Einführung in Lyasen

In der Physiologie ist eine Lyase ein Enzym, das katalytisch die Spaltung verschiedener chemischer Bindungen mittels einer „Eliminierungsreaktion“ unterstützt, also nicht durch Hydrolyse oder Oxidation. Diese Reaktion führt häufig zur Bildung einer neuen Ringstruktur oder einer neuen Doppelbindung; unter der Katalyse einer Lyase kann auch eine Rückreaktion, die als „Michael-Addition“ bezeichnet wird, stattfinden. Zur Erzeugung einer Doppelbindung oder eines neuen Rings wirkt die Lyase auf ein einzelnes Substrat ein, wobei ein Molekül eliminiert wird. Lyasen unterscheiden sich von anderen Enzymen dadurch, dass für die Reaktion in eine Richtung nur ein Substrat erforderlich ist, während für die Rückreaktion zwei Substrate essenziell sind. Lyasen sind häufig in Reaktionen des Citratzyklus (Krebs-Zyklus) und der Glykolyse zu beobachten. In der Glykolyse kann Aldolase Fructose-1,6-bisphosphat leicht und reversibel zu den Produkten Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat abbauen; dies ist ein Beispiel für eine Lyase, die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen spaltet. Lyasen arbeiten ohne die Notwendigkeit eines Cofaktor-Recyclings und liefern eine absolute Stereospezifität bei einem theoretischen Ausbeutegrad von 100 %, wodurch sie deutlich effizienter sind als enantiomere Auftrennungen mit lediglich 50 % produktiver Rate. Daher widmet sich eine erhebliche Zahl von Forschungsarbeiten der Untersuchung von Lyasen als Biokatalysatoren zur Synthese optisch aktiver Verbindungen, die bereits in einigen großtechnischen kommerziellen Prozessen Anwendung gefunden haben. Lyasen werden systematisch als „Substratgruppen-Lyase“ benannt, z. B. Decarboxylase, Dehydratase, Aldolase usw. Wenn das Produkt im Vordergrund steht, kann auch „Synthase“ in der Bezeichnung verwendet werden, z. B. Phosphosulfolactat-Synthase.

Klassifikation

In der EC-Nummernklassifikation der Enzyme steht EC 4 für Lyasen, die weiter in sieben Unterklassen eingeteilt werden können. Lyasen der EC 4.1 spalten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und umfassen Decarboxylasen (EC 4.1.1), Aldehyd-Lyasen (EC 4.1.2), die die Rückreaktion von Aldolkondensationen erleichtern, Oxosäure-Lyasen (EC 4.1.3), die die Spaltung vieler 3-Hydroxysäuren katalysieren, sowie weitere (EC 4.1.99). EC 4.2 umfasst eine Gruppe von Lyasen, die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen spalten, wie z. B. Dehydratase. Hydro-Lyasen als Teil der Kohlenstoff-Sauerstoff-Lyasen können die Spaltung von C–O-Bindungen durch Eliminierung von Wasser erleichtern. Andere Kohlenstoff-Sauerstoff-Lyasen fördern die Eliminierung eines Phosphats oder die Abspaltung eines Alkohols aus einem Polysaccharid. Lyasen, die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen spalten, werden unter EC 4.3 eingeordnet. Sie können Ammoniak mit hoher Spaltleistung freisetzen und dabei gleichzeitig eine Doppelbindung oder einen Ring bilden. Einige dieser Enzyme können auch die Eliminierung einer Amin- oder Amidgruppe unterstützen. EC 4.4 umfasst Lyasen, die Kohlenstoff-Schwefel-Bindungen spalten und dabei Schwefelwasserstoff (H₂S) aus einer Reaktion eliminieren oder substituieren können. Enzyme, die Kohlenstoff-Halogenid-Bindungen spalten, sind Lyasen der EC 4.5; sie nutzen einen Wirkmechanismus, der Salzsäure aus dem synthetischen Pestizid Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT) abspaltet. EC 4.6 umfasst Lyasen, die Phosphor-Sauerstoff-Bindungen spalten, wie Adenylylcyclase und Guanylylcyclase; sie eliminieren Diphosphat aus Nukleotidtriphosphaten. EC 4.99 ist eine Gruppe weiterer Lyasen.

Substratspezifität

Eine enge Substratspezifität wird üblicherweise als Nachteil für die Kommerzialisierung eines Enzyms angesehen, da sie die Flexibilität des Enzyms als Hilfsmittel bei der Herstellung verwandter Verbindungen stark einschränkt. Lyasen weisen im Allgemeinen, jedoch nicht immer, eine enge Substratspezifität auf. Die meisten Hydratasen und Ammoniak-Lyasen besitzen tatsächlich eine sehr enge Substratspezifität, während die Substratspezifität von Aldolasen, Decarboxylasen und Oxynitrilasen deutlich breiter ist. Hervorzuheben ist, dass die Substratspezifität einer bestimmten Lyase je nach Herkunft variiert. Für die kommerzielle Nutzung ist jedoch eine uneingeschränkte Substratspezifität keine zwingende Voraussetzung. Tatsächlich sind mehrere der kommerziell eingesetzten Lyasen durch ein eher enges Substratspektrum gekennzeichnet.

Cofaktor-Anforderungen

Das kommerzielle Potenzial von Enzymen kann durch die Notwendigkeit teurer Cofaktoren erheblich eingeschränkt werden. Da die von Lyasen katalysierte Addition keine reine Oxidations- oder Reduktionsreaktion darstellt, sind Cofaktoren nicht zwingend erforderlich. Bis heute benötigen jedoch die meisten identifizierten Lyasen Cofaktoren, die an der Stabilisierung von Reaktionsintermediaten, der Polarisierung des Substrats, der Substratbindung, der temporären Bindung des Nukleophils usw. beteiligt sind. Die Mehrzahl dieser Cofaktoren ist nicht sehr kostspielig und kovalent an das Enzym gebunden. Dadurch stellen die Cofaktoren von Lyasen keine Hürde für ihre Kommerzialisierung dar. Die Cofaktor-Anforderungen von Lyasen variieren je nach Herkunft.

Erkrankung durch Lyase-Mangel

Ein Lyase-Mangel, auch als HMG-CoA-Lyase-Mangel bezeichnet, ist eine seltene hereditäre Erkrankung, die den Stoffwechsel der Aminosäure Leucin erheblich stört und den Körper daran hindert, Ketonkörper zu synthetisieren, die in Phasen unzureichender Nahrungszufuhr zur Energiegewinnung genutzt werden. Die Erkrankung wird autosomal-rezessiv vererbt, d. h., beide Genkopien in jeder Zelle weisen Mutationen auf. Die Symptome eines Lyase-Mangels treten in der Regel innerhalb des ersten Lebensjahres auf und umfassen vor allem Durchfall, Erbrechen, Lethargie, Dehydratation und eine schwache Muskelentwicklung. Während einer Episode können die Blutzuckerkonzentrationen hypoglykämisch bzw. extrem niedrig sein, und es können sich schädliche Verbindungen anreichern, wodurch das Blut stark übersäuert. Unbehandelt kann die Erkrankung Koma, Krampfanfälle, Atemprobleme und sogar den Tod auslösen. Anstrengende körperliche Aktivität, Infektionen und andere physische Belastungen können vermutlich Episoden mit den Symptomen des Lyase-Mangels begünstigen.

Linderung bei Lyase-Mangel

Die Symptome eines Lyase-Mangels verstärken sich nach längeren Phasen ohne Nahrungsaufnahme. Daher sollte bei Betroffenen eine regelmäßige Nahrungszufuhr und eine gute Ernährungsbalance sichergestellt werden. Eine kohlenhydratreiche sowie protein- und fettarme Ernährung kann hilfreich sein, um niedrige Blutzuckerspiegel zu verhindern. Die Gabe von L-Carnitin kann dem Körper helfen, zelluläre Energie zu erzeugen, was insbesondere bei Lethargie und Dehydratation von großem Vorteil sein kann.

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