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Stoffwechsel > Biokatalyse

Abhängigkeit der Enzymaktivität von Umgebungsfaktoren

Enzyme haben ein Temperaturoptimum, ein pH-Optimum und eine optimale Substratkonzentration

Enzym-
Aktivität

Zunächst wollen wir diesen wichtigen Grundbegriff erkären. Wie kann man die Aktivität eines Enzyms messen? Diese Frage muss geklärt werden, bevor man Aussagen über die Abhängigkeit der Enzymaktivität von verschiedenen Faktoren wie z.B. Temperatur treffen kann.

Ein Maß für die Enzymaktivität ist sicherlich die Anzahl der Substratmoleküle, die ein Enzymmolekül pro Sekunde umsetzen kann. Man spricht hier auch von der Wechselzahl. Tpyische Wechselzahlen sind 0,5 für das Lysozym, 15 für die DNA-Polymerase (Verdopplung der Erbsubstanz in unserem Zellkern), 600.000 für die Carboanhydrase oder sogar 40.000.000 für die Katalase, welche Peroxide in unseren Zellen zersetzt. Wie man sieht, gibt es also extrem langsame Enzyme (Lysozym) und extrem schnelle Enzyme (Katalase).

Wechselzahl =
Zahl der Substratmoleküle, die ein Enzymmolekül pro Sekunde umsetzen kann.

Temperatur

Die Abbildung rechts zeigt die Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Temperatur bei einem Enzym des Menschen. Am schnellsten arbeiten die Enzymmoleküle bei einer Temperatur von ca. 33 bis 37°C. Niedrigere Temperaturen und höhere Temperaturen verlangsamen die Arbeitsgeschwindigkeit bzw. die Wechselzahl.

Erklärungen:
Ich habe die Optimumskurve in zwei Teile eingeteilt und durch unterschiedliche Farben gekennzeichnet. Im R-Teil steigt die Enzymaktivität mit der Temperatur an. Hier wirkt die sogenannte RGT-Regel.

RGT-Regel:
Bei chemischen Reaktionen führt Temperaturerhöhung von 10°C zu einer Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit.

Bei 30°C müsste somit die Wechselzahl doppelt so hoch sein wie bei 20°C, und bei 40°C sogar viermal so hoch. Bei 50°C sollte die Wechselzahl oder die Enzymaktivität sogar achtmal so hoch sein wie bei 20°C.

Die Graphik zeigt aber einen deutlichen Abfall der Enzymaktivität bei Temperaturen von 37°C und mehr. Dies zeigt uns, dass es neben der RGT-Regel noch mindestens einen weiteren Faktor geben muss, der die Temperaturabhängigkeit der Enzymaktivität beeinflusst.

Betrachten wir nun den rechten Teil der Optimumskurve. Hier sinkt die Enzymaktivität rapide mit steigender Temperatur. Dies liegt an der zunehmenden Denaturierung der Proteine (daher habe ich diesen Teil der Kurve auch mit D gekennzeichnet).

Beide Einflüsse, RGT-Regel und Denaturierung wirken einander entgegen. Als Resultat erhält man eine Optimumskurve: jedes Enzym hat eine optimale Temperatur, bei der die Wechselzahl maximal ist (ob es für das Lebewesen selbst optimal ist, wenn alle Enzyme mit maximaler Wechselzahl arbeiten, ist eine andere Frage).

Klar sollte auch sein, dass z.B. die Enzyme eines Tieres, welches an polare Temperaturen angepasst ist, ein recht niedriges Temperaturoptimum haben. Die Enzyme der thermophilen (wärmeliebenden) Bakterien bestimmter heißer Schwefelquellen haben entsprechend sehr hohe Temperaturoptima.

pH-Wert

Neben einem Temperaturoptimum haben alle Enzyme auch einen optimalen pH-Wert, bei dem sie mit maximaler Wechselzahl arbeiten. Dies muss keineswegs immer der pH-Wert 7 sein, der ja als "neutral" bezeichnet wird. Das im Magensaft vorkommende Pepsin z.B. hat ein pH-Optimum im deutlich sauren Bereich, zwischen 2 und 3. Das Trypsin dagegen, welches im Saft des Dünndarms vorkommt, hat ein pH-Optimum im Bereich von 8, also bereits im basischen Bereich. Kein Wunder, im Dünndarm ist es ja auch basisch, also sollten die dort vorkommenden Enzyme ihr Optimum auch im alkalischen Bereich haben.

Warum sinkt aber die Wechselzahl, wenn man den pH-Wert des Mediums ändert, in dem das Enzym arbeitet?

Dazu muss man sich noch einmal klar machen, wie ein Enzym eigentlich arbeitet. Das Substrat setzt sich nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip in das aktive Zentrum. Alles, was die Struktur des aktiven Zentrums auch nur geringfügig ändert, verringert die Enzymaktivität. Durch Erhöhung der Temperatur werden z.B. Disulfidbrücken innerhalb des Enzyms gespalten, dadurch ändert sich die Enzymkonformation und somit auch die Struktur des aktiven Zentrums: die Enzymaktivität sinkt. Auch Änderungen des pH-Wertes können zu Änderungen der Enzymkonformation führen. Die Tertiärstruktur eines Proteins wird nämlich nicht nur durch S-S-Brücken zusammengehalten, sondern auch durch elektrostatische Anziehungskräfte.

Saure Aminosäuren haben COOH-Gruppen in ihren Seitenketten, und basische Aminosäuren NH2-Gruppen. Die Carboxylgruppen können Protonen abgeben und sind dann negativ geladen, während die Aminogruppen Protonen aufnehmen können und dann positiv geladen sind.

Solche unterschiedlich geladenen Seitenketten können sich elektrostatisch anziehen und dadurch die Raumstruktur eines Enzyms stabilisieren.

Was passiert nun, wenn der pH-Wert sinkt (oder steigt)?

Wenn der pH-Wert sinkt, so erhöht sich die Zahl der Protonen im Außenmedium. Carboxylgruppen, die bisher negativ geladen waren, nehmen jetzt ein Proton auf und werden dann neutral.

Wenn der pH-Wert dagegen steigt, sinkt die Zahl der Protonen in der Umgebung. Aminogruppen, die vormals positiv geladen waren, geben nun ein Proton ab und werden neutral.

Insgesamt sinkt die Zahl der elektrostatischen Bindungen im Enzym, weil negative bzw. positive Ladungen verschwinden, wenn der pH-Wert sinkt bzw. steigt.

Es waren aber gerade diese elektrostatischen Bindungen, die die Raumstruktur des Enzyms und damit auch die Struktur des aktiven Zentrums erhalten haben. Wenn sich also der pH-Wert ändert, verändert sich die Struktur des aktiven Zentrums, und die Enzymaktivität sinkt, weil die Substrate nicht mehr in die veränderten aktiven Zentren hineinpassen.

elektrostatische Bindungen =
schwache chemische Bindungen zwischen den negativ geladenen Seitenketten saurer Aminosäuren und den positiv geladenen Seitenketten weit entfernter basischer Aminosäuren.

Substrat-
Konzentration

In 8 Reagenzgläser geben wir eine Glucoselösung steigender Konzentration: in das erste Glas 0,01 mol/l, in das nächste Glas 0,02 mol/l, u.s.w.

Nun nehmen wir uns ein Enzym, welches mit der Glucose unter Freisetzung von Kohlendioxid CO2 reagiert. Wir stellen eine wässrige Lösung des Enzyms her und geben von dieser Lösung genau 10 Tropfen in jedes Reagenzglas. Wir haben jetzt also 8 Reagenzgläser mit unterschiedlichen Glucosekonzentrationen, aber jeweils gleicher Enzymmenge. Die Enzymaktivität kann nun relativ leicht gemessen werden, z.B. durch Auffangen des gebildeten Kohlendioxids.

Wie hängt nun die Enzymaktivität von der jeweiligen Glucosekonzentration ab? Spontan würde man sagen: je größer die Glucosekonzentration, desto mehr Substratmoleküle stehen einem Enzymmolekül zur Verfügung, und desto höher entsprechend der Umsatz. Die Enzymaktivität sollte also der Substratkonzentration proportional sein.

In Wirklichkeit verhält es sich etwas komplizierter. Ein Enzymmolekül kann pro Sekunde nur eine bestimmte maximale Zahl von Substratmolekülen umsetzen: die Enzymkapazität ist begrenzt. Stellen wir uns einmal vor, die Kapazität unseres Enzyms läge bei einer Wechselzahl von 90 Glucosemolekülen pro Sekunde.

Angenommen, im ersten Reagenzglas (0,01 mol/l) trifft jedes Enzymmolekül pro Sekunde im Schnitt auf 10 Glucosemoleküle. Dies ist weit unter der Kapazität des Enzyms, es werden also alle 10 Substratmoleküle weiterverarbeitet. Das gilt auch für die nächsten beiden Reagenzgläser.
Im vierten Reagenzglas trifft jedes Enzymmolekül pro Sekunde auf 100 Substratmoleküle. Von diesen können aber nur 90 verarbeitet werden.
Im nächsten Reagenzglas trifft jedes Enzymmolekül auf 200 Glucosemoleküle pro Sekunde. Da die maximale Vearbeitungskapazität aber bei 90 Molekülen pro Sekunde liegt, können auch nur 90 Glucosemoleküle pro Sekunde gespalten werden. Wenn wir die Glucosekonzentration jetzt noch mehr erhöhen, verändert sich gar nichts mehr. Mehr als mit maximaler Kapazität können die Enzyme nicht arbeiten: 90 Glucosemoleküle pro Enzym und pro Sekunde.

In der graphischen Darstellung erhält man eine Sättigungskurve.
(1) Substratkonzentration sehr gering, die Enzyme sind noch nicht mal zur Hälfte ausgelastet
(2) Substratkonzentration = Km. Die Enzyme arbeiten jetzt mit genau der Hälfte der maximalen Geschwindigkeit
(3) Hohe Substratkonzentration. Die Enzyme sind fast ausgelastet.
(4) Sehr hohe Substratkonzentration. Alle Enzymmoleküle sind voll ausgelastet, daher ist eine weitere Steigerung der Enzymaktivität nicht mehr möglich.

Km
Michaelis-Menton-Konstante
= die Substratkonz., bei der das Enzym mit genau der halben max. Geschwindigkeit arbeitet.

In dieser Abbildung sieht man 5 Enzymmoleküle und 10, 20, 40 und 80 Substratmoleküle. Die vier Bilder entsprechen ungefähr den Punkten (1) bis (4) in der vorherigen Graphik (Sättigungskurve).

Vorheriges Kapitel:
Molekularer Bau und Wirkungsweise von Enzymen

Nächstes Kapitel:
Regulation der Enzymaktivität

 


(C) Ulrich Helmich im Januar 2003
Erstellt mit GoLive 5 auf einem G3-Mac

 

 





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