Enzyme sind Biokatalysatoren: Sie beschleunigen chemische Reaktionen in Lebewesen und werden dabei nicht verbraucht. Jedes Enzym passt nur zu seinem Substrat, wie ein Schlüssel zu seinem Schloss.
Das musst du wissen
Enzyme sind Biokatalysatoren: Sie beschleunigen Reaktionen in Lebewesen, ohne verbraucht zu werden. Jedes Enzym setzt nur den Stoff um, der in seine Tasche passt. Temperatur, pH-Wert und Hemmstoffe verändern seine Wirkung.
Ein Katalysator beschleunigt eine Reaktion und liegt am Ende unverändert vor. Enzyme sind die Katalysatoren der Lebewesen.
Sie senken die Aktivierungsenergie, also die Energie, die eine Reaktion zum Starten braucht. Die Energiebilanz ändern sie nicht. Da ein Enzym danach wieder frei ist, genügen kleine Mengen.
MerkeEnzyme senken die Aktivierungsenergie und beschleunigen so eine Reaktion. Sie werden dabei nicht verbraucht.
Die meisten Enzyme sind Proteine (Eiweisse): lange Ketten aus Aminosäuren, gefaltet zu einer festen räumlichen Form.
Darin liegt eine Tasche, das aktive Zentrum. Dort bindet der Stoff, den das Enzym umsetzt, das Substrat. Viele Enzyme heissen nach ihrem Substrat und enden auf «-ase»: Lactase spaltet Lactose.
Nur ein Substrat mit passender Form passt ins aktive Zentrum, wie ein Schlüssel in sein Schloss.
Es bindet, und es entsteht der Enzym-Substrat-Komplex. Darin wird das Substrat umgebaut, dann lösen sich die Produkte.
Genauer: Das aktive Zentrum schliesst sich erst beim Binden eng um das Substrat (induced fit).
MerkeEnzym + Substrat → Enzym-Substrat-Komplex → Enzym + Produkte
Substratspezifität: Ein Enzym setzt nur sein Substrat um oder wenige, sehr ähnliche Stoffe. Lactase spaltet Milchzucker, aber keinen Haushaltszucker.
Wirkungsspezifität: Ein Enzym führt mit seinem Substrat nur eine bestimmte Reaktion aus, zum Beispiel spalten statt anbauen.
Wärmere Teilchen treffen öfter aufeinander. Faustregel: Pro 10 °C mehr läuft die Reaktion zwei- bis dreimal so schnell (RGT-Regel, Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel).
Das gilt bis zum Temperaturoptimum, beim Menschen um 37 °C. Darüber verliert das Protein seine Form, das aktive Zentrum ist zerstört: Denaturierung. Kälte bremst Enzyme nur.
MerkeZu kalt: Das Enzym arbeitet langsam. Zu heiss: Es denaturiert und arbeitet gar nicht mehr.
Säure und Lauge verändern die Ladungen im Protein und damit die Form des aktiven Zentrums. Jedes Enzym hat darum ein pH-Optimum.
Pepsin im sauren Magen arbeitet am besten um pH 2, die Amylase im Speichel um pH 7, Trypsin im Dünndarm um pH 8. Weit weg vom Optimum denaturiert das Enzym.
Sättigung: Mehr Substrat beschleunigt, bis alle Enzyme besetzt sind.
Kompetitive Hemmung: Ein Hemmstoff, der dem Substrat ähnelt, besetzt das aktive Zentrum. Viel Substrat verdrängt ihn.
Nicht-kompetitive Hemmung: Der Hemmstoff bindet anderswo, meist an einer allosterischen Stelle, und verformt das aktive Zentrum. Mehr Substrat hilft nicht.
Viele Enzyme brauchen ein kleines Hilfsmolekül, das kein Protein ist, ein Coenzym. Es nimmt zum Beispiel Elektronen oder Atomgruppen auf und gibt sie anderswo ab.
Viele Coenzyme baut der Körper aus Vitaminen auf. Ein Beispiel ist NAD⁺ aus der .
✕Ein Enzym wird bei der Reaktion verbraucht, wie ein Ausgangsstoff.
✓Das Enzym liegt nach der Reaktion unverändert vor und setzt sofort das nächste Substrat um. Verbraucht wird nur das Substrat.
✕Je heisser, desto schneller arbeitet ein Enzym.
✓Nur bis zum Temperaturoptimum. Darüber denaturiert das Protein, das aktive Zentrum verliert seine Form und die Reaktion bricht ein.
✕Im Kühlschrank werden Enzyme zerstört.
✓Kälte bremst Enzyme nur. Wird es wieder warm, arbeiten sie weiter. Zerstört werden sie durch Hitze, starke Säure oder Lauge.
✕Enzyme liefern die Energie für eine Reaktion.
✓Enzyme liefern keine Energie. Sie senken nur die Aktivierungsenergie, also die Hürde am Anfang.
Noch unsicher? Zuerst lernen:Zelle: Aufbau und Zellorganellen
So geht's
Leandro aus Luzern kaut in der Znünipause ein Stück Brot sehr lange, ohne es zu schlucken. Nach etwa einer Minute schmeckt es leicht süss. Erkläre, was in seinem Mund passiert.
Die Amylase im Speichel spaltet die Stärke des Brots in Malzzucker. Den schmeckt Leandro als süss.
In der Biologiestunde in Aarau gibt Selin rohe Kartoffelstücke in ein Reagenzglas mit 3-prozentiger Wasserstoffperoxid-Lösung. Sofort steigt Schaum auf. Mit gekochten Kartoffelstücken passiert fast nichts. Welches Gas entsteht, und warum wirkt die gekochte Kartoffel nicht?
Es entsteht Sauerstoff, weil die Katalase der rohen Kartoffel das Wasserstoffperoxid spaltet. In der gekochten Kartoffel ist die Katalase denaturiert und wirkt nicht mehr.
Familie Gerber aus Thun macht ein Dessert mit Gelatine. Mit frischen Ananasstücken wird es nicht fest, mit Ananas aus der Dose klappt es. Erkläre den Unterschied.
Ein Enzym aus frischer Ananas spaltet die Proteine der Gelatine. In der Dosenananas ist es durch Erhitzen denaturiert, darum wird das Dessert fest.
In einem Versuch misst eine Klasse, wie schnell ein Enzym bei steigender Substratmenge arbeitet. Ohne Hemmstoff steigt die Geschwindigkeit an und erreicht dann einen Höchstwert. Mit Hemmstoff A ist sie bei wenig Substrat kleiner, erreicht bei sehr viel Substrat aber denselben Höchstwert. Mit Hemmstoff B bleibt der Höchstwert auch bei sehr viel Substrat tiefer. Wie hemmen A und B?
A hemmt kompetitiv (konkurriert um das aktive Zentrum), B hemmt nicht-kompetitiv (bindet an einer anderen Stelle).
Jetzt du
Fang beim Einstieg an. Klapp die Lösung erst auf, wenn du selbst gerechnet hast. Steckst du fest, gibt Fox dir einen Tipp.
Was ist ein Enzym? Antworte in einem Satz.
Ergebnis: Ein Biokatalysator, meist ein Protein, der eine bestimmte Reaktion beschleunigt und dabei nicht verbraucht wird.
Wie heisst die Stelle im Enzym, an der das Substrat bindet?
Ergebnis: Aktives Zentrum
Ordne die drei Schritte der Enzymreaktion: Produkte lösen sich, Substrat bindet, Substrat wird umgebaut.
Ergebnis: Substrat bindet, Substrat wird umgebaut, Produkte lösen sich.
Welches Enzym spaltet Milchzucker (Lactose)?
Ergebnis: Lactase
Was bedeutet «Schlüssel-Schloss-Prinzip» bei Enzymen?
Ergebnis: Nur ein Substrat mit passender Form passt ins aktive Zentrum, so wie nur der richtige Schlüssel ins Schloss passt.
Warum braucht eine Zelle nur sehr wenig von einem Enzym, um viel Substrat umzusetzen?
Ergebnis: Weil das Enzym nicht verbraucht wird und nach jeder Reaktion das nächste Substrat umsetzt.
Pepsin wirkt im Magen bei pH 2. Was passiert mit seiner Wirkung, wenn der Speisebrei in den Dünndarm kommt, wo der pH-Wert bei etwa 8 liegt?
Ergebnis: Pepsin wirkt dort kaum noch, weil pH 8 weit von seinem pH-Optimum entfernt ist.
Ein Enzym arbeitet bei 20 °C langsam, bei 37 °C schnell und bei 60 °C gar nicht. Erkläre alle drei Beobachtungen.
Ergebnis: Bei 20 °C bewegen sich die Teilchen langsamer, bei 37 °C liegt das Optimum, bei 60 °C ist das Enzym denaturiert.
Warum wäscht ein Waschmittel mit Enzymen schon bei 30 °C Flecken von Ei, Gras oder Fett aus, kochend heiss aber nicht besser?
Ergebnis: Die Enzyme spalten die Flecken bei milden Temperaturen. In kochendem Wasser denaturieren sie und wirken nicht mehr.
Erkläre den Unterschied zwischen Substratspezifität und Wirkungsspezifität.
Ergebnis: Substratspezifität: Ein Enzym setzt nur ein bestimmtes Substrat um. Wirkungsspezifität: Es führt damit nur eine bestimmte Reaktion aus.
Ein Enzym aus Bakterien einer heissen Quelle hat sein Temperaturoptimum bei 70 °C. Eine Klasse lässt eine Probe bei 37 °C und eine zweite bei 90 °C arbeiten. Beide sind langsamer als bei 70 °C. Danach bringt sie beide Proben auf 70 °C. Welche Probe arbeitet jetzt wieder schnell? Begründe.
Ergebnis: Nur die Probe von 37 °C. Dort war das Enzym nur gebremst, bei 90 °C ist es denaturiert und bleibt kaputt.
Bei einer Methanolvergiftung bekommen Patientinnen und Patienten im Spital manchmal Ethanol. Methanol und Ethanol werden vom selben Enzym umgesetzt, und das Produkt aus Methanol ist giftig. Warum hilft Ethanol?
Ergebnis: Ethanol besetzt das aktive Zentrum des Enzyms und verdrängt das Methanol. So entsteht weniger giftiges Produkt.
Schwerpunktfach: In einem Versuch ist ein Enzym gesättigt. Du verdoppelst die Substratmenge, dann die Enzymmenge. Was passiert jeweils mit der Geschwindigkeit?
Ergebnis: Mehr Substrat ändert fast nichts. Doppelte Enzymmenge verdoppelt etwa die Geschwindigkeit.
Schwerpunktfach: Viele Stoffwechselwege werden durch ihr Endprodukt gebremst, das an das erste Enzym des Wegs bindet, aber nicht im aktiven Zentrum. Wie heisst diese Hemmung, und welchen Vorteil hat sie für die Zelle?
Ergebnis: Allosterische Hemmung, sie wirkt meist nicht-kompetitiv. Die Zelle stellt so nur so viel Endprodukt her, wie sie braucht.
Bringt dein Kind aktives Zentrum, Denaturierung und Hemmung noch durcheinander, geht eine Lehrperson die Enzyme mit ihm Schritt für Schritt durch. Biologie-Nachhilfe fürs Gymnasium
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Am Gymnasium im 1. oder 2. Jahr im Kapitel Stoffwechsel: Bau und Wirkung, Schlüssel-Schloss-Prinzip, Temperatur und pH-Wert, oft mit Versuchen zu Katalase oder Amylase. Im Schwerpunktfach kommen Hemmung und Sättigung dazu.
Gut zu wissen
Enzyme sind meist Eiweissstoffe, die in Lebewesen chemische Reaktionen beschleunigen. Sie werden dabei nicht verbraucht. Ohne sie liefe bei Körpertemperatur fast keine Reaktion schnell genug ab, etwa die Verdauung.
Das Enzym ist meist ein grosses Protein mit aktivem Zentrum. Ein Coenzym ist ein kleines Hilfsmolekül, kein Protein, das viele Enzyme zum Arbeiten brauchen. Viele Coenzyme entstehen aus Vitaminen.
Enzyme haben ein Temperaturoptimum, beim Menschen um 37 °C. Wird es viel heisser, verlieren die Proteine ihre Form. Diese Denaturierung zerstört das aktive Zentrum.
Meist im 1. oder 2. Jahr am Gymnasium, im Kapitel Stoffwechsel. In der Sek hörst du oft schon bei der Verdauung, dass Enzyme die Nahrung spalten.
Begriff
Die Zelle baut Traubenzucker mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser ab und gewinnt dabei Energie.
BeispielPflanzen und Tiere betreiben Tag und Nacht Zellatmung.
Begriff
Kleinste Einheit des Lebens. Jedes Lebewesen besteht aus einer oder vielen Zellen.
BeispielDein Körper besteht aus Billionen Zellen, ein Bakterium aus einer.
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