Enzyme – Einflüsse auf die Enzymaktivität

Enzyme – Einflüsse auf die Enzymaktivität Übung

• Definiere Schlüsselwörter der Enzymkinetik.

  Tipps

  Das Zeichen für die Michaelis-Menten-Konstante ist $K_{m}$. Sie gibt die Halbsättigung eines Enzyms mit seinem Substrat an.

  Die Abkürzung RGT steht für ReaktionsGeschwindigkeit-Temperatur.

  Die Konformation eines Enzyms wird durch die Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur genauer beschrieben.

  Lösung

  Die RGT-Regel besagt, dass ein Temperaturanstieg von 10 K, eine Verdoppelung bis Verdreifachung der Reaktionsgeschwindigkeit zur Folge hat.

  Das Temperatur-Optimum eines Enzyms beschreibt die Temperatur, an der die Reaktionsgeschwindigkeit maximal hoch ist.

  Die Konformation eines Enzyms beschreibt die dreidimensionale Anordnung der Atome, aus denen es aufgebaut ist – also dessen räumliche Struktur.

  Die Affinität ist das Bestreben eines Enzyms, sich an „sein“ Substrat zu binden.

  Die Michaelis-Menten-Konstante $K_{m}$ ist ein Maß für die Bindungsstärke zwischen Enzym und Substrat.

• Skizziere Diagramme zur grafischen Bestimmung verschiedener Größen und Zusammenhänge der Enzymkinetik.

  Tipps

  Die Michaelis-Menten-Gleichung stellt eine Sättigungskurve dar. Das ist eine Kurve, die irgendwann ein Plateau erreicht.

  Bei der RGT-Regel werden Temperaturunterschiede in Kelvin angegeben.

  Das Wort Optima ist die Pluralform von Optimum. So sind in den entsprechenden Diagrammen mehrere Graphen eingezeichnet.

  Den Unterschied zwischen Temperatur- und pH-Optima-Kurven erkennst du an der Skalierung der x-Achse.

  Lösung

  Die richtige Reihenfolge der Beschriftung lautet wie folgt:

  1. pH-Optima
  2. Aktivierungsenergie
  3. Temperatur-Optima
  4. Michaelis-Menten-Gleichung
  5. RGT-Regel

• Erläutere zwei Modellvorstellungen zur Substratspezifität.

  Tipps

  Das Induced fit model ist eine Weiterentwicklung des Schlüssel-Schloss-Prinzips.

  Das Wort induced bzw. induziert bedeutet, dass etwas durch äußere Umstände herbeigeführt wird.

  Lösung

  Schlüssel-Schloss-Prinzip (lock and key model): Diese Modellvorstellung wurde 1894 vom deutschen Chemiker Emil Fischer entdeckt. Sie erklärt auf einfache Weise die Substratspezifität eines Enzyms. Fischer nahm an, dass das aktive Zentrum des Enzyms und das dazu passende Substrat aufgrund ihrer jeweiligen Bauweisen komplementär zueinander sind. Das Substrat passt auf „sein“ Enzym wie ein Schlüssel ins Schloss.

  Induced fit model (Induzierte-Passform-Modell): Dieses Modell ist eine Weiterentwicklung des Schlüssel-Schloss-Prinzips. Es wurde 1958 vom amerikanischen Biochemiker Daniel E. Koshland beschrieben. Er fand heraus, dass der Erkennungsprozess vieler Enzyme dynamisch abläuft: Das Enzym erkennt „sein“ Substrat und passt die Gestalt des aktiven Zentrums nachträglich an. Meist sind die aktiven Zentren bis zu einem gewissen Grad vorgeformt. Die Substratbindung löst dann noch kleinere Konformationsänderungen aus, welche zu einer perfekten Passung führen.

• Klassifiziere verschiedene Arten von Mikroorganismen anhand ihrer temperaturabhängigen Wachstumsrate.

  Tipps

  Die durchschnittliche menschliche Körpertemperatur von 37 °C gilt als mittlere (griechisch: meso) Lebenstemperatur.

  Zwei der Begriffe und zwei Temperaturangaben passen in keine Lücke.

  Pyrolobus fumarii kommt aus einem Schwarzen Raucher – einer heißen Quelle – etwa 3650 Meter tief unter dem Meeresspiegel. Hier ist es sogar noch heißer als in dem aktiven Vulkankrater auf der Insel Vulkano.

  Lösung

  Aufteilung der beschriebenen Mikroorganismen:

  1. Polaromonas vacuolata ist psychrophil und hat sein Optimum bei 4 °C.
  2. Escherichia coli ist mesophil und hat sein Optimum bei 39 °C.
  3. Geobacillus stearothermophilus ist thermophil und hat sein Optimum bei 60 °C.
  4. Thermococcus celer hat sein Optimum bei 88 °C. Pyrolobus fumarii hat sein Optimum bei 106 °C. Beide Arten sind hyperthermophil.

• Stelle die Michaelis-Menten-Konstante eines Enzyms mit Hilfe eines Diagramms dar.

  Tipps

  Die Michaelis-Menten-Konstante befasst sich mit der Affinität eines Enzyms zu „seinem“ Substrat $S$. Was muss also auf der x-Achse aufgetragen werden?

  Lösung

  Die Michaelis-Menten-Gleichung beschreibt die Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer enzymkatalysierten Reaktion von der Substratkonzentration.

  Die Michaelis-Konstante $K_{m}$ gibt dabei die Halbsättigung des Enzyms mit Substrat an. In anderen Worten: Es benennt die Substratkonzentration $S$, bei der die halbe maximale Reaktionsgeschwindigkeit $\frac{1}{2}V_{max}$ erreicht ist.

  Die Konstante ist also ein Maß für die Bindungsstärke zwischen Enzym und Substrat. Dabei gilt, je niedriger der $K_{m}$-Wert, desto höher die Affinität des Enzyms, also das Bestreben, an sein Substrat zu binden.

• Analysiere den Effekt des pH-Wertes auf die Enzymaktivität.

  Tipps

  Drei der Begriffe passen in keine Lücke.

  Die Ladung eines Ions erkennst du an den hochgestellten Symbolen:
  + bedeutet positiv geladen.
  - bedeutet negativ geladen.
  Kein Symbol bedeutet, dass die Ladung neutral ist.

  Donare (lateinisch) bedeutet schenken. Der Protonendonator „schenkt“ seiner Umgebung Protonen. Er gibt sie ab.

  Acceptare (lateinisch) bedeutet annehmen oder empfangen. Der Protonenakzeptor „empfängt“ Protonen aus der Umgebung. Er nimmt sie an.

  Lösung

  Enzyme sind Proteine mit katalytischen Fähigkeiten. Sie haben ein aktives Zentrum, welches passend für ein spezifisches Substrat gebaut ist. Hier abgebildet liegt ein vereinfachtes Enzym mit einem pH-Optimum von $7$ in einer Lösung vor, in der sich die Konzentration von Protonen und Hydroxidionen die Waage hält. Die Tertiärstruktur der Peptidkette wird durch eine Ionenbindung zwischen der positiv geladenen Aminogruppe und der negativ geladenen Carboxylatgruppe zusammengehalten.

  Bei Zugabe einer Säure, also eines Protonendonators, wird die wässrige Lösung mit Protonen angereichert und der pH-Wert sinkt. Die positiv geladenen Wasserstoffionen können sich an die negativ geladenen Carboxylatgruppen anlagern und diese zu neutralen Carboxylgruppen umwandeln. Dadurch löst sich die Ionenbindung, weil zwischen den Resten keine Anziehungskraft mehr besteht. Die räumliche Struktur des aktiven Zentrums verändert sich, wodurch das Enzym das Substrat nicht mehr umsetzen kann. Die Enzymaktivität sinkt.