Einführung in Lyasen

In der Physiologie ist eine Lyase ein Enzym, das katalytisch beim Aufbrechen verschiedener chemischer Bindungen durch eine „Eliminierungs“-Reaktion hilft, ausgenommen Hydrolyse und Oxidation. Diese Reaktion führt häufig zur Bildung einer neuen zyklischen Struktur oder einer neuen Doppelbindung, und eine umgekehrte Reaktion, genannt „Michael-Addition“, kann unter der Katalyse der Lyase ebenfalls auftreten. Um entweder eine Doppelbindung oder einen neuen Ring zu erhalten, wirkt die Lyase auf das einzelne Substrat ein und ein Molekül wird eliminiert. Lyasen unterscheiden sich von anderen Enzymen, da für die Reaktion in eine Richtung nur ein Substrat benötigt wird, für die Rückreaktion jedoch zwei Substrate erforderlich sind. Lyasen sind häufig in den Reaktionen des Citratzyklus (Krebszyklus) und in der Glykolyse zu beobachten. In der Glykolyse kann Aldolase Fructose-1,6-bisphosphat leicht und reversibel in die Produkte Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat spalten, was ein Beispiel für eine Lyase ist, die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen spaltet. Lyasen arbeiten ohne die notwendigen Anforderungen an die Cofaktor-Regeneration und liefern eine absolute Stereospezifität mit einer theoretischen Ausbeute von 100 %, was im Vergleich zu enantiomeren Auflösungen mit nur 50 % Produktivität wesentlich effizienter ist. Daher widmen sich zahlreiche Forschungen der Erforschung von Lyasen als Biokatalysatoren zur Synthese optisch aktiver Verbindungen, die bereits in einigen großen industriellen Prozessen Anwendung gefunden haben. Lyasen werden systematisch als „Substrat-Gruppen-Lyase“ benannt, wie Decarboxylase, Dehydratase, Aldolase usw. Wenn ein Produkt bedeutender ist, kann Synthase in einem Namen wie Phosphosulfolactat-Synthase ausgedrückt werden.

Klassifizierung

In der EC-Nummern-Klassifizierung der Enzyme kann EC 4 für Lyasen stehen, die weiter in sieben Unterklassen unterteilt werden können. Lyasen in 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-Hydroxy-Säuren katalysieren, und andere (EC 4.1.99). EC 4.2 enthält eine Gruppe von Lyasen, die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen spalten, wie Dehydratase. Hydro-Lyasen, die zu den Kohlenstoff-Sauerstoff-Lyasen gehören, können die Spaltung von C-O-Bindungen durch Eliminierung von Wasser erleichtern. Einige andere Kohlenstoff-Sauerstoff-Lyasen fördern die Eliminierung eines Phosphats oder die Entfernung eines Alkohols aus einem Polysaccharid. Lyasen, die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen spalten, werden in EC 4.3 eingeordnet. Sie können Ammoniak mit starker Spaltfähigkeit freisetzen und gleichzeitig eine Doppelbindung oder einen Ring bilden. Einige dieser Enzyme können auch helfen, eine Amin- oder Amidgruppe zu eliminieren. EC 4.4 steht für Lyasen, die Kohlenstoff-Schwefel-Bindungen spalten, welche Dihydrogensulfid (H₂S) aus einer Reaktion eliminieren oder substituieren können. Enzyme, die Kohlenstoff-Halogen-Bindungen spalten, sind Lyasen in EC 4.5 und nutzen einen Wirkmechanismus, der Salzsäure aus einem synthetischen Pestizid Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT) entfernt. EC 4.6 umfasst Lyasen, die Phosphor-Sauerstoff-Bindungen spalten, wie Adenylylcyclase und Guanylylcyclase, und sie eliminieren Diphosphat aus Nukleotidtriphosphaten. EC 4.99 ist eine Gruppe anderer Lyasen.

Substratspezifität

Eine enge Substratspezifität wird üblicherweise als Nachteil für die Kommerzialisierung eines Enzyms angesehen, da sie die Flexibilität eines Enzyms als Hilfsmittel bei der Herstellung verwandter Verbindungen stark einschränkt. Lyasen weisen im Allgemeinen, aber nicht immer, eine enge Substratspezifität auf. Die meisten Hydratasen und Ammoniak-Lyasen besitzen tatsächlich eine recht enge Substratspezifität, während die Substratspezifität für Aldolasen, Decarboxylasen und Oxynitrilasen wesentlich breiter ist. Es ist hier bemerkenswert, dass die Substratspezifität einer bestimmten Lyase je nach Herkunft variiert. Es ist jedoch keine absolute Voraussetzung, dass Enzyme eine uneingeschränkte Substratspezifität für ihre kommerzielle Nutzung besitzen. Tatsächlich gibt es mehrere Lyasen im kommerziellen Einsatz mit einem eher engen Substratspektrum.

Cofaktor-Anforderungen

Das kommerzielle Potenzial von Enzymen kann durch die Notwendigkeit teurer Cofaktoren stark eingeschränkt werden. Da die von Lyasen katalysierte Addition nicht nur eine Oxidation oder Reduktion beinhaltet, ist ein Cofaktor keine wesentliche Voraussetzung. Dennoch benötigen die meisten bisher identifizierten Lyasen Cofaktoren, die an der Stabilisierung von Reaktionszwischenprodukten, der Polarisierung des Substrats, der Substratbindung, der temporären Bindung des Nukleophils usw. beteiligt sind. Die Mehrheit dieser Cofaktoren ist nicht sehr teuer und kovalent an das Enzym gebunden. Daher stellen die Cofaktoren der Lyasen kein Hindernis für deren Kommerzialisierung dar. Die Anforderungen an Cofaktoren von Lyasen variieren je nach ihrer Herkunft.

Lyase-Mangel-Erkrankung

Lyase-Mangel, auch als HMG-CoA-Lyase-Mangel bezeichnet, ist eine seltene vererbte Erkrankung, die den Stoffwechsel der Aminosäure Leucin stört und den Körper daran hindert, Ketone zu synthetisieren, die während Phasen von Nahrungsmangel zur Energiegewinnung genutzt werden. Die Erkrankung kann autosomal-rezessiv vererbt werden, was bedeutet, dass beide Kopien des Gens in jeder Zelle mutiert sind. Die Symptome des Lyase-Mangels treten meist im ersten Lebensjahr auf und umfassen hauptsächlich Durchfall, Erbrechen, Lethargie, Dehydratation und schwache Muskelentwicklung. Während einer Episode des Lyase-Mangels können die Blutzuckerwerte hypoglykämisch oder extrem niedrig sein, und einige schädliche Verbindungen würden sich ansammeln und das Blut stark übersäuern. Unbehandelt kann die Erkrankung sogar Koma, Krampfanfälle, Atemprobleme und sogar den Tod verursachen. Anstrengende Bewegung, Infektionen und andere körperliche Belastungen können wahrscheinlich Schübe der Lyase-Mangel-Symptome auslösen.

Linderung der Lyase-Mangel-Erkrankung

Die Symptome des Lyase-Mangels werden nach längeren Phasen ohne Nahrungsaufnahme verstärkt. Daher sollten betroffene Personen auf regelmäßige Nahrungsaufnahme und ein gutes Gleichgewicht achten. Der Verzehr von kohlenhydratreichen und eiweiß- sowie fettarmen Lebensmitteln kann helfen, niedrige Blutzuckerwerte zu verhindern. Die Anwendung von L-Carnitin kann dem Körper helfen, zelluläre Energie zu produzieren, was besonders vorteilhaft ist, wenn der Körper sich lethargisch und dehydriert fühlt.

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