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Zusammenfassung - Vorlesung: Enzyme
Medizinische Biochemie (55283)
Universität zu Köln
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Kommentare
- sehr gut gemacht danke
- Jo, die Zusammenfassung ist so schön Aufgebaut, dass sie selbst für mich als Schüler gut verständlich ist.Danke!
- gfgfgfg
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Text Vorschau
Enzyme
Definition
Biokatalysatoren Beschleunigung Reaktionsgeschwindigkeit Setzen für Reaktion benötigte Aktivierungsenergie herab i.d sind Enzyme Proteine liegen in Tertiärstruktur vor CHEMISCHE KATALYSATOREN BIOKATALYSATOREN CHEMISCHE VERBINDUNGEN Proteine (RNA: Anfang der Organisation von Makromolekülen) NIEDRIGERE SUBSTRATSPEZIFITÄT Hohe Substratspezifität (Steoreospezifität) Temperatur abhängig pH abhängig (pH-Optimum) Cofaktoren Hyperbole oder sigmoide Beziehung zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Substratkonzentration Beispiele für RNA-Biokatalysatoren: Ribosomen, Petpidyltransferase
Spezifität
reaktionsspezifische Katalysatoren
Substratspezifität
besitzt nur ein bestimmtes Zwischenprodukt des Stoffwechsels (Substrat) auch nahe Verwandte des Substrats werden nicht umgesetzt
Gruppenspezifität
wirkt auf alle Verbindungen, die bestimmte Gruppe aufweisen (Alkohol, Peptidbindung, etc.)
Wirkungsspezifität
Zwischenprodukte des Stoffwechsels in der Lage mehrere Reaktionen einzugehen Enzym katalysiert nur eine einzige der Möglichkeiten
Stereospezifität (optische Spezifität)
Nur eine Form von Bild/Spiegelbild wird vom Enzym umgesetzt Andere Form (L/D) braucht „eigenes“ Enzym Ausnahme: Isoenzyme Dreipunktbindung: 3 Substituenten des C-Atoms sind spezifisch an Enzym gebunden (Tausch der Substituenten nicht möglich)
Nomenklatur
- Name des umgesetzten Substrats
- Art der katalysierten Reaktion
- Endsilbe –ase
Substratspezifität Stereospezifität
Einteilung
Hauptklassen Unterklassen Funktion Beispiel
- Oxidoreduktasen Monooxygenase Dioxygenase Oxidasen Dehydrogenasen Hydrogenase
Katalysieren Oxidation Katalysieren Reduktion → Oxidierter Stoff wird reduziert → Reduzierter Stoff wird oxidiert
Alkohol-Dehydrogenase Citratzyklus: Coenzyme →Reduktionsäquivalente FAD/FADH NADH/NADPH
- Transferasen Kinasen Acetyl-, Methyl-, Amino- Transferase Polymerasen
Katalysieren Transfer chemischer Gruppen Kinasen z. Phosphat- gruppe Gruppenspezifisch
Glykogen-Phosphorylase
- Hydrolasen Proteasen (Peptidasen) ATPasen Esterasen Nucleasen Glucosidasen
Katalysieren Spaltung chemischer Bindung unter Einlagerung von Wasser Intrazellulär: Lysosom
Chymotrypsin → Verdauungsenzym (Serinprotease) → Bildung im Pankreas
- Lyasen Decarboxylasen Aldehyd-Lyasen Synthasen
Katalysieren Spaltung zweier Moleküle Katalysieren Verknüpfung zweier Moleküle Ohne ATP
Carboanhydrase Fumarathydratase Aldolase: Glykolyse
- Isomerasen Racemasen Epimerasen
Katalysation von Umlagerung innerhalb eines isomeren Moleküls
Triosephosphat- Isomerase Protein-Disulfid Isomerase 6. Ligasen Synthetasen Katalysieren Spaltung zweier Moleküle Katalysieren Verknüpfung zweier Moleküle mit ATP
Pyruvatcaboxylase: Gluconeogenese Aminoacyl-tRNA- Synthetase
Schlüssel-Schloss-Prinzip Introduced-fit -Prinzip
Substratbindungsstelle eines Enzyms
Aktives Zentrum
Ort wo Substrat gebunden und umgesetzt wird Schlüssel-Schloss-Prinzip: Ein Substrat passt in ein Enzym eher Modell für Übergangszustand Induced-fit: Enzyme passen sich ihrem Substrat an eher Modell für Ausgangszustand Ist eine 3-dimensionale Einheit Beteiligte Aminosäure-Reste, die häufig auseinanderliegen, werden durch Faltung in räumliche Nähe gebracht Häufig höhlen- oder spaltenförmig Durch Bindung des Substrats so verändert, dass es zum Substrat komplementäre Gestalt annimmt 1. Aktives Zentrum Teil des Proteinmoleküls (Enzyms) 2. Am aktiven Zentrum wirkt Gruppe ohne Proteincharakter mit: Coenzym, prosthetische Gruppe Substratbindung erfolgt über H-Brücken, hydrophobe Wechselwirkungen, elektrostatische Wechselwirkungen, Ionenbindung Katalysewirkung durch Mechanismus o Säuren-Basen-Katalyse o Kovalente Katalyse o Metallionenkatalyse
Isoenzyme
Chemisch unterschiedlich aufgebaut katalysierende Reaktion gleich Entstehung: Duplikation von Genen und deren Mutationen geringfügige Abweichung in Primärstruktur Unterscheidung in:
- elektrophoretische Wandergungsgeschwindigkeit
- isoelektrischer Punkt
- Substrataffinität
Ribozyme
Katalysieren Bildung und Spaltung von Phosphordiesterbindungen in Nucleinsäuren Katalysieren Bildung von Peptidbindungen
pH-Abhängigkeit
Enzyme sind stark pH-Wert abhängig Starke Säuren oder Basen können Konformation zerstören Funktionseinschränkung Intramolekularen Wechselwirkungen werden zerstört Pepsin o Im Magen o Spaltet Proteine (Peptidbingung) o pH-Wert im Magen: 1 – 2 sauer pH-Optimum von Pepsin liegt bei 1 – 2 Pepsin wird nicht durch das saure Milieu denaturiert Pankreasenzyme o Trypsin: hergestellt im Pankreas, spaltet im Dünndarm (pH 7) pH-Optimum von Trypsin bei 7 – 8 liegt der pH-Wert zu hoch oder zu niedrig, wird das Enzym verdaut und wiederverwertet
Lebensdauer von Enzymen
Enzyme unterliegen dauerndem Stoffwechsel Auf- und Abbau laufen parallel: Protein Turn-Over Jedes Protein hat spezifische Halbwertszeit
Umwandlung verschiedener Energieformen
Fotosynthese: Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie Mitochondrien: freie Enthalpie kleiner Moleküle aus Nahrung in die eines Ionengradienten Überführung in freie Enthalpie von ATP Muskel: Myosin wandelt Energie aus ATP in mechanische Energie um Membran: Pumpen nutzen Energie von ATP zum Ionen-/Molekültransport
Enzyme sind Biokatalysatoren (Zusammenfassung)
Beeinflussen Reaktions-Geschwindigkeit, aber nicht Reaktions-Gelichgewicht 1. Erkennen und binden Substrate (schlüssel-Schloss Modell, induced-fit Modell) 2. Bringen Reaktanden in optimale Orientierung 3. Partizipieren mit ihren Seitenketten oder Cofaktoren im Reaktionsmechanismus 4. Gehen aus Reaktion unverändert hervor 5. Haben Temperatur- und pH-Optimum 6. Werden durch Michaelskonstante KM und Wechselzahl kkat charakterisiert
Coenzyme = Cosubstrat
Niedermolekulare, hitzebständige Nicht-Proteine Hilfsmolekül der Enzymreaktion Funktion: Übertragung von Elektronen, Ionen, Molekülgruppen Meist ableitbar von Vitaminen Weisen keine Spezifität auf Nicht kovalent an Aktivitätszentrum gebunden Bilden zusammen mit Apoenzym eigentliches (Holo-)Enzym Werden bei Reaktion verändert und freigesetzt Regenerieren sich zurück in ursprüngliche Form
Prosthetische Gruppe
Fest an Enzymprotein gebunden Abspaltung irreversible Denaturierung des Enzyms Bei Katalysereaktion verändert, Regeneration aber am selben Enzym
Spezifität von Proteasen
Papain (aus Papayapflanzen) o Unterscheidet kaum zwischen Aminosäureseitenketten Trypsin o Spaltet auf Carboxylseite von Lysin- oder Argininresten Thrombin o Spaltet Arginin-Glycin-Bindungen nur in spezifischen Sequenzen
[S] ∞ v ≈ vmax
A
B
C
Hyperbolisch: Michaelis-Menten-Enzym
Zerfällt in Substrat und Produkt
E. Enzym; S: Substrat; ES: Enzym-Substrat-Komplex; P: Produkt; K: Geschwindigkeit; K-2 wird nicht berücksichtigt Daraus ableitbar: Michaels-Menten-Gleichung: Geschwindigkeit einer Reaktion
Keine Allosterie bei Michaelis-Menten Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von Substratkonzentration
Km: Substratkonzentration bei der Enzym mit halber Geschwindigkeit arbeitet Maß für Affinität von Enzym zum Substrat
Hemmung o Kompetetiv o Nicht kompetetiv
- gebräuchlichste Linearisierungsverfahren der Michaelis- Menten-Gleichung
- Variablen v und [S] getrennt voneinander aufgetragen werden
- Ungleichverteilung der Daten ○ Stauchung der Daten in Richtung des Achsenkreuzes ○ Spreizung der Daten in die entgegengesetzte Richtung
Michaelis-Konstante (Km) Für gegebenes Enzym mit bestimmten Substrat ist Km-Wert charakteristische Konstante Je kleiner Km-Wert, umso größer Affinität zwischen Enzym und Substrat k-1 > k 2 Unter physiologischen Bedingungen Verhältnis von [S] zu Km 0,01 – 1, Enzyme arbeiten i.d. bei Substratkonzentration unterhalb des Km: v ~ [S] Meisten Enzyme haben Km-Werte 10-3 (mM) – 10 -6 (μM) Gegebenes Enzym hat für jedes Substrat unterschiedliche Km-Werte
Km-Werte sagen nichts über die Reaktionsgeschwindigkeit aus
Wenn k 2 < k-1, dann ist Km ≈ 푘−1푘1 = KD Die 2. Reaktion ist langsamer als die Rückreaktion, deshalb nur Geschwindigkeit aus 1. Reaktion maßgebend für Km KD: Dissoziationskonstante des Michaelis-Komplexes Maß für Substrataffinität des Enzyms: Verhältnis zwischen dissoziierter und undissoziierter Form K 2 = kcat: Wechselzahl Katalytische Effizienz: 퐾푐푎푡퐾푚
Wechselzahl (Kcat) Anzahl von Substratmolekülen, die bei vollständiger Sättigung des Enzyms mit Substrat pro Zeiteinheit umgesetzt werden Für die meisten Reaktionen 1 – 10000/sek kkat = Reaktionskonstante k 2
Zusammenhang zwischen Substratkonzentration und Km [S] < Km v = 푣푚푎푥퐾푚 * [S] v ~ [S] [S] = Km v = 푣푚푎푥퐾푚 * [S] = vmax [S] > Km v = 푣푚푎푥퐾푚 * [S] = 푣푚푎푥 2
Beispiele ENZYM SUBSTRAT KM (MOL/L) KCAT [S-1] KCAT/KM [S- 1 L MOL-1] KATALASE (ENTGIFTUNG) H 2 O 2 1,1 4,0 * 10 7 4,0 * 10 7 CARBOANHYDRASE (CO2-UMSATZ) CO 2 HCO 3 - + H+
####### 1,2 * 10-
####### 2,6 * 10-
####### 1,0 * 10 6
####### 4,0 * 10 5
####### 8,3 * 10 7
####### 1,5 * 10 7
PEPSIN (VERDAUUN) Protein (Phe – Gly) + H 2 O
####### 3,0 * 10-4 0,5 1,7 * 10 3
####### PENICILLINASE, Β-LACTAMSE
####### (BAKTERIELLE ANTIIOTIKARESISTENZ)
Benzylpenicillin
- H 2 O
####### 2,0 * 10-5 2,0 * 10 3 1,0 * 10 8
####### ACETYLCHOLINESTERASE
####### (NEUROTRANSMITTERABBAU)
Acetylcholin + H 2 O
####### 9,0 * 10-5 1,4 * 10 4 1,6 * 10 8
Lineweaver-Burk-Diagramm
Inhibition durch spezifische Moleküle
Kontrollmechanismus in biologischen Systemen Medikamente Toxische Stoffe Irreversible Inhibitoren o Dissoziieren nur sehr langsam (oder nie) vom Enzym o Kovalent, oder nicht kovalent sehr stark gebunden o „Enzymgifte Reversible Inhibitoren o Durch schnelle Dissoziation des Enzym-Inhibitor-Komplexes Kompetetive Hemmung Nichtkompetetive Hemmung Unkompetetive Hemmung
Irreversible Inhibitoren
Legen Enzym dauerhaft lahm Auffindbar im menschlichen Plasma Z. inhibiert Aspirin COX: Acetylierung einer Serin-Seitenkette Suizidaler Hemmmechanismus: Inaktivierung Enzym o Inaktiv bis Bindung an aktives Zentrum o Normale Katalyse der ersten Schritte o Kann Reaktion nicht über kovalentes Zwischenstadium hinausführen o Endprodukt entsteht nicht Suizid-Inhibitor verwandelt sich in reaktive Verbindung Irreversible Hemmung Meiste Klasse: Serpine
Reversible Inhibitoren
Kompetetive Hemmung
Inhibtor bindet statt Substrat
Vermindert Katalysegeschwindigkeit indem aktives Zentrum blockiert wird und weniger Substrat binden kann: konkurriert mit Substrat Inhibition durch Erhöhung der Substratkonzentraion aufhebbar KM scheinbar erhöht KKat bleibt gleich Vmax kann erreicht werden Substrataffinität vermindert
Nichtkompetetive Inhibitoren
Inhibitor und Substrat können gleichzeitig binden
Bindet selektiv an Komplex aus Enzym und Substrat Inhibition lässt sich durch Erhöhung der Substratkonzentration nicht aufheben KM bleibt gleich Wechselzahl KKat wird reduziert Vmax wird nicht erreicht Substrataffinität scheinbar erhöht
Allosterisch regulierte Enzyme
Art der nichtkompetetiven Hemmung Kooperativität bei Substratbindung Einfluss von Aktivatoren und Inhibitoren durch Bindung außerhalb der Substratbindungstasche Kooperativer Übergang mehrerer aktiver Zentren zwischen Zuständen niedriger und hoher Aktivität äußert sich in sigmoidaler Reaktionskinetik Michaelis-Menten gilt nicht für allosterische Enzyme Bestehen aus mehreren Unterinheiten Haben mehrere katalytische Zentren Jede Untereinheit kann in zwei Konformationen existieren o T: tense-Form niedrigaffin o R: relaxed-Form hochaffin
Allosterischer Effekt durch Bindung von Effektoren
Proteine besitzen mehrere räumlich getrennte Bindungsstellen die miteinander kommunizieren können
allosterischer Effekt wird an anderer Position als Substratbindungsstelle verursacht Positive und negative Effektoren wirken durch Stabilisierung der R- oder T-Form Positiver allosterischer Effekt: Bindung eines Liganden erleichtert die eines anderen Negativer allosterischer Effekt: Liganden erschweren Bindung des anderen Bsp.: Phosphofructokinase o Hoher ATP-Spiegel hemmt o Fructose-6-Phosphat Fructose-1,6-biphosphat Regulation der Proteinkinase A durch cAMP o gehemmtes Holoenzym R 2 C 2 o Pseudosubstrat: -Arg Arg Gly Ala Ile- o Subtsrat der PKA: -Arg arg Gly Ser Ile-
Zusammenfassung - Vorlesung: Enzyme
Kurs: Medizinische Biochemie (55283)
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