Enzyme

Stoffwechselphysiologie
Nahrung- und Flüssigkeitsaufnahme
in 40 Jahren:
3m
3m
6000 kg Nahrungsmittel
9m
36000 l
Wasser
Aufgaben des Stoffwechsels
• Gewinnung von chemischer Energie aus
anorganischen und organischen Vorstufen
(Assimilation), herstellen von
Grundbausteinen für zelluläre Makromoleküle
Aufgaben des Stoffwechsels
• Synthese von Lipiden, Proteinen
Nukleinsäuren und Polysacchariden aus
diesen Grundbausteinen als Strukturelement,
Energiespeicher, usw. (Anabolismus)
Aufgaben des Stoffwechsels
• Energiegewinnung durch den Abbau von
Kohlehydraten, Lipiden und Proteinen
(Katabolismus)
Was ist ein Enzym?
• Enzyme sind spezifische Biokatalysatoren,
die biochemische Abläufe in Organismen
unter physiologischen Bedingungen
ermöglichen.
• Enzyme sind fast immer Proteine
Chemische vs. enzymkatalytische
Reaktion: z.B. Proteinabbau
• Chemische Spaltung:
6 M Salzsäure, 110°C, 24h
• Enzymatische Spaltung z.B. im Magen :
0,1 M Salzsäure, 37°C, einige Stunden
Grundlagen enzymatischer Reaktionen
• Jede enzymatische Reaktion beginnt mit
einer reversiblen Bindung des Substrats
• Enzyme beschleunigen die Einstellung von
Reaktionsgleichgewichten (bis zu 106 fach!),
nicht die Richtung der chemischen Reaktion
Enzym + Substrat
Enzym + Produkt
• Enzyme Beschleunigen Reaktionen durch
Erniedrigung der Aktivierungsenergie
‚Rasante‘ Enzyme
• Die Wechselzahl eines Enzyms beschreibt die Anzahl an
Substratmolekülen, die bei vollständiger Sättigung des Enzyms
mit Substrat pro Zeiteinheit in das Produkt umgewandelt werden
können
Enzyme enthalten aktive Zentren, an denen die
katalytische Umsetzung des Substrats abläuft
Und wozu ist der Rest des Moleküls?
Substrat „passt“ in
das aktive Zentrum
Substrat „passt“ NICHT
in das aktive Zentrum
aktives
Zentrum
Detaturiertes
Enzym
Natives
Enzym
Das aktive Zentrum ist eine dreidimensionale Einheit, die von vielen Gruppen aus
verschiedenen Abschnitten der linearen Aminosäuresequenz gebildet wird
Mechanismus einer enzymatischen Reaktion
Interaktion Substrat-Enzym:
• Schlüssel-Schloss Modell
Interaktion Substrat-Enzym:
• ‚Induced fit‘ Modell
Enzyme:
• Substrat-spezifisch
• Reaktions-spezifisch
• IUB-Nomenklatur:
(Substrat)(Reaktion)ase
z.B. Hexokinase =
ATP:D-Hexose-6-Phosphotransferase
Coenzyme:
• Sind Kofaktoren, die für viele enzymatische
Reaktionen benötigt werden (Co-Substrate)
• Niedriges Molekulargewicht, thermostabil
• Können vom Enzym abgetrennt werden
(nicht-kovalente Interaktion)
• Enthalten als aktive Komponenten meist
Moleküle, die der Mensch nicht selbst
synthetisieren kann, z.B. die Vitamine
Thiamin, Flavin, Nicotinamid
• Werden während der Reaktion verändert,
sind also keine Katalysatoren
Holoenzym = Apoenzym + Coenzym
Beispiele für Enzyme, die Coenzyme
und/oder Metallionen enthalten:
Enzym
Metallion
Coenzym
Alkohol-Dehydrogenase
Zn
NAD
Carboanhydrase
Zn
Cytochrom-Oxidase
Cu, Zn
Cytochrom b
Fe2+/Fe3+
Katalase
Fe
Succinat-Dehydrogenase
Fe
Tyrosinase
Cu
Pyruvat-Carboxylase
Zn, Mn
FAD
Biotin
Pyruvat-Dehydrogenase
NAD, FAD,
Thiaminpyrophosphat,
Liponsäure
Transaminasen
Pyridoxalphosphat
Decarboxylasen
Pyridoxalphosphat
Transferase
Pyridoxalphosphat
Beispiele für Coenzyme:
• Adenosintriphosphat (ATP): Die
universelle Energiewährung der Zelle
Beispiele für Wirkungsweise:
• Hexokinase + Adenosintriphosphat (ATP)
Vitamine als Coenzyme:
• Thiamin (Vitamin B1): Coenzym der oxydativen
Decarboxylierung durch die Pyruvatcarboxylase
• Riboflavin (Vitamin B2 Komplex): In Form eines
Flavoproteins gebunden, enthält Nicotinamid
• Panthothensäure: Bestandteil des Coenzym A, ein
zentrales Coenzym des Fettstoffwechsels
• Cobalamin (Vitamin B12 ): In bestimmter Form ein
Coenzym von Isomerasen
• Ascorbinsäure (Vitamin C): Bildet ein wichtiges
biochemisches Redoxsystem (durch reversible
Umwandlung in Dehydroascorbinsäure)
• Biotin (Vitamin H): Cofactor für die Übertragung von
COO Gruppen
Beispiele für Coenzyme:
• Nicotinamidadenindinucleotid (NAD+)
(oxidiert)
(reduziert)
Beispiele für Wirkungsweise:
• Nicotinamidadenindinucleotid (NAD+)
Glyzerinaldehyd3-phosphat
1-3-BiphosphoGlyzerat
Lactat
Pyruvat
Prosthetische Gruppen:
• Wirkungsweise wie Coenzyme, sind jedoch
fest an das Enzym gebunden
• Können vom Enzym nicht abgetrennt werden
• Das Holoenzym reagiert nacheinander mit
zwei verschiedenen Substraten
• Werden während der Reaktion verändert,
sind also keine Katalysatoren
Beispiele für prosthetische Gruppen:
• Flavin-adenin-dinucleotid (FAD+)
Beispiele für Wirkungsweise:
• Aminosäureoxidation
Isoenzyme:
• Katalysieren dieselbe enzymatische
Reaktion, haben jedoch einen
unterschiedlichen molekularen Aufbau
• Besitzen unterschiedlich Substrataffinitäten
• Können innerhalb eines Organismus und
sogar innerhalb einer Zelle in
unterschiedlicher Ausprägung vorkommen
Lactatdehydrogenase:
Aus: Stryer, Biochemie, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH Heidelberg 1990
M4
M3H
M2H2
MH3
H4
Aus 4 Ketten (M oder H)
Zusammengesetzt, Isoformen
können elektrophoretisch
aufgetrennt und
charakterisiert werden
Multienzyme:
• Katalysieren die Umsetzung von Substraten über
eine Abfolge von Reaktionen, ohne die Freisetzung
von Zwischenprodukten zu ermöglichen
Lösliches, dissoziiertes
Enzymsystem, z.B.
Glykolyse in Cytosol
Multienzymkomplex,
Zwischenprodukte sind fest
in den Komplex
eingebunden, z.B.
Fettsäuresynthese
Multienzyme:
• Katalysieren die Umsetzung von Substraten über
eine Abfolge von Reaktionen, ohne die Freisetzung
von Zwischenprodukten zu ermöglichen
Membrangebundenes
Multienzymsystem, z.B.
Atmungskette an der
Mitochondrienmembran
Lokalisation von Enzymsystemem
innerhalb der Zelle:
• Cytoplasma: Glykolyse
• Mitochondrien (membrangebunden):
Elektronentransportkette, Fettsäureabbau,
Atmungskette, Citratzyklus
• Endoplasmatische Reticulum (membrangebunden):
Fettsäuresynthese, Steroidsynthese, hydroxylierende
Enzymsysteme (wichtig beim Arzneimittelabbau)
• Diese Kompartimentierung ermöglicht die räumliche
und zeitliche Koordination von Stoffwechselabläufen
Enzyme: 6 Hauptklassen
(1) Oxidoreduktasen: Enzyme der biologischen Oxidation
und Reduktion
•
•
•
H-Überträger: Mit NAD, FAD als Akzeptor, z.B. LaktatDehydrogenase; mit O2 als Akzeptor: Glukose-Oxidase
Gekoppelte Redox-Reaktionen: Z.B. unter Abspaltung von CO2,
Pyruvat → Acetyl-CoA
Elektronen übertragende Enzyme (Oxidasen): Einbringen von O2,
Bildung von Wasser oder H2O2; z.B. Dioxygenasen,
Monooxygenasen
(2) Transferasen: Gruppenübertragende Enzyme (z.B.
Phosphorylase; Acyl, Glycosyl-reste; Methyltransferasen)
(3) Hydrolasen: Enzyme, die hydrolytische Spaltungen
katalysieren (z.B. Proteasen, Esterasen [Lipidspaltung],
Glykosidasen; Nukleasen)
Enzyme: 6 Hauptklassen
(4) Lyasen: Katalysieren u.a. Eliminierungsreaktionen unter
Ausbildung einer Doppelbindung (z.B. Aldolase, Fumarase;
nicht-hydrolytisch)
(5) Isomerasen: Katalysieren Umlagerungen innerhalb eines
Moleküls (z.B. Glycerinaldehyd-3-Phosphat →
Dihydroxyacetonphosphat [Triosephosphatisomerase], Glukose
→Galaktose [Glukoseisomerase]
(6) Ligasen: Knüpfen Bindungen unter gleichzeitiger Spaltung
von ATP (z.B. Fixierung von CO2 durch die Pyruvatcarboxylase,
Fixierung von Ammoniak durch die Glutaminsynthetase;
energieabhängige Bindungsknüpfung)
Kinetik von Enzymreaktionen:
• Verringerte Aktivierungsenergie
Kinetik von Enzymreaktionen:
• Die Michaelis-Menten-Konstante
Bei vielen Enzymen variiert die
Katalysegeschwindigkeit V mit der
Substratkonzentration [S]
Ist [S] klein (konstante Enzymkonzentration), verhält sich V annähernd
linear zu [S]
Ist [S] hoch, so verhält sich V
Annähernd unabhängig zu [S]
KM (Michaelis-Menten Konstante)
Gibt die Substratkonzentration bei
halbmaximaler Reaktionsgeschwindigkeit an
Kinetik von Enzymreaktionen:
• Die Michaelis-Menten-Konstante
•
•
•
•
Hat die Einheit Mol/Liter
Ist unabhängig von der im
Versuchsansatz vorliegenden
Menge an Enzym
Hat eine charakteristische Größe
für ein Enzym-Substrat Paar
Ein niedriger KM Wert zeigt an,
dass die Affinität vom Enzym zum
Substrat hoch ist
V=
Vmax • [S]
KM
+ [S]
Kinetik von Enzymreaktionen:
• Darstellung nach Lineweaver-Burk
1
V
=
KM
Vmax
x
1
[S]
+
1
Vmax
Kinetik von Enzymreaktionen:
• Messung optimaler Reaktionsbedingungen
Kinetik von Enzymreaktionen:
• Messung optimaler Reaktionsbedingungen
pH Optimum
3
4
5
6
7
pH Wert
8
9
Hemmung von Enzymen:
• Hemmung durch Stoffwechselzwischen- oder
Endprodukte (Metaboliten) ist ein wichtiger Faktor
bei der Regulation des Intermediärstoffwechsels
Hemmung von Enzymen:
• Hemmung durch zellfremde Substanzen (z.B.
Pharmaka)
• Irreversible Hemmung: Permanente chemische
Veränderung der funktionellen Gruppen des Enzyms
• Reversible Hemmung:
• Kompetitive Hemmung (durch ein dem Substrat
strukturähnliches Molekül)
• Nicht kompetitive Hemmung (Hemmsubstanz
lagert sich außerhalb des aktiven Zentrums an)
Kinetik von Enzymreaktionen:
• Kompetitive und nicht-kompetitive Inhibierung
Kinetische Unterscheidung:
Kompetitive Hemmung
Nicht-kompetitive Hemmung
Kompetitive Inhibierung
• Kann durch ausreichend hohe
Substratkonzentration ausgeschaltet
werden
• Da sich Vmax nicht ändert, ist KM höher
(höhere Substratkonzentration für die
gleiche Reaktionsgeschwindigkeit
notwendig)
Nicht-kompetitive Inhibierung
• Kann durch hohe Substratkonzentration nicht
ausgeschaltet werden
• Vmax ist verringert, KM (Substratkonzentration bei
halbmaximaler Vmax) verändert sich nicht
• Enzym-Substratbindung muss nicht beeinträchtigt
sein, aber katalytische Umsetzung des Substrates
wird beeinflusst
Praktische Anwendung der kompetitiven
Inhibierung: Glycolvergiftung (Frostschutzmittel)
Allosterische Enzyme
• Sind nicht mit dem Michaelis-Menten Modell beschreibbar
• Besitzen zusätzlich zum katalytischen Zentrum Bindungsstellen
für reversible Bindung von Effektor-oder Modulatormolekülen
• Haben mindestens zwei Bindungsstellen
• Hemmung durch Endprodukte einer Biosynthesekette möglich
• Allosterische Hemmung oder Aktivierung ist immer reversibel
Enzyme, Zusammenfassung
•
•
•
•
Biokatalysatoren, katalysieren Hin-und Rückreaktion
Einstellung eines Gleichgewichtes beschleunigt
Aktivierungsenergie wird erniedrigt
Enzymkinetik durch biomathematische Modelle
beschreibbar
• Coenzyme als Co-Faktoren
• Regulation der Enzymaktivität