Biokatalyse 2014 – 1. Vorlesung Lehrziele I

15.04.2014
Ringvorlesung Chemie B - Studiengang Molekulare Biotechnologie
Biokatalyse 2014 – 1. Vorlesung
Prof. Dr. A. Jäschke
INF 364, Zi. 308, Tel. 54 48 51
[email protected]
Lehrziele I
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Kenntnis und Beherrschung der
grundlegenden Konzepte, Kinetik und
Energetik der Enzymkatalyse
Verständnis der verschiedenen Arten von
Enzymhemmung
Detailliertes, anwendungsbereites
Verständnis katalytischer Strategien und
enzymatischer Mechanismen
Kenntnis der wichtigsten Coenzyme und
Cofaktoren sowie ihrer Mechanismen
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Lehrziele II
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Beherrschung der wichtigsten Typen der
Regulation enzymatischer Reaktionen
Kenntnis von Ribozymen und DNAzymen
Anwendungsbereites Wissen sowohl über
die experimentellen Techniken zur
Untersuchung enzymatischer Reaktionen
als auch über die mathematischen
Formalismen.
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Dozenten
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Prof. Dr. A. Jäschke
Dr. R. Wombacher
Detaillierte Themenliste: Website
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Literatur
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Berg, Tymocko, Stryer: Biochemie,
Spektrum Verlag, Kapitel 8-10.
Bruice: Organische Chemie, Pearson
Verlag, Kapitel 24 (Coenzyme)
Ribozyme: Literatur gemäß Website
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Gliederung
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Allgemeine Eigenschaften, Nomenklatur
Enzymkinetik
Enzyminhibition
Katalytische Strategien & Enzymatische
Mechanismen
Ribozyme
Coenzyme
Enzymregulation und -kontrolle
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Enzyme – Einführung
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Was sind Enzyme?
Welche Rolle(n) spielen sie?
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Wie arbeiten Katalysatoren?
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Setzen Energiebarriere herab,
Arbeiten nach unterschiedlichen
Mechanismen,
Anordnung funktioneller Gruppen
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Allgemeine Eigenschaften von
Enzymen
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Höhere Reaktionsgeschwindigkeiten
Mildere Reaktionsbedingungen
Große Reaktionsspezifität
Regulationsmöglichkeit
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Enzyme sind leistungsstarke und
hochspezifische Katalysatoren
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Beispiel: Proteolytische Enzyme
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Enzymspezifität
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Subtilisin
Trypsin
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Thrombin

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
DNA-Polymerase I: weiterer
hochspezifischer Katalysator
Die Spezifität eines Enzyms hängt
von der präzisen Wechselwirkung
des Substrats mit dem Enzym ab.
Diese Spezifität resultiert aus der
3D-Struktur des Enzyms.
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Cofaktoren
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

Apoenzym, Cofaktor, Holoenzym
Unterscheidung 2 Gruppen von
Cofaktoren: Metalle und Coenzyme
Coenzyme, Cosubstrate, prosthetische
Gruppen
Vitamine
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Enzyme können verschiedene
Energieformen ineinander
umwandeln.
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Klassifizierung von Enzymen
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Ca. 2500 verschiedene Reaktionen
durch Enzyme katalysiert.
Strukturelle Varianten von Enzymen,
die die selbe Reaktion katalysieren.
Über 1.000.000 Enzyme existent
Trivialnamen können diese Diversität
nicht adäquat beschreiben.
Standardisierte Prozedur zur
Bezeichnung von Enzymen benötigt.
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Die sechs Hauptenzymklassen
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Thermodynamik
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∆RG liefert Informationen über die
Spontaneität einer Reaktion, nicht über ihre
Geschwindigkeit.
∆RG hängt von der
Gleichgewichtskonstanten ab
Enzyme können nur die
Reaktionsgeschwindigkeit, nicht aber die
Lage des Gleichgewichts verändern
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Enzyme beschleunigen Reaktionen durch
Erniedrigung der Aktivierungsenergie

Das Wesen der
Katalyse besteht in
der spezifischen
Bindung des
Übergangszustandes
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Die Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes
ist der 1. Schritt der enzymatischen Katalyse



Substrate in günstiger räumlicher
Anordnung zusammengeführt
Spezifische Region des Enzyms:
aktives Zentrum.
Welche Beweise gibt es für die
Existenz von Enzym-SubstratKomplexen?
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1. Sättigungsverhalten
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2. Röntgenstrukturanalysen
Auch zeitaufgelöste Analysen
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3. Änderung spektroskopischer
Eigenschaften bei Bildung des ESKomplexes
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TryptophanSynthetase, PLP
als prosthetische
Gruppe 
fluoresziert
Andere
Spektroskopische
Techniken: NMR,
EPR
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Was haben die aktiven Zentren
von Enzymen gemeinsam?



Ist die Region, die Substrat und ggf.
Cofaktor bindet und gleichzeitig die
Aminosäurereste bereitstellt, die direkt
an der Reaktion teilnehmen.
Katalytische Gruppen
Ww im aktiven Zentrum begünstigt die
Bildung des Übergangszustandes
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1. Das aktive Zentrum ist eine dreidimensionale
Spalte, die von vielen Gruppen aus verschiedenen
Abschnitten der Aminosäuresequenz gebildet wird.
Lysozym
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
2. Das aktive Zentrum stellt nur einen
kleinen Teil des Gesamtenzyms dar


Rolle der restlichen Aminosäuren?
3. Aktive Zentren sind höhlen- oder
spaltenförmig


Ausschluß von Wasser
Aber auch polare Gruppen
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4. Substrate werden durch viele schwache
Kräfte an das Enzym gebunden
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Ribonuclease
Elektrostatische Ww.
H-Brücken,
Van der Waals
Hydrophobe
Interaktionen
Etwa Faktor 10
schwächer als
kovalente Bindungen
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Die Bindungsspezifität ist von der
definierten Anordnung der Atome im aktiven
Zentrum abhängig

1. Schlüssel-Schloss-Prinzip
1890 Emil Fischer
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Die Bindungsspezifität ist von der
definierten Anordnung der Atome im aktiven
Zentrum abhängig

1. Induced Fit
Koshland 1958
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Das Michaelis-Menten-Modell erklärt die
kinetischen Eigenschaften vieler Enzyme
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Vereinfachung
Reaktionsgeschwindigkeit läßt sich ausdrücken:
Annahme eines Fließgleichgewichtes (steady state – Vereinfachung!)
Ergibt:
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Fließgleichgewicht – steady
state kinetics
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Umstellen:
Mit:
Ergibt sich:
Umstellen:
Alle Größen
Zugänglich!
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Einsetzen in
Ergibt:
Mit:
Ergibt sich:
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