Enzymmechanismen 2 - Goethe-Universität — Biowissenschaften

Jens Wöhnert
„Chemische Biologie – RNA-Strukturbiologie“,
Institut für Molekulare Biowissenschaften,
Johann-Wolfgang-Goethe Universität, Frankfurt
Modul 2 – Biochemie:
Enzymmechanismen
(1) Enzyme – Biologische Katalysatoren
- Verringert die Aktivierungsenergie der Reaktion 
„transition state stabilization“
(1) Enzyme – Biologische Katalysatoren
- Verringert die Aktivierungsenergie der Reaktion 
„transition state stabilization“
- „Typische“ Beschleunigung gegenüber unkatalysierter
Reaktion durch Enzyme: 106-1014 fach (kcat/kuncat)
(1) Enzyme – Biologische Katalysatoren
- Einige Enzyme sind „perfekte“ Katalysatoren
- Ihre Geschwindigkeit ist nur durch die Diffusionsgeschwindigkeit der Substrate limitiert
- Triosephosphatisomerase (TIM)
OH
(1) Enzyme – Biologische Katalysatoren
- k=A*e-Eact/RT
- kcat/kuncat=e(Euncat-Ecat/RT)
 kleine Änderungen in der Aktivierungsenergie („bessere
„transition state“ Stabilisierung)  große Änderungen in
der Reaktionsgeschwindigkeit
 2.4 kcal/Mol bessere Stabilisierung (~ 1 Wasserstoffbrückenbindung)  55fach schnellere Reaktion (25°C)
 5 kcal/Mol  3000fach schnellere Reaktion
 10 kcal/Mol  107fach schnellere Reaktion
(1) Enzyme – Biologische Katalysatoren
- ein „schnelles“ Enzym bindet den Überganszustand bis zu
~ 1012 mal besser als Substrate oder Produkte
- Lebensdauer des „transition state“ 10-14 s (eine Bindungsschwingung)
- Chemisch stabile „transition state analogs“ sind sehr
gute Inhibitoren von Enzymen
(1) Enzyme – Biologische Katalysatoren
- Chemisch stabile „transition state analogs“ sind sehr
gute Inhibitoren von Enzymen
PNPase = Purin-Nukleosid-Phosphorylase
(1) Enzyme – Biologische Katalysatoren
PNPase = Purin-Nukleosid-Phosphorylase, VL Schramm Accounts Chem Res 2015
(2) Katalytische Strategien
- Aminosäuren
Aminosäuren – Serin, Threonin
Serin und Threonin:
- Polar aber ungeladen
- Wasserstoffbrückenbindungen
- OH-Gruppe schwaches
Nukleophil,
- pKa der Seitenkette ~ 12.5
- sehr reaktiv in manchen
Enzymen
- Oft phosphoryliert
Aminosäuren – saure Aminosäuren
Aspartat und Glutamat: negativ
geladen, pKa ~ 4.0 – 4.5
Resonanzstabilisiert in der
deprotonierten Form
Wichtige Chelatoren für zweiwertige
Metallionen (Ca2+, Zn2+)
Reaktiv – Esterbildung, Aminierung
Nukleophil
Aminosäuren – Lysin
Lysin: lange flexible Seitenkette mit terminaler
Aminogruppe (-NH3+), stark basisch, pKa ~ 10.5
Interagiert mit negativen Ladungen –
ionische Wechselwirkungen
Deprotoniertes, neutrales Lysin – gutes
Nukleophil
Reaktiv: Methylierung, Acetylierung (Histone)
Bildet Schiff-Base mit Pyridoxalphosphat
Aminosäuren – Arginin
Arginin: stark basische Guanidiniumgruppe,
positiv geladen, planar, sp2-Kohlenstoff
Am stärksten basische funktionelle Gruppe in
Proteinen pKa ~ 12
Ionische Interaktionen mit negativ geladenen
Gruppen
Aminosäuren – Histidin
Histidin: Imidazol-Seitenkette, planar &
aromatisch, p-Elektronensystem
Einzige Seitenkette mit einem pKa ~ 7.0
Wasserstoffbrückenbindungspotential
Katalytische Base in vielen Enzymreaktionen
Aminosäuren – Tyrosin
Tyrosin: aromatische Seitenkette mit reaktiver Hydroxylgruppe,
pKa ~ 10.8
p-p - Interaktionen mit anderen
aromatischen Seitenketten, Wasserstoffbrückenbindungen
UV-Absorption
(e = 1420 M-1*cm-1)
kann phosphoryliert werden,
Stabile Radikale
Aminosäuren – Cystein
Cystein: reaktive Thiolgruppe –SH, pKA ~ 8.5,
reaktivste Seitenkette aller 20 AS
- Thiolat (-S- ) gutes Nukleophil
- SH-Gruppen können zu
Disulfidbrücken oxidiert werden
Aminosäuren – Selenocystein
Thiolgruppe
pKa=8.3
Selenolgruppe
pKa=5.5
(2) Die Enzymumgebung moduliert die
chemischen Eigenschaften der Seitenketten
- Beispiel – Acetoacetatdecarboxylase:
Frank L. Westheimer
1912 - 2007
(2) Die Enzymumgebung moduliert die
chemischen Eigenschaften der Seitenketten
- Beispiel – Acetoacetatdecarboxylase:
- Lysin 115 hat einen pKa von nur ~ 5.95, nur die neutrale
Form ist ein gutes Nukleophil
(2) Die Enzymumgebung moduliert die
chemischen Eigenschaften der Seitenketten
- Beispiel – Acetoacetatdecarboxylase:
Lys 115
Allen and coworkers, Nature 459, 2009
Lys 115 Schiff-Base mit Inhibitor
(2) Die Enzymumgebung moduliert die
chemischen Eigenschaften der Seitenketten
- Lysin 115 pKa ist um 4.5 pHEinheiten verschoben, weil sich
die Seitenkette in einer stark
hydrophoben Umgebung
befindet
(2) Die Enzymumgebung moduliert die
chemischen Eigenschaften der Seitenketten
- Beispiel – Ketosteroid - Isomerase:
(2) Die Enzymumgebung moduliert die
chemischen Eigenschaften der Seitenketten
- Beispiel – Ketosteroid-Isomerase:
(1) Die Enzymumgebung moduliert die
chemischen Eigenschaften der Seitenketten
- Beispiel – Urease:
(2) Die Enzymumgebung moduliert die
chemischen Eigenschaften der Seitenketten
- Beispiel – Urease:
(2) Die Enzymumgebung moduliert die
chemischen Eigenschaften der Seitenketten
- Beispiel – Urease:
(2) Die Enzymumgebung moduliert die
chemischen Eigenschaften der Seitenketten
- Einfluß von Kofaktoren (Metallionen) auf pKa - Werte:
(2) Kofaktoren