Enzyme Flashcards
Was sind die Grundlagen der Enzymwirkung?
- beschleunigen eine Reaktion
- sind spezifisch
Welchen Einfluss hat ΔG auf die Enzymreaktion?
- ΔG negativ->exergon/positiv-> endergon
- ΔG-Wert Reaktion abhängig von freier Enthalpie Produkte
- ΔG der Ausgangssubstanzen
- sagt nichts über Geschwindigkeit Reaktion aus
- >negativer ΔG-Wert ->Reaktion kann auch extrem langsam verlaufen ->Enzym hat hierauf keinen Einfluss->aber auf ΔG*
Beispiele:Wovon hängt der ΔG-Wert einer Reaktion ab?
- Natur der Reaktionspartner
- Konzentrationen
- Temperatur
Was sit K?
- Konzentration von Produkt und Substrat im Gleichgewicht->Gleichgewichtskonstante
- >P/S=kH/kR
k->Geschwindigkeitskonstanten hin und rück
Was ist die Aktivierungsenthalpie/energie?Wie wirken sich Enzyme hier aus?
- S zu P über Übergangszustand mit höherer frei Enthalpie als S oder P besitzt
- freie Aktivierungsenthalpie ist Differenz zwischen freier Enthalpie des Übergangszustands und des Substrats
- geht nicht in endgültige Berechnung ΔG ein, da Energie zur Erreichung Übergangszustands wieder frei wird bei Bildung Produkt
- Enzyme erleichtern Bildung des Übergangszustands-> Enzyme beschleunigen Reaktionen, indem sie die Aktivierungsenergie verringern
Woraus erklärt sich dieser Kurvenverlauf?
-hyperbolischer Verlauf bei zunehmender Substratkonzentration-> zunehmende Sättigung der aktiven Zentren der Enzyme bei Bildung Enzymsubstratkomplexen
Was sind die Eigenschaften von aktiven Zentren?
- ) Das aktive Zentrum wird durch eine dreidimensionale Spalte im Enzym gebildet. Sie besteht aus Gruppen unterschiedlicher Abschnitte der Aminosäure-Sequenz.
- ) Das aktive Zentrum stellt nur einen kleinen Teil des Gesamtenzyms dar.
- ) Aktive Zentren schaffen ganz besondere Mikroumgebungen.
- ) Substrate werden durch viele schwache Wechselwirkungen an das Enzym gebunden.
- ) Die Bindungsspezifität ist von der definierten Anordnung der Atome im aktiven Zentrum abhängig.
Inwiefern lassen sich enzymkatalysierte Reaktionen
unterscheiden? Wie unterscheiden sich die Einheiten der Geschwindigkeitskonstanten?
- in ihren Ordungen:
- Ordnung:A->P Geschwindigkeitskonstante • Konzentration von A -> V = k [A]1
- >k: s-1
Ordnungszahl 1->auf Potenz bezogen
-2. Ordnung: z.B. Dimerisierung-> 2A->P =>V=k[A]2
oder A+B-> P => V= k[A][B]
->s-1M-1
Was ist die Geschwindigkeit einer Reaktion? Was ist die Geschwindigkeitskonstante?
- Konzentrationsänderung pro Zeit
- Proportionalitätskonstante die mit Konzentration multipliziert wird um die Geschwindigkeit zu erhalten
Was beschreibt diese Grafik?
- Menge des gebildeten Produkts bei verschiedenen Substratkonzentrationen als Funktion der Zeit
- V0->Ausgangsgeschwindigkeit Katalyse-> Mol Produkt die pro Sekunde gebildet werden, wenn Katalyse beginnt
- bis das Gleichgewicht der Reaktion erreicht ist->keine Nettoveränderungen mehr
Was beschreibt diese Grafik? Welchen Schluss kann man ziehen?
- verschiedene Anfangsreaktionsgeschwindigkeiten V0 für unterschiedliche Konzentrationen des Substrats
- Katalysegeschwindigkeit steigt mit zunehmender Substratkonzentration linear an und nimmt dann aber ab und erreicht bei höheren Substratkonzentrationen ein Maximum
Erklären. Was wird zur Vereinfachung gemacht?
- Enzym bindet Substrat-> bildet Enzymsubstratkomplex ES mit Geschwindigkeitskonstante k1
- >ES kann entweder mit GK k-1 wieder in E und S zerfallen oder mit k2 Produkt bilden
- E und P können mit k-2 ES-Komplex bilden
- bei V0 betrachtet ->[P] gering-> nur hinreaktion
- >k-2[E][P] =0
Was ist die Katalysegeschwindigkeit? Bildung und Zerfallsgeschwindigkeit [ES]?Wie kommt man unter Annahme eines Fließgleichgewichts auf KM?
V0=k2[ES]
Bildungsgeschwindigkeit [ES]=k1[E][S]
Zerfallsgeschwindigkeit für [ES] = (k-1 + k2)[ES]
-Fließglecihtgewicht->Konzentration Zwischenprodukts([ES]) konstant sogar bei Änderung Konzentrationen Ausgangsstoffe und Produkte-> Geschwindigkeiten Bildung und Zerfall gleich groß
k1[E][S]=(k-1+k2)[ES]->[E][S]/[ES]=(k-1+k2)/k1
->KM=(k-1+k2)/k1->Michaelis-Konstante
Was ist Vmax? Wie lautet die Michaelis Menten-Gleichung? Welche Beduetungen haben V0 und Vmax?
- wenn alle katalytischen Bindungsstellen gesättigt sind-> [E]T=[ES]
- Vmax=k2[E]T
- bei sehr hohen Substratkonzentrationen-> V0= Vmax
- KM->Substratkonzentration bei der Reaktionsgeschwindigkeit Hälfte des Maximalwerts erreicht hat
Was versteht man unter der doppelt reziproken(Lineweaver-burk Auftragung)?
- Kehrwert der Michaelis-Menten-Gleichung
- führt zu einer Geraden mit der Steigung KM/Vmax
Was ergibt sich aus Vmax eines Enzyms?
Bedeutung kcat?
-Wechselzahl eines Enzyms->Anzahl Substratmolekülen, die bei vollständiger Sättigung Enzyms mit Substrat pro Zeiteinheit umgewandelt werden kann
kcat=k2
Vmax=kcat[E]T
kcat=Vmax/[E]T
-alle Geschwindigkeitskonstanten einer Enzymreaktion zusammengefasst
Was gilt für KM, wenn k-1 weitaus größer als k+2 ist?
KM=k-1/k+1=[E][S]/[ES]=KES
- damit entspricht KM der Dissoziationskonstante des ES-Komplexes
- dadurch stellt KM ein Maß für die Stabilität des ES-Komplexes->hoher KM-Wert ->schwache Bindung(Affinität)
- >gilt nur wenn k-1 weitaus größer als k+2 ist
Was ist kcat?
- Wechselzahl: die Anzahl von Substratmolekülen, die bei vollständiger Sättigung des Enzyms mit Substrat pro Zeiteinheit in das Produkt umgewandelt werden
- entspricht k2
kcat =Vmax
Wie lässt sich die katalytische Effiezienz darstellen?
Gibt es eine Grenze für diesen Wert?
kcat/kM
- umso größer dieser Wert ist, desto effizienter kann Substrat in produkt umgewandelt werden
- wenn man für KM = k-1+k2/kk1 einsetzt: wenn Geschwindigkeit Produktbildung(kcat)>>>> Zerfall ES-Komplex, dann kcat/kM nähert sich k1 an => kcat/KM wird durch k1 -> Geschwindigkeit diffsuionskontrollierte Begegnung von Enzym und Substrat begrenzt
- > kann k1 von 108 bis 109 s-1 • M-1 nicht übersteigen
Was beschreibt der Circe Effekt?
-Nutzung von elektrostatischen Anziehungskräften, um Substrat in Zentrum zu dirigieren und so Diffusionsgeschwindigkeit zu überwinden
Klassen Enzymreaktionen mit mehreren Substraten?
-Sequenzielle Verdrängung und doppelte Verdrängung
Was beschreibt die sequenzielle Verdrängung? Welche beiden Arten lassen sich hierbei unterscheiden?
- zuerst müssen alle Substrate an das Enzym binden ehe Produkt freigesetzt wird
- es bildet sich bei Bisubstratreaktion der ternäre Komplex : Enzym und beide Substrate
2 Arten: geordnete, bei denen Substrate in definierter Reihenfolge an Enzym binden und zufällige
Welche Art Notation? Erklären. Welche Art der Verdrängung liegt vor?
- Cleland Notation
- geordnete sequenzielle Verdrängung
- Coenzym(NADH) bindet zuerst, dann erst kann Pyruat binden -> sie werden umgesetzt und Lactat wird zuerst freigesetzt und derst dann kann NAD+ den Komlex verlassen
Erklären. Welche Art Verdrängung?
- zufällige sequenzielle Verdrängung
- Kreatinkinase
- entweder bindet ATP oder Kreatin und Kreatinphosphat oder ADP wird zuerst freigesetzt
Erklären.
- doppelte Verdränung
- Aspartat-Aminotransferase
- Übertragung Aminogruppe von Aspartat auf alpha-Ketoglutarat
- Aspartat bindet an Enzym-> Enzym übernimmt Aminogruppe des Aspartats-> substituiertes Enzymzwischenprodukt=> Oxalacetat als erstes Produkt freigesetzt
- zweites Substrat alpha-ketoglutarat-> bindet an Enzym und übernimmt Aminogruppe-> als Glutamat freigesetzt
Wie sieht die Struktur des Chymotrypsins aus? Wie wird es aktiviert?
-besteht aus 3 Ketten(A,B,C) aus einem Vorläuferpeptid(Chymotrypsinogen, das proteolytisch gespalten wird), die über Disulfidgruppen zusammengehalten werden
Wie wird das Serin der katalytischen Triade des Chymotrypsins reaktiv gemacht??
- Histidinrest positioniert Serinseitenkette und polarisiert Hydroxylgruppe, die dadurch leicht deprotoniert werden kann-> in Gegenwart des Substrats->Akzeptor für Proton der Hydroxylgruppe->Alkoxidion->starkes Nucleophil
- Aspartatrest: Ausrichtung Histidins und macht es zu einem besseren Protonenakzeptor
Erklären Schritte 1-4. Welche beiden Katalysemechanismen liegen beim Chymotrypsin vor?
- Substratbindung
- nucleophiler Angriff Serins auf Carbonylgruppe der Peptidbindung
- auseinanderfallen instabilen tetraedischen Zwischenprodukts->Sauerstoff mit negativer Formalladung in Oxyaniontasche(stabilisiert Übergangszustand)->zerfall zu Acylenzym(Peptidbinfung gespalten)
- Aminogruppe löst sich von Enzym
- >Acylierung Enzyms abgschlossen
Erklären Schritte 5-8
Deacylierung
- Wassermolekül nimmt den zuvor von der Aminokomponente des Substrats besetzten Platz ein
- Histidin Säurekatalysator und entzieht Wassermolekül Proton-> OH- greift Carbonylkohlenstoffatom Acylgruppe an-> tetraedisches Zwischenprodukt
- zerfällt und 8. Carbonsäureprodukt entsteht
Wie kommt es beim Chymotrypsin zur Erkennung hydrophober Aminosäuren? Wie können andere Proteasen extrem gezielte Spaltungen machen?
- tiefe hydrophobe S1 Tasche in die lange ungeladene Seitenketten Phenylalanins und Tryptophans reinpassen-> Bindung geeigneter Seitenkette ->Positionierung im aktiven Zentrum(Bild oben)
- Erkennung für weitere Aminosäurereste im Substrat wietere Taschen-> P1,P2,P3 usw.
Aminosäuren der katalytischen Triade zu Alanin mutiert-> Erklären des Diagramms
- Austsuch Serin,Histidin-> extremer Abfall
- Aspart-> geringerer Effekt
- alle 3-> gleich wie bei Serin und Histidin -> nicht additiv
- das trotzdem noch katalytische Wirkung vorhanden ist-> Oxyaniontasche kann immer noch anionische Zwischenprodukte stabilisieren
Welche Reaktion katalysiert die Carboanhydrase?
- Reaktion von CO2 und Wasser zu Kohlensäure(und dann zu Hydrogencarbonatanion)
- schnelle Reaktion verschnellert
Auswirkung des pH-Werts auf Aktivität Carboanhydrase. Erklären.
- starker Anstieg der Aktivität mit steigendem pH-Wert
- Wasser, das an Zink gebunden hat-> pkA-Wert von 7 im gegensatz zu 15,7(Hälfte protoniert/deprotoniert)
- zinkgebundenes Hydroxidion OH-->ausreichendes nucleophil und kann CO2 viel besser angreifen als Wasser
Beschreiben Mechanismus der Kohlendioxidhydratisierung Carboanhydrase
- Hydroxid-Genereierung durch Protonenfreisetzung
- CO2-Bindung an aktives Zentrum
- Hydroxidion->greift CO2-Molekül nukleophil an->negative Ladung Sauerstoff stabilisiert Zinkion
- Freisetzung Hydrogencarbonatanions und Bindung neuen Wassermoleküls-> regenerieren aktives Zentrum
Was lääst sich über Carboanhydrase versch. Organismen sagen?
- konvergente Evolution führte zu drei Zn-basierten Carboanhydrasen
- Katalysation mithilfe von Zink scheint optimale Lösung zu sein
Was zeichnet Restriktionsenzyme(Typ II) aus? Was lässt sich zu ihrer Spezifität sagen?
- schneiden DNA (Typ II innerhalb Erkennungssequenz) an definierten Positionen
- katalysiert Hydrolyse Phosphodieester-Rückgrats-> 3´-Sauerstoffatom und Phosphoratom über nucleophilen Angriff am Phosphoratom
- müssen extrem spezifisch schneiden, um Erkennungssequenzen und nicht Wirts-DNA schneiden(Erkennung über Methylierung)
Welche beiden Mechanismen gibt es bei Restriktionsenzymen?
Mechanismus 1: mithilfe starker nucleophiler Gruppe über kovalent gebundenes Zwischenprodukt
Mechanismus 2: direkte Hydrolyse
Wie konnt man herausfinden, wie sich Mechanismus 1 und 2 der Peptid-Hydrolyse unterscheiden?
- Markierung mit Phosphorthioat->Schwefel statt Sauerstoff am Phosphat
- isotop markiertes Wasser mit 18O
- es kommt zu 4 verschiedenen Substituenten an Phosphat
- Rückschluss auf Stereochemie
- Umkehrung-> Mechanismus 2, da eine Umkehrung
- keine Umkehrung-> Mechanismus 1-> es gab 2 Umkehrungen
Was befindet sich im aktiven Zentru von Restriktionsenzymen?
- ein Mg2+-Ion , das von 2 Aspartaten koodiniert wird und an Sauerstoff des Phospoesters gebunden hat und 3 freie Koordinationsstellen für Wassermoleküle
- eins der Wassermoleküle fungiert als Nukleophil, indem es vom Aspartat deprotoniert wird
Wie erkennen Restriktionsendunukleasen inverted repeats?
- zweizählige Symmetrie Restriktionsenzyme
- komplementäre Wasserstoffbrücken WW zwischen Resten Restriktionsenzymen und Basenpaaren
Bindungsenergie EcoRV an spezifische und unspezifische DNA. Erklären
- Restriktionsenzym bindet an spezifische und unspezifische DNA mit gleicher Affinität, spaltet aber nur passende Sequenzen
- bei passender Sequenz mehr Bindungsenergie, aber diese wird genutzt, um DNA zu deformieren
- Deformation notwendig für katalytisch aktiven spezifischen Komplex, da es nur so zur Ausbildung der Magnesiumbeindestelle kommt
Was machen Kinasen?
- Kinasen katalysieren Phosphorylierung indem sie ATP nutzen, um Phosphatgruppe auf Serin, Threonin oder Tyrosinrest übertragen
- Phosphoranhydrid wird gespalten und es entsteht ein Phosphoesther
Was machen Phosphatasen?
- keine Umkehr der Kinasereaktion!!
- sondern Phosphoesther wird hydrolysiert und es wird Pi freigestzt
Wie funktioniert die proteolytische Aktivierung von Chymotrypsin?
- Chymotrypsinogen von Trypsin gespalten und kann sich dann selber spalten zu alpha-chymotrxpsin
1. Die aminoterminale Gruppe von Ile 16 dreht sich ins Innere der Tasche und bildet mit Asp 194 eine Ionenbindung aus
2. Konformationelle Änderungen, die das Substratspezifitätszentrum ausbilden
3. Komplettierung der Oxyaniontasche ->Das „Anschalten“ der Protease kann durch die Spaltung einer Peptidbindung erfolgen.
