Enzyme als biochemische Katalysatoren

Die Regulatoren biologischer Vorgänge in lebenden Organismen. Enzyme sind Eiweißmoleküle und fungieren als biochemische Katalysatoren in lebenden Organismen. Stoffwechselvorgänge wären ohne diese molekularen Regulatoren undenkbar.

Enzyme sind die „Zündkerzen“ des Stoffwechsels und für den lebenden Organismus von entscheidender Bedeutung. Ohne Enzyme können zugeführte Nahrungsmittel, Vitamine und Mineralstoffe nicht verwertet werden, denn es kann kein Stoffwechsel stattfinden. Da Enzyme an jedem körperlichen Vorgang beteiligt sind, würde das „Wunderwerk Mensch“ ohne sie nicht funktionieren.

Was sind Enzyme?

Der Definition nach sind Enzyme Eiweißmoleküle, das heißt, aus Aminosäuren aufgebaute Polymere (Proteine). Die Menge dieser enzymatischen Proteine im menschlichen Körper ist überwältigend und dennoch hat jedes einzelne eine spezifische Aufgabe. Bereits in sehr geringer Konzentration sind sie befähigt, die Geschwindigkeit biochemischer Reaktionen im lebenden Organismus zu modulieren und zu regulieren. So gehören zu ihren Aufgaben zum einen die Gewährleistung der Zellversorgung sowie der Abbau von toxischen Substanzen. Andererseits bewirken sie einen kontrollierten Stoffumsatz von Nährstoffen wie Eiweißen, Kohlenhydraten und Fetten, einen Vorgang, der zur Gewinnung der für den Organismus lebensnotwendigen Energie erforderlich ist.

Enzyme sind substratspezifisch

Enzyme zeichnen sich bezüglich ihrer Aktivität besonders durch ihre Reaktions- und Substratspezifität aus, was bedeutet, dass jeder Enzymtyp nur eine ganz bestimmte Reaktion katalysiert, bei der ein charakteristisches Substrat umgesetzt wird. Zum Beispiel katalysiert das für den Kohlenhydratstoffwechsel essentielle Enzym Hexokinase ausschließlich die Übertragung einer gamma-Phosphorylgruppe von Adenosintriphosphat (ATP) auf D-Glukose. Diese Spezifität resultiert vor allem aus der räumlichen Struktur des Enzyms. Jedes Enzym besitzt ein so genanntes aktives Zentrum, welches die Substratbindestelle enthält. Meist hat das aktive Zentrum die Form einer taschenartigen Einbuchtung auf der Enzym-Oberfläche, weshalb Naturwissenschaftler auch von einer Substrat-Bindetasche sprechen. Die räumliche Anordnung der Aminosäuren, die diese Bindetasche formen, ist entscheidend für die katalytische Wirksamkeit eines Enzyms und genau auf das jeweilige Substrat abgestimmt. Nur wenn das Substrat exakt in das aktive Zentrum eines Enzyms hinein passt, kommt es zur Ausbildung des Enzym-Substrat-Komplexes mit charakteristischen Interaktionen, die eine biochemische Reaktion auslösen.

Enzym-Inhibitoren blockieren die Enzymaktivität

Es existiert jedoch auch eine Vielzahl an Substanzen, die die Aktivität eines Enzyms verändern können, in dem sie auf eine Art und Weise mit ihm in Wechselwirkung treten, die die Bindung des natürlichen Substrates beeinflussen kann. Tritt hierbei eine drastische Verminderung der Enzymaktivität auf, handelt es sich um so genannte Inhibitoren. Strukturell gesehen gelten Inhibitoren als direkte Strukturanaloga des entsprechenden Enzym-Substrates beziehungsweise des während der Enzym-Katalyse ausgebildeten Übergangszustandes in Form eines Enzym-Substrat-Komplexes. Nach eingehender Studie dieses Übergangszustandes ist es im Bereich der organischen Chemie möglich, diese Strukturen zu synthetisieren und mit diversen biochemischen Methoden auf ihre Wirksamkeit hin zu prüfen.

Enzym-Inhibitoren – potenzielle Wirkstoffe für die Pharmaforschung

In der Pharmaforschung kommt den Enzym-Inhibitoren ein besonderes Interesse zu, denn sie können als hoch funktionelle Wirkstoffe gerade auf dem Gebiet der Entwicklung neuer Arzneimittel eine solide Basis bilden. Zeigt sich während dieser Prüfungen eine gewünschte Wirkung, durchläuft die Substanz eine Vielzahl an klinischen Tests, bevor sie letztendlich überhaupt als Medikament eingesetzt werden darf. Die erste Stufe ist hierbei jedoch von größter Bedeutung, da zunächst die molekulare Identifizierung von Enzymen oder Rezeptoren erfolgt, die mit Krankheiten direkt in Verbindung stehen, bevor durch eine Strukturaufklärung des ausgewählten Enzym-Substrat-Systems das Verständnis der entsprechenden Krankheit auf molekularer Ebene ermöglicht wird. Darauf aufbauend kann dann ein Testsystem für eventuelle Wirkstoffkandidaten entwickelt werden. Im Allgemeinen kann ein Wirkstoff als Substanz bezeichnet werden, die bei Aufnahme in den Organismus bereits in geringen Mengen eine charakteristische Wirkung zeigt.

Der Einsatz von Enzym-Inhibitoren als Therapeutika

Zur Therapie der Parkinson-Krankheit werden Enzym-Inhibitoren auf der Basis von L-DOPA als Wirkstoff bereits erfolgreich eingesetzt. Auch zur Behandlung von Herzinfarkt-Patienten sowie Bluthochdruck zeigen die so genannten ACE-Hemmer die gewünschte Wirkung. Diese beiden eindrucksvollen Beispiele zur Anwendung von Enzym-Inhibitoren stellen lediglich eine kleine Auswahl an Einsatzgebieten dar, zeigen jedoch klar und deutlich, dass die genaue Untersuchung und Aufklärung der biokatalytischen Funktion von Enzymen im Zusammenhang mit ihren Substraten im lebenden Organismus sowohl für die medizinische als auch für die bioorganische Forschung als hochinteressantes Aufgabengebiet gelten.

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