Enzymaktivität aufgetragen gegen pH

Enzyme sind biologische Katalysatoren. Das heißt, sie sind Proteine, die in lebenden Organismen produziert werden und chemische Reaktionen unterstützen. Ohne Enzyme würden die chemischen Reaktionen in Ihrem Körper nicht schnell genug ablaufen, um Sie am Leben zu erhalten. Jedes Enzym hat optimale Betriebsbedingungen – die Umgebung, die es ihnen ermöglicht, mit maximaler Effizienz zu arbeiten. Einer der wichtigsten Umweltparameter, der die Enzymaktivität beeinflusst, ist der pH-Wert, wobei jedes Enzym einen einzigartigen optimalen Wert hat.

Enzyme wirken, indem sie die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion. Sie können sich eine chemische Reaktion so vorstellen, als würden Sie einen Sitzsack in einen Eimer stecken, außer dass zwischen dem Sitzsack und dem Eimer eine 3-Fuß-Wand ist. Sie können über die Wand klettern und den Sitzsack in den Eimer legen, aber wenn Sie die Hilfe eines Enzyms hätten, wäre die Wand nur 2 Fuß hoch statt 10 oder 100 oder 1000. Das Endergebnis ist das gleiche, egal wie hoch die Wand ist, aber Sie können viel mehr Sitzsäcke in Eimer legen, wenn die Wand niedrig ist. Das gleiche gilt für Enzyme: Das chemische Endprodukt ist mit oder ohne Enzym gleich, aber es werden viel mehr Reaktionen ablaufen, wenn das Enzym vorhanden ist.

Wir denken an den pH-Wert als Maß für den Säuregehalt, was er ist. Essig ist leicht sauer, hat also einen pH-Wert von etwa 4, während Backpulver basisch ist und einen pH-Wert von etwa 8 hat. Eine neutrale Lösung – weder sauer noch basisch – hat einen pH-Wert von 7.

Auf molekularer Ebene kann der pH-Wert etwas anders sein. Ein niedriger pH-Wert bedeutet, dass eine Lösung viele zusätzliche Protonen enthält, während ein hoher pH-Wert bedeutet, dass viele Hydroxidionen vorhanden sind – Sauerstoff und Wasserstoff zusammen. Bei niedrigem pH-Wert werden die positiven Ladungen der Protonen in der Lösung von Bereichen mit negativer Ladung angezogen und rasten ein. Bei hohem pH-Wert suchen die OH-Ionen, die negativ sind, nach positiver Ladung und verriegeln sich.

Enzyme sind komplizierte Proteine, die einzelne Atome oder Moleküle genau richtig zusammenbringen, um die Aktivierungsenergie zu senken. Sie sind in der Lage, dies zu tun, weil sie geformt sind. Die Form eines Proteins hängt teilweise von der elektrostatischen Anziehung zwischen seinen verschiedenen Teilen ab. Zum Beispiel haben einige Teile eine leicht negative Ladung und andere eine leicht positive, sodass diese Regionen des Proteins zueinander gebogen sind.

In Lösungen mit niedrigem pH-Wert verbinden sich die zusätzlichen positiven Ladungen mit negativen Proteinregionen. In Lösungen mit hohem pH-Wert heften sich die zusätzlichen negativen Ladungen an die positiven Regionen eines Proteins. Wenn sie einrasten, wird die elektrostatische Anziehung beseitigt und das Protein ändert seine Form. Da die Aktivität eines Enzyms von seiner Form abhängt, verlangsamt es sich und hört schließlich auf zu arbeiten, wenn der pH-Wert zu niedrig oder zu hoch wird.

Verschiedene Enzyme funktionieren in Regionen mit unterschiedlichem pH-Wert. Magenenzyme zum Beispiel funktionieren am besten bei einem niedrigen pH-Wert von etwa 2. Aber unabhängig vom spezifischen pH-Wert, bei dem ein Enzym am besten funktioniert, ist die Enzymaktivität beim niedrigsten pH-Wert niedrig und steigt beim optimalen pH-Wert auf ein Maximum an. Die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt dann mit steigendem pH-Wert ab. Innerhalb eines engen Bereichs um das Optimum kann das Enzym seine Aktivität wiedererlangen, wenn der pH-Wert wieder optimal ist. Außerhalb dieses Bereichs wird die Form des Enzyms jedoch so verzerrt, dass es sich nicht mehr normalisieren kann.