Lernziele - Enzyme Flashcards
Definition Katalysator
Katalysator bezeichnet einen Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Senkung der Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion erhöht, ohne dabei selbst verbraucht zu werden.
Verschiedene Arten von Cofaktoren
Ein Cofaktor ist in der Biochemie eine Nicht-Protein-Komponente, die neben dem Protein-Anteil eines bestimmten Enzyms für dessen katalytische Aktivität unerlässlich ist.
- Prosthetische Gruppe:
Ein organisches Molekül, das mit hoher Affinität oder kovalent an ein Enzym gebunden ist - Coenzym bzw. Cosubstrat:
Ein niedermolekulares organisches Molekül, das nicht-kovalent an ein Enzym bindet und nach der Katalyse wieder dissoziiert. - Metall-Ion
Wie hilft das Konzept des Übergangszustandes die Wirkung von Enzymen zu verstehen?
Übergangszustand:
Eine instabile Spezies, die sich auf dem Gipfel des
Reaktionskoordinatendiagramms befindet.
- 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
Besondere Eigenschaften eines Enzym-Substrat Komplexes
- 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.
Ordnung einer Reaktion
- Ordnung:
A –> P
V = -Δ[A] / Δt = Δ[P] / Δt
V = k [A]
k: Geschwindigkeitskonstante [s-1]
- Ordnung:
- Ordnung:
2 A –> P oder A + B –> P
V = k [A]2 V = k [A] [B]
k: Geschwindigkeitskonstante [M-1 s-1]
- Ordnung:
Herleitung der Michaelis-Menten Gleichung
Sukzessive Einführung von Modellannahmen, um einen Ausdruck für die Reaktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Enzym- und Substratkonzentration herzuleiten.
- Annahme eines spezifischen Enzym-Substrat Komplexes
E + S <—>k1/k-1 ES <–>k2 E + P - Am Beginn der Reaktion kann die Konzentration des Produktes vernachlässigt werden (k-2 [P] ≈ 0)
E + S <—>k1/k-1 ES –>k2 E + P
Die Annahme gilt nur für die Anfangsgeschwindigkeit (V0) der Reaktion. Zu allen späteren Zeiten müsste die Rückreaktion von E + P berücksichtigt werden. - Die Katalysegeschwindigkeit hängt von zwei Größen ab: V0 = k2 [ES]
- Bildung und Zerfall des ES-Komplexes:
Bildungsgeschwindigkeit von ES = k1 [E][S]
Zerfallsgeschwindigkeit von ES = (k-1 + k2) [ES] - Annahme eines Fließgleichgewichts (steady-state
eingeführt von Briggs und Haldane)
k1 [E][S] = (k-1 + k2) [ES]
[E][S] / [ES] = (k-1 + k2) / k1 - Einführung der Michaelis-Konstante KM:
KM= (k-1+k2)/k1 - Wenn [S]T >> [E]T, ist die Konzentration des
ungebundenen Substrats [S] ≈ [S]T. Die Konzentration an freiem Enzym [E] ist:
[E] = [E]T – [ES]
Man erhält so [ES] = [E]T * [S] /([S] + KM)
bzw. V0 = k2 [E]T * [S] /([S] + KM) - Die Maximalgeschwindigkeit (Vmax) wird erreicht, wenn [ES] = [E]T ist.
Vmax = k2 [E]T
Michaelis-Menten Gleichung + Bedeutung
V0=Vmax * [S] /([S] + KM)
Bedeutung von Vmax: bei sehr hohen Substratkonzentrationen gilt: ([S] >> KM) ist V0 ≈ Vmax.
Bedeutung von KM: Substratkonzentration, bei der die
Reaktionsgeschwindigkeit die Hälfte des Maximalwertes
erreicht hat.
Vmax und kcat
Vmax: aus Vmax folgt die Wechselzahl kcat (turnover number), d.h. die maximale Zahl umgesetzter Substratmoleküle pro Zeiteinheit bei Sättigung mit Substrat.
k2 steht nur für einen Schritt. Meist erfolgen Reaktionen
aber in mehreren Schritten, daher fassen wir deren
Geschwindigkeitskonstanten 1. Ordnung im kcat-Wert
zusammen
kcat = Vmax / [E]T
Katalytische Effizienz
V0 = kcat/kM * [S][E]T
- (kcat/KM) ist eine scheinbare Geschwindigkeitskonstante 2. Ordnung
Dimension: M-1 . s-1
bezieht sich auf die Umwandlung von freiem Substrat und Enzym zum Produkt, ohne Zwischenprodukte zu berücksichtigen - (kcat/KM) kann nicht größer sein als jede Geschwindigkeitskonstante 2. Ordnung im Reaktionsweg, deshalb Maximalwert ca. 108 - 109 M-1 . s-1
- (kcat/KM) Kriterium für Spezifität und Effektivität beim Vergleich von Enzymen bzw. Substraten je größer (kcat/KM), desto besser ist das Enzym zur Umsetzung des Substrats geeignet.
Arten von Zweisubstratreaktionen
-
Sequenzielle Verdrängung: es müssen beide Substrate an das Enzym binden, bevor ein Produkt freigesetzt wird. àTernärer Komplex
- Geordnete sequenzielle Verdrängung
(Beispiel: Lactat-Dehydrogenase) - Zufällige sequenzielle Verdrängung
(Beispiel: Kreatin-Kinase)
- Geordnete sequenzielle Verdrängung
-
Doppelte Verdrängung (Pingpong-Reaktion): ein oder mehrere Produkte werden
freigesetzt, bevor alle Substrate an das Enzym gebunden haben. Es bildet sich ein
substituiertes Enzym-Zwischenprodukt.
Welche Reaktionen lassen sich nicht mit dem Michaelis-Menten-Formalismus beschreiben?
- Allosterisch-regulierte Enzyme (vgl. Allosterie
bei Hämoglobin) - Falls sich ein ES2-Komplex ausbildet, findet man
ebenfalls häufig Abweichungen von der Michaelis-Menten Gleichung:- ES2-Komplex ist aktiver als ES-Komplex:
–> Substrataktivierung - ES2-Komplex ist weniger aktiv als ES-Komplex:
–> Substrathemmung
- ES2-Komplex ist aktiver als ES-Komplex:
Arten der Enzymhemmung
- Reversible Hemmung
Die allgemeine Form der reversiblen Hemmung ist die gemischte Hemmung aus der die anderen
Hemmungen als Sonderfälle folgen:- Kompetitive Hemmung
- Unkompetitive Hemmung
- Nichtkompetitive Hemmung:
- Irreversible Inhibitoren
- Gruppenspezifische Agenzien
- Affinitätsmarker / Substratanaloga
Welche allgemeinen katalytischen Strategien setzen Enzyme ein, um eine Reaktion zu katalysieren?
-
Kovalente Katalyse: temporäre Ausbildung einer kovalenten Bindung im aktiven Zentrum des Enzyms. Meist nukleophile kovalente Katalyse
–> Chymotrypsin (Proteasen) -
Allgemeine Säure-Base Katalyse: Das Enzym fungiert als Protonendonor oder –akzeptor.
–> Chymotrypsin / Carboanhydrase -
Katalyse durch Annäherung: Das Enzym erleichtert die Reaktion, in dem es zwei Substrate in der richtigen Orientierung einander näher bringt.
–> Nucleosidmonophosphat-Kinasen -
Metallionenkatalyse: Metallionen können als Elektronendonoren oder –
akzeptoren, als Lewis-Säuren oder als Bereitsteller von Hydroxidionen
wirken.
–> Carboanhydrase / Restriktionsenzyme
Chymotrypsin: Spaltung der Peptidbindung
- Wirkt als Protease: Hydrolytische Spaltung einer Peptidbindung
- Spaltung:
- Spaltung an der Carboxylseite aromatischer und hydrophober Aminosäuren
- Identifizierung eines reaktiven
Serinrestes
Aktives Zentrum von Chymotropsin
His-57, Asp-102 und Ser-195 bilden die für den Katalyseprozeß notwendige Triade (charge-relay-System)
Carboanhydrase
+
Hydratisierung von Kohlendioxid
Carboanhydrasen machen eine schnelle Reaktion schneller
- Zn im aktiven Zentrum immer tetraedrisch koordiniert durch drei neutrale His-Liganden
- H2O an vierter Koordinationsstelle
- Verzerrt-tetraedrische Koordinationsgeometrie
- Hydroxid-Generierung
- CO2-Bindung
- Nukleophiler Angriff des Hydroxidions auf C / Stabilisierung der entstehenden negativen Ladung durch Zn2+
- Regeneration des aktiven Zentrums durch
Abspaltung des Hydrogencarbonations
Wie erkennen Restriktionsenzyme die richtige Spaltstelle in der DNA-Doppelhelix?
Restriktionsendonucleasen erkennen spezifische Erkennungssequenzen
Mechanismus 1 - Kovalent gebundenes Zwischenprodukt
Mechanismus 2 - Direkte Hydrolyse –> In line-Verdrängung
Restriktionsenzyme benötigen Magnesium
- Struktur der Erkennungsstelle von EcoRV
- EcoRV umklammert ein spezifisches
DNA-Molekül - Wasserstoffbrücken zwischen EcoRV
und seinem DNA-Substrat
Enzymregulation
- Allosterische Regulation: Interaktion zwischen regulatorischen Zentren und aktiven Zentren, sowie innerhalb der aktiven Zentren (Kooperativität). In Reaktionspfaden häufig mit Rückkopplungshemmung kombiniert.
- –> Aspartat-Transcarbamoylase - Verschiedene Enzymformen: Isozyme (Isoenzyme) treten häufig in unterschiedlichen Geweben auf und katalysieren die gleiche Reaktion mit unterschiedlichen KM- und Vmax-Werten
- Reversible kovalente Modifikation: Veränderung der katalytischen Aktivität/Funktion durch kovalente Modifikation, häufig Phosphorylierung
- -> Proteinkinasen/phosphatasen - Proteolytische Aktivierung: Inaktive Vorstufen (Zymogene oder Proenzyme) werden durch Proteolyse aktiviert
- -> Verdauungsenzyme - Regulation durch die vorhandene Enzymmenge
Regulierung der Enzymaktivität durch Kinasen und Phosphatasen
Kinasen: Phosphorylierung
Phosphatasen: Dephosphorylierung
- Die Phosphorylgruppe fügt dem Protein zwei negative Ladungen hinzu. Die veränderte Elektrostatik kann Protein-Protein- und Protein-
Liganden-Wechselwirkungen verändern. - Eine Phosphorylgruppe kann drei oder mehr Wasserstoffbrücken ausbilden.
- Die freie Enthalpie der Phosphorylierung ist groß. Etwa die Hälfte der -50 kJ mol-1 ist im phosphorylierten Protein enthalten und kann konformationelle Gleichgewichte verschieben.
- Der Zeitraum zwischen Phosphorylierung und Dephosphorylierung ist variabel ( 1 Sekunde –> 1 Stunde)
- Phosphorylierungen dienen häufig als „Verstärkersignale”. Eine durch Phosphorylierung aktivierte Kinase kann weitere Phosphorylierungen katalysieren.
- Die Verwendung von ATP als Phosphorylgruppendonor koppelt den Stoffwechsel an den Energiestoffwechsel der Zelle.
Wie kann Proteolyse zur Aktivierung von Verdauungsenzymen genutzt werden?
Verdauungsenzyme, werden als Zymogene (oder Proenzyme) im Magen oder Pankreas hergestellt
Syntheseort Zymogen Aktives Enzym
Magen Pepsinogen Pepsin
Pankreas Chymotrypsinogen Chymotrypsin
Pankreas Trypsinogen Trypsin
Pankreas Procarboxypeptidase Carboxypeptidase
Pankreas Proelastase Elastase
