Arbeitsblatt: Enzymaktivität

Enzymatik/11/Aktivierungsenergie Katalysatoren des Lebens Enzyme Viele chemische Reaktionen sind exergonisch, das heißt, sie laufen freiwillig und unter Energiefreisetzung ab. Die Verdauung unserer Nahrung ist so ein Vorgang, aber auch ein Kaminfeuer brennt – einmal entzündet – bis alles Holz verglüht ist. Doch laufen auch solche exergonischen Reaktionen nicht von selbst ab: Holz geht nicht spontan in Flammen auf, sondern muss erst angezündet werden. Genauer gesagt, es muss ihm erst eine bestimmte Aktivierungsenergie zugeführt werden. Diese Aktivierungsenergie ist notwendig, weil sich zunächst die bestehenden Bindungen in den Ausgangsstoffen lösen müssen, bevor sich neue chemische Bindungen und damit die Reaktionsprodukte (Endprodukte) ausbilden können. Ein Weg, um die Energiebarriere zu überwinden, die die Aktivierungsenergie darstellt, besteht darin, die Ausgangsstoffe zu erhitzen. In der anorganischen Chemie werden in der Tat viele Reaktionen in Gang gebracht, indem man den Ausgangsstoffen von außen Wärme zuführt. Höhere Temperaturen werden jedoch nur von wenigen Organismen toleriert. Daher kann die Aktivierungsenergie selten in Form von Wärme zugeführt werden. Stattdessen werden Reaktionen, die in Lebewesen ablaufen, durch die katalytische Wirkung von Enzymen beschleunigt. Enzyme sind ebenfalls in der Lage, die bestehenden chemischen Bindungen zu lockern und so die Aktivierungsenergie herabzusetzen. Auf diese Weise laufen auch solche Reaktionen bei Körpertemperatur ab, die ohne Katalysator hohe Aktivierungsenergien benötigen würden. Enzyme sorgen also als Biokatalysatoren für eine angemessene Reaktionsgeschwindigkeit trotz niedriger Temperatur. Längst nicht alle chemischen Reaktionen in unserem Körper laufen freiwillig und unter Energiefreisetzung ab. Zu den endergonischen Reaktionen, die Energie fordern, gehören alle Synthesereaktionen. Sie sind für den Aufbau großer Moleküle aus einfachen Bausteinen notwendig. Dabei wird Energie aufgenommen, solange die Reaktion läuft. Beispiele sind der Aufbau von Glykogen in der Leber oder die Sekundärreaktion der Fotosynthese. Auch hier wird die Aktivierung erst durch das Wirken spezifischer Enzyme ermöglicht. Aufgaben: 1) Tragen Sie in die folgende Grafik mit einer anderen Farbe den Kurvenverlauf für die Reaktionsenergie einer katalysierten Reaktion ein! Erklären Sie die Kurvenverläufe! 2) Begründen Sie, weshalb Leben auf der Erde enzymatisch katalysierte Stoffwechselreaktionen erfordert! Energiediagramm ohne Katalysator (bereits eingezeichnet) Enzymatik/11/Aktivierungsenergie Katalysatoren des Lebens Enzyme Viele chemische Reaktionen sind exergonisch, das heißt, sie laufen freiwillig und unter Energiefreisetzung ab. Die Verdauung unserer Nahrung ist so ein Vorgang, aber auch ein Kaminfeuer brennt – einmal entzündet – bis alles Holz verglüht ist. Doch laufen auch solche exergonischen Reaktionen nicht von selbst ab: Holz geht nicht spontan in Flammen auf, sondern muss erst angezündet werden. Genauer gesagt, es muss ihm erst eine bestimmte Aktivierungsenergie zugeführt werden. Diese Aktivierungsenergie ist notwendig, weil sich zunächst die bestehenden Bindungen in den Ausgangsstoffen lösen müssen, bevor sich neue chemische Bindungen und damit die Reaktionsprodukte (Endprodukte) ausbilden können. Ein Weg, um die Energiebarriere zu überwinden, die die Aktivierungsenergie darstellt, besteht darin, die Ausgangsstoffe zu erhitzen. In der anorganischen Chemie werden in der Tat viele Reaktionen in Gang gebracht, indem man den Ausgangsstoffen von außen Wärme zuführt. Höhere Temperaturen werden jedoch nur von wenigen Organismen toleriert. Daher kann die Aktivierungsenergie selten in Form von Wärme zugeführt werden. Stattdessen werden Reaktionen, die in Lebewesen ablaufen, durch die katalytische Wirkung von Enzymen beschleunigt. Enzyme sind ebenfalls in der Lage, die bestehenden chemischen Bindungen zu lockern und so die Aktivierungsenergie herabzusetzen. Längst nicht alle chemischen Reaktionen in unserem Körper laufen freiwillig und unter Energiefreisetzung ab. Zu den endergonischen Reaktionen, die Energie fordern, gehören alle Synthesereaktionen. Sie sind für den Aufbau großer Moleküle aus einfachen Bausteinen notwendig. Dabei wird Energie aufgenommen, solange die Reaktion läuft. Beispiele sind der Aufbau von Glykogen in der Leber oder die Sekundärreaktion der Fotosynthese. Auch hier wird die Aktivierung erst durch das Wirken spezifischer Enzyme ermöglicht. Analogiemodell zu einer enzymatischen Reaktion – eine „Bergetappe der Tour de France Jens Voigt tritt am Fuße des Berges zum Angriff auf den führenden Andreas Klotten an. Unter den erbarmungslosen Strahlen der südlichen Sonne quälen sich die Kontrahenten noch voller Energie (innere Energie) die Passstraße hinauf. Nach drei Stunden pausenlosen Anstiegs sind auch die besten Fahrer ganz schön aus der Puste. Sie merken, dass sie ihre Kräfte verlassen, aber zehn Minuten später ist es geschafft. Andreas Klotten erreicht als erster den Passübergang und rast nun ohne jede Anstrengung auf der anderen Seite die Serpentinen hinunter ins Tal. Jens Voigt folgt ihm im Abstand von fünfzehn Sekunden. Alle Rennradfahrer erreichen bei der Abfahrt auch ohne Muskelkraft eine so hohe Geschwindigkeit, dass sie ihre gesamte Konzentration auf das Bremsen in den engen Kurven verwenden müssen. Ohne Bremsen würden sie zunehmend schneller werden. Die Abfahrt ist im Vergleich zum quälenden Aufstieg unvergleichlich weniger kräftezehrend und die Kontrahenten lassen sich völlig ausgepowert ins Ziel rollen. Aufgaben: 1) Tragen Sie in die folgende Grafik unter Verwendung unterschiedlicher Farben die Kurvenverläufe für die Reaktionsenergie einer nicht katalysierten Reaktion und einer enzymatisch katalysierten Reaktion ein! Erklären Sie die Kurvenverläufe! 2) Begründen Sie, weshalb Leben auf der Erde enzymatisch katalysierte Stoffwechselreaktionen erfordert! Energiediagramm Reaktionsenergie Reaktionsweg