Hydrolase ist eine Klasse hydrolytischer Enzyme, die häufig als biochemische Katalysatoren verwendet werden und Wasser nutzen, um eine chemische Bindung zu spalten, sodass ein großes Molekül in zwei kleinere aufgeteilt wird. Hydrolasen sind für den Körper von entscheidender Bedeutung, da sie große Moleküle in Fragmente für die Synthese zerlegen, Abfallstoffe ausscheiden und Kohlenstoffquellen für die Energiegewinnung bereitstellen, wobei viele Biopolymere in Monomere umgewandelt werden. Einige Hydrolasen können bei ihrer Wirkung Energie freisetzen. Eine Reihe von Hydrolasen, insbesondere Proteasen, sind mit biologischen Membranen als periphere Membranproteine verbunden oder durch eine einzelne Transmembrandomäne verankert. Andere wiederum sind Multi-Span-Transmembranproteine. Die Namen der Hydrolasen werden systematisch als „Substrat-Hydrolase“ gebildet, während die gebräuchlichen Namen typischerweise in der Form „Substratase“ erscheinen.

In der Biochemie katalysiert eine Hydrolase die Hydrolyse einer chemischen Bindung, wie in der folgenden Reaktion:

Abbildung 1. Durch Hydrolase katalysierte Hydrolysereaktion.

Klassifizierung

Hydrolasen gehören zur EC 3 im EC-Klassifikationssystem und können basierend auf den Bindungen, auf die sie wirken, in dreizehn Unterklassen unterteilt werden. EC 3.1 steht für eine Art von Enzymen, die Esterbindungen spalten, sogenannte Esterasen. Zu den häufigen Esterasen zählen Nukleosidasen, Phosphatasen, Proteasen und Lipasen, wobei Phosphatasen Phosphatgruppen von Molekülen abspalten. Acetylcholinesterase ist ein potenter Neurotransmitter für die willkürliche Muskulatur und trägt als eine der wichtigsten Esterasen zur Umwandlung des Nervenimpulses in Essigsäure bei, nachdem sie Acetylcholin in Cholin und Essigsäure abbaut. Einige gefährliche Toxine wie Exotoxin und Saxitoxin können die Wirkung der Cholinesterase hemmen, und viele Nervengifte wirken, indem sie die hydrolytische Wirksamkeit der Cholinesterase behindern. Nukleosidasen sind in der Lage, die Bindungen von Nukleotiden zu hydrolysieren. Glyceride können durch Lipasen hydrolysiert werden, die auch zum Abbau von Fetten, Lipoproteinen und anderen größeren Molekülen in kleinere Moleküle wie Fettsäuren beitragen, die für die Synthese und als Energiequelle verwendet werden. Hydrolasen der EC 3.2 wirken hauptsächlich auf Zucker, wie DNA-Glykosylasen und Glykosidhydrolasen. Essigsäure ist ein gutes Zwischenprodukt für die Glykolyse, die durch Glykosidasen katalysiert wird, die Zuckermoleküle in Kohlenhydrate spalten, und Peptidasen hydrolysieren Peptidbindungen. EC 3.3 umfasst Enzyme, die Etherbindungen zerstören. EC 3.4 umfasst Hydrolasen, die auf Peptidbindungen wirken, wie Proteasen und Peptidasen. Beispielsweise kann Acylpeptidhydrolase als Mitglied der Peptidasefamilie das acetylierten N-Terminus von Polypeptiden deacetylieren. Weitere Hydrolasetypen umfassen Enzyme, die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen (nicht Peptidbindungen), Säureanhydride (Säureanhydridehydrolasen, einschließlich Helikasen und GTPase), Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, Halogenbindungen, Phosphor-Stickstoff-Bindungen, Schwefel-Stickstoff-Bindungen, Kohlenstoff-Phosphor-Bindungen, Schwefel-Schwefel-Bindungen und Kohlenstoff-Schwefel-Bindungen spalten, wobei die EC-Nummern von 3.5 bis 3.13 reichen.

Verschiedene Funktionen verschiedener Hydrolasen

Hydrolasen können aufgrund ihrer unterschiedlichen Wirkungsorte an einer Vielzahl biologischer Prozesse beteiligt sein. Die von Lactobacillus jensenii im menschlichen Darm exprimierte Hydrolase kann die Leber zur Sekretion von Gallensalzen anregen, die die Verdauung der Nahrung erleichtern. Es wird angenommen, dass die Aktivität der Gallensalz-Hydrolase, die häufig bei der Darmmikrobiota vorkommt, die Hydrogel-bildenden Eigenschaften bestimmter Gallensalze erhöhen kann, deren Vorkommen unter physiologischen Bedingungen des menschlichen Darms die bakterielle Fähigkeit zur Kolonisierung des Gastrointestinaltrakts und deren Überlebensrate in dieser speziellen ökologischen Nische steigern kann. Darüber hinaus können neue Erkenntnisse über die Aktivität der Gallensalz-Hydrolase in Bakterien dazu beitragen, lebende Mikroorganismen bewusster als Lebensmittelzusatzstoffe einzusetzen und dienen auch als Leitfaden für die Entwicklung neuer Medikamente zur Vorbeugung und Behandlung von Magen-Darm-Erkrankungen. Acylpeptidhydrolase, die in menschlichen Erythrozyten gefunden wird, könnte potenziell als Biomarker für eine niedrige Exposition gegenüber Organophosphaten beim Menschen verwendet werden. Glykosidhydrolasen spielen einzigartige Rollen in verschiedenen biologischen Prozessen wie dem Metabolismus der Zellwand, der Biosynthese von Glykanen, Signalgebung, Pflanzenschutz und der Mobilisierung von Speicherreserven. Es wurde festgestellt, dass ein einzelner Rest in pflanzlichem GH32, entsprechend Asp239 in AtcwINV1, für die Stabilisierung von Saccharose im aktiven Zentrum wichtig zu sein scheint und für die Bestimmung der Spezifität des Saccharosespenders unerlässlich ist. Die Leukotrien A₄ (LTA₄)-Hydrolase kann auf Epoxid im letzten Schritt der Biosynthese von Leukotrien B₄ wirken, das eine Rolle bei verschiedenen akuten und chronischen Entzündungskrankheiten spielt. LTA₄-Hydrolase ist als bifunktionales Zinkmetalloenzym ein bedeutendes Enzym im 5-Lipoxygenase-Weg und besitzt eine Peptid-spaltende Aktivität. Nukleosidhydrolase spielt eine zentrale Rolle im Purin-Salvage-Weg und dient auch als primäres Ziel für die Erforschung antiparasitärer Medikamente.

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