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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Letzte Überarbeitung: 04. September 2001, Dagmar Wiechoczek