Das aktive Zentrum von Enzymen

Entropie ist ein Maß für den Ordnungszustand eines thermodynamischen Systems (chem.
Reaktion in einem geschlossenen System); kann auch als Maß für die Nichtumkehrbarkeit
(Irreversibilität) eines Vorganges bezeichnet werden
Bsp. : je mehr die Moleküle zweier Gase miteinander vermischt sind, desto geringer ist die
Wahrscheinlichkeit, dass sie sich wieder entmischen; Je stärker sie gemischt sind, desto mehr
Energie muss aufgewendet werden, um sie zu entmischen; d.h. Steigerung der Entropie entzieht
dem System (arbeitsfähige) Energie
Freie Energie ist die Energie, die in Arbeit (Knüpfung/Spaltung chem. Bindungen) umgesetzt werden kann
Produkte werden häufig durch Folgereaktionen weiter umgesetzt, sodass in biosynthetischen Pathways
immer eine „Richtung“ der Reaktion bevorzugt ist (i. d. R. die Hinreaktion)
v.a. Pflanzen,
dienen der
Ernährung
(Energieversorgung)
tier.
Organismen
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In biologischen Systemen übernehmen Enzyme die Rolle von Biokatalysatoren
1850 Louis Pasteur, Hefe-Fermentation von Zucker in Alkohol
durch Fermente
1897 Eduard Buchner, Hefeextrakte können Zucker zu Alkohol
umsetzen, d.h. es bedarf keiner lebenden Zellen dazu
1926 James Sumner, Reinigung von Urease als erstem Enzym
Proteasen sind Enzyme, die Peptidbindungen
spalten
Substratspezifität der Proteasen ist sehr
unterschiedlich
z.B. spaltet die Protease Trypsin PeptidBindungen nur C-terminal von Lys oder Arg
während die Protease Thrombin nur die
Peptidbindung zwischen Arg und Gly
spaltet
Trypsin
Thrombin
(Katalysator)
k-1
Freie Energie, G
E+S
k+1
Fortschreitende Reaktion
ES
k+2
E+P
E = Enzym
S = Substrat
ES = Enzym/Substratkomplex
P = Produkt
E+S
k+1
k-1
ES
k+2
E+P
VMAX [S]
V0 = k + [S]
M
Viele Enzyme benötigen für ihre Aktivität Cofaktoren
Cofaktoren, die kleine
organische Moleküle sind,
werden als Coenzyme
bezeichnet (viele Vitamine)
Kovalent mit dem Apoenzym
verbundene Coenzyme werden
als Prosthetische Gruppen
bezeichnet
Die sechs Hauptenzymklassen
The International Union of Biochemistry hat 1964 eine noch heute gültige
Enzymnomenklatur erstellt, die jedem Enzym eine vierstellige Zahl
(EC 1.1.1.1. oder EC 3.2.2.1) (EC steht für Enzyme Commission) zuweist
ENZYME
Enzyme nomenclature database
http://us.expasy/org/enzyme
ENZYME is a repository of information relative to the nomenclature of enzymes.
It is primarily based on the recommendations of the Nomenclature Committee of the
International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB) and it describes
each type of characterized enzyme for which an EC (Enzyme Commission) number
has been provided [More details / References / Disclaimer].
Release 37, March 2005, and updates up to 26-Apr-2005 (4361 entries)
Access to ENZYME
•by EC number: ...
•by enzyme class
•by description (official name) or alternative name(s):
•by chemical compound
•by cofactor
•by search in comments lines
•SRS - Sequence Retrieval System
ENZYME - The Enzyme Data Bank
Search by enzyme class
The following list contains the definitions of enzyme classes, subclasses and sub-subclasses.
If you click on one of the following lines, you will get a list of all enzymes in the corresponding classes,
with the possibility to obtain a
list of all corresponding Swiss-Prot entries.
View options:
•display class only
•display class and subclass
•1. -. -.- Oxidoreductases.
•1. 1. -.- Acting on the CH-OH group of donors.
•1. 1. 1.- With NAD(+) or NADP(+) as acceptor.
•1. 1. 2.- With a cytochrome as acceptor.
•1. 1. 3.- With oxygen as acceptor.
•1. 1. 4.- With a disulfide as acceptor.
• 1. 1. 5.- With a quinone or similar compound as acceptor.
•1. 1.99.- With other acceptors.
•1. 2. -.- Acting on the aldehyde or oxo group of donors.
•1. 2. 1.- With NAD(+) or NADP(+) as acceptor.
•1. 2. 2.- With a cytochrome as acceptor.
•1. 2. 3.- With oxygen as acceptor.
•1. 2. 4.- With a disulfide as acceptor.
ENZYME - The Enzyme Data Bank
The following ENZYME entries belong to class 1.1.1.-:
1.1.1.1 Alcohol dehydrogenase.
1.1.1.2 Alcohol dehydrogenase (NADP+).
1.1.1.3 Homoserine dehydrogenase.
1.1.1.4 (R,R)-butanediol dehydrogenase.
1.1.1.5 Acetoin dehydrogenase.
1.1.1.6 Glycerol dehydrogenase.
1.1.1.7 Propanediol-phosphate dehydrogenase.
…
1.1.1.280 (S)-3-hydroxyacid-ester dehydrogenase.
1.1.1.281 GDP-4-dehydro-6-deoxy-D-mannose reductase.
1.1.1.282 Quinate/shikimate dehydrogenase.
ID 1.1.1.1 DE Alcohol dehydrogenase.
AN Aldehyde reductase.
CA An alcohol + NAD(+) = an aldehyde or ketone + NADH.
CF Zinc or Iron.
Acts on primary or secondary alcohols or hemiacetals.
The animal, but not the yeast, enzyme acts also on cyclic secondary alcohols.
Das aktive Zentrum von Enzymen
ist die Region eines Enzyms, die das Substrat und ggf. den Cofaktor bindet und die
Aminosäuren umfasst, die direkt am Trennen/Zusammenfügen chemischer Bindungen
in Substrat/Produkt teilnehmen; diese nennt man auch katalytische Gruppen
aktive Zentren können weit voneinander entfernte Aminosäurereste enthalten
Aktive Zentren formen dreidimensionale Vertiefungen, in denen Substrate durch viele
nichtkovalente Bindungen an das Enzym gebunden werden
Die Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes erfolgt nach dem
Schlüssel-Schloss-Prinzip oder nach dem Prinzip des „induced fit“
Enzymatische Katalysemechanismen umfassen häufig zwei Substrate
1. Geordnete sequentielle Verdrängung (Lactat-Dehydrogenase)
Geordnete, sequentielle Verdrängung heisst geordnete Substratbindung und
danach Produktfreisetzung
Enzymatische Katalysemechanismen umfassen häufig zwei Substrate
2. Ungeordnete sequentielle Verdrängung (Kreatin-Kinase)
Substrate werden in zufälliger Sequenz gebunden und danach ungeordnet freigesetzt
Enzymatische Katalysemechanismen umfassen häufig zwei Substrate
3. Doppelte Verdrängung (Pingpong-Reaktion) (Aspartat-Aminotransferase)
Bindung des 1. Substrates und Freisetzung des 1. Produktes erfolgt vor Bindung des 2.
Substrates
Allosterische Enzyme und Kooperativität
Allosterische Enzyme zeigen keine
klassische Michaelis-Menten-Kinetik
(hyperbole Abhängigkeit zwischen
V und S)
Enzyme, die aus mehreren
Untereinheiten und damit aus mehreren
aktiven Zentren aufgebaut sind, zeigen eine
Sigmoidale V/S-Kinetik
d.h. nach Bindung eines Substratmoleküls
An eine Untereinheit wird die Bindung
Eines 2. Substratmoleküls erleichtert
(positive Kooperativität)
Außerdem besitzen allosterische Enzyme
häufig auch regulatorische Bindungsstellen,
die nicht zum aktiven Zentrum gehören und
die nach Bindung eines Regulators die Reaktionsgeschwindigkeit ebenfalls modulieren
Können.
Enzyme (E) können durch Inhibitoren (I) gehemmt werden
Komp. Hemmg: I reagiert mit E
Nichtkomp. Hemmung : I reagiert mit E und ES
Unkomp. Hemmung : I reagiert mit ES
Die verschiedenen Hemmtypen lassen sich kinetisch unterscheiden
Lineweaver-Burk-Plots
Komp. Hemmung
Nichtkomp. Hemmung
kM
bei zunehmender
Inhibitorkonz.
veränderlich
(größer)
kM konstant
Vmax wird bei
steigender
Inhibitorkonzentration
veränderlich (kleiner)
Vmax konstant
Unkomp. Hemmung
kM und Vmax mit steigender
Inhibitorkonzentration
verändert
Irreversible Hemmung von Enzymen durch kovalente Modifikation
des aktiven Zentrums
durch gruppenspezifische Reagenzien (Cys/Ser-Reagenzien)
Irreversible Hemmung von Enzymen durch kovalente Modifikation
des aktiven Zentrums
durch Substratanaloga