierte Biokatalysatoren, sogenannte Ribozyme, die entweder allein oder in Kombination mit Proteinen wirken können. Das häufigste Beispiel ist das Ribosom, ein Komplex aus Proteinen und katalytischen RNA-Komponenten.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Nach der chemischen Zusammensetzung lassen sich Enzyme in einfache Enzyme und konjugierte Enzyme einteilen. Ein einfaches Enzymmolekül besteht aus einer Peptidkette, die ausschließlich aus Aminosäureresten aufgebaut ist. Zusätzlich zum Proteinanteil aus der Polypeptidkette enthält ein konjugiertes Enzymmolekül auch Nicht-Protein-Komponenten, wie Metallionen, Eisenporphyrine oder niedermolekulare organische Verbindungen, die B-Vitamine enthalten. Der Proteinanteil des konjugierten Enzyms wird als Enzymprotein (Apoenzym) bezeichnet; die Nicht-Protein-Anteile werden zusammenfassend als Kofaktoren bezeichnet. Beide zusammen bilden das Holoenzym; nur das vollständige Enzym besitzt katalytische Aktivität. Werden Apoenzym und Kofaktor getrennt, geht die Enzymaktivität verloren. Nicht-Protein-Anteile wie Eisenporphyrin oder B-Vitamin-haltige Verbindungen werden als prosthetische Gruppen bezeichnet, wenn sie kovalent an das Enzymprotein gebunden sind. Sie lassen sich nicht durch Dialyse oder Ultrafiltration vom Enzymprotein abtrennen. Coenzyme, die über nichtkovalente Bindungen assoziiert sind, können mit den oben genannten Methoden abgetrennt werden. Es gibt zwei Haupttypen von Kofaktoren: Zum einen Metallionen, die häufig als Hilfsgruppen fungieren und der Elektronenübertragung dienen. Zum anderen niedermolekulare organische Verbindungen, die hauptsächlich der Übertragung von Wasserstoffatomen, Elektronen oder bestimmten chemischen Gruppen dienen.

In diesem Abschnitt finden Sie eine Reihe kurzer Übersichtsbeiträge zu verschiedenen Enzym-Subfamilien, basierend auf ihrer funktionellen Aktivität in der Enzymologie oder auf Eigenschaften, die Zielstrukturen vieler Arzneimittel darstellen.

Referenz

1. Porter KR.; et al. A study of tissue culture cells by electron microscopy: methods and preliminary observations. The Journal of Experimental Medicine. 1945, 81 (3): 233-46.