Enzyme: Einführung

1.3Steuerung des Stoffwechsels durch Enzyme

1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4

Einführung Wirkungsweise
von Biokatalysatoren,
Klassifizierung
Substrat- und Wirkungsspezifität,
Aktives Zentrum (Schlüssel-Schloß-Modell)
Abhängigkeit der Enzymaktivität
von pH-Wert und Temperatur, ökologische Aspekte

Enzymhemmung

1.3.5

Biomoleküle in3d3 - Enzyme: Einführung

1.3.1 Einführung

Nun wollen wir uns eine der wichtigsten Proteingruppen
genauer anschauen, die Enzyme. Sie können sich noch an unserer
Vergleich zu Beginn erinnern:

Die Zelle ist eine Fabrik, die Zellorganellen
sind die Maschinen und die Enzyme
sind die Arbeiter
.

Jede ausgewachsene Zelle kann als eine Art Spezialfabrik
angesehen werden, die spezielle Produkte herstellt. Die werden in den
verschiedenen Abteilungen an speziellen Maschinen (Zellorganellen)
hergestellt. Zwar hat jede Zelle eine gewisse Menge gleicher Stoffwechselprodukte,
jedoch unterscheidet sich z. B. eine Leberzelle mit ihrem Stoffwechsel
von einer Gehirnzelle aufgrund ihrer unterschiedlichen Funktion. Deshalb
findet man auch in den Zellen teilweise gleiche Enzyme, teilweise
sehr spezifische.

Bisher haben wir meist nur über Stukturen gesprochen:
wie sieht dies aus, wie ist das aufgebaut. Nun wollen wir auch
über Vorgänge sprechen, nämlich wie
werden durch die Enzyme Stoffwechselvorgänge ermöglicht
?

Machen wir ein paar kleine Versuche, um der Wirkungsweise
von Enzymen auf die Spur zu kommen.

scient1 - Enzyme: Einführung

Dazu verwenden wir H202.
Dieser Stoff ist eine wasserklare, ätzende Flüssigkeit,
der in geringer Menge in atmosphärischen Niederschlägen
vorkommt. Er entsteht allgemein bei der Oxidation anorganischer
wie organischer Stoffe an der Luft und ist in

Organismen ebenfalls ein Nebenprodukt der Oxidation.
H2O2 zerfällt leicht und wirkt als kräftiges
Oxidationsmittel. Wegen seines leichten Zerfalls wird es in schwarzen
Kunststoffbehältern aufbewahrt, da durch Licht der Zerfall beschleunigt
wird. Es zerfällt exotherm


2H2O2 => 2H2O + O2
DH= – 193 KJ .
Der Zerfall würde an Sonnenlicht je
nach Menge Tage bis Wochen gehen.

Man könnte natürlich mit Erhitzen die
Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen.


1. Gibt
man nun in ein Reagenzglas zu ein wenig H2O2
eine geringe Menge MnO2 (Mangan (IV)oxid = Braunstein),
kann man eine heftige Reaktion beobachten, bei der ein Gas freigesetzt
wird. Die Spanprobe beweist, daß es Sauerstoff ist. Durch
Verdampfen läßt sich das verwendete Braunstein wieder zurückgewinnen.

Folgerung:

Braunstein beschleunigt die Zersetzung von H2O2,
ohne sich dabei zu verändern und bei Normaltemperatur. Solche
Stoffe nennt man

Katalysatoren.
MnO2
wirkt katalytisch.

2. Gibt
man nun auf eine Kartoffelscheibe oder ein Stück Leber ebenfalls
etwas H2O2, stellt man sofort Schaumbildung
fest. Der Verdacht liegt nahe, daß auch hier H2O2
in O2 und H2O zersetzt wird, nur wer beschleunigt
den Vorgang in Pflanzen- oder Tierzellen.?
Dazu machen wir einen weiteren Versuch.

3. Kocht man die Kartoffel und gibt dann
nochmals H2O2 auf ein gekochte Kartoffelscheibe
erfolgt keine Reaktion.

Folgerung:

Das was H2O2 zersetzt hat, ist durch die Wärmeeinwirkung
inaktiviert worden.

Mit dem Enzym
Urease
(oder Amylase) kann ebenfalls gut experimentiert werden. Experiment
durchführen?

Wir kennen Stoffe, die durch Hitzeeinwirkung zerstört
werden: Proteine!

Und Proteine, die katalytisch wirken nennt man Enzyme.
Den Stoff, den Enzyme umsetzen nennt man Substrat.

In Zellen befinden sich also Proteine, die Reaktionen
katalysieren können. Reaktionen in Zellen sind biochemische Reaktionen
und deshalb bezeichnet man Enzyme als Biokatalysatoren.

Die biochemischen Reaktionen finden bei ca. 37°C
in einer wässrigen Lösung (z. B. Cytoplasma ) statt, ganz im
Gegensatz zu Reaktionen in der organischen Chemie. Um zum Beispiel Fette
in Seifen umzuwandlen, muß man sie mit konzentrierter Natronlauge
stundenlang kochen. Enzyme namens Lipasen machen das gleiche bei
Körpertemperatur.

Ohne Enzyme würde unsere zelluläre
Biochemie nicht ablaufen, d.h. Leben gäbe es nicht!

Das Enzym das z. B. in Leber und Kartoffel die Zersetzung
von H2O2 beschleunigt heißt Katalase.
Die Katalase ist in Zellen in den Peroxysomen
enthalten, hat als Substrat H2O2 und besitzt folgende
räumliche Struktur:

catalas1 - Enzyme: Einführung

Katalase besteht aus einer
Polypeptidkette und besitzt Häm (siehe
unten) (Fe-haltiger roter Farbstoff) als prosthetische Gruppe, ist also
ein Proteid.

Solche organischen Kofaktoren nennt
man
Koenzyme.
Dies ist typisch für die meisten Enzyme.

Im Übrigen gibt es eine Erbkrankheit, Katalase
betreffend
: das Zellweger Syndrom, bei dem durch Fehlen der
Peroxisomen die Katalase im Cytoplasma auftritt. Die Krankheit führt
wenige Wochen nach der Geburt wegen schwerster Defekte an verschiedenen
Organen zum Tod.

Stellt sich natürlich die Frage, wie die Enzyme
eine Reaktion beschleunigen können, ohne an ihr als Produkt oder
Edukt teilzuhaben? Diese Frage wollen wir im nächsten Kapitel angehen.

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 1

MnO2


mno2 - Enzyme: Einführung

 


Abb. 2

Experiment


catalas3 - Enzyme: Einführung

 


Abb. 3

Katalasetest

stau1 - Enzyme: EinführungZugabe von H2O2 zu einer Bakterienkultur zeigt
das Vorhandensein von Katalase 

 


Abb. 4

Peroxisom mit Katalase

peroxicat - Enzyme: EinführungQuelle: Armleucheralge (Chara zeylanica)chara - Enzyme: Einführung

 

 

 

 


Abb. 5

Katalase

catal3 - Enzyme: EinführungKlicken Sie auf das Bild links für
3D
 

 

 

 


Abb. 6

Häm
 
_haemb_s - Enzyme: Einführung

Zur Reaktion wird noch ein organischer Kofaktor
( = Hilfsstoff) benötigt: NADPH, ein Stoff der e
übertragen kann.

 

3d2 - Enzyme: Einführung

Quellen zu 3D-Molekülanimationen Online
Biomolekülehttp://www.nyu.edu:80/pages/mathmol/library/life/life.html
Biochemiehttp://www.biologie.uni-hamburg.de/lehre/bza/eanfang.htm
Molekülanimationenhttp://www.leeds.ac.uk/bionet/animation/mol_anim.htm
Molekülehttp://c4.cabrillo.cc.ca.us/
und http://www.clunet.edu/BioDev/omm/exhibits.htm#displays
Index Biomoleküle:http://www.umass.edu/microbio/rasmol/tutbymol.htm
http://www.umass.edu/microbio/rasmol/edsites.htm
Molekul-Daten für Chime:http://www.umass.edu/microbio/rasmol/whereget.htm
Daten für Molekulargenetikhttp://ndbserver.rutgers.edu/NDB/NDBATLAS/index.html

CHIME-Support: http://www.mdl.com/chime/index.html

Weiterführende
Quellen:

Enzyme:
http://us.expasy.org/enzyme/

Katalase: http://www.siu.edu/departments/biochem/chime_rasmol/oxidative_stress/catalase_structures.htm
und http://biology.kenyon.edu/BMB/Chime/catalase/frames/cattx.htm
Suche nach Enzymen: http://life.nthu.edu.tw/~g854239/ExPASy/5cofactor.htm
oder http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/search.html
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