Enzymkatalyse

In jedermanns Organismus laufen am Tag Millionen von Reaktionen ab. Jedoch wären diese viel langsamer, wenn es keine Enzyme gäbe, um diese zu beschleunigen. Das heißt, dann würdest Du viel langsamer "reagieren", denken oder dich bewegen können. Aber dank einer Vielzahl an Enzymen ist das alles nicht der Fall. Die Reaktion, die dahintersteckt, heißt Enzymkatalyse.

Prinzipien der Enzymkatalyse

Im Grundkonzept besteht die Enzymkatalyse aus dem Enzym [E], dem Substrat [S], dem Komplex, welcher Enzym und Substrat zusammen darstellt [ES] und schlussendlich dem resultierenden Produkt [P].

Der Ablauf lautet dabei wie folgt:

$\left[\mathrm{E}\right]+\left[\mathrm{S}\right]\to \left[\mathrm{ES}\right]\to \left[\mathrm{EP}\right]\to \left[\mathrm{E}\right]+\left[\mathrm{P}\right]$

Das Substrat bindet sich an das aktive Zentrum des Enzyms, sodass es zur Bildung des Komplexes kommt. Daraus entsteht dann ein verändertes Substrat, nämlich das Produkt. Das Produkt ist nur für einen sehr kurzen Moment an dem Edikt gebunden, danach löst es sich vom Enzym ab und reagiert weiter, je nachdem, wofür es vorgesehen war. Das Enzym kommt unverändert aus der Reaktion heraus. Dadurch kann das Enzym vom nächsten Substrat angedockt werden und es entsteht ein Kreislauf.

Dabei ist wichtig, dass es hier das Schlüssel-Schloss-Prinzip gibt. Die Bindestelle, also das aktive Zentrum, ist so spezifisch, dass wirklich nur das bestimmte Substrat genau in die Bindestelle passt, um das Enzym zu aktivieren. Also genau wie bei einem Schloss (hier das Enzym) und seinem passenden Schlüssel (das Substrat).

Um das Ganze ein wenig anschaulicher zu machen, kannst Du im folgenden Bild die Reaktion sehen und was dabei passiert.

Abbildung 1: Grundprinzip der Enzymkatalyse

Bei der Abbildung 1 solltest Du beachten, dass nicht immer nur ein Substrat gleichzeitig binden kann und dass auch nicht immer mehrere Produkte entstehen. Die ist alles, je nachdem, um welches Enzym es sich handelt, unterschiedlich.

Da das Enzym bei einer Reaktion die Hin- und Rückreaktion gleichermaßen katalysiert, wird das Gleichgewicht hierbei nicht beeinträchtigt.

Katalyse einer Reaktion

Die Katalyse einer Reaktion bewirkt, dass eine entsprechende Reaktion beschleunigt wird, indem das Enzym die benötigte Aktivierungsenergie herabsetzt. Die Aktivierungsenergie bestimmt, wie viel Energie aufgewendet werden muss, damit eine Reaktion geschieht. Mithilfe des Enzyms benötigt man weniger Energie, damit eine Reaktion abläuft - deshalb läuft die Reaktion auch schneller ab.

Hemmung der Enzymkatalyse

Wenn ein Enzym nicht arbeiten soll, also eine bestimmte Reaktion nicht katalysieren soll, kann dieses Enzym gehemmt werden.

Diese Hemmung geschieht durch weitere Substrate. Dabei gibt es die...

• kompetitive und
• die nicht-komptitive Hemmung.

Die kompetitive Hemmung

Bei der kompetitiven Hemmung setzt sich ein Inhibitor in das aktive Zentrum, in das sie normalerweise das Substrat setzen würde. Durch die Besetzung des aktiven Zentrums kann das Substrat nicht binden und so kommt es nicht zu einer Katalyse.

Die nicht-kompetitive Hemmung

Bei der nicht-kompetitiven Hemmung bindet der Inhibitor sich an eine Stelle am Enzym, die sich außerhalb des aktiven Zentrums befindet. Durch das Andocken an diese externe Stelle kommt es zur Konformation des Enzyms, wodurch das aktive Zentrum umgeformt wird, sodass das Substrat nicht mehr perfekt in das aktive Zentrum passt und so auch nicht an das Enzym binden kann.

Abbildung 2: Hemmung der Enzymkatalyse

In der Abbildung findest Du bei dem linken Weg die kompetitive Hemmung und auf der rechten Seite siehst Du die nicht-kompetitive Hemmung.

Berechnung der Enzymkatalyse

Die Reaktionsgeschwindigkeit kann berechnet werden. So kann auch berechnet werden, wie viel schneller eine Reaktion abläuft, wenn eine Enzymkatalyse diese beschleunigt.

Dafür gibt es die Michaelis-Menten-Gleichung.

Die gesuchte Geschwindigkeit v wird berechnet, indem die maximale Geschwindigkeit ${\mathrm{v}}_{\max }$ bestimmt und dann mit der Substratkonzentration [S] multipliziert. Dies wird dann durch die Michaelis-Menten-Konstante ${\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}$ plus die Substratkonzentration [S] dividiert.

Die Michaelis-Menten-Konstante ${\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}$ kannst Du berechnen, indem Du das Aufkommen der Substratkonzentration [S] gegen die Reaktionsgeschwindigkeit aufträgst. Aus der entstandenen Kurve kannst Du dann ablesen, wie hoch die Substratkonzentration [S] ist, wenn genau die Hälfte der Reaktionsgeschwindigkeit ${\mathrm{v}}_{\max }$ vorliegt. Dieser Wert ist dann Deine Michaelis-Menten-Konstante.

Abbildung 3: Berechnung von KM

Enzymkatalyse – Beispiele

Hier kannst Du Dir ein paar Beispiele angucken, welche Enzymkatalysen es gibt, wo diese tätig sind und was sie bewirken.

Katalase-Reaktion

Das Enzym Katalase kommt in allen tierischen Zellen enthalten. Dabei kann es besonders in peroxisomen von Leberzellen gefunden werden. In pflanzlichen Zellen von aeroben Organismen kommt dieses Enzym auch vor.

Es bewirkt die Umsetzung von zwei Wasserstoffperoxids (${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$) zu zwei Wasser-Molekülen und einem elementaren Sauerstoff und dies in zwei Schritten.

Schritt 1

Beim ersten Schritt wird die Ausgangsform der Katalase (reduzierte Form) zu Wasserstoffperoxid gegeben. Dabei wird die Katalase mit einem Sauerstoff oxidiert und es entsteht ein Wasser-Molekül.

${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2+\mathrm{reduzierte}\mathrm{Katalase}\to {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+\mathrm{oxidierte}\mathrm{Katalase}$

Schritt 2

Beim zweiten Schritt reagiert die oxidierte Katalase mit einem zweiten Wasserstoffperoxid-Molekül und dadurch wird dieses zu einem Wasser-Molekül und einem elementaren Sauerstoff-Molekül umgesetzt. Das Enzym Katalase befindet sich nun wieder in der Ausgangsform.

${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2+\mathrm{oxidierte}\mathrm{Katalase}\to {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2+\mathrm{reduzierte}\mathrm{Katalase}$

Ergebnis

Die gesamte Summengleichung lautet also:

$2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2\to {\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Amylase-Reaktion

Amylase ist ein Enzym, welches Du zum Beispiel auch in der Form von α-Amylase im Mundraum besitzt. Als einfache Pankreas-Amylase ist das Enzym im Darmtrakt zu finden und wird da aus der Bauchspeicheldrüse sekretiert. Im Mundraum spaltet die α-Amylase große Stärkemoleküle wie Amylopektin oder Amylose zu kleineren Zuckermolekülen.

Die Amylasen im Darm spalten diese kleineren Zuckermoleküle, die meisten aber noch Mehrfachzucker (also Polysaccharide oder oilgosaccharide) zu Einfachzuckern (Monosaccharide). Dies alles, damit die Monosaccharide dann absorbiert werden und als Energiequelle für den Körper fungieren können.

Lactase-Reaktion

Von dem Milchzucker Laktose hast Du bestimmt schon mal gehört. Es befindet sich natürlich in jedem Milchprodukt. Viele Menschen sind laktoseintollerant. Diese Menschen können die aufgenommene Laktose nicht abbauen. Dadurch entstehen dann Magen-Darm-Beschwerden. Menschen, die laktoseintollerant sind, fehlt das Enzym Lactase.

Lactase spaltet die Laktose aus der Milch auf in Glucose und Galactose. In dieser Form kann der Zucker weiter abgebaut und dann von der Darminnenwand absorbiert werden.

Abbildung 5: Lactase-Reaktion