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Hausarbeit Biologie - Enzyme/
In der Vergangenheit wurden im Kampf gegen Hunger und Proteinmangel von den Industriestaaten Millionen Tonnen Trockenmilchpulver nach Afrika, Asien und Südamerika geschickt. Die Hilfe hatte jedoch nachteilige Folgen. Die Milch löste Durchfälle und Darmkrämpfe bei der einheimischen Bevölkerung aus. 1965 fand man die Ursache heraus: Der in der Milch vorhandene Milchzucker, die Lactose, kann durch Mangel an dem Enzym Lactase nicht abgebaut werden und löst die Symptome aus.
Nennen Sie Regionen der Erde, in denen diese so genannte Lactoseintolleranz verbreitet ist. Versuchen Sie eine Erklärung für die Unterschiedliche Häufigkeit des Enzymmangels zu geben. Beachten Sie dabei, dass Lactoseintoleranz bei Säuglingen überall auf der Welt sehr selten ist.
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Lactoseintoleranz ist vor allem in afrikanischen, asiatischen und südeuropäischen, sowie Regionen im Mittelmeerraum auffindbar. Jedoch weisen Eingeborene wie Eskimos und Indianer Nordamerikas eine Lactoseintoleranz auf. Eine Lactoseintoleranz ist bei Säuglingen weltweit sehr selten, da die in der Milch vorhandene Lactose im Säuglingsalter zur Verdauung verwendet wird. Der menschliche Körper ist darauf programmiert die Herstellung dieses Enzyms im dritten Lebensjahr einzustellen, da ein Kind in diesem Alter normalerweise entwöhnt ist. Allerdings ist die Milch für viele Kinder und Erwachsene ein Energie spendendes Nahrungsmittel geworden und liefert zudem Vitamin D. Vitamin D wird für die Aufnahme Calciums im Darm und den Auf- und Abbau der Knochen benötigt. Der menschliche Körper ist in der Lage es durch die UV-Strahlen der Sonne selbst zu binden. In langen Wintern jedoch ist er auf das Vitamin in der Nahrung angewiesen. Aus diesem Grund muss das Trinken von Milch den in nordischen Ländern, wie beispielsweise Nord- und Mitteleuropa, lebenden Menschen einen Evolutionsvorteil verschaffen haben, weshalb eine Lactoseverträglichkeit entstehen konnte. Menschen mit Lactosetoleranz bilden noch im Erwachsenenalter genügend Lactase um die Lactose der Milch verdauen zu können. Südeuropäer und Afrikaner stellen beispielsweise die Lactasebildung im Körper nach dem Säuglingsalter völlig ein, da das Trinken von Milch nicht von so großer Bedeutung ist wie für Nordamerikaner, die außerdem eine eigene Milchwirtschaft besitzen. Zudem können diese Volksgruppen Vitamin D durch das in ihrer Region vorherrschende sonnige Klima gut selbst bilden. Durch die entstandene
Lactoseintoleranz kann die Einnahme von (Trocken)Milch zu Durchfall, Blähungen oder Darmkrämpfen führen.
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k Bei vielen wechselwarmen Tieren wie Schlangen und Eidechsen kann man beobachten, dass sie sich nach kühleren Nächten zunächst länger an sonnigen Stellen aufhalten, bevor ihre eigentliche Aktivitätsphase beginnt. Erläutern sie diese Beobachtung.
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Viele wechselwarme Tiere wie Schlangen und Eidechsen halten sich nach kühleren Nächten eine längere Zeit an sonnigen Stellen auf, da ihre Körpertemperatur, welche von der jeweiligen Umgebungstemperatur bestimmt wird, einen bestimmten Wert erreichen muss, damit sich die Tiere bewegen können. Die Abhängigkeit der Enzyme von der Temperatur folgt einer Optimumskurve. Bis etwa 40 °C steigt die Reaktionsgeschwindigkeit. Deshalb sind in gemäßigten Zonen einheimische Arten nur während der warmen Monate aktiv, weil sie bei zu niedrigen Temperaturen nicht beweglich genug wären und zum Opfer anderer werden könnten.
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l Schildern sie an einem Beispiel den Aufbau und die Wirkungsweise von Enzymen.
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Ein Enzym ist eine Art "Biokatalysator". Es ist ein Eiweißstoff, den die lebende Zelle selbst bildet und der alle bio-chemischen Reaktionen nach Richtung und Geschwindigkeit beeinflusst. Ein Enzym besteht aus einem Eiweißkörper, der auch Apoenzym oder Trägersubstanz genannt wird. Ein weiterer Teil ist ein Nichteiweiß, die Wirkungsgruppe oder das Coenzym. Es ist ein Gebilde, das entweder aus einem Metallion oder einem organischem größerem Molekül besteht. Das gesamte Enzym nennt man Holoenzym. Der Teil, an dem die eigentliche Aktivität abläuft nennt man das aktive Zentrum, das auch die Art des umzusetzenden Substrats bestimmt. Am Aufbau des aktiven Zentrums sind Apo- und Coenzym beteiligt.
Pepsin beispielsweise zerlegt Proteine im Magen in Spaltstücke. Die Wirkungsweise eines Enzyms ist eine Eiweiß-Substrat-Reaktion. Das Enzym braucht das Substrat, dass in sein aktives Zentrum passt. Beispielsweise würde in das aktive Zentrum des Pepsins keine Glucose passen, da es kein Protein ist. Wenn das richtige Substrat gefunden ist, wird es gebunden und die Aktivierungsenergie gesenkt, die Reaktionsgeschwindigkeit aber erhöht. Es bildet sich ein Enzym-Substrat-Komplex und die Umsetzung läuft.
Nach der Umsetzung löst sich das Enzym vom entstandenen Produkt. Im Beispielfall wäre das Protein gespalten worden. Das Enzym hat sich nach
dieser Reaktion kaum verändert und kann somit wiederholt eingesetzt werden. Es werden am Enzym lediglich kleine Reparaturarbeiten durchgeführt.
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m Überlegen Sie, welchen Einfluss eine Erhöhung der Enzymkonzentration auf die Substratsättigungskurve nach MICHAELIS und MENTEN hätte. Skizzieren Sie den Kurvenverlauf.
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Eine Erhöhung der Enzymkonzentration hat eine ähnliche Auswirkung, wie eine Substraterhöhung. Wird bei konstanter Substratkonzentration die Enzymmenge erhöht, so steigt die Reaktionsgeschwindigkeit zunächst linear an. Die Vmax ist erreicht, sobald bei der hohen Enzymkonzentration alle Enzymmoleküle als Enzym-Substrat-Komplex vorliegen. Eine weitere Steigerung der Enzymkonzentration bewirkt keine weitere Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit V.
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o Unter den verschiedenen Enzymklassen bilden die Hydrolasen eine besonders große Gruppe. Nennen sie einige Hydrolasen und beschreiben Sie deren Funktion.
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Hydrolasen sind Enzyme, die Stoffe in reversibler Reaktion hydrolytisch
spalten. Beispiele sind Amidasen, Amylasen, Esterasen, Glycosidase, Hemicellulasen, Lactase, Peptidasen und Trypsin.
Trypsin beispielsweise, ein Verdauungsenzym im Dünndarm, spaltet Peptidbindungen. Die gespaltenen Eiweiße werden hydrolysiert, das bedeutet, dass sie sich an den freien Enden mit Wasser verbinden und Wassermoleküle an sich binden. Dadurch wird das Gewebe der aufgenommenen Nahrung weiter gedehnt, die Reaktionsoberfläche vergrößert sich und der Verdauungsvorgang beschleunigt sich in einem Selbstverstärkungsmechanismus.
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p Bei der Unersuchung eines Enzyms lässt sich nicht der erwartete Zusammenhang zwischen Enzymaktivität und Substratkonzentration finden. Welche Ursache vermuten Sie?
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Ursache für den fehlenden Zusammenhang zwischen Enzymaktivität und Substratkonzentration kann eine Hemmung sein. Es gibt drei Arten von Enzymhemmungen, die kompetetive Hemmung, die nicht-kompetetive Hemmung und die allosterische Hemmung.
Bei der kompetetiven Hemmung wird das Substrat durch einen Hemmstoff, welcher auch Inhibitor genannt wird, verdrängt, denn dieser ähnelt dem Substrat sehr stark. Das Substrat kann nicht umgesetzt werden und es entsteht kein Produkt. Man kann diese Hemmung jedoch mit einer Substraterhöhung beheben.
Bei einer nicht-kompetetiven Hemmung ähnelt der Inhibitor nicht dem Substrat und passt somit nicht in das aktive Zentrum. Aus diesem Grund hängt sich dieser an das Coenzym. Da sich die Form des aktiven Zentrums nun verändert hat, passt das Substrat nicht mehr hinein und kann somit nicht mehr umgesetzt werden. Jedoch lässt sich diese Hemmung, im Gegensatz zur kompetetiven Hemmung nicht durch eine Substraterhöhung beheben.
Bei der allosterischen Hemmung, welche auch Endprodukthemmung genannt wird, setzt sich ein Endprodukt in das allosterische Zentrum des Enzyms, welches aufgrund dessen seine Gestalt ändert. Somit passt das Substrat nicht mehr und es kommt nicht zu einer Umsetzung. Das Produkt verhindert seine eigene Bildung, was als Endprodukt- oder Feedbackhemmung oder negative Rückkopplung bezeichnet wird. Wenn der Körper das Endprodukt nun aber wieder benötigt, wird das allosterische Zentrum wieder frei gemacht. Das Enzym bekommt seine alte Form und es
kann wieder Spalten. Ein Beispiel dafür ist die ATP-Bildung. Je nachdem, ob zu viel oder zu wenig ATP im Körper vorhanden ist. Bei einem Überschuss von ATP im Körper wirkt es als allosterischer Stoff und hemmt somit seine
eigene Bildung.
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q Die Aktivität eines Enzyms ist nicht immer gleich hoch. Legen Sie dar, von welchen Faktoren sie abhängt und auf welche Weise sie im Stoffwechsel reguliert werden kann.
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Die Aktivität eines Enzyms hängt von der Temperatur, dem pH-Wert und anderen Einflüssen, wie Enzymgiften (Schwermetallionen, Säuren, Laugen, Alkohol) und speziellen Hemmstoffen (Inhibitoren) ab.
Die Enzymaktivität steigt mit steigender Temperatur bis ca. 30 °C - 40 °C. Danach fällt sie rapide auf Null, weil Enzyme aus Eiweiß bestehen und dieses bei ca. 40 °C beginnt zu denaturieren.
Schwermetallionen verändern das Enzym in seiner Form und blockieren es somit in seiner Tätigkeit. (Diese beiden Reaktionen sind nicht rückführbar (irreversibel)).
Alle Enzyme arbeiten in einem bestimmten pH-Bereich. Enzyme des Magens haben ihr Optimum im sauren Bereich (z. Bsp. Pepsin bei pH 2). Enzyme des Zwölffingerdarms hingegen arbeiten effektiv im basischen Bereich (z. Bsp. Trypsin bei pH 8). Fast alle Zellenzyme wie Katalose wirken im neutralen Bereich (pH 7) optimal. Ein Enzym des Magens könnte folglich nicht im Zwölffingerdarm mit seinem basischen pH-Wert tätig sein.
Durch eine Hemmung (siehe Aufgabe 7) wird ein Enzym ebenfalls in seiner Aktivität gehemmt.
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