Versuch: Enzyme (LDH)

Tierphysiologie (Stoffwechselteil)
3. Semester
25.11.02
Versuch: Enzyme (LDH)
Seiten im Campell, Tierphysbuch (Penzlin) und Eckert
Zusammenfassung Campbell S. 105- 113
Zusammenfassung Eckert S. 77 – 89
Zusammenfassung Penzlin S. 50 – ff.
Allgemein:
Temperatur und Reaktionsgeschwindigkeit hängen eng zusammen. Für eine
chemische Reaktion sind aber neben der Temperatur auch noch andere
Faktoren, wie Druck, ph-Wert und Konzentration der Edukte und Produkte
ausschlaggebend.
Eine Reaktion läuft nur freiwillig ab, wenn ∆G negativ ist. Außerdem hat jede
Reaktion eine Aktivierungsenergie. Da solche Reaktionen auch im Körper
ablaufen müssen, man dort aber nicht einfach den Druck oder die Temperatur
ändern kann, um die Reaktion freiwillig ablaufen zu lassen, muss sich der
Körper mit der Verwendung von Enzymen weiterhelfen. Diese können viel
gezielter eingesetzt werden, als eine Temperaturerhöhung, die einer anderen
Reaktion oder der Struktur von Proteinen schaden würde.
Somit laufen sämtliche Reaktionen im Körper über Enzyme ab, die um 37°C
ihr Optimum aufweisen. Die Enzyme ändern jedoch nichts am Gleichgewicht
einer Reaktion und können auch nur Reaktionen katalysieren, die auch von
alleine ablaufen würden. Zusätzlich ändern Enzyme auch nichts an dem Wert
von ∆G.
Aktivierungsenergie:
Ist die Energie, die benötigt wird, um bei einem Zusammenstoß zweier
Teilchen eine Reaktion hervorzubringen.
Enzyme:
Enzyme sind Proteine mit katalytischen Eigenschaften. Sie bewirken eine
Erniedrigung der Aktivierungsenergie, durch die Bildung eines EnzymSubstrat-Komplexes und erhöhen somit die Geschwindigkeit einer Reaktion.
Enzyme gehen aus einer Reaktion immer unverändert hervor, ändern nichts am
Reaktionsgleichgewicht und auch nicht an der freien Energie.
Die Geschwindigkeit von Reaktionen erhöht sich um das 108 bis 1020 –fache.
Somit kann die Geschwindigkeit von Reaktionen von Enzymen geregelt
werden.
Substratspezifisch: Enzyme können immer nur ein Substrat umsetzen.
Dieses Substrat passt in das aktive Zentrum (das reaktive Zentrum von
Enzymen) wie der Schlüssel in ein Schloß. Das Schlüssel-Schloß-Prinzip ist
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ein sehr steifes Gedankenmodell. Heute spricht man eher von dem induced–fitModell. Es besagt, dass das sich nähernde Substrat die Struktur des aktiven
Zentrums soweit ändert, dass es noch besser und effektiver gebunden werden
kann.
Reaktionsspezifisch: ein Enzym katalysiert nur eine Reaktion, auch dann,
wenn das Substrat in mehrere verschiedene Produkte reagieren könnte.
Stereospezifisch: ein Enzym kann nur eine Isomerieform eines Produkts
herstellen. Dies liegt an der Form der Aminosäuren, die auch L- bzw. D sind!?!
(Erklärung nicht sicher, nachlesen!)
Temperatur: Steigt die Temperatur, so nimmt die Teilchengeschwindigkeit zu.
Somit steigt auch die Wahrscheinlichkeit, dass ein Substratmolekül vom
aktiven Zentrum gebunden wird (höhere Wechselzahl). Ist die Temperatur
dagegen zu hoch, denaturisiert das Enzym (Protein). Dabei werden die
schwachen Wechselwirkungen der Quartär-, Tertiär- und Sekundärstruktur
aufgebrochen und es kommt zum Verlust der speziellen Struktur (siehe auch
„aktive Zentrum“).
So kann man nun feststellen, dass ein Enzym ein Temperaturoptimum
aufweist.
pH-Wert: Ein Enzym besitzt auch einen optimalen pH-Wert, bei dem es die
beste Umsatzrate aufweist. Ist der pH-Wert zu basisch oder zu sauer so werden
dadurch wieder die dreidimensionalen Strukturen zerstört. Jedoch können
Enzyme den fallenden pH-Wert so nutzen, dass sie Protonen anlagern und die
Aminosäurenketten in positiver Form vorliegen. Dies erleichtert die Bindung
von Substraten die negative Gruppen besitzen.
Das Aktive
Zentrum:
Ein Enzym besteht, wie oben schon erwähnt, aus Peptidketten. Das aktive
Zentrum wird nur von Seitenketten einiger Aminosäuren gebildet. In dieser
Kluft (Tasche) werden die Substratmoleküle durch verschiedene
Wechselwirkungen (elektrische Bindungen, van-der-Waals-Kräfte,
Wasserstoffbrückenbindungen) gebunden.
Mechanismen
v. Enzymen: a)
b)
c)
d)
Cofaktoren:
die Substrate werden im aktiven Zentrum so gelegt, dass sie perfekt
miteinander reagieren können.
die Seitenketten des aktiven Zentrums dienen als Protonenakzeptoren
und –rezeptoren.
Enzym-Substrat-Komplex bildet zusammen eine instabilere und
reaktivere Verbindung.
Erhöhung der inneren Ladung Æ Erhöhung der Lsg. ?!?
Cofaktoren können anorganische Ionen sein oder auch kleine organische
Moleküle. Ein Enzym ist mit dem Cofaktor eine Einheit, da es ohne ihn keine
Reaktionen katalysieren könnte. Das Proteinanteil eines solchen Enzyms
bezeichnet man als Apoenzym, den nicht proteinhaltigen Teil als Prosthetische
Gruppe (Cofaktor). Das Gesamtenzym wird Holoenzym genannt.
Beispiele: NAD+ , Metallionen (Komplexbildung), Vitamine, Calciumionen.
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Kinetik:
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Auch hier gibt es Reaktionen 1., 2. und 0. Ordnung, wobei 1 Substrat, 2
Substrate oder kein Substrat der limitierende Faktor der Reaktion ist und in
nicht optimaler Konzentration vorliegt. Dabei geht man davon aus, das die
anderen Faktoren alle im Optimum liegen.
Michaelis-Menten-Diagramm:
Die Maximalgeschwindigkeit des Enzyms ist dann erreicht, wenn alle Enzyme
als Enzym-Substrat-Komplex vorliegen. Die Halbmaximale Geschwindigkeit
ist der Zustand, bei dem die Hälfte der Enzyme mit einem Substrat besetzt ist.
Diese Halbmaximale Geschwindigkeit wird auch als Vergleichsvariable
gewählt da vmax nicht genau zu bestimmen ist, da sich die Kurve asymptotisch
nähert. Zusätzlich sinkt die Kurve bei fastmaximaler Geschwindigkeit wieder
ab (siehe Substrathemmung).
KM ist die Michaelis-Menten-Konstante, die eine Aussage über die Affinität
zwischen Enzym und Substrat macht und angibt, wie hoch die Konzentration
des Substrats sein muss, um die halbmaximale Geschwindigkeit eines Enzyms
zu erreichen. Je größer KM ist, desto niedriger die Affinität!
Die Funktion für die Kurve lautet:
Lineweaver-Burk-Diagramm:
hier sind die Daten nur mathematisch verändert worden (rezibroke Werte).
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Die Steigung der Geraden zeigt v an.
Wechselzahl: Mol Substrat / Mol Protein * sec = 1/sec
Spezifische Aktivität: Mol/ g*sec
1 kat = 1 Mol / sec
v-Berechnung: siehe Skript
Näheres siehe Skript!
Enzymhemmung +
-aktivierung: Kompititive Hemmung: bei dieser Hemmung wird das aktive Zentrum von
einem substratähnlichen Molekül besetzt und somit gehemmt. Das Substrat
konkurriert mit dem Hemmstoff um die Anlagerung. Wenn man nun die
Substratkonzentration erhöht, kann man die Hemmwirkung ausschalten, da die
Wahrscheinlichkeit, dass ein Hemmstoff sich anlagert schwindend gering wird.
vmax ändert sich nicht, dafür aber KM, da eine höhere Konzentration des
Substrats benötigt wird, um vmax/2 zu erreichen.
Nichtkompititive Hemmung: hier setzt sich der Hemmstoff in eins von dem
aktive Zentrum weit entfernten Zentrum an, das sog. Allosterische Zentrum.
Eine Substraterhöhung hat somit keinen Einfluß auf die Hemmung, da es nicht
mit dem Hemmstoff konkurriert. KM bleibt gleich, vmax/2 wird kleiner, da in
einer bestimmten Zeit weniger Substrat umgesetzt wird.
Unkompititive Hemmung: Mischung aus den beiden oben genannten
Hemmungen.
„Vergiftete Hemmung“: Anlagerung von Teilchen, die das Enzym zerstören.
So z.B., Schwermetalle und Cyanide.
Feedback Hemmung: Auch Endprodukthemmung genannt. Das Endprodukt
einer Stoffwechselkette setzt sich als Hemmstoff (Inhibitor) in das allosterische
Zentrum des Enzyms, das den ersten Stoff umwandelt. Somit regelt es selber
seine Produktion.
Substrathemmung: Wenn ein Überschuß Substrat vorhanden ist, dann
behindern sich die Substratmoleküle gegenseitig beim Anlagern an das aktive
Zentrum. (deswegen macht die Kurve beim M_M_Diagramm hinten einen
Bogen nach unten)
Enzymaktivierung:
Cofaktoren, wie z.B.
werden Enzyme
Muskelkontraktion die
durch Anlagern von
Calciumionen,
aktiviert (z.B.:
ATPase).
aus Campbell:
Enzymhemmung
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