Was sind Enzyme und wie funktionieren sie?

Dein Körper führt jede Sekunde Tausende chemische Reaktionen durch: Nahrung verdauen, Muskeln aufbauen, DNA kopieren. Bei Körpertemperatur liefen die meisten davon viel zu langsam, um dich am Leben zu halten. Enzyme lösen dieses Problem. Sie sind Biokatalysatoren: Stoffe, die eine Reaktion beschleunigen, ohne dabei verbraucht zu werden.

Fast alle Enzyme sind Proteine: lange Ketten aus Aminosäuren, gefaltet zu einer ganz bestimmten räumlichen Form. An ihrer Oberfläche liegt eine kleine Tasche, das aktive Zentrum. Der Stoff, den das Enzym umsetzt, heißt Substrat. Passt das Substrat ins aktive Zentrum, entsteht ein Enzym-Substrat-Komplex, die Reaktion läuft ab, und die Produkte werden freigesetzt. Das Enzym ist frei für das nächste Substratmolekül.

Das ist das Schlüssel-Schloss-Prinzip: Nur ein Substrat mit der passenden Form bindet, so wie nur ein Schlüssel ein Schloss öffnet. Deshalb sind Enzyme substratspezifisch: Amylase spaltet Stärke, lässt Eiweiß aber in Ruhe. Außerdem sind sie wirkungsspezifisch: Ein Enzym katalysiert nur eine bestimmte Art von Reaktion. Ein neueres Modell, die induzierte Passform (induced fit), beschreibt, dass sich das aktive Zentrum beim Binden etwas anpasst, wie ein Handschuh an die Hand.

Wie beschleunigen Enzyme Reaktionen? Jede Reaktion braucht eine Mindestenergie, um zu starten: die Aktivierungsenergie. Indem das Enzym das Substrat in die richtige Lage bringt und seine Bindungen unter Spannung setzt, bietet es einen leichteren Weg mit niedrigerer Aktivierungsenergie. Mehr Teilchen haben genug Energie zum Reagieren, und die Reaktion läuft schneller.

Drei Faktoren verändern die Geschwindigkeit eines Enzyms:

• Temperatur. Erwärmen beschleunigt die Reaktion zunächst, weil sich die Teilchen schneller bewegen und häufiger zusammenstoßen. Oberhalb des Temperaturoptimums (bei vielen menschlichen Enzymen etwa 37 °C) brechen die Bindungen, die seine Form halten: Das aktive Zentrum verformt sich, das Substrat passt nicht mehr, und das Enzym denaturiert.
• pH-Wert. Jedes Enzym hat ein pH-Optimum. Pepsin im sehr sauren Magen arbeitet am besten bei pH 2, Amylase im Speichel bei pH 7. Weit weg vom Optimum denaturiert das Enzym (siehe Säuren und Basen).
• Substratkonzentration. Mehr Substrat bedeutet mehr Zusammenstöße, die Geschwindigkeit steigt, bis alle aktiven Zentren besetzt sind. Dann bleibt sie gleich.

Enzyme arbeiten in deinem Verdauungssystem, in jeder deiner Zellen und sogar in der Küche: Enzyme aus Hefe und Mehl helfen dem Brotteig beim Aufgehen, und das Enzym Chymosin im Lab lässt Milch für Käse gerinnen.

Geschwindigkeit berechnen: Misst du die Menge an Produkt (oder verbrauchtem Substrat) in einer bestimmten Zeit, gilt Geschwindigkeit = Menge : Zeit, zum Beispiel in cm³/s. Misst du nur, wie lange die Reaktion bis zum Ende braucht, nimm Geschwindigkeit = 1 : Zeit, in s⁻¹. Kürzere Zeit heißt höhere Geschwindigkeit.

Was ist ein Enzym, einfach erklärt?#

Ein Enzym ist ein Protein, das eine chemische Reaktion in einem Lebewesen beschleunigt, ohne verbraucht zu werden. Fachleute nennen es Biokatalysator.

Wie senken Enzyme die Aktivierungsenergie?#

Das aktive Zentrum hält das Substrat in der günstigsten Lage und setzt seine Bindungen unter Spannung. So braucht die Reaktion weniger Startenergie, und mehr Teilchen reagieren pro Sekunde.

Was ist der Unterschied zwischen Substratspezifität und Wirkungsspezifität?#

Substratspezifität heißt: Ein Enzym bindet nur ein bestimmtes Substrat. Wirkungsspezifität heißt: Es katalysiert mit diesem Substrat nur eine bestimmte Reaktion, zum Beispiel nur eine Spaltung.

Was ist Denaturierung bei Enzymen?#

Das Protein entfaltet sich, das aktive Zentrum verliert seine Form, und das Substrat passt nicht mehr. Denaturierung durch Hitze ist meist dauerhaft: Ein gekochtes Eiweiß wird nicht wieder roh.

Was bedeuten vmax und Km bei Enzymen?#

vmax ist die höchste Reaktionsgeschwindigkeit, wenn alle aktiven Zentren besetzt sind. Km (die Michaelis-Konstante) ist die Substratkonzentration, bei der die halbe Maximalgeschwindigkeit erreicht wird; ein kleiner Km-Wert bedeutet, dass das Enzym sein Substrat schon bei geringer Konzentration gut bindet.

Helfen Enzym-Tabletten bei der Verdauung oder gegen Entzündungen?#

Die Bauchspeicheldrüse und der Darm bilden ihre Verdauungsenzyme selbst. Enzympräparate verordnet eine Ärztin oder ein Arzt bei bestimmten Erkrankungen, zum Beispiel wenn die Bauchspeicheldrüse zu wenig Enzyme bildet; ob sie im Einzelfall sinnvoll sind, klärt man dort.