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]