Wirkung von schwermetallen

1. Denaturierung von Proteinenr / r /> Um ihre hochspezifischen Funktionen ausüben zu können, bedienen sich Proteine einer hochgeordneten, dreidimensionalen Struktur. Wird diese Struktur gestört und die Funktionalität der Proteine dadurch eingeschränkt oder gar unmöglich gemacht, spricht man von Denaturierung.

Es gibt zahllose Möglichkeiten, wie Proteine denaturiert werden können. Ein gutes Beispiel für Proteindenaturierung kennt jeder aus dem täglichen Leben:
Bei Raumtemperatur liegen Proteine in einem Hühnerei in flüssiger Konsistenz vor. Wird das Ei in kochendes Wasser gelegt, verlieren die Proteine mit der Zeit ihre hochgeordnete, räumliche Struktur und bilden einen willkürlichen Klumpen an funktionsloser Proteinmasse. Heraus kommt ein gekochtes Ei. Wie man sieht, ist die Temperatur also ein wichtiger Faktor bei der Denaturierung von Proteinen. Der Grund, warum Mensch und Tier an sehr hohem Fieber sterben können, ist die Hitzedenaturierung und der damit verbundene Funktionsverlust von Enzymen und anderen Proteinen.
\"Hitze\" ist in diesem Zusammenhang allerdings ein relativer Begriff, der für manche Proteine schon bei etwas über 40 °C beginnt. Organismen, die in heißen Quellen leben, müssen allerdings mit viel höheren Temperaturen fertig werden. Ihre Enzyme sind wesentlich verträglicher für hohe Temperaturen, sie sind beispielsweise durch interne Salzbrücken verstärkt.

Neben der Temperatur spielt auch Sauerstoff eine wichtige Rolle bei der Denaturierung von Eiweiß. Sauerstoff ist ein Zellgift, weil es Proteinseitenketten, insbesondere Cysteinreste, oxidiert.

Anaerobe Zellen sind auf eine sauerstofffreie Umgebung angewiesen, da sie es nicht gelernt haben, mit Sauerstoff umzugehen. Heute findet man noch Vertreter in heißen, sauren Quellen, Salzlaken, Sümpfen und in der Tiefsee (Archaebakterien).
Aerobe Organismen sind auf Sauerstoff für ihre Atmung angewiesen. Sie haben im Laufe der Evolution ausgeklügelte Schutzmechanismen gegen die giftigen Nebenerscheinungen des Sauerstoffs entwickelt.
Proteine sind Makromoleküle, die neben Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff auch Stickstoff und manchmal auch Schwefel enthalten. Die saure Hydrolyse (das intensive Kochen in starken Säuren) zerlegt die Riesenmoleküle in ihre einzelnen Bausteine, nämlich rund 20 Arten von Aminosäuren. Das heißt: Proteine bestehen aus langen Ketten von Aminosäuren, die durch Peptidbindungen verbunden sind. Meist sind Hunderte oder Tausende von Aminosäuren miteinander verknüpft.

Durch chemische Substanzen (z.B. Säuren, Salze) oder hohe oder tiefe Temperaturen können sich Sekundär- und Tertiärstruktur und damit eventuell auch die Quartärstruktur ändern, ohne dass sich jedoch die Reihenfolge der Aminosäuren (Primärstruktur) ändert. Dieser Vorgang heißt Denaturierung und ist meistens irreversibel, d.h. der ursprüngliche räumliche Aufbau kann nicht wiederhergestellt werden. Beim Abbau der Proteine entstehen Peptone.

Der Name Protein wurde 1838 von Jöns Berzelius vom griechischen Wort protos (\'erstes, wichtigstes\') oder proteuo (\'ich nehme den ersten Platz ein\') abgeleitet, um dadurch die Bedeutung der Proteine für das Leben zu unterstreichen.

2. Cystein

Cystein ist eine von zwei schwefelhältigen Aminosäuren. Cystein besitzt eine Sulfhydrylgruppe als Seitenkette. Es handelt sich um eine hydrophobe, sehr reaktive Seitenkette, die leicht Disulfidbrücken ausbildet.


Reagiert ein Cysteinmolekül mit einem zweiten, nennt man das entstandene Dimer Cystin. Cystin spielt eine große Rolle bei der dreidimensionalen Struktur der Proteine.



Für Aminosäuren sind zur einfacheren Handhabung Abkürzungen gebräuchlich. Man unterscheidet den 3-Buchstaben-Code (meist die ersten 3 Buchstaben des jeweiligen Aminosäure-Namens, z.B.: Cys) und den 1-Buchstaben-Code (wo möglich der Anfangsbuchstabe des jeweiligen Aminosäure-Namens, z.B: C).


3. Knüpfen einer Disulfidbindung




4. Makromoleküle

Makromoleküle sind Moleküle, die aus sehr vielen Atomen bestehen und damit ein relativ großes Molekulargewicht haben. Die meisten Makromoleküle finden sich in der organischen Chemie.

Ein physikalisches Kennzeichen einiger Makromoleküle ist, dass sie sich in Lösungen nicht so fein verteilen wie kleinere Moleküle, d.h. nicht monodispers in Lösung verteilt sind. Eine nicht monodisperse Lösung aus Makromolekülen zeigen in aller Regel einen Tyndall-Effekt durch Bildung von Kolloiden.


5. Bedeutung für den Organismus

Die Aufgaben der Proteine im Organismus sind vielfältig. Einige Beispiele:

Als Enzyme beschleunigen sie chemische Reaktionen.
Als Hormone steuern sie Vorgänge im Körper.
In den Muskeln verändern bestimmte Proteine ihre Form und sorgen so für die Kontraktion der Muskeln und damit für Bewegung.
Hämoglobin ist ein Transportprotein, das im Blut für den Sauerstofftransport zuständig ist.

6. Räumlicher Aufbau

Der Aufbau der Proteine, d.h. die Reihenfolge der Aminosäuren ist in der Desoxyribonukleinsäure (DNS) kodiert. In den Ribosomen wird diese Information verwendet, um aus einzelnen Aminosäuren ein Proteinmolekül zusammenzusetzen, wobei die Aminosäuren in einer ganz bestimmten, von der DNS vorgegebenen Reihenfolge verknüpft werden. Für die Wirkungsweise der Proteine ist aber auch ihr räumlicher Aufbau wichtig. Deswegen lässt sich die Struktur der Proteine auf 4 Betrachtungsebenen beschreiben:

Als Primärstruktur eines Proteins wird die Abfolge der einzelnen Aminosäuren, d.h. die Aminosäuresequenz, wie sie die in der DNS gespeicherte Information vorgibt, bezeichnet.
Die räumliche Anordnung der Aminosäuren eines Proteins wird als Sekundärstruktur bezeichnet. Man unterscheidet dabei zwischen folgenden Strukturtypen: alpha-Helix, beta-Faltblatt, beta-turn und ungeordneten, so genannten random-coil-Strukturen. Diese Strukturen ergeben sich durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den einzelnen Aminosäuren.
Die schraubenförmigen oder zickzackähnlichen Ketten sind wiederum unregelmäßig gewunden und verknäuelt, wodurch sich die Tertiärstruktur, also die endgültige, übergeordnete räumliche Form eines einzelnen Proteinmoleküls, ergibt.
Bei vielen Funktionen im Körper arbeiten mehrere Proteinmoleküle zusammen, die nicht chemisch miteinander verbunden sind, aber eng aneinandergelagert sind. Das Hämoglobin beispielsweise besteht aus vier Proteinmolekülen. Falls solch eine räumliche Anordnung mehrerer Moleküle zu einer übergeordneten funktionellen Einheit besteht, wird diese als Quartärstruktur bezeichnet.
Man unterscheidet zwei Hauptgruppen von Proteinen:

die globulären Proteine, deren Tertiär- oder Quartärstruktur annähernd kugel- oder birnenförmig aussieht und die meist in Wasser oder Salzlösungen gut löslich sind (Beispiel: das Protein des Eiklars, Ov-Albumin genannt),
die fibrillären Proteine, die eine fadenförmige oder faserige Struktur besitzen, meist unlöslich sind und zu den Stütz- und Gerüstsubstanzen gehören (Beispiel: die Keratine in den Haaren und Fingernägeln).

7. Enzyme

Ein Enzym ist ein biochemischer Katalysator, der hilft, ein Substrat zu spalten oder anderweitig zu verändern. Das Enzym erleichtert die dafür nötige Reaktion, indem es die Aktivierungsenergie herabsetzt, die stets überwunden werden muss, damit es überhaupt zu einer Stoffumsetzung kommt. Das Enzym nimmt an der biochemischen Reaktion teil, geht mit den umzusetzenden Stoffen sogar eine vorübergehende Verbindung (den Enzym-Substrat-Komplex) ein, wird aber durch die Reaktion nicht verändert. Es sind heute über 2.000 verschiedene Enzyme bekannt.

Die meisten Enzyme sind ihrer chemischen Natur nach Eiweiße. Doch auch Ribonucleinsäuren (RNA) können als Ribozyme katalytisch wirksam sein. In den Frühzeiten der chemisch-biologischen Evolution waren einfach gebaute RNA-Moleküle, die den heutigen Polymerasen ähnelten, offenbar die einzigen Biokatalysatoren.

Für die katalytische Wirksamkeit eines Protein-Enzyms ist das so genannte aktive Zentrum verantwortlich, das aus besonders gefalteten Teilen der Polypeptidkette oder reaktiven Nicht-Eiweiß-Anteilen des Enzymmoleküls besteht. Eine spezielle Hohlstruktur im Enzym bewirkt, dass das aktive Zentrum mit einem passenden Substrat in Kontakt treten kann.


Einteilung
Man unterscheidet nach ihrer Struktur 3 Typen von Enzymen:

1. reine Protein-Enzyme

Das aktive Zentrum wird bei ihnen von bestimmten Aminosäure-Resten gebildet. Zu dieser Gruppe von Enzymen gehören die Hydrolasen, die ein Substrat hydrolytisch spalten.
Neben diesen reinen Protein-Enzymen gibt es noch Enzyme mit einem reaktiven Nicht-Eiweiß-Anteil (Cofaktor). Der Cofaktor eines Enzyms kann entweder ein anorganisches Ion sein (z.B. ein Eisen- oder Mangan-Ion) oder ein komplexeres organisches Molekül, das man Coenzym nennt. Einige Enzyme benötigen sowohl ein Coenzym als auch ein oder mehrere Metallionen für ihre Aktivität. Der Cofaktor kann dauerhaft oder nur vorübergehend mit dem Proteinanteil des Enzyms verbunden sein. Daher unterscheidet man:

2. Enzyme mit fest und dauerhaft gebundener prosthetischer Gruppe

Ihr aktives Zentrum wird von einem Nicht-Protein-Molekül, der so genannten prosthetischen Gruppe, gebildet. Hierbei kann es sich z.B. um einen Vitamin-Abkömmling handeln.
3. Holoenzyme, bestehend aus einem Apoenzym und einem Coenzym (Cosubstrat)

Das Apoenzym ist der blanke Proteinanteil, das Coenzym oder Cosubstrat ein abspaltbarer Cofaktor. Das Holoenzym ist der Komplex aus Apo- und Coenzym, der nur vorübergehend gebildet wird.
Der Proteinanteil ist verantwortlich für die Substratspezifität und für die Wirkungsspezifität (Reaktionsspezifität) eines Enzyms, das heißt, er entscheidet darüber, welche Stoffe überhaupt umgesetzt werden und welche von den zahlreichen möglichen Reaktionen das Substratmolekül eingeht.

Die Enzymaktivität, einer der Parameter der Enzymkinetik, ist von äußeren Faktoren abhängig. Temperaturerhöhung vermag die Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion zu steigern, jedoch nur dann, wenn durch die erhöhte Temperatur die Enzymproteine nicht denaturiert werden. Auch pH-Wert-Änderungen haben einen Einfluss auf die Enzymaktivität.

In unserem Körper wirken Hunderte von verschiedenen Enzymen. Fehlt ein Enzym oder ist es z.B. durch Vitaminmangel nicht aktiv, kann es zu schweren Stoffwechselstörungen kommen. Enzyme werden aber auch von der Industrie benötigt. Waschmitteln fügt man die Lipase, ein fettspaltendes Enzym, zur Erhöhung der Reinigungsleistung hinzu. Enzyme werden auch zur Herstellung einiger Medikamente und Insektenschutzmittel verwendet. Bei der Käseherstellung wirkt das Labferment mit, ein Enzym, das aus Kälbermägen gewonnen wurde. Viele Enzyme können heute mit Hilfe von gentechnisch veränderten Mikroorganismen hergestellt werden.

Die frühere Bezeichnung für Enzym war das Wort Ferment. Meistens endet die Bezeichnung eines Enzyms mit der Silbe -ase, z.B. Lipase, Amylase, Proteinase. Enzyme werden also oft nach dem Namen des Substrates benannt. Sie können aber auch nach dem Vorgang benannt werden, den sie katalysieren. Einige Ausnahmen von der Regel sind die Eiweiß spaltenden Enzyme Trypsin und Chymotrypsin aus der Bauchspeicheldrüse sowie das im Magen wirkende Pepsin; diese Enzyme haben ihre traditionellen Trivialnamen beibehalten.


Klassifikation
Es werden nach ihrer Funktion sechs Klassen von Enzymen unterschieden:

1. Oxidoreduktasen, die Redoxreaktionen katalysieren. Beispiele: Alkoholdehydrogenase, Pyruvatdehydrogenase.

2. Transferasen, die funktionelle Gruppen von einem Substrat auf ein anderes übertragen, z.B. Pyruvatkinase.

3. Hydrolasen, die Bindungen unter Einsatz von Wasser spalten. Beispiele: Glycosidasen, Peptidasen, Esterasen.

4. Synthasen, auch Lyasen genannt, die die Synthese komplexerer Produkte aus einfachen Substraten katalysieren, allerdings ohne Spaltung von ATP. Beispiel: Fumarase.

5. Isomerasen, die die Umwandlung von chemischen Isomeren beschleunigen. Beispiel: Epimerase.

6. Synthetasen oder Ligasen, die die Bildung von Substanzen katalysieren, die chemisch komplexer sind als die benutzten Substrate, allerdings im Unterschied zu den Synthasen nur unter Energieverbrauch, d.h. ATP-Spaltung, enzymatisch wirksam sind. Beispiel: Pyruvatcarboxylase.

Enzymhemmung
Die Wirksamkeit eines Enzyms lässt sich auf unterschiedliche Weise unterbinden. Man unterscheidet vier Formen der Enzymhemmung:


1. Kompetitive Hemmung:

Das Substrat konkurriert mit dem Hemmstoff (Inhibitor) um das aktive Zentrum. Der Inhibitor ist nicht umsetzbar und stoppt dadurch die Enzymarbeit. Nur bei ausreichend hoher Hemmstoff-Konzentration bleibt das Enzym gehemmt. Nimmt die Konzentration des Hemmstoffes ab, und die Substratkonzentration zu, kann wieder Substrat vom Enzym gespalten werden.
2. Nichtkompetitive Hemmung:

Der Inhibitor (meist ein Schwermetallion) heftet sich unumkehrbar (irreversibel) an das aktive Zentrum, die Katalyseaktivität des Enzyms wird dadurch dauerhaft zerstört.

3. Allosterische Hemmung:

Der Inhibitor wird bei dieser Form der Hemmung an einer anderen wichtigen Stelle des Enzyms aktiv, dem allosterischen Zentrum. Dort heftet es sich umkehrbar (reversibel) an und verändert die Form des aktiven Zentrums, so dass das Substrat nicht mehr in das Enzym passt. Durch eine Substratkonzentrationserhöhung wird der Inhibitor aus dem Enzym verdrängt, die Reaktion kann weiterlaufen.
4. Feedback Hemmung (eine Variante der allosterischen Hemmung):

Wie unter 3., nur hierbei dient das Endprodukt als Inhibitor. Dadurch entsteht automatisch ein Regelkreis.