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Beeinflussung der Tertiärstruktur

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Beeinflussung der Tertiärstruktur durch Änderungen des pH-Wertes

Trypsin ist ein Enzym des Dünndarms, das bei einem pH-Wert zwischen 7 und 8 am besten arbeitet, also im leicht alkalischen Bereich. Bei einem pH-Wert von 3 bis 4 arbeitet Trypsin nicht mehr optimal, ebenso bei einem zu alkalischen pH-Wert von 10 oder 11. Man kann also sagen, dass Trypsin ein pH-Optimum im Bereich 7-8 hat.

Pepsin dagegen ist ein Enzym des Magens, das sein pH-Optimum im Bereich zwischen 1,5 und 3 hat, also im schon stark sauren Bereich. Bei einem pH-Wert von 6 oder höher stellt das Enzym seine Funktion ein.

Beide Enzyme sind also in ihrer Aktivität pH-abhängig. Wie kann man dieses Phänomen erklären?

Enzyme sind nichts anderes als Proteine mit katalytischen Fähigkeiten, also Proteine, die bestimmte Stoffwechselreaktionen beschleunigen. Ein Enzym hat eine bestimmte Region, das so genannte aktive Zentrum. In dieses aktive Zentrum setzt sich nun nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip ein bestimmter Stoff, der von dem Enzym verändert werden soll. Trypsin und Pepsin beispielsweise bauen Proteine ab, zerlegen Proteine also in kleinere Peptide. Diejenigen Stoffe, die nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip in das aktive Zentrum eines Enzyms passen und von dem Enzym dann auch verändert werden, bezeichnet man allgemein als Substrate.

Wenn sich nun das aktive Zentrum aus irgendeinem Grund strukturell verändert, dann passt das Schloss nicht mehr zum Schlüssel, und das Enzym kann nicht mehr so gut arbeiten oder stellt seine Arbeit sogar ganz ein.

Zugabe einer Säure

Schauen wir uns nun folgendes Bild an:

Veränderung der Tertiärstruktur durch eine Säure

Veränderung der Tertiärstruktur durch Zugabe einer Säure

Das Bild oben hat natürlich nur Modellcharakter; richtige Enzyme sind wesentlich komplexer aufgebaut als das Peptid in der Abbildung. Links sehen wir das "Enzym" in seiner arbeitsfähigen Version. Ein Substrat befindet sich im aktiven Zentrum und wird gleich verändert. Die Tertiärstruktur des Peptids wird durch eine ionische Bindung zusammengehalten.

Nun geben wir eine Säure in das Medium, in dem sich das Enzym befindet. Zugabe einer Säure heißt immer: Erhöhung der Protonenkonzentration (denn Säuren sind Protonendonatoren, geben also Protonen an das Lösungsmittel oder an andere Stoffe im Lösungsmittel ab).

Die positiv geladene Aminogruppe des Peptids hat bereits ein Proton aufgenommen, sonst wäre sie ja nicht positiv geladen. Hier kann sich also durch die Erhöhung der Protonenkonzentration nichts ändern.

Die negativ geladene Carboxylgruppe dagegen ist ja deswegen negativ, weil sie ein Proton abgegeben hat. Erhöhen wir nun die Protonenkonzentration durch Zugabe einer Säure, so wird sich sofort ein Proton an die Carboxylgruppe anlagern, die dann wieder zur neutralen COOH-Gruppe wird.

Nun fehlt der positiven Ladung der Aminogruppe aber der negativ geladene Partner. Die Ionenbindung löst sich auf, und das Protein verändert seine Tertiärstruktur, wie man auf dem Bild recht gut sehen kann (ich habe hier natürlich stark übertrieben, um Ihnen die Sache zu verdeutlichen).

Das Substrat passt nicht mehr in das aktive Zentrum, und daher kann das Enzym das Substrat nicht mehr umsetzen. Die Enzymaktivität geht stark zurück oder sinkt sogar auf den Wert Null.

Zugabe einer Base

Wenn wir eine Base zu unserem Enzym geben, passiert im Prinzip das Gleiche wie bei der Zugabe einer Säure. Auch hier ändert sich die Tertiärstruktur des Enzyms und das Enzym kann nicht mehr korrekt arbeiten.

Wenn wir eine Base zugeben, setzen wir einen Protonenakzeptor zu (denn so ist der Begriff Base definiert: Basen sind Protonenakzeptoren). Das heißt, dass die Moleküle der Base Protonen aus dem Medium aufnehmen, was zur Folge hat, dass im Medium die Konzentration der Protonen sinkt. Das wiederum wirkt sich auf den pH-Wert aus, dieser steigt nämlich an, wenn die Protonenkonzentration kleiner wird.

Die negativ geladenen Carboxylgruppen werden dadurch nicht beeinträchtigt. Sie haben bereits ein Proton abgegeben, und damit ist die Sache erledigt.

Die positiv geladenen Aminogruppen dagegen haben bereits ein Proton zu viel, und wenn nun ein Protonenmangel im Medium herrscht (hervorgerufen durch die Zugabe der Base), geben sie recht schnell das zusätzliche Proton ab. Damit wird aus der positiv geladenen Aminogruppe eine normale neutrale Aminogruppe.

Sie können sich nun vorstellen, wie sich das auf die Struktur des Proteins auswirkt. Der negativ geladenen Carboxylgruppe fehlt nun der positiv geladene Bindungspartner, die Ionenbindung löst sich auf, die Teritärstruktur verändert sich, das wirkt sich auch auf die Struktur des aktiven Zentrums aus, und so verringert sich die Enzymaktivität.

Beeinflussung der Tertiärstruktur durch Änderungen der Temperatur

Erniedrigt man die Temperatur, so sinkt die Aktivität eines Enzyms gemäß der RGT-Regel. Diese Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Regel besagt, dass sich die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion um das Doppelt erhöht, wenn sich die Temperatur um 10 Grad Celsius erhöht. Das ist natürlich nur eine grobe Faustregel, kann aber fast immer auf biochemische Reaktionen angewandt werden. Diese RGT-Regel gilt natürlich auch dann, wenn man die Temperatur absenkt. Vermindert man die Temperatur um 10 Grad Celsius, so halbiert sich die Reaktionsgeschwindigkeit entsprechend.

Die Tertiärstruktur eines Enzyms ändert sich allerdings nicht, wenn man die Temperatur absenkt, die verringerte Enzymaktivität ist einzig und allein auf die RGT-Regel zurück zu führen.

Wenn man die Temperatur erhöht, greift zunächst auch die RGT-Regel. Die Enzymaktivität erhöht sich. Das geht aber nur bis zu einem bestimmten Punkt. Irgendwann ist es so warm, dass das Enzym instabil wird. Die Atome im Enzym beginnen immer stärker zu schwingen, und irgendwann brechen die Bindungen innerhalb des Proteins auf. Zunächst die schwachen chemischen Bindungen wie hydrophobe Wechselwirkungen, van-der-Waals-Bindungen und so weiter. Bei höheren Temperaturen werden auch die Wasserstoffbrücken-Bindungen instabil. All diese Veränderungen sind aber reversibel. Das heißt, bei einer Absenkung der Temperatur bilden sich diese Bindungen vollständig zurück.

Nicht reversibel sind dagegen die Spaltungen der Disulfidbücken-Bindungen, die ja zwischen zwei Cystein-Resten bestehen können. Erhöht man die Temperatur zu stark, so brechen diese Disulfidbrücken auf, und diese Spaltung ist so gut wie nicht reversibel (rückgängig machbar). Die Tertiärstruktur des Enzyms ändert sich dauerhaft. Man sagt auch, das Protein denaturiert.

Eine solche Denaturierung ist ein alltäglicher Vorgang, den man gut beobachten kann, wenn man ein Hühnerei in die Pfanne schlägt. Das klare Eiweiß wird sofort trübe und fest. Ursache hierfür sind hauptsächlich veränderte Disulfidbrücken in den Proteinen des Hühnereis.

Änderungen der Tertiärstruktur durch ein Reduktionsmittel

Änderungen der Tertiärstruktur durch ein Reduktionsmittel

Auch durch bestimmte chemische Substanzen können Disulfidbrücken geöffnet werden, wie das Bild oben zeigt. Reduktionsmittel "setzen" wieder H-Atome an die S-S-Brücken, so das wieder -SH HS- Gruppen entstehen, zwischen denen keine Bindung mehr besteht.

Beim Frisör ist dies ein alltäglicher Vorgang. Mit einem Reduktionsmittel werden die Disulfidbrücken der Haare aufgelöst, dann werden die Haare neu geformt, und anschließend werden mit einem Oxidationsmittel neue Disulfidbrücken erzeugt, die die geformten Haare dann über Wochen bis Monate stabil halten ("Dauerwelle").

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