Kursarbeit am 05.05.25

Enzymatik

Enzyme und Wirkungsweise

Enzyme sind Biokatalysatoren, die biochemische Reaktionen beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen. Sie sind hochspezifisch für ihre Substrate und wirken nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Das aktive Zentrum des Enzyms bindet das Substrat, wodurch ein Enzym-Substrat-Komplex entsteht. Diese Bindung induziert Veränderungen im Enzym, wodurch die Reaktion begünstigt wird. Nach der Reaktion wird das Produkt freigesetzt, und das Enzym steht für weitere Reaktionen zur Verfügung.

Reaktionsverlauf

Enzymatische Reaktionen lassen sich durch die Michaelis-Menten-Kinetik beschreiben. Die Reaktionsgeschwindigkeit $v$ hängt von der Substratkonzentration $[S]$ ab. Die Michaelis-Menten-Gleichung lautet:

$v = \frac{V<em>{max} [S]}{K</em>M + [S]}$

• $V_{max}$ ist die maximale Reaktionsgeschwindigkeit, die erreicht wird, wenn das Enzym vollständig mit Substrat gesättigt ist.

• $K<em>M$ ist die Michaelis-Menten-Konstante, die die Substratkonzentration angibt, bei der die Reaktionsgeschwindigkeit halbmaximal ist. Ein niedrigerer $K</em>M$-Wert deutet auf eine höhere Affinität des Enzyms zum Substrat hin.

Kompetitive und Allosterische Hemmung

Kompetitive Hemmung

Ein inhibitor Molekül konkurriert mit dem Substrat um die Bindungsstelle am aktiven Zentrum des Enzyms. Durch Erhöhung der Substratkonzentration kann die Wirkung des kompetitiven Inhibitors reduziert werden, da das Substrat den Inhibitor vom aktiven Zentrum verdrängen kann. $V<em>{max}$ bleibt unverändert, aber $K</em>M$ erhöht sich.

Allosterische Hemmung

Ein Inhibitor bindet an eine andere Stelle (allosterische Stelle) des Enzyms, was eine Konformationsänderung bewirkt und die Aktivität des Enzyms reduziert. Diese Hemmung kann nicht durch Erhöhung der Substratkonzentration aufgehoben werden. Sowohl $V<em>{max}$ als auch $K</em>M$ können beeinflusst werden, abhängig vom spezifischen Enzym und Inhibitor.

Beeinflussung der Enzymreaktion

Temperatur

Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt mit zunehmender Temperatur, bis ein Optimum erreicht ist. Darüber hinaus führt die Hitze zur Denaturierung des Enzyms, wodurch es seine katalytische Aktivität verliert.

pH-Wert

Jedes Enzym hat einen optimalen pH-Wert, bei dem es am effektivsten arbeitet. Abweichungen vom optimalen pH-Wert können die Ionisierung von Aminosäureresten im aktiven Zentrum beeinflussen und somit die Substratbindung und Katalyse beeinträchtigen.

Substratkonzentration

Bei niedrigen Substratkonzentrationen steigt die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zur Substratkonzentration. Bei hohen Substratkonzentrationen nähert sich die Reaktionsgeschwindigkeit $V_{max}$, da alle aktiven Zentren der Enzyme gesättigt sind.

Hemmstoffe und Aktivatoren

Hemmstoffe reduzieren die Aktivität von Enzymen, während Aktivatoren sie erhöhen. Hemmstoffe können kompetitiv oder allosterisch wirken, während Aktivatoren oft die Konformation des Enzyms so verändern, dass die Substratbindung erleichtert oder die katalytische Aktivität gesteigert wird.

Sauerstofftransport und Energiehaushalt

Hämoglobin, O2-Partialdruck und Sättigungskurven

Hämoglobin ist ein Protein in roten Blutkörperchen, das Sauerstoff bindet und transportiert. Die Sauerstoffbindung an Hämoglobin ist kooperativ, d.h., die Bindung eines Sauerstoffmoleküls erhöht die Affinität für weitere Sauerstoffmoleküle. Die Sauerstoffsättigung von Hämoglobin hängt vom Sauerstoffpartialdruck ($pO<em>2$) ab. Die Sauerstoffbindungskurve ist sigmoidal. Ein erhöhter $CO</em>2$-Partialdruck, niedriger pH-Wert oder erhöhte Temperatur verschieben die Kurve nach rechts (Bohr-Effekt), was die Sauerstoffabgabe im Gewebe erleichtert.

Energiehaushalt

1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik

• 1. Hauptsatz (Energieerhaltung): Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden.

• 2. Hauptsatz (Entropie): In einem abgeschlossenen System nimmt die Entropie (Unordnung) immer zu. Reaktionen laufen freiwillig nur dann ab, wenn die Entropie zunimmt.

Enthalpie, Entropie und Freie Energie

• Enthalpie (H): Maß für die Wärmeenergie eines Systems bei konstantem Druck.

• Entropie (S): Maß für die Unordnung eines Systems.

• Freie Energie (G): Maß für die Energie, die für die Verrichtung von Arbeit zur Verfügung steht. Die Änderung der freien Energie ($\Delta G$) bestimmt, ob eine Reaktion freiwillig abläuft:

$\Delta G = \Delta H - T \Delta S$

Exergonisch und Endergonisch

• Exergonische Reaktionen: setzen Energie frei (\Delta G < 0) und laufen freiwillig ab.

• Endergonische Reaktionen: benötigen Energiezufuhr (\Delta G > 0) und laufen nicht freiwillig ab.

ATP als Universelle Energiewährung

ATP (Adenosintriphosphat) ist ein Nukleotid, das als Hauptenergieträger in Zellen dient. Die Hydrolyse von ATP zu ADP (Adenosindiphosphat) und anorganischem Phosphat setzt Energie frei, die für endergonische Reaktionen genutzt werden kann. Der ständige Auf- und Abbau von ATP ermöglicht die Kopplung von exergonischen und endergonischen Reaktionen.

Berechnung des Respiratorischen Quotienten (RQ)

Der Respiratorische Quotient (RQ) ist das Verhältnis von produziertem $CO<em>2$ zu verbrauchtem $O</em>2$:

$RQ = \frac{CO<em>2 \ produzierte}{O</em>2 \ verbraucht}$

Der RQ gibt Hinweise auf den Stoffwechselzustand und die Art der verbrannten Nährstoffe. Für Kohlenhydrate ist RQ = 1, für Fette RQ ≈ 0.7, und für Proteine RQ ≈ 0.8.

Kalorienwert (kÄ) und Energieverbrauch

Der Kalorienwert (kÄ) gibt die Energiemenge an, die bei der Verbrennung eines Stoffes freigesetzt wird. Der Energieverbrauch des Körpers hängt von verschiedenen Faktoren wie Alter, Geschlecht, Aktivitätsniveau und Körperzusammensetzung ab. Er wird in Kilokalorien (kcal) oder Kilojoule (kJ) gemessen.

Brennwert

Der Brennwert ist die Wärmemenge, die bei der vollständigen Verbrennung eines Stoffes freigesetzt wird. Er wird üblicherweise in kJ/g oder kcal/g angegeben.

Versuche zur Aufklärung des Ortes der Zellatmung

Überblick über die Zellatmung: Die Zellatmung ist ein Prozess, bei dem organische Moleküle abgebaut werden, um Energie in Form von ATP zu gewinnen. Die Zellatmung umfasst mehrere Schritte: Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Citratzyklus und Atmungskette mit oxidativer Phosphorylierung. Die Glykolyse findet im Cytosol statt, während die restlichen Schritte in den Mitochondrien ablaufen. Die oxidative Phosphorylierung, bei der der Großteil des ATP produziert wird, findet an der inneren Mitochondrienmembran statt.