Enzyme als Biokatalysatoren, Aktivierungsenergie, aktives Zentrum und Umweltauswirkungen auf die Enzymaktivität.

Einführung

Als Kind musste ich eine Brille tragen und wollte unbedingt ein Paar Kontaktlinsen haben. Als ich endlich alt genug für Kontaktlinsen war, war Teil des Deals, dass ich sehr, sehr gut auf sie aufpassen musste. Das hieß, ich musste sie jeden Tag mit einem Reiniger säubern, in einer sterilen Lösung aufbewahren und einmal pro Woche musste ich ein paar Tropfen eines "enzymatischen Reinigers" dazugeben. Ich musste nicht genau, was ein "enzymatischer Reiniger" ist, aber ich habe gelernt, dass, wenn du vergisst, dass du ihn dazugegeben hast und die Kontaktlinsen ohne sie zu waschen ins Auge setzt, für 15 Minuten brennende Augen haben wirst.
Wie ich später gelernt habe, bedeutet "enzymatisch" nur, dass der Reiniger ein oder mehrere Enzyme enthält, also Proteine, welche bestimmte chemische Reaktionen katalysieren – in diesem Fall die Reaktionen, welche den Film aus Augenschmiere beseitigen, der sich während einer Woche Benutzung auf meinen Kontaktlinsen angesammelt hat. (Vermutlich war der Grund für das Brennen, als ich ihn in mein Auge bekomme habe, dass die Enzyme auch die Augenschmiere im Auge direkt angreifen.) In diesem Artikel schauen wir uns genauer an, was ein Enzym ist und wie es eine bestimmte chemische Reaktion katalysiert.

Enzyme und Aktivierungsenergie

Eine Substanz, die eine chemische Reaktion beschleunigt—ohne ein Reaktant zu sein—wird Katalysator genannt. Die Katalysatoren von biochemischen Reaktionen, die in Lebewesen stattfinden, heißen Enzyme. Enzyme sind in der Regel Proteine, obwohl auch einige Ribonukleinsäure (RNA)-Moleküle als Enzyme fungieren.
Enzyme haben die entscheidende Aufgabe, die Aktivierungsenergie einer Reaktion zu verringern—das heißt die Energiemenge, die zugeführt werden muss, damit die Reaktion starten kann. Enzyme funktionieren, indem sie an Reaktantenmoleküle binden und diese so "festhalten", dass das Aufbrechen und die Neubildung von chemischen Bindungen leichter stattfinden können.
Um einen wichtigen Punkt klarzustellen: Enzyme ändern nicht den Wert von G einer Reaktion. Das heißt, dass sie nicht ändern, ob eine Reaktion insgesamt Energie freisetzt oder aufnimmt. Das liegt daran, dass Enzyme nicht die freie Energie der Reaktanten oder Produkte beeinflussen.
Enzyme verringern stattdessen die Energie des Übergangszustands, einem instabilen Zustand, den Reaktanten einnehmen müssen, bevor sie zu Produkten werden können. Der Übergangszustand befindet sich auf dem Gipfel des "Energiehügels" im Diagramm oben.

Aktives Zentrum und Substratspezifität

Um eine Reaktion zu katalysieren, greift (bindet) ein Enzym ein oder mehrere Reaktantenmoleküle. Diese Moleküle sind die Substrate des Enzyms.
In manchen Reaktionen wird ein Substrat in viele Produkte aufgespalten. Bei anderen werden zwei Substrate zu einem größeren Molekül verbunden oder tauschen Teile untereinander aus. Ganz egal, welche biologische Reaktion du dir vorstellen kannst, es gibt bestimmt ein Enzym, um diese zu beschleunigen!
Der Teil des Enzyms, an dem das Substrat bindet, wird aktives Zentrum genannt (da dort die katalytische "Aktion" stattfindet).
Proteine bestehen aus Aminosäuren und in Enzymen, die Proteine sind, erhält das aktive Zentrum seine Eigenschaften von den Aminosäuren, aus denen es besteht. Diese Aminosäuren können Seitenketten haben, die groß oder klein, sauer oder basisch, hydrophil oder hydrophob sind.
Die Ansammlung von Aminosäuren, die sich im aktiven Zentrum befinden, in Kombination mit ihrer Position im dreidimensionalen Raum, geben dem aktiven Zentrum seine spezifische Größe und Form und sein spezifisches chemisches Verhalten. Dank dieser Aminosäuren ist das aktive Zentrum eines Enzyms in der Lage, an ein bestimmtes Zielmolekül—das Substrat oder die Substrate eines Enzyms—zu binden und diesen zu helfen, eine chemische Reaktion durchzuführen.

Umweltauswirkungen auf die Enzymfunktion

Weil aktive Zentren sehr fein darauf abgestimmt sind, dass eine chemische Reaktion stattfinden kann, können sie sehr empfindlich auf Veränderungen der Umgebung des Enzyms reagieren. Zu den Faktoren, welche das aktive Zentrum und die Funktion des Enzyms beeinflussen können, gehören:
  • Temperatur. Eine höhere Temperatur sorgt in der Regel für eine höhere Geschwindigkeit der Reaktion, katalysiert durch ein Enzym oder auf andere Weise. Aber sowohl ein Anstieg als auch ein Sinken der Temperatur außerhalb eines tolerierbaren Bereichs kann chemische Bindungen im aktiven Zentrum beeinflussen, sodass diese nicht mehr so gut an Substrate binden. Sehr hohe Temperaturen (für tierische Enzyme über 4040 C ^{\circ}\text C oder 104104 F^{\circ}\text F) kann die Denaturierung eines Enzyms auslösen, sodass es seine Form und Aktivität verliert.2^2
  • pH-Wert. Auch der pH-Wert kann die Funktion eines Enzyms beeinflussen. Die Reste der Aminosäuren im aktiven Zentrum besitzen häufig saure oder basische Eigenschaften, die wichtig für die Katalyse sind. Änderungen des pH-Werts kann diese Reste beeinflussen und das Binden von Substraten erschweren. Enzyme arbeiten am besten innerhalb eines bestimmten pH-Bereichs und wie auch die Temperatur können extreme pH-Werte (saure oder basische) die Denaturierung eines Enzyms auslösen.

"Induced fit"

Das Zusammenpassen zwischen dem aktiven Zentrum eines Enzyms und dem Substrat ist nicht wie bei einem Puzzle, wo zwei Teile einfach ineinanderpassen (obwohl Wissenschaftler das einmal dachten,ein altes Modell hieß "Schlüssel-Schloss"-Theorie).
Stattdessen ändert ein Enzym leicht seine Form, wenn es an ein Substrat bindet, wodurch es zu einer festeren Bindung kommt. Diese Anpassung des Enzyms, damit das Substrat fest sitzt, heißt Induced-Fit ("Induzierte Passform").
Wir wissen, dass ein Enzym, wenn es an sein Substrat bindet, die Aktivierungsenergie der Reaktion verringert, wodurch sie schneller ablaufen kann. Aber du fragst dich vielleicht, was das Enzym eigentlich mit dem Substrat macht, um die Aktivierungsenergie zu senken.
Die Antwort hängt vom Enzym ab. Einige Enzyme beschleunigen chemische Reaktionen, indem sie zwei Substrate zueinander richtig ausrichten. Andere schaffen innerhalb des aktiven Zentrums eine Umgebung, die günstig für die Reaktion ist (zum Beispiel eine leicht saure oder unpolare). Der Enzym-Substrat-Komplex kann auch die Aktivierungsenergie verringern, indem er die Substrate so biegt, dass das Aufbrechen der Bindung erleichtert wird, und beim Erreichen des Übergangszustands hilft.
Schließlich verringern einige Enzyme die Aktivierungsenergie, indem sie selbst an der chemischen Reaktion teilnehmen. Das heißt, dass Reste im aktiven Zentrum als Teil des Reaktionsprozesses vorübergehende kovalente Bindungen mit den Substratmoleküle eingehen.
Ein wichtiges Wort dabei ist "vorübergehend". In allen Fällen wird das Enzym nach Abschluss der Reaktion wieder in seinen Ursprungszustand zurückkehren—es wird nicht an die reagierenden Moleküle gebunden blieben. Tatsächlich ist ein Markenzeichen von Enzymen, dass sie nicht durch die Reaktion, die sie katalysieren, verändert werden. Wenn ein Enzym die Katalyse einer Reaktion beendet hat, setzt es das Produkt (oder die Produkte) einfach wieder frei und ist bereit für den nächsten Katalysezyklus.
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