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Enzyme sind biologische Katalysatoren, die Stoffwechselreaktionen beschleunigen oder ermöglichen. Es handelt sich um Proteine , die in einer kugelförmigen Struktur (tertiäre Struktur) vorliegen. Das bedeutet, dass sie wie eine Art Wollknolle aufgebaut sind. Dies ist auf die Anordnung der Aminosäureketten zurückzuführen. Enzyme haben ein aktives Zentrum, in dem die Reaktion mit dem Substrat stattfindet. Darüber hinaus haben viele Enzyme einen Cofaktor, der auch als Cönzym bezeichnet wird. Dies ist ein Nicht-Protein, das oft an das Enzym gebunden ist. Da Enzym und Cönzym als funktionelle Einheit wirken, werden beide zusammen Holönzym genannt. Das proteinische Enzym allein wird auch als Apozym bezeichnet. 1.2 Molekulare Mechanismen der Enzymwirkung Der Prozess der Enzymkatalyse erfolgt in Schritten. Zunächst bindet das Enzym an das Substrat und es entsteht ein Enzymsubstratkomplex. Die Bindungen werden gelöst, wodurch sich das Substrat in einem reaktiven Übergangszustand befindet. Im Enzym-Substrat-Komplex befinden sich Substrat und Produkt in einem chemischen Gleichgewicht. Die Enzyme sind in der Lage, die Aktivierungsenergie so weit zu senken, dass die Reaktion bereits bei einem reduzierten Temperaturniveau stattfinden kann.
Nach Abschluss der Reaktion wird das Produkt freigesetzt und es findet eine neue Bindung eines Substrats statt. Das Enzym bleibt von der Reaktion unverändert. Auf die
se Weise kann ein einziges Enzym mehrere tausend Produktmoleküle in einer Minute umsetzen. 1.3 Enzyme reagieren nur mit bestimmten Substraten (In der Chemie ist ein Substrat typischerweise die chemische Spezies, die in einer chemischen Reaktion beobachtet wird, die organischer Natur ist und mit einem Reagenz zur Erzeugung eines Produkts reagiert). Im Gegensatz zu Chemiekatalysatoren sind sie substratspezifisch. Diese Eigenschaft basiert auf der Struktur der Bindungsstelle im aktiven Zentrum. Bindestelle und Substrat reagieren nach dem Schlüsselschlossprinzip. Darüber hinaus sind Enzyme reaktionsspezifisch. Sie können unter den gegebenen Bedingungen nur eine Reaktion katalysieren. Katalytische Gruppen im aktiven Zentrum sind wichtig für die Reaktionsspezifität. Enzyme in der Biotechnologie In der heutigen modernen Welt werden Enzyme in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt, wie zum Beispiel in der Medizin und der Lebensmittelproduktion. Um der großen Nachfrage nach diesen Mikroorganismen gerecht zu werden, werden im Labor mit Hilfe moderner Gentechnik Enzyme in großen Mengen produziert. Im Laufe der 1980er Jahre begannen die Hersteller daher, die Informationen für das Enzym in das Erbgut von Bakterien , Hefen oder Schimmelpilzen zu übertragen.
Diese Wirtsorganismen produzieren nun auf Basis des veränderten Erbmaterials das gewünschte Enzym. Die moderne Biotechnologie unterscheidet zwei gentechnische Verfahren, die unterschiedliche Ziele verfolgen: Methode 1: Gentechnik Ziel der Gentechnik ist die effizienteste und qualitätskonstanteste Produktion von Enzymen, die auch in der Natur vorkommen. Um diese naturidentischen Enzyme herzustellen, wird die genetische Kodierung des gewünschten Enzyms in einen besonders leistungsfähigen Mikroorganismus implantiert. Dadurch wird die Ausbeute erhöht. Methode 2: Protein Engineering (Protein Engineering ist der Prozess der Entwicklung nützlicher oder wertvoller Proteine ) Ziel der Protein Engineering ist die Herstellung von modifizierten Enzymen mit Hilfe von gentechnisch veränderten Mikroorganismen. Dabei wird die genetische Codierung des gewünschten Enzyms so verändert, dass einzelne Komponenten des Enzyms, die Aminosäuren, ausgetauscht und damit die Eigenschaften des Enzyms verbessert werden. Man kann also sagen, dass die Gentechnik der Enzymtechnologie einen starken Impuls gegeben hat. Es macht ihre Produktion nicht nur billiger, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten, wie z.B. die Veränderung der Enzymaktivität. Die Gentechnik ist der Motor, der Enzyme in viele Anwendungsbereiche fördert. Enzyme in Waschmitteln 3.1. Leistung von Enzymen in Waschmitteln Obwohl Enzyme nur in sehr geringen Mengen im Waschmittelgemisch verwendet werden, gelten sie als Schlüssel zu modernen Waschmitteln. Die hochspezialisierten Substanzen dringen gezielt in die Schmutzpartikel ein und bauen sie ab. Jedes Enzym kann nur eine bestimmte Substanz abbauen (Substratspezifität). Alle anderen Verbindungen werden ignoriert. Enzyme sind daher sehr effektiv bei der Entfernung sehr spezifischer Flecken und Flecken aus der Wäsche. Da sie bereits bei niedrigen Temperaturen aktiv werden, schützen sie die Textilien. Eine Vorwäsche ist nicht mehr erforderlich. Das spart Energie und Wasser .
Durch ihre gezielte Reinigungswirkung in Kombination mit anderen Inhaltsstoffen, wie z.B. Tensiden, kann der Anteil an Wasch- und Reinigungsmittelzusätzen weiter reduziert werden. Das Abwasser ist weniger belastet. Darüber hinaus sind die Enzyme vollständig biologisch abbaubar. 3. Lipasen Diese Enzyme bauen Fette ab und wirken gegen Make-up-Flecken, Sonnenschutz, etc. 4. Cellulasen Diese Enzyme entfernen Baumwollfusseln und frisch gefärbte Textilien. Die Bedingungen für diese Enzyme beim Waschen sind jedoch viel zu extrem: Die Durchschnittstemperatur beim Waschen liegt bei etwa 70°C. Diese hohen Temperaturen führen zur Zerstörung der Enzyme. Darüber hinaus bildet die alkalische Waschlösung eine alkalische Umgebung, die die Wirkung der Waschmittelenzyme hemmt. Dieses Problem konnte jedoch durch die Entdeckung von Archaebakterien gelöst werden. Es handelt sich um Organismen, die in Thermalquellen oder Salzseen, d.h. unter extremen Bedingungen, leben. Deshalb werden die Enzyme der Archaea (die Archaea bilden eine Domäne und ein Königreich von einzelligen Mikroorganismen) auch als extreme Enzyme bezeichnet. Sie sind für das Waschmittel interessant (Ein Waschmittel ist ein Tensid oder eine Mischung von Tensiden mit Reinigungseigenschaften in verdünnten Lösungen) Industrie, da sie bei sehr hohen Temperaturen aktiv bleiben. Sie können enormer Hitze standhalten, weil sie eine größere Anzahl von intramolekularen Bindungen aufweisen, d.h. zwischen ionischen und polaren Gruppen. 3.2 Extremozymproduktion mit Hilfe der Gentechnik (Gentechnik, auch Gentechnik genannt, ist die direkte Manipulation des Genoms eines Organismus durch die Biotechnologie) Um eine lohnende Ausbeute der Enzyme zu erzielen, benötigt man eine große Menge an archaeenbakterien. Diese kommen in der Natur jedoch nur in kleinen Mengen vor. Zur Lösung dieses Problems wird die Gentechnik eingesetzt. Die Struktur jedes Enzyms wird durch das Genom der Archäen bestimmt. Das entsprechende Stück wird aus der archäologischen DNA entfernt (Desoxyribonukleinsäure ist ein Molekül, das die genetischen Anweisungen für das Wachstum, die Entwicklung, die Funktion und die Vermehrung aller bekannten lebenden Organismen und vieler Viren trägt) und in das Erbgut von Laborbakterien implantiert. Mit Hilfe des eingelegten DNA-Stücks produzieren sie nun das gewünschte Enzym in großen Mengen. 3.3 Waschmittelallergien und ihre Ursachen Die in Waschmitteln enthaltenen Proteasen greifen nicht nur Proteine (Proteine sind große Biomoleküle oder Makromoleküle, bestehend aus einer oder mehreren langen Ketten von Aminosäureresten), sondern auch die menschliche Haut an. Vor allem die Enzyme sind kontaminiert, so dass diese Substanzen, die aus Bakterien gewonnen werden (Bakterien stellen eine große Domäne prokaryontischer Mikroorganismen dar), oft noch die Bakterienzellwände enthalten.
Diese können bei empfindlichen Menschen und in unzureichend gespülter Wäsche allergische Reaktionen hervorrufen. Um die Gefahren zu reduzieren, wurden die Enzympartikel mit wachsartigen Substanzen, den sogenannten Prills, beschichtet, um einen direkten Hautkontakt zu vermeiden und die Haltbarkeit der Produkte zu verbessern. 4. Enzyme in Lebensmitteln 4.1. allgemein In der heutigen Welt arbeitet die Lebensmittelindustrie viel mit Enzymen. Der Einsatz von ihnen hat viele Vorteile. Der Hauptvorteil der Verwendung von Enzympräparaten besteht darin, dass sie bei relativ niedrigen Temperaturen, bei Normaldruck, ohne großen Säure- oder Laugeneinsatz eingesetzt werden können, was für eine schonende Behandlung der Ware besonders wichtig ist. Andererseits werden Enzympräparate zur Steigerung von Qualität und Ertrag eingesetzt. Die Qualität eines Lebensmittels ist im Wesentlichen geprägt durch Geschmack und Geruch, Farbe , Konsistenz, Nährwert und Verdaulichkeit. Enzyme und ihre biochemischen Reaktionen werden seit jeher eingesetzt – lange Zeit eher intuitiv. Der Zusatz von Lab zu Milch , um daraus Fett und Käse herzustellen, ist ein traditioneller Prozess. Es basiert auf der Wirkung eines zugesetzten Enzyms, das traditionell aus dem Wadenmagen stammt. Enzyme sind in Fermentations- und alkoholischen Fermentationsprozessen im Einsatz, wie z.B. bei der Herstellung von Bier aus Hefen, aber auch bei der Braugerste oder beim Brotbacken. Mit den ersten isolierten Enzymen (Pektinasen) wurden Obst und Gemüse gepresst: Sie bauen die Zellwände der Pflanzen schneller ab und erhöhen die Saftausbeute. In einem klaren Apfelsaft werden die nach dem Pressen noch vorhandenen Trübstoffe in der Regel auch durch die Pektinase abgebaut. Enzyme sind auch in vielen Backmischungen enthalten, mit deren Hilfe es den Bäckern heute gelingt, eine reiche Auswahl an verschiedenen Broten und Brötchen anzubieten. Diese Enzyme verbessern beispielsweise die Konsistenz und die Volumeneigenschaften des Teigs. Die kommerziell wichtigste Enzymanwendung im Lebensmittelbereich ist jedoch nach wie vor die Stärkeverzuckerung. Rüben- oder Rohrzucker sind heute nicht mehr der alleinige Lieferant von Zucker; im Prinzip kann jede stärkehaltige Pflanze wie Kartoffel oder Mais dies tun – natürlich mit Hilfe von Enzymen. Siehe die Anhänge unter der Rubrik 5. Enzyme in der Medizin Enzyme sind für den menschlichen Körper von großer Bedeutung. Sie unterstützen die Selbstheilungskräfte des Körpers.
Sie stärken beispielsweise das Immunsystem , damit es besser und effektiver gegen Krankheitserreger wie Viren und Bakterien vorgehen kann. Der Organismus produziert ständig mehr als 2500 verschiedene Enzyme. Einige Enzyme benötigen Co-Enzyme, Vitamine und Mineralien für eine optimale Funktion. Der Organismus ist jedoch weitgehend unfähig, diese selbst zu produzieren, muss sie aber über die Nahrung aufnehmen. 5.1 Enzyme im Kampf gegen Krebs Bis zu 50 Zellen degenerieren täglich im Körper eines jeden Menschen. Wenn das Immunsystem stark ist, erkennen spezielle Antikörper diese Zellen und beseitigen sie, bevor sie sich zu Krebs entwickeln können. Ein schwaches Immunsystem kann jedoch möglicherweise den Beginn der Erkrankung übersehen und nur dann wahrnehmen, wenn es bereits zu spät ist. Der Tumor ist bereits so weit gewachsen, dass er vom Immunsystem nicht mehr entfernt werden kann. Um sich ungestört zu entwickeln, missbrauchen einige Krebszellen die Gerinnungseigenschaften des Blutes. Sie stimulieren über körpereigene Substanzen die Bildung von Blutgerinnseln in den Gefäßen, hinter denen sie sich dann für die Abwehrzellen des Körpers unsichtbar verstecken. Auf diese Weise können einzelne Krebszellen, die sich vom mütterlichen Tumor lösen, durch das Gefäßsystem wandern und sich dann an anderer Stelle im Organismus niederlassen. Um diesen Mechanismus zu verhindern, werden die Enzyme Trypsin (Trypsin ist eine Serinprotease aus der PA-Superfamilie, die im Verdauungssystem vieler Wirbeltiere vorkommt und dort Proteine hydrolysiert) und Chymotrypsin verwendet. Sie wirken der Bildung von Blutgerinnseln entgegen und regen gleichzeitig Prozesse im Organismus an, die bestehenden aufzulösen. Dann werden die Krebszellen von ihren Zauberkappen entfernt, so dass sie vom Immunsystem erkannt und angegriffen werden können (Das Immunsystem ist ein Wirtsabwehrsystem, das viele biologische Strukturen und Prozesse in einem Organismus umfasst, der vor Krankheiten schützt). Studien haben gezeigt, dass Immunzellen bereits in das Tumorgewebe von Patienten eingedrungen waren, die vor der Operation mit Enzymen behandelt wurden. Und wenn Enzyme direkt in einen Tumor injiziert wurden, war zum Zeitpunkt der Injektion bereits eine große Anzahl von Krebszellen abgetötet. Obwohl keine Enzymtherapie herkömmliche Krebsbehandlungen wie Bestrahlung oder Chemotherapie ersetzen kann, kann sie eine wichtige Unterstützung für bessere Heilungsprozesse und das Wohlbefinden des Patienten leisten.
5.2 Enzyme helfen bei Rheuma (Rheuma oder rheumatische Erkrankung ist ein Oberbegriff für Erkrankungen) Die meisten Menschen leiden im Alter an Rheuma. Besonders betroffen sind die Gelenke, die ein Leben lang viel zu tragen haben: das Knie- und Hüftgelenk. Wo sich die Knochen in den Gelenken treffen, sind sie von einer Schutzschicht aus Knorpel bedeckt (Knorpel ist ein elastisches und elastisches Gewebe, gummiartige Polsterung, die die Enden der langen Knochen an den Gelenken bedeckt und schützt und ein struktureller Bestandteil des Brustkorbs, des Ohres, der Nase, der Bronchien, der Bandscheiben und vieler anderer Körperkomponenten ist). Die Gelenkknorpel verlieren durch ständige Belastung ihre Elastizität. Die glatte Oberfläche wird rau und rissig und bei Gelenkbewegungen kommt es zu Knorpelabrieb. Die abgeschürften Knorpelpartikel können das Gelenk reizen und später auch die Synovialmembran entzünden. In diesem Fall spricht man von einer aktivierten oder entzündlichen Arthrose. Typisch für Arthrose (Arthrose ist eine Art Gelenkerkrankung, die durch den Zusammenbruch von Gelenkknorpel und darunterliegendem Knochen entsteht) ist zunächst nur bei Bewegung oder Training. Später treten sie auch im Ruhezustand auf. Enzympräparate wie Trypsin und Papain haben sich bei der Behandlung der aktivierten Arthrose bewährt. Ihre Anwendung reduziert die Schwellung und verbessert die Fließeigenschaften des Blutes. Die Entzündung im Gelenk wird nicht gehemmt, sondern ihr Verlauf beschleunigt, so dass eine bessere Heilung stattfinden kann. Das Ergebnis ist eine Schmerzlinderung und Morgensteifigkeit sowie eine Verbesserung der Beweglichkeit des erkrankten Gelenkes.
5.3 Enzymhemmer als Arzneimittel Enzymhemmer spielen in der Medizin eine wichtige Rolle, da eine zu geringe, aber auch zu hohe Aktivität einiger Enzyme pathologische Veränderungen im Organismus verursachen kann. Eines dieser enzymhemmenden Medikamente ist Allopurinol (Allopurinol, das unter anderem unter dem Markennamen Zyloprim verkauft wird, ist ein Medikament zur Senkung des hohen Harnsäuregehalts im Blut): Durch eine übermäßige Konzentration von Harnsäure im Blut und Gewebe werden Harnsäurekristalle in den Gelenken abgelagert. Die Folge sind schmerzhafte Entzündungen in den Gelenken. Es heißt Gicht (Gicht ist eine Form der entzündlichen Arthritis, die durch wiederholte Anfälle eines roten, zarten, heißen und geschwollenen Gelenks gekennzeichnet ist). Die schwer lösliche Harnsäure (Harnsäure ist eine heterocyclische Verbindung aus Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff mit der Formel C5H4N4O3) entsteht beim Abbau von Purinen. Bei Säugetieren wird es durch das Enzym Uricase (Das beim Menschen fehlende Enzym Uratoxidase oder Uricase oder faktorunabhängige Urathydroxylase katalysiert die Oxidation der Harnsäure zu 5-Hydroxyisourat:) in wasserlösliches Allantoin und wird im Urin ausgeschieden. Nur der Affe und der Mensch besitzen keine Uricase. Daher sind nur sie von der Gefahr der Gicht betroffen. Allopurinol unterbricht den Abbauweg von Purinen, bevor Harnsäure durch Hemmung des Enzyms Xanthinoxidase gebildet wird. 6. Sind Enzyme sicher? Nachdem nun einige Informationen über die Enzyme vorliegen, ist es möglich, dass Enzyme auch durch genetische Veränderung gefährlich werden können. Aber diese Annahme ist inakzeptabel. Mit Hilfe von technischen Produktionsstandards und geeigneten Prüfverfahren für die Enzymprodukte kann ein hohes Maß an Sicherheit erreicht werden. Nachdem die Mikroorganismen die gewünschten Enzyme freigesetzt haben, werden sie mehrfach isoliert und gereinigt. Die fertigen Enzympräparate sind von hoher Reinheit. Es ist denkbar, dass im Zuge der Genmanipulation eine Veränderung der Enzymstruktur eintreten kann. Um dieses Risiko auszuschließen, testen viele Unternehmen das Enzym (Enzyme sind makromolekulare biologische Katalysatoren) Präparate im Tierversuch. Es wird oft befürchtet, dass ein erhöhter Einsatz von Enzymen zu einem Anstieg der Allergien führen könnte. Grundsätzlich können alle Proteine – und damit auch jedes Enzym – eine allergische Überreaktion des Immunsystems auslösen. Dies wird jedoch erst deutlich, wenn ein bestimmtes Protein auf Menschen mit entsprechender Sensibilität trifft. Darüber hinaus werden die meisten Enzyme in Lebensmitteln bereits bei der Zubereitung (z.B. beim Backen) umgesetzt und gelangen nicht in das Lebensmittel. Enzyme sind für die Umwelt ungefährlich, da sie biologisch abbaubar sind.