1.6 Molekularbewegung und Kollisionen

Links: Enzym immobilisiert in der Membran (integrales Protein)

Ein integrales Protein ist ein Enzym, das fest in der Membran verankert ist. Solche Proteine durchdringen die Membran vollständig oder sind stark in sie eingebettet. Sie sind so positioniert, dass sie ihre katalytische Aktivität direkt an der Membranoberfläche ausüben können. Diese Art der Anordnung kann effizient sein, da das Enzym stabilisiert wird und möglicherweise in der Lage ist, Substrate in unmittelbarer Nähe der Membran leicht zu binden und umzusetzen.

Rechts: Substrat immobilisiert (in der Membran verankert)

Das Substrat hingegen ist auf der rechten Seite der Abbildung in der Membran verankert. Dies bedeutet, dass das Substrat nicht frei in der Lösung diffundieren kann, sondern fest an die Membran gebunden ist.

Der wesentliche Unterschied in der Abbildung besteht darin, welches der Moleküle – das Enzym oder das Substrat – immobilisiert ist. Im linken Szenario ist das Enzym immobilisiert, während im rechten Szenario das Substrat immobilisiert ist. Dies bedeutet, dass die Dynamik und der Zugang zu diesen Molekülen unterschiedlich sind.

Die Geschwindigkeit der Molekülbewegung wird direkt durch die Temperatur beeinflusst. Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Moleküle, was zu häufigeren Kollisionen führt.

Je höher die Temperatur ist um so schneller bewegen sich die Moleküle. Je schneller sich Moleküle bewegen, umso häufiger kommt es zu Zusammenstößen (=>Kollisionen) zwischen ihnen. Bei jeder Kollision eines Substratmoleküls mit dem aktiven Zentrum des Enzyms kann es zu einer katalytischen Reaktion (=>Enzymaktivität!) kommen.

Wenn das Substrat in der Membran verankert ist, während das Enzym in der Lösung frei beweglich bleibt, können verschiedene Vorteile hervorgehoben werden:

1. Erhöhte lokale Konzentration:

   • Die Verankerung des Substrats in der Membran kann bestimmte Substrate in einer begrenzten Region konzentrieren. Dies erleichtert es dem frei beweglichen Enzym, das Substrat zu finden und zu binden, was die Effizienz der Reaktion erhöhen kann.

2. Regulierte Zugänglichkeit:

   • Ein immobilisiertes Substrat kann die Zugänglichkeit kontrollieren, sodass nur spezifische Enzyme mit dem Substrat reagieren können. Dies könnte verhindern, dass unerwünschte Reaktionen stattfinden, indem das Substrat für bestimmte mobile Enzyme reserviert bleibt.

3. Stabilität des Substrats:

   • Ein in der Membran verankertes Substrat ist möglicherweise stabiler und weniger anfällig für Degradation durch andere Moleküle oder Enzyme in der Umgebung. Das immobilisierte Substrat könnte so vor vorzeitiger Abbaureaktion geschützt werden.

4. Räumliche Organisation:

   • In Zellen und Organellen sorgt die Verankerung von Substraten in der Membran für eine räumliche Organisation biochemischer Prozesse. So können Reaktionswege effizienter ablaufen, da das Substrat fest an einem Ort gebunden ist und nicht durch die Zelle diffundieren muss.

5. Spezifität und Kontrolle:

   • Membranen spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation und Spezifität von Enzymreaktionen. Ein immobilisiertes Substrat gewährleistet, dass das Enzym nur an bestimmten Membranorten aktiv werden kann, was eine präzisere Kontrolle über die biochemischen Reaktionen bietet.

6. Multienzym-Komplexe:

   • In einigen Fällen könnten Multienzym-Komplexe auf oder in der Nähe von Membranen organisiert sein. Ein Substrat in der Membran könnte somit effizienter von einem Enzym zum nächsten weitergegeben werden, was den gesamten Stoffwechselweg beschleunigt.

Zusammengefasst: Die Verankerung eines Substrats in der Membran, während das Enzym in der Lösung beweglich bleibt, bietet Vorteile wie erhöhte lokale Konzentration, stabilere Substrat-Struktur, gezielte Reaktionswege, und erhöhte Effizienz der Enzymkatalyse durch räumliche Organisation und gesteuerte Zugänglichkeit.