Ablauf der Enzymreaktion
Basiskonzept: Struktur & Funktion
Eine Enzymreaktion wird nach folgendem Schema beschrieben:
E + S -> [ES] -> E + P
E = Enzym, S = Substrat, P = Produkt
Enzym und Substrat binden aneinander. Dabei wird ein Komplex aus Enzym und Substrat gebildet (Enzym-Substrat-Komplex [ES]).
Der für das Enzym spezifische Reaktionsmechanismus läuft ab und das zum Produkt umgewandelte Molekül wird freigesetzt. Das Enzym kann direkt für die nächste Reaktion eingesetzt werden.
Das Enzym beschleunigen die Hin- und Rückreaktion in gleichem Maße und ändert somit nichts am Gleichgewicht einer Reaktion.
In Worte gefasst, kann man sich die Enzymreaktion folgendermaßen vorstellen: Ein Enzym bindet ein für diesen Biokatalysator spezifisches Substrat (S + E). Es bildet sich ein Komplex, der als Enzym-Substrat-Komplex ([ES]) bezeichnet wird.
- Enzym und Substrat sind spezifisch zueinander. In der Regel passt nur ein bestimmtes Substrat in das Enzym. Dies wird als Schlüssel-Schloss-Prinzip bezeichnet.
- Das im Enzym (aktives Zentrum) gebundene Substrat wird durch die Interaktion mit den katalytisch aktiven Aminosäureresten im aktiven Zentrum umgewandelt. Das entstehende Produkt wird schnell aus dem Enzym freigesetzt (E+P).
- Das Enzym kann direkt für die nächste Reaktion eingesetzt werden. Es verlässt die Reaktion unverändert!
- Gezeigt ist eine modellhafte Darstellung der Hexokinase-Reaktion. Hier wird aus ATP und Glukose Glukose-6-Phosphat gebildet. Hexokinase ist sehr flexibel, wie „Packman" öffnet und schließt das aktive Zentrum, um sich den Substraten anzupassen. Dieser Vorgang heißt induced fit.
Merke
Enzym +Substrat ⇌ Enzym-Substrat-Komplex ⇌ Enzym + Produkt
Vertiefung
wichtige Begriffe der Enzymreaktionen
(1) reversibel = umkehrbar
(2) irreversibel = nicht umkehrbar
(3) kompetitiv = im Wettkampf stehend
(4) nicht kompetitiv = kein Wettstreit
(5) Substrat = Stoff, der durch das Enzym umgesetzt wird
Beispiel
Katalasereaktion – Beispiel einer Enzymreaktion
Katalase wandelt Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff um. Das Enzym entgiftet auf diesem Weg im Körper oder in der Pflanze (Fotorespiration) entstehende Peroxide.
2 H2O2 ⇌ H2O + O2
Katalase ist eines der effizientesten Enzyme, die man bisher charakterisiert hat. Sie hat eine sehr hohe Wechselzahl und kann ca. 10.000.000 Substratmoleküle pro Sekunde umsetzen!
Die Katalasereaktion teilt sich in zwei Schritte:
1. H2O2 + Katalase (reduziert) -> H2O + Katalase (oxidiert)
2. H2O2 + Katalase (oxidiert) -> H2O + O2 + Katalase (reduziert)
sodass sich daraus die Gesamtreaktion ergibt:
2 H2O2 -> H2O + O2
Experimentell kann die Reaktion der Katalase gut mit Hefezellen (Weizenbier!) oder Kartoffeln nachgewiesen werden.
Hefezellen, die zuvor auf einen Objektträger aufgebracht wurden, werden mit 3 %igem Wasserstoffperoxid betropft: Es kommt zu einer Blasenbildung (Sprudeln).
Kartoffeltest: Wird auf eine frisch aufgeschnittene Kartoffel etwas Wasserstoffperoxid (3 %) getropft, so bildet sich sofort ein Schaum auf der Kartoffel. Gleiches funktioniert mit einem Stück Leber. Leber und Kartoffel besitzen das Enzym Katalase, welches Wasserstoffperoxid entgiftet. Als Kontrollreaktion kann man Leber oder Kartoffel kochen und dann nochmals mit Wasserstoffperoxid versetzten. Hier erfolgt keine Schaumbildung! Warum ist das so??
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