4.VL Enzyme

Question 1

Was ist ein Katalysator?

Answer 1

• beschleunigt und spezifiziert die Reaktion

Question 2

Cofaktoren-Bedeutung und Arten

Answer 2

Cofaktor: Nicht-Protein-Teil im Protein, welcher anorganische (Metalle) und organische Anteile hat, und zur katalytische Aktivität notwendig ist

1. Prosthetische Gruppe: Ein organisches Molekül, das mit hoher Affinität oder kovalent an ein Enzym gebunden ist; die prosthetische Gruppe kann also nicht dissoziieren
2. Coenzym bzw. Cosubstrat: Ein niedermolekulares organisches Molekül, das nicht-kovalent an ein Enzym bindet und nach der Katalyse wieder dissoziiert
3. Metall-Ion: Metalloenzym

Question 3

Theorie des Übergangszustandes

Answer 3

Übergangszustand:

• Eine instabile Spezies, die sich auf dem Gipfel des Reaktionskoordinatendiagramms befindet
• Bindung sind am Entstehen oder Aufbrechen und der Zustand kann somit nicht isoliert werden

Question 4

Bedeutung und Anwendung der Theorie des Übergangszustandes

Answer 4

• Reaktionsgeschwindigkeit wird in Relation gesetzt zur Energiedifferenz ΔG# zwischen Grund- und Übergangszustand
• Senkung der Energiedifferenz ΔG# führt zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit
• Katalysatoren erniedrigen ΔG# und beschleunigen damit die Einstellung des Reaktionsgleichgewichts
• Stabilisierung des Übergangzustandes beschleunigt die Reaktionsgeschwindigkeit

Question 5

Eigenschaften eines Enzym-Substrat-Komplexes

Answer 5

• Das Substrat bindet vorübergehend an das aktive Zentrum des Enzyms (verschiedene Arten der Bindungen)
• Dadurch wird der Übergangszustand stabilisiert und verringert die freie Aktivierungsenergie
• Die höchste Bidnungsenergie gibt es zwischen Übergangszustand und Enzym

Question 6

Eigenschaften des aktiven Zentrums

Answer 6

1. Das aktive Zentrum wird durch eine dreidimensionale Spalte im Enzym gebildet. Sie besteht aus Gruppen unterschiedlicher Abschnitte der Aminosäure-Sequenz.
2. Das aktive Zentrum stellt nur einen kleinen Teil des Gesamtenzyms dar
3. Aktive Zentren schaffen ganz besondere Mikroumgebungen
4. Substrate werden durch viele schwache Wechselwirkungen an das Enzym gebunden.
5. Die Bindungsspezifität ist von der definierten Anordnung der Atome im aktiven Zentrum abhängig

Question 7

Ordnungen der Enzymkinetik

Answer 7

1. Ordnung: A → P… V=k[A]
   linearer Verlauf “doppelte Konzentration=doppelte Geschwindigkeit”
2. Ordnung: 2A → P V=k[A]²
   quadratischer Verlauf
   oder
   A+B → P V=k[A][B]
   verläuft linear

Question 8

Was sind Enyzme?

Answer 8

• Proteine
• fungieren als Katalysatoren
• verringern die Aktivierungsenergie
• beschleunigen Knüpfung und Modifikation kovalenter Bindungen
• beschleunigen lediglich eine Reaktion
• Enzyme werden nicht verbraucht
• beschleunigen chemische Reaktion um Faktor 10^8 – 10^20

Question 9

Welche Annahmen für die Michaelis-Menten Gleichung getroffen worden ist und wieso?

Answer 9

Question 10

Wovon hängt die Katalysegeschwindigkeit in der Michaelis-Menten Gleichung ab?

Answer 10

V₀=k₂[ES]

• von der Geschwindigkeitskonstante k zwischen [ES] und E+P
• von der Konzentration des Enzym-Substrat-Komplexes

Question 11

Michaelis-Mentel-Gleichung

Answer 11

Question 12

K_m-Wert, k_cat-Wert und V_max-Wert

Answer 12

K_m-Wert: Substratkonzentration, bei der die Reaktionsgeschwindigkeit die Hälfte des Maximalwertes erreicht hat.

Vmax-Wert: aus V_max folgt die Wechselzahl k_cat (turnover number), d.h. die maximale Zahl umgesetzter Substratmoleküle pro Zeiteinheit bei Sättigung mit Substrat.

k_cat-Wert: k2 steht nur für einen Schritt. Meist erfolgen Reaktionen aber in mehreren Schritten, daher fassen wir deren Geschwindigkeitskonstanten 1. Ordnung im k_cat-Wert zusammen.

Question 13

Sequenzielle Verdrängung- Was ist es und welche Arten gibt es?

Answer 13

Sequenzielle Verdrängung: es müssen beide Substrate an das Enzym binden, bevor ein Produkt freigesetzt wird

• geordnet: Bsp.: Beispiel: Lactat-Dehydrogenase
  zuerst muss NADH an das Enzym binden, bevor Pyruvat binden kann. Nun reagieren die Moleküle zu Lactat und NAD⁺ . Es ist erst Lactat abdissoziiert bevor NAD⁺ sich abspalten kann
• zufällig: Bsp.: Kreatin-Kinas
  Es kann erst Kreatin oder ATP an das Enzym binden. Dementsprechend wird dann zuerst ADP oder Kreatinphosphat wieder abgespalten nach der Reaktion

Question 14

Doppelte Verdrängung (Pingpong-Reaktion)- Was ist es und was beschreibt sie?

Answer 14

Ein oder mehrere Produkte werden freigesetzt, bevor alle Substrate an das Enzym gebunden haben. Es bildet sich ein substituiertes Enzym-Zwischenprodukt.

Question 15

Welche Reaktionen lassen sich nicht mit der Michaelis-Menten Gleichung beschreiben?

Answer 15

Allosterisch-regulierte Enzyme(vgl. Allosterie bei Hämoglobin), gehorchen nicht der Michaelis-Menten Gleichung

Question 16

Enzym-Hemmung, Arten

Answer 16

1. nichtreversibel
2. reversibel
   - kompetitiv: konkurrieren mit dem Substrat um die Bindungstelle im aktiven Zentrum, V_max bleibt gleich
   - nichtkompetitiv: Inhibitor bindet an eine andere Stelle als das Substrat und deformiert somit das Enzym ⇒ es wird unbrauchbar, V_max kann so nie erreicht werden
   - unkompetitiv

Question 18

Allgemeine katalytische Strategien die Enzyme einsetzen um Reaktionen zu katalysieren

Answer 18

1. Kovalente Katalyse: temporäre Ausbildung einer kovalenten Bindung im aktiven Zentrum des Enzyms. Meist nukleophile kovalente Katalyse → Chymotrypsin(Proteasen)
2. Allgemeine Säure-Base Katalyse: Das Enzym fungiert als Protonendonor oder -akzeptor. → Chymotrypsin/ Carboanhydrase
3. Katalyse durch Annäherung: Das Enzym erleichtert die Reaktion, in dem es zwei Substrate in der richtigen Orientierungeinander näher bringt. → Nucleosidmonophosphat-Kinasen
4. Metallionenkatalyse: Metallionenkönnen als Elektronendonoren oder – akzeptoren, als Lewis-Säuren oder als Bereitsteller von Hydroxidionen wirken. → Carboanhydrase / Restriktionsenzyme

Question 19

Was ist Chymotrypsin?

Answer 19

• Verdauungsenzym, welches als Chymotrypsinogen im Pankreas gebildet wird (inaktive Vorstufe)
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