Enzyme sind biologische Makromoleküle, die chemische Reaktionen katalysieren und die Geschwindigkeit von Stoffwechselprozessen beschleunigen, die für das Leben unerlässlich sind. Diese Proteine senken die Aktivierungsenergie von Reaktionen und machen biochemische Umwandlungen effizienter und nachhaltiger. Enzyme sind für zelluläre Funktionen unerlässlich, die von der Verdauung und Energiegewinnung bis zur DNA-Replikation und Signaltransduktion reichen.

Enzyme werden nach den Typen der von ihnen katalysierten Reaktionen klassifiziert, und die International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB) hat sie in sechs Hauptklassen eingeteilt: Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Lyasen, Isomerasen und Ligasen. Creative Enzymes bietet eine breite Palette hochwertiger Enzyme in allen Enzymkategorien, um Ihre Forschungs- und Industrieanforderungen zu erfüllen.

Oxidoreduktasen: Katalysatoren von Redoxreaktionen

Definition und Funktion

Oxidoreduktasen sind eine Klasse von Enzymen, die Oxidations-Reduktions-(Redox-)Reaktionen erleichtern, bei denen Elektronen von einem Molekül (Elektronendonor) auf ein anderes (Elektronenakzeptor) übertragen werden. Diese Reaktionen sind entscheidend für die Aufrechterhaltung des zellulären Energiegleichgewichts, die Biosynthese und die Entgiftung.

Oxidoreduktasen sind besonders wichtig bei:

• Zellatmung, wo sie bei der ATP-Erzeugung helfen, indem sie Elektronen durch die Elektronentransportkette übertragen.
• Photosynthese, wo sie an der Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie beteiligt sind.
• Entgiftung, wo sie schädliche reaktive Sauerstoffspezies (ROS) wie Wasserstoffperoxid abbauen.
• Biosynthese, wo sie zur Bildung essentieller Biomoleküle wie Fettsäuren und Nukleotide beitragen.

Die meisten Oxidoreduktasen benötigen Coenzyme wie NAD⁺, NADP⁺, FAD und FMN, die als Elektronenträger zur Erleichterung von Redoxreaktionen dienen.

Wichtige Beispiele und deren Funktionen

• Dehydrogenasen: Dehydrogenasen katalysieren die Entfernung von Wasserstoffatomen aus Substraten und übertragen sie typischerweise auf Elektronenträger wie NAD⁺ oder FAD. Sie sind für die Zellatmung und Stoffwechselwege unerlässlich.
• Oxidasen: Oxidasen katalysieren die Übertragung von Elektronen auf molekularen Sauerstoff und erzeugen dabei oft Wasser oder Wasserstoffperoxid als Nebenprodukt. Cytochrom-Oxidase ist ein spezifisches Beispiel, ein entscheidendes Enzym in der Elektronentransportkette (ETC) in der Mitochondrienmembran. Cytochrom-Oxidase überträgt Elektronen von Cytochrom c auf Sauerstoff, was die ATP-Synthese durch oxidative Phosphorylierung antreibt. Defekte in der Cytochrom-Oxidase können zu schweren mitochondrialen Erkrankungen führen.
• Peroxidasen: Peroxidasen bauen Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ab und verhindern so oxidative Zellschäden. Katalase ist eine Peroxidase, die H₂O₂ in Wasser und Sauerstoff abbaut und toxische Stoffwechselnebenprodukte neutralisiert. Katalase kommt in fast allen aeroben Organismen vor, insbesondere in Leber- und Nierenzellen. Katalasemangel kann zu Akatalasie führen, einer seltenen Störung, die mit Gewebeschäden durch oxidativen Stress verbunden ist.
• Reduktasen: Reduktasen erleichtern Reduktionsreaktionen und arbeiten oft mit Oxidasen und Dehydrogenasen zusammen. Ein Beispiel ist Ribonukleotid-Reduktase (RNR), die Ribonukleotide in Desoxyribonukleotide umwandelt, was für die DNA-Synthese und -Replikation unerlässlich ist. RNR ist ein Ziel für Krebstherapien aufgrund ihrer entscheidenden Rolle bei der Zellproliferation.

Abbildung 1. Beispiele für eine Oxidationsreaktion mit Malatdehydrogenase (oben) und für eine Reduktion mit Homoserin-Dehydrogenase (unten). Die Umwandlung einer Hydroxylgruppe in eine Ketofunktion oder umgekehrt (rot) wird in beiden Reaktionen durchgeführt. (Klebe, 2013)

Biologische Bedeutung

Oxidoreduktasen sind unerlässlich für die Aufrechterhaltung des Redoxgleichgewichts und das ordnungsgemäße Funktionieren von Stoffwechselwegen. Ihre biologische Bedeutung umfasst den Energiestoffwechsel, bei dem Enzyme wie Dehydrogenasen und Oxidasen die Zellatmung antreiben und ATP produzieren, während Funktionsstörungen zu mitochondrialen Erkrankungen und Stoffwechselstörungen führen können. Sie spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), da Peroxidasen und Katalasen Zellen vor oxidativem Stress schützen, und die Anhäufung von ROS mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson und Alzheimer sowie mit dem Altern in Verbindung gebracht wird. Darüber hinaus sind Oxidoreduktasen für biosynthetische Prozesse unerlässlich, bei denen Reduktasen bei der Synthese essentieller Biomoleküle wie Nukleotide, Fettsäuren und Steroide helfen, und eine beeinträchtigte Oxidoreduktasefunktion kann zu Entwicklungsstörungen und metabolischen Syndromen führen.

Transferasen: Vermittler des Molekültransfers

Definition und Funktion

Transferasen sind Enzyme, die die Übertragung funktioneller Gruppen (z. B. Phosphat, Methyl, Amino) von einem Molekül auf ein anderes katalysieren. Diese Enzyme sind in verschiedenen biochemischen Prozessen von entscheidender Bedeutung, darunter:

• Stoffwechsel, wo sie die Umwandlung von Biomolekülen erleichtern.
• Signaltransduktion, indem sie die Phosphorylierung und Dephosphorylierung von Proteinen regulieren.
• Genexpression, durch epigenetische Modifikationen wie Methylierung.

Transferasen ermöglichen es Zellen, sich an Umweltveränderungen anzupassen und die Homöostase aufrechtzuerhalten.

Wichtige Beispiele und deren Funktionen

• Kinasen: Kinasen übertragen Phosphatgruppen (PO₄^3-) von ATP auf Proteine, Lipide oder andere Moleküle, um Signalwege zu regulieren. Eine wichtige Klasse von Kinasen sind Proteinkinasen, die Zellteilung, Differenzierung und Apoptose steuern. Tyrosinkinasen regulieren das Wachstumfaktor-Signaling (z. B. EGFR bei Krebsprogression).
• Transaminasen (Aminotransferasen): Transaminasen erleichtern die Übertragung von Aminogruppen zwischen Aminosäuren und Keto-Säuren, was für den Aminosäurestoffwechsel unerlässlich ist. Ein spezifisches Beispiel ist Alanin-Aminotransferase (ALT), die Alanin und α-Ketoglutarat in Pyruvat und Glutamat umwandelt.
• Methyltransferasen: Methyltransferasen fügen Methylgruppen (-CH₃) zu DNA, RNA, Proteinen oder kleinen Molekülen hinzu und beeinflussen so die Genregulation. DNA-Methyltransferase (DNMT) katalysiert die Methylierung von Cytosinresten in der DNA und reguliert so die Genexpression.

Abbildung 2. Allgemeines Schema der Kinasefunktion.

Biologische Bedeutung

Kinasen sind entscheidende Regulatoren der Zellfunktion, des Stoffwechsels und der genetischen Kontrolle und spielen eine wesentliche Rolle in verschiedenen biologischen Prozessen. In der Zellkommunikation und Signalübertragung modulieren Kinasen Signalwege, die Wachstum, Apoptose und Immunantworten steuern, während abnormale Kinaseaktivität mit Krebs, Neurodegeneration und Stoffwechselstörungen assoziiert ist. Im Stoffwechsel und bei der Energiegewinnung sind Transaminasen für die Aminosäurebiosynthese und den Stickstoffhaushalt unerlässlich, und deren Mangel kann zu neurologischen Störungen und Stoffwechselkrankheiten führen. In der epigenetischen Regulation und Genexpression beeinflussen Methyltransferasen die Chromatin-Remodellierung und die Transkriptionsstilllegung, wobei epigenetische Veränderungen zu Krebs, neuroentwicklungsbedingten Störungen und Alterung beitragen. Darüber hinaus sind überaktive Kinasen Ziele für Krebstherapien wie Tyrosinkinase-Inhibitoren, und DNA-Methylierungsmuster dienen als Biomarker für die Krankheitsdiagnose und -prognose.

Hydrolasen: Die Bindungsspaltenden

Definition und Funktion

Hydrolasen sind Enzyme, die die Hydrolyse chemischer Bindungen durch Einbau von Wassermolekülen katalysieren. Diese Reaktion führt zum Abbau komplexer Biomoleküle in einfachere Bestandteile, wodurch Hydrolasen für Verdauung, intrazelluläres Recycling und Stoffwechselregulation unerlässlich sind. Diese Enzyme wirken in verschiedenen biologischen Systemen, erleichtern die Nährstoffaufnahme, die zelluläre Wartung und die Abfallentsorgung. Sie spielen eine zentrale Rolle bei der Homöostase, indem sie sicherstellen, dass Makromoleküle effizient abgebaut und ihre Bestandteile wiederverwendet oder ausgeschieden werden.

Wichtige Beispiele und deren Funktionen

• Proteasen (Peptidasen): Enzyme, die Peptidbindungen in Proteinen hydrolysieren und sie in kleinere Peptide oder freie Aminosäuren zerlegen. Beispiele sind Trypsin und Pepsin, die wichtige Rollen bei Verdauungsprozessen spielen.
• Lipasen: Enzyme, die den Abbau von Lipiden in Glycerin und Fettsäuren katalysieren. Beispielsweise ist Pankreaslipase für die Verdauung von Nahrungsfetten im Dünndarm unerlässlich.
• Amylasen: Enzyme, die Stärke und Glykogen in einfachere Zucker wie Maltose und Glukose hydrolysieren. Speichelamylase leitet die Kohlenhydratverdauung im Mund ein.
• Nukleasen: Enzyme, die die Phosphodiesterbindungen in Nukleinsäuren spalten und DNA und RNA in ihre Nukleotidbestandteile zerlegen. Beispiele sind DNAse und RNAse, die für den Nukleinsäurestoffwechsel und -umsatz unerlässlich sind.

Abbildung 3. Allgemeine enzymatische Reaktion einer Lipase. Unter natürlichen Bedingungen katalysieren Lipasen die Hydrolyse von Triacylglycerol zu einem Diglycerid und einer Fettsäure. In nicht-wässriger Umgebung können Lipasen auch die Estersynthese katalysieren (Reproduziert nach Jaeger et al., 1994).

Biologische Bedeutung

Hydrolasen sind für die Aufrechterhaltung der biologischen Funktion unerlässlich. Ihre Rolle beim Abbau von Nahrungsmolekülen ermöglicht die Nährstoffaufnahme, während ihre Beteiligung am zellulären Umsatz hilft, beschädigte oder alte Biomoleküle zu eliminieren. Unzureichende Hydrolaseaktivität kann zu schweren Erkrankungen wie lysosomalen Speicherkrankheiten führen, bei denen eine gestörte Enzymaktivität zur Anhäufung von Makromolekülen in Zellen führt und fortschreitende Gewebe- und Organschäden verursacht. Ebenso tragen Defizite an Verdauungshydrolasen zu Magen-Darm-Erkrankungen und Mangelernährung bei.

Lyasen: Die Bindungsspaltenden

Definition und Funktion

Lyasen sind Enzyme, die die Spaltung verschiedener chemischer Bindungen ohne Beteiligung von Wasser oder Oxidations-Reduktions-Reaktionen katalysieren. Diese Enzyme erleichtern häufig die Bildung von Doppelbindungen oder zyklischen Strukturen und sind daher für Stoffwechselwege und biosynthetische Prozesse unerlässlich. Lyasen ermöglichen die Entfernung funktioneller Gruppen und schaffen Moleküle, die als Zwischenprodukte in essentiellen biochemischen Reaktionen dienen.

Wichtige Beispiele und deren Funktionen

• Decarboxylasen: Entfernen Carboxylgruppen (-COO-) aus organischen Molekülen und produzieren Kohlendioxid als Nebenprodukt. Pyruvatdecarboxylase ist ein Schlüsselenzym in der Fermentation und wandelt Pyruvat in Acetaldehyd und CO₂ um.
• Aldolasen: Spalten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und spielen eine wichtige Rolle in Stoffwechselwegen wie der Glykolyse. Aldolase A ist an der Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat in zwei drei-Kohlenstoff-Moleküle zur Energiegewinnung beteiligt.
• Synthasen: Erleichtern die Bildung neuer Bindungen ohne ATP-Hydrolyse. Zum Beispiel ist Citrat-Synthase ein Schlüsselenzym im Citratzyklus, das Acetyl-CoA und Oxalacetat zu Citrat verbindet, einem wichtigen Zwischenprodukt im Energiestoffwechsel.

Abbildung 4. Alle Mitglieder der Aldolase-Familie regulieren die Glykolyse. Sie katalysieren die Umwandlung von Fructose-1,6-bisphosphatase zu Glycerinaldehyd-3-phosphat (Glycerinaldehyd 3P) und Dihydroxyacetonphosphat (DHAP). ALDOA spielt eine Hauptrolle, abhängig von seiner Aktivität und niedrigem K_m. ALDOB und ALDOC sind ebenfalls am Fructolyse-Prozess zur Glycerinaldehydproduktion beteiligt. TCA, Tricarbonsäurezyklus. (Chang et al., 2018)

Biologische Bedeutung

Lyasen sind integraler Bestandteil der Energiegewinnung, biosynthetischer Wege und der Regulation des Stoffwechselflusses. Sie tragen zur Synthese essentieller Biomoleküle wie Aminosäuren, Hormone und Nukleotide bei. Eine gestörte Lyaseaktivität kann zu Stoffwechselungleichgewichten führen, die die Energiehomöostase und Biosynthese beeinträchtigen und möglicherweise zu Zuständen wie Laktatazidose und bestimmten genetischen Störungen im Zusammenhang mit beeinträchtigter Enzymfunktion führen.

Isomerasen: Molekulare Umordner

Definition und Funktion

Isomerasen sind Enzyme, die die Umordnung molekularer Strukturen katalysieren, ohne Atome hinzuzufügen oder zu entfernen. Diese Umwandlung zwischen Isomeren ist für Stoffwechselprozesse entscheidend und stellt die richtige Konfiguration von Biomolekülen sicher, die für eine effiziente biochemische Funktion erforderlich ist. Diese Enzyme sind besonders wichtig im Zuckerstoffwechsel, bei der Nukleotidsynthese und der Hormonregulation.

Wichtige Beispiele und deren Funktionen

• Racemase: Wandeln Moleküle in ihre spiegelbildlichen Enantiomere um und stellen so die korrekte Konfiguration biologischer Verbindungen sicher. Zum Beispiel spielt Alanin-Racemase eine Schlüsselrolle bei der bakteriellen Zellwandsynthese, indem sie L-Alanin in D-Alanin umwandelt.
• Epimerasen: Ändern die Stereochemie eines einzelnen chiralen Kohlenstoffatoms innerhalb eines Moleküls. UDP-Glukose-Epimerase wandelt UDP-Glukose in UDP-Galaktose um, einen entscheidenden Schritt im Kohlenhydratstoffwechsel.
• Mutasen: Übertragen funktionelle Gruppen innerhalb desselben Moleküls und ermöglichen so kritische metabolische Übergänge. Zum Beispiel interkonvertiert Phosphoglucomutase Glukose-1-phosphat und Glukose-6-phosphat im Glykogenstoffwechsel.

Abbildung 5. Reversible Umwandlung von Glukose zu Fruktose, katalysiert durch Glucose-Isomerase. (Paul et al., 2019)

Biologische Bedeutung

Isomerasen bieten metabolische Flexibilität und tragen zur präzisen Regulation von Biomolekülen bei. Sie stellen sicher, dass biochemische Reaktionen effizient ablaufen, indem sie molekulare Konfigurationen an spezifische enzymatische Anforderungen anpassen. Defizite an Isomerasen können zu Stoffwechselstörungen führen, darunter angeborene Fehler des Kohlenhydratstoffwechsels wie Galaktosämie, bei der eine fehlerhafte Umwandlung von Galaktose zu toxischer Anhäufung führt.

Ligasen: Die Bindungsbildner

Definition und Funktion

Ligasen sind Enzyme, die das Verknüpfen von zwei Molekülen katalysieren, wobei häufig die Hydrolyse von ATP zur Energiegewinnung erforderlich ist. Diese Enzyme sind grundlegend für genetische Prozesse, Biosynthese und Energiestoffwechsel. Ligasen spielen eine wesentliche Rolle beim Verbinden von DNA-Fragmenten, der Bildung von Peptidbindungen und der Einbindung von Kohlenstoffgruppen in Stoffwechselzwischenprodukte.

Wichtige Beispiele und deren Funktionen

• DNA-Ligasen: Reparieren DNA, indem sie Brüche im Zucker-Phosphat-Rückgrat während der Replikation und Rekombination verschließen. DNA-Ligase I ist für die Aufrechterhaltung der Genomintegrität unerlässlich.
• Synthetasen: Katalysieren die Bildung komplexer Moleküle unter Verwendung von ATP-Energie. Zum Beispiel Glutamin-Synthetase baut Ammoniak in Glutamat ein, um Glutamin zu bilden, das für den Stickstoffstoffwechsel unerlässlich ist.
• Carboxylasen: Fügen Molekülen Carboxylgruppen (-COO-) hinzu, um biosynthetische Wege zu erleichtern. Pyruvat-Carboxylase ist für die Glukoneogenese unerlässlich und wandelt Pyruvat in Oxalacetat zur Glukoseproduktion um.

Abbildung 6. Ligasen katalysieren Reaktionen, die die Bildung chemischer Bindungen mit Nukleotidtriphosphaten beinhalten. (Paul et al., 2019)

Biologische Bedeutung

Ligasen sind unerlässlich für die genetische Stabilität, die Synthese essentieller Biomoleküle und die Regulation von Stoffwechselwegen. Ihre Aktivität gewährleistet die ordnungsgemäße Replikation und Reparatur des genetischen Materials, die Bildung von Strukturproteinen und die effiziente Nutzung von Stoffwechsel-Substraten. Ligasedysfunktion ist mit genetischen Störungen wie DNA-Reparaturdefekten und metabolischen Erkrankungen verbunden, bei denen eine fehlerhafte Bindungsbildung zu einer dysregulierten biochemischen Homöostase führt.

Abbildung 7. Zusammenfassung der sechs Enzymtypen. Nicht-enzymatische Gegenstücke von sechs Enzymvertretern zu den sechs allgemeinen chemischen Reaktionstypen/Hauptklassen enzymatischer Reaktionen (oberste Hierarchieebene der Enzymkommissionsnummer). Enzyme werden durch kristallographische Strukturen dargestellt, illustriert in pymol; Protein Structure Databank (PDB, Zugangscodes: 8CAT (Katalase), 1PKW (humanes Glutathion-Transferase A1-1), 2J0E (6-Phosphogluconolactonase), 1N8P (PLP-abhängige Cystathionin-Gamma-Lyase), 4OWG (Triosephosphat-Isomerase) und 2G36 (Eisen-Schwefel-Cluster-haltige Tryptophanyl-tRNA-Synthetase). (Keller et al., 2015)

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