Enzyme: Wirkung, Schlüssel-Schloss-Prinzip und Verdauung

In deinem Körper laufen ständig chemische Reaktionen ab. Bei einer chemischen Reaktion entstehen aus Stoffen neue Stoffe, zum Beispiel aus Stärke ein Zucker. Bei Körpertemperatur liefen viele dieser Reaktionen allein viel zu langsam ab. Hier helfen Enzyme. Enzyme sind Stoffe, die Lebewesen selbst herstellen. Die meisten Enzyme sind Eiweiße. Jedes Enzym beschleunigt eine bestimmte chemische Reaktion.

Ein Stoff, der eine Reaktion beschleunigt und dabei selbst nicht verbraucht wird, heißt Katalysator. Weil Enzyme solche Katalysatoren aus Lebewesen sind, nennt man sie auch Biokatalysatoren. Die Vorsilbe „Bio“ bedeutet „Leben“. Nach der Reaktion liegt das Enzym unverändert vor. Es kann dieselbe Reaktion wieder und wieder beschleunigen. Deshalb reichen schon kleine Mengen eines Enzyms aus.

Den Stoff, den ein Enzym umsetzt, also umwandelt, nennt man Ausgangsstoff. Das Fachwort dafür heißt Substrat. Den Stoff, der dabei entsteht, nennt man Endstoff. Die Arbeit eines Enzyms läuft in drei Schritten ab: Erst lagert sich der Ausgangsstoff an das Enzym an. Dann wandelt das Enzym ihn um. Zum Schluss löst sich der Endstoff, und das Enzym ist wieder frei.

Viele Enzymnamen enden auf „-ase“, zum Beispiel Amylase und Lipase. Pepsin ist eine Ausnahme mit einem alten Namen.

Ein Enzym hat eine bestimmte räumliche Form. An einer Stelle des Enzyms passt nur ein bestimmter Ausgangsstoff hinein. Das ist ähnlich wie bei einem Schloss: Nur ein bestimmter Schlüssel passt hinein. Diesen Vergleich nennt man Schlüssel-Schloss-Prinzip. Der Ausgangsstoff ist der Schlüssel, das Enzym ist das Schloss.

Der Chemiker Emil Fischer hat diesen Vergleich Ende des 19. Jahrhunderts aufgestellt. Ein Chemiker erforscht Stoffe und wie sie sich verändern. Das Schlüssel-Schloss-Prinzip ist ein Modell. Ein Modell ist ein vereinfachter Vergleich. Es zeigt nicht, wie ein Enzym wirklich aussieht. Es hilft dir aber zu verstehen, warum ein Enzym so wählerisch ist.

Jedes Enzym setzt nur einen bestimmten Stoff oder eine Gruppe sehr ähnlicher Stoffe um. Die Amylase zerlegt zum Beispiel Stärke, aber kein Fett. Die Lipase zerlegt Fett, aber keine Stärke. Außerdem beschleunigt ein Enzym nur eine bestimmte Art von Reaktion mit seinem Stoff. Einfach gesagt: Jedes Enzym hat genau eine Aufgabe. Darum braucht dein Körper viele verschiedene Enzyme.

Wärme beschleunigt die Arbeit eines Enzyms zunächst. Kälte verlangsamt sie. Kälte schadet dem Enzym aber nicht: Wird es wieder warm, arbeitet es wieder. Das kennst du vom Kühlschrank: Darin verderben Lebensmittel langsamer.

Jedes Enzym arbeitet bei einer bestimmten Temperatur am besten. Diese Temperatur heißt sein Temperatur-Optimum. Das Wort „Optimum“ bedeutet „das Beste“. Bei den meisten Enzymen des Menschen liegt das Optimum etwa bei 37 °C (Körpertemperatur). Wird es deutlich wärmer als das Optimum, ändert sich die Form des Enzyms. Dann passt der Ausgangsstoff nicht mehr hinein, und das Enzym arbeitet nicht mehr. Das Fachwort dafür heißt Denaturierung. Sie ist meist nicht umkehrbar. Ähnlich ist es beim Eiweiß im Hühnerei: Ein gekochtes Ei wird beim Abkühlen nicht wieder flüssig.

Auch der pH-Wert beeinflusst ein Enzym. Der pH-Wert gibt an, wie sauer oder basisch eine Lösung ist. Basisch ist das Gegenteil von sauer. Bei pH 7 ist eine Lösung neutral, also weder sauer noch basisch. Werte kleiner als 7 bedeuten sauer. Jedes Enzym hat ein pH-Optimum, bei dem es am besten arbeitet. Weit davon entfernt arbeitet es langsamer oder gar nicht. Starke Säuren zerstören die Form vieler Enzyme, aber nicht aller.

Zwei Beispiele aus deiner Verdauung: Pepsin arbeitet im sauren Magensaft am besten, etwa bei pH 1,5 bis 3. Die Amylase aus dem Speichel arbeitet im Mund. Im stark sauren Magen wird sie unwirksam.

Bei der Verdauung zerlegen Enzyme große Nährstoffe in kleine Bausteine. Diese kleinen Bausteine kann der Dünndarm ins Blut aufnehmen. Enzyme, die bei der Verdauung arbeiten, heißen Verdauungsenzyme. Drei wichtige sind Amylase, Pepsin und Lipase.

Die Amylase kommt im Speichel im Mund vor. Außerdem gelangt Amylase aus der Bauchspeicheldrüse in den Dünndarm. Die Bauchspeicheldrüse ist ein Organ, das Verdauungssaft mit Enzymen in den Dünndarm abgibt. Die Amylase zerlegt Stärke in Malzzucker. Darum schmeckt Brot süßlich, wenn du es lange kaust.

Pepsin entsteht im Magen. Es wird erst durch die Magensäure aktiv, also durch die Säure im Magensaft. Pepsin zerlegt Eiweiße in kleinere Bruchstücke. Die Lipase kommt vor allem aus der Bauchspeicheldrüse und arbeitet im Dünndarm. Sie zerlegt Fette in Glycerin und Fettsäuren, das sind zwei Arten kleinerer Bausteine. Die Galle ist ein Verdauungssaft, aber kein Enzym. Sie hilft, das Fett in kleine Tröpfchen zu verteilen.

Mit einem einfachen Schulversuch kannst du zeigen, dass die Amylase im Speichel Stärke abbaut. Dazu brauchst du einen Nachweis für Stärke: Iod-Kaliumiodid-Lösung färbt Stärke blau-schwarz. Ein anderer Name für diese Lösung ist Lugolsche Lösung. Gibt man sie zu einer Probe, nennt man das Iodprobe. Bleibt die Blaufärbung aus, ist die Stärke abgebaut.

Wichtig ist ein Kontrollversuch. Das ist ein Vergleichsversuch, bei dem genau eine Sache fehlt, hier das Enzym. Alles andere bleibt gleich. Erst der Vergleich zeigt, dass wirklich der Speichel die Stärke abgebaut hat und nicht die Zeit oder die Wärme.