(Bio-)Chemie: Übungs-Testlets für den TestAS

Enzyme sind biologische Katalysatoren, meist Proteine, die chemische Reaktionen beschleunigen, indem sie deren Aktivierungsenergie senken, ohne verbraucht zu werden. Das Molekül, an dem ein Enzym wirkt, das Substrat, bindet an einen bestimmten Bereich, das aktive Zentrum, dessen Form und chemische Eigenschaften zum Substrat passen. Nach der Reaktion wird das Produkt freigesetzt, und das Enzym kann das nächste Substratmolekül binden.

Die Geschwindigkeit einer Enzymreaktion hängt von der Substratkonzentration ab. Bei niedrigen Konzentrationen steigt sie fast proportional zur Konzentration, weil die meisten aktiven Zentren frei sind. Bei hohen Konzentrationen sind fast alle aktiven Zentren besetzt, und die Geschwindigkeit nähert sich einem Höchstwert, Vmax, der sich auch mit noch so viel Substrat nicht überschreiten lässt; das Enzym ist gesättigt. Dieses Verhalten beschreibt die Michaelis-Menten-Gleichung. Die Michaelis-Konstante Km ist die Substratkonzentration, bei der die Geschwindigkeit halb so groß wie Vmax ist. Ein niedriger Km-Wert bedeutet, dass das Enzym seine halbe Höchstgeschwindigkeit schon bei niedriger Substratkonzentration erreicht, was auf eine hohe Affinität zum Substrat hinweist.

v = Vmax × [S] ÷ (Km + [S])

Hemmstoffe (Inhibitoren) verringern die Enzymaktivität. Ein kompetitiver Hemmstoff ähnelt dem Substrat und konkurriert um das aktive Zentrum. Seine Wirkung lässt sich durch mehr Substrat aufheben, daher bleibt Vmax unverändert, doch man braucht mehr Substrat, um die halbe Höchstgeschwindigkeit zu erreichen: Der scheinbare Km-Wert steigt. Ein nicht kompetitiver Hemmstoff bindet an einer anderen Stelle des Enzyms und verändert dessen Form, sodass manche Enzymmoleküle überhaupt nicht arbeiten können. Mehr Substrat hilft nicht; Vmax sinkt, Km bleibt gleich. Viele Arzneimittel sind Enzymhemmstoffe, und Zellen regulieren Stoffwechselwege, indem sie Schlüsselenzyme hemmen.

Enzyme hängen auch von ihrer Umgebung ab. Die Aktivität steigt mit der Temperatur bis zu einem Optimum, das für die meisten menschlichen Enzyme bei etwa 37 °C liegt, und fällt darüber steil ab, weil das Protein denaturiert. Jedes Enzym hat außerdem ein pH-Optimum: Pepsin arbeitet am besten bei etwa pH 2 im Magen, Trypsin bei etwa pH 8 im Dünndarm.

Kennt man Km und Vmax, lässt sich die Geschwindigkeit bei jeder Substratkonzentration mit der Gleichung berechnen. Biochemiker nutzen diese Werte auch, um Enzyme verschiedener Organismen zu vergleichen, um herauszufinden, wie ein Arzneimittel sein Zielmolekül hemmt, und um industrielle Verfahren mit Enzymen zu entwerfen, etwa bei Waschmitteln oder in der Lebensmittelherstellung.

Ein Enzym wurde im Labor bei 37 °C und pH 7 untersucht. Sein Vmax beträgt 100 µmol Produkt pro Minute, sein Km 2 mmol/L.

Chemiker zählen Teilchen in Mol. Ein Mol enthält etwa 6,022 × 10²³ Teilchen, eine Zahl, die so gewählt ist, dass die Masse eines Mols eines Stoffes in Gramm seiner relativen Molekülmasse entspricht. Die molare Masse von Glucose (C6H12O6) beträgt daher etwa 180 g/mol, die von Natriumchlorid (NaCl) etwa 58,4 g/mol. Die Stoffmenge in Mol ist die Masse geteilt durch die molare Masse.

Die Konzentration einer Lösung wird meist als Stoffmengenkonzentration (Molarität) angegeben, also als Mol gelöster Stoff pro Liter Lösung, mit der Einheit mol/L, oft M geschrieben. Eine 1 M Glucoselösung enthält 180 g Glucose pro Liter. Um eine Lösung herzustellen, berechnet man die nötige Stoffmenge als Konzentration mal Volumen, rechnet sie in Gramm um, löst den Stoff in einem Teil des Lösungsmittels und füllt dann auf das Endvolumen auf.

n = m ÷ M c = n ÷ V m = c × V × M

Konzentrationen werden auch als Masse pro Volumen (zum Beispiel g/L oder mg/mL) oder als Prozentangaben angegeben. In Biologie und Medizin bedeutet „0,9 % Natriumchlorid“, die physiologische Kochsalzlösung, 0,9 g NaCl pro 100 mL, also 9 g pro Liter. Ihre Stoffmengenkonzentration beträgt 9 ÷ 58,4, etwa 0,154 mol/L. Da jede NaCl-Einheit in Wasser zwei Ionen freisetzt, enthält die Lösung etwa 0,308 mol/L gelöste Teilchen, was nahe an der osmotischen Konzentration des Blutplasmas liegt.

Das Verdünnen ist eine der häufigsten Laboraufgaben. Beim Verdünnen bleibt die Stoffmenge gleich, während das Volumen zunimmt, daher ist das Produkt aus Konzentration und Volumen konstant. Für große Verdünnungsfaktoren nutzen Labore Verdünnungsreihen: eine Folge von Schritten, in denen jeweils die vorherige Lösung um denselben Faktor verdünnt wird. Drei aufeinanderfolgende 1 : 10-Verdünnungen ergeben eine Gesamtverdünnung von 1 : 1000. Verdünnungsreihen dienen zum Beispiel zum Zählen von Bakterien, denn eine Probe mit Millionen Zellen pro Milliliter muss verdünnt werden, bevor sich Kolonien auf einer Platte zählen lassen.

c1 × V1 = c2 × V2

Sorgfältiges Arbeiten verlangt auch Aufmerksamkeit bei den Einheiten. Volumina in Millilitern müssen in Liter umgerechnet werden, bevor man sie mit einer Konzentration in mol/L multipliziert, und Massen in Milligramm in Gramm. Eine kurze Plausibilitätsprüfung, etwa die Frage, ob einige Gramm Stoff für einige Hundert Milliliter Lösung sinnvoll sind, deckt viele Fehler auf, bevor eine Lösung hergestellt wird.