Amylasen

Amylasen (von altgriechisch ἄμυλον ámylon „Stärke“) sind Enzyme, die bei den meisten Lebewesen vorkommen und dort Polysaccharide abbauen. Heutzutage wird α-Amylase auch gentechnisch hergestellt. Ihre Wirkung besteht darin, dass sie Polysaccharide (z. B. Stärke) an den Glykosidbindungen spalten und abbauen kann.

Amylasen
Speichelamylase; grün=Chlorid-Ion, gelb=Calcium-Ion
Enzymklassifikation
EC, Kategorie	3.2.1.-, Glycosidasen
Reaktionsart	Hydrolyse
Substrat	Polysaccharide

Amylase ist als Hydrolase (ein Enzym, das hydrolytisch spaltet) oder auch als Glykosidase eingestuft (ein Enzym, das Polysaccharide spaltet).

Geschichte

Die Entdeckung von Amylase erfolgte 1811 durch den deutschen Apotheker Constantin Kirchhoff in St. Petersburg. Wegen der Kontinentalsperre, die durch Napoleon gegen britische Kolonialwaren auferlegt wurde, war europaweit Zuckerrohr knapp geworden. Es wurde fieberhaft nach chemischen Methoden gesucht, um direkt aus Stärke Zucker zu gewinnen. In der Absicht einen Ersatz für gummi arabicum herzustellen, gelang es Kirchhoff durch das Kochen von Stärke mit verdünnter Schwefelsäure ungewollt größere Mengen eines Zuckers herzustellen. Es war die erste Entdeckung und unmittelbare Verwendung eines chemischen Prozesses der Stärkespaltung ohne die Mitwirkung von Mikroorganismen. In jener Zeit war unbekannt, dass die Wirkung der Mikroorganismen auf Inhaltsstoffen beruht, die man heute Enzyme nennt. Erhard Friedrich Leuchs entdeckte 1831, dass der menschliche Mundspeichel Stärke scheinbar verzuckere.

Die beiden französischen Chemiker Anselme Payen und Jean-Francois Persoz verfeinerten in einer Zuckerfabrik nahe Paris 1833 den Prozess der Zuckergewinnung aus Stärke. Sie waren überzeugt, dass es sich um einen „einfach-chemischen“ Prozess handelt und dass man den Zucker lediglich von der Stärke trenne; folglich nannten sie diesen Prozess Diastase (griechisch für trennen). 1835 wurde die Diastase vom schwedischen Chemiker Jöns Jakob Berzelius als chemischer Prozess mit der Einwirkung von katalytischen Kräften vermutet. Anfang des 20. Jahrhunderts wurde die nun veraltete Bezeichnung "Diastase" nicht mehr verwendet, um den chemischen Prozess nach Payen zu bezeichnen, sondern schon synonym mit der heute geläufigen Bezeichnung "Amylase", um vielmehr Enzyme zu benennen, die die Hydrolyse von Stärke in Zucker katalysieren.

In den anschließenden Jahren folgte die Identifizierung und die Benennung von Enzymen durch Eduard Buchner, Robert Koch, sowie Wilhelm Kühne, und die chemische Charakterisierung durch John Howard Northrop. Letzterer bewies, dass Enzyme ganz aus 'purem' Protein bestehen können.

Als α-Amylasen wurden 1925 die Enzyme von Richard Kuhn benannt, deren Produkte in der α-Konfiguration bestehen. 1930 entdeckte Ohlsson eine andere Amylase, die als Produkt β-Mannose ergab. Kamaryt lokalisierte 1971 den Locus für die Gene der menschlichen Amylase-Enzyme auf dem 1. Chromosom. Die Kristallstruktur von α-Amylase wurde vom Schimmelpilz Aspergillus oryzae isoliert und von Matsuura 1979 aufgeklärt. Die Aminosäuresequenz von α-Amylase wurde von Kluh et al. 1981 und Pasero et al. 1986 dargelegt, die komplette chromosomale DNA-Sequenz wurde anschließend 1999 von Darnis et al. aufgeklärt.

Wirkungsspezifität

• α-Amylase (EC 3.2.1.1) spaltet innere α(1-4)-Glykosidbindungen der Amylose, nicht jedoch terminale oder α(1-6)-Glykosidbindungen. Dadurch entstehen Maltose, Maltotriose und verzweigte Oligosaccharide. Beim Menschen gibt es fünf Isoformen der α-Amylase, deren Gene mit AMY1A, AMY1B, AMY1C (alle drei heißen Speichel-Amylase) und AMY2A sowie AMY2B (beides Pankreas-Amylase) benannt sind.
• β-Amylase (EC 3.2.1.2) spaltet vom Kettenende her jeweils ein Maltosemolekül nach dem anderen ab. Sie kann daher umso besser wirken, je mehr Kettenenden durch die α-Amylase bereits entstanden sind. Diese Amylase kommt in Bakterien und Pflanzen vor.
• γ-Amylase (EC 3.2.1.3) spaltet vom Kettenende her jeweils eine β-D-Glucose nach der anderen ab. Ihr Vorkommen ist beschränkt auf Pilze. Die menschliche Maltase-Glucoamylase im Darm katalysiert eine ähnliche Reaktion, gehört aber nicht zu den Amylasen.
• Isoamylasen (EC 3.2.1.68) kommen nur in Pflanzen und Bakterien vor und spalten die 1,6-Glykosidischen Verzweigungen von Glycogen und Amylopektin, ähnlich dem Glykogen-Debranching-Enzym.

Wirkung im Pflanzenreich

Amylasen werden während des Reifungsprozesses in Getreidekörnern und Früchten gebildet. Sie wandeln dort die Stärke zu Zucker um – wodurch Getreidekörner keimen können und Früchte süßer werden. Sie sind nötig, um das wasserunlösliche „Speicher-Kohlenhydrat“ Stärke wieder in wasserlösliche Einfach- und Zweifachzucker (Mono- und Disaccharide) zu verwandeln. Erst in dieser Form kann sie der Keimling aufnehmen und neue Zellen aufbauen.

Wirkung der α-Amylasen im menschlichen Körper

Die α-Amylasen werden in der Bauchspeicheldrüse (Pankreas-Amylase) und in den Speicheldrüsen der Mundhöhle (Speichel-Amylase) gebildet. Im Rahmen der Krebsdiagnostik spielt selten auch der Nachweis von Amylase aus den Eierstöcken und der Lunge eine Rolle. Der größte Teil des Enzyms wird in den Verdauungstrakt ausgeschüttet. Mit der Nahrung aufgenommene Kohlenhydrate werden dadurch für den Körper verwertbar. Nur ein Bruchteil der Amylasen gelangt ins Blut.

pH-Wert- und Temperaturoptimum

Amylasen arbeiten wie alle Enzyme nur in einem bestimmten pH-Wert-Bereich (pH 3,5 bis pH 9). Das Optimum der Aktivität hängt von der Herkunft der Amylasen ab: Amylasen, die aus Pilzkulturen gewonnen wurden, haben ihr Optimum bei pH 5,7, tierische und aus Bakterienkulturen gewonnene Amylasen weisen die höchste Aktivität eher im neutralen bis alkalischen Bereich auf. Im (stark) sauren Milieu denaturieren sie und funktionieren bei starker Ausschüttung von Magensäure (zur Eiweiß-Denaturierung) im Magen nicht. Ebenso können Fruchtsäuren die Enzyme hemmen. Das Temperaturoptimum der Amylasen liegt bei etwa 45 °C.

Krankheitssymptome

Eine erhöhte Amylase-Aktivität im menschlichen Blut kann gemessen werden bei

• Mumps (Parotitis, ugs.: Ziegenpeter), einer viralen Entzündung der Speicheldrüsen
• akuter Pankreatitis, wegen der Beschädigung der Amylase-produzierenden Zellen
• chronischer Pankreatitis
• Abflusstörungen der Gallenwege (Cholestase)
• Nierenversagen, wegen der verringerten Ausscheidung

Die Messung des Amylase-Werts ist einfach durchzuführen. Es war der Haupttest für Pankreatitis, wurde aber durch die Messung der Lipase-Aktivität teilweise verdrängt. Deren Werte bleiben aber ein wichtiger Parameter zur Abklärung von Oberbauchbeschwerden. Im Labor wird entweder der Wert der Pankreas-Amylase oder die Gesamtamylase gemessen. Jedoch kann bei ausschließlicher Pankreas-Amylase-Messung ein erhöhter Wert durch Speicheldrüsenerkrankungen nicht nachgewiesen werden.

Normalwerte beim Menschen

Je nach verwendeter Methode finden sich erhebliche Unterschiede.

• Serum
  • Alpha-Amylase, gesamt 28–100 U/l
  • Alpha-Amylase, Pankreas 13–53 U/l
  • Alpha-Amylase, Speicheldrüse < 47 U/l
  • Neugeborene Alpha-Amylase, gesamt < 80 U/l
• Urin (Messung 37 °C)
  • Spontanurin < 460 U/l
  • Sammelurin < 270 U/l

Einsatz in der Lebensmitteltechnologie

Gerstenmalz (= keimende Brauergerste). Beim Mälzen entsteht Maltose.

Beim Bierbrauen wirken die natürlicherweise im Getreide vorkommenden Enzyme. Die Keimung wird durch Einweichen angeregt und durch Darren abgebrochen (Mälzen). Beim Maischen werden die Amylasen in den Temperatur- und pH-Wert-Optima genutzt, um die Stärke des Getreides in vergärbare Einfach- und Zweifachzucker zu überführen, aus denen die obergärigen oder untergärigen Hefen Alkohol und CO₂ vergären.

Biotechnologisch hergestellte Amylasen (aus Bakterien oder Schimmelpilzkulturen, vor allem Aspergillus oryzae) können in der Bäckerei als Mehlbehandlungsmittel eingesetzt werden, wenn das Mehl zu wenig Gasbildungsvermögen aufweist. Durch die Amylasen entstehen Zucker, die bei der Gärung in Ethanol und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden und den Teig somit besser aufgehen lassen. Außerdem erhalten die Gebäcke nach der Behandlung eine bessere Bräunung. Andererseits muss bei Roggen der Amylasetätigkeit durch Säuerung des Teigs entgegengewirkt werden, um die Backfähigkeit dieses Getreideproduktes zu gewährleisten (siehe Sauerteig).

Verwendung in Medikamenten

Medikamente, die hauptsächlich auf α-Amylasen basieren, werden als Filmtabletten unter anderem zur Behandlung von leichten nicht durch Fieber begleiteten Halsschmerzen verwendet.

Verwendung in Geschirrspül- und Waschmitteln

In Maschinengeschirrspülmitteln (Pulver und Tabs) und Waschmitteln ist Amylase oft zum Lösen von stärkehaltigen Speiseresten enthalten.

Klassifikation

Amylasen bilden nach Henrissat die Familien 13, 14 und 15 in der Klassifikation der Glykosidasen.

Risikobewertung

α-Amylase wurde 2014 von der EU gemäß der Verordnung (EG) Nr. 1907/2006 (REACH) im Rahmen der Stoffbewertung in den fortlaufenden Aktionsplan der Gemeinschaft (CoRAP) aufgenommen. Hierbei werden die Auswirkungen des Stoffs auf die menschliche Gesundheit bzw. die Umwelt neu bewertet und ggf. Folgemaßnahmen eingeleitet. Ursächlich für die Aufnahme von α-Amylase waren die Besorgnisse bezüglich Verbraucherverwendung und Exposition von Arbeitnehmern sowie der vermuteten Gefahren durch sensibilisierende Eigenschaften. Die Neubewertung fand ab 2015 statt und wurde vom Vereinigten Königreich durchgeführt. Anschließend wurde ein Abschlussbericht veröffentlicht.

Weblinks

Commons: Amylasen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Amylase – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wikibooks: Biochemie und Pathobiochemie: Glycogenolyse und Stärkeabbau – Lern- und Lehrmaterialien

• Gegenüberstellung der Aminosäuresequenzen aller fünf Isoformen der α-Amylase des Menschen
• Hydrolasen
• Laborwerte Amylase kurze Übersicht
• Laborwerte Amylase Sehr ausführlich erklärt
• David Goodsell/PDB-101: Molecule of the Month: Alpha-amylase. (engl.)

Einzelnachweise

1. amylase. In: BIOETYMOLOGY. Abgerufen am 11. Februar 2020. 
2. Perspektiven der Grünen Gentechnik durch Forschung und Entwicklung (PDF; 1,5 MB).
3. Wilhelm Völksen: Die Entdeckung der Stärkeverzuckerung (Säurehydrolyse) durch G. S. C. Kirchhoff im Jahre 1811. Hrsg.: Starch. Nr. 2, 1949. 
4. Erhard Friedrich Leuchs: Wirkung des Speichels auf Stärke. Hrsg.: Poggendorff’s Annalen der Physik und Chemie. Band 22. 
5. N. Gurung, S. Ray, S. Bose, V. Rai: A broader view: microbial enzymes and their relevance in industries, medicine, and beyond. In: BioMed research international. Band 2013, 2013, S. 329121, doi:10.1155/2013/329121, PMID 24106701, PMC 3784079 (freier Volltext) (Review).
6. Definition Diastase. Abgerufen am 14. Oktober 2016. 
7. Worthington Biochemistry Dictionnary: Amylase, Alpha. Abgerufen am 14. Oktober 2016. 
8. Omim: Alpha Amylase. Abgerufen am 14. Oktober 2016. 
9. J. Kamarýt, R. Adámek, M. Vrba: Possible linkage between uncoiler chromosome Un 1 and amylase polymorphism Amy 2 loci. In: Humangenetik. Band 11, Nr. 3, 1. Januar 1971, S. 213–220, PMID 5101659. 
10. Randall J. Weselake, Alexander W. MacGregor, Robert D. Hill: An Endogenous α-Amylase Inhibitor in Barley Kernels. In: Plant Physiology. 72. Jahrgang, Nr. 3, 1. Januar 1983, S. 809–812.  JSTOR:4268117
11. Joyce A. Gana, Newton E. Kalengamaliro, Suzanne M. Cunningham, Jeffrey J. Volenec: Expression of β-Amylase from Alfalfa Taproots. In: Plant Physiology. 118. Jahrgang, Nr. 4, 1. Januar 1998, S. 1495–1505.  JSTOR:4278583
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14. B. Illingworth Brown, D.H. Brown: The subcellular distribution of enzymes in type II glycogenosis and the occurrence of an oligo-α-1,4-glucan glucohydrolase in human tissues. In: Biochim. Biophys. Acta. 110. Jahrgang, 1965, S. 124–133, doi:10.1016/s0926-6593(65)80101-1, PMID 4286143. 
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18. Y. Tsujisaka, J. Fukimoto, T. Yamamoto: Specificity of crystalline saccharogenic amylase of moulds. In: Nature. 181. Jahrgang, 1958, S. 770–771, doi:10.1038/181770a0, PMID 13517301. 
19. ENZYME entry 3.2.1.68. In: enzyme.expasy.org. Abgerufen am 16. Februar 2016. 
20. Kozi Yokobayashi, Akira Misaki, Tokuya Harada: Purification and properties of pseudomonas isoamylase. In: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Enzymology. 212. Jahrgang, Nr. 3, 16. September 1970, S. 458–469, doi:10.1016/0005-2744(70)90252-4 (sciencedirect.com). 
21. Ternes, Täufel, Tunger, Zobel: Lebensmittel-Lexikon. Behr’s Verlag, 4. Auflage, 2005, ISBN 3-89947-165-2.
22. C. Bessler: Die alpha-Amylase aus Bacillus amyloliquefaciens: Verbesserung der Alkaliaktivität und Steigerung der spezifischen Aktivität mittels gerichteter Evolution. Dissertation, Universität Stuttgart, 2002
23. Bernard Henrissat: Glycosyl hydrolase families: classification and list of entries.
24. Substance Evaluation Conclusion and Evaluation Report. Europäische Chemikalienagentur (ECHA)
25. Community rolling action plan (CoRAP) der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA): Amylase, α-, abgerufen am 20. Mai 2019.

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