Hydrolasen sind eine Klasse hydrolytischer Enzyme, die häufig als biochemische Katalysatoren eingesetzt werden und Wasser nutzen, um eine chemische Bindung zu spalten und dadurch ein großes Molekül in zwei kleinere zu zerlegen. Hydrolasen sind für den Organismus von zentraler Bedeutung, da sie große Moleküle in Fragmente zur Synthese zerlegen, Abfallstoffe ausscheiden helfen und Kohlenstoffquellen für die Energiegewinnung bereitstellen, wobei zahlreiche Biopolymere in Monomere umgewandelt werden. Einige Hydrolasen können bei ihrer Wirkung Energie freisetzen. Eine Reihe von Hydrolasen, insbesondere Proteasen, ist als periphere Membranproteine mit biologischen Membranen assoziiert oder über eine einzelne Transmembranhelix verankert. Andere sind Multi-Pass-Transmembranproteine. Die Benennung von Hydrolasen erfolgt systematisch nach dem Schema „Substrat-Hydrolase“, während gebräuchliche Namen typischerweise in der Form „Substratase“ verwendet werden.

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

Abbildung 1. Durch Hydrolase katalysierte Hydrolysereaktion.

Klassifizierung

Hydrolasen gehören im EC-Klassifikationssystem zur Klasse EC 3 und lassen sich anhand der von ihnen gespaltenen Bindungen in dreizehn Unterklassen einteilen. EC 3.1 umfasst Enzyme, die Esterbindungen spalten, sogenannte Esterasen. Zu den häufigen Esterasen zählen u. a. 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 neuronalen Impulses in Essigsäure bei, nachdem sie Acetylcholin zu Cholin und Essigsäure hydrolysiert hat. Einige gefährliche Toxine wie Exotoxin und Saxitoxin können die Wirkung der Cholinesterase beeinträchtigen, und viele Nervenkampfstoffe wirken, indem sie die hydrolytische Effizienz der Cholinesterase hemmen. Nukleosidasen sind in der Lage, die Bindungen von Nukleotiden zu hydrolysieren. Glyceride können durch Lipasen hydrolysiert werden, die zudem zum Abbau von Fetten, Lipoproteinen und anderen größeren Molekülen in kleinere Moleküle wie Fettsäuren beitragen, die für die Synthese und als Energiequelle genutzt werden. Hydrolasen der Unterklasse EC 3.2 wirken hauptsächlich auf Zucker, z. B. DNA-Glykosylasen und glykosidische Hydrolasen. Essigsäure ist zu einem geeigneten Zwischenprodukt der durch Glykosidasen katalysierten Glykolyse geworden, wobei Glykosidasen Zuckermoleküle in Kohlenhydrate spalten, und Peptidasen hydrolysieren Peptidbindungen. EC 3.3 umfasst Enzyme, die Etherbindungen spalten. EC 3.4 umfasst Hydrolasen, die auf Peptidbindungen wirken, wie Proteasen und Peptidasen. Beispielsweise kann die Acylpeptid-Hydrolase als Mitglied der Peptidase-Familie den acetylierten N-Terminus von Polypeptiden deacetylieren. Weitere Hydrolase-Typen umfassen Enzyme, die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen (nicht Peptidbindungen), Säureanhydride (Säureanhydrid-Hydrolasen, einschließlich Helikasen und GTPasen), Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, Halogenidbindungen, Phosphor-Stickstoff-Bindungen, Schwefel-Stickstoff-Bindungen, Kohlenstoff-Phosphor-Bindungen, Schwefel-Schwefel-Bindungen sowie Kohlenstoff-Schwefel-Bindungen spalten; die entsprechenden EC-Nummern reichen fortlaufend von 3.5 bis 3.13.

Verschiedene Funktionen verschiedener Hydrolasen

Hydrolasen können aufgrund der Vielfalt ihrer Angriffspunkte an zahlreichen biologischen Prozessen beteiligt sein. Eine von Lactobacillus jensenii im menschlichen Darm exprimierte Hydrolase kann die Leber zur Sekretion von Gallensalzen stimulieren, die die Verdauung der Nahrung erleichtern. Es wurde vorgeschlagen, dass die Aktivität der unter der intestinalen Mikrobiota weit verbreiteten Gallensalz-Hydrolase die Hydrogel-bildenden Eigenschaften bestimmter Gallensalze erhöhen kann; deren Auftreten unter physiologischen Bedingungen im menschlichen Darm wird als förderlich für die Fähigkeit von Bakterien angesehen, den Gastrointestinaltrakt zu kolonisieren, sowie für ihre Überlebensrate in dieser spezifischen ökologischen Nische. Darüber hinaus können neue Erkenntnisse zur Aktivität der Gallensalz-Hydrolase in Bakterien dazu beitragen, lebende Mikroorganismen gezielter als Lebensmittelzusatzstoffe einzusetzen, und dienen zugleich als Orientierung für die Entwicklung neuer Arzneimittel zur Prävention und Behandlung gastrointestinaler Erkrankungen. Die in menschlichen Erythrozyten vorkommende Acylpeptid-Hydrolase könnte potenziell als Biomarker für eine Niedrigdosis-Exposition des Menschen gegenüber Organophosphorverbindungen herangezogen werden. Glykosidische Hydrolasen übernehmen spezifische Funktionen in verschiedenen biologischen Prozessen wie Zellwandmetabolismus, Glykanbiosynthese, Signalübertragung, pflanzlicher Abwehr und Mobilisierung von Speicherreserven. Es wurde festgestellt, dass ein einzelner Rest in pflanzlichen GH32, entsprechend Asp239 in AtcwINV1, für die Stabilisierung von Saccharose im aktiven Zentrum wichtig zu sein scheint und entscheidend für die Bestimmung der Spezifität des Saccharose-Donors ist. Die Leukotrien-A₄-(LTA₄)-Hydrolase kann auf Epoxide im letzten Schritt der Biosynthese von Leukotrien B₄ wirken, das bei einer Vielzahl akuter und chronischer entzündlicher Erkrankungen eine Rolle spielt. Als bifunktionelles Zink-Metalloenzym ist die LTA₄-Hydrolase ein bedeutendes Enzym im 5-Lipoxygenase-Signalweg und besitzt eine peptidspaltende Aktivität. Die Nukleosid-Hydrolase spielt eine zentrale Rolle im Purin-Salvage-Pathway und dient zudem als primäres Ziel für die Entwicklung antiparasitärer Arzneimittel.

Ausgewählte Produkte

Hydrolasen