2. Die Enzyme und ihre Wirkungsweise[113].

Die Enzyme sind eine physiologisch so überaus interessante Gruppe von

Körpern, daß es notwendig ist, etwas näher auf sie einzugehen und

vor allem ihre eigentümliche Wirkungsweise kennen zu lernen. +Wir

verstehen nämlich unter Enzymen oder gelösten Fermenten eine Reihe

von Stoffen aus dem Tier- und Pflanzenreich, welche die merkwürdige

Eigentümlichkeit haben, gewisse chemische Umsetzungen herbeizuführen,

ohne selbst dabei verbraucht zu werden.+ Wenn man mit einer bestimmten

Menge eines Enzyms eine große Menge einer chemischen Verbindung

gespalten hat, so findet man die ursprüngliche Menge des Enzyms noch

unverändert in der Flüssigkeit vor. Unter geeigneten Bedingungen kann

man daher mit einer kleinen Menge des Enzyms eine unbegrenzte Menge

gewisser Stoffe zerspalten.

Leider sind unsere Kenntnisse vom Wesen der Enzyme und ihrer

Wirkungsweise noch immer gering trotz der vielen Erfahrungen, die

uns die letzten Jahre gebracht haben und trotz der fortwährenden

Verwendung, die der Begriff auf Schritt und Tritt in der Physiologie

findet. In letzterer Beziehung möchte man fast von einer geradezu

mißbräuchlichen Verwendung sprechen.

Zunächst ist nämlich schon die chemische Natur der Enzyme so gut wie

unbekannt. Zwar kann man in manchem Lehrbuch lesen: „Die Enzyme sind

komplizierte stickstoffhaltige Verbindungen, die den Eiweißkörpern

nahestehen“, aber das ist nichts Besseres als eine Vermutung, und das

gleiche gilt von der in neuerer Zeit mehrfach geäußerten Ansicht,

daß die Enzyme zur Gruppe der Nukleoproteide gehören. Bis jetzt ist

noch kein Enzym mit Sicherheit isoliert worden, geschweige denn in

seiner chemischen Zusammensetzung erkannt, selbst nicht einmal die

am besten studierten Enzyme der Verdauungssäfte. Auch die neueren

Angaben von ~Pekelharing~[114], daß es ihm gelungen sei, das Pepsin

des Magensaftes rein darzustellen, ändern an dieser Tatsache nichts.

Wenn ~Pekelharing~ versichert, das Pepsin als chemisches Individuum

isoliert zu haben, so kann man ihm das glauben, wenn man will. Einen

Beweis für seine Behauptung hat er nicht geliefert, denn es existiert

kein Kriterium, auf Grund dessen man wirklich entscheiden könnte, ob

das ~Pekelharing~sche Pepsin ein chemisches Individuum ist oder ein

Gemisch. Nach den Befunden von ~Friedenthal~ und ~Miyamota~[115] läßt

sich die Nukleinsäure- wie die Eiweißkomponente entfernen, ohne daß die

enzymatische Wirksamkeit des Pepsins oder Trypsins verloren geht. Die

Sache liegt hier also genau so zweifelhaft wie bei den verschiedenen

Eiweißkörpern, von denen wir ebenfalls nicht mit Gewißheit sagen

können, ob sie chemisch einheitliche Verbindungen sind oder Gemische

von solchen. Ja, bei vielen Eiweißkörpern steht es sogar vielleicht

noch insofern besser, als man allenfalls ihre Kristallisationsfähigkeit

für ihren Charakter als chemische Individuen geltend machen kann. Das

ist bei den Enzymen nicht einmal der Fall. Aber selbst wenn es gelänge,

Enzyme rein zu gewinnen, dann wäre noch immer ihre stereochemische

Konstitution zu ermitteln. Davon scheinen wir aber noch weiter entfernt

zu sein wie bei den Eiweißkörpern.

Bei diesem Zustande bleibt also nichts übrig, als die Enzyme lediglich

durch ihre Wirkung zu charakterisieren und, wie oben gesagt, das

Gemeinsame in ihrer Wirkung darin zu sehen, daß sie große Mengen

bestimmter chemischer Verbindungen spalten können, ohne selbst dabei

verbraucht zu werden.

Bei dieser Charakteristik kommt aber wesentlich die Frage in Betracht,

wie man sich diese eigentümliche Wirkungsweise der Enzyme chemisch

oder physikalisch zu denken hat. Die alte ~Liebig~sche Vorstellung,

daß das Fermentmolekül die Schwingungen seiner eigenen Atome auf die

der zu spaltenden Verbindung überträgt und dadurch das chemische

Gleichgewicht im Molekül dieser Verbindung stört, ist heute wohl

gänzlich verlassen worden. Die heutigen Vorstellungen über die Theorie

der Enzymwirkungen betrachten als Prinzip derselben die chemische

Affinität des Enzymmoleküls zu dem Molekül der Verbindung, auf die es

wirkt, und ordnen die Enzymwirkungen ganz allgemein der großen Gruppe

von katalytischen Prozessen unter, die wir in ihren einfachsten Fällen

schon lange aus der anorganischen Chemie kennen. Um ein Verständnis

für einen Vorgang zu gewinnen, ist es immer der zweckmäßigste Weg,

denselben in seiner einfachsten bekannten Form zu studieren, und das

hat bekanntlich heute zu einem eingehenden Studium der einfachsten

katalytischen Prozesse von seiten der physikalischen Chemie geführt.

Vor allem hat ~Ostwald~ in dieser Beziehung anregend gewirkt, indem er

zunächst versucht hat, den Begriff der Katalyse faßbar zu definieren.

Er findet +das Wesen der Katalyse in der Geschwindigkeitsänderung

eines chemischen Vorganges durch die Gegenwart eines fremden Stoffes+,

den er „Katalysator“ nennt. „+Ein Katalysator ist jeder Stoff, der,

ohne im Endprodukt einer chemischen Reaktion zu erscheinen, ihre

Geschwindigkeit verändert+“[116]. Es ist hier nicht der Ort, die Frage

aufzuwerfen, ob diese Definition wirklich allgemein durchführbar

ist und vor allem, ob sie sich in dieser so sehr heterogene Dinge

zusammenfassenden Form als praktisch erweisen wird. Jedenfalls ist die

Analogisierung der Enzymwirkungen mit den einfachsten katalytischen

Prozessen der Chemie durch das eingehendere Studium der letzteren

von seiten ~Ostwald~s und seiner Schüler für die Auffassung der

ersteren außerordentlich fruchtbar geworden. Besonders die Arbeiten

von ~Bredig~[117], der die Metalle in ihrem kolloiden Zustande direkt

als „anorganische Fermente“ bezeichnet, haben eine solche Fülle von

interessanten Uebereinstimmungen zwischen diesen und den organischen

Enzymen zum Teil neu entdeckt, zum Teil näher beleuchtet, daß man

hinsichtlich der Wirkungsweise beider wohl ohne allzuschwere Bedenken

das gleiche Prinzip voraussetzen darf.

Das gewöhnlich als Paradigma zitierte Beispiel einer katalytischen

Wirkung ist bekanntlich die Katalyse des Wasserstoffsuperoxyds durch

Platin. Bringt man in ein trockenes Reagenzglas eine Spur Platinmoor

und übergießt man dieses mit einer 1-proz. Wasserstoffsuperoxydlösung

(H₂O₂), so tritt sofort eine heftige Gasentwicklung ein. Kleine

Sauerstoffblasen steigen in der Flüssigkeit in ungeheuerer Menge

empor und bringen die Flüssigkeit förmlich zum Schäumen. Nach der

von ~Bredig~ neuerdings gegebenen Formulierung ist der Vorgang dabei

folgender:

1. y H₂O₂ + n Pt = PtₙOᵧ + y H₂O,

2. PtₙOᵧ + y H₂O₂ = n Pt + y H₂O + y O₂.

Das heißt: Das Platin reißt aus dem Molekül des Wasserstoffsuperoxyds

ein Atom Sauerstoff heraus, bildet selbst ein Oxyd und gibt beim

Hinzutritt neuer Wasserstoffsuperoxydmoleküle wieder Sauerstoff

ab, indem derselbe mit dem zweiten Atom Sauerstoff eines

Wasserstoffsuperoxydmoleküls sich zu austretenden Sauerstoffmolekülen

vereinigt. Schält man aus diesem Vorgang das Prinzip heraus, so liegt

es in der Bildung und dem Wiederzerfall eines +Zwischenproduktes+.

Der katalytisch wirkende Stoff fesselt durch seine Affinität einen

Bestandteil der Verbindung, die er dadurch spaltet, und gibt denselben

an einen Körper mit stärkerer Affinität wieder ab, so daß der

Katalysator immer wieder für neue Spaltungen zur Verfügung steht.

Interessant ist es, daß man diesen Vorgang durch Zufügung bestimmter

chemischer Stoffe hemmen kann, genau so wie gewisse Lebensvorgänge

durch bestimmte Narcotica oder Gifte gelähmt werden. Vergiftet man

nämlich das Platinmoor mit einigen Tropfen Schwefelammoniumlösung

(Ammoniumhydrosulfid, NH₄SH), so tritt die Wasserstoffsuperoxydkatalyse

gar nicht oder doch nur in sehr schwachem Umfange ein. Genau so

wie hier die Wasserstoffsuperoxydkatalyse kann auch eine Menge von

enzymatischen Prozessen durch ganz bestimmte chemische Stoffe gehemmt

werden.

Das Prinzip der Katalyse ist offenbar ziemlich weit verbreitet.

So liegt es z. B. nach der bereits sehr alten und noch immer

allgemein gebräuchlichen Auffassung von ~Clément~ und ~Désormes~ dem

Bleikammerprozeß bei der Herstellung der englischen Schwefelsäure

zugrunde, wo die Oxyde des Stickstoffes die Rolle des Katalysators

spielen, indem sie einerseits fortwährend Sauerstoff aus der Luft

aufnehmen und Salpetersäure bilden, anderseits fortwährend Sauerstoff

an die schwefelige Säure abgeben und dieselbe zu Schwefelsäure

oxydieren. Auch die Reduktion des Indigblaues zu Indigweiß durch

Traubenzucker in einer mit kohlensaurem Natron versetzten Lösung und

die fortwährende Reoxydation des Indigweißes zu Indigblau bei Zutritt

von Luftsauerstoff beruht jedenfalls auf dem gleichen Prinzip. In

diesem Falle ist der Indigofarbstoff der Katalysator. Ferner dürfte

hierher gehören die Oxydation des Trimethylamins und seine Reduktion

durch reduzierende Substanzen und noch manches andere Beispiel.

Indessen sind alle diese Prozesse bisher noch nicht so gründlich auf

die bei ihnen ablaufenden Zwischenreaktionen hin durchgearbeitet, daß

ihre Auffassung als katalytische Prozesse im Sinne der Platinkatalyse

des Wasserstoffsuperoxyds schon genügend gesichert erschiene.

Es soll hier nicht unerwähnt bleiben, daß möglicherweise der

Reaktionsmechanismus auch bei der Wasserstoffsuperoxydkatalyse sogar

in wesentlich anderer Gestalt sich vollzieht als die hier zugrunde

gelegte, schon von ~Traube~ vertretene Auffassung ihn darstellt, wonach

das Wasserstoffsuperoxyd zugleich Oxydations- und Reduktionsmittel ist.

So vertritt ~Manchot~ nach einer persönlichen Mitteilung seinerseits

auf Grund seiner Untersuchungen über die Superoxyde des Eisens und die

katalytischen Wirkungen der Eisensalze[118] die Anschauung, daß das

Wasserstoffsuperoxyd lediglich peroxydierend auf das Metall wirkt und

daß die Sauerstoffentwicklung dann auf einem spontanen Zerfall der

Superoxyde beruht. Wie dem aber auch sei, in jedem Falle haben wir

dasselbe Prinzip, +daß eine bestimmte Verbindung+, im vorliegenden

Falle ein Metalloxyd, +fortwährend zerfällt und sich wieder bildet+.

Macht man die Annahme, daß den Wirkungen der Enzyme das gleiche

Prinzip zugrunde liegt wie dieser Gruppe von katalytischen Vorgängen,

so sind die eigenartigen enzymatischen Prozesse in der organischen

Natur auf ein einfaches Schema zurückgeführt. Eine solche Annahme aber

hat durchaus nichts gegen sich. Im Gegenteil, sie ist im höchsten

Grade wahrscheinlich, wenn sie auch naturgemäß erst ihre endgültige

Bestätigung finden kann, nachdem die Enzyme hinsichtlich ihrer

chemischen Konstitution genau bekannt und die Zwischenreaktionen bei

ihrer Wirkung ermittelt sind.

Bei +einer+ Gruppe von Enzymen wird diese Annahme besonders plausibel.

Die soeben genannten Beispiele von katalytischen Prozessen haben

das Gemeinsame, daß bei ihnen der Katalysator die Rolle eines

Sauerstoffüberträgers spielt. Infolge seiner Affinität zum Sauerstoff

bindet er den Sauerstoff an sich, um ihn an einen Stoff mit größerer

Sauerstoffaffinität wieder abzugeben. In diesem Punkte nun besteht eine

vollkommene Analogie mit der erst in neuerer Zeit bekannt gewordenen

Gruppe von Enzymen, die als „+Oxydasen+“ bezeichnet zu werden pflegen.

Diese Stoffe, wie die Laccase, Tyrosinase, Schinoxydase, Katalase und

andere, die besonders im Pflanzenreich, aber auch im Tierkörper eine

große Verbreitung zu besitzen scheinen, stimmen in ihrer Wirkung als

Sauerstoffüberträger in jeder Hinsicht mit den genannten Katalysatoren

vom Typus des Platinmoors überein.

Als eine besonders charakteristische Eigenschaft vieler Enzyme muß

man die Eigentümlichkeit betrachten, daß das Enzym immer nur für eine

einzige ganz bestimmte chemische Verbindung sich wirksam erweist. ~Emil

Fischer~, dessen Arbeiten die Lehre von den Enzymen einen besonderen

Fortschritt verdankt, hat das Verhältnis zwischen dem Enzymmolekül

und der Verbindung, auf die es wirkt, sehr treffend verglichen mit

dem Verhältnis zwischen dem Schlüssel und seinem Schloß. Nur der eine

einzige Schlüssel, der für das bestimmte Schloß gemacht ist, vermag

dasselbe aufzuschließen, und auch nur dieses betreffende Schloß vermag

er zu öffnen. Diese spezielle Anpassung geht in einzelnen Fällen so

weit, daß die Enzyme nicht einmal auf die +isomeren+ Verbindungen der

entsprechenden Körper wirken, auf die sie ihre Wirksamkeit entfalten.

So hat ~Emil Fischer~ z. B. folgende Tatsachen feststellen können. Als

er die enzymatische Spaltung von Glykosiden (d. h. Zuckerarten, in

denen eine OH-Gruppe durch gewisse Säuren oder Alkohole ersetzt ist)

untersuchte, fand er, daß das +Emulsin+, ein Enzym, das in den bitteren

Mandeln in großer Menge enthalten ist, nur das β-Methylglykosid zu

spalten imstande ist, nicht aber das α-Methylglykosid, dessen Molekül

genau dieselbe chemische Zusammensetzung besitzt wie das erstere,

aber mit anderer Lage der Methylgruppe im Molekül. Dagegen vermag

die +Maltase+, ein Enzym, das aus getrockneten und gepulverten

Hefezellen gewonnen wird und im Malzextrakt vorkommt, umgekehrt nur das

α-Methylglykosid zu spalten, nicht die isomere β-Verbindung.

Einen bedeutenden Impuls erhielt das Studium der Fermente vor

wenigen Jahren durch die Untersuchungen ~E. Buchner~s. Während man

früher ganz allgemein geglaubt hatte, daß die traubenzuckerspaltende

Wirkung der Hefezellen (Fig. 10, p. 78 und Fig. 66) an ihr

intaktes Leben untrennbar gebunden sei, kurz, daß die Spaltung

des Traubenzuckermoleküls in Alkohol und Kohlensäure durch den

Stoffwechsel der Zelle selber bewirkt werde, ist es ~E. Buchner~

gelungen, aus der Hefe einen Preßsaft zu gewinnen, der keine Hefezellen

mehr enthält und dennoch, allerdings nur eine Zeitlang, eine starke

Gärtätigkeit entfaltet. ~Buchner~ hat daraus den Schluß gezogen,

daß die Alkoholgärung ein rein enzymatischer Prozeß ist und daß

die Hefezellen ein Enzym enthalten, die „+Zymase+“, das nur durch

Zertrümmerung des Zellkörpers aus demselben befreit werden kann

und außerordentlich labil zu sein scheint. Man hat freilich gegen

die ~Buchner~sche Annahme der „Zymase“ im Hinblick auf die kurze

Wirksamkeitsdauer des Hefepreßsaftes den Einwand erhoben, daß es

sich bei der Wirkung des Preßsaftes nicht um ein Enzym, sondern um

überlebende Fetzen oder Trümmer des Protoplasmakörpers der Hefezellen

handle, allein durch eine Anzahl von schwerwiegenden Kontrollversuchen

hat dieser Einwand in letzterer Zeit immer mehr an Gewicht verloren.

Dagegen dürften diejenigen wohl vorläufig viel zu weit gehen, die nun

im Anschluß an die ~Buchner~sche Entdeckung die Ansicht vertreten, daß

überhaupt +alle+ Gärungsvorgänge ebenso wie die Alkoholgärung lediglich

enzymatische Prozesse seien.

[Illustration: Fig. 66. +Saccharomyces+, Hefezellen. Nach ~Reinke~.]

Schließlich sei noch ein Punkt von Wichtigkeit erwähnt, das ist die

+Frage nach synthetisierenden Enzymen+. Fast die ganze erdrückende

Fülle von Enzymen, die seit langer Zeit überall in der lebendigen

Substanz gefunden worden sind, entfaltet ausschließlich spaltende

Wirkungen, und zwar überwiegen hier wieder die hydrolytischen

Spaltungen, d. h. Spaltungsprozesse, die unter Aufnahme von Wasser

erfolgen. Es wäre aber für die Auffassung der Vorgänge in der

lebendigen Substanz von großer Bedeutung, festzustellen, ob es

auch Enzyme gibt, die Synthesen vermitteln und die etwa bei den

Assimilationsvorgängen in der lebendigen Substanz eine Rolle spielen

könnten.

Was zunächst die Möglichkeit solcher synthetisierender Enzymwirkungen

betrifft, so muß sie unbedingt zugegeben werden, wenn man den oben

angenommenen Reaktionsmechanismus der katalytischen Prozesse, wie

das heute wohl allgemein der Fall ist, im Prinzip auch für die

enzymatischen Vorgänge als gültig betrachtet. Von dieser Voraussetzung

aus ist es offenbar denkbar, daß der bei der Zwischenreaktion vom Enzym

gebundene Körper bei seiner Abgabe an einen anderen mit letzterem

zusammen sich zu einer komplizierteren Verbindung vereinigen kann,

die nicht unmittelbar wieder zerfällt. Um bei dem konkreten Fall

der Sauerstoffübertragung durch ein Enzym zu bleiben, so ist es

durchaus nicht nötig, daß der vom Enzym an einen Körper mit größerer

Sauerstoffaffinität abgegebene Sauerstoff zu einer oxydativen Spaltung

des letzteren führt, sondern er kann direkt zum Aufbau eines stabilen

Oxyds benutzt werden. +Es wäre das im Prinzip der einfachste Fall

einer synthetisierenden Wirkung eines Enzyms.+ In der Tat liefert

nun wieder das Beispiel des Platins einen wohlbekannten Beleg für

ein solches Vorkommen. Der vom Platin gefesselte Sauerstoff der

Luft kann direkt zur Synthese von Wasser verwendet werden, wenn man

über Platinschwamm einen Wasserstoffstrom streichen läßt, wie es im

~Döbereiner~schen Feuerzeug geschieht. Ebenso vermag das Platin durch

Sauerstoffübertragung aus niederen Oxydstufen höhere aufzubauen, z. B.

aus schwefliger Säure SO₂ Schwefelsäure SO₃. Das Platin wirkt hier also

genau im Sinne eines Enzyms, indem es, ohne an Menge abzunehmen, eine

unbegrenzte Wirksamkeit entfalten kann, aber nicht eine spaltende,

sondern eine synthetisierende. Der Ausdruck „Katalyse“, der nach der

umfassenden Anwendung, die ihm ~Ostwald~ zu geben sucht, auch diesen

Fall einschließt, würde hier, genau genommen, mit dem Vorgang selbst

in Widerspruch stehen, denn nicht um eine Katalyse (καταλύω), sondern

um eine Synthese (συντίθημι) handelt es sich dabei. In der gleichen

Weise aber könnte man sich Synthesen auch durch Enzyme vermittelt

denken, und schließlich ebensogut wie die einfachen Synthesen von

Oxyden könnte man sich auch kompliziertere Synthesen als Enzymwirkungen

vorstellen. Wenn das Enzym nicht wie die Oxydasen bloß Sauerstoff bei

der Zwischenreaktion bindet, sondern eine größere Atomgruppe aus dem

Verbande eines Moleküls herausreißt und fesselt, um sie in toto oder

unter Aufspaltung an ein Molekül mit stärkeren Affinitäten wieder

abzugeben, so ist damit die Möglichkeit von komplizierteren Synthesen

auf Grund des vorausgesetzten Prinzips der Enzymwirkungen ohne weiteres

gegeben.

In der Tat sind nun nach langem vergeblichen Suchen im letzten

Jahrzehnt einige Fälle von Synthesen bekannt geworden, die, wie

es scheint, durch Enzymwirkungen vermittelt werden. So hat ~Croft

Hill~[119] beobachtet, daß unter dem Einfluß von Hefemaltase in einer

Traubenzuckerlösung Maltose oder richtiger, wie ~Emmerling~[120] bald

darauf zeigte, Isomaltose und dextrinähnliche Produkte entstehen, wenn

die Lösung lange Zeit stehen bleibt. Eine analoge Beobachtung machten

~Emil Fischer~ und ~Armstrong~, indem sie unter der Einwirkung von

Kefirlaktase aus Galaktose und Traubenzucker Isolaktose entstehen

sahen. In konzentrierten ~Witte~-Peptonlösungen wurde ferner von

~Danilewski~ und seinen Schülern unter Einwirkung von Pepsin

die Entstehung eines Koagulums, des „Plasteins“ beobachtet, das

jedenfalls einen komplexeren Eiweißkörper vorstellt als Albumosen und

Peptone. Auch unter Vermittelung von Pankreas-Steapsin schließlich

sind Synthesen von Fetten aus Fettsäuren und Glyzerin nachgewiesen

worden[120]. Indessen darf doch bei allen diesen Vorgängen nicht

übersehen werden, daß der nähere Reaktionsmechanismus noch vollständig

unbekannt ist und unbekannt bleiben wird, bis es gelungen ist, den

chemischen Aufbau der betreffenden Enzymmoleküle zu ermitteln.

Bis dahin läßt sich auch nicht mit Sicherheit sagen, ob das Enzym

als solches die Synthese vermittelt, oder ob es nicht vielmehr

bloß Reaktionen einleitet, als deren weitere Folgen oder als deren

Endresultat sich die betreffenden Synthesen vollziehen, denn wir dürfen

nicht vergessen, daß ja die große Masse von Synthesen überhaupt ohne

Vermittelung von Enzymen auf ganz anderem Wege sich vollzieht. Es

erscheint überhaupt geboten, mit dem Begriff der Enzymwirkung etwas

weniger freigebig umzugehen, als das in letzter Zeit vielfach geschehen

ist.[121]

Allgemeine Physiologie · 第 142 / 283 题