Enzyme sind spezialisierte Proteine, die als natürliche Katalysatoren in Lebewesen fungieren. Sie ermöglichen und beschleunigen biochemische Reaktionen, die für den Stoffwechsel unerlässlich sind – zum Beispiel den Abbau von Nährstoffen oder die Energieproduktion in Zellen.

Dabei arbeiten Enzyme nach dem „Schlüssel-Schloss-Prinzip“: Jedes Enzym ist so geformt, dass es genau an ein bestimmtes Molekül, das sogenannte Substrat, andocken kann. Sobald das Substrat bindet, schwächt das Enzym bestimmte Bindungen oder setzt reaktive Teile in Gang, damit die chemische Reaktion schneller abläuft. Danach wird das fertige Produkt freigesetzt, und das Enzym steht wieder unverändert für die nächste Reaktion bereit. Auf diese Weise beschleunigen Enzyme gezielt bestimmte Stoffwechselprozesse, ohne selbst aufgebraucht zu werden. Ohne Enzyme wären viele dieser Reaktionen so langsam, dass das Leben, wie wir es kennen, nicht möglich wäre. Enzyme können aus Pflanzen, Tieren oder Mikroorganismen extrahiert werden und werden aufgrund ihrer katalytischen Eigenschaften u.a. für chemische und biochemische Analysen, in der Lebensmittelproduktion, in Waschmitteln und Medikamenten eingesetzt.

Abbildung 1: Schlüssel-Schloss-Prinzip

Das CVUA-RRW nutzt Enzyme, um verschiedene Analyten in Lebensmittelproben zu quantifizieren. Ein spezifisches Enzym wird der Probe hinzugefügt, das den Zielanalyten durch eine chemische Reaktion umsetzt. Dabei entstehen Produkte, deren Konzentration mithilfe photometrischer Messungen ermittelt wird. Ist eine direkte Messung nicht möglich, wird häufig mit mehrstufigen enzymatischen Reaktionen gearbeitet, bei denen auch sogenannte Co-Enzyme zum Einsatz kommen.

Die enzymatischen Reaktionen verlaufen in der Regel nach folgendem Schema:

Beispiel: Die quantitative Glucosebestimmung als Beispiel einer mehrstufigen enzymatischen Reaktion:

Im ersten Schritt wird Glucose mit Hilfe des Enzyms Hexokinase (HK) zu Glucose-6-Phosphat (G‑6‑P) umgesetzt. Das dafür benötigte Phosphat wird durch das Co-Enzym Adenosin-5’-triphosphat (ATP) zur Verfügung gestellt.

Im zweiten Schritt wird G-6-P mit Hilfe eines zweiten Enzyms (Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase; G-6-P-DH) zu Gluconat-6-Phosphat umgesetzt. Gleichzeitig entsteht aus dem Coenzym NAD⁺, die reduzierte Form NADH.

Da die beiden Moleküle NADH und NAD⁺ Licht unterschiedlich stark absorbieren, kann deren Konzentration photometrisch ausgewertet werden. Der Glucosegehalt kann indirekt bestimmt werden, da in der Reaktion pro NAD⁺ auch ein Molekül Glucose umgesetzt wird.

Nach dieser Methodik finden im CVUA-RRW quantitative Bestimmungen von Stärke, Zuckern (Glucose, Fructose, Saccharose, Lactose), organischen Säuren (Äpfelsäure, Citronensäure, Isocitronensäure, Glutaminsäure) und vielen weiteren Parametern statt.

Neben der Nutzung von klassischen Photometern für die enzymatische Analyse, macht die Automatisierung auch vor der Enzymatik nicht halt. So wird ein Großteil der enzymatischen Untersuchungen mit einem Enzymautomaten durchgeführt, was die Digitalisierung und Automatisierung im Labor weiter vorantreibt.

Abbildung 2: Enzymautomat Gallery zur automatisierten Abarbeitung von enzymatischen Untersuchungen.