Hydrolyse

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 19. Januar 2017
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Die Hydrolyse stellt eine Spaltung einer chemischen Verbindung in kleinere Moleküle unter Aufnahme von Wasser dar. Sowohl im anorganischen Bereich als auch in der Biologie spielen Hydrolysen eine große Rolle. In lebenden Organismen findet die hydrolytische Spaltung unter dem Einfluss von Enzymen statt.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Hydrolyse?

Bei einer Hydrolyse werden chemische Verbindungen durch Aufnahme von Wasser in kleinere Moleküle gespalten. Das gilt sowohl im anorganischen als auch im biologischen Bereich. Dabei verbindet sich ein Teilmolekül mit der Hydroxylgruppe (OH-Gruppe) und ein anderes Teilmolekül mit dem Wasserstoffion (H+). Um neutrale Moleküle zu erhalten, wandert das Elektron der Hydroxylgruppe formal zum Proton.

Diese Reaktionen laufen in der Regel nicht in einem Schritt ab. Bei einfachen Reaktionen sind nur wenige Schritte notwendig, während bei komplizierten Umsätzen immer auch ein Katalysator beteiligt ist, der nach Ablauf aller Reaktionsschritte unverändert bleibt.

In der Biologie handelt es sich bei einer Hydrolyse häufig um den Abbau hochpolymerer oder zusammengesetzter Verbindungen. Die drei wichtigsten Nährstoffe Kohlenhydrate (Polysaccharide), Fette oder Proteine werden hydrolytisch abgebaut.

In lebenden Systemen finden die Reaktionen immer in Anwesenheit von Enzymen statt. Die Enzyme stellen Katalysatoren dar, welche nach Ablauf der hydrolytischen Spaltung wieder unverändert vorliegen und für die nächste Reaktion bereitstehen.

Die Umkehrung der Hydrolyse liefert Wasser und wird als Kondensation bezeichnet.

Funktion & Aufgabe

Hydrolysen gehören zu den grundlegenden Reaktionen in biologischen Systemen. Sie sorgen dafür, dass große Biomoleküle ständig in Monomere umgewandelt werden, um diese entweder für den Aufbau körpereigener Substanzen oder durch ihren Abbau zur Energieversorgung des Körpers zu verwenden. Daher spielen Hydrolysen eine zentrale Rolle im Körper.

So werden nach der Nahrungsaufnahme die wichtigen Nährstoffe Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße durch Hydrolyse in ihre Einzelbestandteile zerlegt. Bei Kohlenhydraten findet beispielsweise die Aufspaltung der Polysaccharide in die Monomere Glukose unter Wasseraufnahme statt. Fette stellen mit Fettsäuren verestertes Glycerin dar. Bei der hydrolytischen Spaltung entstehen die einzelnen Fettsäuren und Glycerin. Proteine sind Ketten peptidisch miteinander verbundener Aminosäuren, die bei der Verdauung hydrolytisch in einzelne Aminosäuren aufgespalten werden. An allen hydrolytischen Reaktionen im Körper sind Enzyme beteiligt. Enzyme sind Proteine, welche die Reaktionen katalytisch unterstützen. Nach der Hydrolyse liegen die Enzyme unverändert vor.

Die Hydrolyse stellt eine Spaltung einer chemischen Verbindung in kleinere Moleküle unter Aufnahme von Wasser dar. In lebenden Organismen findet die hydrolytische Spaltung unter dem Einfluss von Enzymen statt.

Nicht nur bei der Nahrungsverdauung laufen Hydrolysen ab. Im Rahmen des Gesamtstoffwechsels finden im Körper ständige Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen statt. Enzyme, die Hydrolysen katalysieren, werden als Hydrolasen bezeichnet. Die Hydrolasen können wiederum in Peptidasen, Esterasen oder Glykosidasen eingeteilt werden. Peptidasen bauen unter anderem Proteine unter Bildung von einzelnen Aminosäuren ab. Esterasen wiederum können Fette in Fettsäuren und Glyzerin abbauen. Dann handelt es sich um Lipasen. Die Glykosidasen spalten glykosidische Verbindungen. Das sind entweder Polysaccharide, bei denen mehrere Zuckermoleküle glykosidisch miteinander verbunden sind oder Verbindungen, die eine glykosidische Bindung zwischen einem Zuckeranteil und einem Nichtzuckeranteil aufweisen. Daher gehört zu den Glykosidasen auch die Amylase, die Stärke in Glukose umwandelt.

Weitere Hydrolasen sind Phosphatasen und Nukleasen. Die Phosphatasen spalten Phosphatgruppen hydrolytisch ab. Ein gutes Beispiel für diese Reaktion ist die Umwandlung von ATP (Adenosintriphosphat) in ADP (Adenosindiphosphat). Insgesamt laufen Hydrolysen immer unter Energieabgabe ab. Bei der Reaktion von ATP zu ADP wird das besonders deutlich. Denn diese Umsetzung liefert die vorher in der ATP gespeicherte Energie für andere biochemische Reaktionen, Wärmebildung oder mechanische Bewegungen. Nukleasen sind für den vollständigen Abbau von Nukleinsäuren verantwortlich. Diese werden wieder in die Ribonukleasen und Desoxyribonukleasen aufgeteilt. Beide Enzymgruppen spalten die Phosphordiesterbindungen im Nukleinsäuremolekül hydrolytisch unter Bildung der einzelnen Nukleotide auf.

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Krankheiten & Beschwerden

Da im menschlichen Körper ständig Hydrolysereaktionen ablaufen, sind auch vielfältige Erkrankungen in diesem Zusammenhang möglich. Verdauung und viele Zwischenreaktionen im Stoffwechsel stellen Hydrolysereaktionen dar. Für jeden Reaktionsschritt gibt es spezielle Enzyme. Enzyme sind jedoch Proteine, welche auch durch genetische Veränderungen in ihrer Funktion eingeschränkt sein können. Der Ausfall oder Mangel jedes einzelnen Enzyms kann fatale Folgen für die Gesundheit haben.

Enzyme müssen zuweilen auch in großen Mengen vorkommen, sodass ein ganzes Organ zu ihrer Sekretion notwendig ist. Das gilt unter anderem für die Verdauungsenzyme der Bauchspeicheldrüse. Die Bauchspeicheldrüse oder Pankreas erzeugt hauptsächlich Lipasen und Peptidasen. Sie ist maßgeblich für die Verdauung des aus dem Magen kommenden Speisebreis verantwortlich. Fette und Eiweiße werden in die Einzelbausteine aufgespalten. Über den Dünndarm nimmt der Körper die gebildeten Aminosäuren, Fettsäuren, Glycerin und Glukose auf. Bei Erkrankungen des Pankreas treten massive Verdauungsbeschwerden mit Durchfall, Blähungen und heftigen Bauchschmerzen auf. Durch den fehlenden Abbau der Fette kann es zu Fettstühlen kommen.

Bei der akuten Form der Bauchspeicheldrüsenentzündung (Pankreatitis) ist sogar eine Selbstverdauung der Bauchspeicheldrüse mit tödlichem Ausgang möglich. Durch unterschiedliche Ursachen kann der freie Abfluss der Verdauungssäfte in den Dünndarm gestört sein. Sie stauen sich in der Bauchspeicheldrüse und lösen diese völlig auf. Auch bei den chronischen Formen der Pankreatitis findet eine ständige teilweise Auflösung statt.

Ein anderes Beispiel für eine Erkrankung bezüglich hydrolytischer Prozesse stellen die Mitochondriopathien dar. Durch Störungen in der ATP-Synthese können die Energie liefernden Reaktionen von ATP zu ADP nur noch eingeschränkt stattfinden. Die Mitochondriopathien äußern sich u.a. in chronischer Müdigkeit und Schwäche.

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