Biokatalyse 2014 – 1. Vorlesung Lehrziele I
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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 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 2 1 15.04.2014 Lehrziele II 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. 3 Dozenten Prof. Dr. A. Jäschke Dr. R. Wombacher Detaillierte Themenliste: Website 4 2 15.04.2014 Literatur Berg, Tymocko, Stryer: Biochemie, Spektrum Verlag, Kapitel 8-10. Bruice: Organische Chemie, Pearson Verlag, Kapitel 24 (Coenzyme) Ribozyme: Literatur gemäß Website 5 Gliederung Allgemeine Eigenschaften, Nomenklatur Enzymkinetik Enzyminhibition Katalytische Strategien & Enzymatische Mechanismen Ribozyme Coenzyme Enzymregulation und -kontrolle 6 3 15.04.2014 Enzyme – Einführung Was sind Enzyme? Welche Rolle(n) spielen sie? 7 Wie arbeiten Katalysatoren? Setzen Energiebarriere herab, Arbeiten nach unterschiedlichen Mechanismen, Anordnung funktioneller Gruppen 8 4 15.04.2014 Allgemeine Eigenschaften von Enzymen Höhere Reaktionsgeschwindigkeiten Mildere Reaktionsbedingungen Große Reaktionsspezifität Regulationsmöglichkeit 9 Enzyme sind leistungsstarke und hochspezifische Katalysatoren 10 5 15.04.2014 Beispiel: Proteolytische Enzyme 11 Enzymspezifität Subtilisin Trypsin Thrombin 12 6 15.04.2014 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. 13 Cofaktoren Apoenzym, Cofaktor, Holoenzym Unterscheidung 2 Gruppen von Cofaktoren: Metalle und Coenzyme Coenzyme, Cosubstrate, prosthetische Gruppen Vitamine 14 7 15.04.2014 15 Enzyme können verschiedene Energieformen ineinander umwandeln. 16 8 15.04.2014 Klassifizierung von Enzymen 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. 17 Die sechs Hauptenzymklassen 18 9 15.04.2014 19 Thermodynamik ∆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 20 10 15.04.2014 Enzyme beschleunigen Reaktionen durch Erniedrigung der Aktivierungsenergie Das Wesen der Katalyse besteht in der spezifischen Bindung des Übergangszustandes 21 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? 22 11 15.04.2014 1. Sättigungsverhalten 23 2. Röntgenstrukturanalysen Auch zeitaufgelöste Analysen 24 12 15.04.2014 3. Änderung spektroskopischer Eigenschaften bei Bildung des ESKomplexes TryptophanSynthetase, PLP als prosthetische Gruppe fluoresziert Andere Spektroskopische Techniken: NMR, EPR 25 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 26 13 15.04.2014 1. Das aktive Zentrum ist eine dreidimensionale Spalte, die von vielen Gruppen aus verschiedenen Abschnitten der Aminosäuresequenz gebildet wird. Lysozym 27 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 28 14 15.04.2014 4. Substrate werden durch viele schwache Kräfte an das Enzym gebunden Ribonuclease Elektrostatische Ww. H-Brücken, Van der Waals Hydrophobe Interaktionen Etwa Faktor 10 schwächer als kovalente Bindungen 29 Die Bindungsspezifität ist von der definierten Anordnung der Atome im aktiven Zentrum abhängig 1. Schlüssel-Schloss-Prinzip 1890 Emil Fischer 30 15 15.04.2014 Die Bindungsspezifität ist von der definierten Anordnung der Atome im aktiven Zentrum abhängig 1. Induced Fit Koshland 1958 31 Das Michaelis-Menten-Modell erklärt die kinetischen Eigenschaften vieler Enzyme 32 16 15.04.2014 33 34 17 15.04.2014 35 Vereinfachung Reaktionsgeschwindigkeit läßt sich ausdrücken: Annahme eines Fließgleichgewichtes (steady state – Vereinfachung!) Ergibt: 36 18 15.04.2014 Fließgleichgewicht – steady state kinetics 37 Umstellen: Mit: Ergibt sich: Umstellen: Alle Größen Zugänglich! 38 19 15.04.2014 Einsetzen in Ergibt: Mit: Ergibt sich: 39 40 20
