Enzyme: Funktion, Aufbau und Regulation biologischer Katalysatoren

Enzyme und Aktivierungsenergie

Damit eine chemische Reaktion ablaufen kann, ist eine bestimmte Menge an Aktivierungsenergie notwendig.

Enzyme verringern die benötigte Aktivierungsenergie, die notwendig ist, damit eine Reaktion ablaufen kann. Sie wirken als biologische Katalysatoren.

Der Reaktionsverlauf mit und ohne Enzyme

Obwohl Enzyme die Aktivierungsenergie senken, wird am Ende der Reaktion die gleiche Menge an Energie gewonnen oder verbraucht. Der Energieunterschied zwischen Ausgangs- und Endstoffen bleibt unverändert.

• Enzyme verändern sich bei der Reaktion nicht und werden nicht verbraucht. Sie sorgen lediglich dafür, dass die Reaktion leichter und schneller abläuft.
• In lebenden Organismen sind Enzyme essenziell, da viele Reaktionen sonst nur bei sehr hohen Temperaturen ablaufen würden.
• Bei zu hohen Temperaturen würden die Proteine der Organismen denaturieren, was zum Absterben führen würde.

Wichtige Begriffe rund um Enzyme

Enzyme sind Proteine mit einer individuellen dreidimensionalen Gestalt (Raumstruktur). Diese Struktur bestimmt ihre spezifischen Eigenschaften.

Definitionen

Aktives Zentrum

Die spezifische Stelle am Enzym, an die das Substrat binden kann.

Substrat

Der Stoff, der mithilfe des Enzyms verändert wird.

Enzym-Substrat-Komplex

Die temporäre Verbindung, die entsteht, wenn das Substrat an das Enzym gebunden ist.

Produkt

Der Stoff, der aus der Reaktion hervorgeht.

Regulation durch Effektoren

Neben dem aktiven Zentrum können Enzyme ein regulatorisches Zentrum (auch allosterisches Zentrum genannt) besitzen, an das sogenannte Effektoren binden können.

• Positiver Effektor (Aktivierung): Er sorgt dafür, dass das Substrat besser in das aktive Zentrum passt. Das Enzym arbeitet effizienter.
• Negativer Effektor (Hemmung): Er sorgt dafür, dass das Substrat schlechter in das aktive Zentrum passt. Die Enzymaktivität wird reduziert.

Die spezifischen Eigenschaften der Enzyme

1. Substratspezifität

   Jedes Enzym setzt durch seine spezifische Raumstruktur nur ganz bestimmte Stoffe um. Das Substrat wird vom aktiven Zentrum angezogen und gebunden.

   Modelle zur Substratbindung

   • Schlüssel-Schloss-Prinzip: Das Substrat passt modellhaft in das aktive Zentrum des Enzyms wie ein Schlüssel in ein Schloss.
   • Induzierte Passform (Induced Fit): Dieses Modell berücksichtigt, dass sich die Raumstruktur von Enzym und Substrat bei der Bindung leicht aneinander anpasst (vergleichbar mit der Anpassung einer Jeans an den Körper).

2. Wirkungsspezifität

   Jedes Enzym kann nur eine bestimmte Reaktion katalysieren.

3. Abhängigkeit der Aktivität

   Die Aktivität der Enzyme ist abhängig von:

   • Der Menge der Enzyme (mehr „Kassierer“).
   • Der Menge des Substrats (mehr „Kunden“).
   • Der Temperatur und dem pH-Wert.

   Temperatur- und pH-Optimum

   Da Enzyme Proteine sind, denaturieren sie, wenn die Temperatur oder der pH-Wert zu stark verändert werden. Jedes Enzym besitzt ein spezifisches Optimum, bei dem es am besten arbeitet.

   Exkurs: RGT-Regel

   Normalerweise laufen Reaktionen bei höherer Temperatur schneller ab. Die Reaktionsgeschwindigkeit sollte sich bei einer Erhöhung der Temperatur um 10 °C verdoppeln. Dies gilt für Enzyme nur, solange sie nicht denaturieren.

4. Regulation der Enzymaktivität

   Die Aktivität der Enzyme kann durch Hemmung (Inhibition) und Aktivierung reguliert werden.

   Hemmung (Inhibition)

   Kompetitive Hemmung

   Ein anderer Stoff (Inhibitor) konkurriert mit dem Substrat um den Platz im aktiven Zentrum.

   Nichtkompetitive Hemmung (Allosterische Hemmung)

   Negative Effektoren lagern sich an das regulatorische Zentrum an. Dadurch verändern sie die Form des Enzyms und des aktiven Zentrums, sodass das Substrat nicht mehr binden kann.

   Die Hemmung kann reversibel (kurzzeitig) oder irreversibel (dauerhaft, oft durch Gifte verursacht) sein.

   Aktivierung

   Positive Effektoren lagern sich ebenfalls an ein regulatorisches Zentrum an, sorgen aber dafür, dass das Substrat besser in das aktive Zentrum passt.

   Steuerung von Stoffwechselvorgängen

   Die Produkte einer Reaktion können gleichzeitig als Effektoren wirken, um Stoffwechselwege zu steuern:

   • Endprodukthemmung: Das Produkt der Reaktion setzt sich als negativer Effektor in das regulatorische Zentrum des Enzyms und „schaltet“ das Enzym ab.
   • Substratinduktion: Das Substrat aktiviert als positiver Effektor sein Enzym und beschleunigt so die Substratverarbeitung.