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Enzyme - Ohne sie läuft nichts - Referat




Enzyme- Ohne sie „läuft“ nichts


 
Inhalt
1. Die Katalysator-Wirkung 2
1.1 Biokatalysatoren-Die Enzyme 2
1.1.1 Aufbau und Einteilung 2
1.1.2 Wirkungsmechanismus der enzymatischen Katalyse 3
2. Eigenschaften und Beeinflussung der Enzymaktivität am Beispiel Urease 6
2.1 Das Enzym Urease 6
2.2 Versuch 1: Nachweis der Harnstoffspaltung 6
2.3 Versuch 2: Substratspezifität 7
2.4 Versuch 3: Konzentrationsspezifität 7
2.5 Versuch 4: Hitzedenaturierung 8
Literaturverzeichnis 10


1. Die Katalysator-Wirkung
Ein Katalysator ist ein Stoff, welcher die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigt, indem er die Aktivierungsenergie herabsetzt. Dabei wird der Katalysator selbst nicht verbraucht. Er ist Bestandteil der Katalyse.
Die Aktivierungsenergie wird benötigt, um eine Reaktion ablaufen lassen zu können, also die Reaktion in Gang zu setzen. Dieser Energiebetrag zwingt das Substrat in einen Übergangszustand, welcher überwunden werden muss bevor die Reaktion ablaufen kann.
Der Katalysator bewirkt dabei, dass weniger Energie benötigt wird um das Substrat in den Übergangszustand zu bringen, welchen es erreichen muss um reagieren zu können. Es geht mit dem Übergangszustand nicht-kovalente Wechselwirkungen ein und stabilisiert diesen so, um die zu benötigende Energie für den Übergangszustand herabzusetzen. Im Diagramm ist der Übergangszustand der höchste Punkt, nach welchem die Kurve dann fällt.


In einem Energieverlaufs-Diagramm wird dieser Vorgang dargestellt. Die freie Enthalpie &#61508;G setzt sich aus der Reaktionsenthalpie &#61508;H und aus der Entropie &#61508;S zusammen und definiert die Triebkraft einer chemischen Reaktion, also ob eine Reaktion freiwillig abläuft (exergonisch, &#61508;G<0) oder dazu gezwungen werden muss (endergonisch, &#61508;G>0) oder ob sie schon abgelaufen ist und sich im chemischen Gleichgewicht befindet (&#61508;G=0).
Die Aktivierungsenergie wurde wie oben beschrieben herabgesetzt, sodass sich das chemische Gleichgewicht schneller
einstellen kann. Dabei bleibt die freie
Reaktionsenthalpie weiterhin unverändert negativ, die Reaktion kann spontan und freiwillig ablaufen. Das Enzym wirkt nur auf die freie Aktivierungsenthalpie nicht aber auf die freie Reaktionsenthalpie ein.
1.1 Biokatalysatoren-Die Enzyme
In Lebewesen werden Stoffwechselvorgänge von Biokatalysatoren, Enzymen, katalysiert.
1.1.1 Aufbau und Einteilung
Enzyme gehören zu den Proteinen und bestehen daher hauptsächlich aus Proteinen, also Aminosäureketten. Viele Proteine bestehen nur aus einer Art von Proteinketten (werden dann Monomere genannt), während sich andere Enzyme aus mehreren verschiedenen Proteinketten zusammensetzten (sogenannte Oligomere). Die Art, Anzahl und Reihenfolge der Aminosäuren, welche verknüpft die Proteinketten bilden, bestimmen die Primärstruktur von den Enzymen. Die Sekundärstruktur der Enzyme beschreibt die Faltung der Proteinketten, die Tertiärstruktur, wie die Proteinketten räumlich gesehen angeordnet sind, also die räumliche Struktur. Diese Strukturen sind wichtig, um das aktive Zentrum der Enzyme auszubilden, da sie die räumliche Nähe von den Aminosäuren steuern können.
Man unterscheidet also die reinen Proteinenzyme, welche ausschließlich aus Proteinen bestehen und die Holoenzyme oder Proteide. Holoenzyme bestehen aus einem Apoenzym, das ist der Proteinanteil, und einem Nichtprotein-Anteil, dem Kofaktor (Nichtprotein-Anteil ist ein komplex gebundenes Metall-Ion) oder Koenzym, welches kein Protein ist, sondern ein niedermolekulares Molekül. Diese Koenzyme leiten sich häufig von den Vitaminen ab. So verhindert ein Vitaminmangel beispielsweise die Bildung von Koenzymen und somit folgt eine Stoffwechselstörung. Viele Enzyme benötigen nämlich die Kofaktoren/ -enzyme für die Reaktion. Meist werden die Kofaktoren/ -enzyme während der Reaktion auch verändert, geben also Teile ab oder nehmen Teile des Substrates auf. Aus diesem Grund nennt man sie auch oft Kosubstrate. Die räumliche Anordnung von einzelnen Enzymen, beispielsweise ein Multienzymkomplex, beschreibt die Quartärstruktur. Eben diese Proteide mit ihrem Nichtprotein-Anteil (Koenzym) verbinden sich entweder fest miteinander oder sind es nur vorübergehend, durch zum Beispiel Wasserstoffbrückenbindungen.

Die Enzyme selbst werden nach ihren katalysierenden Reaktionen in sechs Enzymklassen eingeteilt. Enzyme sind wirkungsspezifisch, heißt das jedes Enzym nur eine bestimmte Reaktion katalysiert.
Enzymklasse + Name Reaktionstyp Beispiel für Enzyme
EC 1: Oxidoreduktasen: Redoxreaktionen werden katalysiert --> Katalase
EC 2: Transferasen: Funktionelle Gruppen werden übertragen --> Hexokinase, Transglutaminase
EC 3: Hydrolasen: Bindungen werden mit Hilfe von Wasser gespalten --> Urease, Trypsin
EC 4: Lyasen: katalysieren die Spaltung von C-C-; C-O-; C-N- und C-S-Bindungen --> Aldolase, Fumarase
EC 5: Isomerase: Katalysieren die Umwandlung von Isomeren --> Glucoseisomerase
EC 6: Ligasen/ Synthetasen: katalysieren den Aufbau neuer C-C-, C-O-, C-N- und C-S-Bindungen -> Additionsreaktion mit Hilfe von ATP --> Pyruvatcarboxylase

Tabellen-Quellen:
&#61656; http://flexikon.doccheck.com/de/Oxidoreduktase
&#61656; http://de.wikipedia.org/wiki/Enzym#Klassifikation
&#61656; http://m.schuelerlexikon.de/mobile_chemie/Enzyme_Aufbau_Wirkungsmechanismus_und_Nutzung.htm
&#61656; http://de.wikipedia.org/wiki/Transferase
&#61656; http://de.wikipedia.org/wiki/Hydrolase
&#61656; http://de.wikipedia.org/wiki/Lyase
&#61656; http://de.wikipedia.org/wiki/Isomerase
&#61656; http://de.wikipedia.org/wiki/Ligase

1.1.2 Wirkungsmechanismus der enzymatischen Katalyse
Im Augenblick der Katalyse bildet sich im aktiven Zentrum des Enzyms ein Enzym-Substrat-Komplex.
Dabei tritt das aktive Zentrum mit dem Substratmolekül in Wechselwirkung und bildet so den Enzym-Substrat-Komplex. Das aktive Zentrum ist eine Art Vertiefung, Grube oder Tasche im Enzym. Dort wird das Substrat zunächst gebunden und dann in die Produkte umgesetzt. Das Substrat muss dabei zumindest zum Teil eine räumliche Struktur besitzen, die zum aktiven Zentrum passt. Außerdem benötigt es chemische Eigenschaften um mit den Aminosäuregruppen des aktiven Zentrums Bindungen eingehen zu können. Diese liegen an den Innenwänden der Vertiefung des Enzyms, also an den Innenwänden des aktiven Zentrums, wo das Substrat gebunden wird. Oft bewirken diese Bindung aber nicht nur die Aminosäuregruppen, sondern auch die in der Nähe des aktiven Zentrums eingelagerten Koenzyme oder Kofaktoren. Substrat und Enzym folgen also dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Dadurch können nur bestimmte Substrate oder sehr ähnliche Substrate strukturell zu einem Enzym passen. Enzyme sind substratspezifisch. Die Bindung kann außer dem Schlüssel-Schloss-Prinzip auch nach dem induced fit-Modell erfolgen. Dabei ändert das Enzym seine Raumstruktur ein wenig, wenn der Enzym-Substrat-Komplex gebildet wird. Das aktive Zentrum passt sich also der Struktur des Substrats an, um so die Voraussetzung für die Reaktion zu schaffen.


Grafik2: induced fit-Modell

Die Bindung des Substrates an die Aminosäuregruppen des aktiven Zentrums erfolgt über nicht-kovalente Wechselwirkungen. Durch das Entstehen eines Enzym-Substrat-Komplexes werden die Bindungen des Substrates gelockert und so destabilisiert. Das geschieht durch das Einwirken von polaren Gruppen auf die Bindungen des Substrates. Während des Enzym-Substrat-Komplexes liegt das chemische Gleichgewicht vor. Danach werden die Produkte verändert freigegeben, während das Enzym unverändert einen neuen Enzym-Substrat-Komplex eingehen kann. Schematisch kann der Zyklus so dargestellt werden:
In diesem Beispiel ist das Enzym eine Hydrolase und es findet die Hydrolyse statt. Dabei wird das Substrat im aktiven Zentrum mit dem Enzym zu einem Enzym-Substrat-Komplex gebunden. Das Substrat geht mit den Aminosäuregruppen Bindungen ein, wird dadurch aufgespalten und Wasser kommt als Substrat hinzu und kann sich mit einem Wasserstoffatom an das eine Spaltstück binden und der Hydroxylrest an das andere Spaltstück. So wird das Substrat in das Produkt umgewandelt und freigesetzt. Das Enzym kann nun weitere Substrate aufnehmen, binden, spalten, umwandeln und wieder freisetzen. Es bleibt bei diesem Vorgang nämlich unverändert.

Grafik3: Enzym-Zyklus
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Enzyme sind nicht nur substratspezifisch sondern auch wirkungsspezifisch. Das heißt, dass jedes Enzym nur eine bestimmte Art der Umsetzung durchführt (siehe Aufbau und Einteilung der Enzyme).


Grafik4: Wirkungsspezifität der Enzyme

Das Enzym 1 spaltet das Substrat S nur in P1 und P2. Möchte man das Substrat S aber in L1 und L2 spalten wird eine Enzym 2 benötigt, da eine andere chemische Reaktion abläuft.
Die Enzymaktivität wird außerdem von der Substratkonzentration beeinflusst. Wird die Konzentration des Substrates erhöht setzt das Enzym pro Zeiteinheit mehr Substrat um. Die Wahrscheinlichkeit für einen Enzym-Substrat-Kontakt ist dann nämlich größer. Bleiben alle anderen Versuchsbedingungen gleich nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit so lange zu, bis alle Enzyme an der Substratumsetzung beteiligt sind. Nun ist die maximale Reaktionsgeschwindigkeit erreicht, denn jedes Enzym kann nur eine bestimmte Menge an Substrat pro Zeiteinheit umsetzten.
2. Eigenschaften und Beeinflussung der Enzymaktivität am Beispiel Urease
2.1 Das Enzym Urease
Das Enzym Urease gehört zu den Amidasen, eine Unterfamilie der Hydrolasen. Die Hydrolasen gehören zu den Enzymen, welche eine Hydrolyse, also eine Reaktion mit Wasser katalysieren. Sie spielt eine wichtige Rolle als Bodenbakterium im Stickstoffkreislauf. Außerdem kommt es in Pflanzensamen und Mikroorganismen vor. Es enthält einen metallischen Kofaktor, Nickel. Zudem hat Urease eine hohe Substratspezifität. Thioharnstoff oder Methylharnstoff werden von der Urease nicht gespalten, obwohl sie dem Harnstoff sehr ähnlich sind. Die Urease spaltet Harnstoff mit Hilfe von Wasser in Ammoniak und Kohlenstoffdioxid.

2.2 Versuch 1: Nachweis der Harnstoffspaltung
Um nachzuweisen, dass bei der Hydrolyse von Harnstoff durch Urease Ammoniak und Kohlenstoffdioxid entsteht, lässt man die Reaktion in Wasser ablaufen.

Material:
• Harnstofflösung
• Ureaselösung
• Phenolphtalein (Indikator)
• Reagenzglas
• Bunzenbrenner

Durchführung:
Zunächst wird Harnstofflösung hergestellt und dann in einem Reagenzglas erhitzt. Dann wird der pH-Wert festgestellt, mithilfe des Indikators Phenolphtalein.
Dann wird zu der Harnstofflösung 1 Tropfen Phenolphtalein (Indikator) gegeben. Anschließend noch 1 ml Ureaselösung hinzugeben.

Beobachtungen:
Beim Erhitzen ebenso wie bei Zugabe von Ureaselösung verfärbt sich der Indikator rötlich
-> Nachweis einer Lauge

Erklärung:
Durch die Reaktion von Ammoniak mit Wasser zu Ammonium-Ionen entsteht eine Lauge, welche den Indikator verfärbt. So ist nachgewiesen, dass Ammoniak bei der Ureasespaltung entstand und dann mit dem Wasser zu Ammonium-Ionen reagierte.
Im ersten Teil des Versuchs, wobei Harnstoff durch Erhitzen gespalten wird, wird die Aktivierungsenergie durch die Hitze zugeführt. Durch die Urease wird die zu benötigende Aktivierungsenergie heruntergesetzt, sodass die Spaltung schon bei Zimmertemperatur abläuft. Urease wirkt als Katalysator.

Reaktionsgleichung:
Zunächst (mit Urease):


Dann:


2.3 Versuch 2: Substratspezifität
Enzyme sind substratspezifisch. Das bedeutet, dass sie nur einen bestimmten Stoff katalysieren oder sehr ähnliche Stoffe. Um die Substratspezifität von Enzymen aufzuzeigen eignet sich die Urease sehr gut, da sie selbst den sehr ähnlichen Stoffen wie den Thioharnstoff nicht katalysiert. Dem Stoff Thioharnstoff ist anstelle des Sauerstoffatoms (O) ein Schwefelatom (S) eingebaut.

Material:
• Reagenzglas
• Thioharnstoff Lösung
• Ureaselösung
• Indikator

Durchführung:
Es wird wie bereits in Versuch 1 vorgegangen. Zunächst wird eine Lösung mit dem Thioharnstoff erstellt, welche dann mit 1 Tropfen Phenolphtalein versetzt wird. Dann wird etwas Ureaselösung hinzugegeben.

Beobachtungen:
Entgegen der Beobachtungen aus Versuch 1, verfärbt sich der Indikator nicht rötlich, sondern bleibt weiterhin farblos.

Erklärung:
Die Urease setzt den Thioharnstoff nicht um, da er nicht wie ein Schlüssel zu seinem Schloss passt. Das Schwefelatom ist größer als das Sauerstoffatom und geht deshalb keine Wechselwirkungen mit dem aktiven Zentrum ein, da es dort auch nicht hinein passt.


Grafik7: Substratspezifität von Urease

2.4 Versuch 3: Konzentrationsspezifität
Enzyme sind auch konzentrationsspezifisch, ihre Wirkung ist also abhängig von der Konzentration des Substrates. Im folgenden Versuch wird die erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit, je höher die Substratkonzentration dargestellt.

Material:
• 4 Reagenzgläser
• Harnstofflösung
• Ureaselösung
• Indikator (Phenolphtalein)
• Wasser

Durchführung:
Die 4 Reagenzgläser werden nun wie folgt gefüllt:

Man erhöht also die Konzentration des Substrates je Reagenzglas.
Dann wird in jedes Reagenzglas zusätzlich noch Indikator gefüllt. Zuletzt sollte die Urease möglichst gleichzeitig zu allen vier Reagenzgläsern gegeben werden. Die Meng an Ureaselösung in jedem Reagenzglas soll gleich bleiben.
Beobachtungen:
Der Indikator verfärbt sich unterschiedlich schnell. Am schnellsten in Glas 1 und am langsamsten in Glas 4.

Erklärung:
Der Indikator verfärbt sich unterschiedlich schnell, da auch die katalytische Reaktion unterschiedlich schnell in jedem Reagenzglas abläuft. Je höher die Konzentration an Harnstoff, desto schneller verläuft die Reaktion. Das liegt daran, dass durch den höheren Anteil an Substrat auch die Wahrscheinlichkeit steigt, dass sich Enzym und Substrat kontaktieren und einen Enzym-Substrat-Komplex für die Katalyse bilden.

2.5 Versuch 4: Hitzedenaturierung
Enzyme selbst können ihre Aufgabe nur dann erfüllen, wenn ihre Umgebung die richtige Temperatur hat. Wird diese Temperatur überstiegen, verändert sich ihre Struktur. Vor allem die Tertiärstruktur und somit auch das aktive Zentrum. Durch die thermische Veränderung und Bewegung beim Erhitzen werden die H-Brücken zerstört. Man spricht von einer Denaturierung.

Material:
• Abgekochte Ureaselösung
• Harnstofflösung
• Reagenzglas
• Indikator (Phenolphtalein)

Durchführung:
Zunächst wird die Ureaselösung abgekocht. Anschließend gibt man diese mit Wasser, dem Indikator und der Harnstofflösung in ein Reagenzglas.

Beobachtung:
Der Indikator verfärbt sich nicht -> es findet keine katalytische Reaktion statt.

Erklärung:
Die Urease hat durch das Kochen ihre Wirkung verloren, genauer gesagt ihre räumliche Struktur und somit auch ihr aktives Zentrum. Sie ist dadurch nicht mehr in der Lage das Substrat Harnstoff zu binden und dieses dann um zusetzten. Man spricht hierbei von einer Denaturierung der Urease. Schematisch kann man sich das so vorstellen:


Grafik8: Hitzedenaturierung

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Literaturverzeichnis
Grafik1:. (02. 11 2013). http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Energiediagramm-Enzymreaktion.svg.
Grafik2:. (02. 11 2013). http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Induced_fit_diagram_de.svg.
Grafik3(verändert):. (02. 11 2013). http://www.biofachforum.ch/BIOPIC/plant/enzym_substrat.jpg.
Grafik4:. (02. 11 2013). http://www.scheffel.og.bw.schule.de/faecher/science/biologie/proteine_enzyme/2enzym/enzym.htm.
Grafik5:. (05. 11 2013). http://www.scheffel.og.bw.schule.de/faecher/science/biologie/proteine_enzyme/2enzym/enzym.htm.
Grafik6:. (05. 11 2013). http://www.scheffel.og.bw.schule.de/faecher/science/biologie/proteine_enzyme/2enzym/enzym.htm.
Grafik7:. (05. 11 2013). http://www.scheffel.og.bw.schule.de/faecher/science/biologie/proteine_enzyme/2enzym/enzym.htm.
Grafik8(verändert):. (09. 11 2013). http://www.scheffel.og.bw.schule.de/faecher/science/biologie/proteine_enzyme/2enzym/enzym.htm.
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http://www.wissenschaft-online.de/abo/lexikon/bio/1791. (02. 11 2013).
http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/bs11-13.htm. (02. 11 2013).
Linder, P. D. (2010). Linder Biologie. Baden-Württemberg: Schroedel, S.57+59
Titelbild:. (09. 11 2013). http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9c/Urease_2KAU.png.






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