Enzym: Etymologie
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Enzym: Etymologie Enzym Griechisch "en zyme " = in der Hefe. Proteine mit Molekülmasse zw. 12000 und 106 1 Enzyme sind Proteine 2 Eigenschaften der Enzyme 1. Hohe Spezifität und Stereospezifität 2. Hohe Reaktionsraten: 106 - 1020 höher als unkatalysiert • Enzyme fördern die Bildung des Transitionszustands durch Erniedrigung der Aktivierungsenergie • Enzyme haben keinen Einfluss auf die Lage des Gleichgewichts 3. Möglichkeit der gezielten Regulation • Allosterische Wechselwirkungen • Phosphorylierung / Dephosphorylierung • Feedback-Inhibition • Gen-Induktion und -Repression 4. Milde Reaktionsbedingungen • physiologische pH- und Temperatur-Werte • 1 atm 3 Katalyse X‡ Übergangszustand G G‡kat Ohne Enzym A+B Mit Enzym Reaktion: A+B G P+Q P+Q Gleichgewichtslage ändert sich nicht, d.h., Δ Δ G = Δ G - Δ G = 0 Reaktionskoordinate 4 Katalyse Um den Berg zu erklimmen brauchen wir viel Zeit G Wir überwinden den kleinen Hügel viel schneller Reaktionskoordinate 5 Reaktionskoordinate From Mathews et al., Biochemistry 4th edition, 2013 6 Reaktionskoordinate Faltung eines β-Faltblatts RK1 RK2 Die Reaktionskoordinate (RK) ist multidimensional und komplex 7 Hohe Reaktionsraten From Mathews et al., Biochemistry 4th edition, 2013 8 Praktische Bedeutung • Einige Erbkrankheiten lassen sich auf eine EnzymMutation oder das Fehlen eines (oder mehrerer) Enzyme zurückführen • Messung der Enzymaktivität im Blutplasma oder in Gewebeproben ist oft wichtig für die Diagnostik • Viele Arzneimittel wirken durch die Modulation (z.B. selektive Hemmung) eines (oder mehrerer) Enzyme • Enzyme spielen eine wichtige Rolle in der Nahrungsmitteltechnologie, in der Landwirtschaft und in der chemischen Technik (z.B. Subtilisin im Waschmittel http://de.wikipedia.org/wiki/Subtilisin) 9 Die Klassifizierung der Enzyme Klasse (1-6) Gruppe Untergruppe EC x.y.w.z EC = Enzyme Commission Seriennummer 10 Die Enzym-Nomenklatur (EC1-EC2) EC 1: Oxidoreduktasen Redox Reaktionen (Elektronentransfer) EC 2: Transferasen Übertragung chemischer Gruppen von einem Molekül auf ein anderes (z.B. Protein-Kinasen 2.7.10 – 2.7.13) 11 EC 2.7 Phosphotransferase (Kinase) ATP Substrat ADP phosphoryliertes Substrat Hexokinase Phosphatidylinositol-3Kinase 12 EC 2.7 Phosphotransferase (Kinase) http://en.wikipedia.org/wiki/Kinase accessed on May 12, 2014 13 EC 2.7.10-2.7.13 Protein-Kinase Mehr als 500! Kinase Domäne 14 EC 2.7.10 Protein Tyrosin Kinase Zoom auf ATP-Bindungstelle (hier durch Naturstoff gehemmt) 15 Protein Kinase als Drug Target Gleevec ist ein Arzneistoff zur Behandlung der chronischen myeloischen Leukämie (CML), von gastrointestinalen Stromatumoren (GIST) sowie weiteren malignen Tumoren. 16 Protein Kinase als Drug Target 17 Protein Kinase als Drug Target 18 Die Enzym-Nomenklatur (EC1-EC3) EC 1: Oxidoreduktasen Redox Reaktionen (Elektronentransfer) EC 2: Transferasen Übertragung chemischer Gruppen von einem Molekül auf ein anderes (z.B. Protein-Kinasen 2.7.10 – 2.7.13) EC 3: Hydrolasen Spaltung chemischer Bindungen durch Hydrolyse (z.B. Proteasen 3.4.11 – 3.4.25) 19 EC 3.4 Hydrolase (Protease) http://en.wikipedia.org/wiki/Protease accessed on May 15, 2012 20 EC 3.4.21.1 Chymotrypsin Substrat 21 Die Enzym-Nomenklatur (EC4-EC6) EC 4: Lyasen Addition von Gruppen an Doppelbindungen oder Bildung von Doppelbindungen durch Entfernung von Gruppen (Spaltung und Knüpfung von Bindungen ohne Beteiligung oxidativer oder hydrolytischer Schritte) EC 5: Isomerasen Intramolekulare Isomerisierungen EC 6: Ligasen Bildung von C-C-, C-N-, C-O- und C-SBindungen durch Kondensationsreaktionen, gekoppelt an ATP-Hydrolyse 22 EC 5.2.1.8 Peptidylprolyl-Isomerase 23 Schlüssel-Schloss Modell (Fischer, 1894) • Nicht kovalente Wechselwirkungen • Geometrische Komplementarität • Elektronische/chemische Komplementarität Substrat Enzym Dihydrofolat-Reduktase: NADP+ (rot) passt perfekt im aktiven Zentrum. Tetrahydrofolat 24 (gelb) ist ein weiteres Substrat. Induzierte Passform (Induced Fit ) Substrat (Koshland, 1958) Produkt Enzym Enzym Enzym-Substrat 25 Induced fit bei der Hexokinase Die Enden rücken aufeinander zu, wenn Hexokinase nach Bindung von D-Glucose (rot) eine Konformationsänderung vollzieht (PDB ID 1HGK und 1GLK). 26 Enzymdynamik 27 Enzymdynamik 28 Enzymdynamik From Mathews et al., Biochemistry 4th edition, 2013 29 Stereospezifität der Enzyme Prochirale Moleküle pro-R (A-Seite) H OH H H CONH2 C H pro-R pro-S CH3 Ethanol N R NADred 30 Redox Reaktion von NAD Hydrid-Übertragung H CONH2 H CONH2 + + H + 2e N R (Elektronenakzeptor) NADox (Elektronenekzeptor) H– N R NADred 31 Alkohol Dehydrogenase (1) R D CONH2 + N OH D C CH3 R NADox Ethanol D H ADH CONH2 + O CH3CD N R NADred Ethanal Stereospezifische Reaktion 32 Alkohol Dehydrogenase (2) R D H CONH2 + N R NADred O CH3CH Ethanal CONH2 ADH + N R OH H C D CH3 Ethanol NADox Stereospezifische Reaktion 33 Das Aktive Zentrum Substrat Katalytische Stelle Bindungsstelle Aktives Zentrum (Bindung + Katalyse) Enzym 34 Coenzyme – Cofaktoren (1) Substrat Ohne Coenzym: Bindung ohne Katalyse Substrat Enzym 35 Coenzyme – Cofaktoren (2) Substrat Substrat Coenzym Das Coenzym ist für die Katalyse nötig Apoenzym + Coenzym = Holoenzym 36 Coenzyme – Cofaktoren (3) Cofaktoren Metallionen (z.B. Cu2+, Fe3+, Zn2+) Coenzyme Organische Moleküle (z.B. NAD, Coenzym A) Prostetische Gruppen Kovalent gebunden (z.B. Hämgruppen) Vitamine Sehr oft Coenzymvorstufen 37 Vitamine als Vorstufen von Coenzymen CH3 N N Thiamin, Vitamin B1 CH2 CH2OH N H3C NH2 Vitamin S CH3 N N CH2 CH2 H3C N NH2 S O P P Thiamin-diphosphat (aktive Form) Coenzym: Aldehydtransfer 38 Vitamine als Vorstufen von Coenzymen O O Vitamin C CONH2 C NH2 OH N N N Nicotinamid (Niacinamid) CH2 Nicotinsäure H O O Coenzym P O H OH H OH O NH2 N N O N NAD = Nicotinamidadenindinucleotid Dinucleotid = 2x Nucleotid NADox H O P O CH2 O H N O H H OH H OH 39 Aktivierungsenergie Einfache chemische Reaktion HA-HB + HC HA + HB-HC HA· · · HB · · · HC Übergangszustand 40 Übergangszustand-Diagramm (1) HA· · · HB · · · HC Übergangszustand (kurzlebig) G G‡ AktivierungsEnergie HA-HB + HC HA+ HB-HC Edukte und Produkte haben die gleiche Energie Reaktionskoordinate 41 Übergangszustand-Diagramm (2) G‡ G GReaktion < 0 Spontane Reaktion (exergonisch); aber GReaktion hat keinen Einfluss auf Reaktionsgeschwindikeit A+B GReaktion P+Q Reaktionskoordinate 42 Reaktionsgeschwindigkeit Geschwindigkeit e G‡ RT Je grösser die Aktivierungsenergie, desto geringer die Geschwindigkeit 43 Der höchste Berg bestimmt die Geschwindigkeit Zweistufige Reaktion G I‡ Geschwindigkeitsbestimmender Schritt A‡ A‡ I‡ A I P A I P 44 Verdauungsenzyme Ohne Enzyme wären 50 Jahre nötig, um eine Portion Schinken zu verdauen. 45 Enzyme: Katalysatoren Sie reduzieren die freie Enthalpie des Übergangszustandes (Stabilisierung) ∆∆G‡ 5 kJ · mol–1 bedeutet eine 10-fache Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit z.B.: H-Bindung (nicthkovalent) = 10-20 kJ · mol–1 46 Katalysemechanismen 1. Säure-Base 2. Kovalent 3. Metallionen 4. Elektrostatisch 5. Nachbargruppen u. Orientierungseffekte 6. Stabilisierung des Übergangszustands 47 20 Standardaminosäuren From Mathews et al., Biochemistry 4th edition, 2013 48 1. Säure-Base Katalyse Keto-Enol Tautomerisierung Pfeildarstellung: Verschiebung von Elektronenpaar • Gebogene Pfeile zeigen den Fluss von Elektronenpaaren an. • Für den Reaktionsmechanismus wichtige ungebundene Elektronen werden durch Punkte dargestellt. • Elektronegativere Atome ziehen Elektronen stärker an (relative Elektronegativität: F > O > N > C ≈ S > H ≈ P). • Maximal 8 Valenzelektronen in C-, N- und O-Atome; keine pentavalente C Atome oder divalente H Atome! 49 1. Säure-Base Katalyse Unkatalysiert (langsam) Säurekatalysiert (schnell) Basekatalysiert (schnell) Keto-Enol Tautomerisierung 50 Base Säure Säure-Base Katalyse: pankreatische RNase Säure Base 51 Säure-Base Katalyse Seitenketten in aktiven Zentren: Präzis angeordnet; schnelle Protonenübertragung -> Geschwindigkeitssteigerung von 102 bis 105 Enzyme haben einen optimalen pH-Bereich pH-Aktivitätsprofil zweier Enzyme 52 2. Kovalente Katalyse : hohe G 1. Nucleophiler Angriff 2. Abzug von Elektronen 3. Eliminierung des Katalysators Decarboxylierung von Acetoacetat: unkatalysiert (blau), katalysiert (rot) 53 Biochemisch wichtige Nucleophile ROH RO +H Hydroxyl RSH RS +H Sulfhydryl RNH3 RNH2 + H R Amino R Imidazol HN NH HN N +H 54 Biochemisch wichtige Electrophile H Protonen Mn+ Metallionen R C O Carbonyl C R' R C N H Kationisches Imin C (Schiffsche Base) R' 55 3. Metallionenkatalyse Metalloenzyme fest als Kofaktoren gebunden Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+, Mn2+, Co2+ Übergangsmetalle (Katalyse) Metallaktivierte Enzyme schwach gebunden Na+, K+, Mg2+, Ca2+ Alkali, Erdalkali (strukturelle Bedeutung) 56 Metallionenkatalyse: Carboanhydrase (1) Acider als freies H2O CO 2 H 2 O HCO3 H CO2 Transport von Gewebe zu Lungen; Bicarbonat Puffersystem 57 Metallionenkatalyse: Carboanhydrase (2) Koordination von 3 His und 1 H2O H2O polarisiert zu OH– OH– greift CO2 an 58 Metallionenkatalyse Metallionenbeiträge zur Katalyse: • Bindung an Substrate, um diese in eine für die Reaktion geeignete Konformation zu bringen • Reversible Änderungen des Oxidationszustands der Metallionen vermitteln Redox-Reaktionen • Elektrostatische Stabilisierung z.B. um negative Ladung zu neutralisieren; Metallionen sind effektiver als Protonen, weil höhere Konzentration und auch +2 Ladung 59 4. Elektrostatische Katalyse • Substratbindung im aktiven Zentrum unter Ausschluss von Wasser • Starke Abweichung der pK-Werte der AS • Polarität des aktiven Zentrums vergleichbar mit organischem Lösungsmittel; niedrige Dielektrizitätskonstante (ε) • Elektrostatische WW stärker als im Wasser Coulomb WW: E=qi qj / (ε rij) rij = Abstand 60 Elektrostatische Katalyse • Niedrige Dielektrizitätskonstante 61 5. Nachbar- und Orientierungseffekte Immer vorhanden: 1. Substrate werden in Kontakt gebracht Steigerung der Geschwindigkeit Faktor 5 2. Produktive Ausrichtung der Substrate Steigerung der Geschwindigkeit Faktor 100 3. Erstarren von Rotation und Translation Steigerung der Geschwindigkeit Faktor 107 62 Man muss treffen! Nachbargruppeneffekt: 5x ... aber richtig Orientierungseffekt: 100x 63 Enzym: optimierte Nachbar- und Orientierungseffekte E + S ES Einfrierung der Freiheitsgrade des Substrats und der katalytischen Gruppen: -T Δ S > 0 ungünstig. Aber: ΔH < 0 Bindungsenthalpie: günstig Enzym 107x !!! Enzym 64 Nachbar- und Orientierungseffekte (Erklärung) relativ zu (a) 3 Reaktionen eines Esters mit einer carboxylatgruppe, wobei ein Anydrid entsteht. (Der Rest R ist immer gleich.) Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit: (a) bimolekular (b,c) monomolekular 65 6. Stabilisierung des bergangszustand Fast immer vorhanden: Enzyme binden den Übergangszustand mit höherer Affinität als Substrate und Produkte Erhöhung der Konzentration des Übergangszustands Steigerung der Geschwindigkeit um 106 34.2 kJ·mol–1 bei 25°C 66 Stabilisierung des Übergangszustands Stabilisierung des Übergangszustands 67 Stabilisierung des Übergangszustands Hydrophober Effekt van der Waals H-Brückenbindungen Ionische Wechselwirkungen 68 S‡ Reaktion Nichtkatalysierte GN‡ G Nicht katalysiert Beiträge zur Reaktionsbarriere GN‡: Entropie von S in Lösung Solvathülle um S Verformung von S (Induced fit trägt zu GE‡ bei) S SP G Reaktionskoordinate P 69 3 Berge (= Anzahl Gleichgewichte) Enzymkatalysierte Reaktion G ES EP E + P E + S 2 Täler (= Anzahl Intermediate) ES‡ E···S Enzymkatalysiert GE‡ E···P E+S ES G EP E+P 70 k1Enzymkatalysierte k2 Reaktion k3 k-1 k-3 ES EP E + P E + S G k-2 Die Geschwindigkeitskonstante eines gegebenen Reaktionsschritts ist umgekehrt proportional zur Differenz der freien Enthalpie der Edukte und des Übergangszustands jenes Schritts. Grosse Energiedifferenz = kleine Konstante (langsamer Schritt). 1/k-2 1/k1 1/k-1 1/k2 1/k3 1/k-3 ( Symbol für "proportional") 71 Vergleich S‡ N-E P S ES EP E + P E + S G GN‡ G‡kat Je grösser G‡kat desto schneller verläuft die Reaktion ES‡ GE‡ S E+S ES G EP P E+P 72 Kinetik: Arrheniusgleichung Bezug zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit,Temperatur und Aktivierungsenergie Ea (freie Aktivierungsenthalpie) Ea Ea RT ln k ln A k Ae RT k = Geschwindigkeitskonstante Ea≈ G ∆G ‡ G 73 Thermodynamik: van’t Hoff Gleichung Bezug zwischen der Gleichgewichtskonstante und der freien Enthalpie G = H - T S K eq e G ln K eq RT G RT zum Beispiel Dissoziationskonstante: Keq = KD = kon/koff = [A][B]/[AB] koff AB A+B kon 74
