Konzentrationsabhängigkeit

Nachdem wir nun genau wissen, wie ein Enzym eine Reaktion beeinflussen kann, wollen wir uns der Dynamik des Gesamtvorgangs zuwenden. Eine enzymatisch katalysierte Reaktion läuft wie folgt ab:

Sie entspricht grundsätzlich einer Reaktion 2. Ordnung:

k1=konstanter Geschwindigkeitsfaktor der Hinreaktion; [ ] = Konzentration; d = Änderung; - d = Abnahme

Falls sie schon in Chemie Gleichgewichtsreaktionen behandelt haben, wäre es interessant, das auf eine enzymatische Katalyse anzuwenden. Falls nicht, schauen Sie mal, wie es weitergeht oder überspringen das Kapitel.

In der oberen Abbildung bedeuten k1, k-1, k2, k-2 die Geschwindigkeitskonstanten, k1/k-1 bzw. k2/k-2 die Gleichgewichtskonstanten der entsprechenden Reaktionen.

Das Enzym wandelt das Substrat in Produkt um. Am Anfang ist [Produkt] klein, so daß die Hauptreaktion Substrat-->Produkt ist. Später, wenn [Produkt] wächst, nimmt die Geschwindigkeit der Rückreaktion zu, bis Gleichgewicht erreicht wird.
 

K_m ist die Substratkonzentration[Mol/l], die notwendig ist, um die Hälfte der maximalen Reaktions-geschwindigkeit zu erreichen. Die katalytischen Fähigkeiten eines Enzyms können also durch K_m charakterisiert werden.

Jedes Substrat einer gegebenen enzymatischen Reaktion hat eine eigene K_m und Vmax.

nach Michaelis und Menton, die sich schon 1913 damit auseinandergesetzt haben. K_m nennt man man die Michaelis-Menten-Konstante. Sie ist ein Maß dafür, wieviel Substrat notwendig ist, um volle Reaktionsgeschwindigkeit zu erreichen.

Das gilt für [Substrat] >> K_M.

Experimentelle Bestimmung von Vmax und Km. In 5 Reagenzgläser wird die gleiche Enzymkonzentration gegeben ( z. B. Amylase). In Reagenzglas Nr. 1 wird 1mmol/l Substrat (z. B. Stärke) gegeben und die Anfangsgeschwindigkeit der Reaktion gemessen ( z. B. in der Abnahme der KJ-Färbung von Stärke). In das 2. Reagenzglas werden 2 mmol/l Substrat gegeben und wiederum die Reaktionsgeschwindigkeit gemessen. Man verfährt so weiter und trägt die gemessenen Anfangsgeschwindigkeiten in ein Diagramm ein. Daraus kann man graphisch Vmax und Km bestimmen.

Das Ergebnis für unterschiedliche Enzymkonzentrationen ([E] = 4, 8, 12 mg/l) ist in der Abb. 34 abzulesen:

pH - Abhängigkeit

Der pH-Wert gibt die Menge von H₃O⁺-Ionen in einer Lösung an. Wir bezeichnen danach eine Lösung als Säure, neutral oder Base.

Typischerweise herrscht in Zellen ein neutraler pH-Wert, also um ca. 7. Blut besitzt den pH-Wert 7,4. Im Magen dagegen ist es wesentlich saurer und im Darm basischer.

Allgemein sind Enzyme anfällig gegen pH-Änderungen. Starke Säuren und Basen würden ihre zur Funktion notwendige Konformation zerstören. Dies geschieht durch Anlagerung an die polaren Reste der Aminosäuren, so daß die intramolekularen Wechselwirkungen zerstört werden (H-Brücken, ionische Wechselwirkungen). Weiterhin findet dann auch teilweise eine Säurehydrolyse der Polypeptidkette statt. Man nennt die Zerstörung der Konformation Denaturierung.

Die Veränderung der Struktur kann anhand Abb. 35 beobachtet werden. Die Abbildung zeigt die Enzymoberfläche der Cutinase des Pilzes Fusarium solani bei verschiedenen pH-Werten. Blau bedeutet positives (+) Potential, weiß neutrales Potential und rot (-) negatives Potential. Der Pfeil zeigt die aktive Stelle mit Serin.

Jedes Enzym hat sein spezielles pH-Optimum, bei dem es die höchste Aktivität hat.

Das pH-Optimum der Amylase im Mund liegt bei pH 7. Eine Ausnahme ist das Pepsin im Magen mit ca. pH 2 und Arginase mit pH 10. Ungefähr zwischen pH 7 und 9 liegt das pH-Optimum der Pankreas-Lipase im Dünndarm von Säugetieren.

Liegt keine Zerstörung der Polypeptidkette vor und war die pH-Änderung nicht so extrem, so kann das Enzym seine ursprüngliche Konformation wieder annehmen. Man nennt dies Renaturierung.

Auch Detergentien (= Seifen) oder Lösungsmittel verändern die Konformation und zerstören die Enzymaktivität. In der Abbildung 36 ist die Denaturierung des Enzyme GAPD (=Glycerin-Aldehydphosphat-Dehydrogenase) aus Hefe durch verschiedene Alkohole zu sehen.

Temperaturabhängigkeit

Die meisten Enzyme besitzen ebenfalls ein Temperaturoptimum je nach Organismus. Das nachfolgende Diagramm zeigt den Aktivitätsverlauf in Abhängigkeit von der Temperatur typischer Enzyme.

Allgemein gesagt verdoppelt sich sich bei ca. 10° C die Reaktionsgeschwindigkeit (RGT-Regel), d.h. bei niedrigen Temperaturen erhöht sich die Aktivität der Enzyme. Bei zu hohen Temperaturen jedoch werden wie bei pH-Änderungen durch zu große thermische Bewegung die intramolekularen Bindungen, die die Proteinstruktur stabilisieren, zerstört. (Denaturierung)

Bei thermophilen Organismen wie Archäbakterien, die nahe dem Siedepunkt leben, hat man Optima bis 90°C gefunden.

Abb. 37

Denaturierung durch Alkohol

Abb. 38

Denaturierung durch Harnstoff

Mercaproethanol = (HOCH2 CH2 SH) reduziert Disulfidbrücken

Abb. 39

Denaturierung durch Temperatur