Enzym

Pflanzenphysiologie
Enzyme
7. Enzyme
Enzyme sind Proteine (Proteide) mit katalytischen Eigenschaften. Sie ermöglichen den Ablauf
vieler chemischer Reaktionen, die ansonsten unmerklich langsam verlaufen würden. Enzyme
zeichnen sich insbesondere durch die Spezifität ihrer Katalyse aus.
7.1 Spezifität der Enzymkatalyse
- Reaktionsspezifität: von mehreren Reaktionen, denen eine Substanz unterliegen kann,
katalysiert ein Enzym immer nur eine. Beispielsweise können Aminosäuren
a) decarboxyliert, b) transaminiert und c) isomerisiert werden;
Enyme katalysieren nur eine dieser Reaktionen.
- Substratspezifität: eine Reaktion erfolgt meist nur an einer von zahlreichen
ähnlichen Verbindungen (z.B. nur einer von 21 Aminosäuren)
z.B. Alanin + -Ketoglutarat (AAT) = Pyruvat + Glutamat.
- Stereospezifität: Die substratspezifischen Reaktionen erfolgen stereospezifisch,
es entsteht nur eine von zwei möglichen mesomeren Formen,
z.B.: Pyruvat + NADH2 (LDH) = L-Lactat + NAD+.
- pH-Optimum, Temperatur-Optimum
Am aktiven Zentrum sind oft dissoziable Aminosäuren beteiligt. Ihre Ionisierungsform
entscheidet über das Ausmaß der katalytischen Aktivität, deshalb haben Enzyme ein
pH-Optimum. Aber auch das Ionenmilieu und die Ionenstärke beeinflussen die
katalytische Aktivität.
- Selbstkontrolle: DNA-Polymerase I katalysiert die Polymerisation von Nukleotiden nach
Vorgabe eines DNA-Einzelstranges. Hierbei wird in weniger als einem von 106 Fällen ein
falsches Nukleotid in den neuen DNA-Strang eingebaut, da falsch eingebaute Nukleotide
sofort hydrolysiert werden.
7.2 Einteilung der Enzyme in sechs Klassen
1. Oxidoreduktasen
(Oxidations-Reduktions-Reaktionen)
z.B.: Alkohol + NAD (ADH) = Acetaldehyd + NADH2
2. Transferasen
(Übertragung von funktionellen Gruppen)
z.B.: ATP + Cholin (Cholinkinase) = ADP + Phosphocholin
3. Hydrolasen
(Spaltung von Molekülen unter Wasseraufnahme)
z.B.: Ester + H2O (Esterase) = Alkohol + Säure
4. Lyasen
(Lösen von C-C, C-O, C-N u.a. Bindungen)
z.B.: Isocitrat (Isocitrat Lyase) = Glyoxylat + Succinat
5. Isomerasen
(intramolekulare Umlagerungen)
z.B.: Fructose-6-phosphat (Hexosephosphat Isomerase) = Glucose-6-phosphat
6. Ligasen
(Knüpfen kovalenter Bindungen zwischen Molekülen unter ATP-Verbrauch)
z.B.: Acetat + CoA + ATP (Acetyl-CoA-Synthetase) = Acetyl-CoA + AMP + PPi
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Jedes Enzym erhält von einer internationalen Kommission eine vierstellige IdentifikationsNummer (EC-Nummer), z.B.:
Lactat Dehydrogenase (EC 1.1.1.27)
1. Oxidoreduktase
1.1 Wirkung auf CH OH  Gruppen

1.1.1 NAD als Coenzym, und
1.1.1. 27 als Individual-Nummer.
7.3 Regulatorische Enzyme
Enzyme wirken nicht nur als Katalysatoren, sondern auch als Stellglieder im Stoffwechsel,
insbesondere die regulatorischen Enzyme.
- Endprodukt-Kontrolle: das Endprodukt eines Syntheseschritts wirkt (hemmend) auf das
Eingangsenzym der Reaktion zurück. Die Hemmung ist reversibel, geht die Konzentration
des Endproduktes zurück, wird das Enzym wieder entsprechend aktiver (Beispiel: ThreoninDesaminase, Hemmung durch Isoleucin).
- Isoenzym-Kontrolle und Rückkopplung: Am Beginn eines verzweigten Biosynthese-Weges
stehen mehrere (Iso)-Enzyme, die spezifisch von den jeweiligen Endprodukten gehemmt
werden (Beispiel: Aspartokinase 1, Hemmung durch Lysin; Aspartokinase 2, Hemmung
durch Threonin; Aspartokinase 3, Hemmung durch Methionin).
- Aktivierung von Enzymreaktionen durch Ca-Calmodulin, Inaktivierung durch Ca-freies
Calmodulin.
- Covalente Modifikation von Enzymen durch andere, regulatorische Enzyme (z.B.
Aktivierung/Inaktivierung von Stärke-Phosphorylase durch Phosphorylierung/
Dephosphorylierung des Enzyms durch zwei verschiedene regulatorische Enzyme.
- Erzeugung von inaktiven Proformen, die am Wirkort katalytisch aktiv werden
(z.B. viele Verdauungsenzyme).
7.4 Aktivierungsenergie
Enzyme beschleunigen chemische Reaktionen (ohne daß sie dabei verbraucht werden), indem
sie die Aktivierungsenergie der Reaktion herabsetzen. Beispiel: Der spontane Zerfall von
Wasserstoffperoxid benötigt eine Aktivierungsenergie von 75,4 kJ/mol, die Katalase
katalysierte Reaktion (H2O2 + H2O2 (Katalase) = 2 H2O + O2) nur 13 kJ/mol.
Die Aktivierungsenergie kann nach Arrhenius über folgende Gleichung ermittelt werden:
v = A . e –Ea/RT, wobei
v = Reaktionsgeschwindigkeit ( - S /t; P/ t; S = Substrat; P = Produkt),
Ea = Aktivierungsenergie (J/mol), A = Proportionalitätsfaktor, e = Basis der natürlichen
Zahlen, R = 8,315 (J/ mol. K) und T = absolute Temperatur (K).
Nach Logarithmieren erhält man eine Geradengleichung
ln v = - Ea/ RT + ln A;
d.h. es besteht ein linearer Bezug zwischen ln v und 1/T. Aus der Steigung der Geraden in
einem Plot von ln v gegen 1/T ergibt sich die Aktivierungsenergie zu: Steigungswert =
Ea . R (J/mol).
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7.5 Molekulare Masse einiger Enzyme
Mr g/ mol
Enzym
Ribonuclease aus Aspergillus oryzae
Cellulase aus Polyporus
- Chymotrypsin
Papain
Trypsin
Peroxidase aus Tulpen
Peroxidase aus Merrettich
-Amylase, Pankreas
Malat Dehydrogenase (Ochsenherz, Mitochondrien)
Phosphoglucomutase
Peroxidase (Milch)
Luciferase (Leuchtkäfer)
Aldolase (Leber)
Succinat-Dehydrogenase
Glycerat-Kinase (Hefe)
Urease (Pferdebohnen)
ATPase (Kaninchenmuskel, Myosin)
Pyruvat Decarboxylase
11.000
11.400
15.000-25.000
20.700
23.800
34.300
40.000
45.000
62.000
74.000-78.000
82.000
 100.000
159.000
 200.000
251.000
480.000
540.000
1.000.000
Vgl. zu Kapitel Enzyme auch
Fig. 32 Modell der Adenylat Kinase,
Fig. 3.33 a Modell der Adenylat Kinase,
Abb. 50 Modell des Lysozyms,
Abb. 52 Hydrolyse des an Lysozym gebundenen Mischpolymeren,
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7.6 Enzymkinetik
7.6.1 Katalytische Aktivität
Die katalytische Aktivität von Enzymen wird nach der Menge umgesetzten Substrates
(gebildeter Menge Produkt) pro Zeiteinheit beurteilt.
Unter optimalen Reaktionsbedingungen und bei Substratsättigung gilt:
1 Katal (kat) ist diejenige Menge Enzym, die 1 mol Substrat pro Sekunde umsetzt. Daneben ist
noch die internationale Einheit IE bzw. Unit (U) in Gebrauch.
1 IE (U) = Enzymmenge, die pro Minute 1 mol Substrat umsetzt = 16,67 nkat
1 nkat = 0,06 IE (U).
Als abgeleitete Einheiten werden verwendet: die Volumenaktivität (kat/Liter) und die
spezifische Aktivität (kat/g Protein).
Die Wechselzahl gibt an, wieviele Moleküle Substrat (Produkt) von einem Enzymmolekül
pro Sekunde umgesetzt werden.
Zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Enzymkonzentration besteht bei optimalen
Bedingungen ein linearer Zusammenhang.
7.6.2 Michaelis-Menten-Kinetik
Enzyme mit Michaelis-Menten-Kinetik sind solche, die einen hyperbolischen Zusammenhang
zwischen Substratkonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit (bei konstanter Enzymmenge)
zeigen. Die Michaelis-Menten-Gleichung beschreibt diesen Zusammenhang:
v = vmax / (1 + KM / S) bzw.
v = vmax . S / (S + KM)
Bei Substratkonzentrationen kleiner als KM gilt:
v = S . vmax / KM
d.h. die Reaktionsgeschwindigkeit ist der Substratkonzentration direkt proportional.
Bei hohen Substratkonzentrationen, wenn S sehr viel größer als KM ist, wird v = vmax ; ab
einer bestimmten, hohen Substratkonzentration nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit nicht
mehr zu.
Der KM-Wert wird üblicherweise über einen Lineweaver-Burk-Plot ermittelt, d.h. nach
Umformung der Michaelis-Gleichung in eine Geradengleichung:
1/ v = KM / vmax . 1/ S + 1/ vmax
Die katalytische Wirkung von Enzymen verläuft über die Bildung eines labilen EnzymSubstrat-Komplexes:
E + S - k1  ES - k2 
E + P
 k2 E = Enzym, S = Substrat, ES = Enzym-Substrat-Komplex, P = Produkt,
k1, k2, k3 = Geschwindigkeitskonstanten.
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Erfolgt ein Zerfall des ES-Komplexes sehr langsam in E + P aber schneller in E + S, so hat die
Michaelis-Konstante die Bedeutung einer Dissoziationskonstanten:
KES = E . S / ES = k2 / k1
Ein hoher KM-Wert zeigt unter diesen Bedingungen eine schwache Substratbindung an, ein
niedriger eine feste Bindung.
7.6.3 Wechselzahl
Die Wechselzahl eines Enzyms kann ermittelt werden, wenn alle Enzymmoleküle mit Substrat
gesättigt sind und sowohl die umgestzte Substratmenge als auch die Enzymkonzentration im
Reaktionsansatz bekannt sind (vmax = k3 ET; ET = Enzymmenge).
Eine 10-6 M Lösung von Kohlensäure-Anhydratase katalysiert die Bildung von 0,6 M H2CO3
(aus CO2 und Wasser) pro Sekunde, die Wechselzahl ist demnach 0,6/ 10-6 = 6 x 105 (1/sec).
Jeder Katalysevorgang erfolgt im Zeitintervall 1/ k3, für Kohlensäure-Anhydratase bedeutet
dies 1/ 6 x 105 sec = 1,7 Mikrosekunden. Übliche Wechselzahlen:
1 bis 104 sec.
7.6.4 Allosterische Enzyme
Allosterische Enzyme zeigen, im Gegensatz zu Enzymen mit Michaelis-Menten-Kinetik, eine
sigmoide Beziehung zwischen Substrat-Konzentration und Reaktionsgeschwindigkeit.
Allosterische Enzyme sind Stellglieder im Stoffwechsel, ihre Aktivität wird von allosterischen
Effektoren positiv oder negativ beeinflußt.
Das Enzym Aspartat-Transcarbamoylase katalysiert die folgende Reaktion:
Carbamoylphosphat + Aspartat (AT) = N-carbamoyl-L-aspartat + Pi.
Es ist ein allosterisches Enzym. Es steht am Anfang des Biosyntheseweges des
Pyrimidinrings. In. E. coli wird das Enzym durch Cytidintriphosphat (CTP) gehemmt, dem
Endprodukt des Biosyntheseweges. ATP ist dagegen Aktivator. CTP verstärkt den sigmoiden
Verlauf zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Substratkonzentration, ATP mildert ihn ab.
Die (unbeeinflußte) sigmoide Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender
Substratkonzentration zeigt, daß die Bindung der Substrate (Carbamoylphosphat und Aspartat)
kooperativ erfolgt.
Die kinetische Gleichung für allosterische Enzyme lautet allgemein:
v = vmax . Sn / (KM + Sn) mit n = Gebrochene Zahl.
Die Aspartat Transcarbamoylase besteht aus 6 (großen) katalytischen Untereinheiten und 6
(kleinen) regulatorischen Untereinheiten. Spaltet man die regulatorischen Einheiten ab, so
reagiert das Enzym nicht mehr auf die Effektoren CTP und ATP.
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Prosthetische Gruppen und Zwischensubstrate
Verbindung
Funktion
Vitamin
Nicotinamid-adenindinucleotid (NAD+)
Nicotinamid-adenindinucleotid-phosphat
(NADP+)
Flavinmononucleotid (FMN)
Flavin-adenin-dinucleotid
(FAD)
Thioctansäure (-Liponsäure)
Wasserstoffübertragung
Nicotinamid
Wasserstoffübertragung
Nicotinamid
Wasserstoffübertragung
Wasserstoffübertragung
Riboflavin
Riboflavin
Wasserstoffübertragung
Hämine
Biotin
Tetrahydrofolsäure
Thiaminpyrophosphat
Elektronenübertragung
CO2-Übertragung
C1-Gruppenübertragung
Aldehydübertragung,
Decarboxylierung
Acetyl-Übertragung
Aminosäurendecarboxylierung, Transaminierung
Methylgruppenübertragung
Thioctansäure
(Bakterienwuchsstoff)
Biotin (Hefewuchsstoff)
Folsäure
Thiamin (Aneurin, Vitamin
B1)
Pantothensäure
Pyridoxin
Coenzym A
Pyridoxalphosphat
Adenosin-methionin
Adenosintriphosphat (ATP)
Phosphoadenylsäuresulfat
Adenosindiphosphat (ADP)
Uridindiphosphat (UDP)
Cytidindiphosphat (CDP)
- Ketoglutarat
Glucose-1,6-diphosphat
2,3-Phosphoglycerinsäure
Cobalamin
Transfer-RNS
Disk:
File:
Phosphat- und PyrophosphatÜbertragung, Adenylierung
Schwefelsäureübertragung
Zuckerübertragung
Zuckerübertragung
Phosphocholinübertragung
NH2-Übertragung
Phosphatübertragung
Phosphatübertragung
Isomerisierung (Verschiebung
von Carboxylgruppen)
Spezifische AminosäurenÜbertragung
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Methionin (essentielle
Aminosäure)
Cobalamin
-
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