Katalytische Aktivität der Enzyme

Katalytische Aktivität der Enzyme
Übergangszustand
(nicht katalysiert)
Freie Energie
(katalysiert)
Substrat
Produkt
Reaktionsverlauf
Geschwindigkeit einer Enzym-katalysierten
Reaktion als Funktion der Substratkonzentration
Enzymkinetik
E+S
k1
k-1
ES
k2
k-2
P+E
• k-2 kann zu Beginn der
Reaktion ignoriert werden,
da [P] noch sehr niedrig ist.
• Bestimmung der Anfangsgeschwindigkeit v0
Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit
von der Substratkonzentration
V0 = Vmax
[ S ]
[ S ] + KM
Michaelis – Menten Gleichung
(KM Michaelis Konstante)
Grundlagen
Erste Untersuchungen: Adrian Brown 1902
β-Fructofuranosidase
Saccharose + H2O
E+S
k1
k-1
Glucose + Fructose
ES
k2
P+E
d[P]
v=
= k2 [ES]
dt
d[ES]
= k1 [E][S] – k-1[ES] – k2[ES]
dt
1. Annahme eines Gleichgewichts
L. Michaelis u. M. Menten, 1913
E+S
k-1 ›› k2
k1
k-1
k2
ES
k-1
Ks =
k1
=
P+E
[E][S]
[ES]
Verlauf einer Enzym-katalysierten Reaktion
(Fließgleichgewicht)
2. Annahme eines Fließgleichgewichts
G.E. Briggs u. B.S. Haldane, 1925
d[ES]
=0
dt
d[ES]
= k1 [E][S] – k-1[ES] – k2[ES]
dt
k1 [E][S] = k-1[ES] + k2[ES]
[E]T = [E] + [ES]
( [E]T - [ES] ) [S]
[ES]
=
k-1 + k2
k1
= KM
( [E]T - [ES] ) [S]
[ES]
=
k-1 + k2
k1
= KM
KM [ES] = ( [E]T - [ES] ) [S]
[ES] =
d[P]
v0 = (
dt
[E]T [S]
KM + [S]
)t=0 = k2 [ES]
vmax = k2 [E]T
= k2
[E]T [S]
KM + [S]
vmax [S]
v0 =
KM + [S]
Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit
von der Substratkonzentration
V0 = Vmax
[S]
[ S ] + KM
Michaelis – Menten Gleichung
(KM Michaelis Konstante)
Doppelt-reziproke Darstellung der
Michaelis Menten Gleichung
Michaelis – Menten
Gleichung
V0 = Vmax
1/v0
[S]
[ S ] + KM
1
1
+
=
V0
Vmax
KM
Lineweaver - Burk
Diagramm
.
1
Vmax [ S ]
Bedeutung der KM- und vmax-Werte
Katalytische Konstante
kkat
(Wechselzahl
oder
„Turnover Number“)
kkat =
vmax
[E]T
kkat/KM („katalytische Wirksamkeit“)
„Perfekte“ Enzyme
Wie funktionieren Enzyme ?
Mechanismen der Enzymkatalyse
• Kovalente Katalyse
• Säure-Base Katalyse
• Metall-Ionen Katalyse
• Katalyse durch Orientierungseffekte
• Katalyse durch Stabilisierung des
Übergangszustandes
Kovalente Katalyse
Bildung einer kovalenten Bindung zwischen
Enzym und Substrat durch nukleophile Substitution
Kovalente Katalyse
Beispiel:
Protease Chymotrypsin
Katalytische Triade:
Stabilisierung des tetraedrischen
Zwischenprodukts durch die
„Oxyaniontasche“
Katalytische Triade von Proteasen
Carboxypeptidase
Subtilisin
Cystein Proteasen
Aspartat Proteasen
Homodimere Aspartat-Protease:
HIV - Protease
Structure based drug design
Metall-Ionen Katalyse
Beispiel Carboanhydrase
Kohlensäure
Hydrogencarbonat
Struktur der Carboanhydrase des Menschen
Das Zn2+ Ion erniedrigt den pKa Wert des
gebundenen Wassermoleküls von 15,7 auf 7
Carboanhydrase von Methanosarcina
thermophila
Metalloproteasen