Page 1
Werbung
Lernziele Enzyme Inhalt der Vorlesung Enzyme 1. Enteilung und Nomeklatur der Enzyme, Hauptklassen der Enzyme • Die 6 Hauptklassen der Enzyme kennen und ausgewählte Beispiele zuordnen können • Begriff der Isoenzyme kennen und erklären können, Beispiele von Isoenzymen nennen können • Chemische Natur der Enzyme kennen und wichtigste kovalente Modifikationen nennen können • Die Begriffe “prosthetische Gruppen, Coenzyme und Cofaktoren” erklären und Beispiele nennen können • Die Begriffe “Substratspezifität, Stereospezifität und Wirkungsspezifität” erklären und Beispiele nennen • Die Begriffe “exergone und endergone Reaktion” kennen und Beispiele nennen können Gruppen im aktiven Zentrum; Wirkung von Enzymen: pH- und Temperaturoptimum; • Die Bedeutung von ATP als Energielieferant endergoner (Teil-) Reaktionen kennen Spezifität der Enzymkatalyse • Bedeutung und Unterschiede von ∆G0 und ∆G0’ kennen • Energiediagramm einer enzymkatalysierten Reaktion kennen und erklären können 2. Chemische Natur der Enzyme können 3. Enegiediagramm und Wirkungsweise von Enzymen Aufbau von Enzymen: monomere und oligomere Enzyme; das aktive Zentrum: Reaktive 4. Mechanismus der Enzymkatalyse Substratumsatz mit festgelegter Reihenfolgen; Ping-Pong-Mechanismus 5. Kinetik und Regulation von Enzymen • Begriff des Fliessgleichgewichtes kennen und erklären können • Wirkungsweise eines Enzyms verstehen und erklären können • Begriffe “geordneter Mechanismus, Zufallsmechanismus und Ping-Pong-Mechanismus” kennen und • Die 8 wichtigsten reaktiven Gruppen (Aminosäuren) im aktiven Zentrum von Enzymen nennen und ihre • Die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit eines Enzyms vom pH und von der Temperatur • Einheiten der Enzymaktivität kennen anhand von Beispielen erklären können Theorie von Michaelis-Menten; Bestimmung von Km und Vmax; Die Wechselzahl; Hemmung von Enzymen; Abweichungen von der Michaelis-Menten-Kinetik; Allosterische Wirkungsweise erklären können Effekte; Regulatorische Untereinheiten; Rückkopplungshemmung; Chemische Modifikation von Enzymen verstehen und graphisch darstellen können Lernziele Enzyme (Fortsetzung) Einteilung der Enzyme • Grundlagen der Enzymkatalyse kennen • Gleichung von Michaelis-Menten verstehen • Die Dimension der Michaelis-Konstante und ihre praktische Bedeutung kennen • Methoden zur Bestimmung der Michaelis-Konstanten kennen und anwenden können • Begriff "Wechselzahl" kennen • Wirkungsweise von Enzymhemmern verstehen und erklären können • Substratsättigungskurven und Lineweaver-Burk-Darstellung in Gegenwart von kompetitiven und nicht- Klasse Reaktionstyp Beispiel 1. Oxidoreduktasen Enzyme der biologischen Oxidation und Reduktion: Atmungsfermente, Gärungsenzyme Dehydrogenasen, Oxidasen, Peroxidasen 2. Transferasen Gruppenübertragung von Donorauf Akzeptormolekül Methyltransferasen, Transaminasen, Acyltransferasen, Kinasen 3. Hydrolasen Substratspaltung unter H2O-Aufnahme Esterasen, Peptidasen, Phosphatasen, Glycosidasen 4. Lyasen Ablösung von Gruppen (nicht hydrolytisch!) Decarboxylasen Aldehydlyasen (= Aldolase) Hydratasen (= Aconitathydratase) 5. Isomerasen Strukturänderungen innerhalb des Substrats 6. Ligasen Vereinigung zweier Moleküle unter Aufwendung von ˜ P kompetitiven Enzymhemmern zeichnen und erklären können • Abweichungen von der Michaelis-Menten-Kinetik kennen und erklären können • Prinzipien der Regulation der Enzymaktivität kennen und erklären können • Chemische Zusammensetzung von Coenzymen kennen und Abkürzungen erklären können • Zugehörige Vitamine von besprochenen Coenzymen nennen können • Funktionsweise von besprochenen Coenzymen kennen und erklären können • Die Absorptionsspektren von NAD und NADH zeichnen und den Bestandteilen des Moleküls zuordnen können • Das Konzept der "biochemisch energiereichen Bindungen" kennen, Beispiele nennen und solche Bindungen erkennen können Page 1 Racemasen, intramolekulare Transferasen (= Mutasen) Synthetasen Bildung von Isoenzymen Kombinationsmöglichkeiten im Falle eines Dimerenzyms (Kreatinkinase) und eines Tetramerenzyms (Lactatdehydrogenase) Multiple Formen von Enzymen Ursachen für das Auftreten multipler Formen Beispiele Genetisch voneinander unabhängige Enzyme Mitochondriale und zytoplasmatische Malatdehydrogenase Heteropolymere (hybride) Enzyme, die aus zwei oder mehr, nicht kovalent gebundenen Polypeptidketten zusammengesetzt sind Isoenzyme der Lactatdehydrogenase Genetische Varianten (Allele) von Proteinen, Polymorphismen Glucose-6-phosphat-dehydrogenasen des Menschen Enzymproteine, die sich voneinander durch den Besitz eines Nichtproteinanteils unterscheiden Phosphorylase a und b Enzymproteine, die aus einer Polypeptidkette (gemeinsamen Vorstufe) entstanden sind Verschiedene Chymotrypsine, die aus Chymotrypsinogen entstanden sind Gen Proteinsynthese (Monomere) Isoenzymbildung (Oligomere) Bezeichnung Kreatinkinase 1 BB 25 2 BM 50 2 3 MM 25 Lactatdehydrogenase 1 H4 1 2 H3M 25 3 H2M2 37.5 4 HM3 25 1 2 5 M4 Chemische Natur der Enzyme Enk O Coenzym prosth. Gruppe Substrat(e) 6.25 Übergangszustand ohne Enzym freie Energie Protein aktives Zentrum 6.25 Energiediagramm einer enzymkatalysierten Reaktion Kohlenhydrate N statistische Verteilung (%) Pi Übergangszustände mit Enzym Ea1 Me++ Ea2 Ea3 Reaktionsbeschleunigung durch •Proximität •Rack and Strain •Säure-Basen-Katalyse •Zwischenstoffkatalyse ES S S EP P P Reaktionskoordinate Farnesylreste Fettsäurereste Glycolipide E+S Page 2 ES EP E+P Substratspezifität von Enzymen Wirkungsspezifität von Enzymen Beispiel aus dem Energiestoffwechsel: Pyruvat wird im Stoffwechsel durch 6 verschiedene Enzyme in 6 verschiedene Produkte umgesetzt Bildung von Glucose - 6 - Phosphat aus Glucose Malatenzym Malat Glucose + ATP Glucose - 6 - Phosphat + ADP COOC=O Pyruvatdecarboxylase Pyruvatdehydrogenase Enzym Substratspezifität Susbtrat(e) CH3 Glucokinase hoch nur Glucose Pyruvat Hexokinase gering verschiedene Hexosen Lactatdehydrogenase Oxalacetat Acetaldehyd Acetyl-CoA Lactat Transaminase Alanin Kreisprozess der enzymatischen Katalyse am Beispiel einer Hydrolase pH-Optima verschiedener Enzyme Enzym Pyruvatcarboxylase pH-Optimum E..S Pepsin 2,0 Saure-Phosphatase 4,8 Lysozym 5,2 Amylase 6,8 Acetylcholinesterase 7,5 Trypsin 8,0 Monoaminoxidase 9,3 Alkalische Phosphatase S E..P1..P2 E 10,0 P2 P1 E..P2 Page 3 Geordneter Mechanismus: Substratumsatz mit festgelegter Reihenfolge Ping-Pong- Mechanismus Beispiel: Alkoholdehydrogenase Beispiel: Alaninaminotransferase B Ping A P A A: NAD B: Ethanol P: Acetyldehyd Q: NADH E E..P..Q A: Alanin P: Pyruvat B: α-Ketoglutarat Q: Glutamat E: Pyridoxalenzym F: Pyridoxaminenzym E F B Q Pong Q P F..B E..Q E..Q Bestimmung von Vmax und Km aus dem Linewaeaver-Burk-Diagramm Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Subtratkonzentration nach Michaelis-Menten 100 0.06 k1 75 k2 Km 2 0.04 1 Vmax Vmax = k3 . Etot 25 E+P (X) Vmax 2 50 k3 ES EP E+S 1/v Vmax F...P E..A E..A..B E..A 4 Km = 6 k2 + k3 k1 8 Vmax . S 1 – = v 0.02 v= Km + S 10 50 100 0 1 Km Substratkonzentration [S] Page 4 1 2 3 1/S 1 1 Km ––– . – + –– Vmax Vmax S 4 5 Km beschreibt die Affinität zwischen Enzym und Substrat: Je kleiner Km, desto grösser die Affinität des Enzyms zum Substrat Michaelis-Konstanten der Substrate von Lactatdehydrogenase Km (mol/L) Enzym Substrat Katalase Carboanhydrase Chymotrypsin Glutamatdehydrogenase Hexokinase Penicillinase Lysozym H2O2 H2CO3 Acetyltryptophanamid 2-Oxoglutarat Glucose Benzylpenicillin Hexaacetylglucosamin 2 . 10-2 1 . 10-2 5 . 10-3 2 . 10-3 1 . 10-4 5 . 10-5 6 . 10-6 Substrat Km (mmol/L) Lactat Pyruvat NAD NADH 6.7 0.16 0.25 0.01 Wechselzahl verschiedener Enzyme Die Affinität zum Substrat und die molekulare Aktivität von Enzymen sind voneinander unabhängig Enzym Enzym Substrat Lysozym Acetylcholinesterase Carboanhydrase Hexaacetylglucosamin Acetylcholin CO2 Km (mol/L) 6 . 10-6 1 . 10-4 8 . 10-3 Wechselzahl pro min Lysozym Tryptophansynthetase Phenylalanin-t-RNA-Synthetase DNA-Polymerase I Succinatdehydrogenase Chymotrypsin Laktatdehydrogenase Penicillinase Amylase Acetylcholinesterase Katalase Carboanhydrase Vmax * 30 3 000 000 36 000 000 *Wechselzahl pro 1min Page 5 30 120 300 900 1 200 6 000 60 000 120 000 1 000 000 3 000 000 5 000 000 36 000 000 Beispiele für therapeutische genutzte reversible Enzymhemmer Hemmstoff Zielenzym Indikation Acetazolamid Carboanhydrase Antihypertensivum Diuretikum Allopurinol Xanthinoxidase Gicht, NierenHarnsteine Aprotinin Plasmin Blutgerinnung Prostigmin Acetylcholinesterase Darmträgheit Muskelschwäche Trimethoprim Folsäurereduktase Wichtige Arzneimittel, aber auch Gifte wirken über eine irreversible Enzymhemmung Hemmstoff Zielenzym Indikation Acetylsalicylsäure (z.B. Aspirin) Cyclooxygenase Entzündungshemmer Grippe, Blutgerinnung Penicillin Transpeptidase Antibiotikum Organophosphate Acetylcholinesterase Insektizide Antibiotikum Substratsättigungskurve in Abwesenheit und Gegenwart eines kompetitiven Inhibitors 100 0.06 75 Vmax 2 50 1/v Vmax Linewaeaver-Burk-Diagramm in Abwesenheit und Gegenwart eines kompetitiven Inhibitors 0.04 1 Vmax 25 0.02 2 4 6 8 10 50 100 Km (Km’) 0 1 2 3 Substratkonzentration [S] 1 Km Page 6 1 Km’ 1/S 4 5 Linewaeaver-Burk-Diagramm in Abwesenheit und Gegenwart eines nicht-kompetitiven Inhibitors Substratsättigungskurve in Abwesenheit und Gegenwart eines nicht-kompetitiven Inhibitors 100 0.06 Vmax 1/v 75 0.04 Vmax 2 50 Vmax 0.02 Vmax 2 25 2 4 6 8 50 10 1 Vmax 1 Vmax 100 0 1 2 3 4 5 Km Substratkonzentration [S] 1 Km 1/S Linewaeaver-Burk-Diagramm bei Substrathemmung Substrathemmung 100 0.06 Vopt 75 1/v Vmax 0.04 1 Vmax Vmax 2 50 0.02 25 Km 2 4 6 8 0 10 1 Km Substratkonzentration [S] Page 7 1 2 3 1/S 4 5 Kooperativität und Reaktionsgeschwindigkeit Allosterische Beeinflussung von Enzymen v allosterische Aktivierung v wird grösser Km wird kleiner allosterische Hemmung v wird kleiner Km wird grösser nichtkooperativ postitivkooperativ Michaelis-Menten v [S] 1 v Vmax 2 postitivkooperativ negativkooperativ [S] Lineweaver-Burk Regulation der Aktivität der Pyruvatdehydrogenase durch Interkonversion, d.h. enzymkatalysierte chemische Modifikation Kooperativität oligomerer Enzyme: sequentielles Modell T4 T3R T2R2 1 [S] TR3 inaktiv R4 P Pyruvatdehydrogenase S S S S S S S S S S H2O PhosphoproteinPhosphatase S S S S ADP Proteinkinase Pi ATP allosterische Aktivatoren stabilisieren R-Form Pyruvatdehydrogenase allosterische Inhibitoren stabilisieren T-Form aktiv Page 8 Lernziele Coenzyme Inhalt der Vorlesung Coenzyme • Chemische Zusammensetzung von Coenzymen kennen und Abkürzungen erklären können • Zugehörige Vitamine von besprochenen Coenzymen nennen können • Funktionsweise von besprochenen Coenzymen kennen und erklären können • Die Absorptionsspektren von NAD und NADH zeichnen und den Bestandteilen des Moleküls zuordnen • Das Konzept der "biochemisch energiereichen Bindungen" kennen, Beispiele nennen und solche 1. Coenzyme und prosthetische Gruppen 2. Bau und Einteilung der Coenzyme 3. Coenzyme der Oxidoreduktasen Die Nicotinamidnucleotide; der optischer Test Flavinnucleotide, Flavoproteine Flavinkatalysierte Reaktionen Liponsäure können Bindungen erkennen können 4. ATP als gruppenübertragendes Coenzym 5. Coenzyme des C2-Stoffwechsels: Coenzym A, Thiamindiphosphat 6. Weitere Coenzyme Struktur von NAD (P) Coenzyme und prosthetische Gruppen • • Coenzym bezw. prosthetische Gruppe Abkürzung übertragene Gruppe Wasserstoffübertragende Coenzyme – Nicotinamid-adenin-dinucleotid(phosphat) – Flavon-adenin-dinucleotid – Ubichinon – Liponsäure NAD(P) FAD CoQ Lip(S)2 Wasserstoff Wasserstoff Wasserstoff Wasserstoff, Acylgruppen Gruppenübertragende Coenzyme – Adenosintriphosphat – Pyridoxylphosphat Red/Ox O ATP PLP C O - • Coenzyme für C1-Transfer – Biotin Coenzyme für C2-Transfer – Coenzym A – Thiamindiphosphat (pyrophosphat) Phosphat Aminogruppe Dinucleotid Carboxylgruppe CoA(SH) ThPP N O + Nicotinamid OH Adenin O NH2 O–P=O O Essigsäure Aldehyd (C2) N CH2 HO O N N N OH O–P Page 9 NH2 O–P=O HO - • CH2 NADP Wirkungsweise eines Coenzyms als Cosubstrat Reaktion der Alkoholdehydrogenase O Ethanol red H CH3 - C - OH CH3 - C = O Acetaldehyd ox H C N+ H O NH2 H Pi H C H H N Lactat Enzym 1 Enzym 2 NH2 O O P NADH + H+ C COOO=C H - C - OH R NAD+ CH3 Coenzym (Cosubstrat) CH2 - O - P NADH red ox Pyruvat 3-Phosphoglycerol-1-phopsphat (1,3-Diphosphoglycerat) (1,3-Bisphosphoglycerat) Struktur von Flavin-Nucleotiden UV-Absorptionsspektren von NAD+ und NADH 1 CH3 NAD+ Glyceral-3-phopshat (Glycerinaldehyd3-phosphat) O H Nicotinamid R HO - C - H CH2 - O - P + H+ H COO- H - C - OH H H H C H Red/Ox NAD+ O HN 0.75 O N Flavin N CH3 N CH3 Adenin CH2 H - C - OH 0.5 NADH NH2 H - C - OH H - C - OH O N O H2C - O – P – O – P – O – CH2 O OO- 0.25 N HO Flavin-Mononucleotid 260 300 340 FMN 380 Wellenlänge (λ λ) Flavin-Adenin-Dinucleotid FAD Page 10 N N OH NH2 Reaktion der Succinatdehydrogenase Strukturen von AMP, ADP und ATP N N O COO- Succinat red COO- H–C–H - H–C–H C–H COO- COO- O - P - O - CH2 Fumarat ox H–C - Adenin Adenosin AMP N O N O HO Ester-Bindung “energiearm” OH NH2 Flavin- O N CH3 HN N CH3 O HN O N O R Enzym N H H N CH3 N CH3 ADP O O O - P ~ O ~ P - O - CH2 1 “energiereiche” SäureanhydridBindung - O - O N N N O N R HO OH FADH2 red FAD ox NH2 OH CH3- O CH3- O OH O CH3 CH3- O R CH3- O CoQH2 red Ubichinon N CH3 R O ATP 2 “energiereiche” SäureanhydridBindungen -O O O O - P ~ O ~ P ~ O ~ P - O - CH2 - O - O - Biochemisch energiereiche Bindungen O O- O O gemischte Säureanhydride O- R–O–P–O–P–O–P–OO Nucleosidtriphosphate ATP, CTP, GTP, UTP Phosphorsäureanhydride Pyrophosphate OR–C–O–P–OO 1,3 - Diphosphoglycerat Carbonsäure Phosphorsäureanhydrid Acylphosphat Verbindung Bindungstyp O O Energiereich Carbamylphosphat Carbaminsäure Phosphorsäureanhydrid Phosphoenolpyruvat 1,3-Diphosphoglycerat Kreatinphosphat Acetyl-CoA ATP ∆ Go’ für Hydrolyse von Pi resp. CoA kcal/mol kJ/mol Enolphosphat Acylphosphat Phosphamid Thioester Pyrophosphat - 14.8 - 10.1 - 10.3 - 7.3 - 7.3 - 61.9 - 41.3 - 43.1 - 30.5 - 30.5 Phosphamid OC–O–P–O- H2C OH2N–C–O–P–O- O Ester -OOC OH Biochemisch energiereiche Verbindungen Säureanhydride O- O R HN Acetyl–CoA Succinyl–CoA Thioester O- Energiearm C–NH–P–O- R–C–S–CoA O Phosphoenolpyruvat Enolester Enolphosphat N CoQ ox HO reine Säureanhydride O N N Glucose-6-phosphat a-Glycerophosphat O Phosphokreatin = Kreatinphosphat Phosphorsäureimin Page 11 kcal/mol kJ/mol Ester Ester - 3.3 - 2.2 - 13.8 - 9.2
