Enzyme. 1. Stonewashed Jeans, Waschmittel, Gallseife. 2. Enzyme in Waschmitteln

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1 Enzyme 1. Stonewashed Jeans, Waschmittel, Gallseife Obwohl die«produkte den meisten Menschen bekannt sind, wissen die wenigsten. dass bei deren Herstellung Enzyme eine wichtige Rolle spielen. Enzyme sind Proteine, die als Katalysatoren wirken. Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen, ohne dabei selbst verbraucht oder verändert zu werden. Man entdeckte, dass sie fast alle chemischen Reaktionen in lebenden Zellen steuern, Enzyme bauen Substanzen sogenannte Substrate auf,um oder ab. Sie sind die eigentlichen Akteure bei den Stoffwechselvorgängen. Sie ermöglichen z. B.: die Zerlegung von Kohlenhydraten in Einfach- und Zweifachzucker und sind beteiligt an der Bildung der Blutgerinnungsstoffe. Im Inneren jeder Zelle laufen Tausende enzymatisch gesteuerte Reaktionen gleichzeitig ab. Daher sind Enzyme meist extrem substratspezifisch - sie erkennen und verarbeiten oft nur einen einzigen Stoff. Viele Enzyme tragen Bezeichnungen mit der Endung ase". Manche Enzyme wurden vom Menschen schon früh unwissentlich zur Herstellung von Produkten genutzt So dient Lab., ein Gemisch aus Enzymen, das aus Labkraut oder dem Magen von Kälbern gewonnen wird, seit langem der Herstellung von Käse. Cellulasen werden etwa bei der Herstellung von stonewashed Jeans verwendet, wobei sie in den Baumwollfasern beim Waschen gezielt winzige Risse erzeugen. Die Wirkung des alten Hausmittels Gallseife beruht in erster Linie auf Enzymen. Gallseife wird aus der Leber von Rindern und Schweinen gewonnen und enthält Enzyme, die bei der Verdauung eine Rolle spielen, aber eben auch zum Abbau von Flecken auf Textilien geeignet sind. Enzyme, die heute in der Industrie eingesetzt werden, sind meist von -gentechnisch veränderten Mikroorganismen produziert. 2. Enzyme in Waschmitteln Enzymtyp Abbau von Beispiele Amylase Stärke Stärke, Kakao Protease Eiweiß Eiweiß, Eigelb, Blut Lipase Fett Fett (Butter, Öl) Cellulase Cellulose Feinste Fasern 3. Worterklärungen Enzym = Protein, das Stoffwechselvorgänge ermöglicht und beschleunigt zyme (griech.) = Sauerteig en (griech.) = hinein, innerhalb, an Katalysator = Stoff, der eine Reaktion beschleunigt, ohne selbst verbraucht zu werden katalysis (griech.) = Auf- oder Auslösung Substrat = von einem Enzym umzusetzender Stoff, z. ß. Stärke substratus (lat.) = untergelegt 1/5

2 Echtes Labkraut Aus dem Labkraut gewann man früher das Lab- Ferment, ein Gemisch aus Enzymen, das zur Ausfüllung des Milcheiweißes bei der Herstellung von Käse verwendet wurde, Fermentation = Fermentierung = Ab- und Umbau organischer Moleküle durch Mikroorganismen, um bestimmte Produkte zu erzeugen fermentare (lat.) = gären Ferment = Stoff, der der Fermentation dient 4. Enzymwirkung Enzyme setzen die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion herab. Zum Starten einer chemischen Reaktion ist ein bestimmter Energiebetrag, die Aktivierungsenergie, notwendig. Sie stellt eine Art Energiebarriere dar. Ohne diese Energiebarriere würden viele Reaktionen schon bei Zimmertemperatur spontan ablaufen. Streichhölzer würden sich von selbst entzünden, Traubenzucker würde sich von selbst in unseren Zellen in Kohlenstoffdioxid und Wasser umwandeln. Enzyme senken die Aktivierungsenergie so, dass Reaktionen auch bei Körpertemperatur starten können. Es entstehen Produkte mit neuen Bindungen. Die Produkte verlassen das Enzym, das bei der Reaktion nicht verändert wird und sofort wieder für ein neues Substrat zur Verfügung steht. Tausende Moleküle pro Sekunde - dieser Zyklus verläuft meist so unglaublich schnell, dass ein Enzymmolekül tausend (oft noch viel mehr) Substratmoleküle pro Sekunde umwandeln kann. Selbst eine geringe Menge eines Enzyms kann daher eine große Substratmenge umsetzen. Grafik: Herabsetzen der Aktivierungsenergie: Der Hügel stellt die benötigte Menge an Aktivierungsenergie dar. Um diese Energiebarriere zu überwinden, bohren die Enzyme einen Tunnel durch den Hügel, sodass eine weitaus geringere Energiemenge notwendig ist. So kann die Reaktion schneller ablaufen. Z.B.: wird B von A auf C übertragen. 2/5

3 5. Stoffwechselmotoren und Schlüssel-Schloss Prinzip Welche chemischen Reaktionen zu welchem Zeitpunkt in einer Zelle durchgeführt werden, hängt vom Vorhandensein oder Fehlen von Enzymen ab. Jede Organismenart hat unterschiedliche Enzyme. Enzyme beschleunigen chemische Reaktionen um den Faktor bis Dadurch laufen unzählige Reaktionen im Tausendstel-Sekunden-Bereich ab. Beim Menschen sind ca Enzyme bekannt, die praktisch alle chemischen Veränderungen in den Zellen durchführen und verschiedene Vorgänge in unserem Körper ermöglichen, wie z.b.: Verdauung der Nährstoffe Blutgerinnung Verdoppelung der DNA Bildung von Proteinen Glucoseabbau zur Energiegewinnung Sehvorgang in der Netzhaut Der spezielle Aufbau von Enzymen ermöglicht ihre gezielte Funktion: Fast alle bestehen aus einem dreidimensionalen Proteingerüst, sie haben ein aktives Zentrum zur Bindung des Substrates nach dem Schlüssel-Schloss- Prinzip, sie können auch noch andere chemische Gruppen, sogenannte Cofaktoren (nicht proteinartiger Anteil des Enzyms), binden. 6. Katalysezyklus von Enzymen Enzym und Substrat Enzym-Substrat-Komplex: Hier Stärkemolekül passt genau in das aktive Zentrum des Enzyms = Schlüssel-Schloss Prinzip Substrat wird in Produkte umgesetzt Produkte: Hier 2 Malzzuckermoleküle verlassen das Enzym 7. Substrat, Temperatur und ph-wert Substratabhängigkeit: Ein bestimmtes Enzym wirkt nur bei einem bestimmten Substrat, weil das aktive Zentrum des Enzyms mit dem Substrat zusammenpassen muss wie Schloss und Schlüssel. Enzyme wirken daher substratspezifisch. Lipase kann z. B. Fett, aber kein Protein zerlegen. Enzyme haben eine Wirkungsspezifität weil ein Enzym nur eine bestimmte Reaktion katalysieren kann. So kann Lipase z. B. Fett in Fettsäuren und Glycerol zerlegen, aber nicht Fett in einen anderen Stoff umbauen. 3/5

4 Temperaturabhängigkeit: Für die Enzymaktivität gibt es ein Temperaturoptimum, bei dem die Reaktionsgeschwindigkeit am höchsten ist. Dieses Optimum liegt für die Enzyme beim Menschen im Bereich der Körpertemperatur. Zu hohes Fieber (über 42 C) kann deshalb tödlich sein, weil bei diesen Temperaturen wichtige Enzyme nicht mehr arbeiten können, da ihr räumlicher Bau zerstört wird. Bei manchen Bakterien in heißen Quellen liegt das Temperaturoptimum der Enzyme dagegen bei mehr als 70 C. Diese bakteriellen Enzyme werden z, B. in Waschmitteln eingesetzt, um Nahrungsmittelflecken beim Waschen zu verdauen". Temperaturoptima verschiedener Enzyme: ph- Wert Der ph-wert der Umgebung beeinflusst die Aktivität eines Enzyms; für viele Enzyme liegt dieser Wert zwischen 6 und 8. Anders ist das bei manchen Verdauungsenzymen, Der Magensaft enthält Pepsin. Kommt proteinreiche Nahrung in den Magen, werden die Proteine in kleinere Bruchstücke gespalten - vom Pepsin unter Mithilfe der Salzsäure. Ähnlich dem Pepsin wirkt das Trypsin, das ebenfalls Proteine spaltet - aber bei einem leicht basischen ph-wert. Trypsin ist im Saft der Bauchspeicheldrüse enthalten. Die Amylase im Mundspeichel zerlegt Stärke in Zucker. Aufgabe: 1. Ordnen Sie den der Kurven die passenden Enzyme zu und beschriften Sie die Achsen. 2. Begründen Sie, warum im Magen keine Stärke verdaut wird. 3. Der optimale ph-wert von Pepsin liegt bei 4. Die Amylase arbeitet vor allem im (sauren, basischen, neutralen) Bereich. 4/5

5 8. Cofaktoren helfen beim Funktionieren bestimmter Enzyme Dabei kann es sich um Metallatome oder -ionen handeln oder kleine organische Moleküle* Vitamine sind z. B, solche Cofaktoren. Sie bewirken die Reaktion eines Enzyms mit einem Substrat durch Übertragung von chemischen Gruppen, Protonen oder Elektronen. Im Gegensatz zu Enzymen werden sie dabei kurzfristig verändert, nach der Reaktion aber wieder in den ursprünglichen Zustand überführt Aufgaben 1. Beschreiben Sie Aufbau, Bedeutung, Funktion und Wirkungsweise von Enzymen 2. Nennen Sie Erkrankungen, die durch mangelhafte oder fehlende Enzyme verursacht werden. 3. Bedeutung von Enzymen in der Medizin, bei der Herstellung von Nahrungsmitteln und anderen Konsumgütern 4. Untersuchen und interpretieren Sie die unterschiedliche Enzymaktivität in Abhängigkeit vom Substrat, dem ph-wert, der Temperatur und Cofaktoren. 5/5