Enzymkinetik – Einflussfaktoren

Wie schnell und effektiv Enzyme im Organismus arbeiten, hängt von drei verschiedenen Faktoren ab, zum Beispiel von der Substratkonzentration. In acht Reagenzgläser wird Stärkelösung gegeben, von links nach rechts in steigender Menge. Die Stärke wird durch Alpha-Amylase abgebaut. Je zehn Tropfen Amylase-Lösung werden in die Reagenzgläser gegeben, es befindet sich also in jedem Reagenzglas die gleiche Menge an Enzym. Nach fünf Minuten wird in jedes Reagenzglas Iodkaliumiodit-Lösung gegeben, ein Nachweismittel für die Stärke. Je mehr Stärke im Reagenzglas ist, desto dunkler wird die blauviolett-Färbung der Lösung. Aus dem Ergebnis kann man schließen: Je mehr Substrat vorhanden ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass Substrat und Enzym aufeinandertreffen. Die Reaktion läuft ab, bis die aktiven Zentren aller Enzyme besetzt sind, dann ist eine Sättigung erfolgt. Durch die Zugabe von weiterem Substrat kann die Geschwindigkeit nicht erhöht werden, nur durch die Zugabe weiterer Enzyme. Als nächstes untersuchen wir den Einfluss der Temperatur. Ein Gemisch aus Stärke und Amylase-Lösung wird in einem 90 Grad Wasserbad erhitzt, in Eiswasser gekühlt und bei Raumtemperatur beobachtet. Gibt man Iodkaliumiodid-Lösung in die Proben, so färben sich die Versuchsansätze, die dem heißen Wasserbad und dem Eiswasser ausgesetzt waren, blau, die Stärke wurde also kaum abgebaut. Die Probe bei Raumtemperatur färbt sich nicht blau. Woran liegt das? Das Temperaturoptimum der Speichel-Amylase liegt der Raumtemperatur am nächsten, unter diesen Bedingungen kann sie die Stärke optimal abbauen. Bei den im menschlichen Körper vorkommenden Enzymen liegt das Temperaturoptimum nahe bei der Körpertemperatur. Was passiert bei anderen Temperaturen? Zu hohe Temperaturen zerstören die Proteine, wie man am Versuch mit dem 90 Grad heißen Wasser sieht. Schwache chemische Verbindungen lösen sich, die Tertiärstruktur wird verändert und die Enzyme denaturieren. Bei zu niedrigen Temperaturen stellen die Enzyme ihre Aktivität ein. Folglich kann man auch bei diesem Versuchsansatz noch Stärke nachweisen. Verschieden Enzyme haben verschiedene Temperaturoptima. In heißen Quellen leben die wärmeliebenden Archaeen und Bakterien, ihre optimale Lebenstemperatur, und somit auch die optimale Temperatur ihrer Enzyme, liegen oft bei über 70 Grad. Auch vom pH-Wert ist die Wirkung eines Enzyms und damit die Reaktionsgeschwindigkeit abhängig. In drei Proben werden jeweils Stärke und Amylase-Lösung eingefüllt. In eine gibt man zusätzlich einen Tropfen konzentrierte Salzsäure, in die zweite konzentrierte Natronlauge, in die dritte nichts. Die Reagenzgläser stellt man fünf Minuten in ein Wasserbad von etwa 37 Grad. Beim Prüfen mit je einem Tropfen Iodkaliumiodid-Lösung kann man in den Reagenzgläsern mit dem Säure- oder Laugezusatz eine Blaufärbung beobachten. Was steckt dahinter? Jedes Enzym hat seine eigenes pH-Optimum, die Amylase etwa bei pH 6,6, also nahe dem neutralen Bereich. Durch Zugabe von Salzsäure oder Natronlauge zu den Versuchsansätzen kommt es zu einer pH-Wert-Verschiebung. Da die Enzyme an ihre Arbeitsumgebung angepasst sind, hat auch jedes Enzym ein anderes pH-Optimum, das eiweißspaltende Enzym Pepsin zum Beispiel kommt im Magen vor und hat sein pH-Optimum bei 1,8 bis 3,5, Trypsin hingegen kommt im Dünndarm vor und arbeitet optimal bei pH-Wert von acht.