Schwermetalle und Enzymaktivität
Schwermetalle kennen Sie aus dem Alltag, z.B. aus ihrer Verwendung in der Farbenherstellung (Titanweiß, Blei in Rot, Cadmium in Organe usw.); ggf. kennen Sie die schönen bunten Salze aus dem Chemieunterricht (Chrom- oder Nickelsalze).
Merke
Schwermetalle sind giftig.
Schwermetalle sind giftig. Eine Schwermetallvergiftung führt in der Regel zu einer Degeneration des Nervensystems. Schwermetalle werden über die Nahrung aufgenommen und in Knochen, Zähnen und im Gehirn gespeichert. Auch das Knochenmark ist betroffen (Cadmium), erbgut- und fruchtschädigende Wirkungen sind im Tierversuch nachgewiesen.
Wie reagieren Enzyme auf Schwermetalle?
Das Enzym Katalase eignet sich sehr gut, um seine Aktivität in Abhängigkeit der Schwermetallkonzentration zu zeigen.
Katalase ist für die Katalyse folgender Reaktion verantwortlich:
H2O2 ⇌ H2O + O2
Das Enzym wandelt Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff um. Diese Enzymwirkung führt zur Entgiftung in der Zelle entstehender Peroxide.
Merke
Katalasereaktion = Entgiftung von Peroxiden => H2O2 ⇌ H2O + O2
Katalase findet sich z.B. in der Kartoffel. So werden aus einer Kartoffel zwei gleichgroße Stücke ausgeschnitten. Eines der Kartoffelstückchen wird in eine 3 %ige Wasserstoffperoxidlösung (H2O2) gelegt. Spontan wird die Bildung von Sauerstoffbläschen sichtbar. Das Enzym baut Wasserstoffperoxid der Lösung ab, Wasser und Sauerstoff entstehen dabei.
Wird das Kartoffelstückchen nun für kurze Zeit (ca. 1 Minute) in 0,1 %iger Quecksilberchlorid- (HgCl2-)Lösung inkubiert und danach in die Wasserstoffperoxidlösung überführt, gibt es keine Bläschenbildung. Das Ergebnis ist identisch, wenn Schwermetallsalze wie Bleinitrat oder Kupferchlorid eingesetzt werden.
Was passiert im Enzym Katalase?
Schwermetallionen wie Kupfer, Blei oder das eingesetzte Quecksilber besitzen eine hohe Affinität zu Schwefel. In der anorganischen Chemie nutzt man im sogenannten Trennungsgang das gasförmige H2S, um Schwermetalle als Sulfide auszufällen und über diesen (auch relativ ungesunden Weg) nachzuweisen.
In Enzymen und anderen Proteinen können Disulfidbrücken als stabilisierende Einheiten im Protein dienen. Diese Disulfidbrücken werden zwischen zwei Cystein-Seitenketten gebildet. Hier finden sich die Schwefelgruppen! Einige Schwermetallionen, wie Quecksilber (Hg2+), können diese S-S-Brücken aufbrechen oder sich an freie SH-Gruppen anlagern. Die Enzymstruktur wird dadurch gestört oder sogar zerstört. Es kann zum Verlust der enzymatischen Aktivität kommen. Neben den Schwefelgruppen können Schwermetalle ebenso an Phosphoryl-, Carboxyl-, Hydroxyl-, Amino- oder Imidazolgruppen wirken!
Ob die Schwermetallionen im aktiven Zentrum oder außerhalb dieser enzymatisch essentiellen Struktur anbinden, hängt vom Enzym ab. So wirken Schwermetallionen als nichtkompetitiver Hemmstoff, wenn sie außerhalb des aktiven Zentrum wirken, als irreversibler kompetitiver Inhibitor, wenn sie im aktiven Zentrum anbinden.
Merke
Die Wirkung von Schwermetallen auf die Enzyme ist nicht reversibel!
Ein Blick über den Tellerrand: Sie haben nun erfahren, dass Schwermetalle die Enzymaktivität deutlich hemmen. Dazu drei Fragen: Woher kennen Sie noch Schwefelverbindungen, die in Zusammenhang mit enzymatischer Aktivität stehen? Wie beurteilen Sie Schwermetallbelastungen im Boden? Wie reagieren beispielsweise Bodenbakterien auf diese Schwermetallbelastung?
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