Milieuspezifität der Enzyme
Experimente:
Versuch: pH-Abhängigkeit der Hydrolyse von Proteinen
Versuch: H2O2 zerstört die Aktivität von manchen Enzymen
Diese Spezifitäten betreffen Temperatur, pH-Wert und Redoxlage der Umgebung,
Hemmung und Vergiftung.
Allerdings darf man sich nicht über Extreme wundern. Hier sind als Extreme die in der
Antarktis lebenden Mikroorganismen sowie die Schwefelbakterien in den
Tiefseebereichen wie dem Atlantik-Rücken zu nennen. Dort reißt die Erde auf, weil die
Kontinente Europa bzw. Afrika einerseits und Amerika andererseits
auseinanderstreben. Um die Schlote der „Black Smoker" hat sich ein reges höheres
Leben von Krebsen und Würmern entwickelt. Am Anfang der Nahrungskette stehen
Bakterien, die hohen Temperaturen (wegen des dort herrschenden Drucks weit über
100 °C) sowie extrem giftiger Umgebung (Schwermetallen) trotzen. Ihre
Lieblingsspeise ist übrigens Schwefelwasserstoff, für uns ein schlimmes Enzymgift.
Jeder kennt auch die Waschmittelenzyme, die erst bei 60 °C (und mehr) ihre volle
Aktivität entwickeln. Sie sind „Züchtungen" aus thermophilen Mikroorganismen und
werden heute biotechnologisch in großen Fermentern mit Hilfe von Pilzen gewonnen.
Diese Enzyme sind außerdem stabil gegen stark alkalisches Milieu und zudem noch
redox-inert, denn sie wirken auch in Gegenwart von Bleichmitteln, die auf der
katalytischen Freisetzung von H2O2 beruhen.
A Temperatur
Enzymaktivitäten hängen von der Temperatur ab. Dabei beobachtet man ein
Temperatur-Optimum: Zunächst steigt mit der Temperatur auch die Aktivität an, um
dann wieder abzusinken.
Zunächst unterliegen auch die Enzyme der Regel des Q10-Werts.
Ab einer bestimmten Temperatur werden die Schwingungen der komplexen
Proteinmoleküle so stark, dass das aktive Zentrum seine Geometrie zur Katalyse nicht
mehr ausspielen kann.
Ab 50 °C beginnt die irreversible Hitzedenaturierung der Proteine, auch wenn man es
nicht sofort sehen kann.
Dabei hat jedes Enzym sein eigenes, charakteristisches Temperatur-Optimum. Hier ist
die Breite erstaunlich.
So haben unsere Enzyme im Allgemeinen T-Optima um 40 °C. Das ist allerdings
organabhängig. Die 40 °C sind Normaltemperatur von Leber und Darm.
Es gibt aber auch thermophile Bakterien und Blaualgen, die in vulkanischen Bezirken
oder in kochenden Geysiren leben. Die Bakterien im Bereich der „Black Smoker"
haben wir schon erwähnt.
B pH-Wert
Alle Proteine werden in ihrer Aktivität durch pH-Wert-Änderungen beeinflusst. Extreme
Eingriffe führen zu irreversibler Denaturierung.
Es gibt aber auch graduelle Änderungen, die innerhalb von 1-2 pH-Einheiten die
Enzymaktivität reversibel von Null auf Maximum hochfahren.
Der Grund ist: Enzyme sind als Proteine wegen ihrer Aminosäurereste selbst
Polyelektrolyte bzw. schwache Säure/Base-Systeme, deren Ladung bzw. Dissoziation
vom pH-Wert abhängt. Das gilt auch für das aktive Zentrum selbst, das als schwaches
Säure/Base-System nur in der einen oder anderen Dissoziationsform aktiv ist. Damit
hängt die Aktivität vom pH-Wert der Umgebung ab. Darüber berichten wir auf einer
besonderen Webseite.
C Redoxlage
Viele Enzyme enthalten Aminosäurereste, die empfindlich sind gegen Änderungen der
Redoxlage der Umgebung. Hier sei an die Thiol-Gruppe R-SH erinnert, die leicht
oxidiert werden kann.
Deshalb stört das Oxidationsmittel Wasserstoffperoxid die Aktivität von manchen
Enzymen (-> Versuch).
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