Die Abhängigkeit der Enzymaktivität von Umgebungsbedingungen

Die Effizienz eines Enzyms wird durch Rahmenbedingungen wie pH-Wert und Temperatur beeinflusst.

Die Wirkung von Temperatur und pH-Wert Temperatur und pH-Wert der Umgebung sind Faktoren, die für die Aktivität eines Enzyms wichtig sind. Bis zu einem gewissen Punkt erhöht sich die Umsatzrate eines Enzyms mit ansteigender Temperatur - teilweise deshalb, weil die Substratmoleküle öfter mit den aktiven Zentren Zusammenstößen, wenn sich alles schneller bewegt. Oberhalb dieser Temperatur nimmt die Geschwindigkeit der enzymatischen Katalyse jedoch rasch ab. Die thermische Anregung der Enzymmoleküle stört die nicht kovalenten Wechselwirkungen, die die aktive Konformation des Enzyms stabilisieren und schließlich wird das Protein denaturiert. Jedes Enzym besitzt ein charakteristisches Temperaturoptimum, bei dem die Umsatzrate am höchsten ist. Ohne das Enzym zu denaturieren, erlaubt diese Temperatur die größtmögliche Zahl molekularer Kollisionen und die schnellstmögliche Umwandlung der Substrate. Die meisten Enzyme des Menschen haben im Einklang mit der Körpertemperatur ein Optimum zwischen 35 und 40 °C. Thermophile Bakterien, die in heißen Quellen leben, enthalten dagegen Enzyme mit Temperatur-optima von 70 °C oder höher (=> Abbildung 8.12 a).

Außer einer bestimmten Temperatur, bei der es optimal arbeitet, hat jedes Enzym auch ein pH-Optimum. Der optimale pH-Bereich liegt für die meisten Enzyme bei 6-8, aber es gibt Ausnahmen (Abbildung 8.12 b).

Abbildung 8.12: Umgebungsfaktoren. die die Enzymaktivität beeinflussen. X eIZ hat (a) ein Temperatur- und (b) ein pH-Optimum. bei denen es seme funk-

-elfen Lysosomen hat einen pH-Wert von etwa £ Zeichnen SieX Kurve wie in (b). die Ihre Voraussage bezüglich der pH-Abhan_glgkeit eines lysosomalen Enzyms illustriert.

Abbildung 8.13: Hemmung der Enzymaktivität.

Cofaktoren Viele Enzyme benötigen für ihre katalytische Aktivität zusätzliche chemische Funktionalitäten, die durch Aminosäureseitenketten nicht realisiert werden können und daher völlig andersartige chemische Strukturen erfordern. Derartige Moleküle werden Cofaktoren genannt. Sie können dauernd und kovalent an den Proteinanteil des Enzyms gebunden sein oder nicht kovalent und reversibel zusammen mit dem Substrat binden. Manche Enzyme enthalten anorganische Cofaktoren, beispielsweise Zink-, Eisen- oder Kupferionen. Organische Cofaktoren sind als Coenzyme bekannt. Die meisten Vitamine sind als Inhaltsstoffe unserer Nahrung unverzichtbar, weil sie entweder direkt als Coenzym oder als direkte Synthesevorstufe von Coenzymen dienen und der Mensch die Fähigkeit zu ihrer Synthese aus einfachen Vorläufermolekülen verloren hat. Cofaktoren sind in unterschiedlicher, aber stets entscheidender Weise am katalytischen Prozess beteiligt.

Enzyminhibitoren Bestimmte Stoffe hemmen selektiv die Wirkung bestimmter Enzyme. Aus dem Studium der Wirkungsweise dieser Hemmstoffe (Inhibitoren) hat man viel über die Funktionsweise von Enzymen gelernt. Man unterscheidet die reversible und die irreversible Hemmung. Letztere erfordert in der Regel die kovalente Bindung des Inhibitors an das Enzym.

Wenn die Bindung über schwächere, nicht kovalente Wechselwirkungen erfolgt, ist die Hemmung aufhebbar und nicht von Dauer. Einige reversible Inhibitoren ähneln dem Substrat und konkurrieren mit ihm um die Bindung an das aktive Zentrum (=» Abbildung 8.13 a, b). Solche kompetitiven Inhibitoren mindern die Produktivität eines Enzyms durch Blockade des aktiven Zentrums. Diese Art der Hemmung lässt sich durch Erhöhung der Substratkonzentration überwinden, da dann weitaus mehr Substratmoleküle in der Nähe eines soeben frei gewordenen, besetzbaren aktiven Zentrums sind, als Inhibitormoleküle.

Im Gegensatz dazu konkurrieren nicht kompetitive Inhibitoren nicht mit dem Substrat um die Bindung an das aktive Zentrum des Enzyms (Abbildung 8.13 c).

Sie verlangsamen enzymatische Reaktionen durch ihre Bindung an einen anderen Bereich des Proteins. Das veranlasst das Enzym und damit auch sein aktives Zentrum zu einer Konformationsänderung, so dass die Katalyse insgesamt weniger effizient verläuft.

Durch Organismen ausgeschiedene Toxine und andere Giftstoffe sind oft irreversible Enzyminhibitoren.

Die Darstellung von Enzyminhibitoren als Stoffwechselgifte könnte den Eindruck erwecken, die Enzymhemmung sei generell unnormal und schädlich. Tatsächlich reguliert jedoch eine Vielzahl stets vorhandener zellulärer Inhibitoren dauernd die Aktivitäten zahlreicher Enzyme. Steuerung durch selektive Hemmung ist von zentraler Bedeutung für die Kontrolle des Stoffwechsels, wie wir gleich sehen werden.