Aktivierungsenergie und die Wirkung von Enzymen

Ein Löffel Zucker löst sich in heißem Tee schnell auf, in kaltem Wasser jedoch nicht – obwohl die Ausgangs- und Endstoffe identisch sind. Zellen stehen vor einem ähnlichen Problem: Zwar können die für das Leben notwendigen Moleküle vorhanden und die Bildung der Produkte energetisch günstig sein, doch die Reaktion läuft dennoch nur schleppend ab. Oft liegt dies an einer energetischen Hürde, die überwunden werden muss, bevor ein Produkt entsteht. In dieser Lektion erfahren Sie, wie Enzyme diese Hürde verändern, ohne dabei das Ziel zu beeinflussen, auf das die Reaktion letztlich zusteuert.

Betrachten wir einige Reaktionsbeispiele, bei denen die Geschwindigkeit eine entscheidende Rolle spielt.

❗ IRRTUM Wenn eine Reaktion ein negatives $\mathrm{\Delta }G\backslash Delta\; G$ aufweist, sollte sie schnell ablaufen. Warum sich das intuitiv anfühlt: „Bergab“ klingt nach „schnell“.

✅ DIE REALITÄT $\mathrm{\Delta }G\backslash Delta\; G$ gibt den gesamten Energieunterschied zwischen Produkten und Edukten an, nicht die Höhe der anfänglichen Barriere, die die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmt.

Das Energiediagramm in Prüfungen

Bevor wir uns das Diagramm ansehen, eine kurze Vorbemerkung: Bei einer chemischen Reaktion werden Atome durch das Brechen und Bilden von Bindungen neu angeordnet. Diese Umordnung erfordert Zusammenstöße in der richtigen Ausrichtung und mit ausreichender Energie, um eine kurzlebige, energiereiche Konfiguration zu erreichen – den sogenannten Übergangszustand. Dies ist eine molekulare Anordnung, die auf halbem Weg zwischen Edukten und Produkten liegt.

In einem Energiediagramm beschriften wir zunächst die Strukturen in der Abbildung und ordnen ihnen dann eine Bedeutung zu.

• Reaktionskoordinate: die horizontale Achse, die den Fortschritt von den Edukten zu den Produkten darstellt (nicht die Zeit).
• Freie Energie ($GG$): die vertikale Achse, die die nutzbare Energie bei konstanter Temperatur und konstantem Druck angibt.
• Edukte und Produkte: die Täler am Anfang und am Ende der Kurve.
• Aktivierungsenergie ($E_{a}E\_a$): der Energieunterschied von den Edukten bis zum Gipfel des Übergangszustands.
• $\mathrm{\Delta }G\backslash Delta\; G$: der Energieunterschied zwischen Produkten und Edukten, gemessen von Tal zu Tal.

Versuchen Sie, die Pfeile selbst zuzuordnen, bevor Sie sich die Erklärung ansehen.

Sobald die Beschriftungen stimmen, ergibt sich die Logik von selbst. Bei $E_{a}E\_a$ geht es darum, wie schwierig es ist, den Übergangszustand zu erreichen. Ein höherer Gipfel bedeutet, dass bei einer gegebenen Temperatur weniger reagierende Moleküle über genügend Energie verfügen; folglich sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit. $\mathrm{\Delta }G\backslash Delta\; G$ gibt an, welche Seite energetisch niedriger liegt; dies bestimmt die Lage des Gleichgewichts, nicht jedoch, wie schnell dieses erreicht wird.

Was Enzyme verändern – und was nicht

Ein Enzym ist ein biologischer Katalysator – meist ein Protein –, der eine Reaktion beschleunigt, indem er einen alternativen Reaktionsweg mit niedrigerer Aktivierungsenergie bereitstellt. Strukturell ist das entscheidende Merkmal das aktive Zentrum des Enzyms: eine Tasche, deren Form und chemische Gruppen Substrate binden und den Übergangszustand durch zahlreiche schwache Wechselwirkungen stabilisieren.

Zeit für eine Prognose: Wenn ein Enzym $E_{a}E\_a$ senkt, was geschieht dann mit der Gleichgewichtslage zwischen Edukten und Produkten?

• A. Das Gleichgewicht verschiebt sich in Richtung der Produkte.
• B. Das Gleichgewicht verschiebt sich in Richtung der Edukte.
• C. Das Gleichgewicht verändert sich nicht.

Betrachten Sie den Vergleich anhand der gegenübergestellten Diagramme.