Michaelis-Menten und wie Enzyme beeinflusst werden können
Methode
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-Kompex [ES]).
Der für das Enzym spezifische Reaktionsmechanismus läuft ab und das zum Produkt umgewandelte Molekül wird freigesetzt. Das Enzym kann direkt in die nächste Reaktion eingesetzt werden.
Definition Katalysator:
„Katalysator (von der Katalyse, griechisch, katálysis – Auflösung mit lateinischer Endung) bezeichnet in der Chemie einen Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Dies geschieht durch Herabsetzung der Aktivierungsenergie. Katalysatoren ändern somit die Kinetik chemischer Reaktionen, ohne deren Thermodynamik zu verändern. Sie beschleunigen die Hin- und Rückreaktion gleichermaßen und ändern somit nichts am Gleichgewicht einer Reaktion." (Quelle: Wikipedia)
Gleiches gilt für Enzyme!!
Die Abbildung deutet den induced fit zwischen Enzym und Substrat(en) an. Enzym und Substrat bewegen sich aufeinander zu, so dass es zu einer optimalen Einpassung des Substrats in das Enzym kommt.
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, welcher als Enzym-Substrat-Komplex ([ES]) bezeichnet wird.
Enzym und Substrat sind spezifisch zueinander. In der Regel passt nur ein bestimmtes Substrat in das Enzym (= Schlüssel-Schloss-Prinzip).
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 in die nächste Reaktion eingesetzt werden. Es verlässt die Reaktion unverändert!
Gezeigt ist eine modellhafte Darstelllung 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 (= induced fit).
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.
2H2O2 ⇌ 2H2O + 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)
so dass sich daraus die Gesamtreaktion ergibt:
2H2O2 -> 2H2O + 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 %-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 Kartoffeln besitzen das Enzym Katalse, welches Wasserstoffperoxid entgiftet. Als Kontrollreaktion kann man Leber oder Kartoffeln kochen und dann nochmals mit Wasserstoffperoxid versetzen. Hier erfolgt keine Schaumbildung! Warum ist das so??
Michaelis-Menten-Kinetik: Was passiert, wenn die Substratkonzentration bei einer Enzymreaktion erhöht wird?
- Reaktionsgeschwindigkeit nimmt zu
- dies geschieht so lange, bis alle Enzymmoleküle am Arbeiten sind
- Merkhilfe "Supermarktkassen"
- dann ist die maximale Geschwindigkeit der Reaktion errreicht (vmax)
Dieses Phänomen wurde zum ersten Mal 1913 von dem Forscher Leonor Michaelis und seiner Doktorandin Maud Menten beschrieben.
Michaelis Menten Kinetik: v = vmax [S] / [S][Km]
vmax: maximale Reaktionsgeschwindigkeit
KM: charakteristisch für jedes Enzym-Substrat-Paar abhängig von Substratkonzentration
Biokatalysatoren – Einfluss von Temperatur, pH und Salzkonzentration auf Enzyme
Wird im Verlauf einer Reaktion die Temperatur erhöht, so steigt auch die Reaktionsgeschwindigkeit. Eine Faustregel sagt, wird die Temperatur um 10ºC erhöht, dann verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit (RGT-Regel = ReaktionsGeschwindigkeit-Temperatur-Regel).
In biologischen Systemen ist dies nur bedingt richtig. Biomoleküle degenerieren ab bestimmten Temperaturen, die für den jeweiligen Organismus ganz spezifisch sind. 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.
Übrigens: Hochtemperaturliebende Organismen können leicht 80 – 100 ºC (und höher) aushalten, ohne dass ihre Proteine Schaden nehmen, während menschliche Proteine bei 42ºC 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-Wert-Optimum von ca. 2!
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, Iodiodkaliumlösung und Speichel einer Versuchsperson benötigt. Ebenso Reagenzgläser, Räume verschiedener Temperatur oder ein Thermoblock bzw. eine Heizplatte und ein Kühlschrank sind notwendig.
Experimentelle Duchführung: 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 bei unterschiedlichen Temperaturen für eine Zeit von 5 Minuten gelagert.
Nach dieser Inkubationszeit wird die Probe auf Eis abgekühlt, dann unter Zugabe von Iodiodkaliumlösung beobachtet, ob noch Stärke im Gemisch vorhanden ist.
Temperatur | Beobachtung: ist Stärke vorhanden? |
4 ºC (Kühlschrank) | ja |
37 ºC (Wasserbad) | nein |
90ºC (Wasserbad) | ja |
Beobachtungen: sehr niedrige und sehr hohe Inkubationstemperaturen verhindern den Stärkeabbau. Das Stärkespeichelgemisch bei 90ºC und das im Kühlschrank geben einen positiven Stärkenachweis. Dies wird durch eine intensive Blaufärbung der Lösung sichtbar. In der „37ºC-Probe" fällt der Nachweis negativ aus. Der Stärkeabbau erfolgt optimal bei Körpertemperatur. Mit einer Messreihe in 2-5 ºC Differenzmessungen 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 wird dann wieder Aktivität zeigen.
