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Enzymkatalyse

Die Wortkombination Enzymkatalyse wird einerseits aus dem Begriff Enzym abgeleitet. Bei Enzymen handelt es sich um sogenannte Riesenmoleküle, überwiegend basierend auf Proteinen. Der Physiologe Wilhelm Friedrich Kühne erschuf 1878 das Kunstwort Enzym, abgeleitet von den altgriechischen Worten „en“ für und sowie „zýme“ für Hefe oder Sauerteig.

Andrerseits kommt das Wort Katalyse in der Enzymkatalyse vor. Katalyse ist aus dem altgriechischen Wort „katálysis“ abgeleitet, was auf Deutsch Auflösung bedeutet.

Was ist eine Enzymkatalyse?

Die Enzymkatalyse ist die Erhöhung der Geschwindigkeit eines Prozesses durch ein biologisches Molekül, ein "Enzym". Die meisten Enzyme sind Proteine, und die meisten dieser Prozesse sind chemische Reaktionen. Innerhalb des Enzyms findet die Katalyse im Allgemeinen an einer lokalisierten Stelle statt, die als aktive Stelle bezeichnet wird. Die meisten Enzyme bestehen überwiegend aus Proteinen, entweder einer einzelnen Proteinkette oder vielen solchen Ketten in einem Komplex mit mehreren Untereinheiten.

Nicht nur Proteine sind an der Enzymkatalyse beteiligt

Enzyme enthalten häufig auch Nicht-Protein-Komponenten wie Metallionen oder spezialisierte organische Moleküle, die als Cofaktor bekannt sind, Beispielsweise das Nukleotid Adenosintriphosphat. Viele Cofaktoren sind Vitamine, und ihre Rolle als Vitamine hängt direkt mit ihrer Verwendung bei der Katalyse biologischer Prozesse im Stoffwechsel zusammen. Die Katalyse biochemischer Reaktionen in der Zelle ist von entscheidender Bedeutung, da viele, aber nicht alle metabolisch essentiellen Reaktionen im nicht katalysierten Zustand sehr niedrige Raten aufweisen. Ein Treiber der Proteinentwicklung ist die Optimierung solcher katalytischen Aktivitäten, obwohl nur die wichtigsten Enzyme nahe den Grenzen der katalytischen Effizienz arbeiten und viele Enzyme bei weitem nicht optimal sind.

Unterprozesse in der Enzymkatalyse

Wichtige Prozesse in der Enzymkatalyse sind die allgemeine Säure- und Basenkatalyse, die Orbitalsteuerung, die entropische Restriktion, Orientierungseffekte, im Besonderen die Schloss- und Schlüsselkatalyse, sowie Bewegungseffekte, die die Proteindynamik betreffen. Die Mechanismen der Enzymkatalyse variieren, sind jedoch im Prinzip allen anderen Arten der chemischen Katalyse insofern ähnlich, als der entscheidende Faktor eine Verringerung der Energiebarriere ist, die die Reaktanten oder Substrate von den Produkten trennen. Die Verringerung der Aktivierungsenergie erhöht den Anteil an Reaktantenmolekülen, die diese Barriere überwinden und das Produkt bilden können.

Ein wichtiges Prinzip ist, dass Enzyme, da sie nur Energiebarrieren zwischen Produkten und Reaktanten verringern, Reaktionen immer in beide Richtungen katalysieren und keine Reaktion vorwärts oder rückwärts treiben können. Wie bei anderen Katalysatoren wird das Enzym nicht durch die Reaktion verbraucht oder verändert, wie etwa ein Substrat, sondern so recycelt, dass ein einzelnes Enzym viele Katalyse-Runden durchmachen kann.

Quizfragen zum Thema Enzymkatalyse

1. Welche Enzymklassen gibt es?

   1. Oxidoreduktasen
   2. Transferasen
   3. Hydrolasen
   4. Lyasen
   5. Isomerasen
   6. Ligasen

2. Was bedeutet die sogenannte Enzymspezifität?

   Als Enzymspezifität oder auch Substratspezifität wird das Phänomen bezeichnet, dass Enzyme entweder nur ein oder nur eine beschränkte Anzahl an Substraten in ihrem aktiven Zentrum aufnehmen. Das ist ein Aspekt, der im Schlüssel-Schloss-Prinzip beschrieben wird.

3. Was ist das Schlüssel-Schloss-Prinzip?

   An das aktive Zentrum eines Enzyms bindet sich ein Substrat. Das können jedoch nur Substrate, die die komplementäre molekulare Struktur zum aktiven Zentrum des Enzyms besitzen. Das Substrat muss also die gegenteilige Form zur Form des aktiven Zentrums haben, wie ein Schlüssel in einem Schloss.

4. Was ist die Interkonversion von Enzymen?

   Bei der Interkonversion wird ein Enzym durch kovalente Modifikation aktiviert oder deaktiviert. Das ermöglicht die Änderung von Aktivitäten des Enzyms durch die kovalente Bindung niedermolekularer Gruppen wie etwa Acetyl- oder Phosphorylgruppen.

5. Welche drei Arten von Enzymen gibt es?

   A) reine Proteinenzyme
   B) Ribozyme (RNA)
   C) Holoenzyme

6. Was ist die Aktivierungsenergie?

   Als Aktivierungsenergie wird die Energie bezeichnet, die bei einer chemischen Reaktion den jeweiligen Ausgangsstoffen, den Reaktanten, zugeführt werden muss, damit überhaupt eine Reaktion entsteht.

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