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Enzyme Flashcards

1
Q

Definition Katalysator

A
  • Stoffe, die chem. reaktionen beeinflussen, beschleunigen
  • bleiben selbst unbeeinflusst
  • erniedrigen Aktivitätsenergie
  • beschleunigen Einstellung Reaktionsgleichgewicht
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2
Q

Arten von Cofaktoren

A
  • Verbindung (an-/organisch)
  • Durchführung chem. Reaktionen, die nicht allein mit 20 AS erolgen kann
  • Inaktive Enzyme benötigen Cofaktoren
  • Coenzyme –> organisch, von Vitaminen abgeleitet
  • prosthetische Grupppe
  • Metall
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3
Q

Konzept des Überganszustand

A
  • Hilft Verständnis der Enzyme
  • instabile Spezies
  • Befindet sich auf Gipfel des Reaktionskoordinatendiagramms
  • können NICHT isoliert werden
  • besitzt höhere freie Enthalpie
  • Enzyme erleichtern Bildung des Übergangszustandes, senken Aktivierungsenergie
  • KEIN Intermediat (–> Zwischenprodukt einer Reaktion, kann isoliert werden)
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4
Q

Eigenschaften eines Enzym-Substrat-Komplex

A
  • Begünstigt Übergangszustand
  • Katalyse findet an einer bestimmten Stelle statt: aktiver Zentrum
  • V_max Hinweis auf Bildung definierter Enzym-Substrat-Komplexe
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5
Q

Eigenschaften von aktiven Zentren

A
  • bindet Substrat und falls vorhanden, den Cofaktor
  • Reste im aktiven Zentrum nennt man katalytische Gruppe
  • wird durch dreidimensionale Spalte im Enzym gebildet
  • besteht aus unterschiedlicher Abschnitte der AS-Sequenz
  • kleiner Teil des Gesamtenzyms
  • schaffen besondere Mikroumgebungen
  • Substrate werden durch viele schwache WW an das Enzym gebunden
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6
Q

Schlüssel-Schloss-Prinzip

A
  • Substrat passt perfekt in Enzym
  • Emil Fischer
  • AZ komplementäre Gestalt zu substrat
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7
Q

Induced fit Modell

A
  • Daniel Koshland
  • AZ verändert Form bei Substratbindung
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8
Q

Reaktionsordnung

A
  • Beschrieben durch das Zeitgesetz des makroskopisch beobachtbaren Vorgangs
  • basiert auf Meddung zeitlicher Veränderungen von Konzentrationen
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9
Q

Reaktionen 1. Ordnung

A
  1. Ordnung: A –> P ;
  • v entspricht Menge an A, die in bestimmter Zeiteinheit verschwindet, bzw. P auftritt/entsteht
  • k = Geschwindigkeitskonstante [s-1]
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10
Q

Reaktionen 2. Ordnung

A
  • 2 A –> P
  • A + B –> P
  • k = [M-1 s-1]
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11
Q

Michaelis-Menten-Kinetik

A
  • mit steigender Substratkonzentration steigt auch die Reaktionsgeschwindigkeit
  • asymptotisch angenähert an Vmax

Bestimmung der Anfangsgeschwindigkeit

  • abhängig der Substratokonzentration
  • bei gleicher Enzymkonzentration
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12
Q

KM-Wert

A
  • Substratkonzentration, bei der die reaktionsgeschwindigkeit die Hälfte des Maximalwertes erreicht hat
  • Maß für Substratkonzentration, die für eine nennenswerte Katalyse erforderlich ist
  • Maß für Stabilität des ES-Komplexes
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13
Q

Michaelis-Menten-Gleichung

A
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14
Q

Maximalgeschwindigkeit

A
  • Erreichen vmax wenn [ES]=[E]T
  • Bei sehr hohen Substratkonzentration ist vmax = v0
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15
Q

Lineweaver-Burk-Auftragung

A
  • Doppeltreziprokes Diagramm
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16
Q

Wechselzahl

A
  • kcat
  • maximale Zah umgesetzter Substratmoleküle pro Zeiteinheit bei Sättigung mit Substrat
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17
Q

Katalytische Effizienz

A
  • kcat/KM
  • physiologisch is [S] weit unter KM
  • enzymatische Geschwindigkeit weit unter kcat
  • Maß für katalytische Effizienz
    • Berücksichtigung bestimmtes Substrat
    • erücksichtigung der Stärke der Wechselwirkung
  • Präferenz eines Enzyms zu verschiedenen Substraten testbar
  • Scheinbare Geschwindigkeitskonstante 2. Ordnung
  • maximalwert ca. 108 - 109 M-1s-1
  • Kriterium für Spezifität und Effektivität beim Verglecih von Enzymen bzw. Substraten
  • Je größer, desto besser ist das Enzym zur Umsetung

Die Diffusionskontrollierete Interaktion von Substrat und Enzym bestimmt die Obergrenze der Rate

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18
Q

Enzymmechanismen mehrerer Substrate

A
  • Sequenzielle Verdrängung
    • geordnete sequenzielle Verdrängung
    • zufällige sequenzielle Verdrängung
  • Doppelte Verdrängung (Ping-Pong-Reaktion)
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19
Q

Sequenzielle Verdrängung

A
  • Es müssen beide Substrate an das Enzym binden, bevor ein Produkt freigesetzt wird
  • Bildung eines Ternären Komplexes
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20
Q

geordnete sequenzielle Verdränung

A
  • Coenzym bindet zuerst
  • Produkt wird zuletzt freigesetzt
  • Beispiel: Lactat-Dehydrogenase
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21
Q

zufällige sequenzielle Verdrängung

A
  • reihenfolge einzelner Ereignisse zufällig
  • Beispiel: Keratin Kinase
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22
Q

Doppelte Verdrängung

A
  • ein oder mehrere Produkte werden freigesetzt, bevor alle Substrate an das Enzym gebunden haben
  • Bildung eines substituiertes Enzym-Zwischenprodukt
  • Enzym zeitweilig modifiziert
  • Beispiel: Aspartat-Aminotransferase
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23
Q

Welche Reaktionen gehorchen nicht der Michaelis-Menten-Kinetik

A
  • allosterische Enzyme
  • mehrere UE
  • mehrere aktive Zentren
  • sigmoide Kurven
  • Substratbndung an einem aktiven Zentrum kann Eigenschaften anderer aktiven Zentren beeiflussen
  • kooperative Substratbindung
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24
Q

Enzymhemmung

A
  • Verringerung der Aktivität eines Enzyms durch Bindung eines spezifishen kleinen Moleküls
  • bedeutender Kontrollmechanismus
  • viele Medikamente und toxische Stoffe wirken auf diese Weise
  • Übergangszustandsanaloga
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25
Q

Arten der Enzymhemmung

A

Irreversibel

  • langsame Dissoziation
  • sehr fest, kovalent gebunden

Reversibel - schnelle Dissoziation

  • kompetitiv
    • Bindung entweder Substrat oder Enzym
    • Verringerung durch Substraterhöhung
  • nicht-kompetitiv
    • unterschiedliche Bindungsstellen
    • Ungebundenes Enzym oder ES-Komplex
    • erniedrigt funktionelle Enzymkonzentration
  • unkompetitiv
    • Bindung an ES-Komplex
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26
Q

Allgemeine Katalytische Strategien

A
  • Kovalente Katalyse
  • Allgemeine Säure-Base-Katalyse
  • Katalyse durch Annäherung
  • Metallionenkatalyse
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27
Q

Kovalente Katalyse

A
  • temporäre Ausbildung kovalente Bindung
  • aktiver Zentrum
  • meist Nukleophile kovalente Katalyse
    • Chymotrypsin (Proteasen)
28
Q

allgemeine Säure-Base-Katalyse

A
  • Enzym als Protonendonator und -akzeptor
  • Chymotrypsin/Carboanhydrasen
29
Q

Katalyse durch Annäherung

A
  • erleichterung der Reaktion
  • zwei Substrate in richtige Orientierung bringen
    • NMP-Kinasen, ADenylat-Kinasen
30
Q

Metallionenkatalyse

A
  • wirken als Elektronendonatoren oder -akzeptoren
  • als Lewis-Säure
  • Bereitsteller von Hydroxidionen
    • Carboanhydrasen/Restriktionsenzyme
31
Q

Proteasen

A
  • Hydrolytische Spaltung einer Peptidbindung
  • Rückgewinnung der AS aus der Nahrung im Darm
  • hydrolytische Reaktion: Addition eines H2O-Moleküls
  • sehr langsame Reaktion trotz thermodynamische Begünstigung
  • Doppelbindungscharakter der Peptidbindung
  • C-Atom weniger elektrophil –> weniger zugänglich für nucleophilen Angriff
  • proteolytisches Enzym muss nucleophilen Angriff auf eine nicht reaktive Carbonylgruppe ermöglichen
32
Q

Chymotrypsin

A
  • Protease
  • Verdauungsenzym
  • Spaltung Peptidbindungen an Carboxylseiten aromatischer und hydrophober AS
    • Trp, Tyr, Phe, Met
  • kovalente Modifikation
  • Serinrest als stark nucleophile Gruppe, nucleophiler Angriff an C-Atom der Peptidbindung
  • katalytische Triade
33
Q

Aufbau von Chymotrypsin

A
  • aus drei Ketten
  • vier Disulfidbrücken
  • katalytische Triade des aktiven Zentrums
    • Asp[102], His[57], Ser[195]
  • katalytische Aktivität beruht auf Reaktivität des Serinrestes
  • Aspartat
    • dient Ausrichtung Histidin
    • WBB und elektrostatische WW bewirken, dass His zu besserem Protonenakzeptor wird
  • Histidin
    • positioniert Serin
    • polarisiert Serins Hydroxylgruppe
    • dient als Akzeptor für Proton
    • Basenkatalysator
  • Serin
    • wird deprotoniert
    • führt zur Ausbildung eines Alkoxidions
    • starker nucleoophil
  • 3D Struktur zeigt, dass Chymotrypsin große hydrophobe tasche hat
  • bevorzugt AS-reste mit hydrophoben Seitenketten
34
Q

Katalytischer Mechanismus von Chymotrypsin

A

Acylierung

  • substratbindung
  • nucleophiler angriff des O-Atoms in der Serinseitenkette auf Carbonylkohlenstoffatom der Zielpeptidbindung
    • C-atom zuvor planar (3 Substituenten9
    • durch 4. Substituent: instabiles tetraedisches Intermediat
    • O-Atom der Carbonylgruppe formal negativ geladen–> wird durch NH-Gruppen stabilisiert: Oxyaniontasche
  • Zwischenprodukt zerfällt und es entsteht das Acyl-Enzym: H+ von His auf Aminogruppe, die bei Spaltung der Peptidbindung entsteht
  • Aminogruppe löst sich von Enzym

Deacylierung

  • H2O nimmt platz von vorheriger Aminkomponente ein
  • Estergruppe des Acyl-Enzyms wird hydrolysiert durch Wdh der Schritte 2-4
    • His wirkt als Säurekatalysator und entzieht H2O Proton
    • OH-, welche Carbonylkohlenstoff der Acylgruppe angreift
    • tetraedisches Zwischenprodukt
  • Struktur zerfällt, Carbonsäure entsteht
  • nach Freisetzung liegt Enzym wieder für neuen Katalysezyklus bereit
35
Q

Messung Effektivität von Chymotrypsin mit chronogenem Substratanalogon

A
  • N-Acetyl-L-Phenylalanin-p-nitrophenylester
  • viele Proteasen können auch Ester spalten
  • gelbes Produkt: p-Nitrophenolat, Konzentration kann durch Lichtextinktion gemessen werden
  • Anfangsphase durch stopped-flow-Verfahren bestimmbar
    • ermöglicht schnelle Vermischung
    • Ergibnisse innerhalb von millisekunden beobachtbar
  • Zu beginn: burst = Phase des schnellen Anstiegs
  • sobald GGW erreicht, entsteht produkt langsamer
  • Ergebnisse deuten auf zweiphasige Hydrolyse hin
  • kovalent verknüpftes Zwischenprodukt (intermediat)
36
Q

Katalytische Triaden anderer hydrolytischer Enzyme

A
  • Trypsin
    • spaltet positiv geladenen resten
    • enthält Asp 189, welcher positiv geladene Substrate anzieht und stabilisiert
    • Spaltung an Carbonylseite von Lysin und Arginin
  • Elastase
    • Spaltung an Carboxylseite von hydrophoben AS mit kleinen SK (Gly, Val, Ala, Leu, Ile)
    • zwei Valinreste verkleinern hydrophobe Tasche
37
Q

Evolutionäre Entdeckungen von katalytischen Triaden

A
  • Protease in Bakterien
    • Subtilisin
    • katalytisches Zentrum mit oxyaniontasche
    • NH-Gruppe der Oxyaniontasche gehört zu Asp-Rest (nicht vom Proteinrückgrat
  • Proteasen mit Serin/Threonin im AZ
    • Aktivierung nicht durch His-Asp-Paar
    • sondern durch primäre Aminogruppe in SK von Lysin
    • oder durch aminoterminale Aminogruppe der Polypeptidkette

⇒ Evolutionär mindestens drei Mal entstanden

38
Q

Alternativen zu Serin-Proteasen

A
  • Cysteinproteasen
    • von His aktiviert
    • Schwefelatom stärkeres Nukleophil
    • keine Triade
  • Aspartatproteasen
    • ein Paar Asn wirken zusammen, sodass ein H2O Peptidbindung angreifen kann
  • Metalloproteasen
    • AZ enthält Metallion
    • fast immer zink
    • aktiviert H2O
  • Wirkung ebenfalls mit nekleophile Gruppe
  • nukleophiler Angriff der Peptidcarbonylgruppe
  • Bildung eines tetraedischen zwischenproduktes
39
Q

Carboanhydrasen

A
  • Bestandteil von Erythrozyten
  • dient CO2 transport
  • machen schnelle Reaktionen schneller
  • Hydratisierung und dehydratisireung
  • GGW wird in grade benötigter Richtung verschoben
  • in Lunge wird HCO3- dehydratisiert und CO2 abgegeben
  • Carboanhydrase enthält Zink Zn(II)
40
Q

Aufbau Carboanhydrase

A
  • Zink
  • Zn(II)
    • einzige Oxidationsstuffe in BC
  • an 4 Liganden gebunden
  • drei neutrale His und ein H2O ( bzw. Hydroxid, je nach pH)
  • verzerrt tetraedische Koordinationsgeometrie
  • pH-Wert abhängig
41
Q

pH-abhängige Aktivierung des Nukleophils

A
  • maximale Geschwindigkeit bei pH = 8
  • Umkehrpunkt bei pH 7
    • deprotonierung des Wassers
    • hydroxision nukleophiler als Wasser
    • Besserer Angriff auf CO2
42
Q

Mechanismus der Carboanhydrase

A
  • Hydroxid-Generierung
  • CO2-Bindung
  • nukleophiler Angriff des OH- auf C
    • Stabilisierung der entstehenden negativen Ladung durch Zn2+
  • regenerierung des AZ durch Abspaltung des HCO3-
43
Q

Restriktionsenzyme

A
  • Restriktionsendonukleasen
  • zerschneiden Nukleinsäuren
  • Beispiel: Schutz vor viraler DNA
  • hoch-spezifisch
    • können DNA Wirtszelle nicht zerschneiden
    • nur fremde DNA-Moleküle
  • Erkennungssequenz EcorV aus E.coli: 5’-GATATC-3’
44
Q

Mechanismen Restriktionsenzyme

A
  1. kovalent gebundenes Zwischenprodukt
  2. direkte Hydrolyse
  • bei beiden. in-line Veerdrängung
44
Q

In-Line-Verdränung

A
  • Nucleophiler Angriff auf P
  • fünffach koordinierter übergangszustand entsteht
    • zweifach pyramidal
    • eintretende Gruppe an Spitze und Abgangsgruppe gegenüberliegend
  • stereochemische Konformation kehrt durch Verdrängung am tetraedisch substitueierten P-Atom um
  • Mechanismen unterscheiden sich in der Anzahö der verdrängungen
  1. Mechanismus
  • zwei Verdrängungsreaktionen
    • stereochemische Konfig. am P-Atom ändert sich 2mal
    • stereochemische Konfig bleibt erhalten
  1. Mechanismus
  • nur ein mal
    • stereochemische Konfig. wäre umgekehrt
45
Q

Welches Element benötigen Restriktionsenzyme und Warum?

A
  • Enzyme, die mit phosphorhaltigen Substraten reagieren benötigen bivalente Kationen für Aktivität
  • Mg2+
  • Koordination erfolgt über zwei Aspartatreste, sowie O-Atom der Phosphorylgruppe
  • Wasseratom, dass P ngreift, wird von Mg2+ gebunden
  • dient der Positionierung und Aktivierung
46
Q

Substraterkennung von Restriktionsenzymen

A
  • inverted repeats
  • blah
47
Q

Wie schützt sich die Wirtszell-DNA von den restriktionsenzymen

A
  • Methylierung
  • Methylase
  • für jede Restriktionsendonuclease produziert Wirtszelle methylase
  • Restriktions-Modifikations-Systeme
48
Q

Nukleosidmonophosphat-Kinasen

NMP-Kinasen

A
  • Übertragung von Phosphorylgruppen durch NMP-Kinasen ohne vorherige Hydrolyse
  • NTP-core-Domäne
    • zentralem ß-Faltblatt
    • an beiden Seiten von α-Helices umgeben
    • Schleife zwischen ß-Strang und α-Helix: P-Loop
      • da mit Phosphorylgruppen des gebundenen Nukleotids in Wechselwirkung
49
Q

fünf Prinzipien der Enzymregulation

A
  1. Allosterische regulation
  2. Isozyme
  3. reversible kovalente Modifikation
  4. proteolytische Aktivierung
  5. Regulation durch vorhandene Enzymmenge
50
Q

Allosterische Regulation

A
  • Interaktion zwischen regulatorischen Zentren und aktiven Zentren
  • Kooperativität
  • häufig ​Rückkopplungshemmung
  • Beipsiel: Aspartat-Transcarbomylase
51
Q

Isozyme

A
  • verschiedene enzymformen
  • Auftritt in verschiedenen Geweben
  • katalysieren gleiche Reaktion
  • unterschiedliche KM und vmax Werte
52
Q

reversible kovalente Modifikation

A
  • Veränderung katalytische Aktivität/Funktion
  • durch kovalente Modifikation
  • häufig Phosphorylierung (ATP)
  • Bsp: Proteinkinase A (PKA)
53
Q

proteolytische Aktivierung

A
  • inaktive vorstufen
    • Zymogene/Proenzyme
  • Aktivierung durch Proteolyse
  • Bsp: Verdauungsenzyme (Chymotrypsin, trypsin, Pepsin9
54
Q

Aspartattranscarbamoylase

A
  • Schrittmacherreaktion
  • katalysiert ersten Schritt der Biosynthese von Pyrimidinen
  • Kondensation Aspartat mit Carbamoylphosphat
  • Produkt: N-Carbamoylaspartat und Orthophosphat
  • am Ende der Synthese entsteht Cytidintriphosphosphat
  • Endprodukthemmung=Rückkopplungshemmung
  • bei steigender CTP-konzentration sinkt Reaktionsgeschwindigkeit
  • CTP bindet an allosterisches/regulatorisches Zentrum
    • allosterische Inhibitor
55
Q

PALA

A
  • N-Phosphonacetyl-L-Aspartat
  • Bisubtratanalogon
    *
56
Q

Homotropische Effekte

A
  • Wirkung Subtrat auf allosterische Enzyme
  • Kooperativität
  • sigmoide Kurve
57
Q

Heterotropische Effekte

58
Q

Allosterische Regulatoren von ATCase

A
  • Vorhandensein CTP schiebt GGW zur T-Form von ATCase
  • verlängert Anfangsphase der Kurve
  • ATP entgegengesetzer Effekt: erhöht Reaktionsgeschwindigkeit
  • ATP und CTP konkurrieren
  • hohe ATP Konzentration
    • Enzym kann nicht von CTP gehemmt werden
    • signalisiert hohe Purinnekleotidkonzentration
    • Verhältnis Purin : Pyrimidin muss ausgeglichen wereden
59
Q

Arten der kovalenten Modifikationen zur Regulation von Enzymaktivität

A
  • Phosphorylierung
    • meist reversibel
  • Acetylierung
    • bei Histonen Lysinrest
    • Transkriptionserhöhung
  • Ubiquitinierung
    • irreversibel
    • Signal zur Zerstörung von Proteinen
  • Anhängung Lipid
    • irreversibel
    • Verankerung in Plasmamembran
60
Q

Phosphorylierung durch ProteinKinasen

Wirkungen

A
  • Hinzufügung zwei negative Ladungen
    • ​veränderte Elektrostatik
    • veränderte protein-Protein-Liganden-Wechselwirkung
  • eine Phosphorylgruppe kann drei oder mehr WBB ausbilden
  • hohe freie Enthalpie
    • ​freie Enthalpie im Protein enthalten
    • verschiebung von konformationellen GGW
  • variabler zeitraum Phosphorylierung und Dephosphorylierung
    • einstellbar zu physiologischen Anforderung entsprechend
  • Phosphorylierungen als Verstärkersignale
    • ​aktivierung Kinase
    • katalyse weiterer Phosphorylierungen
  • Verwendung ATP als Donor koppelt Stoffwechsel an Energiestoffwechsel der Zelle
61
Q

Dephosphorylierung durch Proteinphosphatasen

A
  • Dephosphorylierung und Phosphorylierungen sind nicht einfach Umkehrreaktionen
62
Q

Aktivierung durch spezifische Proteolyse

A
  • Verdauungsenzyme
  • Blutgerinnung
  • Proteinhormone
  • Kollagen von Prokollagen abgeleitet
  • Entwicklungsprozesse
  • Caspasen (Zelltod)
63
Q

Aktivierung von Chymotrypsin

A
  • syntheseort Pankreas (Acinuszellen)
  • gespeichert in membranumhüllten Granula
  • Chymotrypsinogen
    • einzelne Polypeptidkette aus 245 AS
    • Spaltung Peptidbindung zwischen Arg 15 und Ile 16 durch Trypsin
64
Q

Aktivierung von Trypsin

A
  • 4 Abschnitte des Polypeptids verändern sich durch die Aktivierung deutlich
  • Trypsin - gemeinsamer Aktivator aller Zymogene des Pankreas
  • initialer Aktivierungsschritt
  • irreversibel
  • Beendigung durch anderen Mechanismus, z.B. Pankreas-Trypsininhibitor

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