Lernziele
- Definieren oder beschreiben Sie Folgendes:
- Metabolismus
- katabolische Reaktion
- anabole Reaktion
- Enzym
- substrat
- Apoenzym
- Haloenzym
- Cofaktor (Coenzym)
- Geben Sie an, wie Enzyme die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen beschleunigen können.
- Beschreiben Sie kurz eine verallgemeinerte Enzym-Substrat-Reaktion, geben Sie die Funktion des aktiven Zentrums eines Enzyms an und beschreiben Sie, wie ein Enzym chemische Reaktionen beschleunigen kann.
- Geben Sie vier Eigenschaften von Enzymen an.
- Geben Sie an, wie die folgenden Faktoren die Geschwindigkeit einer Enzymreaktion beeinflussen.
- Enzymkonzentration
- Substratkonzentration
- Temperatur
- pH-Wert
- Salzkonzentration
- Geben Sie an, wie Chemikalien wie Chlor, Jod, Jodophore, Quecksilber und Ethylenoxid Bakterien hemmen oder abtöten.
- Geben Sie an, wie hohe und niedrige Temperaturen ihre Wirkung auf Bakterien ausüben.
Um zu leben, zu wachsen und sich zu vermehren, durchlaufen Mikroorganismen eine Vielzahl chemischer Veränderungen. Sie verändern Nährstoffe, damit sie in die Zelle gelangen können, und sie verändern sie, sobald sie eintreten, um Zellteile zu synthetisieren und Energie zu gewinnen. Metabolismus bezieht sich auf alle organisierten chemischen Reaktionen in einer Zelle. Reaktionen, bei denen chemische Verbindungen abgebaut werden, werden als katabole Reaktionen bezeichnet, während Reaktionen, bei denen chemische Verbindungen synthetisiert werden, als anabole Reaktionen bezeichnet werden. Alle diese Reaktionen stehen unter der Kontrolle von Enzymen.
Enzyme sind Substanzen, die in kleinen Mengen in der Zelle vorhanden sind und chemische Reaktionen beschleunigen oder katalysieren. Auf der Oberfläche des Enzyms befindet sich normalerweise ein kleiner Spalt, der als aktive Stelle oder katalytische Stelle fungiert, an die ein oder zwei spezifische Substrate binden können. (Alles, mit dem sich ein Enzym normalerweise verbindet, wird als Substrat bezeichnet.) Die Bindung des Substrats an das Enzym bewirkt, dass das flexible Enzym seine Form durch einen als induzierte Anpassung bezeichneten Prozess geringfügig ändert, um ein temporäres Zwischenprodukt zu bilden, das als Enzym-Substrat-Komplex bezeichnet wird (Abbildung \(\pageIndex{1}\)).
Enzyme beschleunigen chemische Reaktionen, weil sie die Aktivierungsenergie senken, die zugeführt werden muss, damit Moleküle miteinander reagieren können (Abbildung \(\pageIndex{2}\)). Enzyme senken die Aktivierungsenergie, indem sie einen Enzym-Substrat-Komplex bilden, der die Bildung und Freisetzung von Produkten der Enzymreaktion ermöglicht (Abbildung \(\pageIndex{3}\)).
Viele Enzyme benötigen einen Nicht-Protein-Cofaktor, um sie bei ihrer Reaktion zu unterstützen. In diesem Fall verbindet sich der Proteinanteil des Enzyms, der als Apoenzym bezeichnet wird, mit dem Cofaktor, um das gesamte Enzym oder Halogenenzym zu bilden (Abbildung \(\pageIndex{3} \)). Einige Cofaktoren sind Ionen wie Ca ++, Mg ++ und K+; andere Cofaktoren sind organische Moleküle, sogenannte Coenzyme, die als Träger für chemische Gruppen oder Elektronen dienen. NAD +, NADP +, FAD und Coenzym A (CoA) sind Beispiele für Coenzyme.
Eigenschaften von Enzymen
Chemisch sind Enzyme im Allgemeinen globuläre Proteine. (Einige RNA-Moleküle, die Ribozyme genannt werden, können auch Enzyme sein. Diese befinden sich normalerweise im Kernbereich von Zellen und katalysieren die Spaltung von RNA-Molekülen. Enzyme sind Katalysatoren, die komplexere chemische Verbindungen abbauen oder synthetisieren. Sie ermöglichen chemische Reaktionen, die schnell genug ablaufen, um das Leben zu unterstützen. Enzyme beschleunigen die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen, weil sie die Aktivierungsenergie senken, die Energie, die zugeführt werden muss, damit Moleküle miteinander reagieren können. Alles, mit dem sich ein Enzym normalerweise verbindet, wird als Substrat bezeichnet. Enzyme sind sehr effizient. Ein Enzym kann typischerweise zwischen 1 und 10.000 Moleküle Substrat pro Sekunde katalysieren. Enzyme sind nur in geringen Mengen in der Zelle vorhanden, da sie während ihrer Reaktionen nicht verändert werden. und sie sind sehr spezifisch für ihr Substrat. Im Allgemeinen gibt es für jede spezifische chemische Reaktion ein spezifisches Enzym.
Enzymaktivität
Die Enzymaktivität wird durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst, darunter:
- Die Konzentration des Enzyms: Unter der Annahme, dass eine ausreichende Substratkonzentration verfügbar ist, erhöht eine Erhöhung der Enzymkonzentration die Enzymreaktionsrate.
- Die Substratkonzentration: Bei konstanter Enzymkonzentration und bei niedrigeren Substratkonzentrationen ist die Substratkonzentration der limitierende Faktor. Mit zunehmender Substratkonzentration nimmt die Enzymreaktionsrate zu. Bei sehr hohen Substratkonzentrationen werden die Enzyme jedoch mit Substrat gesättigt und eine höhere Substratkonzentration erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit nicht.
- Die Temperatur: Jedes Enzym hat eine optimale Temperatur, bei der es am besten funktioniert. Eine höhere Temperatur führt im Allgemeinen zu einer Erhöhung der Enzymaktivität. Mit zunehmender Temperatur nimmt die molekulare Bewegung zu, was zu mehr molekularen Kollisionen führt. Wenn jedoch die Temperatur über einen bestimmten Punkt ansteigt, denaturiert die Hitze das Enzym, wodurch es seine dreidimensionale funktionelle Form verliert, indem es seine Wasserstoffbrückenbindungen denaturiert. Kalte Temperaturen hingegen verlangsamen die Enzymaktivität, indem sie die Molekularbewegung verringern.
- Der pH-Wert: Jedes Enzym hat einen optimalen pH-Wert, der dazu beiträgt, seine dreidimensionale Form beizubehalten. Änderungen im pH-Wert können Enzyme denaturieren, indem sie die Ladung des Enzyms verändern. Dies verändert die ionischen Bindungen des Enzyms, die zu seiner funktionellen Form beitragen.
- Die Salzkonzentration: Jedes Enzym hat eine optimale Salzkonzentration. Änderungen der Salzkonzentration können auch Enzyme denaturieren.
Einige Zusammenhänge zwischen bakteriellen Enzymen und der Verwendung von Desinfektionsmitteln und extremen Temperaturen zur Bekämpfung von Bakterien.
- Viele Desinfektionsmittel wie Chlor, Jod, Jodophore, Quecksilber, Silbernitrat, Formaldehyd und Ethylenoxid inaktivieren bakterielle Enzyme und blockieren so den Stoffwechsel.
- Hohe Temperaturen wie Autoklavieren, Kochen und Pasteurisieren denaturieren Proteine und Enzyme.
- Kalte Temperaturen wie Kühlen und Gefrieren verlangsamen oder stoppen Enzymreaktionen.
Zusammenfassung
- Enzyme sind Substanzen, die in kleinen Mengen in der Zelle vorhanden sind und chemische Reaktionen beschleunigen oder katalysieren, so dass sie schnell genug ablaufen, um das Leben zu unterstützen.
- Auf der Oberfläche des Enzyms befindet sich typischerweise ein kleiner Spalt, der als aktive Stelle oder katalytische Stelle fungiert, an die ein oder zwei spezifische Substrate binden können.
- Alles, womit sich ein Enzym normalerweise verbindet, wird Substrat genannt.
- Die Bindung des Substrats an das Enzym bewirkt, dass das flexible Enzym seine Form durch einen als induzierte Anpassung bezeichneten Prozess geringfügig ändert, um ein temporäres Zwischenprodukt zu bilden, das als Enzym-Substrat-Komplex bezeichnet wird.
- Enzyme beschleunigen chemische Reaktionen, weil sie die Aktivierungsenergie senken, die zugeführt werden muss, damit Moleküle miteinander reagieren können.
- Viele Enzyme benötigen einen Nicht-Protein-Cofaktor, um sie bei ihrer Reaktion zu unterstützen. In diesem Fall verbindet sich der Proteinanteil des Enzyms, der als Apoenzym bezeichnet wird, mit dem Cofaktor, um das gesamte Enzym oder Halogenenzym zu bilden.
- Einige Cofaktoren sind Ionen wie Ca ++, Mg ++ und K+; Andere Cofaktoren sind organische Moleküle, sogenannte Coenzyme, die als Träger für chemische Gruppen oder Elektronen dienen. NAD +, NADP +, FAD und Coenzym A (CoA) sind Beispiele für Coenzyme.
- Chemisch gesehen sind Enzyme im Allgemeinen globuläre Proteine. Einige RNA-Moleküle, die Ribozyme genannt werden, können auch Enzyme sein, die normalerweise dazu dienen, RNA-Moleküle zu spalten.
- Enzyme sind nur in geringen Mengen in der Zelle vorhanden, da sie während ihrer Reaktionen nicht verändert werden und sehr spezifisch für ihr Substrat sind.
- Die Enzymaktivität wird durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst, darunter die Konzentration des Enzyms, die Konzentration des Substrats, die Temperatur, der pH-Wert und die Salzkonzentration.
Mitwirkende und Zuschreibungen
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Dr. Gary Kaiser (COMMUNITY COLLEGE VON BALTIMORE COUNTY, CATONSVILLE CAMPUS)