Mannschaftswettbewerb Informatik 2004

 

Stoff-Wechsel  -  Der ewige Kreislauf

Da ist er also der Kreislauf der Dinge oder besser der Stoffe ...
Wie aus dem Chemieunterricht bekannt, sind für die erfolgreiche Umwandlung von Stoffen in den Zellen Biokatalysatoren, die Enzyme, verantwortlich. Die mehr als 2000 bekannten Enzyme zeigen unterschiedlichste substrat- und wirkungsspezifische Eigenschaften. Dennoch ist der Vorgang generalisierbar und somit allgemein beschreibbar.
Als Biokatalysator ermöglichen die Enzyme die Stoffumwandlung bei einem niedrigem Energieniveau (Abb.1). Ein Substrat wird von einem Enzym in Produkte umgewandelt, sofern das Enzym zum Substrat passt (Schloss-Schlüssel-Modell). Da Enzyme Proteine sind, hat jedes Enzym hat eine typische Primärstruktur (Aminosäuresequenz) und deshalb auch eine einzigartige Konformation (räumliche Struktur der Proteine). Der Prozess der Stoffumwandlung ist größtenteils eine Gleichgewichtsreaktion, die sowohl von der Konzentration des Substrats als auch von der Konzentration des Enzyms abhängig ist (Abb.2). Sie entspricht grundsätzlich einer Reaktion 2. Ordnung:

v = - d[Substrat]/dt = k1[Substrat][Enzym]
k1=konstanter Geschwindigkeitsfaktor der Hinreaktion; [ ] = Konzentration; d = Änderung

 Um die Hälfte der maximalen Reaktionsgeschwindigkeit Vmax zu erreichen, ist eine bestimmte Menge km an Substrat notwendig. Die katalytischen Fähigkeiten eines Enzyms können also durch Km charakterisiert werden. Jedes Substrat einer gegebenen enzymatischen Reaktion hat eine eigene Km und Vmax. Die Gleichung, die die Kurve in Abb. 5 beschreibt ist die Michaelis-Menten-Gleichung :
Die Reaktionsfähigkeit von Enzymen ist weiterhin vom pH-Wert und der Temperatur abhängig. Bei ungünstigen Bedingungen kommt es zur Zerstörung der Konformation (Denaturierung). Bei kleinen Schwankungen kann die Struktur wieder hergestellt werden (Renaturierung).
Für jedes Enzym gibt es einen optimalen pH-Wert (Abb. 4). Bei manchen Reaktionen verändert sich durch die Produkte der pH-Wert der Umgebung, was zu einer Veränderung der Wirkungsfähigkeit führen kann.
Die meisten Enzyme besitzen ebenfalls ein Temperaturoptimum (Abb. 3). Oberhalb von 70° C kann von einer irreversiblen Denaturierung ausgegangen werden.

Die Wirkung von Enzymen wird weiterhin durch die Existenz anderer Stoffe in den Zellen beeinflusst. Im ungünstigen Fall kommt es durch so genannte Inhibitoren (Hemmstoffe) zu Einschränkungen ihrer Aktivität. Man unterscheidet reversible und irreversible Hemmung und nach der Art der Einschränkung zwischen kompetitiver  und nicht kompetitiver (allosterisch) Hemmung (Abb. 6). Eine kompetitive Hemmung ist die Blockierung des Aktivitätszentrums durch einen Inhibitor mit einer dem Substrat ähnlichen Struktur. Bei der allosterischen Hemmung setzt der Inhibitor nicht im Aktivitätszentrum an, sondern an einer beliebigen anderen Stelle. Dennoch wird die Bildung von Enzym-Substrat-Komplexen verhindert. Reversible Hemmungen führen stets zu einer Verlangsamung der Reaktion, d.h. die Hemmung ist nur kurzweilig. Die Beeinflussung der Hemmung erfolgt über die Veränderung des Konzentrationsverhältnisses Substrat-Hemmstoff.
Eine positive Form der Einschränkung ist die allosterische Endprodukthemmung (Feedback-Inhibition) (Abb. 7), die das Entstehen stabiler Gleichgewichtslagen fördert. Dagegen führen irreversible Hemmungen (z.B. durch Giftstoffe, Schwermetalle) zum nachhaltigen Ausfall der Enzyme und möglicherweise zu absterben der Organismen.
Weitere Informationen unter www.biokurs.de.

Die Aufgabe

Erarbeiten Sie ein universelles Modell eines "Enzym-Reaktors" mit folgenden Prämissen:
  1. Die Parameterisierung sollte möglichst viele der oben geschilderten Sachverhalte berücksichtigen!
  2. Das Modell soll informationstechnisch gut strukturiert und erweiterbar sein!
  3. Ihr Modell soll im Unterricht eingesetzt werden. Übertragen Sie die Veranschaulichung auf ein beliebiges (möglichst Schüler interessierendes) Gebiet (z.B. Enzyme sind Schuhe)!
  4. Programmieren Sie weitestgehend Ihre Idee!
  5. Dokumentieren Sie die Punkte 1 bis 3 in einer Präsentation (Redezeit: 5min)!

Quelle: Lehrbuch Biologie heute SII, Schroedel Verlag
Abbildungen (Quelle: www.biokurs.de und Lehrbuch Biologie Oberstufe, Cornelson)                                             [zurück]

Abb.1                                                                                    Abb.2 

Abb3                                                             Abb. 4                                                  Abb. 5
 
Abb. 6                                                                                                 Abb. 7