Die pH-Skala wird verwendet, um die Säure oder Alkalität einer Probe zu messen und beschreibt, wie viele Wasserstoffionen oder Hydroxide in der Probe vorhanden sind. Die Veränderung des pH-Werts führt zur Ionisierung von Aminosäureatomen und -molekülen, verändert die Form und Struktur von Proteinen und schädigt dadurch die Funktion der Proteine. Enzyme sind ebenfalls Proteine und werden ebenfalls durch Veränderungen des pH-Werts beeinflusst. Sehr hohe oder sehr niedrige pH-Werte führen zum vollständigen Verlust der Aktivität der meisten Enzyme. Der pH-Wert, bei dem das Enzym am aktivsten ist, wird als optimaler pH-Wert bezeichnet.

Abbildung 1. Einfluss des pH-Werts auf die Reaktionsgeschwindigkeit.

pH beeinflusst die Enzymaktivität

Die Struktur des Enzyms hat einen großen Einfluss auf die Aktivität des Enzyms. Mit anderen Worten: Veränderungen in der Struktur des Enzyms beeinflussen die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Wenn sich der pH-Wert des Reaktionsmediums ändert, verändern sich die Form und Struktur des Enzyms. Zum Beispiel kann der pH-Wert den Ionisationszustand von sauren oder basischen Aminosäuren beeinflussen. An der Seitenkette saurer Aminosäuren befinden sich Carboxyl-Funktionsgruppen. In der Seitenkette basischer Aminosäuren befinden sich aminhaltige Funktionsgruppen. Wenn sich der Ionisationszustand der Aminosäuren im Protein ändert, verändern sich die Ionenbindungen, die die dreidimensionale Form des Proteins aufrechterhalten. Dies kann zu Veränderungen der Proteinfunktion oder zur Inaktivierung von Enzymen führen.

pH beeinflusst Substrate

Der pH-Wert beeinflusst nicht nur die Aktivität des Enzyms, sondern auch die Ladung und Form des Substrats, sodass das Substrat nicht an das aktive Zentrum binden oder nicht katalysiert werden kann, um ein Produkt zu bilden. In einem engen pH-Bereich können die strukturellen und morphologischen Veränderungen von Enzymen und Substraten reversibel sein. Wenn sich der pH-Wert jedoch erheblich ändert, können Enzym und Substrat denaturiert werden. In diesem Fall erkennen sich Enzym und Substrat nicht mehr, sodass keine Reaktion stattfindet.

Optimaler pH-Wert

Alle Enzyme haben einen idealen pH-Wert, der als optimaler pH-Wert bezeichnet wird. Unter optimalen pH-Bedingungen zeigt jedes Enzym die maximale Aktivität. Zum Beispiel ist der optimale pH-Wert eines Enzyms, das in der sauren Umgebung des menschlichen Magens arbeitet, niedriger als der eines Enzyms, das in der neutralen Umgebung des menschlichen Blutes arbeitet. Wenn der pH-Wert von den idealen Bedingungen abweicht, verlangsamt sich die Aktivität des Enzyms und stoppt schließlich. Das Enzym besitzt eine aktive Stelle an der Substratbindungsstelle, und die Form der aktiven Stelle ändert sich mit dem pH-Wert. Je nach Ausmaß der Veränderungen von Enzym und pH-Wert können diese Veränderungen das Enzym dauerhaft „zerstören“, oder das Enzym kehrt, sobald die Bedingungen wieder im gewünschten Bereich liegen, zur normalen Funktion zurück.

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