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Enzyme in Biotechnologie, Waschmitteln, Lebensmitteln und Medizin
Enzyme sind biologische Katalysatoren, die Stoffwechselreaktionen beschleunigen oder ermöglichen. Es handelt sich um Proteine , die in einer kugelförmigen Struktur vorhanden sind (tertiäre Struktur (Biomolekulare Struktur ist die komplizierte gefaltete, dreidimensionale Form, die durch ein Molekül aus Protein, DNA oder RNA gebildet wird und die für ihre Funktion wichtig ist)) ). Das bedeutet, dass sie wie eine Art Wollknolle aufgebaut sind. Dies ist auf die Anordnung der Aminosäure zurückzuführen (Aminosäuren sind organische Verbindungen mit amin- und carboxyfunktionellen Gruppen sowie einer für jede Aminosäure spezifischen Seitenkette) Ketten. Enzyme haben ein aktives Zentrum, in dem die Reaktion mit dem Substrat stattfindet. Darüber hinaus haben viele Enzyme einen Cofaktor (Cofaktor ist eine nicht-proteinische chemische Verbindung oder ein Metallion, das für die biologische Aktivität eines Proteins erforderlich ist) das ist auch bekannt als Cönzym. 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 Enzymaktivität Der Prozess der Enzymkatalyse (Enzymkatalyse ist die Erhöhung der Geschwindigkeit einer chemi
schen Reaktion durch die aktive Stelle eines Proteins) erfolgt in Schritten. Zunächst bindet das Enzym an das Substrat und es entsteht ein Enzymsubstratkomplex. Bindungen werden gelöst, wobei sich das Substrat in einem reaktiven Übergangszustand befindet (Der Übergangszustand einer chemischen Reaktion ist eine bestimmte Konfiguration entlang der Reaktionskoordinate) . Im Enzym-Substrat-Komplex befinden sich Substrat und Produkt in einem chemischen Gleichgewicht (In einer chemischen Reaktion ist das chemische Gleichgewicht der Zustand, in dem sowohl Reaktanden als auch Produkte in Konzentrationen vorhanden sind, die keine weitere Tendenz zur Veränderung mit der Zeit haben). Die Enzyme sind in der Lage, die Aktivierungsenergie so weit zu senken (In der Chemie ist die Aktivierungsenergie ein Begriff, der 1889 vom schwedischen Wissenschaftler Svante Arrhenius eingeführt wurde, um die minimale Energie zu beschreiben, die einem chemischen System mit potenziellen Reaktanden zur Verfügung stehen muss, um eine chemische Reaktion zu bewirken) so weit, dass die Reaktion bereits bei einem niedrigeren 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 diese Weise kann ein einziges Enzym mehrere tausend Produktmoleküle in einer Minute umsetzen. 1.3 Enzyme reagieren nur mit bestimmten Substraten. Im Gegensatz zu chemischen Katalysatoren sind sie substratspezifisch (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). 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 (Biotechnologie ist die Verwendung von lebenden Systemen und Organismen zur Entwicklung oder Herstellung von Produkten oder “jede technologische Anwendung, die biologische Systeme, lebende Organismen oder deren Derivate nutzt, um Produkte oder Verfahren für eine bestimmte Verwendung herzustellen oder zu modifizieren” (UN-Konvention über die biologische Vielfalt, Kunst) 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 (Ein Mikroorganismus oder eine Mikrobe ist ein mikroskopischer Organismus, der ein- oder mehrzellig sein kann). Dadurch wird die Ausbeute erhöht. Methode 2: Protein Engineering Ziel der Protein-Engineering (Protein-Engineering ist der Prozess der Entwicklung nützlicher oder wertvoller Proteine ) 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 Archäen auch als extreme Enzyme bezeichnet. Sie sind für die Waschmittelindustrie interessant, 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 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. Die Gentechnik (Gentechnik, auch Gentechnik genannt, ist die direkte Manipulation des Genoms eines Organismus durch die Biotechnologie) wird zur Lösung dieses Problems eingesetzt. Die Struktur jedes Enzyms wird durch das Genom (In der modernen Molekularbiologie und Genetik ist ein Genom das genetische Material eines Organismus) der Archaea (Die Archaea bilden eine Domäne und ein Königreich von einzelligen Mikroorganismen) bestimmt. Das entsprechende Stück wird aus der archäologischen DNA entnommen und in das Erbgut von Laborbakterien implantiert. Mit Hilfe der eingefügten DNA (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) piece, produzieren sie nun das gewünschte Enzym in großen Mengen. 3.3 Waschmittel (Ein Waschmittel ist ein Tensid oder eine Mischung von Tensiden mit Reinigungseigenschaften in verdünnten Lösungen) Allergien und ihre Ursachen Die in Waschmitteln enthaltenen Proteasen greifen nicht nur Proteinflecken, sondern auch die menschliche Haut an. Vor allem die Enzyme sind kontaminiert, d.h. diese Substanzen, die aus Bakterien gewonnen werden, enthalten oft noch die Bakterienzellwände. 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. Die Zugabe von Lab (Lab ist ein Komplex von Enzymen, die in den Mägen von Wiederkäuern produziert werden) zur Milch , um daraus Fett und Käse zu machen, ist ein traditioneller Prozess. Es basiert auf der Wirkung eines zugesetzten Enzyms, das traditionell aus dem Wadenmagen stammt. Enzyme sind in der Fermentation am Werk und die alkoholische Fermentation (Ethanol-Fermentation/Fermentation, auch alkoholische Fermentation genannt, ist ein biologischer Prozess, der Zucker wie Glukose, Fruktose und Saccharose in zelluläre Energie umwandelt und nebenbei Ethanol und Kohlendioxid produziert) Prozesse wie die Herstellung von Bier unter Verwendung von Hefen, aber auch in der Braugerste oder im 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 von der Pektinase abgebaut (Pektinase ist ein Enzym, das Pektin abbaut, ein Polysaccharid, das in Pflanzenzellwänden vorkommt). 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 Lebensmittelsektor ist jedoch nach wie vor Stärke (Stärke oder Amylum ist ein polymeres Kohlenhydrat aus einer großen Anzahl von Glucoseeinheiten, die durch glykosidische Bindungen verbunden sind) Verzuckerung (Hydrolyse bedeutet in der Regel die Spaltung chemischer Bindungen durch Zugabe von Wasser ) . Rüben- oder Rohrzucker sind heute nicht mehr der alleinige Lieferant von Zucker; im Prinzip kann jede stärkehaltige Pflanze wie Kartoffel oder Mais (Mais (Zea mays subsp) 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 (Bakterien stellen eine große Domäne prokaryontischer Mikroorganismen dar). 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. Bei einem starken Immunsystem erkennen spezielle Antikörper (Ein Antikörper, auch Immunglobulin genannt, ist ein großes, Y-förmiges Protein, das hauptsächlich von Plasmazellen produziert wird und vom Immunsystem verwendet wird, um Krankheitserreger wie Bakterien und Viren zu neutralisieren) diese Zellen und eliminieren 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 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. 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 (Chemotherapie ist eine Kategorie der Krebsbehandlung, die ein oder mehrere Krebsmedikamente als Teil eines standardisierten Chemotherapieprogramms verwendet), kann sie eine wichtige Unterstützung für bessere Heilungsprozesse und das Wohlbefinden des Patienten leisten. 5.2 Enzyme helfen bei Rheuma Die meisten Menschen leiden unter Rheuma (Rheuma oder rheumatische Erkrankung ist ein Oberbegriff für Erkrankungen) im Alter. 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. Die Gelenkknorpel verlieren durch ständige Belastung ihre Elastizität. Die glatte Oberfläche wird rau und rissig und der Knorpel (Knorpel ist ein elastisches und glattes 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) Abrieb entsteht bei Gelenkbewegungen. Die abgeschürften Knorpelpartikel können das Gelenk reizen und später auch die Synovialmembran entzünden (Die Synovialmembran ist ein spezielles Bindegewebe, das die Innenfläche von Kapseln von Synovialgelenken und Sehnenscheiden auskleidet) . In diesem Fall spricht man von einer aktivierten oder entzündlichen Arthrose. Typisch für die Arthrose sind Schmerzen zunächst nur bei Bewegung oder Bewegung. Später treten sie auch im Ruhezustand auf. Enzympräparate wie Trypsin (Trypsin ist eine Serinprotease aus der PA-Superfamilie, die im Verdauungssystem vieler Wirbeltiere vorkommt und dort Proteine hydrolysiert) und Papain (Papain, auch Papaya-Proteinase I genannt, ist ein Cystein-Protease-Enzym, das in Papaya und Bergpapaya vorhanden ist) haben sich bei der Behandlung der aktivierten Arthrose bewährt (Osteoarthritis ist eine Art Gelenkerkrankung, die durch den Abbau von Gelenkknorpel und darunterliegendem Knochen entsteht). Ihre Anwendung reduziert die Schwellung und verbessert die Fließeigenschaften des Blutes. Die Entzündung (Entzündung ist Teil der komplexen biologischen Reaktion von Körpergeweben auf schädliche Reize wie Krankheitserreger, geschädigte Zellen oder Reizstoffe und ist eine Schutzreaktion von Immunzellen, Blutgefäßen und molekularen Vermittlern) im Gelenk wird nicht gehemmt, sondern ihr Verlauf wird 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: 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 nennt sich Gicht. Die schwer lösliche Harnsäure entsteht beim Abbau von Purinen. Bei Säugetieren wird es durch das Enzym Uricase in wasserlösliches Allantoin zerlegt (Allantoin ist eine chemische Verbindung der Formel C4H6N4O3) und im Urin ausgeschieden (Urin ist ein flüssiges Nebenprodukt des Stoffwechsels in den Körpern vieler Tiere, einschließlich des Menschen) . Nur der Affe und der Mensch besitzen keine Uricase (Das Enzym Uratoxidase, oder Uricase oder faktorunabhängige Urathydroxylase, die beim Menschen fehlt, katalysiert die Oxidation der Harnsäure zu 5-Hydroxyisourat:) . Daher sind nur sie von der Gefahr einer Gicht betroffen (Gicht ist eine Form der entzündlichen Arthritis, die durch wiederholte Anfälle eines roten, zarten, heißen und geschwollenen Gelenks gekennzeichnet ist). Allopurinol (Allopurinol, unter anderem unter dem Markennamen Zyloprim erhältlich, ist ein Medikament zur Senkung des hohen Harnsäuregehalts im Blut) unterbricht den Abbau von Purinen (A-Purin ist eine heterocyclische aromatische organische Verbindung, die aus einem an einen Imidazolring fusionierten Pyrimidinring besteht) vor Harnsäure (Harnsäure ist eine heterocyclische Verbindung aus Kohlenstoff), Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff mit der Formel C5H4N4O3) wird durch Hemmung des Enzyms Xanthinoxidase erzeugt (Xanthinoxidase ist eine Form der Xanthinoxidoreduktase, eine Art von Enzym, das reaktive Sauerstoffspezies erzeugt) . 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 die Enzympräparate 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 (Enzyme sind makromolekulare biologische Katalysatoren) – eine allergische Überreaktion des Immunsystems auslösen (Das Immunsystem ist ein Wirtsabwehrsystem, das viele biologische Strukturen und Prozesse innerhalb eines Organismus umfasst, der vor Krankheiten schützt) . Dies wird jedoch erst deutlich, wenn ein bestimmtes Protein (Proteine sind große Biomoleküle oder Makromoleküle, die aus einer oder mehreren langen Ketten von Aminosäureresten bestehen) auf Menschen mit entsprechender Empfindlichkeit 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.