Enzymkatalyse

Eduard Buchner zerrieb 1897 in München Hefezellen unter hohem Druck, um eine saubere Proteinfraktion zu gewinnen, und gab konzentrierte Zuckerlösung als Konservierungsmittel dazu. Der Zucker begann zu gären. Der zellfreie Hefesaft, in dem keine einzige lebende Zelle mehr steckte, erzeugte Kohlendioxid und Ethanol, als wären die Zellen noch da. Damit war die Gärung Chemie — jene Gärung, für die Louis Pasteur einen lebenden Organismus gefordert hatte und die der Prüfstein des Vitalismus im neunzehnten Jahrhundert gewesen war. Was wirkte, war ein Stoff, keine Lebenskraft. Buchner nannte ihn Zymase, erhielt 1907 den Nobelpreis für Chemie und stellte mit einer einzigen Arbeit die Grundlagen der Biologie um. Die Proteine, die eine solche Katalyse leisten, heißen heute Enzyme.

Ein Enzym ist ein Protein — gelegentlich eine RNA —, das eine bestimmte chemische Reaktion katalysiert, indem es deren Aktivierungsenergie senkt, ohne sich dabei zu verbrauchen. Die Beschleunigungen sind ungeheuerlich. Die Carboanhydrase treibt ihre Reaktion um den Faktor ~10⁷ an, die OMP-Decarboxylase um ~10¹⁷, den größten bekannten Wert: Was unkatalysiert 78 Millionen Jahre bräuchte, ist so in 18 Millisekunden erledigt. Ohne Enzyme dauerte die Chemie des Lebens länger, als das Universum alt ist. Die einheitliche Erklärung lieferte Linus Pauling 1948 mit der Stabilisierung des Übergangszustands: Ein Enzym bindet den Übergangszustand fester als Substrat oder Produkt und senkt die Aktivierungsenergie um genau diese Differenz der Bindungsenergien. Der kinetische Rahmen war älter — Leonor Michaelis und Maud Menten leiteten 1913 in Berlin v = V_max · [S] / (K_m + [S]) her; die schnellsten Enzyme arbeiten so rasch, wie sich Moleküle in Lösung überhaupt begegnen können. Das Schlüssel-Schloss-Prinzip, das Emil Fischer 1894 prägte, traf die Spezifität, verfehlte aber die Beweglichkeit; Daniel Koshlands Modell der induzierten Passform korrigierte das 1958. Die katalytischen Strategien bilden eine überschaubare Gruppe — allgemeine Säure-Base-Katalyse, kovalente Katalyse, Metallionen-Katalyse (Zink in der Carboanhydrase, Magnesium in der DNA-Polymerase), elektrostatische Vororganisation (Arieh Warshel, Nobelpreis 2013) —, und die meisten Enzyme kombinieren mehrere davon. Thomas Cech (1982) und Sidney Altman (1983) fanden Enzyme aus RNA, die Ribozyme, und zeigten damit, dass auch Nukleinsäuren Reaktionen katalysieren können; ihr gemeinsamer Nobelpreis 1989 wurde zum gewichtigen Beleg für eine RNA-Welt vor dem heutigen Leben. Das Ribosom selbst, die proteinbauende Maschine jeder Zelle, ist in seinem katalytischen Kern ein Ribozym.