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Biokatalysatoren sind Biopolymere, das heißt Polymere, die vom Organismus selbst synthetisiert werden. Ihre Aufgabe ist es, biochemische Prozesse zu beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen. Der Katalysator ist zwar an der chemischen Reaktion beteiligt und wird dabei verändert, liegt nach der Reaktion jedoch unverändert vor, sodass er an weiteren Reaktionszyklen wirken kann.
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Feedback sendenBiokatalysatoren sind unter anderem an folgenden Prozessen beteiligt:
Verdauung, also die Spaltung von Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißen
Blutgerinnung
Zellerneuerung
Herstellung von Wein, Bier, Käse und anderen Nahrungsmitteln.
Eine Art der Biokatalysatoren sind Enzyme. Diese bestehen aus Ketten von Aminosäuren und können bestimmte Substrate (Substratspezifität) in nur eine bestimmte Möglichkeit katalysieren, auch wenn es mehrere Möglichkeiten gäbe (Wirkungsspezifität). Dabei entsteht also ein bestimmtes Produkt, abhängig von der Art des Enzyms.
Enzyme können auch an ein Trägermaterial gebunden werden. Diese werden immobilisierte Enzyme genannt. Dadurch bleibt der Biokatalysator länger stabil und kann besser vom Reaktionsgemisch entfernt werden, wodurch sie eine besondere Bedeutung für die Industrie erlangen.
Des Weiteren gibt es Biokatalysatoren aus Ribonukleotiden, die katalytisch wirksame Ribonukleinsäuren, welche zu den selteneren Ribozymen gehören.
Ribozyme sind katalytisch aktive RNA-Moleküle, welche neben Enzymen ebenfalls chemische Reaktionen katalysieren. Sie sind zum Beispiel an der Replikation von RNA-Viren und bei Teilschritten des Spleißens beteiligt, können aber auch als molekularbiologische Werkzeuge eingesetzt werden.
Ein Biokatalysator funktioniert auf die gleiche Weise, wie ein Enzym, da Enzyme zu den Biokatalysatoren gehören. Grundsätzlich bindet ein bestimmtes Substrat an einen Biokatalysator, welcher dann, mithilfe des aktiven Zentrums, umgesetzt wird. Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Umsetzung des Substrats, aber das aktive Zentrum katalysiert immer nur eine bestimmte Möglichkeit, abhängig von der Art des Katalysators.
Nachdem das Endprodukt hergestellt wurde und sich vom aktiven Zentrum gelöst hat, liegt der Biokatalysator unverändert vor. Die Aktivität von Biokatalysatoren kann durch Hemmstoffe, hohe oder niedrige Temperaturen, Säuren, Basen, Schwermetalle und Reduktionsmitteln herabgesetzt oder eingestellt werden.
Abbildung 1: Wirkungsweise eines Enzyms/Biokatalysators und Formung des Enzym-Substrat-Komplexes
Durch die Funktion der Biokatalysatoren erhalten sie eine wichtige Bedeutung für Organismen und finden Verwendung in den unterschiedlichsten Bereichen:
Die wichtigste Aufgabe der Biokatalysatoren ist der Erhalt des Lebens, da sie eine der größten Rollen in den Stoffwechselprozessen aller lebenden Organismen spielen. Dazu gehören die Photosynthese, die Translation und Transkription, die DNA-Replikation, die Glycolyse und viele weitere Prozesse. Des Weiteren sind Biokatalysatoren in Form von Enzymen von besonderer Bedeutung für den menschlichen Körper. Peptidasen, Glykosidasen und Lipasen sind zum Beispiel für die Verdauung, also für die Spaltung von Eiweißen, Polysacchariden und Fetten verantwortlich.
Im unspezifischen Immunsystem des Menschen spielen Enzyme ebenfalls eine Rolle (zum Beispiel Serinproteasen) und wirken so dem Schutz des Organismus bei. Auch bei der Reizaufnahme und -weitergabe sind Enzyme wichtig, da häufig Rezeptoren mit enzymatischer Wirkung beteiligt sind. Die Hormonaktivierung und -deaktivierung geschieht durch Enzyme. Somit sind Biokatalysatoren Bedingung für das Leben auf der Erde.
Neben den wichtigen Aufgaben, die Biokatalysatoren im Organismus haben, erfüllen sie noch viele andere Zwecke.
Die wichtigsten Katalysatoren beziehungsweise Enzyme der Industrie sind
Bei der Lederverarbeitung sind Proteasen wichtig für das Weichen und Enthaaren von Leder.
Proteasen sind ebenfalls relevant für die Milchgerinnung bei der Käseherstellung.
Die medizinische Diagnostik arbeitet mit enzymatischen Messungen: In einem Teststreifen zur Erkennung von Diabetes befindet sich ein Enzymsystem, das einen bestimmten Stoff bei Einwirkung von Blutzucker produziert. Die Konzentration des Stoffes kann gemessen werden und so auch gleichzeitig der Blutzuckerspiegel.
Abbildung 2: Anwendungsgebiete und Marktvolumen von Biokatalysatoren 2008
Biokatalysatoren sind Polymere, die von einem Organismus synthetisiert wurden.
Sie beschleunigen biochemische Prozesse, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen.
Sie liegen nach der Reaktion unverändert vor.
Biokatalysatoren beziehungsweise Enzyme sind notwendig für das Leben.
Einige Enzyme haben eine große Bedeutung in der Industrie und finden unter anderem Verwendung in Waschmitteln, Lebensmittelproduktionen und medizinischen Verfahren.
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Was ist ein Biokatalysator?
Ein Biokatalysator ist ein Biopolymer, dessen Aufgabe es ist, biochemische Prozesse zu beschleunigen, indem er die Aktivierungsenergie herabsetzt. Der Katalysator ist zwar an der chemischen Reaktion beteiligt und wird dabei verändert, liegt nach der Reaktion jedoch unverändert vor, sodass er an weiteren Reaktionszyklen wirken kann.
Warum wird ein Enzym als Biokatalysator bezeichnet?
Biokatalysatoren haben die Aufgabe, biochemische Prozesse zu beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen. Enzyme sind eine Art der Biokatalysatoren und erfüllen diese Aufgabe ebenfalls. Eine andere Art der Biokatalysatoren sind unter anderem die Ribozyme.
Wie funktioniert ein Biokatalysator?
Ein Biokatalysator funktioniert auf die gleiche Weise wie ein Enzym, da Enzyme zu den Biokatalysatoren gehören. Grundsätzlich bindet ein bestimmtes Substrat an einen Biokatalysator, welcher dann, mithilfe des aktiven Zentrums, umgesetzt wird. Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Umsetzung des Substrats, aber das aktive Zentrum katalysiert immer nur eine bestimmte Möglichkeit, abhängig von der Art des Katalysators. Nachdem das Endprodukt hergestellt wurde und sich vom aktiven Zentrum losgelöst hat, liegt der Biokatalysator unverändert vor.
Sind alle Enzyme Biokatalysatoren?
Da alle Enzyme in einem Organismus synthetisiert werden, gehören auch alle Enzyme zu den Biokatalysatoren. Sie erfüllen die Aufgabe des Beschleunigens von biochemischen Prozessen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen.
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Lily Hulatt ist Digital Content Specialist mit über drei Jahren Erfahrung in Content-Strategie und Curriculum-Design. Sie hat 2022 ihren Doktortitel in Englischer Literatur an der Durham University erhalten, dort auch im Fachbereich Englische Studien unterrichtet und an verschiedenen Veröffentlichungen mitgewirkt. Lily ist Expertin für Englische Literatur, Englische Sprache, Geschichte und Philosophie.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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