Alle Enzyme haben einen bestimmten pH-Bereich, in dem sie am besten funktionieren. Ein Enzym ist ein Protein, das aus Molekülen besteht, die als Aminosäuren bezeichnet werden, und diese Aminosäuren haben Regionen, die gegenüber dem pH-Wert empfindlich sind. Die pH-Skala definiert, wie sauer oder basisch eine Lösung ist, wobei ein niedriger pH-Wert sauer und ein hoher pH-Wert basisch ist. Der menschliche Magen hat einen pH-Wert von 2, und Enzyme, die im Magen arbeiten, sind angepasst, um bei diesem pH-Wert zu funktionieren.
Magen hat einen niedrigen pH-Wert
Wenn wir Nahrung und Getränke zu uns nehmen, kommen Bakterien mit. Unser Körper ist in der Lage, sich vor Infektionen zu schützen, indem er Bakterien im Magen abtötet. Bei einem pH-Wert von 2 ist der Magensaft sauer genug, um die aufgenommenen Bakterien abzutöten. Die Zellen, die den Magen auskleiden – sogenannte Parietalzellen – sezernieren Salzsäure oder HCl, und diese Säure verleiht den Magensäften ihren niedrigen pH-Wert. HCl verdaut keine Nahrung, aber es tötet Bakterien ab, hilft beim Abbau des Bindegewebes im Fleisch und aktiviert Pepsin, das Verdauungsenzym des Magens.
Pepsin verdaut Protein
Hauptzellen, die auch den Magen auskleiden, produzieren ein Proenzym namens Pepsinogen. Wenn Pepsinogen mit der sauren Umgebung des Magens in Kontakt kommt, katalysiert es eine Reaktion, um sich selbst zu aktivieren und wird zum aktiven Enzym namens Pepsin. Pepsin ist eine Protease oder ein Enzym, das chemische Bindungen in Proteinen bricht. Pepsin nutzt die Carbonsäuregruppe einer seiner Aminosäuren, um die chemische Bindung zwischen Stickstoff und Sauerstoff in den Proteinen der Nahrung aufzubrechen.
Pepsin-Funktionen bei pH 2
Der Grund, warum Pepsin bei pH 2 am besten funktioniert, liegt darin, dass sich die Carbonsäuregruppe an der Aminosäure im aktiven Zentrum des Enzyms in ihrem protonierten Zustand befinden muss, dh an ein Wasserstoffatom gebunden ist. Bei niedrigem pH-Wert wird die Carbonsäuregruppe protoniert, wodurch sie die chemische Reaktion zum Aufbrechen chemischer Bindungen katalysieren kann. Bei pH-Werten über 2 wird die Carbonsäure deprotoniert und kann somit nicht mehr an chemischen Reaktionen teilnehmen. Pepsin ist bei pH 2 am aktivsten, wobei seine Aktivität bei höherem pH abnimmt und bei pH 6,5 oder darüber vollständig abfällt. Im Allgemeinen hängt die Enzymaktivität vom pH-Wert ab, da die katalytische Gruppe eines Enzyms – im Fall von Pepsin die Carbonsäure Gruppe -- wird entweder protoniert oder deprotoniert, und dieser Zustand bestimmt, ob sie an einer Chemikalie teilnehmen kann oder nicht Reaktion.
Pepsin inaktiv bei höherem pH
Nach der Verdauung im Magen gelangt die Nahrung durch den Pylorussphinkter in den Zwölffingerdarm des Dünndarms, wo der pH-Wert viel höher ist. Pepsin wird in dieser Umgebung inaktiv, da die Konzentration der Wasserstoffatome geringer ist. Der Wasserstoff an der Carbonsäure von Pepsin im aktiven Zentrum des Enzyms wird dann entfernt und das Enzym wird inaktiv. Die von Pepsin katalysierte chemische Reaktion hängt von der Anwesenheit einer protonierten Carbonsäure ab, daher hängt die Aktivität des Enzyms stark vom pH-Wert der Lösung ab, in der es sich befindet. Niedriger pH-Wert führt zu hoher Aktivität und hoher pH-Wert führt zu geringer oder keiner Aktivität.