Die pH-Skala dient zur Messung des Säure- bzw. Basengehalts einer Probe und beschreibt, wie viele Wasserstoffionen bzw. Hydroxidionen in der Probe vorhanden sind. Änderungen des pH-Werts führen zur Ionisierung von Atomen und Molekülen der Aminosäuren, verändern die Form und Struktur von Proteinen und beeinträchtigen dadurch deren Funktion. Enzyme sind ebenfalls Proteine und werden daher ebenfalls durch pH-Änderungen beeinflusst. Sehr hohe oder sehr niedrige pH-Werte können zum vollständigen Verlust der Aktivität der meisten Enzyme führen. Der pH-Wert, bei dem ein Enzym die höchste Aktivität aufweist, wird als optimaler pH-Wert bezeichnet.

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

Einfluss des pH-Werts auf die Enzymaktivität

Die Struktur eines Enzyms hat einen maßgeblichen Einfluss auf seine Aktivität. Mit anderen Worten: Strukturänderungen des Enzyms beeinflussen die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Ändert sich der pH-Wert des Reaktionsmediums, verändern sich Form und Struktur des Enzyms. So kann der pH-Wert beispielsweise den Ionisationszustand saurer oder basischer Aminosäuren beeinflussen. In den Seitenketten saurer Aminosäuren befinden sich Carboxylgruppen, in den Seitenketten basischer Aminosäuren aminhaltige funktionelle Gruppen. Wird der Ionisationszustand der Aminosäuren im Protein verändert, ändern sich auch die ionischen Bindungen, die die dreidimensionale Struktur des Proteins stabilisieren. Dies kann zu Funktionsänderungen des Proteins oder zur Inaktivierung des Enzyms führen.

Einfluss des pH-Werts auf Substrate

Der pH-Wert beeinflusst nicht nur die Enzymaktivität, sondern auch Ladung und Konformation des Substrats, sodass das Substrat nicht an das aktive Zentrum binden kann oder nicht zur Produktbildung katalysiert wird. In einem engen pH-Bereich können strukturelle und morphologische Veränderungen von Enzymen und Substraten reversibel sein. Bei ausgeprägten pH-Verschiebungen können Enzym und Substrat jedoch denaturieren. In diesem Fall erkennen Enzym und Substrat einander nicht mehr, sodass keine Reaktion stattfindet.

Optimaler pH-Wert

Alle Enzyme besitzen einen idealen pH-Wert, den sogenannten optimalen pH-Wert. Unter optimalen pH-Bedingungen zeigt jedes Enzym seine maximale Aktivität. So ist der optimale pH-Wert eines Enzyms, das im sauren Milieu des menschlichen Magens wirkt, niedriger als der eines Enzyms, das im neutralen Milieu des menschlichen Blutes aktiv ist. Weicht der pH-Wert von den idealen Bedingungen ab, verlangsamt sich die Enzymaktivität und kommt schließlich zum Stillstand. Enzyme besitzen am Substratbindungsbereich ein aktives Zentrum, dessen Konformation sich mit dem pH-Wert verändert. Abhängig vom Ausmaß der pH-Änderung und der Empfindlichkeit des Enzyms können diese Veränderungen das Enzym dauerhaft „schädigen“ oder – sobald die Bedingungen wieder in den für das Enzym geeigneten Bereich zurückkehren – reversibel sein, sodass das Enzym seine normale Funktion wiedererlangt.

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