3.1 Grundlagen der Enzymkinetik

Gliederung
Grundlagen der Enzymkinetik
Referat von Anna Blume
Definition: Enzyme
• Enzyme sind Proteine, die als biologische Katalysatoren
die ablaufenden Reaktionen in Organismen beschleunigen ,
ohne dabei das Gleichgewicht der Reaktion zu
beeinflussen.
• Sie besitzen spezifische Bindungsstellen, die nicht nur die
selektive Anlagerung von Substraten ermöglichen (
Aktives Zentrum, Schlüssel- Schloss-Prinzip), sondern
auch zur Regulation der katalytisierten Reaktionen dienen
(Allostrisches Zentrum).
• Enzyme besitzen Temperatur- und pH- Optimum in denen
sie funktionieren, die optimalen Arbeitsbereiche sind
enzymspezifisch.
• Definition Enzyme
• Aktivierungsenergie und Aktives Zentrum
• Steady-State Theorie und Michaelis-Menten
-Konstante
• Michaelis-Menten Kinetik
• Inhibition
Warum kommt es zu einer Senkung der
Aktivierungsenergie?
Das Aktive Zentrum:
1.Fixiert Substrat und bringt
es in richtige Orientierung
2.Enthält Coenzyme
3. Reaktive Gruppen, wie
Protonendonatoren
bringen Substrat in
reaktionsfähigen Zustand.
4.Ausschluss von Wasser
verstärkt die Stabilität
ionischer Bindungen
1
Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit eines Enzyms
von der Substratkonzentration:
•
•
Steady-State-Theorie: Es herrscht
ein Fließgleichgewicht zwischen
den Geschwindigkeiten, mit denen
der Enzym-Substrat-Komplex in
das Enzym und das Produkt (k2)
bzw. das Enzym und das Substrat
(k-1) zefällt, und mit der er gebildet
wird (k1).
Der k-2 Wert ist am Anfang der
Reaktion zu gering, und deshalb zu
vernachlässigen.
• Bildungsgeschwindigkeit von
[ES]=k1[E][S]
• Zerfallsgeschwindigkeit von
[ES]=(k-1 + k2)[ES]
• Die MichaelisMenten-Konstante
Km =
Voraussetzungen für eine MichaelisMenten-Kinetik:
1. Die enzymkatalytische Reaktion hängt nur von
der Konzentration eines Reaktionspartners
ab, da von einer festen, gegebenen
Enzymmenge ausgegangen wird.
2. v ist linear, wenn [S] klein und P noch nicht
gebildet ist. (Rkt. 1. Ordnung)
3. Bei einer Substratsättigung erreicht v ein
Maximum (Rkt. 0. Ordnung). Alle Enzyme
sind belegt.
4. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist
der Zerfall von Enzym-Substrat-Komplex
zum Enzym und Produkt (k2), wobei ja k-2
in der Anfangsphase vernachlässigt wird.
[ E ][S ] k 2 + k −1
=
[ ES ]
k1
Der Km –Wert wird in mol/l
angegeben und ist ein Maß für die
Affinität zwischen Enzym und
Substrat. Ist Km klein, hat das
Enzym eine große Affinität, ist Km
klein hat das Enzym eine geringe
Affinität.
Km ist also enzymspezifisch
Michaelis-Menten-Kinetik
•
•
1 v=k2 x [ES] weil k2
geschwindigkeitsbestimmender Schritt
und v proportional zu [ES]
2 v max= k2 x[E total]= k2 x ([E]+
[ES])
Weil Maximalgeschwindigkeit erreicht
wird, wenn alle Enzyme belegt sind.
Dividiert man ½ erhält man:
v/ vmax = [ES]/ [E]+ [ES]
Wenn [S]=KM wird v =v max/2, d.h.
KM ist die Substratkonzentration, bei
der die Reaktionsgeschwindigkeit
halbmaximal ist.
Michaelis-Menten-Gleichung: v =
v max ⋅ [ S ]
K m + [S ]
• Die Gleichung entsteht durch das Zusammenfügen der
Gleichungen: v
[ E ][S ] k 2 + k −1
[ ES ]
=
& Km =
=
v max
v
Zu:
v max
Nach Umformung:
[ E ] + [ ES ]
=
v=
[ ES ]
k1
[ E ][ S ]
 [ E ] + [ E ][ S ] 

K m ⋅ 
Km


v max ⋅ [ S ]
K m + [S ]
2
Doppelt reziproke Schreibweise nach Lineweaver
und Burk:
Gleichung nach dem Schema.
y= ax + b
a=Steigung der Geraden
b= Schnittpunkt mit der y-Achse
Die Michaelis-Menten-Kurve nähert sich v max nur asymptotisch, hier ist der Kehrwert von
v max der Schnittpunkt der y-Achse.
K
1
1
1
=
+ m ⋅
v vmax vmax [ S ]
Beispiel der Michaelis-MentenKinetik
• Ein Beispiel wie sich unterschiedliche Km Werte in biologischen
Systemen auswirken können:
• Viele Asiaten vertragen keinen Alkohol. Dieser Effekt wird durch
Acetaldehyd hervorgerufen, der durch AD gebildet wird.
• EtOH + NAD+
Acetaldehyd + NADH
• Acetaldehyd wird durch eine weitere DH zu Acetat abgebaut. Hiervon
hat der Mensch 2 Isoenzyme: Mitochondriale DH mit niedrigem Km
und cytosolische DH mit hohem Km.Bei alkoholempfindlichen
Menschen ist die mitochondriale DH mutiert und daher inaktiv
• Acetaldehyd wird aufgrund des hohen cytosolischen Km nur sehr
schlecht abgebaut und daher ins Blut abgegeben. Dies führt zu den uns
allen bekannten Effekten.
Die Hemmung von Enzymen durch spezifische
Moleküle
•
•
Die Aktivität vieler Enzyme kann durch Bindung von Inhibitoren beeinflusst
werden.
Man unterscheidet folgende Inhibitoren:
Irreversible Inhibitoren: Diese Inhibitoren binden sehr fest (häufig kovalent)
an das Enzym und unterdrücken damit die Enzymaktivität (Bsp. Penicillin,
Aspirin)
Reversible Inhibitoren: Diese Inhibitoren binden reversibel an das Enzym und
können die Aktiviät über drei Möglichkeiten beeinflussen:
Kompetitive Hemmung
Nicht- Kompetitive Hemmung
Unkompetitive Hemmung
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Literaturverzeichnis
• Löffler und Petrides: Biochemie und
Pathobiochemie (5. Auflage)
• Horn: Biochemie des Menschen (2. Auflage)
• Biochemie Praktikum Enzyme S 2005/06
• www.biozentrum.uniwuerzburg.de/biochemie/vorlesung
• http://www.natur.sbg.ac.at/arnulf/biochem/pdf/bsp
1%20v1.pdf
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