Biologie E-Phase: Enzymregulation & -hemmung

Enzyme, ihre Regulation und ihre Kinetik gehören zu den wichtigsten Themen der Biologie und Biochemie.

Enzyme sind Biokatalysatoren: sie reduzieren die Aktivierungsenergie einer biochemischen Reaktion, so dass diese Reaktion innerhalb der Zelle überhaupt ablaufen kann. Enzyme steuern fast alle unsere Zellfunktionen und sind essentiell für das Überleben unserer Zellen und unseres Körpers.

Enzyme gehören zu der Biomolekülkategorie der Proteine: Sie bestehen aus Aminosäuren. Es gibt auch Enzyme, die neben ihrem Aminosäureanteil („Apoenzym“) auch zusätzliche Moleküle oder Ionen kovalent (= fest gebunden( oder nicht-kovalent (= durch Wechselwirkungen zusammengehalten) tragen. Ionen, wie zB Fe2+ oder CrIII+, werden Cofaktoren genannt, und sind  nicht-kovalent mit dem Proteinanteil eines Enzyms gebunden. Größere Moleküle, die ebenfalls nicht-kovalent an Enzymen gebunden sind, heissen Coenzyme. Größere Moleküle, die kovalent an dem Enzymanteil gebunden sind, werden prosthetische Gruppen genannt. Sowohl Cofaktoren als auch Coenzyme als auch prosthetische Gruppen sind essentiell für die Funktionalität des Enzyms.

Enzyme setzen Substrate in Produkte um. Sie wirken substrat- und wirkspezifisch: Sie können nur ein bestimmtes Substrat binden und umsetzen und nur eine Reaktion katalysieren. Diese Eigenschaften erlauben ihnen so hocheffizient zu arbeiten.

Die Funktionalität eines Enzyms hängt von folgenden Faktoren ab:

  • Substratkonzentration
  • Temperatur
  • pH-Wert
  • Ionenstärke
  • Lösungsmittel

Jedes Enzym hat einen Optimumbereich dieser Faktoren, bei dem es die maximale Aktivität aufweist. Außerhalb dieses Bereichs arbeitet es langsamer bzw. es denaturiert (=seine Tertiär- bzw. Quartärstruktur geht kaputt, und es geht kaputt). Menschliche Enzyme haben zB einen Temperaturoptimum bei ca. 37 °C; oberhalb von 41 °C fangen sie an zu denaturieren, sie verlieren also ihre Funktion.

Proteasen sind Enzyme, die Proteine bzw. Enzyme spalten („verdauen“. Amylase ist solch eine Protease: sie spaltet Stärke in Glucoseeinheiten.

Glucose gehört zu der Gruppe der Kohlenhydrate; sie ist eine Aldohexose, d.h. sie enthält 6 C-Atome und trägt eine Aldehydgruppe am C1 Atom. Diese Aldehydgruppe kann zur Carboxylgruppe oxidiert werden, wenn ein entsprechendes Oxidationsmittel vorliegt. Diese Eigenschaft nutzt das Fehling-Reagenz und dient deswegen dem Nachweis von Aldehydgruppen-tragenden Molekülen.

Mit diesen Informationen können Sie die Lösung dieser Aufgabe nachvollziehen:

Die Aufgabe entspricht dem E-Phase Level eines Gymnasiums.