Enzymfamilien

Ein Enzym ist ein von lebenden Zellen produziertes Protein oder RNA, das eine hohe Spezifität und eine hohe katalytische Effizienz für sein Substrat aufweist. Die katalytische Wirkung eines Enzyms hängt von der Integrität der Primärstruktur und der räumlichen Struktur des Enzymmoleküls ab. Denaturierung oder Depolymerisation von Untereinheiten der Enzymmoleküle kann zum Verlust der Enzymaktivität führen. Enzyme sind biologische Makromoleküle mit einem Molekulargewicht von mindestens 10.000, wobei große Enzyme sogar ein Molekulargewicht von einer Million erreichen können. Enzyme sind eine äußerst wichtige Klasse von Biokatalysatoren. Durch die Wirkung von Enzymen können chemische Reaktionen in lebenden Organismen effizient und spezifisch unter äußerst milden Bedingungen ablaufen. Mit der Vertiefung und Entwicklung der Forschung zur Struktur und Funktion von Enzymmolekülen sowie zur Kinetik enzymatischer Reaktionen hat sich die Disziplin der Enzymologie allmählich herausgebildet. Die chemische Natur des Enzyms ist Protein oder RNA (Ribonukleinsäure), daher besitzt es auch Primär-, Sekundär-, Tertiär- und sogar Quartärstrukturen. Nach ihrer molekularen Zusammensetzung können sie in einfache Enzyme und Bindungsenzyme unterteilt werden. Ein Protein, das nur aus Proteinen besteht, wird als einfaches Enzym bezeichnet; ein Bindungsenzym besteht aus einem Enzymprotein und einem Kofaktor. Zum Beispiel bestehen die meisten Hydrolasen ausschließlich aus Proteinen; Flavinmononukleasen bestehen aus Enzymproteinen und Kofaktoren. Das Enzymprotein im Bindungsenzym ist der Proteinanteil, und der Kofaktor ist der Nicht-Proteinanteil. Nur wenn beide zusammen ein vollständiges Enzym bilden, besitzt es katalytische Aktivität.

Struktur

Enzyme sind in der Regel viel größer als ihre Substrate. Das Monomer für 4-Oxalylcrotonat-Tautomerase reicht in der Größe von nur 62 Aminosäureresten bis zu mehr als 2.500 Resten in 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 benachbart zu einem oder mehreren Bindungsstellen des substratgerichteten Restes. Das katalytische Zentrum und die Bindungsstelle bilden zusammen das aktive Zentrum des Enzyms. Der Großteil der übrigen Enzymstruktur dient dazu, die präzise Ausrichtung und Dynamik des aktiven Zentrums aufrechtzuerhalten. In einigen Enzymen ist keine Aminosäure direkt an der Katalyse beteiligt. Im Gegensatz dazu enthält das Enzym Stellen, die katalytische Kofaktoren binden und ausrichten, und die Struktur des Enzyms kann auch allosterische Stellen enthalten. Die Bindung kleiner Moleküle kann Konformationsänderungen hervorrufen, die die Aktivität erhöhen oder verringern. Es gibt einige RNA-basierte Biokatalysatoren, die als Ribozyme bezeichnet werden und entweder allein oder in Kombination mit Proteinen wirken können. Das bekannteste Beispiel ist das Ribosom, ein Komplex aus Proteinen und katalytischen RNA-Komponenten.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Nach der chemischen Zusammensetzung der Enzyme können Enzyme in einfache Enzyme und Bindungsenzyme unterteilt werden. Eine Peptidkette, die nur aus Aminosäureresten in einem einfachen Enzymmolekül besteht. Zusätzlich zum Protein, das aus der Polypeptidkette besteht, enthält das Bindungsenzymmolekül auch nicht-proteinogene Bestandteile wie Metallionen, Eisenporphyrine oder kleine organische Moleküle, die B-Vitamine enthalten. Der Proteinanteil des Bindungsenzyms wird als Enzymprotein (Apoenzym) bezeichnet, und die nicht-proteinogenen Anteile werden zusammenfassend als Kofaktoren bezeichnet. Beide zusammen bilden ein Holoenzym; nur das vollständige Enzym besitzt katalytische Aktivität. Wenn die beiden Anteile getrennt werden, verschwindet die Enzymaktivität. Nicht-proteinogene Anteile wie Eisenporphyrin oder Verbindungen, die B-Vitamine enthalten, werden als prosthetische Gruppen bezeichnet, wenn sie kovalent an das Enzymprotein gebunden sind. Sie können nicht durch Dialyse oder Ultrafiltration vom Enzymprotein getrennt werden. Coenzyme, die durch nicht-kovalente Bindungen verbunden sind, können mit den oben genannten Methoden getrennt werden. Es gibt zwei Haupttypen von Kofaktoren. Der eine sind Metallionen, die häufig als Hilfsgruppen dienen und zum Elektronentransfer verwendet werden. Der andere Typ sind kleine organische Moleküle, die hauptsächlich zum Transfer von Wasserstoffatomen, Elektronen oder bestimmten chemischen Gruppen dienen.

In diesem Abschnitt finden Sie eine Reihe von kurzen Übersichten zu verschiedenen Enzymunterfamilien, basierend auf ihrer funktionellen Aktivität in der Enzymologie oder den Eigenschaften, auf die viele Medikamente abzielen.

Referenz

1. Porter KR.; et al. Eine Studie von Gewebekulturzellen mittels Elektronenmikroskopie: Methoden und vorläufige Beobachtungen. The Journal of Experimental Medicine. 1945, 81 (3): 233-46.