Herzlich willkommen zu dieser Videoreihe über Enzyme. Das ist das erste Video von insgesamt wahrscheinlich fünf Videos, in denen die gesamten schulstoffrelevanten Inhalte über Enzyme thematisiert werden. Über den allgemeinen Aufbau und die Funktion von Enzymen, über das Schlüssel-Schloss-Formen der Enzymhemmung, hier vor allem kompetitive Hemmung und allosterische Hemmung, sowie der Einsatz von Enzymen im Alltag. In diesem Video geht es um die Grundlagen. Was sind Enzyme, was hat es mit der Aktivierungsenergie auf sich und was ist die allgemeine Funktion von Enzymen?
In unserem Körper laufen eine Vielzahl unterschiedlicher Stoffwechselprozesse ab, bei denen Energie benötigt oder freigesetzt wird. Während ihr dieses Video schaut, wird beispielsweise in eurem Auge Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt, welche wiederum in den Nervenzellen die die Signale an das Gehirn weiterleiten, in elektrische Energie transformiert wird. Alles Prozesse, die die Zufuhr von Energie erfordern. Man nennt sie deshalb auch endergonisch. Im Gegensatz dazu wird vor allem durch die Verstoffwechslung unserer Nahrung Energie freigesetzt.
Es handelt sich hierbei um exergonische Prozesse. Die freigesetzte Energie kann wiederum die energieaufwendigen Stoffwechselprozesse, wie zum Beispiel das Schauen dieses Videos antreiben. Vorausgesetzt man fügt dem Körper über die Nahrung Energie zu, laufen alle Stoffwechselreaktionen auch unabhängig von Enzymen ab.
Allerdings werden die ablaufenden Stoffwechselreaktionen, bei denen aus Ausgangsstoffen, wie hier in rot dargestellt, Produkte hergestellt werden, in der Zelle so langsam, dass sie nicht überlebensfähig wäre. Deshalb verfügt die Zelle über sogenannte Katalysatoren. Das sind Substanzen, die eine Reaktion beschleunigen. Die allermeisten biologischen Katalysatoren, Biokatalysatoren, sind Enzyme. Lasst euch nicht durcheinander bringen, wenn in diesem Zusammenhang auch von Proteinen die Rede ist.
Die meisten Enzyme sind Proteine. Enzyme sind als Biokatalysatoren also Substanzen, die die Geschwindigkeit einer Reaktion beschleunigen. Dies tun sie, ohne dabei chemisch verändert aus der Reaktion hervorzugehen.
Alle diese Reaktionen würden auch von alleine ablaufen. Wie bereits erwähnt, wird lediglich die Geschwindigkeit von Hin- und Rückreaktion beschleunigt, sodass sich das chemische Gleichgewicht schneller einstellt. Kurzer Schwenk zum chemischen Gleichgewicht, das sich bei jeder chemischen Reaktion nach einer gewissen Zeit einstellt und bei dem sich die Konzentration der Ausgangsstoffe und der Produkte nicht mehr ändert. Was übrigens nicht bedeutet, dass die Reaktion zum Erliegen kommt. Auch jetzt findet sowohl die Hin- und die Rückreaktion noch statt.
Stellt euch vor, ihr würdet gegen eine Person Fußball spielen, mit dem Ziel, möglichst viele Fußbälle in die gegnerische Hälfte zu schießen. Wenn gleich am Anfang jeder die gleiche Anzahl an Fußbällen in seiner Hälfte hat, zeichnet sich nach einer gewissen Zeit eine Tendenz ab. Zum Beispiel habt ihr im Schnitt auf eurer Hälfte mehr Fußbälle als euer Gegner.
Er schafft es, mehr Bälle in eure Hälfte zu schießen. Das muss allerdings nicht heißen, dass es während des Spiels auch Situationen gibt, in denen ihr ein oder zwei Fußbälle mehr als üblich in die andere Hälfte schießt. Insgesamt aber stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein. Wie aber wird eine biochemische Reaktion durch Enzyme beschleunigt?
Schauen wir uns dazu mal an, wie sich die freie Energie im Reaktionsverlauf verändert. Im Verlauf einer Reaktion werden die Ausgangsstoffe, die sogenannten Reaktanten oder auch veraltet Edukte, verbraucht und in ein Produkt bzw. Produkte umgewandelt. Bilden die Reaktanten. Produkte, die weniger freie Energie besitzen als die Reaktanten, wie in diesem Fall dargestellt, bezeichnet man die Reaktion auch als exergonisch.
Bei einer solchen Reaktion, bei der Energie freigesetzt wird, ist die Änderung der freien Energie, Delta G, negativ. Dies ist immer der Fall, wenn die freie Energie der Produkte geringer ist als die der Reaktanten bzw. Ausgangsstoffe. Obwohl eine exergonische Reaktion durchaus viel freie Energie abgeben kann, läuft sie unter Umständen sehr langsam ab, was daran liegt, dass zwischen Reaktanten und Produkten eine Energieschwelle liegt.
Hexagonische Reaktionen laufen also erst ab, nachdem die Ausgangsstoffe durch eine geringe Menge zusätzlicher Energie über die Energieschwelle gehoben worden sind und sich in einem instabilen Übergangszustand befinden. Jetzt kann die weitere Reaktion jederzeit stattfinden. Diese Energiemenge, die von außen zum Start einer Reaktion zugeführt werden muss, bezeichnet man auch als Aktivierungsenergie.
Veranschauen lässt sich dies zum Beispiel mit einem Ball auf einem Berg. Die Leute, die mein Video zur Begriffserklärung endergonisch-exergonisch kennen, erinnern sich an dieser Stelle vielleicht. Dort oben besitzt der Ball eine Menge potenzieller Energie, die beim Hinabrollen freigesetzt wird.
Befindet sich der Ball jedoch in einer kleinen Senke, benötigt er einen von außen zugeführten Stoß, die Aktivierungsenergie, damit er aus der Senke herausrollt. Am obersten Punkt ist er dann im Übergangszustand. Jetzt kann er spontan bergab rollen und dabei Energie freisetzen. Die Beschleunigung einer Reaktion wird durch das Herabsetzen der Aktivierungsenergie durch Enzyme erreicht.
Ein Enzym erniedrigt also die Energiespelle für die Reaktion. Es bietet der Reaktion einen leichteren Weg an und beschleunigt sie dadurch. Das macht es, indem es die Substrate, in einer enzymkatalysierten Reaktion werden die Reaktanten bzw.
Ausgangsstoffe Substrate genannt, durch die Bindung an das Enzym in einen Übergangszustand versetzt, der deutlich weniger Aktivierungsenergie erfordert als bei solchen Reaktionen, die nicht durch einen Katalysator beschleunigt werden. Die genaue Funktionsweise des sogenannten Enzymsubstratkomplexes werden wir im nächsten Video anschauen. Es lässt sich also festhalten, die zentrale Eigenschaft von Enzymen ist es, dass sie als Biokatalysatoren die Geschwindigkeit von Reaktionen beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen.
Wenn gleich eine katalysierte Reaktion eine geringere Aktivierungsenergie hat als eine nicht katalysierte Reaktion, so wird die Differenz an freier Energie, Delta G, zwischen Reaktanten und Produkten nicht verändert. Das Ausmaß der Beschleunigung kann dabei immens sein. Die Herabsetzung der Aktivierungsenergie durch ein Enzym um etwa die Hälfte kann bewirken, dass eine Reaktion, die sonst mehrere Jahre gebraucht hätte, um vollständig abzulaufen, nun innerhalb von Millisekunden abläuft.
Solche Geschwindigkeiten schaffen ganz neue Möglichkeiten für eine Zelle. Warum kann an dieser Stelle eigentlich nicht auf Enzyme verzichtet werden und stattdessen über eine Erhöhung der Temperatur die notwendige Aktivierungsenergie aufgebracht werden? Denn die Moleküle der Ausgangsstoffe, die sich bei Raumtemperatur umherbewegen und vereinzelt ausreichend schnell sind, dass ihre Bewegungsenergie die Energie Energiequelle überwinden kann, sie in den Übergangszustand eintreten und reagieren können, würden bei höheren Temperaturen deutlich mehr Bewegungsenergie haben und der Übergangszustand deutlich leichter erreicht werden.
Die Reaktion würde dadurch beschleunigt werden. Diese Vorgänge, die man zum Beispiel auch aus einem Chemielabor kennt, sind in lebenden Systemen allerdings keine Option. Würde man lebenden Systemen mehr Wärmeenergie hinzufügen, würde die Bewegungsenergie der Moleküle zwar deutlich erhöht werden, und die Reaktion auch in Abwesenheit von Enzymen ablaufen, dennoch wäre diese Maßnahme total unspezifisch. Sie würde alle Reaktionen beschleunigen.
Nicht nur solche, die erwünscht sind, sondern auch zerstörerische Prozesse, wie zum Beispiel die Denaturierung von Proteinen. Um eine bestimmte Reaktion, also ganz gezielt zu beschleunigen, ist die Existenz von Enzymen also absolut notwendig. Als letzten Punkt des Videos möchte ich noch die Frage in den Raum werfen, warum es überhaupt eine Energieschwelle gibt.
Gelbe ist keine, würden sämtliche biochemische Reaktionen in unserem Körper doch ebenfalls schneller ablaufen. Doch auch diese Sache hätte einen entscheidenden Haken. Denkt an einen Propangasherd. Auf diesem könnt ihr kochen, wenn ihr das Gas aufdreht und ihn mit einem Streichholz anmacht. Es handelt sich dabei um eine hexagonische Reaktion.
Das Propan reagiert mit dem Luftsauerstoff und bildet Kohlenstoffdioxid. Wasserdampf und Energie in Form von Wärme und Licht. Auch wenn dabei viel Energie freigesetzt wird, läuft die Reaktion nicht spontan und zufällig ab. Propan fängt erst an zu brennen, wenn man für einen Zündfunken sorgt, von außen also Energie zuführt, sodass die Energieschwelle zwischen Reaktanten und Produkten überwunden wird. Würde es diese Energieschwelle nicht geben, würden sämtliche Reaktionen vollkommen unkontrolliert ablaufen.
Zum Glück gibt es diese Schwelle. Und Proban reagiert nicht zufällig mit dem Luftsauerstoff und wird entzündet.