Grundlagen der Enzyme

Enzyme sind komplexe Proteinbiokatalysatoren, die chemische Reaktionen beschleunigen, ohne von ihnen verbraucht zu werden. Aufgrund des ständigen Stoffwechselbedarfs des Körpers würde das Fehlen von Enzymen das Leben unmöglich machen, da die Reaktionen ohne diese Moleküle zu langsam ablaufen würden. Enzyme haben viele Funktionen, einschließlich des Abbaus und der Synthese von Makromolekülen (Katabolismus und Anabolismus), der Signalübertragung, der Energieerzeugung (Adenosintriphosphat, ATP), Ionenpumpen/ aktiver Transport, Abwehr- und Abbaureaktionen (Oxidation, Reduktion, Hydrolyse), Zellregulation, Bewegung (Myosin-ATPase, Transport intrazellulärer Substanzen) und Immunantworten.

Aktualisiert: 04.07.2023

Redaktionelle Verantwortung: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

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Überblick

Definition

Ein Enzym ist ein Protein mit einem aktiven Zentrum, um Reaktionen unter verringerter Aktivierungsenergie durchzuführen.

Enzymeigenschaften

  • Komplexes Protein und Biokatalysator (Katalysator biologischen Ursprungs)
  • Nach der Reaktion unverändert
  • Identifiziert durch das Vorhandensein des Suffixes „-ase“ (z.B. Lactatdehydrogenase)
  • Hochspezifisch für bestimmte Substrate und Produkte
    • Substrat (S): eine Substanz, auf die das Enzym einwirkt
    • Enzym-Substrat (ES)-Komplex: temporäres Molekül, das durch die nicht-kovalente Bindung des Enzyms und des Substrats gebildet wird über:
      • Ionische Wechselwirkungen: Verbindungen zwischen geladenen Molekülen
      • Hydrophobe Wechselwirkungen
      • Van-der-Waals-Kräfte: schwache intermolekulare Anziehung zwischen ungeladenen Molekülen
      • Wasserstoffbrückenbindung
    • Produkt (P): Molekül, das durch die enzymatische Reaktion entsteht
  • Funktionsänderung durch pH und Temperatur
Enzymkinetik

Zusammenhang zwischen Substraten und Enzymen, der reversiblen enzymatischen Reaktion sowie der Produktbildung und -freisetzung

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Aktives Zentrum

  • Bereich eines Enzyms zur Bindung von bestimmten Substratmolekülen und somit Reaktionserleichterung
  • Aufbau aus Bindungs- und katalytischen Zentren
  • Bindungszentrum: Bereich der Substratbindung
  • Katalytisches Zentrum: Bereich der reduzierten Aktivierungsenergie (Energie, die für den Ablauf einer Reaktion benötigt wird)
Enzym

Die Lage des enzymatischen aktiven Zentrums und der Beziehung zum Substrat


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Enzymspezifität

  • Substratspezifität: Jedes Enzym kann nur ein bestimmtes Substrat umwandeln. Dies basiert auf dem „induced fit“-Modell, bei dem sich die Bindungsstelle des Enzyms an ein bestimmtes Substrat anpasst.
  • Stereospezifität: Substrate müssen als spezifisches Isomer vorliegen (z.B. kann Laktatdehydrogenase nur L-Laktat in Pyruvat Pyruvat Glykolyse umwandeln und nicht das Isomer D-Laktat).
  • Gruppenspezifität: Enzyme reagieren mit einer spezifischen chemischen Gruppe (z.B. einer Aminogruppe), die sich auf dem Substrat befindet.
  • Reaktionsspezifität: Jedes Enzym kann nur einen bestimmten Reaktionstyp katalysieren (z.B. Hydrolyse).

Klassifikation

Enzymbenennung

Der erste Teil des Namens beschreibt das Substrat. Der letzte Teil beschreibt die Enzymfunktion. Im ersten Teil wird das Produkt beschrieben, wenn Folgendes zutrifft:

  • Das Produkt ist biochemisch wichtig (z.B. Pyruvatkinase).
  • Das Enzym gehört zu der Ligase-Kategorie (z.B. Glutaminsynthetase).
  • Ein Enzym mit der gleichen Funktion existiert bereits und wirkt auf das Substrat (z.B. Pyruvat-Dehydrogenase und Laktat-Dehydrogenase).

Enzymklassifikation

Tabelle: Enzymklassifikation
Hauptgruppe Katalytische Reaktion Wichtige Unterklassen (Beispiele)
Oxidoreduktasen Übertragung von Reduktionsäquivalenten (1 Elektron); Oxidierung des Elektronendonators und Erhöhung der Ladung, Reduktion des Elektronenakzeptors und Verringerung der Ladung Dehydrogenasen (Alkoholdehydrogenase), Oxidasen (Xanthinoxidase), Reduktasen (Glutathionreduktase)
Transferasen Übertragung ganzer Gruppen (z.B. Aminogruppen)
  • Aminotransferasen (Aspartataminotransferase [AST])
  • Phosphotransferasen (Glykogenphosphorylase)
Hydrolasen Hydrolytische Spaltung kovalenter Bindungen
  • Esterasen (Acetylcholinesterase)
  • Peptidasen/ Proteasen (α-Amylase)
Lyasen Aufbrechen von Bindungen zwischen zwei Kohlenstoffatomen oder einem Kohlenstoffatom und Sauerstoff oder Kohlenstoff und Schwefel
  • C-C-Lyasen (Aldolase)
  • C-O-Lyasen (Fumarase)
Isomerasen Umwandlung isomerer Moleküle ineinander ohne Änderung der Summenformel Cis-trans-Isomerasen (Peptidyl-prolyl-cis-trans-Isomerase, Phosphoglucoisomerase)
Ligasen Auch Synthetasen genannt, energieabhängige Verknüpfung von Verbindungen (z.B. abhängig von ATP)
  • C-C-Ligasen (Pyruvat-Carboxylase)
  • C-N-Ligasen (Glutaminsynthetase)

Isoenzyme, Coenzyme und Prosthetische Gruppen

Enzyme können modifiziert werden, um verschiedenen Organen die gleichen Aktivitäten zu ermöglichen oder damit Substanzen außerhalb der Substrat/Enzym/Produkt-Sequenz die Enzyme beeinflussen können.

Isoenzyme

  • Katalyse der gleichen Reaktionen, leichte Unterscheidung in ihrer Struktur (unterschiedliche Aminosäure-Sequenz) und den Organen, auf die sie wirken (Glykogenphosphorylase in den Muskeln vs. α-Glucosidase im Herzen)

Coenzyme

  • Kleine Hilfsmoleküle zur Ingangsetzung einer enzymatischen Reaktion
    • Fähigkeit der Enzymbindung
    • Erfüllung bestimmter Funktionen (Elektronenübertragung, Übertragung von organischen Stoffen)
    • Vitamine dienen oft als Vorläufer vieler organischer Kofaktoren.

Interaktion zwischen Enzymen, Coenzymen und Subtraten
Interaktion zwischen Enzymen, Coenzymen und Subtraten:

Das Coenzym bindet an das inaktive Enzym, es kommt zur Aktivierung des Enzyms und das Substrat kann an den Enzym-Coenzym-Komplex binden.

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Tabelle: Überblick wichtiger Coenzyme
Coenzyme Assoziiertes Vitamin Reaktionstyp Beispiele von Enzymen
Thiaminpyrophosphat B1 Oxidative Decarboxylierung Decarboxylierung Abbau von Aminosäuren Transketolase, Pyruvat-Dehydrogenase
FAD/FADH2 B2 Elektronentransfer Succinat-Dehydrogenasen
NAD+/NADP+ B3 Elektronentransfer Viele Dehydrogenasen
Lipoamid B4 Oxidative Decarboxylierung Decarboxylierung Abbau von Aminosäuren Pyruvat-Dehydrogenase
Coennzyme A (CoA) B5 Acyltransfer α-Ketoglutarat-Dehydrogenase
Pyridoxalphosphat B6 Transaminierung Transaminierung Abbau von Aminosäuren Alanin-Transaminase (ALT)
Biotin B7 Carboxylierung Pyruvat-Carboxylase
Tetrahydrofolat (THF) B9 Transfervon C1-Gruppe Purine-Synthese, Thymidylat-Synthase
5-Deoxyadenosylcobalamin B12 Intramolekulare Umlagerungen Homocystein-Methyltransferase, Methylmalonyl-CoA-Mutase

Prosthetische Gruppen

  • Spezifische nicht-Polypeptid-Einheiten mit fester Bindung an das Enzym und erforderlich für die biologische Funktion einiger Enzyme
  • Dauerhafte Bindung an das Enzym
 Interaktion zwischen Enzym, prosthetischer Gruppe und Substrat

Interaktion zwischen Enzym, prosthetischer Gruppe und Substrat: Die prothetische Gruppe ist dauerhaft mit dem Enzym verbunden und sorgt für die Funktionsfähigkeit des Enzyms.

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Klinische Relevanz

Die folgenden Erkrankungen werden durch einen Enzymmangel verursacht:

  • Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase Mangel: X-chromosomal rezessiv vererbbar. Kann eine episodische intravaskuläre hämolytische Anämie hämolytische Anämie Anämie: Überblick und Formen verursachen, ausgelöst durch Infektionen, bestimmte Medikamente, Stress oder Lebensmittel wie Favabohnen, mit allen Symptomen und Anzeichen einer hämolytischen Anämie Anämie Anämie: Überblick und Formen wie Gelbsucht, Blässe, Dyspnoe Dyspnoe Dyspnoe (Atemnot/Luftnot), Müdigkeit und Tachykardie. Es kann auch einen Neugeborenenikterus verursachen.
  • Galaktosämie Galaktosämie Galaktosämie: die häufigste und schwerste Form der Galaktosämie Galaktosämie Galaktosämie und entsteht durch einen Mangel an Galaktose-1-Phosphat-Uridyltransferase. Tage nach der Geburt treten folgende klinische Symptome auf: Lethargie, Gedeihstörung Gedeihstörung Gedeihstörung, Gelbsucht und andere Anzeichen einer Leberschädigung.
  • Chronische Granulomatose: chronische Erkrankung, die durch Granulombildung gekennzeichnet ist. Die phagozytischen Zellen sind nicht in der Lage bakterientötende Superoxide zu produzieren, was auf einen Defekt in der Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat-Oxidase in den Zellen hindeutet.
  • Lysosomale Speicherkrankheiten: eine Gruppe genetisch bedingter Stoffwechselstörungen, die durch lysosomale Defekte verursacht werden und zu einer Anhäufung von unverdauten Stoffwechselprodukten und zum Zelltod Zelltod Zellschäden und Zelltod führen:
    • Morbus Gaucher: Erbkrankheit, die aufgrund eines Mangels an saurer β-Glucosidase zu einer Anhäufung von unverdauten Glykolipidsubstraten in den Zellen führt.
    • Morbus Krabbe Morbus Krabbe Morbus Krabbe: Diese auch als Globoidzell-Leukodystrophie bezeichnete Erkrankung entsteht durch eine mangelhafte Aktivität der Galactozerebrosidase.
    • Morbus Tay-Sachs: Entsteht durch einen Mangel an Hexosaminidase A. Diese autosomal rezessiv vererbte Lipidspeicherkrankheit führt zu Blindheit, Hypotonie Hypotonie Hypotonie, fortschreitendem kognitiven Verfall und Krampfanfälle Krampfanfälle Krampfanfälle im Kindesalter.

Quellen

  1. Rassow et al.: Duale Reihe Biochemie.2. Auflage Thieme 2008, ISBN: 978-3-131-25352-1.
  2. Zeeck: Chemie für Mediziner. 8. Auflage Urban & Fischer 2014, ISBN: 978-3-437-42444-1.

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eLearning Award 2023

Lecturio und die Exporo-Gruppe wurden für ihre digitale Compliance-Akademie mit dem eLearning Award 2023 ausgezeichnet.

eLearning Award 2019

Lecturio und die TÜV SÜD Akademie erhielten für den gemeinsam entwickelten Online-Kurs zur Vorbereitung auf den
Drohnenführerschein den eLearning Award 2019 in der Kategorie “Videotraining”.

Comenius-Award 2019

Comenius-Award 2019

Die Lecturio Business Flat erhielt 2019 das Comenius-EduMedia-Siegel, mit dem die Gesellschaft für Pädagogik, Information und Medien jährlich pädagogisch,  inhaltlich und gestalterisch
herausragende didaktische Multimediaprodukte auszeichnet.

IELA-Award 2022

Die International E-Learning Association, eine Gesellschaft für E-Learning Professionals und Begeisterte, verlieh der Lecturio Learning Cloud die Gold-Auszeichnung in der Kategorie “Learning Delivery Platform”.

Comenius-Award 2022

In der Kategorie “Lehr- und Lernmanagementsysteme” erhielt die Lecturio Learning Cloud die Comenius-EduMedia-Medaille. Verliehen wird der Preis von der Gesellschaft für Pädagogik, Information und Medien für pädagogisch, inhaltlich und gestalterisch herausragende Bildungsmedien.

B2B Award 2020/2021

Die Deutsche Gesellschaft für Verbraucherstudien (DtGV) hat Lecturio zum Branchen-Champion unter den deutschen Online-Kurs-Plattformen gekürt. Beim Kundenservice belegt Lecturio den 1. Platz, bei der Kundenzufriedenheit den 2. Platz.

B2B Award 2022

Für herausragende Kundenzufriedenheit wurde Lecturio von der Deutschen Gesellschaft für Verbraucherstudien (DtGV) mit dem deutschen B2B-Award 2022 ausgezeichnet.
In der Rubrik Kundenservice deutscher Online-Kurs-Plattformen belegt Lecturio zum zweiten Mal in Folge den 1. Platz.

Simon Veiser

Simon Veiser beschäftigt sich seit 2010 nicht nur theoretisch mit IT Service Management und ITIL, sondern auch als leidenschaftlicher Berater und Trainer. In unterschiedlichsten Projekten definierte, implementierte und optimierte er erfolgreiche IT Service Management Systeme. Dabei unterstützte er das organisatorische Change Management als zentralen Erfolgsfaktor in IT-Projekten. Simon Veiser ist ausgebildeter Trainer (CompTIA CTT+) und absolvierte die Zertifizierungen zum ITIL v3 Expert und ITIL 4 Managing Professional.

Dr. Frank Stummer

Dr. Frank Stummer ist Gründer und CEO der Digital Forensics GmbH und seit vielen Jahren insbesondere im Bereich der forensischen Netzwerkverkehrsanalyse tätig. Er ist Mitgründer mehrerer Unternehmen im Hochtechnologiebereich, u.a. der ipoque GmbH und der Adyton Systems AG, die beide von einem Konzern akquiriert wurden, sowie der Rhebo GmbH, einem Unternehmen für IT-Sicherheit und Netzwerküberwachung im Bereich Industrie 4.0 und IoT. Zuvor arbeitete er als Unternehmensberater für internationale Großkonzerne. Frank Stummer studierte Betriebswirtschaft an der TU Bergakademie Freiberg und promovierte am Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung in Karlsruhe.

Sobair Barak

Sobair Barak hat einen Masterabschluss in Wirtschaftsingenieurwesen absolviert und hat sich anschließend an der Harvard Business School weitergebildet. Heute ist er in einer Management-Position tätig und hat bereits diverse berufliche Auszeichnungen erhalten. Es ist seine persönliche Mission, in seinen Kursen besonders praxisrelevantes Wissen zu vermitteln, welches im täglichen Arbeits- und Geschäftsalltag von Nutzen ist.

Wolfgang A. Erharter

Wolfgang A. Erharter ist Managementtrainer, Organisationsberater, Musiker und Buchautor. Er begleitet seit über 15 Jahren Unternehmen, Führungskräfte und Start-ups. Daneben hält er Vorträge auf Kongressen und Vorlesungen in MBA-Programmen. 2012 ist sein Buch „Kreativität gibt es nicht“ erschienen, in dem er mit gängigen Mythen aufräumt und seine „Logik des Schaffens“ darlegt. Seine Vorträge gestaltet er musikalisch mit seiner Geige.

Holger Wöltje

Holger Wöltje ist Diplom-Ingenieur (BA) für Informationstechnik und mehrfacher Bestseller-Autor. Seit 1996 hat er über 15.800 Anwendern in Seminaren und Work-shops geholfen, die moderne Technik produktiver einzusetzen. Seit 2001 ist Holger Wöltje selbstständiger Berater und Vortragsredner. Er unterstützt die Mitarbeiter von mittelständischen Firmen und Fortune-Global-500- sowie DAX-30-Unternehmen dabei, ihren Arbeitsstil zu optimieren und zeigt Outlook-, OneNote- und SharePoint-Nutzern, wie sie ihre Termine, Aufgaben und E-Mails in den Griff bekommen, alle wichtigen Infos immer elektronisch parat haben, im Team effektiv zusammenarbeiten, mit moderner Technik produktiver arbeiten und mehr Zeit für das Wesentliche gewinnen.

Frank Eilers

Frank Eilers ist Keynote Speaker zu den Zukunftsthemen Digitale Transformation, Künstliche Intelligenz und die Zukunft der Arbeit. Er betreibt seit mehreren Jahren den Podcast „Arbeitsphilosophen“ und übersetzt komplexe Zukunftsthemen für ein breites Publikum. Als ehemaliger Stand-up Comedian bringt Eilers eine ordentliche Portion Humor und Lockerheit mit. 2017 wurde er für seine Arbeit mit dem Coaching Award ausgezeichnet.

Yasmin Kardi

Yasmin Kardi ist zertifizierter Scrum Master, Product Owner und Agile Coach und berät neben ihrer Rolle als Product Owner Teams und das höhere Management zu den Themen agile Methoden, Design Thinking, OKR, Scrum, hybrides Projektmanagement und Change Management.. Zu ihrer Kernkompetenz gehört es u.a. internationale Projekte auszusteuern, die sich vor allem auf Produkt-, Business Model Innovation und dem Aufbau von Sales-Strategien fokussieren.

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Leon Chaudhari ist ein gefragter Marketingexperte, Inhaber mehrerer Unternehmen im Kreativ- und E-Learning-Bereich und Trainer für Marketingagenturen, KMUs und Personal Brands. Er unterstützt seine Kunden vor allem in den Bereichen digitales Marketing, Unternehmensgründung, Kundenakquise, Automatisierung und Chat Bot Programmierung. Seit nun bereits sechs Jahren unterrichtet er online und gründete im Jahr 2017 die „MyTeachingHero“ Akademie.

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Als akkreditierter Trainer für PRINCE2® und weitere international anerkannte Methoden im Projekt- und Portfoliomanagement gibt Andreas Ellenberger seit Jahren sein Methodenwissen mit viel Bezug zur praktischen Umsetzung weiter. In seinen Präsenztrainings geht er konkret auf die Situation der Teilnehmer ein und erarbeitet gemeinsam Lösungsansätze für die eigene Praxis auf Basis der Theorie, um Nachhaltigkeit zu erreichen. Da ihm dies am Herzen liegt, steht er für Telefoncoachings und Prüfungen einzelner Unterlagen bzgl. der Anwendung gern zur Verfügung.

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Zach Davis ist studierter Betriebswirt und Experte für Zeitintelligenz und Zukunftsfähigkeit. Als Unternehmens-Coach hat er einen tiefen Einblick in über 80 verschiedene Branchen erhalten. Er wurde 2011 als Vortragsredner des Jahres ausgezeichnet und ist bis heute als Speaker gefragt. Außerdem ist Zach Davis Autor von acht Büchern und Gründer des Trainingsinstituts Peoplebuilding.

Wladislav Jachtchenko

Wladislaw Jachtchenko ist mehrfach ausgezeichneter Experte, TOP-Speaker in Europa und gefragter Business Coach. Er hält Vorträge, trainiert und coacht seit 2007 Politiker, Führungskräfte und Mitarbeiter namhafter Unternehmen wie Allianz, BMW, Pro7, Westwing, 3M und viele andere – sowohl offline in Präsenztrainings als auch online in seiner Argumentorik Online-Akademie mit bereits über 52.000 Teilnehmern. Er vermittelt seinen Kunden nicht nur Tools professioneller Rhetorik, sondern auch effektive Überzeugungstechniken, Methoden für erfolgreiches Verhandeln, professionelles Konfliktmanagement und Techniken für effektives Leadership.

Alexander Plath

Alexander Plath ist seit über 30 Jahren im Verkauf und Vertrieb aktiv und hat in dieser Zeit alle Stationen vom Verkäufer bis zum Direktor Vertrieb Ausland und Mediensprecher eines multinationalen Unternehmens durchlaufen. Seit mehr als 20 Jahren coacht er Führungskräfte und Verkäufer*innen und ist ein gefragter Trainer und Referent im In- und Ausland, der vor allem mit hoher Praxisnähe, Humor und Begeisterung überzeugt.

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