Abhängigkeit der Enzymaktivität von Konzentration, pH und Temperatur

Konzentrationsabhängigkeit

Nachdem wir nun genau wissen, wie ein Enzym eine Reaktion
beeinflussen kann, wollen wir uns der Dynamik des Gesamtvorgangs zuwenden.
Eine enzymatisch katalysierte Reaktion läuft wie folgt ab:


er1 - Abhängigkeit der Enzymaktivität von Konzentration, pH und Temperatur

Sie entspricht grundsätzlich einer Reaktion 2.
Ordnung:


v = – d[Substrat]/dt = k1[Substrat][Enzym]

k1=konstanter Geschwindigkeitsfaktor der Hinreaktion;
[ ] = Konzentration; d = Änderung; – d = Abnahme

Falls sie schon in Chemie Gleichgewichtsreaktionen
behandelt haben, wäre es interessant, das auf eine enzymatische Katalyse
anzuwenden. Falls nicht, schauen Sie mal, wie es weitergeht oder überspringen
das Kapitel.

In der oberen Abbildung bedeuten k1, k-1, k2, k-2 die
Geschwindigkeitskonstanten, k1/k-1 bzw. k2/k-2 die Gleichgewichtskonstanten
der entsprechenden Reaktionen.

Das Enzym wandelt das Substrat in Produkt um. Am Anfang
ist [Produkt] klein, so daß die Hauptreaktion Substrat–>Produkt
ist. Später, wenn [Produkt] wächst, nimmt die Geschwindigkeit
der Rückreaktion zu, bis Gleichgewicht erreicht wird.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 32

Enzymatische Katalyse als Gleichgewichtsreaktion

 

 

_ek20000 - Abhängigkeit der Enzymaktivität von Konzentration, pH und Temperatur

_ek30000 - Abhängigkeit der Enzymaktivität von Konzentration, pH und Temperatur

Km ist
die Substratkonzentration[Mol/l], die notwendig ist, um die Hälfte
der maximalen Reaktions-geschwindigkeit zu erreichen. Die katalytischen
Fähigkeiten eines Enzyms können also durch Km
charakterisiert werden.

Jedes Substrat einer gegebenen enzymatischen Reaktion
hat eine eigene Km und Vmax.

Die Gleichung, die die Kurve rechts oben beschreibt
ist die Michaelis-Menten-Gleichung


Michm - Abhängigkeit der Enzymaktivität von Konzentration, pH und Temperatur

nach Michaelis und Menton, die sich schon 1913 damit
auseinandergesetzt haben. Km nennt man man die Michaelis-Menten-Konstante.
Sie ist ein Maß dafür, wieviel Substrat notwendig ist, um volle
Reaktionsgeschwindigkeit zu erreichen.

Das gilt für [Substrat] >> KM.

In nachfolgender Adresse kann man die Parameter der
Gleichung variieren, um die Abhängkeit der Reaktion davon zu begreifen:
Space
space space spacespace
http://cti.itc.virginia.edu/~cmg/Demo/kinetics/mm/mm/mm.html

scient1 - Abhängigkeit der Enzymaktivität von Konzentration, pH und TemperaturExperimentelle
Bestimmung von Vmax und Km.

In 5 Reagenzgläser wird die gleiche
Enzymkonzentration gegeben ( z. B. Amylase). In Reagenzglas
Nr. 1 wird 1mmol/l Substrat (z. B. Stärke) gegeben und
die Anfangsgeschwindigkeit der Reaktion

gemessen ( z. B. in der Abnahme der KJ-Färbung
von Stärke). In das 2. Reagenzglas werden 2 mmol/l Substrat gegeben
und wiederum die Reaktionsgeschwindigkeit gemessen. Man verfährt
so weiter und trägt die gemessenen Anfangsgeschwindigkeiten in
ein Diagramm ein. Daraus kann man graphisch Vmax und Km bestimmen.

Das Ergebnis für unterschiedliche Enzymkonzentrationen
([E] = 4, 8, 12 mg/l) ist in der Abb. 34 abzulesen:

mmenz - Abhängigkeit der Enzymaktivität von Konzentration, pH und Temperatur

pH – Abhängigkeit

Der pH-Wert
gibt die Menge von H3O+-Ionen in einer Lösung
an. Wir bezeichnen danach eine Lösung als Säure, neutral oder
Base.

Typischerweise herrscht in Zellen ein neutraler pH-Wert,
also um ca. 7. Blut besitzt den pH-Wert 7,4. Im Magen dagegen ist es wesentlich
saurer und im Darm basischer.

Allgemein sind Enzyme anfällig gegen pH-Änderungen.
Starke Säuren und Basen würden ihre zur Funktion notwendige
Konformation zerstören. Dies geschieht durch Anlagerung an
die polaren Reste der Aminosäuren, so daß die intramolekularen
Wechselwirkungen zerstört werden (H-Brücken, ionische Wechselwirkungen).
Weiterhin findet dann auch teilweise eine Säurehydrolyse der Polypeptidkette
statt. Man nennt die Zerstörung der Konformation Denaturierung.

Die Veränderung der Struktur kann anhand Abb.
35
beobachtet werden. Die Abbildung zeigt die Enzymoberfläche
der Cutinase des Pilzes Fusarium solani bei verschiedenen pH-Werten. Blau
bedeutet positives (+) Potential, weiß neutrales Potential und
rot
(-) negatives Potential. Der Pfeil zeigt die aktive Stelle
mit Serin.

titra - Abhängigkeit der Enzymaktivität von Konzentration, pH und Temperatur

Jedes Enzym hat sein spezielles pH-Optimum,
bei dem es die höchste Aktivität hat
.

Das pH-Optimum der Amylase im Mund liegt bei pH
7
. Eine Ausnahme ist das Pepsin im Magen mit ca. pH 2
und Arginase mit pH 10. Ungefähr zwischen pH 7 und
9
liegt das pH-Optimum der Pankreas-Lipase im Dünndarm
von Säugetieren.

dere3 - Abhängigkeit der Enzymaktivität von Konzentration, pH und Temperatur

Liegt keine Zerstörung der Polypeptidkette vor und war die pH-Änderung
nicht so extrem, so kann das Enzym seine ursprüngliche Konformation
wieder annehmen. Man nennt dies Renaturierung.

Auch Detergentien
(= Seifen) oder
Lösungsmittel
verändern die Konformation und zerstören die Enzymaktivität.

In der Abbildung 36 ist die Denaturierung des Enzyme GAPD (=Glycerin-Aldehydphosphat-Dehydrogenase)
aus Hefe durch verschiedene Alkohole zu sehen.

denat52 - Abhängigkeit der Enzymaktivität von Konzentration, pH und Temperatur

Temperaturabhängigkeit

Die meisten Enzyme besitzen ebenfalls ein Temperaturoptimum
je nach Organismus. Das nachfolgende Diagramm zeigt den Aktivitätsverlauf
in Abhängigkeit von der Temperatur typischer Enzyme.

Allgemein gesagt verdoppelt sich sich bei ca. 10°
C die Reaktionsgeschwindigkeit (RGT-Regel), d.h. bei niedrigen Temperaturen
erhöht sich die Aktivität der Enzyme
. Bei zu hohen Temperaturen
jedoch werden wie bei pH-Änderungen durch zu große thermische
Bewegung die intramolekularen Bindungen, die die Proteinstruktur stabilisieren,
zerstört. (Denaturierung)

Bei thermophilen
Organismen wie Archäbakterien
, die nahe dem Siedepunkt leben,
hat man Optima bis 90°C gefunden.

 

 


Abb. 33

Maud Menten
1879–1960
mmenten - Abhängigkeit der Enzymaktivität von Konzentration, pH und Temperatur
Leonor Michaelis
1875–1949

micha - Abhängigkeit der Enzymaktivität von Konzentration, pH und Temperatur

 

 

 

 

 


Abb. 34

Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 35

Denaturierung je nach pH

 

 

 

 

 

 


Abb. 36

Aktivität verschiedener
Enzyme je nach pH

enzpH - Abhängigkeit der Enzymaktivität von Konzentration, pH und Temperatur
 

 


Abb. 37

Denaturierung durch Alkohol

 


Abb. 38

Denaturierung durch Harnstoff

urea5 - Abhängigkeit der Enzymaktivität von Konzentration, pH und Temperatur
Mercaproethanol =
(HOCH2 CH2 SH) reduziert Disulfidbrücken

 

 

 


Abb. 39

Denaturierung durch Temperatur

denat - Abhängigkeit der Enzymaktivität von Konzentration, pH und Temperatur
 

 

enzak3 - Abhängigkeit der Enzymaktivität von Konzentration, pH und Temperatur
Weiterführende
Quellen:
Interaktive Enzymatik: http://cti.itc.Virginia.EDU/~cmg/

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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