Enzyme_ - theunderground.at
Werbung
Enzyme 1) Enzyme sind Biokatalysen (Katalyse biochemischer Reaktionen) 2) Substrate sind jene Stoffe, die von Enzymen umgesetzt werden. 3) Katalytisch wirksame Stelle ist das „aktive Zentrum“ (spez. Faltung der Polypeptidketten) 4) Denaturierung Zerstörung der Konformation Verlust der biologischen Aktivität Aminosäuresequenz bleibt erhalten Reversible Denaturierung ist möglich 5) Viele Enzyme benötigen Cofaktoren Cofaktoren sind Heterobestandteile (Nicht-Protein-Bestandteile), die für die Aktivität eines Enzyms erforderlich sind. Prosthetische Gruppen sind kovalent an die Peptidketten gebunden Cosubstrate (früher Coenzyme) sind reversible an die Peptidketten gebunden Metallionen Funktionen der Cofaktoren Cosubstrate und prosthetische Gruppen sind meist Träger von funktionellen Gruppen Spez. Atomen oder Elektronen, die während der Enzymreaktion Übertragen werden. METALLIONEN: 1) Im Katalytischem Zentrum an der Katalyse beteiligt 2) Brückenglieder 3) Stabilisation der Konformation Mg: Mg2+ Cofaktoren bei Phosphatasen und Kineasen z.B.: bei Hexokinasen Glucose + ATP G6P + ADP Mg2+ Ionen polarisieren als elektrophile Lewissäure die P-O Bindung des Phosphatrets des Cosubstrats und erleichter den Angriff des Nukleo. (H2O bei Hydrolasen und R-OH bei Kineasen) Ca: Ca2+ Cofaktoren bei Amylasen und Lipasen Stabilisiert durch Ionenbeziehungen mit negativ geladenen AS-Resten die Konformation von Enzymen (a-Amylasen). Ist an der Substratbildung beteiligt (Lipasen) Zn: Zn2+ Cofaktoren bei Alkoholdehydrogenase Polarisiert die C=O Bindung des Substrats. Begünstigt den Transfer des Hydridions vom Substrat. Fe: Fe3+/Fe2+ Bei den Cytochromen in der Atmungskette Cu: Cu2+/Cu+ Einige oxidasen in Lebensmittel enthalten nur diese redox syst. als prosthtische Gruppe Mo: Mo6+/Mo4+ FeMo Cofaktor bei Nitrogenase bei Xanthin-Oxidase COSUBSTRATE (früher auch Coenzyme) Reagieren im Stoffwechsel mit mindestens 2 Enzymen. Sie übertragen dabei H2 e- oder funktionelle Gruppen (werden vom Cosubstrat in energiereiche Bindung aufgenommen) Transportmetapolte Beispiele: NAD+/NADH, NADP+/NADPH, ADP, CoA PROSTHETISCHE GRUPPE: Sind fest an das Enzym gebunden dieses reagiert nacheinander mit 2 verschiedenen Substraten 1) Enzymatische Katalyse 2) Regenerieren der Prosthetischen Gruppen Bsp.: FAD,FMN, Liponsäure, Biotin, Thiamitphosphat (Thiaminpyrrophosphat TPP) FAD, FADH, FMN, Riboflavin (Vit. B2) Prosthtische Gruppen und Cofaktoren sind meist gruppenübertragende Moleküle. Transportmolekül (Cofaktor) ATP NADH und NADHP FADH2 Coenzym A Liponsäureamid TPP Biotin Tetrahydrofolsäure Aktivierte Gruppe (Übertragende Gruppe) Phosphatgruppe e- und H+ e- und H+ Acylgruppe Aldehydgruppe CO2 Formylgruppen (C1 Einheiten) Vitamine: Dienen häufig um den Organismus die Grundstoffe für prosthetische Gruppen und Cosubstraten zurückzuführen (z.B.: Wasserlösliche Vitamine). Vitamin Thiamin (B1) Riboflavin (B2) Nicotinsäure Pyridoxal (B6) Pantothensäure Biotin Folsäure Cofaktor TPP FAD/FMN NAD Pyridoxalphosphat Coenzym A wird kovalent an Carboxylgr. gebunden(Biotin-Enzym) Tetrahydrofolsäure Einteilung der Enzyme: Erfolgt nach den Regeln der I.U.P.A.C und der I.U.B Die Regeln der für Bezeichnung und Klassifizierung von Enzymen basieren auf deren Wirkunsspezifität. Demnach unterscheidet man 6 Enzymklassen: 1) 2) 3) 4) 5) 6) Oxidoreduktasen Transferasen Hydrolasen Lyasen Isamerosen Ligasen Jede Klasse wird in Unter- und Subunterklassen unterteilt. Bsp.: Systemname: L-Ascorbinsäure-Sauerstoff-Oxidoreduktase Systemnummer: EC 1. 10. 3. 3. Enzym Commission Oxidoreduktase Unterklasse der Oxidoreduktase (Donator: Ascorbinsäure) Subunterklasse (Acceptor) Seriennummer des Enzyms innerhalb der Sub-Unterklasse 1. Oxidureduktasen: Katalysieren Reoxreaktionen z.B.: Lactat-Dehydrogenase (LDH) mit NAD+ als Akzeptor oder Glucose-Oxidase (GOD) mit O2 als Acczeptor. Als Beispiel: CH3 | C = O + NADH + H+ | COOH 2. Transferasen: Sind Gruppenübertragende Enzyme wie Methyl-, Aminotransferasen Phosphatgruppenübertragende Enzyme (OH-Gruppe) als Acceptor Bsp.: Glucose + ADP Glucose-6-Phosphat + H+ 3. Hydrolasen: Kata. hydrolytische Spaltung: z.B.: Esterbindung oder Glycoside spaltend (Phosphatasen, Amylasen) 4. Lyasen: Kata. add. an die Doppelbindung und umgekehrt (also Eliminierung unter Ausbilldung einer Doppelbindung z.B.: Aldolasen 5. Isomerasen: Kata. Umlagerung innerhalb eines Moleküls Glucose-6-P ⟹ Fructose-6-P 6.Ligasen: Knüpfen Bindungen unter gleichzeitiger Spaltung eines ATP z.B.: Glu + ATP + Glu + ADP + Pi Glutaminsynthease Mechanismus der Enzymkatalyse Allgemeine Prinzipien 1. Annäherung des Substrats an das „aktive Zentrum“ des Enzyms 2. Enzym und Substrats treten in Wechselwirkung: Bildung des [ES] – Komplexes 3. Konformationsänderung des Enzyms (wodurch die katalytische Umwandlung [ES]⇌E+P ermöglicht wird) „Induced Fit Theory“ 4. Abdiffundieren des gebildeten Produktes: [EP]⇌E+P Theorien zur Bildung des [ES]-Komplexes Schloss-Schlüssel-Theorie Von Emil Fischer (1894) heute aber nicht mehr so gültig Das Substrat-Molekül passt ins aktive Zentrum wie ein Schlüssel in ein Schloss Induced Fit Theory (Induzierte Konformationsänderung) Konformationsänderung bei Substratbindung. Bei der Bindung des Substratmoleküls wird das aktive Zentrum in eine Konformation gezwungen, die die Katalyse begünstigt. Diese Konformation („Übergangszustand“) ist labil und energetisch ungünstig; sie ist aber gerade deshalb katalytisch sehr ungünstig. Induced Fit Theory Phänomene der Beschleunigung der enzymatischen Katalyse (a) Proximity Effect: Die starke Annäherung zwischen E, S und Cosubstraten bewirkt eine starke Erhöhung der effektiven Konzentrationen der Reaktanten in der Umgebung des aktiven Zentrums. PROXIMITY EFFECT (b) Strain Effect: Zwischen dem aktiven Zentrum und dem Substrat entstehen starke Wechselwirkungen: Das Substratmolekül wird angezogen, gerät unter enorme Spannung (strained) und wird dadurch deformiert. In gleicher Weise wird das Enzym deformiert („Induced fit“). ⇾Der [ES]-Komplex ist durch diese Deformationen instabil und die Aktivierungsenergie kann leichter herabgesetzt werden. (c) Solvent Effect: Enzyme besitzen die Fähigkeit, apolare (hydrophobe) Verhältnisse herzustellen: Sie können Wasser aus dem aktiven Zentrum verdrängen (Hydrathülle des Substrats wird entfernt). Was hat das zur Folge? Je hydrophober (unpolarer) ein Lösungsmittel ist, desto schneller verläuft die Reaktion. ⇾ Beschleunigung der enzymkatalysierten Reaktion um den Faktor 106 Veranschaulichung: CH3I + C Lösungsmittel Formel Polarität Geschwindigkeitsfaktor (d) Orientation Effect ⇾ CH3C + Methanol CH3OH stark polar 1 Formamid NH2-CHO 12,5 Methylformamid Dimethylformamid CH3-NH-CHO (CH3)2N-CHO unpolar 54,3 1,2*106 Enzyme besitzen die Fähigkeit, Substrat- und Cosubstrat-Moleküle räumlich anzuordnen, um so die Katalyse zu ermöglichen ALLOSTERISCHE ENZYME bzw. PROTEINE Viele Enzyme folgen der MM-Kinetik (hyperbolische Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Substratkonzentration) Manche Enzyme zeigen jedoch ein von der MM-Kinetik abweichendes Verhalten: Vor allem jene Enzyme, deren Aktivität in der Zelle einer Regulation unterliegt – "regulatorische Enzyme" Charakteristika allosterischer Enzyme (a) Sie besitzen mehrere Untereinheiten mit je einem aktiven Zentrum. Bei Substratbindung erfolgt positive oder negative Kooperativität Die Untereinheiten beeinflussen sich gegenseitig in ihrer Affinität zum Substrat. GOD-Dimmer (b) Zeigen eine sigmoide Abhängigkeit zwischen v und [S] (c) Beeinflussung der enzymatischen Aktivität durch spezifische niedermolekulare Effektoren (Aktivatoren und Inhibitoren): Dies ist ein wichtiges Prinzip der Stoffwechselregulation! (d) Treten im Stoffwechsel vorwiegend an Verzweigungsstellen auf Aktivierungsenergie: Damit eine chemische Reaktion ablaufen kann, ist eine Aktivierungsenergie erforderlich. Enzyme setzen die Aktivierungsenergie herab und beschleunigen die Gleichgewichtseinstellung E+S ⇌ [ES] ⇌ [EP] ⇌ E+P Es erfolgt keine Verschiebung des Gleichgewichts Jede Enzymkatalytische Reaktion läuft solange ab, bis der Gleichgewichtszustand erreicht ist. Enzyme beschleunigen eine Reaktion um den Faktor 106. Zwar würde die Reaktion auch ohne Enzym ablaufen nur eben dementsprechend langsam. Im Stoffwechsel sind meist viele enzymat. Kata. Reaktionen hintereinandergeschaltet, d.h. die Reaktionsprodukte werden durch ihre ständige Weiterverarbeitung dem laufenden Gleichgewicht entzogen. z.B.: Dihydroxyaceton-phosphat 96% Glycerinaldehyd-3-phosphat 4% ↧ reagiert weiter Daraus ergibt sich ein Fließgleichgewicht (“steady state“) Damit ein System Arbeit leisten kann, darf es nicht im Gleichgewicht sein, sondern muss auf ein solches hinstreben. Lebende Organismen sind offene Systeme. Unter Fließgleichgewicht versteht man einen stationären Zustand, bei dem dauernd Substrate hineinströmen und Reaktionsprodukte ausgeschleußt werden. Es laufen also kontinuierliche Reaktionen ab, die auf ein Gleichgewicht hinstreben. Enzymaktivität: Die Aktivität eines Enzyms ist definiert durch die Menge an Substrat die pro Zeiteinheit umgesetzt wird. Sie wird in Katal oder Units (Internationale Einheit) angegeben. 1 Kat (Katal) = 1 mol/s Wird aber noch immer verwendet aufgrund der Tatsache das es praktischer ist. 1 U (Unit) = 1µmol/min Umrechnung der Einheiten: 1Kat = 6,7*106 U 1 Unit = 16,67 Kat Zur Ermittlung der Enzymaktivität (Anzahl der Enzymeinheiten einer lsg.) bestimmt man die Geschwindigkeit der Substratumsetzung pro ml. (mol/ml // µmol/min*mol) U/mol bzw. Kat/ml In manchen Fällen ist die Abnahme der Substratkonzentration nicht mehr messbar wohl aber die Zunahme der Produktkonzentration o Definiert man die Enzymaktivität über die Produktzunahme, dann ist 1 U jene Menge an Enzymen welche in der Lage ist 1 µmol Produkt/ml zu bilden Spez. Aktivität Kata/mg oder U/mg Proteingemisch Wechselzahl (turn over member): Anzahl der Substratmoleküle die pro Min (sek.) vom aktiven Zentrum eines Enzymmoleküls in Produkt umgesetzt wird. µmol Substrat/ µmol Enzym = “molare Aktivität“ [min-1 oder s-1] Die Wechselzahl entspricht der kinetischen Konstanten k3 (zerfall des ES-Komplexes) E+S ES E+P Faktoren die die Enzymaktivität beeinflussen. 1) pH – Wert Die meisten Enzyme zeigen bei einem pH-Optimum eine max. Aktivität Der Bereich des Aktivitätsoptimums ist bei allen Enzymen verschieden (Werte von 0,5 bis mehrere pH Werte. 2) Temperatur Die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion nimmt mit steigender Temperatur nach der RGT – Regel zu, allerdings nur in jenem Bereich in dem das Enzym stabil ist (außerhalb tritt meist Denaturierung auf). Die Denaturierungstemperatur ist bei allen Enzymen verschieden. RTG-Regel: Erhöhung der Temperatur um 10°C bewirkt eine Verdopplung bzw. Verdreifachung der Reaktionsgeschwindigkeit. Ähnlich verhält es sich mit dem pH-Wert der Lösung:
