Aufgaben 52 Substratkonzentration und pH-Wert beeinflussen die Enzymreaktion Der Ablauf einer chemischen Reaktion ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Meistens gilt: Je höher die Substratkonzentration, umso schneller kann eine Reaktion ablaufen. Substrat ist aber selten unbegrenzt vorhanden (zB Nährstoffe). Die meisten Stoffwechselenzyme können unter den natürlich vorkommenden Substratkonzentrationen aber sehr gut arbeiten. Der pH-Wert hat ebenfalls Auswirkungen auf die Enzymaktivität (kAbb. 9). Das spielt eine Rolle für unser Verdauungssystem. Beispielsweise ist das Verdauungsenzym Pepsin1 perfekt an den niedrigen pH-Wert (1–2) des Magens angepasst. Im Gegensatz zu den meisten anderen Enzymen funktioniert Pepsin unter diesen Bedingungen sehr gut. Pepsin ist auf das Aufspalten von Proteinen spezialisiert. Das Enzym α-Amylase2 hingegen kommt im Speichel von Menschen und anderen Säugetieren vor und funktioniert optimal bei neutralem pH-Wert. Amylase wurde 1811 vom Apotheker Constantin Kirchhoff3 entdeckt und 1833 von Anselme Payen4 wissenschaftlich beschrieben. Sie hatten beide nach einer Methode gesucht, um aus Stärke Zucker herzustellen. Abb. 9: Die Aktivität eines Enzyms ist abhängig vom pH-Wert und zeigt ein charakteristisches Optimum. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Enzymaktivität Pepsin ñ-Amylase aus Speichel pH-Wert saure Lösung basische Lösung 1 Pepsin: ist ein Verdauungsenyzm, und zwar eine Protease; Dieses Enzym ist auf die Spaltung von Peptidbindungen zwischen Aminosäuren, den Bestandteilen von Proteinen, spezialisiert. 2 α-Amylase: ist eine Glucosidase, also ein Enzym, das Zucker spalten kann; Sie spaltet Stärke in Malzzucker (Maltose, einen Zweifachzucker) auf. 3 Constantin Kirchhoff: Apotheker und Chemiker am Hof des russischen Zaren, 1764–1833 4 Anselme Payen: französischer Chemiker, 1795–1871 Spezielle Enzyme in unserem Verdauungssystem funktionieren auch bei saurem pH-Wert Stoff- und Energieumwandlung Enzymreaktionen sind von äußeren Bedingungen wie dem pH-Wert abhängig. Enzyme können Reaktionen daher nur unter gewissen Bedingungen katalysieren. 1 E/S Wenn im Körper von einem Produkt momentan weniger benötigt wird, so würde es bei einer konstanten Reaktionsgeschwindigkeit der Enzymreaktion zu einem Rückstau kommen. Erläutere die Vorteile der negativen Rückkopplung im Gegensatz zu einem solchen Rückstau sind. Denke dabei an den Zellstoffwechsel als Ganzes. 2 W Viele Thermophile gehören zu den Archaea (kAbb. 11). Wiederhole und erkläre anschließend mit je einem Satz diese beiden Begriffe. Lies dazu im Text auf dieser Seite sowie auf Seite 18 nach. Abb.11: Methanococcus jannaschii (REM, gefärbte Aufnahme) zählt zu den thermophilen Archaea. Enzyme besitzen ein Temperaturoptimum Für ein typisches menschliches Enzym ist eine Temperatur von 37 °C optimal (kAbb. 10). Bei Temperaturen von über 42 °C beginnen die meisten menschlichen Enzyme zu denaturieren. Die Raumstruktur wird dann zerstört und das Enzym funktioniert nicht mehr. Lebewesen, die in extremen Lebensräumen vorkommen, wie zB Archaea und Bakterien in heißen Quellen, besitzen spezielle Enzyme, die hitzetolerant sind. Man bezeichnet diese Prokaryoten auch als Thermophile4. Ihre Temperaturoptima liegen weitaus höher (kAbb. 10). Diese speziell angepassten Enzyme sind im Lauf der Evolution als Anpassung an extreme Lebensräume entstanden. Sie sind wichtige Enzyme in der Biotechnologie und Gentechnik. Abb.10: Verschiedene Enzyme besitzen unterschiedliche Temperaturoptima. 100 80 37 °C 79 °C 60 40 20 Temperaturoptimum für ein typisches Enzym des Menschen Temperaturoptimum für ein Enzym aus thermophilen (hitzetoleranten) Prokaryoten Temperatur (°C) Reaktionsgeschwindigkeit (v) 4 thermophil: thermos (griech.) = warm, phil (griech.) = Freund; hitzeliebend Manche Enzyme sind an hohe Temperaturen angepasst Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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