Hydrolyse

Die Hydrolyse ist ein chemischer Prozess, der im an vielen Stellen in der Natur zu beobachten ist. Der Prozess wird auch im Menschen an mehreren Stellen im Stoffwechsel verwendet und ist nicht nur deswegen für den Organismus unentbehrlich. Kann Hydrolyse an einer Stelle nicht richtig ablaufen, so macht es sich deutlich bemerkbar. In dieser Informationssammlung Gehen wir auf die chemische Funktion von Hydrolyse ein, schauen uns genauer an wie der Prozess im Körper abläuft und beschreiben was mit dem Prozess schief gehen kann.


Was ist Hydrolyse?

Hydrolyse ist generell die Spaltung eines Moleküls unter Einwirkung von Wasser, obwohl die Definition, je nachdem ob man sich in der organischen oder anorganischen Chemie befindet, variiert. Der Begriff wurde im 19. Jahrhundert von dem Schwedischen Chemiker Svante August Arrhenius geprägt, der damit die Reaktion von Wasser und Salzen beschrieb. Sinn der Hydrolyse ist es durch Spaltung neue Moleküle herzustellen, damit diese weiterverwendet werden können. Besonders in der organischen Chemie werden somit aus Molekülen, die für den Körper unbrauchbar sind, energetisch wertvolle neue Moleküle gemacht. Eine sehr große Vielfalt von Molekülen kann hydrolysiert werden. In der organischen Chemie findet Hydrolyse meist mit Kohlenstoffverbindungen statt, wird aber auch verwendet um Salz- oder Esterverbindungen zu spalten. In der anorganische Chemie wird Hydrolyse beispielsweise mit dem Kieselsäureester angewendet. Dieser wird als Konservierungsmittel für Naturstein verwendet, da er mit der Luftfeuchtigkeit hydrolysiert wird und Siliciumdioxid bildet, welches sich als Film über den Stein setzt.


Ablauf und Anwendungen der Hydrolyse

Die chemische Formel der Hydrolyse ist definiert als:

  • X-Y + H-OH => X-H + Y-OH

wobei X-Y eine Bindung zweier unbekannter Moleküle darstellt. Das einzelne Wasserstoffatom geht eine Bindung mit einem der Spaltstücke ein, während das OH eine Bindung mit dem anderen Spaltstück eingeht und zwei neue Moleküle entstehen. Obwohl für den Prozess der Hydrolyse nicht immer Energie vorhanden sein muss, müssen manche stabile Moleküle zuerst unter Energiezufuhr gespalten werden bevor der Prozess passieren kann. Für unseren Körper ist sehr bedeutsam, dass bei einer solchen Spaltung auch Energie freigesetzt werden kann. Die Spaltung wird oftmals mit erhöhter Temperatur oder im Körper durch Hilfe von Enzymen erzielt. Die Umkehrung der Hydrolyse ist die Kondensreaktion, bei der sich zwei Moleküle zu einem größeren Verbinden und die Moleküle dabei zwei Wasserstoff und ein Sauerstoffatom abgeben damit Wasser entsteht. Die Prinzipien der Hydrolyse werden verwendet um industriell Aminosäuren herzustellen, wobei Kondensreaktionen für die Herstellung von Stoffen wie Nylon und Polyester benutzt werden.


Funktion und Aufgabe

Viele Moleküle werden im Körper Hydrolysiert. Da Menschen generell stabile Kohlenstoffverbindungen zu sich nehmen, welche dann verarbeitet werden müssen, muss der Prozess unter Energiezufuhr durchgeführt werden. Hierfür kommen Enzyme zum Einsatz, dessen Vielfalt dafür sorgen, dass Menschen eine sehr flexible Verdauung haben. In der Verdauung können Menschen Proteine, Disaccharide, Polysaccharide und Fette Hydrolysieren. Die hydrolysierenden Enzyme werden als Hydrolasen bezeichnet und sind danach benannt, welche Makromoleküle sie bearbeiten. Es folgen also Namen wie Peptidasen, für Enzyme die Fette spalten oder Amylasen für Enzyme, die für Polysaccharide zuständig sind. Tatsächliche gibt es über ein dutzend Hydrolasen, die im menschlichen Körper agieren.

Einer der Wohl wichtigsten Prozesse des Zellstoffwechsels benötigt die Hydrolyse um ATP zu ADP zu spalten. In unseren Mitochondrien, in denen der Zellstoffwechsel vorwiegend stattfindet, wird ein ATP Molekül aufgenommen, von welchem dann durch Adenosintriphosphatase
die dritte Phosphorverbindung abgespalten wird. Hierbei wird Energie freigesetzt und es bleibt ADP übrig, welches im Körper wieder zu ATP angereichert wird. Diese Spaltung passiert an mehreren Stellen im Zellstoffwechsel. ATP ist der wichtigste Energielieferant der Zellen, also wäre Leben ohne Hydrolyse nicht möglich.

Auch das bekannte Enzym Lactase ist eine Hydrolase. Mit diesem Enzym wird Lactose, welches ein Monosaccharid ist, in die Teile Galactose und Glucose gespalten. Glucose kann vom menschlichen Körper für Energie benutzt werden, während Galactose vom Körper nochmals aufbereitet werden muss, bevor es verwendet werden kann. Ohne die Hydrolyse des Milchzuckers kann dieser die Schleimhaut im Dünndarm nicht passieren. Das Enzym wird in jungen Säugetieren produziert, wobei es in einigen Menschen es auch im fortgeschrittenen Alter herstellt wird. Ohne das Enzym Lactase kommt es zu einer Laktoseintoleranz.

Viele der Enzyme, die für die Verdauung gebraucht werden, befinden sich in den Lysosomen. Diese kleinen Zellorganellen, die sich innerhalb der Zellen befinden und im endoplasmatischem Retikulum gebildet werden, speichern Hydrolasen wie Proteasen, Nukleasen und Lipasen, können also die drei großen Makromoleküle, sowie Nukleinsäuren (dna) verdauen. Hierdurch spielen Lysosomen auch beim Zelltod eine bedeutsame Rolle, da sie nahezu das gesamte Material in der Zelle für die Wiederverwendung aufbereiten können. Lysosome enthalten knapp 100 verschiedene Enzyme, womit es bei einer Erkrankung dieser Organellen zu Schwierigkeiten bei der Verdauung von bestimmten Makromolekülen kommen kann. Nicht alle Hydrolasen werden in den Lysosomen gespeichert. Es gibt beispielsweise die extrazellulären Peptidasen, die, wie ihr Name andeutet, außerhalb der Zellen existieren und dort Aminosäuren und Proteine hydrolysieren, um diese für die intrazelluläre Verdauung nutzbar zu machen.


Krankheiten und Beschwerden

Da es viele verschiedene Hydrolasen gibt, können eine große Bandbreite an Störungen entstehen die sie betreffen. Die größte Kategorie solcher Erkrankungen sind die Lysosomalen Speicherkrankheiten. Hierbei wird ein Enzym entweder nicht ausreichend produziert, wird nicht richtig in den Lysosomen gespeichert oder ist defekt. Bei etwa einer aus 8000 Geburten besteht eine solche Krankheit. Viele sind vererbbar wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Erkrankung bei einem betroffenen Elternteil deutlich ansteigt. Es gibt insgesamt 45 Lysosomale Speicherkrankheiten die in 6 Kategorien eingeteilt werden:
Mukopolysaccharidosen
Bei einer solcher Störung können Mukopolysaccharidosen, welche Proteine sind, die mit einer Kohlenhydratgruppe verbunden sind, nur teilweise oder gar nicht verarbeitet werden. Daraus resultiert, dass die unverdauten Moleküle in den Lysosomen gespeichert werden, wo sie nach einer gewissen Zeit den Stoffwechsel stören, bis die Zelle in vielen Fällen stirbt. Eine solche Krankheit ist bei Geburt schwer zu erkennen, kann aber, je nachdem welche dieser 10 Störungen vorliegt sehr gravierende Folgen haben. Das Morbus Hunter Syndrom ist eine Mukopolysaccharidose, die im Verlauf des Lebens unter anderem zu Herzinsuffizienz, Schwerhörigkeit, Wachstumsstörungen und Skelettveränderungen führen kann.
Mukolipidosen
Diese Krankheiten ähneln den Mukopolysaccharidosen, haben aber einige andere Merkmale. Sie sind vererbbar und sehr selten. Bei diesen Krankheiten können die Lysosome Polysaccharide, Lipide und Glykoproteine nicht richtig oder nur teilweise verarbeiten. Mukoloipidosen, welche meistens schon ab dem ersten Lebensjahr erkennbar sind, verursachen meist Symptome wie geistige Behinderung, Änderungen in den Augen und Erkrankungen der Netzhaut.
Sphingolipidosen
Sphingolipide sind Lipide, also Fette, die in der Funktion der Zellmembranen eine bedeutsame Rolle spielen. Zu dieser Klasse von Lipiden gehört unter anderem Cholesterin. Bei diesen Krankheiten kommt es durch einer unvollständigen Verarbeitung oder fehlerhaftem Abtransport der Sphingolipide, wodurch diese sich in den Lysosomen anhäufen. Diese schweren Erkrankungen, die in den meisten Fällen zu einem frühen Tod führen, verursachen Symptome wie:

Oligosaccharridosen

Hier kommt es, wie bei den Mukopolysaccharidosen zu einer fehlerhaften Verdauung und einer intrazellulären Anhäufung von Protein-Kohlenhydrat-Verbindungen. Diese Krankheiten sind vererbbar und rufen Symptome wie:

  • skelettale Entwicklungsstörungen
  • Minderwuchs
  • Vergrößerte Leder
  • Vergrößerter Milz

hervor.
Obwohl Symptome dieser Krankheiten schon in Neugeborenen zu erkennen sind, erscheinen mehr und mehr der Symptome im Lebensverlauf.
Neuronale Ceroid-Lipofuszinosen
Bei diesen Stoffwechselkrankheiten kommt es durch fehlende Hydrolasen dazu, dass Abfallprodukte in den Zellen, die Fette und Proteine enthalten, nicht richtig abgebaut werden können. Hierdurch wird es innerhalb der Zelle toxisch und die Zelle stirbt. Solche Krankheiten entwickeln sich vorwiegend in den ersten acht Jahren des Lebens. Sie rufen Symptome wie Sehschwäche, Schädigung der Netzhaut, Epilepsie und Demenz hervor.

Andere
Nicht alle Krankheiten der Lysosome lassen sich Kategorisieren. Hierzu gehört zum Beispiel die Krankheit Morbus Pompe, von der in Deutschland rund 200 Menschen betroffen sind. Hierbei fehlt das Enzym der Lysosomalen Alpha-Glucosidase, das in der Organelle fremdes Glykogen zu Glucose hydrolysiert. Das Glykogen setzt sich vor allem in Muskelzellen ab, wodurch diese nach einer bestimmten Zeit sterben und es beim Betroffenen zu Muskelschwäche kommt.

Neben den Lysosomalen Speicherkrankheiten, ist die Laktoseintoleranz eine weitere wichtige Krankheit der einer Hydrolasestörung unterliegt. Laktoseintoleranz ist in fast allen Tieren und Menschen der Normalfall, da das Enzym zur Hydrolyse von Milch, die Lactase, nur im Kindheitsalter produziert wird. Doch durch eine genetische Mutation, die vor allem in Nordeuropa zu finden ist, stellen die Schleimzellen auch im erwachsenen Alter Lactase her. Ist dies nicht der Fall, so gelangt der Milchzucker in den Dickdarm, wo Bakterien ihn gären und unangenehme Symptome wie:

verursachen können. Laktoseintoleranz kann angeboren sein, oder kann im Verlauf des Lebens durch Umwelteinflüsse, zum Beispiel nach einer Darmentzündung, entstehen. Es besteht auch die Möglichkeit, dass ein Kind mit einer absoluten Laktoseintoleranz geboren wird. In diesem Fall verschlimmern sich die Symptome und das Kind muss eine angepasste Diät zu sich nehmen.

Es gibt weitere Enzymstörungen dessen Ursache eine Störung der Hydrolyse ist, wie etwa Tyrosinämie Typ I, oder bestimmte Mitochondriopathien. Die Krankheitsbilder bei Hydrolase-Defekten oder -Mängeln sind dadurch, dass an sehr vielen Stellen Hydrolasen verwendet werden, sehr weit gefächert.


Fragen und Antworten

 

Wie werden Hydrolase-Defekte erkannt?

Für häufig auftretende Defekte bei Hydrolasen, wie der Laktoseintoleranz, gibt es einige Testmöglichkeiten. Die einfachste ist eine Änderung der Diät, also ein Milchzuckerverzicht oder eine gezielte Einnahme, aus der sich schließen lässt ob ein Enzymmangel vorliegt. Bei seltenen Lysosomalen Speicherkrankheiten ist die Diagnostik etwas komplizierter. Da die meisten dieser Erkrankungen genetisch bedingt sind und sich in Symptomen ähneln können, ist oft ein Bluttest nötig. Hierbei wird das Blut entnommen und dann Molekular diagnostiziert. Bei einigen Krankheiten, wie dem Morbus Hunter Syndrom, ist es auch möglich die Konzentration von bestimmten unverarbeiteten Stoffen im Urin zu messen.

Wie Behandelt man Hydrolase-Defekte?

Die Wissenschaft hat in den letzten Jahre riesige Fortschritte bei der Behandlung von Hydrolase-Defekten gemacht. Durch die künstliche Synthese von Enzymen können die Symptome vieler solcher Störungen stark gelindert werden. Für die Laktoseintoleranz wird beispielsweise aus Hefepilzen Lactase hergestellt, die der Betroffene dann in Pillenform zusammen mit der Laktose zu sich nehmen kann. Für einige Lysosomale Speicherkrankheiten besteht die Möglichkeit, dass der Körper durch Stammzellentherapie sogar selber die fehlende Hydrolase produzieren kann, doch dies ist eher die Ausnahme. Die meisten dieser Gendefekte können nur Symptomatisch behandelt werden.

Wie versichere ich einen gesunden Hydrolasehaushalt?

Bei den meisten Hydrolasen läuft die Produktion und Verteilung, solange man genug Wasser und Energie zu sich nimmt, ohne Probleme ab. Die Bauchspeicheldrüse ist jedoch auch ein wichtiger Produzent von Hydrolasen die Polysaccharide, RNA, dna und Fette hydrolysieren, weswegen ihre Gesundheit für das körperliche Wohlbefinden wichtig ist. Für die Gesundheit seiner Bauchspeicheldrüse kann man in seinem Alltag einiges tun. Zuerst einmal sollte man auf sein Diät achten, denn besonders Alkohol und fettes rotes Fleisch sind nicht gut für die Funktion des Organs. Man sollte stattdessen zu Essen greifen, welches reichlich Bitterstoffe enthält. Hierzu gehören:

  • Grapefruits
  • Artischocken
  • Pfefferminze
  • Brokkoli

Bitterstoffe sorgen dafür, dass die Bauchspeicheldrüse aktiv wird. Hierdurch werden mehr Enzyme freigesetzt und die Hydrolyse von Makromolekülen läuft schneller ab. Man sollte auch darauf achten, dass der Blutzuckerspiegel nicht zu sehr ansteigt, damit die Bauchspeicheldrüse nicht übermäßig Insulin produzieren muss und sich ausruhen kann.


Fazit

Hydrolyse ist in Lebewesen tatsächlich allgegenwärtig. Der Prozess versorgt den Körper nicht nur mit Energie durch die Spaltung von ATP, sondern ist das Werkzeug vieler Enzyme die es uns ermöglichen verschiedene Makromoleküle als Energie zu verwenden. Wie unentbehrlich der Prozess wirklich ist, macht sich bemerkbar wenn nur eines dieser Enzyme fehlt.

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