Aufgaben 51 Zellstoffwechsel Fast jede Reaktion in der Zelle wird von einem spezifischen Enzym katalysiert Der Stoffwechsel aller Lebewesen ist ein höchst kompliziertes Zusammenspiel unzähliger chemischer Reaktionen. In allen lebenden Zellen eines Organismus laufen viele Stoffwechselreaktionen gleichzeitig ab. Dass diese Reaktionen nicht im Chaos enden liegt daran, dass Enzyme sehr spezifisch sind in ihrer Funktion. Nicht jedes Enzym kann mit jedem Substrat reagieren. Diese Substratspezifität von Enzymen beruht darauf, dass im Lauf der Evolution das aktive Zentrum1 des Enzyms perfekt an das zu bindende Substrat und damit an die zu katalysierende Reaktion angepasst wurde (kAbb. 8). Durch diese meist sehr genaue Abstimmung der Enzyme auf ihre Substrate können sie die Abläufe der von ihnen zu katalysierenden Reaktionen stark beschleunigen. Sobald das entsprechende Substrat vom Enzym gebunden ist, läuft eine ganz bestimmte chemische Reaktion ab, die ebenfalls höchst charakteristisch für ein spezifisches Enzym ist. Man nennt das die Wirkungsspezifität von Enzymen. Enzyme werden außerdem durch andere Moleküle, so genannte Effektoren, reguliert. Diese beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit und ermöglichen so eine Steuerung der Enzymreaktion. Unter den Effektoren unterscheidet man Aktivatoren und Inhibitoren. Ein Aktivator2 erhöht die Enzymaktivität, ein Inhibitor3 hemmt sie. Das Schlangengift der Mambas enthält beispielsweise einen natürlich vorkommenden Inhibitor, der als Nervengift wirkt. Dieser Inhibitor hemmt die Aktivität des Enzyms Cholinesterase, was zur Muskellähmung und schließlich zum Tod führen kann. Viele andere in der Natur vorkommende Gifte sind Enzyminhibitoren. Künstlich hergestellte Inhibitoren sind oft der Ausgangspunkt für die Entwicklung von Medikamenten. Du hast bereits das energiereiche Molekül ATP kennengelernt. ATP ist ein Beispiel für ein Coenzym oder Cosubstrat. Darunter versteht man organische Hilfsmoleküle, die bei einer Enzymreaktion mitbeteiligt sind. Sie binden sich an das Enzym und sind für das Ablaufen der Reaktion mitverantwortlich. Nach Ablaufen der Reaktion wird die Bindung an das Enzym wieder aufgelöst, und das Coenzym geht verändert aus der Reaktion hervor – im Falle von ATP als ADP und Phosphatrest. Neben ATP wirst du bei der Fotosynthese und bei der Zellatmung noch weitere wichtige Coenzyme kennenlernen, wie zB die Elektronenüberträgermoleküle FAD, NAD+ und NADP+ (siehe S. 56, 63 und 64). Eine wichtige Form der Regulierung der Enzymtätigkeit ist die negative Rückkopplung. Dabei wird ein Enzym durch das Endprodukt der Reaktion, die es katalysiert, selbst gehemmt. Es kommt dadurch zum Stopp der enzymatischen Reaktion, sobald genug Produkt gebildet wurde. 1 aktives Zentrum: diejenige Stelle des Enzymmoleküls, an dem das Substrat gebunden wird 2 Aktivator: Molekül, das eine Enzymreaktion steuert, indem es sie aktiviert 3 Inhibitor: inhibere (lat.) = unterbinden; Molekül, das eine Enzymreaktion steuert, indem es sie hemmt Enzyme sind substrat und wirkungsspezifisch Struktur und Funktion Enzyme sind Proteine mit einer charakteristischen dreidimensionalen Struktur. Diese Form, insbesondere die des so genannten aktiven Zentrums, ist sehr spezifisch auf das Substrat oder den Reaktionstyp abgestimmt. Die Struktur ist also mit der jeweiligen Funktion des Enzyms eng verknüpft. Steuerung und Regelung Das Prinzip der negativen Rückkopplung ist ein wichtiger Regelmechanismus in vielen Bereichen der Biologie. Ein Prozess wird gestoppt, sobald das Endprodukt in ausreichender Menge vorhanden ist. Abb. 8: Substratspezifität. Die Struktur von Enzymen ist meist genau auf das zu bindende Substrat angepasst. aktives Zentrum Substrate Enzym Enzym Produkt Enzym-Substrat-Komplex Die Substratmoleküle passen genau ins aktive Zentrum … … aber andere Moleküle passen nicht. Wenn der Enzym-Substrat-Komplex zerfällt, wird das Produkt freigesetzt. Das Enzym steht jetzt für die Katalyse einer weiteren Reaktion zur Verfügung. 1 W/S ACE-Hemmer sind häufig verschriebene Medikamente zur Senkung des Blutdrucks. Sie wirken als Enzymhemmer und blockieren die Aktivität eines Enzyms, das für die Bildung von Angiotensin II aus Angiotensin I verantwortlich ist. Das führt dazu, dass der Blutdruck gesenkt wird. Erläutere die Konsequenzen, wenn auch andere, in unserer Nahrung enthaltene Stoffe als ACE-Hemmer wirken würden. Erkläre die Bedeutung der Substratspezifität an diesem Beispiel. 2 W/S Wiederhole, was die Proteinstruktur ausmacht, wie man das Zerstören dieser Struktur nennt, und durch welche Einflüsse dies verursacht werden kann. Folgere daraus, was beim Braten eines Spiegeleis in der Pfanne mit dem Eiweiß geschieht und welche Gefahr sehr hohes Fieber für den menschlichen Organismus birgt. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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