Biokatalysatoren: Einfluss von Temperatur, pH, Salzkonzentration
Wird im Verlauf einer Reaktion die Temperatur erhöht, so steigt auch die Reaktionsgeschwindigkeit. Eine Faustregel besagt: Wird die Temperatur um 10 °C erhöht, dann verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit (RGT-Regel = Reaktions-Geschwindigkeits-Temperatur-Regel).
In biologischen Systemen ist dies nur bedingt richtig. Biomoleküle degenerieren ab einer bestimmten Temperatur, die für den jeweiligen Organismus ganz spezifisch ist. Daher hat jedes Enzym ein spezifisches Temperaturoptimum. Hier arbeitet es optimal, bei geringeren oder höheren Temperaturen geht die Katalyseaktivität zurück, bis sie komplett lahmgelegt oder das Enzym zerstört wird.
Hinweis
Übrigens: Hochtemperaturliebende Organismen können problemlos 80–100 °C (und höher) aushalten, ohne dass ihre Proteine Schaden nehmen, während menschliche Proteine bei 42 °C beginnen zu denaturieren.
Gleiches gilt für die pH-Verhältnisse! Verdauungsenzyme im Darm sind an den alkalischen pH-Wert des Darms angepasst, Pepsin hingegen zeigt ein pH-Optimum von ca. 2!
Beispiel
Beispiel: Experiment: Die Temperaturabhängigkeit der Amylase
Amylase ist ein Enzym in unserem Speichel. Amylase spaltet Stärke.
Aufgabe: Im Experiment soll das Temperaturoptimum der Amylase ermittelt werden. Dazu werden Stärke, Iodkaliumlösung und Speichel einer Versuchsperson eingesetzt. Außerdem werden Reagenzgläser, Räume verschiedener Temperatur oder ein Thermoblock bzw. eine Heizplatte und ein Kühlschrank benötigt.
Experimentelle Durchführung: Eine identische Menge Stärke (0,1 g) wird mit einer immer gleichen Menge Speichel (3 ml) zu einer Lösung vermischt. Die vorbereiteten Gemische aus Stärke und Speichel werden für eine Zeit von 5 Minuten bei unterschiedlichen Temperaturen inkubiert.
Nach dieser Inkubationszeit wird die Probe auf Eis abgekühlt. Anschließend wird durch Zugabe von Iodkaliumlösung geprüft, ob noch Stärke im Gemisch vorhanden ist.
Tabelle 1: Beobachtungen während des Amylase-Experiments
Temperatur | Stärke vorhanden? |
4 °C (Kühlschrank) | ja |
37 °C (Wasserbad) | nein |
90 °C (Wasserbad) | ja |
Beobachtungen: Sehr niedrige und sehr hohe Inkubationstemperaturen verhindern den Stärkeabbau. Die Stärkespeichelgemische bei 4 °C und bei 90 °C zeigen einen positiven Stärkenachweis. Dies wird durch eine intensive Blaufärbung der Lösung sichtbar. In der „37 °C-Probe" fällt der Nachweis negativ aus. Der Stärkeabbau erfolgt optimal bei Körpertemperatur. Mit einer Messreihe in Schritten von 2–5 °C Temperaturdifferenz kann das Temperaturoptimum noch genauer eingegrenzt werden. Bei 90 °C denaturiert die Proteinstruktur der Amylase und wird dabei irreversibel geschädigt. Stärke kann nicht mehr abgebaut werden. Die Kühlschrankprobe kann auf Körpertemperatur erwärmt werden, das Enzym (Amylase im Speichel) wird dadurch reaktiviert.
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