Spezifität Warum verwenden Organismen Enzyme als Katalysatoren?

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1 Spezifität Warum verwenden Organismen Enzyme als Katalysatoren?
Schwefelsäure beispielsweise katalysiert jegliche Veresterung einer Carbonsäure mit einem Alkohol. Genau hier jedoch liegt auch das Problem. Zum einen ist Schwefelsäure nicht erträglich, sie würde jegliches Gewebe angreifen, zum anderen katalysiert sie wahllos die Umsetzung aller Säure unter Anwesenheit von Alkoholen zu Estern. Die Natur musste einen Mechanismus wählen, der eine gezielte Auswahl einer Umsetzung gewährleistet, also spezifisch mit nur einem gewünschten Substrat reagiert um zu verhindern, dass ständig Nebenreaktionen stattfinden.

2 Stoffspezifität Auf den Ersten Blick unterscheiden sich beide Moleküle kaum voneinander. Der strukturelle Aufbau ist sich sehr ähnlich. Der einzige Unterschied besteht darin, dass das Sauerstoffatom gegen ein Schwefelatom ausgetauscht wurde (Thio- = Schwefel).

3 Versuch Von Harnstoff und Thioharnstoff wird jeweils eine Spatelspitze in ein Reagenzglas gegeben und mit ein wenig Wasser gelöst. Daraufhin wird Ureaselösung und Indikator hinzugetropft. Beginn Ende der Reaktion

4 Schon nach kurzer Zeit ist an der Umfärbung des Indikators zu erkennen, dass die Urease den Thioharnstoff umsetzt, was nach folgendem Reaktionschema geschieht: Der hierbei entstehende Ammoniak ist für die Verschiebung des pH-Wertes ins Basische verantwortlich, welcher für die Farbänderung des Indikators sorgt. Es ist allerdings auch zu erkennen, dass eine entsprechende Reaktion bei Thioharnstoff ausbleibt.

5 Wie hat das Enzym aber den Unterschied zwischen Harnstoff und Thioharnstoff erkannt? Die Strukturen der beiden Moleküle unterscheidet sich nur durch ein einziges Atom. Das Enzym muss also den Unterschied zwischen einem Sauerstoff- und dem Schwefelatom erkennen können. Wie ist das möglich? Harnstoff Thioharnstoff

6 Die Abbildungen zeigen die Atomradien er einzelnen Atome
Die Abbildungen zeigen die Atomradien er einzelnen Atome. Wie leicht zu erkennen ist, ist der Atomradius des Schwefels größer als der Atomradius des Sauerstoffs. Der Aufbau des Enzyms Urease ist so gewählt, dass Harnstoff mit dem Atomradius des Sauerstoffes zum aktiven Zentrum vordringen und dort koppeln kann. Der Atomradius des Schwefels verhindert jedoch, dass Thioharnstoff überhaupt bis zum aktiven Zentrum gelangen kann. Dieses Beispiel zeigt, wie spezifisch Urease sein Substrat wählt. Urease setzt nur ein einzige Molekül um - den Harnstoff.

7 Stoffklassenspezifität
Ein weiteres Beispiel soll eine weitere Form der Substratspezifität näher erläutern. Alkohol ist für den Körper ein Gift, welchem er mit Hilfe der Alkoholdehydrogenase (ADH) entgegenwirkt. Alkoholdehydrogenase wandelt Ethanol in den entsprechenden Aldehyd (Ethanal/Acetaldehyd) um.

8 Man gibt eine Spatelspitze des Enzyms Alkoholdehydrogenase (ADH) in ein Reagenzglas und löst es in ein wenig Wasser. Anschließend gibt man ein bis zwei Tropfen Ethanol hinzu. Nun lässt man das ganze einige Zeit stehen und unterzieht die Lösung anschließend der Fehling-Probe. Da die Fehling-Probe spezifisch auf Aldehyde reagiert, erhält man einen ziegelroten Niederschlag als positiven Nachweis des Aldehyds in der Lösung. Man wiederholt das Experiment, nur dieses mal mit Methanol an Stelle von Ethanol. Auch hier erhält man einen positiven Nachweis beim Durchführen der Fehling-Probe.

9 Chirale Spezifität Versuch:
In 4 Reagenzgläsern wird jeweils eine Spatelspitze D-Glucose, D-Mannose, D-Galactose und D-Fructose in ein wenig Wasser gelöst. Anschließend wird in jedes Reagenzglas ein GOD-Teststreifen gehalten und auf positive Reaktion überprüft. Ergebnis Versuchsaufbau

10 Betrachtet man die einzelnen Teststreifen, kann man sehen, dass nur der Teststreifen, welcher in die Glucose gehalten wurde eine positive Reaktion zeigt.

11 Um das ganze noch ein wenig deutlicher zu zeigen, kann man auch noch die Reaktion des Teststreifens überprüfen, wenn man D-Glucose und L-Glucose, welche in der Natur nicht vorkommt und nur technisch gewonnen werden kann, als zu testende Zucker einsetzt.

12 Diese beiden Zucker verhalten sich wie Bild und Spiegelbild zueinander
Diese beiden Zucker verhalten sich wie Bild und Spiegelbild zueinander. Sie sind Enantiomere. Beide Moleküle unterscheiden sich nicht in der Verknüpfung der Atome untereinander, sondern rein in der räumlichen Ausrichtung. Enantiomere sind in der Lage linear polarisiertes Licht um den gleichen Betrag in die entgegengesetzte Richtung zu drehen. Es handelt sich bei Glucoseoxydase um ein Enzym, welches spezifisch die D-Glucose oxidiert. Es ist in der Lage den Unterschied zwischen Bild und Spiegelbild zu erkennen.