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Aminosäuren sind organische Säuren (-COOH), die zusätzlich über (mindestens) eine Aminogruppe (-NH2) verfügen. In Abhängigkeit von der Position
der Aminogruppe im Verhältnis zur Carboxylgruppe unterscheidet man , ,
etc. Aminosäuren
H
O
HO
O
O
C
C
Carboxylgruppe
H
N
H22N
CH
CH
-C-Atom
-Aminosäure
H
N
H22N
CH
CH
-C-Atom
-Aminosäure
H
N
H22N
CH
CH
-C-Atom
-Aminosäure
R
R
In der Natur spielen die -Aminosäuren mit Abstand die wichtigste Rolle, da
sie beim Aufbau der Proteine verwendet werden. Der Grund hierfür liegt in der
im Vergleich zu den anderen (z.B. -)Aminosäuren starreren Umgebung der
Amidbindung, die dadurch geordnete dreidimensionale Strukturen besser
ermöglicht.
Aminosäuren bestehen aus einem Kohlenstoffgerüst mit einer Carboxylgruppe und einer
Aminogruppe. Man bezeichnet die (in Fischer-Projektion) unterhalb der Carboxylgruppe
gelegenen Kohlenstoffatome mit griechischen Buchstaben. Dem C2 entspricht also C ,
dem C3 C usw.
In der Natur sind vor allem die -Aminosäuren wichtig, da sie Aufgrund der engen
Nachbarschaft von Aminogruppe und Carboxylgruppe bei der Amidbindung (die in Proteinen Peptidbindunng heißt) sehr viel starrere Gerüste bilden die für eine geordneten
Proteinaufbau notwenig ist.
Obwohl -Aminosäuren quantitativ bei weitem die Hauptrolle spielen, kommen dennoch
weitere Aminosäuren auch natürlich vor und haben durchaus Relevanz, wie das Beispiel
der -Aminobuttersäure (GABA) als einem wichtigen Neurotransmitter zeigt.
Beachte den Unterschied in der Nomenklatur:
Anorganisches Ammoniak (NH3) bzw. die protonierte Form (NH4+), das Ammoniumion
werden mit zwei „m“ geschrieben. Dies gilt auch für Komplexe, wie z.B. [Cu(NH3)4]2+, den
man als Tetraamminkupfer(II)ion bezeichnet.
Die organische Aminogruppe hingegen schreibt sich nur mit einem „m“
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Mit Ausnahme des Glycins (da R = H) sind praktisch alle -Aminosäuren chiral aufgebaut.
Bei der Nomenklatur verwendet man dabei in der Regel die Stellung der Aminogruppe in der
Fischerprojektion. Zeigt diese nach links, handelt es sich um eine L-Aminosäure, andernfalls
um eine D-Aminosäure. In der Natur spielen die L-Aminosäuren die herausragende Rolle.
Die Entscheidung zwischen D oder L ist jedoch zu Beginn des Lebens auf der Erde wohl eher
zufällig gefallen.
H
O
HO
L- Aminosäure
O
O
H
O
HO
C
C
H
N
H22N
C*
C*
R
R
H
H
H
H
O
O
C
C
C*
C* NH
NH22
R
R
D- Aminosäure
Mit Ausnahme der Glycins besitzen praktisch alle -Aminosäuren vier verschiedene
Substituenten an ihrem -C-Atom. Sie sind also chiral gebaut, weswegen L- und DFormen existieren. In Proteinen kommen nur L-Aminosäuren vor, obwohl Proteine die
(künstlich) aus D-Aminosäuren aufgebaut wurden ähnliche Eigenschaften besitzen.
Wahrscheinlich hat der Zufall zu Beginn des Lebens darüber entschieden, welche Konfiguration bevorzugt wird. Diese musste dann beibehalten werden.
Dennoch gibt es D-Aminosäuren, z.B. in der Bakterienzellwand und einigen Toxinen.
Die Unterscheidung ist wichtig, denn Enzyme sind oft stereoselektiv, d.h. sie setzten nur
eines der beiden Enantiomere eines racemischen Gemisches um. Das andere Enantiomer
kann sogar die Umsetzung hemmen.
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Ein Enzym ist spezifisch für eine Reaktion und für ein bestimmtes
Substrat bzw. eine Gruppe von Substraten. Zumeist sind sie Enantiomeren-selektiv:
Ist ein Substrat eines Enzyms nicht chiral, dass Produkt hingegen chiral, so wird
in aller Regel nur eines der beiden möglichen Enantiomere gebildet.
Enzyme sind bezüglich ihrer Substrate wählerisch. Manche akzeptieren
lediglich ein einziges Substrat. Andere wiederum eine bestimmt Gruppe
von Substraten. Der Grad der Selektivität und Spezifität folgt zumeist aus
der Funktion im Stoffwechsel.
Die obere Abbildung erklärt, wie es Enzymen gelingt, stereoselektiv nur
ein Enantiomer als Substrat zu akzeptieren. Viele Eigenschaften (hohe
Spezifität etc.) von Enzymen sind mitbedingt durch den Umstand, das sie
selbst chiral sind (Aufbau aus L-Aminsoäuren).
Das untere Beispiel zeigt, dass auch die Reaktion an nicht chiralen
Molekülen stereoselektiv erfolgen kann. Hier ist es die räumliche Lage des
enzymgebundenen neuen Substituenten, die die Bildung des anderen
Enantiomers verhindert.
Pharmakologische Folge dieser Eigenschaften ist, das von vielen
Medikamenten nur eines der Enantiomere (sofern sie chiral sind) die
gewünschte pharmakologische Wirkung an einer Zielstruktur entfaltet und
das andere Enantiomer entweder in dieser Hinsicht inaktiv ist oder eine
völlig andere (zT. gegenteilige) Wirkung hervorruft. Ein an der
gewünschten Zielstruktur inaktives Pharmakon ist jedoch immer noch für
eine Nebenwirkung gut – und sei es nur die Belastung der Abbauwege
(z.B. Hemmung des abbauenden Stoffwechselweges durch kompetitive
Hemmung mit geringer Wechselzahl).
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Die unterschiedlichen Eigenschaften der Aminosäuren werden durch die unterschiedliche
Struktur der Seitenketten am -C-Atom hervorgerufen. Man kann diese wiederum in mehrere
Gruppen einteilen.
Polar
Tyrosin R =
H22C
Asparagin R =
Apolar
H22C
CH3
NH2
H 2C
Threonin R =
O
Serin R =-CH2OH
Histidin R =
H2C
H
N
N
Arginin R =
H2C
OH
Cystein R =-CH2SH
Lysin R = -(CH2)4-NH2
Alanin R = -CH3
Tryptophan R =
NH22
O
Glutamin R =
Glyin R = -H
OH
NH
NH
Phenylalanin R =
NH
Prolin:
C
CH
OH
Valin R =
CH3
Aspartat R = -CH2-COOH
Leucin R =
H2C
CH3
NH
Glutamat R = -(CH2)2-COOH
H2 C
O
H
N
Methionin R =
NH2
H
H22C
C
H2C
Isoleucin R =
CH3
S
CH3
CH3
CH3
CH3
Die Seitenketten einer Aminosäure bestimmen in erheblichem Masse seine Eigenschaften.
Man teil sie nach ihrer Seitenkette zunächst orientierend ein in polare und apolare
Seitenketten. Innerhalb dieser Gruppen kann man weiter unterteilen in hydrophobe
Seitenketten, sowie basische, saure und neutrale Seitenketten. Bei den neutralen finden
sich auch die wichtigen Hydroxylgruppen tragenden Aminosäuren (Ser, Thr, Tyr). Von den
proteinogenen Aminosäuren sind zudem schwefelhaltig Met und Cys.
Man kann die Liebe einer Aminosäure (letztlich fast nur bestimmt durch die Seitenkette)
zum Wasser oder Fett über den Hydrophathie-Index zum Ausdruck bringen. Dieser zeigt
deutliche Präferenzen zum oder vom Wasser als umgebendem Medium:
Hinweis: Prolin nimmt unter den Aminosäuren eine gewisse Sonderstellung ein, denn bei
ihm ist die -Aminogruppe quasi in die Seitenkette integriert, was in Proteinen von großer
Bedeutung ist. Selenocystein ist das Selen-haltige Homolog des Cysteins. Es ist schon
fast eine saure Aminosäure (pKa der SeH-Gruppe ca. 5,3)
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H
+
Biogenes Amin =
H3N
Decarboxylierung
H
Liefert CO2
R
Transaminierung
O
PALP
Überführt dabei eine Ketosäure in Aminosäure
O
O
PALP
+
-Ketosäure
O
-
+
H
N
C
-
C
O
H3N
R
H
+
R
COO-
C
N
R
R
Desaminierung
NH4+
H
O
H
H3N
Oxidative
-
C
H
O
O
R
H
Kondensation
Peptidbindung
+ NAD(P)H
Aminosäuren sind zu einigen Reaktionen befähigt. Einige der wichtigsten sind hier dargestellt. Wir
merken uns schon jetzt, das Pyridoxalphosphat (PALP) das wichtigste Coenzym des
Aminosäurestoffwechsels ist.
Die Entferung der
Aminogruppe erfolgt im Stoffwechsel entweder über eine Transaminierung (wobei die Aminogruppe auf eine andere Ketosäure übertragen wird, die dadurch selbst zur
Aminosäure wird) oder durch eine oxidative Desaminierung unter Abspaltung eines Ammoniumions.
Entfernt man die Carboxylgruppe durch Decarboxylierung so entstehen die biologisch wichtigen sogenannten biogenen Amine.
Beispiele:
Histidin
Glutamat
Tryptophan
Tyrosin
Serin
Ornithin
....
Histamin
-Aminobutyrat (GABA)
Serotonin (=5-HT)
Dopamin
Ethanolamin
Putrescin
Botenstoff (Allergie, HCl-Sekretion)
Botenstoff
Botenstoff im Gehirn und Gefäßsystem
L-DOPA
Dopamin weiter zu Noradrenalin
und (mit SAM-Methylierung) zu Adrenalin
Phospholipidsynthese
Polyaminsynthese
Man kann Aminosäuren auch unter Wasserabspaltung verknüpfen (Kondensieren). Dabei
entsteht eine Peptidbindung, die chemisch im Prinzip einer Amidbindung entspricht. Wegen
des partiellen Doppelbindungscharakters dieser Bindung ist sie planar und nicht frei drehbar.
Sie kommt in Proteinen weit überwiegend trans-konfiguriert vor (Wichtige Ausnahme: Prolin in
R2
O
R2
etwa 6-10% auch cis)
O
+
N
N
R1
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H
R1
H
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Da jede Aminosäure (mindestens) je eine Aminogruppe und eine Carboxylgruppe
besitzt, kann man nicht nur zwei sondern beliebig viele Aminosäuren durch eine
Peptidbindung verknüpfen. Dabei entstehen:
H
H
H2N
O
R
H
O
H
H2N
OH
R
H
O
R
H
O
H
N
H
H2N
• Dipeptid
H
...
H
H
H2N
H
H
H
...
...
...
R
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
O
H
H
...
...
...
H
H
H
H
H
R
O
H
OH
H
O
H
R
O
H
• Decapeptid
H
OH
N
N
R
O
H
N
R
N
R
R
O
O
Polypeptide
ca. 11-100 Asr.
H
H
H
N
R
O
H
N
O
N
O
N
R
O
H
R
O
H
R
H
N
R
H
N
R
N
R
H
H
N
O
N
O
N
O
H
R
O
H
R
O
H
R
O
H
N
R
N
R
N
R
O
H
O
N
ca. 2-10 Asr.
...
H
N
R
O
N
R
O
H
R
O
N
R
H
O
H
Oligopeptide
• Tetrapeptid
OH
N
O
N
R
H
H2N
H
H
R
O
H
R
O
N
O
H
N
R
O
O
N
R
O
N
R
R
H
• Tripeptid
OH
N
R
O
H
N
N
R
H2N
H
N
R
H
H
N
R
O
H
H
N
R
O
H
H
N
R
O
H
OH
N
R
O
H
R
O
O
n
H
H2N
H
...
...
...
H
H
O
H
H
N
N
R
R
O
H
H
O
H
H
N
N
R
R
O
H
H
N
R
O
N
R
O
H
H
H
...
...
...
H
N
R
O
R
H
H
N
O
H
H
N
R
O
H
H
N
R
O
H
H
N
R
O
H
OH
N
R
R
O
n
O
Proteine
> ca. 100 Asr.
Man kann theoretisch beliebig viele Aminosäuren miteinander verknüpfen. Die
Bezeichnung der Produkte nach ihrer Länge ist etwas heterogen und wird oft sehr locker
gehandhabt. So nennt am Verknüpfungen von 2-10 Aminosäuren Oligopeptide, die sich
durch das griechische Zahlwort für die Anzahl beteiligter Aminosäuren noch genauer
beschreiben lassen. Mehr als 10 Aminosäuren werden meist als Polypeptid bezeichnet.
Die Grenze zu den Proteinen ist fließend (Die einen definieren ab 100 Asr, die anderen ab
einem Molekulargewicht größer 10000. Da 1 Aminosäure etwa 110 Da ( g pro mol) wiegt
entspräche dies etwa 91 Aminosäuren). Allerdings nehmen Polypeptide meist erst mit
mehr als etwa 45 Aminosäuren echte, stabile Strukturmerkmale an.
Bisweilen werden Aminosäuren in Proteinen nach ihrer Fertigstellung („posttranslational“)
noch verändert. Z.B. wird im Kollagen noch eine große Zahl von Lysin und Prolinresten
hydroxyliert.
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Die Bildung einer Peptidbindung ist endergonisch, d.h. sie läuft nicht spontan ab. Somit
benötigt die Bildung einer Peptidbindung Energie. Diese wird letztlich über ATP geliefert. Die
Kopplung der ATP-Spaltung und der Peptidsynthese erfolgt über Enzyme.
Asr1 + Asr2 + Energie
Asr1-Asr2 + H2O
Zudem müssen gezielte Peptidbindungen erzeugt werden. Da die Zahl der möglichen Aminosäureabfolgen unvorstellbar groß ist, wird klar, dass es nur für wenige „Spezialpeptide“ entsprechende spezielle Syntheseenzyme geben kann. Das Gro muss über einen allgemein
verwendbaren Standardweg synthetisiert werden.
Bauplan
Blaupause
Baumaterial
Baumaschine
Transkription
DNA
Protein
Translation
mRNA
Aminoacyl-tRNA
Ribosom
Die Bildung einer Peptidbindung ist endergonisch ( G0´>0). Daher muss diese Reaktion an
einen Energie liefernden Prozess, in der Natur also zumeist die Spaltung von ATP
(Letztlich bei der Bildung der Aminoacyl-tRNA), gekoppelt werden. Dies erfolgt über
Enzyme. Da für ein funktionstüchtiges Protein zudem nicht irgendwelche Aminosäuren
verknüpft werden können, besteht zudem das Problem, dass es nicht für jede Peptidbindung in jedem Protein ein eigens Enzym geben kann (die ja auch Proteine sind !).
Somit kann es nur für wenige spezielle Anwendungen spezielle Syntheseenzyme geben.
Ein Beispiel ist das für den Redoxstoffwechsel so wichtige Glutathion (seine Synthese ist
neben der Na+K+ATP-ase der wichtigste ATP-verbrauchende Prozess im Erythrozyten !!).
Hier wird u.a. eine untypische -Peptidbindung erzeugt (normale Protein über )
„Atypisch“
Beispiel: Glutathionsynthese
Glutamat
Cystein + ATP
-Glutamylcystein
synthetase
Glutathion
synthetase
ADP + Pi
-Glutamylcystein
Glycin + ATP
O
O
Peptidbindung
-
O
O
O
+
H3N
O
N
N
-
H
H
HS
ADP + Pi
-Glutamylcysteinylglycin
(=Glutathion =GSH)
Die meisten Proteine werden als Bauplan auf der DNA gespeichert und vor der Synthese
auf mRNA transkribiert. Diese dient den Ribosomen als Arbeitsvorlage um die an tRNAs
gebunden Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge zu verknüpfen. Diese Synthesemaschinerie ist universell einsetzbar.
Hinweis: Beachte den Aufbau der tRNA (Kleeblatt (2D) oder L-Form (3D), Die Asr. ist am 3‘ Ende, weit weg
vom Anticodon (das mit der mRNA natürlich wie Sense und Antisensestrang bindet)
13.12.2006
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Es gibt eine Unzahl von Aminosäuren. Im menschlichen Organismus werden jedoch nur 21 L-Aminosäuren direkt für die Proteinbiosynthese verwendet. Nur
knapp die Hälfte davon kann der Körper selbst aufbauen. Die übrigen müssen von
außen zugeführt werden – sind also essentiell.
Essentiell
Ggf.
essentiell
durch Abhängigkeit
Val Leu Ile
V
L
I
Lys Met Thr
K
M
T
Phe Trp His
F
W
H
Cys
C
Sec
U
Gly Ser Ala
Nicht
essentiell G
S
A
Tyr
Y
Arg Gln Pro
R
P
Q
Glu
E
Asn Asp
D
N
Merkhilfen unter: http://www.mednote.co.kr/Yellownote/BIOCHMNEMON.htm
Der Körper verwendet von der großen Zahl natürlich vorkommender Aminosäuren nur 21
für die Proteinbiosynthese. Siehe auch Seite 5. Neben dem 3-Buchstabencode gibt es
auch einen 1 Buchstabencode für diese Aminosäuren
Einige davon kann der Körper nicht synthetisieren, sondern muss diese von außen
aufnehmen. Es sind dies die
verzweigtkettigen, aliphatischen Aminosäuren: Val(in), Leu(cin), I(so)le(cin)
Aromatischen Aminosäuren: Phe(nylalanin), Tr(y)ptophan (aus dem der Körper übrigens
Nicotinamid bildet)
das kationische Lys(in)
das schwefelhaltige Met(hionin)
und das neutrale Thr(reonin)
Da Tyr(osin) und Cys(tein) aus essentiellen Aminosäuren gebildet werden, werden diese
bei einem Mangel an ihren Precursoraminosäuren (Phe bzw. Met) ebenfalls essentiell.
Einige Aminosäuren können in bestimmten Lebensabschnitten (i.B. Fetus, Frühgeborene
und Säuglinge) aufgrund nicht ausreichender Enzymaktivität essentiell werden (i.B. Arg,
Pro, Gln). Selenocystein (Sec) wird nicht wie die anderen Aminosäuren direkt eingebaut.
Die Sec-tRNA wird zunächst mit Serin beladen und erst dann mit Selenophosphat zur SectRNA modifiziert. Somit kann freies Sec nicht direkt zur Proteinbiosynthese
verwendet werden. Der Code für den Einbau von Sec ist ein Stop-Codon, das durch eine
Haarnadelschleife in der mRNA uminterpretiert wird (Review z.B. Gromer S. et al. Cell Mol
Life Sci. 2005; 62:2414-37).
Bei den Aminosäuren darf man nicht nur die essentiellen ersetzen (sie machen sogar
„nur“ 25% (max. 50%) aus). Der Körper kann zwar die anderen synthetisieren, jedoch
benötigt dies unnötig Energie u. ist im pathologischen Zustand auch nicht immer
ausreichend möglich. Der Bedarf an essentiellen Aminosäuren (g·kg-1 BW) sinkt mit dem
Alter sowohl relativ als auch absolut. In Stresssituationen (Postoperativ, Trauma,
Verbrennung...) steigt er ggf. wieder an.
13.12.2006
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• Durch die Proteinbiosynthese ist die Abfolge der Aminosäuren in einem Protein festgelegt.
Lägen die Proteine danach lediglich als „Aminosäurespaghetti“ vor, wären sie funktionell
wenig nützlich. Proteine bilden jedoch zumeist stabile, geordnete dreidimensionale
Strukturen, die dann eine unglaubliche Vielfalt an Funktionen erfüllen.
Warum aber faltet sich ein Protein ?
Die Gegebenheiten:
• Die Peptidbindung der Proteine ist planar und nicht frei drehbar. Sie ist fast immer
trans-konfiguriert
• Drehungen um die Einfachbindungen des -C-Atoms sind jedoch prinzipiell
möglich. Sterische Behinderungen lassen aber nicht jede beliebige Drehung zu.
• Die Ausbildung der stabilen Konformation (=natives Protein) unterliegt den Gesetzen der Thermodynamik, d.h. Ziel ist die Konformation mit der größten (negativen) Änderung der freien Enthalpie ( G). Diese ist gering (ca. – 25 bis – 65 kJ·mol-1)
• Wassermoleküle bilden am besten untereinander Wasserstoffbrücken. Wasser hat
eine hohe Entropie (S0=70 J·°K-1·mol-1 d.h. bei 37°C=310K ca. -T S = -22 kJ·mol-1).
• Ein Protein muss vom umgebenden Wasser von einer Hydrathülle umgeben werden. Diese ist zwingt zu einer gewissen Ordnung der Wassermoleküle, verbunden
mit einer Abnahme der Entropie.
• Hydrophobe Anteile versuchen die dem Wasser exponierte Oberfläche zu minimieren, lagern sich (i.d.R. im Proteininneren) zusammen und verdrängen dabei Wassermoleküle, die dadurch nicht mehr eine geordnete Hydrathülle bilden müssen. Dies
führt in Summe zu einer Zunahme der Entropie.
• Wasserstoffbrücken und ionische Wechselwirkungen stabilisieren zusätzlich.
Wdh.: Isomerie heißt, dass Moleküle zwar die gleiche Summenformel besitzen, die Atome in diesen Molekülen jedoch
verschieden verknüpft sind. Moleküle können also auch „Raumisomere“ = Stereoisomere sein. In steroisomeren
Molekülen können die Atome jeweils mit den gleichen Partnern verbunden sind (=Konstitutionisomerie). Gleichen sie
sich dabei wie Bild und Spiegelbild (d.h. man kann Bild und Spiegelbild nicht durch drehen miteinander zur Deckung
bringen), so sind diese Moleküle Enantiomere. Im anderen Falle sind die Moleküle Diastereomere. Diese Form der
Isomerie ist die Konfigurationsisomerie. Nun sind Moleküle häufig auch keine starren Gebilde. Insbesondere um
Einfachbindungen lassen sich die beteiligten Atome (samt ihrer sonstigen Partner) drehen: Konformationsisomere.
Man nennt gefaltete Proteine auch „native Proteine“
Die Faltung ist ein physikochemischer Prozess, der den Regeln der Thermodynamik unterliegt: Damit sie
freiwillig und spontan ablaufen kann muss G (= H – T × S) negativ sein. Da bei der Faltung eines
Proteins praktisch keine Wärme frei wird ist H gering ( 0 oder sogar leicht positiv). Auch die Temperatur
(T) bleibt im Organismus konstant (37°C = ca. 310 K). Somit kann nur die Zunahme der Entropie S eine
relevante Triebkraft darstellen.
Die Faltung eines Proteins per se bedeutet aber eine Abnahme der Entropie. Woher stammt also die
in Summe offensichtliche Zunahme ?
Es ist die Freisetzung von Wasser. Da Wasser am liebsten besten mit sich selbst Wasserstoffbrücken bildet (d.h. die Zahl von H-Brücken pro Volumen ist am höchsten), kann durch
Zusammenlagerung der hydrophoben Aminosäurereste, Wasser – das um diese Reste zuvor eine
relativ geordnete Hydrathülle (s.u.) bilden musste – freigesetzt werden.
Beachte das die Bildung von Wasserstoffbrücken im Protein selbst
energetisch nur einen geringen Beitrag leisten kann, denn für jede neue
H-Brücke muss ja eine zuvor mit dem Wasser bestehende gespalten
werden.
Die hydrophoben Wechselwirkungen jedoch – obwohl jede für sich
klein – sind eine wichtige Triebkraft.
13.12.2006
Unpolares,
zu
lösendes
Teilchen
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• Die Peptidbindung ist planar und nicht frei drehbar. In
Grenzen frei drehbar sind hingegen die Einfachbindungen des -C-Atoms.
• Die hydrophoben u. van-der-Waal‘s Wechselwirkungen
sind sehr wichtig. Sie steigen mit abnehmendem Abstand
der hydrophoben Gruppen.
Ziel: Verringerung der dem Wasser exponierten Oberfläche hydrophober Seitenketten (die dadurch i.d.R. in
das Innere d. Proteins zeigen) wg. H2O Gesamtentropie
• Wasserstoffbrücken und ionische Wechselwirkungen
sind ebenfalls sehr wichtig. Auf dem Weg vom „Aminosäurespaghetti“ zum gefalteten Protein, bestehen aber
quantitativ bereits viele dieser Wechselwirkungen mit dem
umgebenden Wasser, so dass sie nur eine geringe Triebkraft darstellen. Da jedoch Wassermoleküle untereinander bessere Wasserstoffbrücken ausbilden als mit der
Aminosäurekette, steigt durch Umgruppierung die Entropie.
Ziel: Maximierung der Anzahl Wasserstoffbrücken und
ionischer Wechselwirkungen (überwiegend untereinander aber auch mit dem umgebenden Medium)
Nur bestimmte Drehwinkel um die
Peptiden möglich:
-
O
R1
O
N
R2
H
R1
+
N
R2
H
Temporäre Dipole
Permanente Dipole
-C-Einfachbindungen sind sterisch in
Das Beispiel zeigt: Ballen sich hydrophobe Bereiche zusammen, sinkt der
Oberfläche zu Volumen Index. Es muss also weniger Wasser zur Bildung
einer geordneten Hydrathülle freigestellt werden. Dieses frei gewordene
Wasser steigert die Entropie
4
+
4
13.12.2006
v
s.
6
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Durch die DNA-Sequenz und die daran gebundene Translation ist die Abfolge der
Aminosäuren in einem Protein festgelegt. Dadurch sind die Möglichkeiten, wie die
Aminosäuren des Proteins mit ihrer Umgebung Wechselwirken und damit die Struktur
des gefalteten Proteins beeinflussen können weitgehend festgelegt.
Man bezeichnet daher die Abfolge der Aminosäuren in einem
Protein (Aminosäuresequenz) auch als Primärstruktur
Durch die zuvor genannten Prinzipien, streben Proteine nach einer optimalen Bildung von
Wasserstoffbrücken. In Abhängigkeit von der Aminosäuresequenz bilden sich hierbei in
lokalisierten Abschnitten eines Proteins insbesondere 3 häufige Grundmuster aus.
Diese drei häufigen lokalen Grundmuster sind:
• -Helix
Das Polypeptidrückrat windet sich eng helical um eine imaginäre Achse. Dabei bilden die Carbonyl- und Aminogruppen einer Aminosäure mit der in der Primärstruktur 4 Positionen weiter liegenden Aminosäure eine
Wasserstoffbrücke. Für eine 360° Umdrehung werden ca. 3.6 Aminosäuren benötigt, die dabei 0,54 nm
überwinden. Auch die Seitenketten jeder 3 oder 4 Aminosäure können interagieren (z.B. Lys und Asp).
Im Schnitt liegen etwa 25 % eines Proteins als -Helix vor. Bisher wurden nur rechtsgängige Helices gefunden.
• -Konformation und daraus resultierend -Faltblätter („ -sheet“)
Das Polypeptidrückrat ist Zickzack-förmig gestreckt. Die Seitenketten werden dabei senkrecht zum
Peptidbindungsebene (alternierend nach oben und unten) herausgestreckt. Wenn zwei oder mehr Kettenabschnitte in dieser sog. -Konformation nebeneinander zu liegen kommen, bilden sie ein sog. -Faltblatt.
Haben diese Abschnitte die gleiche Orientierung in Bezug auf den N- bzw. C-Terminus nennt man dies ein
paralleles, sonst ein antiparalleles (häufiger!) -Faltblatt. Der Abstand zwischen identischen Positionen ~0.7 nm
• (Verbindende) Schleifen („turns“), insbesondere -Schleifen
Die Richtungsumkehr im Protein erfolgt meist über Schleifen, wobei insbesondere die -Schleifen sehr häufig
sind. Mit 4 Aminosäuren, wobei die 1. und 4. eine Wasserstoffbrücke bilden, gelingt die 180° Drehung. Gly oder
Pro (oft in cis-Bindung) sind daran häufig beteiligt. Im Schnitt sind bis zu 30% aller Aminosäuren in Schleifen.
Sekundärstrukturen:
Carboxyterminus
-Helix
3.6 Aminosäuren pro 360° Windung. D.h. jede 3 oder 4
Aminosäure der Primärstruktur kann interagieren. Sie
sind offenbar alle rechtsgängig, Pro 260° Drehung ist
die Ganghöhe 540 pm = 0.54nm (vgl. Membrandicke
ca. 10 nm).
Nicht alle Aminosäurereste sind für eine -Helix
geeignet. Ebenso stören identische Ladungen, wenn
sie nebeneinander zu liegen kommen. Die -Helix
bildet einen elektrischen Dipol (neg. am C-Terminus,
pos. am N-Terminus)
-Faltblatt:
Sie kommt zustande, wenn mind. 2
Sequenzabschnitte mit -Konformation nebeneinader zu liegen kom-men.
In Abhängigkeit von der Nähe
übereinander liegender Faltblätter gibt
es eine Einschränkung der Grösse der
Seitenkettenreste. In Realitas sind sie
alle leicht nach Rechts verdreht
360°
×3.6
Asr.
×0.54
nm
x+
4
x
Aminoterminus
Parallele
Faltblätter
Antiparallele
Faltblätter
-Schleifen
Sie finden sich häufig bei der 180° Umkehr zwischen
den Strängen eines antiparallelen -Faltblattes. Es
kommt zur Waserstoffbrückenbildung zwischen der
1. und der 4. Aminosäure
Es gibt verschiedene Subtypen. Glyin und Prolin finden
sich wegen ihrer Eigenschaften sehr oft
3.
Asr.
Gly
Pr
o
Anm.: Die Kollagen-Helix wird oft als eigene Sekundärstruktur betrachtet (Kollagentripelhelix jedoch
Tertiär/Quartär)
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Man teilt Proteine allgemein in zwei große Gruppen ein:
Faserproteine:
Globuläre Proteine:
• fast immer wasserunlöslich
• bilden lange Strecken und Schichten
• meist nur ein Sekundärstrukturelement
• Verleihen Struktur, Halt, Form u.Festigkeit
• meist wasserlöslich
• bilden kugelartige Gebilde
• Mehrere versch. Sekundärstrukturelemente
• Träger komplexer Funktionen
Beispiele:
-Keratin, Kollagene, Elastin, Seide
Beispiele:
fast alle Enzyme, Albumin, Myoglobin
Globuläre Proteine sind meist extrem
kompakt aufgebaut.
• Normale Atome nutzen etwa 40%-60% Raumanteil.
• Kristalle erreichen mit 70-78% fast den theoretischen Maximalwert.
• Viele globuläre Proteine erreichen etwa 75 % !
Dadurch steigen wiederum die van-der-WaalsWechselwirkungen.
Es sei des weiteren erwähnt, das Bereiche, die sich nicht den zuvor
genannten Sekundärstrukturelementen zuordnen lassen, nicht unbedingt
„ungeordnet“ sind. Ihre Sekundärstruktur lässt sich nur nicht so leicht
einem einfachen Schema zuordnen.
Bisweilen bezeichnet man die Abfolge bestimmter Sekundärstrukturen
auch als Faltungsmotive oder „Supersekundärstrukturen“
-Faltungsmotiv
C
N
Was wäre wenn....
... Serumalbumin (585 Aminosäuren) aufgebaut wäre als...
Reines -Faltblatt
Reine -Helix
Native globuläre Form
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Insbesondere (aber nicht nur) in globulären Proteinen kommen durch Schleifenbildung und
ähnliche Mechanismen, auch in der Primärstruktur z.T. weit entfernt liegende Aminosäurereste in so enge Nachbarschaft, dass sie Wasserstoffbrücken, ionische und vander-Waals- sowie hydrophobe Wechselwirkungen miteinander bilden können.
1
10
20
H3N+-MVKQIESKTAFQEALDAAGD
KLVVVDFSATWCGPCKMIKP
FFHSLSEKYSNVIFLEVDVD
DCQDVASECEVKCMPTFQFF
KKGQKVGEFSGANKEKLEAT
INELV-COO-
Darüber hinaus können auch jetzt benachbart liegende Cysteinreste miteinander Disulfidbrücken ausbilden. Dabei handelt es sich um eine kovalente Bindung, die um ein vielfaches stabiler ist als nichtkovalente Bindungen wie z.B. eine Wasserstoffbrücke oder gar
eine schwache van-der-Waals-Wechselwirkung. Sie führt häufig zu einer enormen Stabilisierung eines Proteins. Insbesondere kleine Proteine, die aufgrund ihres ungünstigen Oberfläche zu Volumen Indexes relativ instabil sind machen hiervon Gebrauch.
Bindungsenergien:
Kovalent:
Cys42
Cys58
~ 300-400 kJ·mol-1
Ionische Wechselwirkung: ~ 86 kJ·mol-1
Wasserstoffbrücken:
~ 20 kJ·mol-1
Dipol-Dipol-Brücken:
~ 9.3 kJ·mol-1
London-Dispersionskräfte: ~ 0.3 kJ·mol-1
Diese Strukturebene, die räumliche Beziehung aller Atome einer Proteinkette und
die dabei gebildeten Wechselwirkungen (insbesondere auch Disulfidbrücken)
bezeichnet man als:
Tertiärstruktur
Kleine Proteine haben einen schlechten Oberfläche zu Volumen Index.
Damit wirken die hydrophoben Wechselwirkungen nur gering. Zumeist
erfolgt die weitere Stabilisierung durch Disulfidbrücken.
Oberfläche pro
Volumen
Protein
Anzahl
Aminosäuren
Anzahl
Disulfidbrücken
Funktionsverlustfrei
spaltbare
SS-Brücken
Trypsininhibitor
3
58
1
Ribonuclease
4
124
1
Lysozym
4
129
1
Trypsin
6
224
3
Chymotrypsin
5
242
2
Amylase
3
410
3
Radius
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Prinzipiell könnten Proteine beliebig groß sein. Dies ist jedoch ineffektiv:
• Jede Aminosäure eines Proteins muss auf der DNA mit (mind.) 3 Basen kodiert sein. Damit steigt mit zunehmender Länge die Mutationsanfälligkeit.
• Auch die Proteinbiosynthese macht Fehler. Je länger ein Protein wird, umso größer ist
dieses Risiko. Da schon ein Aminosäureaustausch zum Funktionsverlust führen kann,
steigt mit zunehmender Länge dieses Risiko an. Die Produktion eines funktionslosen
Proteins ist jedoch ATP-Verschwendung.
Die Lösung - Prinzip Lego®
• Das „Gesamtkunstwerk“ wird aus mehreren einzeln gefertigten kleinen Proteinuntereinheiten zusammengesetzt.
• Bei der Interaktion der Untereinheiten spielen die schon bekannten Wechselwirkungen –
Wasserstoffbrücken, ionische-, hydrophobe-, van-der-Waals-Wechselwirkungen und
Disulfidbrücken eine wichtige Rolle.
+

Diese Strukturebene, die räumliche Beziehung u. Wechselwirkung verschiedener
Polypeptidketten bezeichnet man als:
Quartärstruktur
Beachte, dass weder die mRNA-Synthese noch die Proteinbiosynthese über kein echtes Proofreading verfügen. Fehler sind daher
vorprogrammiert und ihr Risiko steigt mit zunehmender Länge. Viren z.B.
haben zudem das Problem keine beliebig lange DNA/RNA mit-nehmen zu
können. Ergo Lego-Prinzip. Bau ein (paar) Bauteil(e) und verwende
es/sie mehrfach. (Paradebeispiel Viruscapsid)
Das Lego-Prinzip zieht sich über das gesamte Feld der Proteine fort.
Ebenso wie es bei Lego für bestimmte Funktionen Spezialbausteine gibt,
verwendet die Natur bestimmte Funktionsstrukturmotive die eine
bestimmte Funktion erfüllen. Man nennt sie Domänen. Meist bestehen sie
aus 40-100 Aminosäuren. Sie können Teil von Primär- bis Quartärstruktur
sein.
Sie werden in verschiedenen Proteinen gefunden und erfüllen
ähnliche Funktionen. z.B. Bindung von Nukleotiden.
dort
Unterscheide Mutation von Polymorphismus
Mutation: Veränderung (z.B. Aminosäureaustausch) mit Krankheitswert. Etwa 30% aller Erbkrankheiten beruhen auf dem alleinigen
Austausch einer einzigen Aminosäure in einem Protein
Polymorphismus: Veränderung (z.B. Aminosäureaustausch)
Krankheitswert. Etwa 20-30 % aller Proteine sind polymorph
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ohne
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Die Struktur von Proteinen wird überwiegend von vergleichsweise schwachen
Wechselwirkungen aufrechterhalten.
Eine Vielzahl von Einflüssen können hier störend wirken. Beispiele:
• Wärme führt zum Aufbrechen der Wasserstoffbrücken und anderer schwacher Wechselwirkungen
• Chaotrope Substanzen wie Harnstoff, Guanidiniumchlorid aber auch organische Lösungsmittel und Detergentien stören, indem sie insbesondere die
hydrophoben Wechselwirkungen im Protein aufheben.
• pH-Änderungen verändern die Ladungszustände vieler Seitenketten. Dadurch kann es zur elektrostatischen Abstoßung kommen.
• Reduktionsmittel wie -Mercaptoethanol oder DTE spalten die kovalenten,
stabilisierenden Disulfidbrücken
Unter dem Einfluss dieser Faktoren können Proteine ihre Struktur und damit
Funktion ganz oder teilweise verlieren. Man sagt sie werden denaturiert.
Werden diese Störeinflusse entfernt und sind keine irreversiblen Modifikationen
eingetreten so können viele Proteine – jedoch nicht alle – ihre alte Struktur und
Funktion wieder aufnehmen. Sie werden also renaturiert.
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• Insbesondere Enzyme besitzen neben ihrem Proteinanteil häufig
noch weitere mehr oder minder fest an das Enzym gebundene
Verbindungen, die häufig für die Funktion unerlässlich sind.
• Prosthetische Gruppe: dauerhaft an ein Protein gebundene Nichtproteinverbindung wie z.B. Häm (hier
am Beispiel des Hämoglobins) oder das FAD in der
Glutathionreduktase.
• Cofaktor: Sämtliche an ein Enzymprotein gebundenen,
für die Katalyse benötigte Verbindungen wie z.B.
Metallionen.
Ein Sonderfall sind die sogenannten Coenzyme. Dabei
handelt es sich um organische Verbindungen (z.B.
NAD(P)+, Coenzym A u. Q, ATP), häufig auf Basis von
Vitaminen. Nehmen sie wie ein Substrat an der Reaktion teil, bezeichnet man sie besser als Cosubstrat.
Anm.: Die Definition der Prosthetischen Gruppe ist leider nicht einheitlich. Es
gibt sich z.T. widersprechende Definitionen.
Da viele Cofaktoren von Vitaminen abstammen oder Spurenelemente sind,
führen viele der entsprechende Mangelzustände letztlich i.B. über nicht
funktionstüchtige
Enzyme zu ihren charakteristischen klinischen
Erscheinungsbildern.
Beispiele für Metalle als Enzym-Cofaktoren:
Zn2+:
Alkoholdehydrogenase (ADH), viele Metalloproteasen
Fe2+:
Katalase (im Häm)
Cu2+:
Superoxiddismutase (SOD)
Mo4/6+:
Xanthinoxidase
Bsp. wichtiger Coenzyme
Thiamin-PP: z.B. in Transketolase (Wernicke-Korsakoff-Syndrom);
H
NH2
N
z.B. in Pyruvat-DH; -Ketoglutarat-DH
S
+
CH2 N
O
O
-
H3C
CH2 CH2 O P O P O
N
-
CH3
O
-
O
Pyridoxal-5‘-phosphat (PALP): Transaminasen, Glykogenphosphorylase
O
-
O
H
O P
-O
O
OH
+
N
CH3
H
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• Um Proteine zu untersuchen, muss man sie zunächst
aufreinigen. Gewebehomogenisation, Fällungen und verschiedenste chromatographische Schritte finden sich in fast
jedem Reinigungsprotokoll.
• Um die 3-dimensionale Struktur eines
Proteins aufzuklären, muss es zunächst in unzähligen Versuchen kristallisiert u. dann mittel Röntgenstrahlbeugungsanalyse untersucht werden.
Aus den dabei gewonnen Daten wird
letztlich die Struktur ermittelt.
Der lange
Weg vom
Proteinkristall zur Proteinstruktur
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Enzyme – Grundlegendes
• Enzyme dienen der häufig extremen Beschleunigung
spezifischer chemischer Reaktionen (k ). Sie sind Biokatalysatoren. Sie beeinflussen dabei jedoch nicht die
Lage des chemischen Gleichgewichtes (K).
• Praktisch alle Enzyme sind Proteine.
(Es gibt jedoch auch aus RNA-aufgebaute Biokatalysatoren, sogenannte Ribozyme.)
• Katalysieren zwei oder mehr Enzyme mit verschiedener
Primärstruktur die selbe Reaktion, so bezeichnet man
diese Enzyme als Isoenzyme.
• Die durch Enzyme bewirkte Beschleunigung von chemischen Reaktionen ist
beeindruckend. Steigerungen um Faktor 10.000 sind absolut nichts
ungewöhnliches.Die Lage des chemischen Gleichgewichtes wird nicht beeinträchtigt, da lediglich die Geschwindigkeitskonstante sowohl der Hin- wie
auch der Rückreaktion gleichermaßen gesteigert wird.
Für die Reaktion A+B  C + D gilt:
K=
v Hin
c(C) c(D) k Rück
=
=
v Rück c(A) c(B) k Hin
Wenn nun sowohl kHin wie kRück durch ein Enzym um einen Faktor z beschleunigt
werden, so kürzt sich dieser Faktor z aus der Gleichung heraus. K bleibt
konstant.
• Fast alle Enzyme sind Proteine. Das bedeutet jedoch nicht, das nicht andere
Stoffklassen bei der Katalyse mitspielen. Wir kommen darauf zurück.
• Es sei erwähnt das auch Ionenpumpen, Kanalproteine und andere Eiweiße
wenn auch nicht auf den ersten Blick erkennbar so doch Enzyme darstellen.
• Isoenzyme spielen in der Diagnostik bisweilen eine große Rolle. Beispielsweise die Alkalische Phosphatase. Bei Gallenwegserkrankungen und bei
Erkrankungen mit Knochenbeteiligung kann die Aktivität dieses Enzyms im
Serum erhöht sein. Die Enzyme aus den beiden Organsystemen sind jedoch in
ihrer Primärstruktur nicht identisch, so dass sich mit anderen Methoden notfalls
die Herkunft des Enzyms feststellen läst.
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Enzyme – Prosthetische Gruppen und
Cofaktoren
• Enzyme besitzen neben ihrem Proteinanteil häufig noch weitere
mehr oder minder fest an das Enzym gebundene Verbindungen,
die häufig für die Funktion unerlässlich sind.
• Prosthetische Gruppe: fest an ein Enzym (allg.
Protein) gebundene Nichtproteinverbindung wie z.B.
Häm (hier am Beispiel des Hämoglobins) oder das FAD
in der Glutathionreduktase.
• Cofaktor: Sämtliche an das Enzymprotein gebundenen,
für die Katalyse benötigte Verbindungen wie z.B.
Metallionen.
Ein Sonderfall sind die sogenannten Coenzyme. Dabei
handelt es sich um organische Verbindungen (z.B.
NAD(P)+, Coenzym A u. Q, ATP), häufig auf Basis von
Vitaminen. Nehmen sie wie ein Substrat an der
Reaktion teil, bezeichnet man sie besser als Cosubstrat.
Anm.: Die Definition der Prosthetischen Gruppe ist leider nicht einheitlich.
Es gibt sich z.T. widersprechende Definitionen.
Da viele Cofaktoren von Vitaminen abstammen oder Spurenelemente
sind, führen viele der entsprechende Mangelzustände letztlich i.B. über
nicht funktionstüchtige Enzyme zu ihren charakteristischen klinischen
Erscheinungsbildern.
Beispiele für Metalle als Enzym-Cofaktoren:
Zn2+:
Alkoholdehydrogenase (ADH), viele Metalloproteasen
Fe2+:
Katalase (im Häm)
Cu2+:
Superoxiddismutase (SOD)
Mo4/6+:
Xanthinoxidase
Wichtige Coenzyme (Bitte !! Struktur nur wiedererkennen können)
Thiamin-PP: z.B. in Transketolase (Wernicke-Korsakoff-Syndrom);
H
NH2
N
Pyruvat-DH; -Ketoglutarat-DH
S
+
CH2 N
O
O
-
H3C
CH2 CH2 O P O P O
N
-
CH3
O
-
O
Pyridoxalphosphat: Transaminasen, Glykogenphosphorylase
O
-
O
H
O P
-O
O
OH
+
N
CH3
H
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Prosthetische Gruppe
Coenzym
Cofaktor
Cosubstrate
• Ein Enzym, welches seinen Cofaktor gebunden hat (und damit katalytisch
aktiv ist) nennt man Holoenzym. Das inaktive (ohne gebundenen Cofaktor)
nennt man Apoenzym.
• Einige wichtige Cofaktoren:
Metalle: Fe2+/3+; Mg2+; Zn2+; Cu2+; Mo4+/6+
Coenzyme : Thiamin-PP (Vit. B1)
Riboflavin (Vitamin B2; Basis für FMN und FAD)
Pyridoxalphosphat (PALP, Vit. B6)
Biotin (Vitamin H)
(Tetrahydro)folat
Wichtige Coenzyme (Fortsetzung)
O
Biotin: z.B. in Acetyl-CoA-Carboxylase
HN
NH
O
S
(CH2)4 C
OH
Riboflavin: z.B. in Glutathionreduktase, Pyruvat-DH, (jeweils als FAD)
Bei FMN erfolgt 1x Phosphorylierung, bei
CH2OH
HO CH
FAD wird zusätzlich noch ein AMP
HO CH
„angehängt“
HO CH
CH2
H3C
N
H3C
N
O
N
NH
Tetrahydrofolat (THF): O
H
N
H2N
H
H H
HN
N
O
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N
H
H
N
-
O H COO
N
O
CH2 CH2 C OH
n
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Enzyme – Nomenklatur
„Man kann nur denken was man auch sprechen kann“
Zur Benennung der über 2000 bekannten Enzyme gibt es zwei Möglichkeiten
Trivialnamen - Meist historischen Ursprungs ohne feste Regeln.
Vorteil : Meist prägnant und kurz.
Nachteil : Durch Doppelentdeckung und neue Erkenntnisse oft viele Namen für
ein und dasselbe Enzym u. damit ggf. Probleme bei der Literaturrecherche
Beispiele : Trypsin, Malatenzym, Old yellow enzyme
Systematische Nomenklatur (Enzyme Commission der IUB):
Vorteil : Eindeutige Zuordnung, Name beschreibt eingehend Funktion.
Erleichterte Literaturrecherche
Nachteil : Namen lang und umständlich, wenig einprägsam
Beispiel : L-Malat: NAD-Oxidoreduktase (decarboxylierend) = EC 1.1.1.37
Im Falle der EC-Nomenklatur wird ein Enzyme zunächst einer von 6 Hauptgruppen
zugeordnet. Die weiteren Ziffern klassifizieren innerhalb dieser Hauptgruppe weiter.
Daraus ergibt sich die vierstellige, eindeutige EC-Nummer.
Alle Enzyme enden auf „-ase“
Die sechs Hauptgruppen:
1. Oxidoreduktasen
4. Lyasen
2. Transferasen
5. Isomerasen
3. Hydrolasen
6. Ligasen
Die systematischen bzw. die EC-Nummern sind nicht zu lernen bestimmt.
Ihr sollt sie lediglich kennen und ggf. wissen wie man nachschlägt.
Anm: Synthase ohne NTP; Synthetase mit NTP Verbrauch (meist ATP)
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Thermodynamik light
Der Ablauf chemischer Reaktionen wird entscheidend von Energiebilanzen bestimmt. Aus einem Pool bekannter (gemessener) Standarddaten
lassen sich diese Energiebilanzen berechnen.
Definition:
- positive Energiebeträge müssen dem System zugeführt werden
- negative Energiebeträge werden von ihm freigesetzt
Beispiel: A+B  C+D + H
H
G
T• S
Enthalpie kann man frei mit Energieinhalt übersetzen. Die Einheiten der
Enthalpien sind J/mol (veraltet: kcal/mol). Bei einer Reaktion ändert ( !!) sich
der Energieinhalt des Systems. Die Änderung dieser Gesamtenergie
beschreibt der Term H. Ist H negativ (z.B. –120 kJ/mol), so wird bei der
Reaktion Energie freigesetzt, ist H positiv, so muss dem System Energie
zugeführt werden, damit die Reaktion abläuft. H wird bestimmt, indem die
gesamte Energie in Form von Wärme zu- bzw. abgeführt wird.
Es wäre für das Leben außerordentlich ungünstig, wenn chemische Reaktionen
lediglich Wärme produzieren würden. Und in der Tat kann ein Teil, aber leider
nicht die gesamte, Reaktionsenergie in Arbeit (mechanische, elektrische etc.)
umgesetzt werden. Diesen Teil nennt man Freie Enthalpie G (weil man in
seiner Verwendung (Arbeit vs. Wärme) frei ist). Wie bereits erwähnt kann nur
über ein Teil der Energie frei verfügt werden. Der andere ist gebunden und wird
in Wärme umgesetzt. Diese ist die gebundene Enthalpie, die der Term T· S
beschreibt. T ist die absolute Temperatur, bei der die Reaktion stattfindet (in
Kelvin) und S die ominöse Entropie. Die Entropie wird häufig als Unordnung
beschrieben. Sie strebt einem Maximum zu (Paradebeispiel: Stephans
Schreibtisch). Gas beispielsweise ist bestrebt, sich auf ein gegebenes Volumen
zu verteilen und wird nicht spontan einen Teil des Volumens freigeben. Hierfür
muss man Arbeit aufbringen.
Die Gibbs-Helmholz-Gleichung beschreibt diese Zusammenhänge ( G = H T• S). Für den (freiwilligen) Ablauf einer Reaktion ist weniger H sondern
vielmehr G entscheidend. Nur wenn G<0 ist kann eine Reaktion freiwillig
ablaufen.
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Thermodynamik light
Freie Standardbildungsenthalpie G0f:
Für jede Verbindung kann man die freie Enthalpie für die Bildung aus den Elementen aus
denen sie besteht bestimmen. Die freie Standardbildungsenthalpie wird dabei unter Standardbedingungen bestimmt: Alle Stoffe liegen bei 25 °C, 1013 mbar als 1 mol oder (bei Lösungen) 1
mol·l-1 vor. Diese Werte werden in Tabellen gelistet und werden mit G0f beschrieben.
„Biochemische“ freie Standardbildungsenthalpie G0‘f:
Die Definition der freien Standardbildungsenthalpie G0 ist für physiologische Zwecke wenig
nützlich, bedeutet es doch u.a. pH=0. Daher gibt es entsprechende Werte (mit ansonsten
gleicher Definition) bei pH=7. Auch sie werden in Tabellen gelistet aber jetzt mit G0‘f
bezeichnet (Auf das Apostroph kommt es an!).
Die freie Standard-Enthalpie G0 bzw G0‘:
Im Organismus werden Verbindungen in der Regel nicht aus ihren Elementen aufgebaut, sondern aus Vorläuferverbindungen. Daher nutzen einem die schönen Tabellenwerte zunächst wenig. Man kann aber aus ihnen den Wert für die zu betrachtende Reaktion berechnen.
Tabelle der freien Standardbildungsenthalpien:
Standardbildungsenthalpien:
...
6 C + 6 H2 + 6 O2
C6H12O6 G0f(C6H12O6)= -...
C + O2
CO2
G0f(CO2)= -...
H2 + ½O2
H2O
G0f(H2O)= -...
...
C6H12O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O
G0=
G0f Hin-
G0f Rück
Der Parameter der über den tatsächlichen Ablauf einer Reaktion
entscheidet, ist G (und nicht G0f, G0‘f, G0 oder G0‘ ). G0f bzw.
G0‘f dienen lediglich der Berechnung von unbekannten G0 Werten
aus eben diesen Standardbildungsenthalpien (Anm.: G0f für Elemente
per Definition = 0 kJ/mol).
Die genaue Berechnung von G aus den G0 bzw. G0‘-Werten müsst ihr
nicht kennen. Der Unterschied zwischen G0 und G0‘ wird bisweilen
gefragt (pH=7 bei G0‘).
Es besteht ein Zusammenhang zu den Konzentrationen der Reaktanten:
G = G0 + RT ln
c(C) c(D)...
c(A) c(B)...
Über die mit dem logarithmischen Term einfließenden Konzentrationen
der Reaktionspartner kann die Zelle noch so manche Reaktion in die
gewünschte Richtung lenken.
Wen das Thema genauer interessiert, sei auf Charles E. Mortimer,
Chemie, Thieme-Verlag sowie auf auf Achim Markert, Chemische Affinität,
Diesterweg-Sale-Sauerländer-Verlag verwiesen.
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Zur Bedeutung und Aussage der freien Enthalpie:
Betrachten wir die Reaktionen
Reaktion ist endergonisch und
A  B mit G > 0 Diese
kann nicht freiwillig ablaufen
A  C mit G < 0
Energieniveau
bzw.
Diese Reaktion ist exergonisch und
kann freiwillig ablaufen
B
A
G>0
G<0
C
• G macht eine Aussage darüber, ob eine Reaktion ablaufen
kann oder nicht.
• G erlaubt keine Aussage darüber, wie schnell ein Reaktion
abläuft.
Wir sehen, eine Reaktion kann nur dann freiwillig ablaufen
(„runterrutschen“), wenn G der Reaktion < 0 ist. Eine solche Reaktion
bezeichnet man als exergonisch. Den Berg hoch rutsch es sich ohne
Mamas/Papas Hilfe eben nicht. Diese Reaktion wird also nicht freiwillig
ablaufen. Diese Reaktion bezeichnet man als endergonisch.
Nur wenn G negativ ist, kann eine Reaktion ablaufen. G sagt jedoch
nur etwas darüber aus, wie groß der Unterschied im Energieniveau ist. Es
macht per se keine Aussage darüber, wie „steil die Rutsche“ ist, und
damit, wie schnell die Reaktion abläuft. Hierfür benötigen wir weitere
Parameter.
v1
>
v2
>
v3
Anm.: Im Falle einer freiwillig ablaufenden (d.h exergonischen, G<0)
aber endothermen Reaktion ( H>0) erfolgt also eine Abkühlung des
Systems.
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Energieniveau
Übergangszustand
A
Aktivierungsenthalpie
G*
-- G
G**
k
R
R
k = T e TT
h
Rea
ktio
nsa
bla
u
Bei der Reaktion
freigesetzte freie
Enthalpie
C
f
G
Die Reaktionsgeschwindigkeit
vC= k·c(A) hängt ab von
• der Aktivierungsenthalpie
• der Temperatur
G macht eine Aussage darüber ob eine Reaktion ablaufen kann, nicht jedoch ob Sie es
tut. Betrachten wir die Reaktion A  C. Wie wir sehen ist G negativ (A liegt höher als
C). Diese Reaktion könnte also spontan ablaufen. Tut sie es ?
Nehmen wir als Beispiel ein Glas Wasser auf einem Tisch. Eigentlich will das Wasser
herunterfließen. Diese Reaktion wäre exergonisch. Leider steht diesem Streben das Glas
im Wege. Man sagt, die Reaktion ist kinetisch gehemmt. Um also auf den Boden zu
laufen, muss das Wasser zunächst die Energiebarriere des Glasrande überwinden. Die
dabei investierte (Lage)Energie wird wiedergewonnen, da das Wasser ja die selbe Höhe
wieder herunterfließt. Die also Initial benötigte Aktivierungsenthalpie wird
wiedergewonnen und taucht in der Gesamtenergiebilanz nicht mehr auf. Darauf
beruht der Trick, ein Glas mit einem Schlauch zu leeren. Zur Abgrenzung der
Aktivierungsenthalpie von G wird sie mit G* bezeichnet. Es ist offensichtlich, das mit
zunehmender Energiebarriere es immer schwieriger wird, die benötigte
Aktivierungsenergie aus der Umgebung zu borgen. Die Reaktion verläuft umso
langsamer.
Am Glasrand hat das Wasser gleiche Chancen wieder zurückzufließen, oder sich auf den
Boden zu ergießen. Diesen Punkt nennt man Übergangszustand. Am
Übergangszustand besteht gleiche Wahrscheinlichkeit, wieder in die
Ausgangsverbindung zurückzureagieren oder aber das Produkt zu formen.
Man kann die Geschwindigkeit einer Reaktion mathematisch fassen. Neben der
Konzentration des Eduktes ist dabei ein Proportionalitätsfaktor k entscheiden (nicht
verwechseln mit dem K des Massenwirkungsgesetztes). Die Arrheniusformel zeigt, wie
sich k aufbaut. R, k und h sind Naturkonstanten, T die Temperatur (in Kelvin) und G* die
Aktivierungsenthalpie.
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Energieniveau
Ohne Katalysator
ss
ang
g
s
Au
A
toff
Aktivierungsenergie
G*
mit Katalysator G*
ohne Katalysator
kte
rodu
p
d
En
C
Rea
ktio
nsa
bla
u
Bei der Reaktion
freigesetzte Energie
G
f
Mit Katalysator
A
C
G<0
Was kann ein Enzym ??
• Die (Energie)Bilanz der Reaktion ist vorgegeben.
• Die Reaktionsgeschwindigkeit folgt einem Gesetz: z.B. vc=k × c(A)
• Somit kann ein Enzym lediglich k beeinflussen.
• k wiederum, kann nur durch die Temperatur T und die Aktivierungsenthalpie G* variiert werden.
Ein Enzym kann die Temperatur einer Reaktion kaum beeinflussen (Sonst
hätten wir kaum eine konstante Körpertemperatur). Somit bleibt nur die
Aktivierungsenthalpie
G*. Und genau das macht ein Enzym: Es
vermindert die Aktivierungsenthalpie G*.
Nebenbei :
Reaktionsordnungen:
Die Ordnung ergibt sich aus der Summe der Potenzen im Geschwindigkeitsgesetz (z.B. v=k × [A] ×[B]2
wäre 1+2 = 3.Ordnung).
Dies ist wenig sinnvoll zu wissen, da bei genauer Betrachtung die Reaktionsordnung eigentlich meist nicht
der Stöichiometrie folgt.
Man bezeichnet Reaktionen als
0-ter Ordnung: Die Geschwindigkeit der Reaktion ist unabhängig von der Konzentration der beteiligten
Verbindungen (sehr selten)
1-ter Ordnung: Die Geschwindigkeit der Reaktion ist abhängig von der Konzentration einer Verbindung
(z.B. radioaktiver Zerfall, 1 Substratreaktion)
2-ter Ordnung: ...
Siehe auch: http://de.wikipedia.org/wiki/Kinetik_%28Chemie%29#Die_Reaktionsordnung
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Energiebarriere
ohne Katalysator
Energiebarriere
mit Katalysator
Ein Enzym kann die Temperatur für die Reaktion A
C nicht ändern. Somit bleibt nur
G* als Angriffspunkt für die enzymatische Katalyse. Ein Enzym stellt einen
energetisch günstigeren Reaktionsweg zur Verfügung. Dies wird u.a. dadurch
erreicht, dass das Substrat und das Enzymmolekül miteinander Wechselwirken. In
vielen „Minireaktionen“ – die jeweils nur ein geringes G*m-kat. besitzen – wird die
Substratbindungsenergie ( GBind.) frei. In Summe bedeutet dies:
G*m-kat +
GBind. « G*unkat.
Prinzip verstehen - nicht Formeln lernen !! Die Darstellung ist stark vereinfacht.
Um die Reaktionsgeschwindigkeit Geschwindigkeit zu verzehnfachen werden etwa 5,7
kJ/mol benötigt. Eine sog. schwache Wechselwirkung (WW) liefert bereits 4-30 kJ/mol.
Dabei spielen nicht nur die WW zwischen Enzym und Substrat direkt eine Rolle.
Auch neue WW innerhalb des Enzymmoleküls tragen hierzu bei. Dies erklärt
warum manche Enzyme sehr groß sind. Ähnliches gilt für Cosubstrate.
Die Enzyme sind zudem sehr spezifisch. Hierfür dient die Form des aktiven Zentrum in
dem spezifische WW zwischen Substrat und Enzym ausgebildet werden. Die räumlich
optimierte Anordnung und relativ starre Fixierung der Substrate begünstigt zudem die
hohe Geschwindigkeit da die Wahrscheinlichkeit das sich die richtigen Stellen der
Substrate in Lösung (also der unkatalysierten Reaktion) treffen ja allein vom Zufall
kontrolliert wird.
Durch Kopplung von Reaktionen - von denen eine Teilreaktion endergonisch ist (und
somit nicht stattfinden würde) und eine Teilreaktion exergonisch - so dass in Summe
Gges. (= G1(>0)+ G2(<0) ) < 0, sind Reaktionen möglich, die sonst praktisch nicht
ablaufen würden. Hierauf beruht vielfach die Funktion des ATP (dessen Hydrolyse ein
sehr negatives G hat)
Nochmal: Ein Enzym beschleunigt lediglich eine Reaktion – es hat keinen Einfluss
auf die Lage eines Gleichgewichtes. Es verändert also k (in v=k × c(A)) nicht aber K (in
K=c(C) / c(A)).
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Enzymatische Katalyse am „Stabase“-Modell
Energieniveau
• Unkatalysiert
Übergangszustand
(Ü)
Übergangszustand
A
G
<0
C
• Enzym komplementär zum Substrat – die „Schlüssel –
Schloss-Katalyse“
Enzym-SubstratKomplex (ES)
Energieniveau
Reaktionsweg
A
G
<0
Enzym-SubstratKomplex
Enzym-SubstratKomplex (ES)
Übergangszustand
(Ü)
Übergangszustand 2
Enzym-SubstratKomplex
Energieniveau
• Enzym komplementär zum Übergangszustand
C
Reaktionsweg
A
G
<0
C
Reaktionsweg
In Anlehnung an „Prinzipien der Biochemie“, Lehninger-Nelson-Cox, Spektrum, 2.
Auflage S. 235ff. Die „Magnete“ stellen die WW des Enzyms mit dem Substrat dar.
Wir wollen uns an einem Modell einiges klarmachen. Will man einen Metallstab
zerbrechen, so muss man relativ viel Kraft aufbringen, um den Stab zunächst so weit zu
biegen, bis er bricht. Die aufgewendete Energie beim Biegen wird beim Zerbrechen
wieder frei. Wir haben also eine hohe Aktivierungsenergie ( G*) investiert, um das
Substrat (den Stab) in den sog. Übergangszustand zu überführen. Von hier aus kann er
nun entweder elastisch in den Ausgangszustand zurückschwingen oder aber zerbrechen.
Das Energiediagramm zeigt den Reaktionsverlauf schematisch. In der unkatalysierten
Reaktion muss eine hohe Aktivierungsenergie aufgebracht werden
Klassischerweise werden Enzyme und ihr Substrat meist in einer Art SchlüsselSchloss-Beziehung dargestellt. Das Enzym sei also genau so angepasst, dass das
Substrat wie ein Schlüssel in ein Schloss passt. meist. Wie wir jedoch sehen, ist in
diesem Falle der Enzym-Substrat-Komplex sehr stabil. Wir benötigen eine noch höhere
Aktivierungsenergie als im unkatalysierten Zustand, da wird das Substrat zusätzlich
aus dem stabilen Komplex befreien müssten. Daher findet eine echte SchlüsselSchloss-Katalyse praktisch nie statt. (Antikörper hingegen, tun genau dieses, den sie
wollen möglichst fest an ein Substrat binden.)
Im Falle eines zum Übergangszustand komplementären Enzyms wird die Bildung
des Übergangszustandes gefördert und dieser leicht stabilisiert. Dies begünstigt die
Umwandlung und G* wird deutlich reduziert.
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Michaelis-Menten-Kinetik
Unter den von Michaelis und Menten gemachten Annahmen lässt sich für ein Enzym unter gegebenen Bedingungen die Reaktionsgeschwindigkeit berechnen.
v = v max
max
[S]
K MM + [S]
Dabei beschreibt vmax die bei einer bestimmten Enzymkonzentration maximal erreichbare Reaktionsgeschwindigkeit: vmax=k [Enzym] und KM (Michaelis-Konstante) diejenige Substratkonzentration, bei der die halbmaximale Geschwindigkeit erreicht wird. KM u. vmax werden experimentell
bestimmt.
v
1/v
vMax
Doppeltreziproke
Transformation
nach
Lineweaver Burk
½ vmax
½ vmax
KM
1/vMax
-1/KM
[S]
1/[S]
Die Herleitung der Michaelis-Menten Gleichung erfolgt für Interessierte auf Seite 16 und ist bisher
kein Prüfungsstoff.
Es sei erwähnt, das die Kurve im 1. Schaubild (Michaelis-Menten-Plot) bzw. die Gerade
im 2. (Linewaever-Burk-Plot) nicht das Ergebnis einer Messung sind sondern einer
großen Zahl von Messungen jeweils einen Punkt auf diesen Kurven liefern. Die
Geschwindigkeiten für bestimmte Substratkonzentrationen können z.B. wie in der Abb.
gezeigt gewonnen werden. Die Enzymmenge ist bei jeder [S] identisch.
vS= A/ t
A
t
t
Die Lineweaver-Burk-Darstellung erleichtert deutlich das Ablesen von KM und Vmax.
Jedoch sei erwähnt das beim anlegen einer Ausgleichsgerade die Messpunkte mit
geringen Substratkonzentrationen (welche messtechnisch die größten Streuungen
produzieren) einen überproportional großen Einfluss auf diese Gerade haben.
Merke: Einheit des KM-Wertes ist eine Konzentration also M(=mol·l-1) bzw. kleinere
Größen wie mM oder dM. (Cave ! Größenordnungen für [S] und KM beim Rechnen
beachten)
Sonderfälle:
[S] = KM
: V = ½ Vmax
[S] < KM
: V proportional [S]
[S] » KM
: V nähert sich Vmax
In Klausuren beliebt ist die Frage, wieviel mal KM die Substratkonzentration betragen
muss, um 80, 90 etc. % von vmax zu erreichen.
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„STOP“ – oder wie hemmt man Enzyme
Die Hemmung oder Inhibition von Enzymen ist eine der wichtigsten Säulen
der Pharmakologie. Man unterscheidet zunächst grob zwischen reversibler
und irreversibler Inhibition.
Enzym
+
Inhibitor
Enzym
Inhibitor
Enzym
+
Reversible
Hemmung
Enzym
+
Substrat
Substrat
Enzym
+
Inhibitor
Irreversible
Hemmung
Der wichtigste Unterschied zwischen reversibler und irreversibler Hemmung ist,
dass der Komplex aus Inhibitor und Enzym im Falle der reversiblen Hemmung –
wenngleich oft langsam – wieder zerfallen kann. (Manche reversiblen Inhibitoren
werden vom „gehemmten“ Enzym auch umgesetzt, wenngleich um ein
vielfaches schlechter als das „natürliche“Substrat.)
Im Falle der irreversiblen Hemmung ist das Enzymmolekül sozusagen tot. Es
muss von der Zelle durch ein neues ersetzt werden.
Als Beispiel für den klinischen „Einsatz“ von kompetitiven „Inhibitoren“ sei
Ethanol als Antidot bei Methanol- und Glykolvergiftungen erwähnt. Die beiden
letzteren Substanzen sind erst durch ihre Oxidationsprodukte stark toxisch.
Ethanol ist ein besseres Substrat für die Alkoholdehydrogenase und so gibt man
Ethanol i.v. so dass praktisch kein Methanol oder Glykol mehr oxidiert wird und
diese langsam über die Niere und die Lunge (Methanol) ausgeschieden werden.
Irreversible Inhibitoren sind zum Beispiel Pantoprazol, welches irreversibel die
H+K+-ATPase des Magens hemmt. Auch viele Cytostatika wie 5-Fluoruracil (5FU) und div. Alkylantien (z.B. Carmustin = BCNU) hemmen irreversibel. Die
Hemmung kann dabei direkt oder indirekt erfolgen. Im letzteren Falle würde der
Inhibitor erst durch das Enzym selbst in den eigentlichen Inhibitor umgesetzt
(Suicid-Inhibitor = Mechanismus gestützter Inhibitor. z.B. 5-FU, Allopurinol).
Beachte, das manche Verbindungen auf ein Enzym reversibel und auf ein
anderes irreversibel hemmend wirken können (und natürlich auf viele gar nicht).
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Reversible Hemmung - Subtypen
Ein Enzym kann auf verschiedene Weise reversibel gehemmt werden. So kann ein Inhibitor
z.B. eine lediglich höhere Affinität zum Enzym besitzen, als das Substrat. Ein anderer hingegen
bindet länger und fester an das Enzym und wieder ein anderer bindet an einer anderen Stelle
und bewirkt sehr komplexe Veränderungen. Alle diese Typen lassen sich kinetisch
unterscheiden.
Der Inhibitor hat eine höhere
Affinität zum Enzym, als das
Substrat. Bereits bei geringen
Konzentrationen bindet er mit
größerer Wahrscheinlichkeit
als das Substrat
Inhibitor wetteifert mit dem
Substrat S um das aktive
Zentrum. KM wird größer.
Bei hohen [S] spielt jedoch
der Inhibitor keine Rolle
mehr:vmax bleibt konstant
Nicht
kompetitiv
Der Inhibitor – einmal an das
Enzym gebunden – dissoziiert
nur sehr langsam wieder ab.
Der Inhibitor legt das
Enzym temporär lahm. Die
Konzentration an katalytisch aktivem Enzym sinkt,
so das vmax ebenfalls abnimmt. KM bleibt davon
unberührt.
KM
Vmax
Unkompetitiv
Der Inhibitor bindet oftmals
nicht im aktiven Zentrum.
Der Inhibitor beeinflusst
das Enzym in recht komplexer Weise, so dass sowohl vmax als auch das
KM abnehmen
KM
Vmax
Kompetitiv
KM
Vmax
1/v
Inhibiert
ungehemmt
1/[S]
1/v
Inhibiert
Ungehemmt
1/[S]
1/v
Inhibiert
Ungehemmt
1/[S]
Die Unterscheidung kompetitiv versus nicht kompetitiv ist klausur-relevant.
Du solltest in der Lage sein, in einem Lineweaver-Burk-Plot abzulesen,
welche der Geraden ungehemmt, und welche (und wie) das gehemmte
Enzym zeigt.
Faustregel: Im Lineweaver-Burk Diagramm beschreibt die höhere
bzw. steilere Kurve das gehemmte Enzym.
Die nicht kompetitive Hemmung ist der irreversiblen Hemmung insofern
ähnlich, als sie ebenfalls die Menge an katalytisch aktivem Enzym
vermindert. Sie tut dies jedoch reversibel, so dass immer ein (in
Abhängigkeit von der Inhibitor-Konzentration) Teil des Enzyms weiter
arbeiten kann.
Beispiele für nicht kompetitive Inhibitoren: Schwermetalle wie z.B. Blei
oder Quecksilber. Sie können das aktive Zentrum von cysteinhaltigen
Enzymen blockieren.
Natürlich arbeiten Enzyme unter bestimmten äußeren Umständen besser
oder schlechter. Für das pH der Umgebung (z.B. Pepsin!), die
umgebenden Salze und die Temperatur gibt es jeweils ein Optimum.
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