Damit verschiedene Moleküle miteinander reagieren können, wird eine sogenannte “Aktivierungsenergie” benötigt. Je höher die Temperatur eines Systems ist um so höher ist die daraus resultierende Aktivierungenergie. Erkläre diesen allgemeinen Zusammenhang.
Je schneller sich Moleküle bewegen, umso häufiger kommt es zu Zusammenstößen (==>Kollisionen) zwischen ihnen. Bei jeder Kollision von Molekülen kann es zu einer Reaktion dieser Moleküle miteinander kommen.
Was bedeutet „Enzym“ in der Biologie?
Enzyme sind Proteine, die als Biokatalysatoren fungieren und chemische Reaktionen in lebenden Organismen beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen.
Interessanter Hinweis:
Manche Enzyme können die Reaktionsgeschwindigkeit bis zu 1.000.000.000.000-fach steigern. (==>In Bezug auf die normale unkatalysierte Reaktion!) Dies ist wie das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vergleich zur Kriech-Geschwindigkeit eines Regenwurms!
Betrachte die folgende Abbildung zur Aktivierungsenergie.
Beziehe nun das Konzept der Aktivierungsenergie in deine Erkärung einer enzymatischen Reaktion mit ein, um zu erklären, wie diese Aktivierungsenergie durch Enzyme gesenkt werden kann.
Je schneller sich Moleküle bewegen, umso häufiger kommt es zu Zusammenstößen (==>Kollisionen) zwischen ihnen. Bei jeder Kollision eines Substratmoleküls mit dem aktiven Zentrum kann es zu einer katalytischen Reaktion (==>Enzymaktivität!) kommen. Da die Strukturen beider (genau) ineinander passen, kommt es bei einer Kollision deutlich schneller zu einer Reaktion.
Skizziere ein Enzym, das ein Substrat katalysiert.
Wie funktioniert diese Reaktion von Enzymen mit Substraten?
Enzyme regulieren den Stoffwechsel, indem sie Substrate an ihrem aktiven Zentrum binden. Diese Bindung erfolgt spezifisch und ermöglicht die Kontrolle (==>Regulation) über Stoffwechselprozesse in Zellen.
Was ermöglichen Enzyme?
Sie ermöglichen und regulieren spezifische biochemische Reaktionen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden.
(Enzyme sind für praktisch alle Stoffwechselprozesse in Zellen entscheidend und spielen eine zentrale Rolle in biologischen Funktionen wie der Verdauung, dem Zellwachstum und der Energiegewinnung.)
Bei der Enzymreaktion finden wir ein grundlegendes Prinzip der Biologie wieder. Nenne dieses Prinzip und erläutere kurz worum es sich handelt.
Schlüssel-Schloss-Prinzip
Die 3-dimensionale Struktur des Substrates und des Enzyms passen zusammen, wie ein Schlüssel, den man in ein Schloss schiebt. Es gibt nur wenige (ähnlich gebaute) oder nur ein Substrat, welches daher mit dem Enzym an dessen aktiven Zentrum binden und eine Reaktion (=Enzymreaktion) durchführen kann.
Eine Erweiterung des Schlüssel-Schloss-Prinzips ist das induced-fit-Modell.
(Modell der “induzierten Anpassung”). Dieses ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Erkläre den grundlegenden Unterschied!
Betrachtet man die molekularen Strukturen, sowohl des aktiven Zentrums (Enzym) als auch des Substrats, stellt man fest, dass es zu einer „induzierten Anpassung“ kommt. Dabei verändern sowohl das aktive Zentrum als auch das Substrat ihre Struktur, sodass beide Wechselwirkungen realisieren können.
Damit Wechselwirkungen zwischen aktivem Zentrum und Substrat ablaufen können, müssen beide 3D-Strukturen miteinander kompatibel sein. Dies führt zur SUBSTRATSPEZIFITÄT. Was ist damit gemeint?
Ein Enzym kann ein oder mehrere spezifische Substrate katalysieren, aber keine anderen. Das heißt also, dass das aktive Zentrum so geformt ist, dass nur ein ganz bestimmtes Substrat (oder einige wenige) hier binden kann. Andere Substrate, die eine nicht passende Struktur haben, können nicht binden!
Erweiterung der Vorstellung der Substratspezifität:
In der hier gezeigten Abbildung sieht man, dass das aktive Zentrum bei Enzymen durch zu hohe Temperaturen verändert wird (Denaturierung). Da die Struktur nun nicht mehr zum Substrat passt, kann also auch hier keine Bindung und somit keine Reaktion stattfinden.
Erläutere Substratspezifität kurz!
Nur ein oder wenige Substrate können mit dem aktiven Zentrum des Enzyms eine Bindung eingehen, das heißt, das Enzym ist so gebaut, dass die Struktur nur zu einem oder wenigen anderen Strukturen so genau passt, dass hier am aktiven Zentrum eine Bindung eingegangen werden kann und somit eine enzymatische Reaktion (Bio-Katalyse) stattfinden kann.
Erläutere Wirkungspezifität kurz!
Jedes Enzym kann nur eine spezifische Reaktion katalysieren.
(Dabei kann jede Enzym-Reaktion in beide Richtungen verlaufen: z.B. Glukose+Fructose==> Saccharose aber eben auch von Saccharose ==> Glukose+Fructose!)
Nenne die wichtigsten Keywords (5 Schlüsselbegriffe) zum bisher behandelten Stoff!
Aktivierungsenergie, Schlüssel-Schloss-Prinzip, aktives Zentrum, Substratspezifität, Wirkungsspezifität.
Weitere wichtige Begriffe sind:
Struktur (3D-Struktur), Substrat(e), Produkt(e), Bindung, Katalyse, Katalysator
Was versteht man unter "aktivem Zentrum"?
Das aktive Zentrum ist die Stelle, an der das Substrat (oder die Substrate) an das Enzym binden und so eine enzymatische Reaktion ermöglichen.
Erläutere, wodurch Enzyme in der Lage sind, Stoffwechselprozesse in Organismen grundlegend zu regulieren.
Enzyme senken die Aktivierungsenergie, so laufen nur die Reaktionen bei Körpertemperatur ab, welche durch Enzym katalysiert werden.
Was versteht man unter Aktivierungsenergie?
Wie heißt die Stelle, an welcher Substrat/e und Enzym eine Bindung eingehen können, damit Substrat katalysiert werden kann?
Beschreibe die hier abgebildete Reaktion mit eigenen Worten. Verwende die Keywords: Struktur, Enzym, Bindung, Substrate, Produkt, Aktivierungsenergie, Schlüssel-Schloss-Prinzip, aktives Zentrum, Substratspezifität, Wirkungsspezifität.
Die beiden Substrate Fructose und Glukose sind so gebaut, dass ihre Strukturen genau in das aktive Zentrum des Enzyms passen. Dies entspricht dem Schlüssel-Schloss-Prinzip.
Dies zeigt, dass ein Enzym nur ein oder wenige Substrate binden kann, dies nennt man auch Substratspezifität.
Dadurch kann es hier zu einer Reaktion kommen. So ist ein Enzym in der Lage, die für eine Reaktion notwendige Aktivierungsenergie zu senken.
Das bei der Reaktion entstehende Produkt ist Saccharose (ein Zweifachzucker). Das Enzym kann aber nur diese Reaktion katalysieren und keine anderen, dies nennt man Wirkungspezifität der Enzyme.
Schau dir das folgende Video an:
https://youtu.be/AioSfzp-XoA
Stoffwechselwege besitzen folgende Merkmale:
Alle Reaktionen werden durch —————- katalysiert.
Sie laufen intra- oder extra_____________ ab.
Stoffwechselvorgänge sind entweder aufbauend (___________________) oder abbauend (___________________).
Sie erzeugen ___________________.
Sie sind zyklisch oder ___________________.
Sie können ___________________werden (z.B.Hemmung).
Alle Reaktionen werden durch Enzyme katalysiert.
Sie laufen intra- oder extrazellulär ab.
Stoffwechselvorgänge sind entweder aufbauend (anabolisch) oder abbauend (katabolisch).
Sie erzeugen Wärme.
Sie sind zyklisch oder linear.
Sie können gesteuert/reguliert werden (z.B.Hemmung).
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