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Beeinflussung der Enzymaktivität

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Temperaturabhängigkeit

Zur Veranschaulichung der folgenden Betrachtungen führen wir wieder einen (hypothetischen) Versuch durch. Wir stellen uns wieder eine hypothetische Glucosedecarboxylase vor, die in der Lage ist, Kohlendioxid aus Glucose abzuspalten, und zwar so, dass man das freigesetzte CO2 auch messen kann.

Glucoselösung der Konzentration 0,1 mol/l wird auf zehn Reagenzgläser verteilt. Mithilfe von Wasserbädern werden die Reagenzgläser auf verschiedene Temperaturen gebracht.

Dann stellen wir eine wässrige Lösung des Enzyms her und geben von dieser Lösung genau 10 Tropfen in jedes Reagenzglas. Wir haben jetzt also 10 Reagenzgläser mit gleichen Glucosekonzentrationen, aber jeweils unterschiedlicher Temperatur.

Wir messen nun das Kohlendioxid, das in einer bestimmten Zeit von jedem Reagenzglas freigesetzt wird (Bläschenzählmethode, Auffangen des Gases in einem winzigen Kolbenprober, Veränderung des pH-Wertes oder der elektrischen Leitfähigkeit der Lösung etc.).

Erwartungen:

Aus der physikalischen Chemie ist bekannt, dass die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion mit der Temperatur steigt. Nach der RGT-Regel führt eine Temperaturerhöhung von 10 ºC zu einer Verdopplung, Verdreifachung oder sogar Vervierfachung der Reaktionsgeschwindigkeit. Am meisten Kohlendioxid müsste demnach in dem Reagenzglas mit der höchsten Temperatur entstehen.

Den Effekt, dass sich in einem heißen Lösemittel weniger CO2 löst als in einem kalten, müssen wir natürlich durch geeignete Maßnahmen kompensieren.

Beobachtungen:

Die Erwartungen werden nicht erfüllt. In der folgenden Tabelle sind die Messwerte eines solchen (hypothetischen) Versuchs dargestellt:

T in ºC V(CO2) / min
0 0
5 3
10 7
15 12
20 18
25 24
30 25
35 22
40 10
45 0

Hier die graphische Darstellung:

Temperaturabhängigkeit der Enzymaktivität in Form einer Optimumskurve

Temperaturabhängigkeit der Enzymaktivität in Form einer Optimumskurve
Autor: Ulrich Helmich 2016, Lizenz: siehe Seitenende.

Wieso erkennt man auf der Graphik eine deutliche Optimumskurve und keine kontinuierliche Steigerung der Enzymaktivität, wie es die RGT-Regel nahe legen würde?

Erklärung

Der RGT-Regel sind in lebenden Zellen zwei deutliche Grenzen gesetzt. Unterhalb von 0 ºC bilden sich Eiskristalle in der Zelle, dadurch werden wichtige Strukturen zerstört und die Enzyme können nicht mehr oder nicht mehr richtig arbeiten. Natürlich gibt es einige Lebewesen, die sich im Laufe der Evolution an niedrige Temperaturen angepasst haben und zum Beispiel die Bildung von Eiskristallen mithilfe chemischer Substanzen unterbinden können ("Frostschutzmittel"), das ist aber die Ausnahme.

Oberhalb von 40 bis 50 ºC denaturieren die meisten Proteine, so dass sie nicht mehr arbeiten können. Auch hier gibt es wieder viele Lebewesen, die sich im Laufe der Evolution an hohe Temperaturen angepasst haben, ihre Enzyme sind auch bei 60 oder 70 ºC noch voll arbeitsfähig, aber auch das ist die Ausnahme, über die wir hier nicht reden müssen.

Normale Enzyme haben daher einen Temperaturbereich, in dem sie mit maximaler Geschwindigkeit arbeiten, und dieser Temperaturbereich liegt bei "normalen" physiologischen Temperaturen um 20 bis 30 ºC. Dort hat die Enzymaktivitäts-Temperatur-Kurve ihr mathematisches Maximum; in der Biologie spricht man hier allerdings von einem Optimum.

Beeinflussung der Tertiärstruktur

Denaturierung

Auf diesen Seiten finden Sie viele weitere Informationen zu diesem Thema.

Enzyme sind temperaturabhängig. Bei zu niedrigen Temperaturen friert die Zelle ein, bei zu hohen Temperaturen denaturieren die Proteine. Daher hat jedes Enzym einen Temperaturbereich, in dem es optimal - also mit maximaler Geschwindigkeit - arbeitet.

pH-Abhängigkeit

Einen ähnlichen Versuch kann man jetzt durchführen, um die Abhängigkeit der Enzymaktivität vom pH-Wert zu ermitteln. Dazu gibt man die gleiche Konzentration Glucose in Reagenzgläser mit verschiedenen pH-Werten zwischen 3 und 12. Auch hier kann man bei der Auswertung und Darstellung der Messergebnisse eine Optimumskurve beobachten.

Enzyme sind pH-abhängig. Bei zu niedrigen oder zu hohen pH-Werten arbeiten Enzyme nicht mehr optimal, weil sie denaturiert sind. Jedes Enzym hat einen pH-Wert, an dem es optimal arbeitet, das pH-Optimum.

Erklärung

Warum diese pH-Abhängigkeit besteht, ist ebenfalls auf den oben genannten Seiten "Beeinflussung der Tertiärstruktur" und "Denaturierung" nachzulesen.