Beeinflussung der Enzymfunktion

In unserem Körper laufen zahlreiche lebensnotwendige chemische Reaktionen ab, wie zum Beispiel die Energiegewinnung aus der Nahrung, sowie die Ausscheidung von Abfallstoffen. Das Ganze wird als Stoffwechsel bezeichnet und an seinen Vorgängen sind Enzyme maßgeblich als sogenannte Katalysatoren beteiligt. Sie senken die Aktivierungsenergie, die für die Stoffumwandlung von zum Beispiel aufgenommener Nahrung in Fettsäuren, Einfachzucker oder Aminosäuren nötig ist. Ihre Aufgabe ist es, biochemische Reaktionen, die normalerweise nur mit einem bestimmten Energieaufwand stattfinden, so zu beeinflussen, dass sie bei Körpertemperatur in ausreichend hoher Geschwindigkeit ablaufen. Man nimmt an, dass im menschlichen Körper etwa 30.000 verschiedene Enzyme vorkommen. Die Enzyme gehören zu der Stoffgruppe der Eiweiße. Jedes Enzym beeinflusst nur ganz bestimmte Reaktionen. Enzyme funktionieren äußerst spezifisch und nach dem sogenannten Schlüssel-Schloss-Prinzip. Nur wenn die Struktur von Substrat, das ist der Ausgangsstoff, zum Beispiel aufgenommene Nahrung und Enzym genau zueinander passen, funktioniert die Katalyse. Jedes Enzym bietet eine genau passende Bindungsstelle für ein Substrat an. Der Ausgangsstoff dockt an das spezifische Enzym an. Dieser wird nun aufgespalten, das Enzym selbst bleibt dabei unverändert. Die äußeren Bedingungen wie der pH-Wert und die Temperatur sind für die Arbeit der Enzyme von großer Bedeutung. Jedes Enzym arbeitet nur in einem bestimmten Temperatur und pH-Bereich. In der Nahrung, die diese Studenten in der Pause zu sich nehmen, befindet sich Stärke. Es handelt sich dabei um ein Polysaccharid oder Mehrfachzucker, das sich in vielen Nahrungsmitteln wie Brot, Kartoffeln, Nudeln und in Süßigkeiten findet. Mehrfachzucker kann unser Organismus nicht aufnehmen. Er muss erst in kleinere Moleküle aufgespalten werden. Dazu ist das Enzym Amylase notwendig, welches die langen kettenförmige Zuckermoleküle in kürzere Stücke schneidet. Zum Beispiel in den Zweifachzucker “Maltose”. Maltose wird dann weiter durch das Enzym Maltase in zwei Glucosemoleküle gespalten. Dieser Vorgang ist normalerweise sehr langsam. Die Spaltung von Stärke in Maltose beginnt bereits im Mund. Beeinflusst die dort herrschende Temperatur den chemischen Vorgang der Spaltung? In jedes Reagenzglas wird die gleiche Menge von Stärkelösung gegeben. Die Gläser stehen in einem Wasserbad, das in unterschiedlichen Temperaturen gehalten wird, bei 5, 20 und 35 Grad Celsius. Nun wird die gleiche Menge des Enzyms “Amylase” in die Reagenzgläser gegeben. Amylase ist ein Enzym, das den Mehrfachzucker “Stärke” spaltet. In den zwölf Vertiefungen der Platte befindet sich eine rotbraune Jodlösung. Diese ist ein Indikator für den Stärkegehalt. Nach einer Minute wird ein Tropfen jeder Stärkelösung in die Jodlösung gegeben, beginnend mit der von 5 Grad, dann die mit 20 und 35 Grad Celsius. Die Jodlösung verfärbt sich überall in dunkelblau bis schwarz und zeigt damit an, dass Stärke vorhanden ist. Je mehr Stärke, desto dunkler wird die Jodlösung. Der Prozess wird nach einer weiteren Minute wiederholt. Nur bei der 35 Grad warmen Lösung erkennen wir einen Farbwechsel zu hellbraun. Hier hat die Amylase die Stärke bereits gespalten. Der Stärkegehalt hat abgenommen. In der Zwischenzeit schreitet die Spaltung der Stärke durch die Amylase weiter fort. Nach 3 Minuten befindet sich ungespaltene Stärke nur noch in der kalten Lösung. Auch nach 4 Minuten, hat die Amylase in der kalten Temperatur, keine Reaktion gezeigt. Ein eindeutiger Beweis dafür, welchen Einfluss die Temperatur auf den chemischen Vorgang hat. Enzyme funktionieren also nur in einem bestimmten Temperaturbereich gut. Sie sind Eiweiße, die bei erhöhten Temperaturen denaturieren, das heißt: Die Moleküle verändern ihre natürliche Form und Zusammensetzung. Das bedeutet, sie können ihre katalytische Funktion nicht mehr wahrnehmen. Viele menschliche Enzyme funktionieren bei über 40 Grad Celsius nicht mehr. Katalase ist ein verdauungsförderndes Enzym, das in verschiedenen pflanzlichen und tierischen Organen vorkommt, beispielsweise in der Leber. Gibt man zu dem Leberstückchen eine Lösung von Wasserstoffperoxid, H2O2, so beginnt es zu schäumen. Die Katalase spaltet das giftige Wasserstoffperoxid in ungefährliche Verbindungen wie Wasser und Sauerstoff auf. Die Katalase hat eine wichtige Funktion im Stoffwechsel. In allen Organismen fällt Wasserstoffperoxid als Abfallprodukt des Stoffwechsels an. Das Enzym schützt somit die lebenden Zellen vor dem giftigen Wasserstoffperoxid, in dem es dies zu ungefährlichen Verbindungen wie Wasser und Sauerstoff abbaut. Auch in Kartoffeln findet man in reichlichem Maße das Enzym Katalase. Hier untersuchen wir die Abhängigkeit der Katalyse vom pH-Wert. Dazu werden die gleiche Menge geschnittener Kartoffeln in Reagenzgläser, die mit Wasserstoffperoxid und Lösungen verschiedener pH-Werte gefüllt sind, gegeben. Mit pH4, einer sauren Lösung. Mit pH7, einer neutralen Lösung und mit pH9, einer alkalischen Lösung. Der pH-Wert entscheidet über den Säuregehalt des Wassers. An jedes Reagenzglas ist ein einfaches Messgerät angeschlossen, welches den Druck des abgegebenen Sauerstoffs anzeigt. Der Sauerstoff aus dem aufgespaltenen Wasserstoffperoxid, drückt auf die rote Flüssigkeit im Messgerät, die sich auf der rechten Seite nach oben bewegt. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Flüssigkeit nach oben bewegt, zeigt die Heftigkeit der Reaktion an. Es ist eindeutig, dass die Reaktion im neutralen Bereich des pH-Wertes am stärksten ist. Hier funktioniert die Aufspaltung des Wasserstoffperoxid am besten.