Beispiele für Enzymreaktionen - Urease
Enzymreaktionen sind vielfältig. Auf den kommenden Seiten haben wir einige klassische Enzymexperimente und -reaktionen zusammengetragen.
Anhand des Beispiels „Urease Experiment" sollen die Wirkung, und Regulation eines Enzyms verdeutlicht werden.
Bereits 1926 konnte Urease als erstes Enzym in Form eines Proteinkristalls erzeugt werden.
Dieses erste kristallisierte Enzym ist gleichzeitig ein sehr großes Enzym mit einer Molmasse von 545.000 g/mol! Es besteht aus sechs identischen Untereinheiten mit jeweils 840 Aminosäuren.
Zum Vergleich: Ein durchschnittliches Stoffwechselenzym hat ca. 250 Aminosäuren!
Die Urease-Reaktion
Biochemisch wird die Urease Harnstoff-Amidohydrolase genannt. Im Enzymnamen steckt schon die Reaktion, welche von der Urease durchgeführt wird: Harnstoff (Urea) wird hydrolysiert.
Urease baut den Harnstoff zu Carbamidsäure ab, die spontan in Ammoniak und CO2 zerfällt.
NH2-CO-NH2 + H2O -> 2 NH3 + CO2
Vorkommen Urease (Beispiele)
- Pflanzen wie Sojabohne oder Schwertbohne
- Schimmelpilze
- Bodenbakterien
Die „Landluft“ bzw. der Ammoniakgeruch von Gülle hat seinen Grund im bakteriellen Harnstoffabbau.
Hinweis
Ammoniak kann im „Toiletten-Experiment" nachgewiesen werden. Ein feuchtes Indikatorpapier (Lackmus) soll dabei in einer schlecht gelüfteten Toilette angebracht werden. Das Indikatorpapier zeigt eine Blaufärbung. Dies ist ein Hinweis auf eine flüchtige Base. Der Geruch identifiziert diese als Ammoniak.
Beeinflussung der Enzymaktivität
Die Katalyse der Reaktion findet im aktiven Zentrum statt. Urease kann sehr gut mit Metallionen gehemmt werden. Silber- und Kupferionen sind schädlich für die Urease.
Im Experiment lässt sich diese Enzymhemmung zeigen.
Vorbereitung:
- Vier Reagenzgläser werden mit frischer Harnstofflösung und ein paar Tropfen des Indikators Phenolphthalein gefüllt.
- In vier weitere Reagenzgläser werden je 1 ml Wasser und eine Spatelspitze Urease gegeben. Das Enzym wird durch Schütteln suspendiert.
- Zu den Ureasesuspensionen pipettiert man 100 µl einer Schwermetallsalzlösung und lässt diese 2–3 min auf das Enzym einwirken. Ein Reagenzglas dient als Kontrolle und bleibt ohne Schwermetallzusatz.
- Ansatz #1: Bleilösung
- Ansatz #2: Silberlösung
- Ansatz #3: Kupferlösung
- Ansatz #4: keine Schwermetallzugabe!
Experiment:
Die Harnstofflösungen werden mit den Enzymsuspensionen 1–3 sowie mit dem Kontrollansatz gemischt.
Beobachtung:
Ansatz #4 (Kontrolle) zeigt eine Rotfärbung. Ammoniak, das in diesem Ansatz gebildet wird, führt zum Farbumschlag des Indikators Phenolphthalein.
Ansätze #3 und #2: Lösung bleibt unverändert. Das Enzym ist aufgrund der Hemmung nicht mehr funktionsfähig.
Ansatz #1: Rotfärbung des Indikators.
Die Hemmung durch Silber- oder Kupferionen kann durch Zugabe des tatsächlichen Substrats wieder aufgehoben werden. Welche Form der Hemmung liegt vor?
Aktives Zentrum
Die Urease trägt zwei komplex gebundene Nickel(II)-Ionen in ihrem aktiven Zentrum. Hier werden Wasser und Harnstoff gebunden. Die Metallionen sorgen für die exakte sterische Ausrichtung der Moleküle der beiden Reaktionspartner Wasser und Harnstoff und für die Polarisierung von Bindungen.
Weitere Inhibitoren sind
Thioharnstoff, N-Methylharnstoff
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