Aufgabe von Enzymen im menschlichen Körper
Einleitung
Enzyme sind sogenannte Biokatalysatoren, ohne deren Zutun kein geregelter und effizienter Stoffwechsel stattfinden könnte. Man erkennt sie häufig an der Endung -ase, die darauf hinweist, dass es sich bei der vorliegenden Substanz um ein Enzym handelt. In manchen Fällen tragen Enzyme jedoch auch zufällig gewählte oder historisch bedingte Namen, die keinen Rückschluss zulassen. Sie werden in sechs Hauptklassen eingeteilt, je nach der chemischen Reaktion, die sie katalysieren. Enzyme sind an Stoffwechselvorgängen in der Zelle, also der Energiegewinnung, Energiefreisetzung, Umbauvorgängen und Substratumwandlungen beteiligt. Aber auch in der Verdauung spielen sie eine entscheidende Rolle.
Hier finden Sie weitere allgemeine Informationen zu Enzymen.
Welche Enzyme gibt es?
Angesichts der Tatsache, dass Enzyme an jeder chemischen Reaktion im Stoffwechsel, an der Verdauung und auch an der Vervielfältigung der genetischen Informationen beteiligt sind, überrascht es kaum, dass allein bis heute über 2000 verschiedene Enzyme bekannt sind. Im Zuge der aktuellen und zukünftigen Forschung wird wohl noch das ein oder andere Enzym hinzukommen. Die Biokatalysatoren werden in sechs Hauptklassen und eine Vielzahl von Unterklassen eingeteilt. Die Einteilung und Benennung eines Enzyms erfolgen anhand der Art der chemischen Reaktion, an der es beteiligt ist. Einige Enzyme können auch mehr als nur einer Klasse zugeteilt werden, denn sie unterstützen nicht nur eine, sondern mehrere ähnliche Reaktionen. Es werden Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Lyasen, Isomerasen und Ligasen unterschieden. Zusätzlich kann man sie nach ihrem Aufbau und den zusätzlichen Stoffen, die sie zur Funktion benötigen, einteilen. Manche Enzyme sind sogenannte reine Protein-Enzyme. Sie benötigen keiner weiteren Stoffe und können die Reaktion alleine katalysieren. Andere hingegen brauchen Cofaktoren und Coenzyme, die vorübergehend oder dauerhaft an sie binden und bei der Umsetzung der Reaktion helfen. Letztere werden auch als Holoenzyme bezeichnet, aufgebaut aus dem eigentlichen Enzym (Apoenzym) und dem Coenzym oder-Substrat.
Allgemeine Aufgaben
Enzyme sind biologische Katalysatoren, kurzgefasst auch Biokatalysatoren genannt. Als Katalysator wird ein Stoff bezeichnet, der in der Lage ist, die sogenannte Aktivierungsenergie einer Reaktion herabzusetzen. Umgangssprachlich bedeutet dies, dass eine chemische Reaktion weniger Energie benötigt, um starten und ablaufen zu können. Außerdem führt der Einsatz von Katalysatoren dazu, dass eine Reaktion schneller ablaufen kann. Ohne Enzyme wäre der menschliche Stoffwechsel also bei weitem nicht so schnell und vor allen Dingen effektiv. Ohne Enzyme könnten der Mensch in der Form, in der wir es tun, also nicht existieren. Enzyme sind in der Regel Proteine, also Eiweiße. Nur wenige an der genetischen Vervielfältigung beteiligte Enzyme sind sogenannte Ribozyme und aus RNA-Strängen aufgebaut. Definitionsgemäß werden Katalysatoren durch ihren Einsatz nicht verändert oder verbraucht. Das bedeutet, dass ein Enzym eine Vielzahl an Reaktionen nacheinander katalysieren kann. Dies spart dem Organismus wiederum weitere Energie, die nicht auf die Neubildung von Enzymen verwendet werden muss. Außerdem sind Enzyme reaktionsspezifisch, was heißt, dass sie nicht jede beliebige Reaktion katalysieren können. Sie sind genau auf die Substanzen einer Reaktion abgestimmt. Auf diese Weise wird ihre Effizienz gesteigert. Allgemein sind Enzyme an der Übertragung chemischer Gruppen zwischen zwei verschiedenen Substanzen, der Umwandlung, sowie dem Aufbau und Abbau einzelner Substanzen beteiligt.
Aufgaben bei der Verdauung
Damit die in der Nahrung enthaltenen Nährstoffe resorbiert, also in die Zellen der Dünndarmwand und damit den Körper aufgenommen werden können, müssen sie zunächst einmal in ihre kleinsten Einheiten zerlegt werden. Denn nur für diese Einheiten besitzen die Dünndarmzellen entsprechende Rezeptoren. Diese Zerlegung ist unter dem Begriff der Verdauung bekannt. Verdauungsenzyme sind entscheidend an der Verdauung beteiligt. Sie werden in Drüsen produziert und dann nach und nach in das Innere des Mundes, des Magens und des Darms abgegeben (sezerniert). Ohne Verdauungsenzyme können die Nährstoffe aus der Nahrung nicht in den Körper gelangen und dem Körper würden seine wichtigen Energielieferanten fehlen.
Fette werden meist in Form von sogenannten Triglyceriden in der Nahrung aufgenommen. Vor der Resorption, also der Aufnahme der Nährstoffe in die Darmzellen, müssen sie in ihre einzelnen Bestandteile, den Fettsäuren, zersetzt werden. Auf diese Weise werden auch die fettlöslichen Vitamine, die in den Fetten gespeichert sind, freigesetzt und können aufgenommen werden. Auch Vielfachzucker und einige Zweifachzucker müssen mit Hilfe von Enzymen in einzelne Zuckermoleküle abgebaut werden. Zu guter Letzt bleiben die Proteine, die enzymatisch in die Aminosäuren aus denen sie aufgebaut sind, zerlegt werden.
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Bereits im Mund beginnt dank dem Enzym Speichelamylase die Verdauung verschiedener Vielfachzucker. Im Magen wird dem Speisebrei das Enzym Pepsin zugesetzt, welches Proteine verdaut. Doch der Hauptanteil der Verdauung findet im Dünndarm statt. Die Enzyme, die im Dünndarm ihre Arbeit verrichten, werden in der Bauchspeicheldrüse produziert. Von der Bauchspeicheldrüse aus mündet ein Gang in den Anfangsteil des Dünndarms, wo die Enzyme mit der Nahrung gemischt werden. Im Laufe des Dünndarms können dann die Einzelbausteine, die Fettsäuren, Vitamine, Aminosäuren und Zuckermoleküle resorbiert werden.
Insgesamt kommen hauptsächlich acht verschiedene Enzyme im Dünndarm zum Einsatz. Trypsin und Chymotrypsin spalten Proteine und lange Aminosäureketten in kurze Aminosäureketten.
Weitere Informationen finden Sie unter: Chymotrypsin - Wofür ist es wichtig?
Die Carboxypeptidasen A und B wiederum zerlegen die kurzen Aminosäureketten in separate Aminosäuren. Die Lipase benötigt für ihre Funktion zusätzlich Gallensäuren und eine Co-Lipase. Mit deren Hilfe zersetzt sie Triglyceride in Fettsäuren. Auch die Cholesterinesterase benötigt Gallensäuren. Wie ihr Name andeutet trennt sie Cholesterin aus Fetten heraus. Dabei werden außer dem Cholesterin noch weitere Fettsäuren freigesetzt. Die alpha-Amylase ähnelt derjenigen im Mund wandelt Stärke in Maltose (einen Zweifachzucker) um. In Nahrungsmitteln sind auch immer DNA-Stränge als Träger genetischer Informationen enthalten. Sie dienen dem Menschen nicht als Energielieferanten, sondern liefern wichtige Bausteine für die Produktion von DNA-Molekülen. Auf diese Weise spart der Körper wertvolle Energie, die er nicht in die vollständige Neusynthese dieser Bausteine investieren muss. Die zuständigen Enzyme sind die Ribonuclease und Desoxyribonuclease.
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Aufgaben von Enzymen im Magen
Im Magen kommt hauptsächlich das Verdauungsenzym Pepsin vor. Es wird von den Hauptzellen der Magenschleimhaut in Form der Vorstufe Pepsinogen produziert. Erst der saure pH-Wert im Magensaft führt dann zur Umsetzung des Pepsinogens in Pepsin. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Pepsin bereits in der Zelle der Magenschleimhaut wirkt und den Körper selber verdaut. Pepsin spaltet Proteine in Peptide, also kürzere Aminosäureketten. Erst im Dünndarm werden die Ketten in die eigentlichen Aminosäuren zersetzt. Pepsin benötigt Chlorid als Cofaktor. Als eines der wenigen Enzym des Verdauungstraktes kann es im sauren Magensaft arbeiten. Viele andere Enzyme benötigen eine alkalische Umgebung, um ihre Wirkung entfalten zu können.
In geringen Mengen kommen auch die Enzyme Magenlipase, Amylase und Gelatinase im Magen vor. Die Magenlipase spaltet Fettsäuren aus Fetten, die Amylase Maltose aus Stärke und die Gelatinase Gelantine. Gelantine ist tierisches Kollagen, das beispielsweise mit Fleisch oder Gelantinhaltigen-Süßigkeiten aufgenommen wird. Es besteht aus Proteinen. Letztlich werden somit durch die Gelantinase ebenfalls Aminosäuren freigesetzt.
Aufgaben von Enzymen im Blut
Blut ist das sogenannte flüssige Organ. Es dient dem Sauerstofftransport zu den Zellen und dem Abtransport von Kohlenstoffdioxid zur Lunge. Aber auch andere Stoffe und Moleküle nutzen das Blut, um von einem Organ zum nächsten zu gelangen. Daher muss bei Enzymen, die sich im Blut befinden unterschieden werden, ob es sich um sogenannte plasmaspezifische (=Blut-spezifische) Enzyme handelt oder lediglich um „Enzyme auf der Durchreise“. Plasmaspezifische Enzyme nutzen das Blut nicht nur als Transportmedium, sondern kommen tatsächlich im Blut zum Einsatz. Dazu zählen Enzyme, die an der Blutgerinnung beteiligt sind und Enzyme des Fett- und Cholesterinstoffwechsels.
Eines der plasmaspezifischen Enzyme ist die Lipoproteinlipase, die an den Zellwänden der Blutgefäße sitzt. Lipoproteine dienen Fettsäuren als Transportmittel im Blut. Damit sie wieder in die Zellen aufgenommen werden können, müssen sie von der Lipoproteinlipase aus den Lipoproteinen freigesetzte werden.
Auch die Lecithin-Cholesterin-Acyltransferase ist am Fett und- Cholesterinstoffwechsel beteiligt. Sie sitzt einer bestimmten Sorte von Lipoproteinen außen auf und ermöglicht es ihnen, freies Cholesterin aus dem Blut aufzunehmen.
Aufgaben von Enzymen im Speichel
Täglich werden circa 1 bis 1,5 Liter Speichel produziert. Allein der Geruch oder der Anblick von Essen regen die Bildung an. Als erster Abschnitt des Magen-Darm-Traktes ist auch der Mund an der Verdauung beteiligt. Daher ist bereits im Speichel ein Verdauungsenzym enthalten, die Amylase. Es werden eine sogenannte alpha- und eine beta-Amylase unterschieden. Beide zerlegen Vielfachzucker in kleine Glucose-Moleküle.
Ein Vielfachzucker ist aus vielen einzelnen Zuckermolekülen aufgebaut. Beispielsweise ist die sogenannte Stärke aus Kartoffeln oder Brot so ein Vielfachzucker. Sie wird mit Hilfe der Amylase in Maltose abgebaut, das aus zwei Glukose-Molekülen besteht. Dieser erste Schritt im Rahmen der Verdauung ist notwendig, damit die Zuckermoleküle später besser im Magen verdaut und im Darm resorbiert werden können. Außerdem stellt Stärke einen sehr guten Energielieferanten dar, denn es enthält viel Energie bei wenig Gewicht. Um dem Gehirn diesen Vorteil schmackhaft zu machen, spaltet die Amylase die recht geschmacklose Stärke in süße Maltose, woraufhin das Gehirn nach mehr verlangt. Diesen Effekt kann man auch zu Hause ausprobieren: Kaut man ein Stück Brot 20-30 Mal fängt es nach einer gewissen Zeit an sehr viel süßer zu schmecken als zu Beginn.
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