06 Enzyme
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06 / Bakterien / Bakterien Enzyme Lehrerinformation 1/10 Arbeitsauftrag Ziel Die Lehrperson verteilt die Arbeitsblätter und erarbeitet mit den Schülern die Inhalte (Präsentation/Wandtafel/Showcharts). In Gruppendiskussionen werden die ThesenStichworte besprochen. Die Schüler recherchieren im Internet die Fachbegriffe und erstellen ein Fachlexikon. Sie lösen die Fragen und besprechen die Lösungen im Plenum. Ein einfaches Experiment durchführen Varianten entwickeln Idee umsetzen Material Informationstexte Arbeitsblätter Sozialform Einzelarbeiten bei Textstudium und Fragen lösen Gruppen für Diskussionen Recherchen für Lexikon als Hausaufgabe Zeit 60‘ (mit Varianten) Zusätzliche Informationen: Als erschwerte Aufgabe kann den Fortgeschrittenen folgende Fragestellung mitgegeben werden: Im Internet Forschungsergebnisse zu Enzymen suchen. Erarbeiten der enzymatischen Vorgänge mit Hilfe des Berichtes der ETH zu Enzymen. Verfassen eines Forschungsprojektes zu Bakterien. 06 / Bakterien Enzyme Informationstext 2/10 Aufgabe: Lies die Texte und diskutiert euer Wissen zu den Bakterien in der Klasse. Was sind Enzyme? Um die Wichtigkeit der Bakterien für uns Menschen zu verstehen, gilt es, einen „Stoff“ näher anzuschauen, den Sie für sich selbst aber auch für uns produzieren. ENZYME. Enzyme sind Proteine, die von verschiedenen Zellen, in Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen produziert werden. Ihre Funktion ist, chemische Reaktionen in lebenden Organismen zu beschleunigen. Sie gehören also zu den Katalysatoren. Ihre Hauptaufgabe ist, Substanzen zu spalten, zusammenzufügen oder umzugruppieren und dadurch umzuwandeln. Eine chemische Reaktion ist mit einer Bergwanderung zu vergleichen. Das Ziel liegt tiefer als der Start. Dazwischen liegt aber ein hoher Berg. Es kostet offensichtlich sehr viel Energie, diesen Berg zu erklimmen. Den energetischen Verlauf einer Reaktion deuten die Chemiker ganz ähnlich. Während ein Wanderer von einem hohen Berg redet, spricht ein Chemiker von grosser Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion. Ein grosser Unterschied besteht in folgender Tatsache. Sowohl der Aufstieg als auch der Abstieg kosten viel Schweiss und Energie. Das ist bei einer chemischen Reaktion anders. Energie muss nur aufgewendet werden, um den "Berg" der Aktivierungsenergie zu erklimmen. Beim Abstieg wird diese Energie wieder freigegeben. In unserem Beispiel liegt das Niveau des Produktes tiefer als das des Ausgangsstoffes. Man muss zwar anfangs einen Aufstieg bewältigen, steigt dann aber auf ein tieferes Niveau ab. Insgesamt wird mehr Energie frei, als aufgewendet werden musste (positive Energiebilanz). Diese Energie wird während der Reaktion freigesetzt. 06 / Bakterien Enzyme Informationstext 3/10 Was macht nun das Enzym? Bildlich gesprochen ermöglicht das Enzym es dem Wanderer, einen weniger hohen Übergang zu benutzen. Das Enzym ermöglicht einen Reaktionsweg mit kleinerer Aktivierungsenergie. Die Reaktion läuft folglich schneller ab. Bis zu 100'000 Mal schneller! Als Katalysatoren arbeiten Enzyme, indem sie einen alternativen Weg von geringer Aktivierungsenergie für eine Reaktion bereitstellen und dadurch die Geschwindigkeit der Reaktion dramatisch erhöhen. – Wenn man von Enzymen spricht, werden oft nur solche genannt, die als Scheren wirken. Wie wir im Folgenden sehen werden, übernehmen Enzyme auch andere Aufgaben. Als Beispiel einer Enzymwirkung wird hier ein Molekül durch die Wirkung des Enzyms in zwei Teile gespaltet (Hydrolase). Das Enzym bleibt unverändert. Ohne Enzyme würden diese Prozesse nicht erfolgen können. Das Leben, wie wir es kennen, wäre nicht möglich. Aufgrund der Notwendigkeit von unterschiedlichen Enzymen für die verschiedenen biochemischen Reaktionen produziert der lebende Organismus mehrere tausend verschiedene Enzyme. Man schätzt, dass der menschliche Körper mehr als 30‘000 unterschiedliche Enzyme besitzt, jedes mit einer speziellen Funktion. Bis jetzt sind annähernd 10% davon entdeckt worden. Heute werden neu entdeckte Enzyme nach dem Substrat oder der chemischen Reaktion, die sie katalysieren (verändern) benannt, und erhalten die Endung „ase“. 06 / Bakterien Enzyme Informationstext 4/10 Die verschiedenen Enzyme arbeiten in und zwischen den Körperzellen (z.B. produzieren Zellen des Darms Verdauungsenzyme, welche die Nahrung in so kleine Moleküle spalten, dass sie durch die Darmwand ins Blut gelangen können. Enzyme werden nur von lebenden Zellen produziert. Die meisten Enzyme, die wir brauchen, werden von unserem Körper produziert und auch durch die Nahrung aufgenommen. Aber Viren, Bakterien, Pilze, Tiere und Pflanzen produzieren ebenfalls Enzyme und der Mensch hat bald gelernt, Nutzen daraus zu ziehen: Vergärung von Traubensaft zu Wein ist nur mit einem speziellen Enzym aus der Hefe (Pilze), welches Zucker zu Alkohol umwandelt, möglich. Brotteig geht nur auf, weil Hefe die notwendigen Enzyme liefert. Sauerkraut entsteht durch verschiedene Milchsäurebakterien, welche Zucker zu Milchsäure vergären. Bei der Hefe handelt es sich um ein einzelliges Kleinlebewesen, das für die Vergärung des Bieres verantwortlich ist: Hefe wandelt hier mit ihren Enzymen den in der Würze vorhandenen Malzzucker in Alkohol und Kohlensäure um. Enzyme bestimmen unser Leben Die Enzyme, welche bei der Steuerung sämtlicher Stoffwechselvorgänge mitmachen, sind leider auch der limitierende Faktor für das Überleben unter Extrembedingungen, weil sie sehr hitze-, säure- oder alkalienempfindlich sind. Steigt z.B. unsere Körpertemperatur auf wenige Grad über den Normalwert, hat es für uns tödliche Folgen. Die Enzyme verändern dabei ihre Struktur und werden funktionsunfähig, können also ihre Aufgaben in den Zellen nicht mehr wahrnehmen. Nicht so bei den „Extremisten“ unter den Bakterien, den Extremophilen, die ins Zentrum der Bakterienforschung gerückt sind. Sie produzieren "Extremoenzyme", das sind sehr widerstandsfähige Enzyme (wie die extremophilen Bakterien selbst). 06 / Bakterien Enzyme Informationstext 5/10 Forschung mit Extrem-Enzymen Mittlerweile ist die Anwendung der "Extremoenzyme" in Forschung, Technik und Alltag nicht mehr wegzudenken. Überall kommen sie inzwischen zur Anwendung: In der Gentechnologie, bei Täterüberführungen mittels genetischem Fingerabdruck, beim täglichen Wäschewaschen in unseren Haushalten, bei der Herstellung neuer Kunststoffe, für den Aufbau von Medikamenten. Ganz einfach ist es nicht, denn jede Enzym-Art ist nur an der Umsetzung (Veränderung) eines bestimmten Stoffs zu einem bestimmten Neuprodukt beteiligt. Dafür aber ist gewährleistet, dass die Anwendung immer gleich abläuft und das gleiche Resultat ergibt. Da nun in den Zellen immer nur ein bestimmtes Enzymarsenal vorhanden ist, kann die Umwandlung von Substraten über bestimmte Stoffwechselwege gesteuert werden. Bauplan für Enzyme und andere Proteine (Eiweisse) Der Bauplan für die Enzyme ist, nebst vielen anderen Bauplänen, in der Erbsubstanz, der DNA, jeder Zelle gespeichert (meist im Zellkern, doch bei Bakterien, die ja keinen Zellkern besitzen, einfach im Zellinneren). Diese Informationen werden in der Zelle über einen komplizierten Verarbeitungsprozess an kleine „Maschinen“ (Ribosomen) in der Zelle übermittelt, die dann die richtigen Proteine produzieren. DNA (deoxyribonucleic acid) ist das in allen Lebewesen vorkommende Biomolekül, das die Erbinformationen trägt. Sie enthält unter anderem die Codes (Baupläne), nach denen die Proteine, die Bausteine der Zellen, aufgebaut sind. Im Normalzustand ist die DNA in Form einer Doppelhelix organisiert. Chemisch gesehen handelt es sich um eine Nukleinsäure, ein langes Kettenmolekül (Polymer) aus Einzelstücken, sogenannten Nukleotiden. 06 / Bakterien Enzyme Informationstext 6/10 Enzyme zum Überleben Einige der Proteine werden als Bau- oder Botenstoffe eingesetzt, aber der grösste Teil dient als Enzyme zur Steuerung der Zellfunktionen. Für das Überleben unter Extrembedingungen besitzen die Extremophilen speziell angepasste Enzyme, die zum Teil auch bei Temperaturen von über 100°C oder bei sauren pH-Werten um 1 nicht denaturiert werden, d.h. nicht ihre Funktion als Biokatalysatoren verlieren. Solche Enzyme sind heute bei molekular-biologischen Methoden, bei chemischen Synthesen oder auch bei alltäglichen Vorgängen nicht mehr wegzudenken. Ihre Einsatzmöglichkeiten reichen von der Nahrungsmittelherstellung über Insektenschutzmittel bis hin zur Gentechnik. Vielleicht entsteht mit Hilfe der Bakterien und deren Enzymen die Hoffnung auf alternative Treibstoffe und neue Kunststoffe, die uns vom Erdöl unabhängig machen werden. Für bestimmte Anwendungen entwickeln Wissenschaftler heute gezielt leistungsfähigere Enzyme durch Protein-Engineering. – Viele Enzyme können heute mit Hilfe von gentechnisch veränderten Mikroorganismen hergestellt werden. Proteine oder Eiweisse (darunter auch die Enzyme) sind aus Aminosäuren aufgebaute Makromoleküle. Proteine gehören zu den Grundbausteinen aller Zellen. Sie verleihen der Zelle nicht nur Struktur, sondern sind die molekularen „Maschinen“, die Stoffe transportieren, Ionen pumpen, chemische Reaktionen katalysieren und Signalstoffe erkennen. Bausteine der Proteine sind bestimmte als proteinaufbauend bezeichnete Aminosäuren, die zu Ketten verbunden sind. Beim Menschen handelt es sich um 21 verschiedene Aminosäuren. Die Aminosäureketten können eine Länge von bis zu mehreren tausend Aminosäuren haben. 06 / Bakterien Enzyme Informationstext 7/10 Ein Blick in die Geschichte Enzyme wurden schon lange verwendet. Lange bevor man etwas Näheres über sie wusste. Man fragte nicht "wieso?" und "warum?"! Es funktionierte einfach. Die alten Ägypter brauchten schon vor 8000 Jahren Enzyme, auch die Griechen, Araber und Römer, selbst unsere keltischen Vorfahren. Mit ihrer Hilfe stellten sie Bier, Wein, Sauerteig, Käse und Joghurt her. Bis ins 19. Jahrhundert hatte der Mensch viele Verwendungen für die Enzyme gefunden. Die Forschung aber hatte die Enzyme noch nicht einmal entdeckt. Glukose-Molekül (Traubenzucker), bestehend aus Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff 1833 beobachtet der Forscher Anselme Payen, dass eine Malzlösung (für die Bierherstellung) die Auftrennung von Stärke in Glukose (Zucker) stark beschleunigt. Er fand in der Malzlösung den Stoff, der für die Beschleunigung verantwortlich ist. Er nannte ihn Diastase (vom griechischen Wort für "trennen"). Ohne es zu wissen, hatte Anselme Payen das erste (Scheren-)Enzym entdeckt. Seit 1876 heissen die Biokatalysatoren "Enzyme". Enzym bedeutet auf Griechisch "Sauerteig". Da das Problem der Biokatalyse von Beginn weg anhand der Hefe untersucht wurde, ist der Schritt von Teig zu Enzym gar nicht so abwegig. Die Namensgebung der Enzyme erfolgt nach System. Der Name gibt immer einen Hinweis auf die "Tätigkeit" des Enzyms. Entweder beschreibt er die Art der katalysierten Reaktion oder des umgesetzten Ausgangsstoffes. Als Endung wird immer "-ase" verwendet. Ein Enzym, das also Maltose, eine Zuckerart, spaltet, heisst Maltase. 1959 gelang es, ein Enzym zu kristallisieren. Mit diesem Kristall konnten spezielle Röntgenbilder aufgenommen werden. Die Auswertung dieser Bilder ergab die erste dreidimensionale Struktur eines Enzyms. Erst jetzt sah man, womit man schon Tausende von Jahren gearbeitet hatte. 06 / Bakterien Enzyme Informationstext 8/10 Wirkungsweise der Enzyme Enzyme wirken spezifisch; das heisst, ein Enzym beschleunigt (katalysiert) in der Regel nur eine bestimmte Reaktion, ausgehend von einem oder mehreren Ausgangsmolekülen. Den Ausgangsstoff einer solchen enzymatischen Reaktion nennt man Substrat. Was herauskommt heisst dann Reaktionsprodukt (oder einfach Produkt). 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 eines Enzyms. Obwohl das aktive Zentrum nur ein sehr kleiner Teil des ganzen Enzyms ist, befindet sich hier der Ort des Geschehens für die Katalyse. Enzyme sind mannigfaltig Enzyme katalysieren eine grosse Vielfalt von Reaktionen. Aus diesem Grund müssen verschiedene Enzyme je nach Bedarf ganz unterschiedliche Aufgaben übernehmen. Diese Aufgaben lassen sich oft mit Werkzeugen aus dem Alltag vergleichen. Beachte, dass all diese Werkzeuge bei ihrem Gebrauch nicht defekt werden. Beispiel: „Schere“: Hydrolase spaltet Moleküle Beispiel: „Schraubzwinge“: Ligase verknüpft Bausteine Beispiel: „Schaufel“: Transferase überträgt einen Teil von einem Molekül auf ein anderes. 06 / Bakterien Enzyme Arbeitsblatt 9/10 Aufgabe: Beantworte die Fragen. 1. Wie lautet die Definition für den Begriff Enzym? Wähle eine eigene Formulierung ohne den Ausdruck Katalysator. __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ 2. Läuft eine Reaktion schneller ab, wenn die Aktivierungsenergie verkleinert wird? Begründe deine Antwort! __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ 3. Vervollständige in den betreffenden Tabellenfeldern die Analogien zwischen einer Bergwanderung und einer chemischen Reaktion: Bergwanderung Chemische Reaktion Höhendifferenz (Start–Ziel) Energieinhalt der Produkte Höhendifferenz (Start–Passübergang) freigesetzte Energie 4. Payen machte seine Entdeckung beim Experimentieren mit Malz- und Stärkelösungen. Was haben diese Lösungen mit Enzymen zu tun? Überlege dir für die Antwort, aus welchem Naturprodukt Payen diese Lösungen wohl gewonnen hat. __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ 06 / Bakterien Enzyme Arbeitsblatt 10/10 Lösungen: Aufgabe 1 Die Antwort ist gut, wenn sie folgende Punkte sinngemäss enthält: Enzyme sind "biologische Werkzeuge". Sie sind selbst Eiweisse (Proteine) und können andere Eiweisse und sonstige Moleküle verändern (trennen, zusammenfügen, Teile austauschen). Sie werden von und nur in lebenden Zellen hergestellt. Aufgabe 2 Die Reaktion kann wesentlich schneller ablaufen, da der "Berg" mit weniger Energieaufwand überwunden werden kann. Aufgabe 3 Die Tabelle sollte mit den korrekten Eintragungen folgendermassen aussehen: Bergwanderung Höhendifferenz (Start–Ziel) Meereshöhe (Ziel) Höhendifferenz (Start–Passübergang) Höhendifferenz (Start–Ziel) Chemische Reaktion freigesetzte Energie Energieinhalt der Produkte Aktivierungsenergie freigesetzte Energie Aufgabe 4 Malzlösungen werden aus keimenden Gerstenkörnern hergestellt. In diesen hat es ein stärkespaltendes Enzym, das den Keimling mit Traubenzucker versorgt.
