Welche besonderen Eigenschaften weisen Katalysatoren auf?

Hier lernst du u. a.:

• die Bedeutung der Enzyme als Biokatalysatoren,
• die Bauprinzipien der Enzyme,
• die Wirkungsweise der Enzyme bei der Verdauung,
• das Schlüssel-Schloss-Prinzip auf die Wirkungsweise der Enzyme zu übertragen,
• Anwendungsbeispiele von Enzymen im Alltag und der Technik.

Enzyme und Organismus

Wer Brot längere Zeit kaut, bemerkt, dass es allmählich einen süßen Geschmack annimmt. Der Speichel im Mund enthält Ptyalin, ein Enzym, das die Stärke im Brot in Zuckermoleküle aufspaltet. Enzyme sind Stoffe, die wir brauchen, damit bestimmte chemische Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur in Gang kommen. Sie werden deshalb auch als Biokatalysatoren bezeichnet. Sie beschleunigen die chemischen Reaktionen im Körper, indem sie die dazu nötige Aktivierungsenergie herabsetzen.

Enzyme sind Proteine

Alle Enzyme sind Proteine. Fast immer sind sie kugelförmige Moleküle mit einer Einbuchtung, dem sog. aktiven Zentrum. Hier wirkt das Enzym auf ein Substrat ein, ein zu ihm passendes Molekül. Ein Enzym kann immer nur dann wirksam werden, wenn das Enzym und das Substrat zueinander passen – wie ein Schlüssel zu einem Schloss.

Wenn wir z. B. Semmeln essen, werden nur die Enzyme wirksam, die auch zu den Inhaltsstoffen der Semmeln, der Stärke, passen. Das Enzym Amylase oder Ptyalin, spaltet die Moleküle in Maltose, einen Doppelzucker, dann greift die Maltase an. Schritt für Schritt werden die Stärkemoleküle zerkleinert, übrig bleiben Einfachzucker.

Die Bestandteile von Käse und Ei dagegen gelangen zunächst unverändert bis in den Magen. Die Magenwand fügt nun das Enzym Pepsin dazu, das spaltet die Proteine in kleinere Bruchstücke, bevor sie dann im Darm in Aminosäuren zerlegt werden. Enzyme lassen sich einteilen nach ihrer Funktion und den Substraten, auf die sie einwirken. Verdauungsenzyme sind zuständig für die Aufspaltung von Proteinen, Fetten oder Kohlenhydraten – daher haben sie auch ihre Namen. Enzyme, die Proteine in Fisch, Fleisch oder Eier spalten, heißen Proteasen; Enzyme, die Fette wie Schmalz, Butter und Öl zerschneiden, nennt man Lipasen. Bei der Verdauung von stärkehaltigen Nudeln, Reis oder Brot sind Amylase und Maltase aktiv.

Aufgaben der Enzyme

Enzyme haben viele Aufgaben. Die Medizin setzt sie ein bei Verdauungs- und Stoffwechselstörungen, auch beim Waschen leisten Enzyme gute Dienste. In Waschmitteln helfen sie mit beim Entfernen von Fett- und Eiweißflecken. Solche Waschpulver sind aber nicht geeignet für Kochwäsche, weil die Enzyme bei etwa 60 Grad ihre Wirksamkeit verlieren. Vor allem Fleckenentferner und Spezialwaschmittel enthalten Enzyme. Ein altbewährtes und wirksames Mittel gegen Flecken ist Gallseife. Enzyme werden auch beim Gerben von Leder eingesetzt, sie werden der Beize in der Trommel zugegeben. Es sind vor allem Proteasen, die hier ihre Aufgabe beim Enthaaren der Felle und Häute erfüllen. Die Enzyme sorgen dafür, dass das Leder weich und geschmeidig wird.

Bewährt haben sich Enzyme auch in der Käserei. Der Milch wird Lab zugesetzt, das enthält Chymosin. Das Enzym lässt die Milch gerinnen, ohne dass sie sauer wird. Früher wurde das Lab aus Kälbermägen gewonnen, heute wird es biotechnisch hergestellt. Der eingedickte Käsebruch kann von der Molke abgeschöpft werden. Im Keller reift der Käse dann unter Einwirkung weiterer fett- und eiweißspaltender Enzyme heran und entwickelt seinen typischen Geschmack.

Auch beim Bierbrauen sind Enzyme im Einsatz, sie werden beim Maischen im Malz aktiv. Die Brauer verwenden hierzulande meist Gerstenoder Weizenmalz. Das enthält Enzyme – es sind Amylasen –, die spalten die Stärke im Korn auf und machen daraus vergärbaren Zucker, Maltose. Erst dann kann die Bierhefe mit Unterstützung ihrer zelleigenen Enzyme diesen Zucker zu Alkohol vergären. Den Bäckern helfen Enzyme bei der Zubereitung von Hefeteig. Vielfach werden Enzyme den Backmischungen zugegeben. Sie sind auch im Stoffwechsel der Hefezellen aktiv. Sie "verdauen" die Stärke vor und erleichtern der Hefe die Arbeit. Die Hefe leistet mehr und das Volumen des Gebäcks dehnt sich aus, der Teig "geht auf".

Enzyme lassen auch zähes Fleisch zart werden. Die Tropenfrucht Papaya enthält Papain, ein Enzym, das die proteinhaltigen Fleischfasern mürbe macht.

Enzyme und ihre Wirkung

Enzyme (Fermente) sind Katalysatoren, die die chemischen Reaktionen im Organismus steuern. Nur unter der Wirkung dieser "Biokatalysatoren" sind die chemischen Umsetzungen, der Stoffwechsel im Organismus, bei Körpertemperatur überhaupt möglich, denn die meisten am Stoffwechsel beteiligten chemischen Verbindungen sind zu reaktionsträge, um bei dieser Temperatur genügend rasch reagieren zu können.

Die Wirkung der Enzyme besteht darin, dass sie die erforderliche Aktivierungsenergie erniedrigen und dadurch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen.

Die meisten Enzyme beeinflussen nur ganz bestimmte Reaktionen, d.h. sie sind "wirkungsspezifisch". Sie können von verschiedenen möglichen Umsetzungen einer bestimmten Substanz nur eine einzige auswählen und nur die Aktivierungsenergie gerade dieser Reaktion herabsetzen.

Enzyme sind von ihrer Zusammensetzung her entweder Proteine oder Proteide. In den Proteiden ist eine sog. Wirkgruppe mit dem Protein, dem Trägermolekül, verbunden. Gewisse Wirkgruppen können vom Körper nicht selbst aufgebaut werden und müssen darum mit der Nahrung zugeführt werden, man bezeichnet die entsprechenden Substanzen als Vitamine.

Enzyme sind "stoffspezifisch", d.h. sie passen jeweils nur zu einer bestimmten Substanz, deren Umsetzung sie katalysieren (Schlüssel- Schloss-Prinzip). Diese Spezifität beruht auf der Komplementarität der Raumstruktur und der oberflächlich möglichen Wechselwirkungen zwischen Enzym und Substrat. Es kommt zur Bildung eines Enzym- Substrat-Komplexes.

So vermag beispielsweise das Enzym Amylase nur Amylose zu Glucose abzubauen, nicht aber die Cellulose, die ebenfalls aus Glucose besteht.

Beim Erwärmen auf Temperaturen über 60 Grad wird die Struktur der Enzyme zerstört, sie verlieren ihre Wirkung. Auch stärkere ph-Veränderungen führen zur Inaktivierung der Enzymproteine. Aus diesem Grund ist eine Pufferung der Körperflüssigkeiten unbedingt notwendig.

Fehler in Enzymen können fatale Folgen haben. Durch solche Enzymdefekte ist die Aktivität eines Enzyms vermindert oder gar nicht mehr vorhanden. Manche Enzymdefekte werden genetisch vererbt, d. h. das Gen, das die Aminosäuresequenz des entsprechenden Enzyms kodiert, enthält eine oder mehrere Mutationen oder fehlt ganz. Beispiele für vererbbare Enzymdefekte sind die Phenylketonurie und Galaktosämie.

Verwendung der Enzyme

Enzyme sind wertvolle Werkzeuge der Biotechnologie. Ihre Einsatzmöglichkeiten reichen von der Käseherstellung (Labferment) über die Enzymatik bis hin zur Gentechnik. Enzyme werden unter anderem in der Industrie benötigt. Waschmitteln fügt man Lipasen (Fett spaltende Enzyme), Proteasen (Eiweiß spaltende Enzyme) und Amylasen (Stärke spaltende Enzyme) zur Erhöhung der Reinigungsleistung hinzu, weil diese Enzyme die entsprechenden Flecken zersetzen. Enzyme werden auch zur Herstellung einiger Medikamente und Insektenschutzmittel verwendet. Bei der Käseherstellung wirkt das Labferment mit, ein Enzym, das früher aus Kälbermägen gewonnen wurde. Viele Enzyme können heute mit Hilfe von gentechnisch veränderten Mikroorganismen hergestellt werden. Für bestimmte Anwendungen entwickeln Wissenschaftler heute gezielt leistungsfähigere Enzyme durch Protein-Engineering.

In der Medizin spielen Enzyme eine wichtige Rolle. Viele Arzneimittel hemmen Enzyme oder verstärken ihre Wirkung, um eine Krankheit zu heilen. Prominentester Vertreter solcher Arzneistoffe ist wohl die Acetylsalicylsäure, die das Enzym Cyclooxygenase hemmt und somit unter anderem schmerzlindernd wirkt. Die medizinische Diagnostik verwendet Enzyme, um Krankheiten zu entdecken. In den Teststreifen für Diabetiker befindet sich zum Beispiel ein Enzymsystem, das unter Einwirkung von Blutzucker einen Stoff produziert, dessen Gehalt gemessen werden kann. So wird indirekt der Blutzuckerspiegel gemessen. Man nennt diese Vorgehensweise eine "enzymatische Messung" Sie wird auch in medizinischen Laboratorien angewandt, z. B. zur Bestimmung von Glucose (Blutzucker) oder Alkohol. Man macht sich dabei die Substratspezifität von Enzymen zu Nutze. Es wird also der zu analysierenden Körperflüssigkeit ein Enzym zugesetzt, das das zu messende Substrat spezifisch umsetzen kann. An der entstandenen Menge von Reaktionsprodukten kann man dann ablesen, wie viel des Substrats in der Körperflüssigkeit vorhanden war.

Im menschlichen Blut sind auch eine Reihe von Enzymen anhand ihrer Aktivität direkt messbar. Die im Blut zirkulierenden Enzyme entstammen teilweise spezifischen Organen. Es können daher anhand der Erniedrigung oder Erhöhung von Enzymaktivitäten im Blut Rückschlüsse auf Schädigungen bestimmter Organe gezogen werden. So kann z. B. eine Bauchspeicheldrüsenentzündung durch die stark erhöhte Aktivität der Lipase und der Pankreas-Amylase im Blut erkannt werden.

Diese Fragen solltest du beantworten können

Enzyme für die Verdauung

Welches Enzym enthält Spucke?
Welche Enzyme helfen mit bei der Verdauung von Brot?
Welche Enzyme helfen mit bei der Verdauung von Eiweiß?
Welche Enzyme brauchen wir für die Verdauung von Fetten?
In welchen Organen reagieren die jeweiligen Enzyme mit den Nährstoffen?

Chemie der Enzyme

In welche chemische Stoffgruppe werden Enzyme eingeordnet?
Wie beeinflussen Enzyme die Aktivierungsenergie chemischer Reaktionen im Körper?
Warum werden Enzyme auch als Biokatalysatoren bezeichnet?
Wie kommt ein Enzym-Substrat-Komplex zustande?
Was passiert mit dem Enzym nach der Reaktion?

Enzyme im Alltag

Wo werden die Enzyme verwendet?
Wofür werden die Enzyme verwendet?
Wie wirken bei den gezeigten Beispielen die Enzyme chemisch betrachtet?
Kennst Du noch andere Anwendungsbeispiele für Enzyme?

Artbeitsblatt und didaktische Hinweise für Lehrer

Didaktische Hinweise:

Lehrplanbezüge für bayerische Schulen

Realschule:

Chemie, 10. Jahrgangsstufe

10.6 Chemie der Biomoleküle

Die Schüler setzen sich mit Verbindungen auseinander, die Lebensvorgängen zugrunde liegen. Sie lernen Bauprinzipien, Eigenschaften und Reaktionsweisen kennen und können somit Lebensvorgänge, die aus dem Biologieunterricht bereits bekannt sind, besser verstehen. Die Schüler wenden ihre bereits erworbenen Kenntnisse über den Einfluss funktioneller Gruppen an. Zugleich wird ihnen bewusst, dass die große Vielfalt der Naturstoffe auf wenige Einzelbausteine und die vielfältigen Möglichkeiten ihrer Verknüpfung zurückzuführen ist.
• Fette oder Kohlenhydrate: Struktur und Funktion, weitere Aspekte im Überblick
• Aminosäuren, Proteine ; Enzyme

Gymnasium:

Biologie 10. Jahrgangsstufe

10.1 Stoffwechsel des Menschen Durch die Betrachtung grundlegender Vorgänge vor allem auf zellulärer und molekularer Ebene erweitern und vertiefen die Schüler ihre Kenntnisse über den Stoff- und Energieumsatz in Organismen. Sie erarbeiten sich eine erste Modellvorstellung von der Wirkungsweise der Proteine als Biokatalysatoren und des Adenosintriphosphats als eines mobilen Energieträgers für zelluläre Prozesse. Bei der Behandlung von Transportvorgängen und -mechanismen lernen sie eine weitere Funktion von Proteinen kennen. Mit dem Bau der inneren Organe setzen sie sich in diesem Zusammenhang nur insoweit auseinander, als es zum Verständnis der physiologischen Prozesse erforderlich ist. Ernährung und Verdauung
• Ernährung: Versorgung des Körpers mit den Hauptnährstoffen als Grundlage des Energie- und Baustoffwechsels sowie mit weiteren essentiellen Nahrungsbestandteilen
• Enzyme als Biokatalysatoren mit spezifischer Wirkung
• Verdauungsorgane als Funktionsräume für enzymatische Vorgänge, Abbau größerer Moleküle • Resorption: Bedeutung der Oberflächenvergrößerung, aktive Transportmechanismen

Was bewirkt ein Katalysator in der Chemie?

Was ist eine Katalyse einfach erklärt?

Was ist ein Katalysator für Kinder erklärt?