Schraubendrehermodell der Enzyme
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1 Enzyme Einführung1 anhand eines Werkzeuges als Analogie-Modell Materialliste: • Würfelzucker • Holzasche • Feuerzeug • Unterlage (Blechdeckel) • • • • • (Kreuzschlitz-)Schraubendreher verschiedene Schrauben Holzklotz Kopf einer Kreuzschlitzschraube Papiertaschentuch Einführung Katalysatoren sind Stoffe, die eine chemische Reaktion beschleunigen, am Ende der Reaktion aber wieder im ursprünglichen Zustand vorliegen. Versuch: Was ist ein Katalysator? a) Es wird versucht ein Stück Zucker zu entzünden. Fazit: Zucker lässt sich nicht entzünden sondern er schmilzt (karamellisiert). b) Blindversuch: Die Holzasche ist nicht entflammbar. (Beinhaltet kein brennbares Material mehr.) 1 kursiver Text nach Cornelsen Pocket Teacher Biologie und dem Enzym-Leitprogramm der ETH Zürich siehe aber auch bei Wikipedia 2 c) Ein Stück Zucker wird mit Holzasche eingerieben und entzündet. Fazit: Der Zucker verbrennt mit sichtbarer (blauer) Flamme. Erklärung: Die Hitze der Gasflamme reicht nicht aus, um den Zucker zu entzünden. D.h.: die Aktivierungsenergie wird nicht erreicht. (Versuch a). Die Holzasche ist selber nicht brennbar (Versuch b), stellt also bei Versuch c nicht das brennbare Material dar. Tatsächlich brennt nun der Zucker. Die Holzasche (= Katalysator) hat die Aktivierungsenergie unter die Hitze der Gasflamme gesenkt. Die Aktivierungsenergie ist jene Energie, die aufgewendet werden muss, um eine chemische Reaktion zu starten. Katalysatoren in Lebewesen werden als Biokatalysatoren oder Enzyme bezeichnet. Werkzeug als Analogie-Modell für die Enzymaktivität: biologische Fakten Enzyme setzen die Aktivierungsenergie so weit herab, dass Stoffumwandlungen unter Körperbedingungen rasch ablaufen können. Enzyme gehen unverändert aus der Reaktion hervor und sind daher nur in äußerst geringen Konzentrationen erforderlich. Substrate sind Stoffe, die von Enzymen umgesetzt werden. im Modell Kreuzschlitzschraubendreher (hier mit Ratsche oder Knarre, die nur eine Drehrichtung erlaubt.) 1 Schraubendreher, viele Schrauben Erklärung Erst mit dem Schraubendreher ist das Verbinden von Holz und Schraube möglich. (Geht nicht mit bloßen Fingern!) Holzklotz und Schrauben Jene Stoffe, die durch das Werkzeug verbunden werden sollen. Produkte sind jene Stoffe, die aus einer Reaktion hervorgehen. Holzklotz mit eingeschraubter Schraube Schraube und Holzklotz sind während des Eindrehens der Schraube mit dem Schraubendreher verbunden. Dieser wird dann gelöst (geht unverändert wieder hervor). Die Schraube bleibt fix im Holklotz verankert (= Produkt) Anzahl der pro Sekunde hergestellten Holzklötze mit fixierter Schraube. Bei Handarbeit wird sich wohl die Wechselzahl eher im negativen Potenzbereich bewegen… ☺ Substrat + Enzym [ES]-Komplex Produke + Enzym Durch die Wechselzahl wird die Geschwindigkeit angegeben, mit der Enzyme ihr Substrat umsetzen. Sie gibt die Anzahl der Substratmoleküle, die in einer Sekunde umgesetzt werden und liegt i.A. zw. 103 und 106. 3 Damit Enzyme ihre Substratmoleküle finden, haben sie eine charakteristische Oberfläche. Diese ist zerklüftet und besteht aus Hohlräumen und Spalten. Eine solche Spalte bildet das aktive Zentrum. Klingenspitze in ihrer besonderen Form (z.B. Schlitz-, Kreuzschlitzschraubendreher) Das Ein- (oder Heraus-) Drehen einer Kreuzschlitzschraube ist nur mit einem Kreutzschlitzschraubendreher möglich. Um 1890 verglich Emil Fischer das Substrat mit einem Schlüssel und das Enzym mit einem Schloss. Passen Schlüssel und Schloss zusammen, kommt es zu Wechselwirkungen zwischen Enzym und Substrat. Klingenspitze und Schraubenkopf Die kreuzförmige Klingenspitze passt genau in die kreuzförmige Ausnehmung der Kreuzschlitzschraube. Nicht hingegen bei den anderen abgebildeten Schrauben, die daher nicht als Substrat dienen können. Ein Enzym-SubstratKomplex bildet sich vorübergehend, durch die Einlagerung des Substrates in das aktive Zentrum. Verbindung zwischen Klingenspitze und Schraubenkopf Die Klingenspitze des Schraubendrehers ist passgenau verbunden mit dem Mitnahmeprofil der Schraube. Schlüssel-Schloss* Enzyme werden durch die Endung -ase gekennzeichnet. Enzyme sind hochmolekulare Proteine. Manche enthalten zudem einen Nicht-Proteinanteil, den man Coenzym oder auch Cofaktor nennt. Der Proteinanteil heißt dann Apoenzym, das gesamte Enzym Holoenzym. Material, aus dem der Schraubendreher besteht: Schraubklinge aus Metall, Griff aus Holz oder Plastik Substratspezifität: Aufgrund des SchlüsselSchloss-Prinzips ist ein Enzym spezifisch für ein bestimmtes Substrat. Mit Kreuzschlitzschraubendreher kann kein Schlitzschrauben eingedreht werden. Wirkungsspezifität: Ein Enzym katalysiert nur eine bestimmte Reaktion. Bei Verwendung einer Ratsche (Knarre): Eindrehen oder Lösen einer Schraube. Bezeichnung als –schraubendreher, vorerst unabhängig von der Form der Klingenspitze Ein Schraubendreher entspräche demnach einem Holoenzym, das aus Apoenzym (Griff) und Coenzym (Schraubklinge) zusammengesetzt ist. Nur für Schrauben bestimmter Kopfform (Mitnahmeprofil) und Material, in das sich der Schrauben eindrehen lässt. (Nicht z.B. in ein Eisenstück) Nur zum Festziehen und Lösen von Schrauben aufgrund ihres Gewindes. Nicht aber z.B. zum Einschlagen eines Nagels. 4 Bei der kompetitiven Hemmung konkurriert ein Stoff, dessen Struktur dem Enzymsubstrat ähnlich ist, mit dem Substrat und blockiert das aktive Zentrum. Ein nicht intakter Schraubenkopf ist auf die Klingenspitze aufgesteckt. Durch die Blockierung der Klingenspitze kann nun keine intakte Schraube eingedreht werden. Der Schraubenkopf kann wieder entfernt werden. Bei der nicht kompetitiven Hemmung bindet sich ein Inhibitor, z.B. ein Schwermetallion, an die Enzymproteine und inaktiviert sie irreversibel. Auf die Klingenspitze ist ein Papierknäuel fix aufgeklebt. Durch die Blockierung der Klingenspitze kann nun keine intakte Schraube eingedreht werden. Durch den Kleber ist diese Blockierung nicht rückgängig zu machen. Bei der allosterischen Hemmung lagert sich ein Hemmstoff nicht am aktiven Zentrum, sondern an einer anderen Stelle des Enzyms an und verändert die Struktur des gesamten Enzyms. Schraubklinge ist verkehrt in den Griff montiert. Form des Schraubendrehers wurde so verändert, dass die Klingenspitze nicht zugänglich ist. (Kann wieder rückgängig gemacht werden.) hier stoßen wir an die Grenzen des Modells: Ein Handwerker wird dann am produktivsten sein, wenn die Umgebungstemperatur nicht zu kalt und nicht zu heiß ist. ☺ Enzymaktivität Abhängigkeit von der Temperatur: Das Optimum der Enzymaktivität liegt i.d.R. im Bereich der Körpertemperatur. (Vgl. aber z.B. Bakterien in heißen Quellen!) Abhängigkeit vom pHWert: Je nach Wirkort haben die Enzyme oft ihr Wirkungsoptimum in einem bestimmten pHBereich. (Vgl. z.B. Verdauungsenzyme des Magens) Aber eventuell: optimale Temperatur in der Werkstatt hier stoßen wir an die Grenzen des Modells. Aber eventuell: Griff getaucht in Seifenlösung (hoher pH) oder in eine Säure (niedriger pH) pH-Optimum läge im neutralen Bereich, weil der Handwerker weder einen von der Seifenlösung rutschenden noch einen ätzenden Griff zur Hand nehmen würde ☺ Für die Einteilung der Enzyme empfiehlt es sich, das Modell von „Schraubendreher“ auf „Werkzeuge“ allgemein zu erweitern. Enzym-Hauptklassen 1) Oxidoreduktasen katalysieren Redoxreaktionen 2) Transferasen übertragen funktionelle Gruppen von einem Substrat auf ein anderes Schaufel 3) Hydrolasen spalten Bindungen unter Einsatz von Wasser Schere 4) Lyase katalysieren die Spaltung oder Synthese komplexerer Produkte aus einfachen Substraten, allerdings ohne Verbrauch von ATP. 5) Isomerase beschleunigen die Umwandlung von chemischen Isomeren 6) Ligase oder katalysieren Additionsreaktionen mithilfe Schraubzwinge oder Synthethasen von ATP. Kleber, auch der oben verwendete Schraubendreher (Energie des Handwerkers ist notwendig)
