Enzyme

Enzyme = katalysieren die chem. Prozesse in der Zelle und ermöglichen es, chem. Reaktionen spezifisch und schnell unter chemisch „milden“ (T, pH, ...) Bedingungen

ablaufen zu lassen.

—> Enzyme sind Proteine oder Ribonukleinsäuren (= Ribozyme)

—> Enzyme sind selbst chirale Moleküle und können daher stereospezifisch das Substrat erkennen

Beschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit

➔ Gleichgewicht unverändert

—> Enzyme stabilisieren den Übergangszustand und

setzen so die Aktivierungsenergie herab

—> Die Reaktionsgeschwindigkeit ist sehr empfindlich gegenüber kleinen lokalen

Änderungen der chem. Umgebung des aktiven Zentrums.

ΔΔG* : Unterschied zw. katalysierter und nicht-katalysierter Reaktion

Beispiel: Proteasen sind spezielle Hydrolasen

Addition von H2O an einer Peptidbindung

—> Exergonisch, erfolgt trotzdem unkatalysiert in H2O sehr langsam (10 – 1000 Jahre).

• starkes Nukleophil notwendig

• Serinproteasen: ca 1010

• ache Beschleunigung

-> Chymotrypsin ist ein Enzym mit 28 Serin-Resten, aber nur Serin 195 ist reaktiv

Katalitische Triade:

Warum wichtig?

1. Diese Reaktivität macht Ser195 zum zentralen Katalysezentrum

2. Wird oft genutzt, um aktive Zentren in Enzymen zu identifizieren

= Gruppe von Proteasen (Enzyme, die Proteine spalten), deren aktives Zentrum ein reaktives Serin enthält

= sind Enzyme, die Proteine spalten

Serinproteasen benutzen dieses eine reaktive Serin, um Proteine zu schneiden

—> aber: Sie schneiden an unterschiedlichen Stellen, je nachdem welche Aminosäure kommt. Das liegt daran, dass jede Serinprotease eine andere Tasche hat, in die nur bestimmte AS passen

P: Stellen des Substrats, an denen es mit Enzym (Protease) wechselwirken kann

S: Bindungsstellen mit dem Enzym

- : die zu spaltende Bindung

Es kann abhnagig sein von:

—> Diffusionsraten der beteiligten Komponenten (Enzyme, Substrate, Produkte)

—> Bindungs- und Dissoziationsraten von Substrat und Produkt mit dem Enzym

—> Reaktionsgeschwindigkeit im aktiven Zentrum

—> (physico) chemische Parameter (pH, T)

Manche Reaktionen sind diffusionskontrolliert:

—> die enzymatische Reaktion nach Bildung des ES-Komplexes ist so schnell, dass die Gesamtgeschwindigkeit durch die Diffusion von Substrat oder Produkt bestimmt wird

=> sagt aus, wie stark die Geschwindigkeit einer Reaktion davon abhängt, wie viel (Konzentration) von den Ausgangsstoffen da ist

1. Die Ordnung bezogen auf eine spezifische Komponente ist definiert als der Exponent, mit der diese Komponente in die Reaktionsgleichung eingeht.

   • Die Gesamtordnung ist die Summe aller individuellen Ordnungen.

   • z.B. 2A + B → P beschreibt eine Reaktion 3. Ordnung

     -> 2. Ordnung bezogen auf A, 1. Ordnung bezogen auf B

   • KOMMT NICHT SO OFT VOR!!

2. Reaktion pseudo (n-i)-ter Ordnung: Wenn sich die Konzentration einer Komponente mit i-ter Ordnung in einer Reaktion n-ter Ordnung nicht signifikant über die Zeit ändert.

   • z.B. wenn in der Reaktion 2A + B → P A im Vergleich zu B im Überschuss vorliegt

   • (z. B. H2O) [A]>>[B], wäre das eine Reaktion pseudo-1. Ordnung

Vereinfachen:

• k2-k4 dominiert durch geschwindigkeit-bestimmenden Schritt

• Rückreaktion vernachlässigbar bei geringer Produktkonzentration oder nahezu irreversiblen Reaktionen

= beschreibt,wie schnell ein Enzym eine Reaktion katalysiert abhängig von der Substratkonzentration.

Michaelis-Menten-Gleichung hilft uns zu verstehen:

• Wie gut ein Enzym mit seinem Substrat arbeitet.

• Wie „effizient“ oder „affin“ ein Enzym ist (kleines KMK_MKM​ → hohe Affinität).

• Wie Medikamente oder Inhibitoren wirken (z. B. bei Enzymhemmung).

1. Bestimme initiale (lineare) Raten der Produktentstehung für unterschiedliche Substratkonzentrationen

2. Trage Raten/ Steigungen gegen eingesetzte Substratkonzentrationen auf

3. Kurvenanpassung (Michaelis-Menten-Gleichung) ergibt Km und kcat/Vmax

= Ein Stoff (Inhibitor) verlangsamt oder blockiert die Wirkung eines Enzyms.

Medikamente sind oft Enzyminhibitoren:

—> Viele therapeutisch eingesetzte Substanzen sind Inhibitoren von Enzymen/Enzymklassen z.B. Gerinnungsfaktoren, virale Proteasen oder Polymerasen, Antibiotika, Chemotherapeutika

Die Untersuchung der WW zw. Substrat, Ihibitor und Enzym mittels Enzymkinetik ist eine der wichtigsten Methoden, wirksame und spezifische therapeutische Substanzen

zu entwickeln.

= Substrat und Inhibitor konkurrieren („compete“) um Bindungsstelle

= Inhibitor benötigt Substratbindung

—> Inhibitor braucht den Substrat um zu verbinden

= Substrat und Inhibitor konkurrieren nicht um Bindungsstelle

—> Viele enzymatische Reaktionen haben zwei oder mehr Substrate.

—> Namenskonvention: Uni, Bi, Ter, ... Anzahl der Substrate

z.B. Bi Uni Mechanismus: zwei Substrate werden in ein Produkt umgewandelt

1. Ping-Pong-Mechanismus

   1. Substrat A bindet → Produkt P entsteht

   2. aber ein Teil von A bleibt am Enzym

   3. Dann kommt Substrat B → reagiert mit dem modifizierten Enzym → Produkt Q entsteht

2. Ternärer Komplex = Beide Substrate binden gleichzeitig ans Enzym → es entsteht ein Enzym-A-B-Komplex.

   1. Ordnet-sequentiell

      • Substrate müssen in einer bestimmten Reihenfolge binden. Beispiel: NAD⁺ bindet zuerst, dann das zweite Substrat

   2. Random-sequentiell

      • Reihenfolge egal → beide Substrate können als erstes binden.

Die Aktivität von Enzymen muss häufig reguliert werden, damit die Funktion räumlich und zeitlich korrekt abläuft. Die biologische Aktivität wird über mehrere grundlegende

Mechanismen kontrolliert.

= Die Bindung eines Liganden an das Protein erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass auch

die anderen Bindestellen von Liganden gebunden werden.

= Allosterische Proteine enthalten besondere regulatorische Zentren, an die Moleküle

binden können, um die Aktivität des Protein zu regulieren.

= Homologe Enzyme in einem einzigen Organismus, die dieselbe Reaktion katalysieren, sich aber geringfügig in der Struktur und deutlich in Km (Gleichgewichtskonstante) und vmax (Geschwindigkeit) unterscheiden

= Die katalytischen Eigenschaften einiger Enzyme können durch das kovalente Anhängen modifizierender Gruppen deutlich verändert werden.

= Irreversible Umwandlung eines inaktiven in ein aktives Protein, häufig durch Hydrolyse einer oder mehrerer Peptidbindungen

Hämoglobin und Myoglobin sind keine Enzyme,aber sie binden Substrate, zeigen Kinetik & Kooperativität –und helfen dabei, Enzymmechanismen zu verstehen.

= einfaches mathematisches Modell, um Kooperativität bei der Bindung eines Liganden (z. B. Sauerstoff an Hämoglobin) zu beschreiben

—> erklärt wie stark die Bindung vom Sauerstoffdruck abhäng

Also z.B.:

• Wenn ein O₂-Molekül an eine Untereinheit von Hämoglobin bindet,

• dann verändert sich die Form des Proteins leicht,

• und das macht es für die anderen Untereinheiten leichter, auch O₂ zu binden.

🡺 Je mehr Sauerstoff schon gebunden ist, desto einfacher wird es, noch mehr zu binden

= beschreibt, wie Proteine wie Hämoglobin Schritt für Schritt Sauerstoff binden — also nicht alle auf einmal, sondern nacheinander (sequentiell)

1. Ein Sauerstoffmolekül (O₂) bindet an eine Untereinheit von Hämoglobin.

2. Diese Bindung löst eine konformative Änderung aus → die Untereinheit ändert ihre Form.

3. Diese neue Form beeinflusst die Nachbaruntereinheiten:

   • Sie sind eher bereit, auch O₂ zu binden.

   • Aber: Sie müssen nicht! → Es ist kein Alles-oder-nichts, sondern Schritt für Schritt.

—> erlaubt neg. Kooperativitat

—> Komplexere mat. Beschreibung

—> keine symmetrie des Proteins notwendig

= erklärt, wie z. B. Hämoglobin O₂ bindet –alle Untereinheiten gleichzeitig (nicht einzeln wie beim KNF-Modell)

1. Im T-Zustand: Geringe Affinität für O₂ (schlechte Bindung).

2. Im R-Zustand: Hohe Affinität für O₂ (gute Bindung).

3. Wenn ein O₂-Molekül gebunden wird, wird das Gleichgewicht in Richtung R-Zustand verschoben → die restlichen Bindungsstellen nehmen alle den R-Zustand an.

4. Das führt zu Kooperativität: Je mehr O₂ gebunden wird, desto besser bindet das Protein weiteres O₂

—> Symmetrie notwendig

—> einfache mat. Beschreibung

• Abbauphase des Stoffwechsels betreffend

= Abbau von Stoffwechselprodukten von komplexen zu einfachen Molekülen (Entgiftung, Energiegewinnung)

—> Freisetzung von Energie

Aufbauphase des Stoffwechsels betreffend

= Aufbau von Stoffen

—> Energie wird eingesetzt

allosterische Hemmung

• (vgl. BC-1: Hämoglobin), i.d.R. durch das Endprodukt des Stoffwechselwegs

allosterische Aktivierung

• durch kleine Moleküle (z.B. AMP, Ca2+)

proteolytische Aktivierung

• Inaktive Vorläuferpeptide (Zymogene) werden durch

  Abspaltung eines Teils des Peptides aktiviert.

Kovalente Modifikation

• (z.B. Phosphorylierung, Acetylierung, ADP-Ribosylierung)

• Durch Enzyme hervorgerufene, chem. Abwandlung von

  Makromolekülen (z.B. Methylierung von DNA bei Bakterien)

Enzym oder gebundener Co-Faktor reagiert mit dem Substrat

→ 2. Schritt: Enzymregenerierung

Serin-Proteasen = Enzyme, die Peptidbindungen in Proteinen spalten – und zwar mithilfe einer reaktiven Serin-Seitenkette

1. Peptidbildungen sind schwer zu Spalten => Problem

   • Peptidbindungen sind sehr stabil, weil sie einen partiellen Doppelbindungscharakter besitzen

   • deren Spaltung (Hydrolyse) ist energetisch gunstig —> ist extrem langsam

2. Losung: Serin-Proteasen mit einem aktivierten Serin

   • Serin-Proteasen nutzen die Aminosäure Serin in ihrer aktiven Form – genauer gesagt: Ser195.

   • katalytische Triade besteht aus:

     • Ser195

     • His57

     • Asp102

   • Die katalytische Triade erzeugt ein hochreaktives Nukleophil

3. Reaktionszyklus

   —> Spaltung der peptidbindungen lauft in 2 Phasen ab

   • Acylierung:

     • Ser195 greift das Substrat (Peptidbindung) an.

     • Es entsteht ein Übergangszustand (tetraedrisch), stabilisiert durch die Oxyanion-Tasche im Enzym.

     • Ein Teil des Peptids wird abgespalten → es entsteht das Acyl-Enzym-Zwischenprodukt.

   • Deacylierung:

     • Ein Wassermolekül greift anstelle von Ser195 an.

     • Wieder entsteht ein Übergangszustand.

     • Das zweite Produkt wird abgespalten → das Enzym ist wieder frei.

4. Enzym-Aktivierung: Chymotrypsin ist zuerst inaktiv

   • durch Proteolyse durch Trypsin wird es in die aktive Form überführt

   —> es ist eine regulatorische Strategie, um unkontrollierte Proteinspaltung zu vermeiden

=> es gibt noch andere Prozesse: z.B. Cysteine-Protease (-> Spalten Peptidnbindungen, aber mit einem Schwefel (Cystein))

Struktur eines Enzyms sorgt für starke Polarisation einer fkt. Gruppe oder eines H2O-Moleküls

→ ermöglicht De-/ Protonierung weit entfernt des pKA oder pKB

Enzym bringt zwei Substrate in idealer Orientierung sehr nah zusammen;

—> oft ist die Bindung zum Übergangszustand der Reaktion noch besser als zu den Edukten oder Produkten.

Ein Metallion (z.B. Zn2+) im aktiven Zentrum kann die Bildung von Nucleophilen bzw. Elektrophilen erleichtern.

= Hilfsmoleküle, die Enzyme benötigen, um ihre Funktion richtig ausführen zu können. Ohne Kofaktoren sind viele Enzyme inaktiv

Hauptarten:

1. Matalionen

2. Koenzyme (kleine organische Molekule, oft vitaminbasierend)

• Math. Modelle können biochem. Vorgänge beschreiben.Dazu gibt es vers. Ansätze, die sich in der Präzision des Modells unterscheiden.

• Graphische Modelle sind hilfreich, um festzulegen, was modelliert werden soll.

  • Sie können automatisch aus Datenbanken generiert und von Computern ausgewertet werden.

• Sowohl biologische als auch technische Regelkreise können proportional, differential oder integral gesteuert sein.