Biologie Enzyme & Gentechnik
Enzyme:
1. Definition:
Enzyme sind Proteine, die als biolog. Katalysatoren wirken. Sie beschleunigen Reaktionen, in dem sie
die Aktivierungsenergie herabsetzen (Reaktion fängt somit schneller an zu laufen).
Die katalytische Wirkung entwickelt sich am aktiven Zentrum (Vertiefung der Moleküloberfläche) des
Enzyms.
Ablauf einer katalytischen Reaktion:
1. Enzym & Substrat
2. Substrat legt sich an aktives Zentrum induzierte Passform, Schlüssel-Schloss-Prinzip
3. Enzym wieder frei für neues Substrat
2. Spezifität:
a.) substratspezifisch: ein best. Enzym kann nur an best. Substrat eine Reaktion katalysieren (Bsp.:
Maltase zerlegt Maltose in 2 Moleküle, aber nicht in ähnl. gebaute Cellobiose)
b.) wirkungsspezifisch: von versch. mögl. Reaktionen, in die Substrat eingebaut werden kann,
katalysiert ein Enzym an seinem Substrat immer nur für ganz best. wegen chem.
Zusammensetzung des aktiven Zentrums
3. Abhängigkeit:
a.) von Temperatur: RGT-Regel (Temp.-abhängig-von-Temp.-Regel) wenn Temp. um 10 Grad
erhöht wird, wird die Reaktionsgeschw. verdoppelt Temp-Optimum für menschl.
Stoffwechselreaktionen bei 37 Grad
b.) vom pH-Wert: bei pH-Optimum (8,2) passt aktives Zentrum optimal zu Substrat
höhere/niedrigere pH-Werte verschlechtern Anlagerung des Substrats Reaktionsgeschw. lässt
nach (Grund: Raumstruktur/aktives Zentrum des Enzyms verändert sich); extrem. pH-Werte
verändern Raumstruktur irreversibel (Denaturierung)
c.) von Substratkonz.: Michaeliskonstante = Substratkonz. bei der die katalysierte Reaktion mit halb-
max. Geschw. abläuft; Affinität = Leistungsfähigkeit
d.) von Koenzymen: Koenzyme = am katalyt. Zentrum gebunden/mit Substrat reversibel binden
beteiligen sich an Reaktion, werden dabei verändert & in weiterer Reaktion regeneriert (z.B.:
Vitamine)
4. Enzymhemmung/-regulation:
a.) irreversible Hemmung: Schwermetalle/best. Medikamente irreversible Inaktivierung eines
Enzyms (können irreversibel an bestimmte Enzyme binden & deren Konfirmation (z.B. aktives
Zentrum) verändern Substrat passt nicht mehr rein richtige Reaktion kann nicht umgesetzt
werden (Bsp.: Pflanzenschutzmittel hemmt Enzym, das best. Botenstoff nach Übermittlung eines
Nervensignals wieder abbaut wenn kein Abbau, dann Verkrampfung der Muskulatur Krämpfe,
Ersticken, Tod; Blausäure hemmt Enzym in Atmungskette keine Zellatmung)
b.) Enzymregulation: reversible Enzymhemmungen (Ein- & Ausschalten von Enzymen) für Organismus
lebensnotwendig sorgt für geordneten Stoffwechsel; Beeinflussung der Enzymaktivität:
Enzymmenge verändern (Enzym neu synthetisiert/wieder abgebaut) nicht schnell genug; schneller
= Enzymaktivität durch Substanzen beeinflussen
c.) Kompetitive Hemmung (nicht dauerhemmend): Stoffe, die dem Substrat eines Enzyms sehr
ähneln, können an aktives Zentrum binden ohne umgesetzt zu werden; sind Hemmstoffe in höherer
Konz. vorhanden als eigentl. Substrat, kommt Reaktion zum Stillstand; gibt es jedoch höhere
Substratkonz., kann diese sich durchsetzen & Substrat kann umgesetzt werden Substrat &
Hemmstoff in Wettbewerb um aktives Zentrum
d.) Allosterische Enzyme (negativ. Rückkopplung/Ausschaltung): Enzyme lassen sich durch best.
Substanzen (Effektoren, die sich an spez. Bindungsstelle heften) in Struktur verändern; i.d.R. sind
, Enzyme dann inaktiviert, aber manche Effektoren wirken auch aktivierend; solche allosterischen
Enzyme haben 2 Bindungsstellen (1 für Substrat & 1 für Effektor); Hemmstoffe, die sich an andere
Stelle an Enzymmolekül anlagern (allosterisches Zentrum), beeinflussen deren Raumstruktur
(Struktur des aktiven Zentrums ändert sich, Substrat passt nicht mehr rein, Reaktionsgeschw. fällt
reversibel) oft bei Enzymen für Stoffwechselwege/Produktion von ATP (Bsp.: wenn genügend
Energie in Form von ATP vorhanden ist, werden Schlüsselenzyme allosterisch durch ATP gehemmt)
e.) Katalysewirkung-Versuch: Kartoffelpresssaft (enthält Katalase) (Presssaft & verdünnte
Wasserstoffperoxidlösung in Reagenzgläser) Gasentwicklung unter versch. Versuchsbedingungen
beobachten
f.) Schokolinsen-Mensch-Versuch: bei größerer Anzahl von Substraten steigt Reaktionsgeschw.; ab
best. Substratkonz. tritt Sättigung ein; Hemmstoffe fallen bei höherer Substratkonz. immer weniger
ins Gewicht
g.) Versuche zur Abhängigkeit von Enzymen (unter versch. Versuchsbedingungen)
pH-Werte/Umgebungen (viel Schaum = Katalase hat pH-Opt. im neutralen Bereich), Temp.
(Temp.opt. liegt bei Temp. des Leitungswassers), Substratkonz. (viel Schaum = Substratkonz. ist
höher mehr Verarbeitung der Substratkonz. pro Zeit mögl.)
5. Vielfalt der Funktionen von Proteinen:
Abfolge der AS & spez., räuml. Form (Sekundär-, Tertiär-, Quartiärstruktur) eines Proteins im
Zusammenhang mit Funktion in Zelle
a.) Enzyme = Stoffwechselsteuerung/DNA-Polymerase
b.) Gerüstelemente = Festigung/Keratin in Haar
c.) Transportmoleküle = O2-Transport/Hämoglobin
d.) Hormone = Stoffwechselbeeinflussung/Insulin
e.) Rezeptormoleküle = Informationsweiterleitung
f.) kontrakile Moleküle = Bewegung/Muskelzellen
g.) Abwehrproteine = Immunreaktionen/Antikörper
Gentechnik:
1. Definition:
Gentechnik ist ein Verfahren, durch die fremde Gene in eine Zelle übertragen werden/transgene
Zellen: Zellen, die fremdes Gen in ihr Genom aufgenommen haben.
a.) Gewinnung des Gens: DNA-Abschnitt muss isoliert/hergestellt werden
b.) Gentransfer: DNA-Abschnitt muss durch Zellmembran in Zelle eingeschleust werden
c.) Vervielfältigung der transgenen Zelle
d.) Selektion transgener Zellen: Zellen, die Fremdgen aufgenommen haben, müssen erkannt &
herausgesucht werden
2. Gewinnung des Gens:
Gene lasse sich durch Restriktionsenzyme aus DNA-Molekül an Schnittstellen herausschneiden (in
Bakterien: zerschneiden eingedrungene DNA von Bakteriophagen)
a.) z.B. in Bakterien: schneiden DNA-Doppelstrang versetzt (an Schnittstellen entstehen kurze
Einzelstrang-DNA aus 4-6 Nukleotiden (sticky ends), Hybridisierung der Einzelstrang-Enden (Anfügen
des komplementären Strangs), Schneiden an best. Erkennungssequenzen (z.B. AATT)
b.) Umkopieren eines Gens von mRNA in DNA (mRNA aus Zellen, die gewünschtes Genprodukt
herstellen; Enzym Reverse Transkriptase nötig (aus Retroviren); Schritte: 1. mRNA aus Zellen
isolieren, 2. Einzelstrang-DNA-Synthese (Zugabe von DNA-Nukleotiden & Reverse Transkriptase), 3.
Trennung der mRNA vom DNA-Einzelstrang, 4. Ergänzung des DNA-Einzelstrangs komplementär zum
Doppelstrang mit DNA-Polymerase cDNA
c.) In-vitro-Synthese eines Gens: AS-Sequenz-Analyse des gewünschten Proteins; Code-Sonne
(Basensequenz der DNA); Synthese des entspr. DNA-Doppelstrangs
