Übungen Enzyme

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Biochemie I

von Sina E.

Welche beiden Eigenschaften von Enzymen machen Sie zu besonders wichtigen Katalysatoren?

Beschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit durch Verringerung der Aktivierungsenergie Hohe Spezifität der Katalyse, ganz bestimmte Substrate werden umgesetzt.

Was benötigt ein Apoenzym, damit es zu einem Holoenzym wird?

Einen Cofaktor. Das Apoenzym ist das Enzym ohne Cofaktor. Das Holoenzym ist das Enzym mit Cofaktor. Ist dieser fest an das Protein gebunden, bezeichnet man diesen als prosthetische Gruppe. Beispiel ist das Häm (mit gebundenen Fe2+) im Myoglobin.

Welches sind die beiden wichtigsten Typen von Cofaktoren?

Coenzyme und Metallionen. Coenzyme sind oft Derivate von Vitaminen. Metallionen sind z.B. Zn2+ , Mg2+, Mn2+, Cu2+.

Viele isolierte Enzyme werden durch Inkubation bei 37°C denaturiert. Erfolgt die Inkubation jedoch im Beisein des Substrats, so sind die Enzyme katalytisch aktiv. Erklären Sie diese paradoxe Situation.

Bindung des Substrats führt aufgrund der Wechselwirkungen zwischen Substrat und Protein zu einer Stabilisierung der Proteinkonformation, wodurch die Temperatur („Schmelzpunkt TM“), bei der das Protein denaturiert, erhöht wird. Die Enzyme sind damit bei 37°C noch aktiv.

Bei einer enzymatischen Reaktion nach dem MichaelisMenten-Mechanismus beträgt die Michaelis-Konstante KM = 60 mol•m-3. Bei einer Substratkonzentration von 0,75 mmol•cm-3 wurde die Reaktionsgeschwindigkeit zu 0,31 mol•m-3•s-1 bestimmt. Wie groß ist bei gleicher Enzymkonzentration die maximale Reaktionsgeschwindigkeit?

Carboanhydrase (ein Enzym, dessen Substrat CO2 ist) besitzt ein KM von 12 mM. Bei einer CO2 -Konzentration von 1.4 E-4 M liegt die Geschwindigkeit der Reaktion zwischen CO2 und dem Enzym bei 2.72 E-7 mol/s, bei einer Konzentration von 2.2 E-4 M bei 4.03 E-7 mol/s. Für den Fall, dass diese Reaktion der Michaelis-Menten-Kinetik folgt, wie ist der Wert für vmax für diese Reaktion?

Verwenden Sie die folgenden Daten und beantworten Sie die Fragen:

a. Tragen Sie die Daten in einem Lineweaver-Burk Diagram auf (Achsen beschriften!)

b. Bestimmen Sie den Wert von KM

c. Bestimmen Sie den Wert von Vmax

d. Die zweite Reihe von Geschwindigkeiten steht für die Reaktionsrate, wenn ein Inhibitor zugesetzt wurde. Tragen Sie die Daten im gleichen Graph wie oben auf und bestimmen Sie KM and Vmax. Welche Art von Inhibitor liegt vor? (kompetitiv, unkompetitiv, nicht-kompetitiv).

e. Können Sie den Effekt des Inhibitors durch Zugabe von mehr Substrat aufheben? Warum?

b) ca. 0,0000208 M

c) ca. 0,00154 mol/sec

d) ein unkompetitiver Inhibitor da bei kleinerem Vmax der apparente KM kleiner ist als der KM ohne Inhibitor, die Gerade ist nach oben (links) verschoben.

e) nein, denn es handelt sich um einen unkompetitiven Inhibitor, der an den Enzym Substrat Komplex bindet, Vmax wird mit Inhibitor nicht erreicht.

In der Vorlesung wurden Lineweaver-Burk Diagramme für kompetitiven und unkompetitiven Inhibitor dargestellt. Wo binden diese an das Enzym? Wo bindet ein nichtkompetitiver Inhibitor? Welchen Effekt haben diese auf Vmax und KM ? Zeichnen Sie ein Lineweaver-Burk Diagram für einen nichtkompetitiven Inhibitor. Wie wirkt sich ein nichtkompetitiver Inhibitor auf Vmax und KM aus?

Bindung des kompetitiven Inhibitors in aktivem Zentrum (Substratbindungsstelle). Bindung des unkompetitiven Inhibitors in einer Tasche in der Nähe der Substratbindungsstelle. Bindung des nichtkompetitiven Inhibitors in einer Bindungstasche entfernt von der Substratbindungsstelle.

Kompetitiver Inhibitor: Vmax bleibt gleich, KM (apparent) wird größer

Unkompetitiver Inhibitor: Vmax wird kleiner, KM (apparent) wird kleiner

Der KM für einen (idealen) nicht-kompetitiven Inhibitor verändert sich nicht. Der Inhibitor bindet sowohl an das freie Enzym als auch an den Enzym-Substrat-Komplex. Damit wird das Gleichgewicht zwischen freiem Substrat und Enzym gegenüber dem Enzym-Substrat Komplex nicht beeinflusst.

Vmax wird niedriger, da ein Teil des Enzyms gebunden mit dem Inhibitor vorliegt und nicht an der Reaktion teilnimmt. Es steht weniger Enzym zur Reaktion zur Verfügung

Welche grundlegenden regulatorischen Strategien gibt es bei Enzymen?

1. Enzyminhibitoren

2. Allosterische Regulatoren

3. Aktivierung durch kovalente Modifikation

4. Aktivierung durch Proteasen

5. Proteaseabbau

Zeichnen Sie die Produktbildungsrate in Abhängigkeit von der Substratkonzentration für ein allosterisches Enzym. Welche Kurvenform ist das? Wie ist die Kurvenform für ein nicht-allosterisches Enzym? Wie ist ein allosterisches Enzym aufgebaut?

Es handelt sich bei der allosterischen Kurvenform um eine sigmoide Kurve. Die Form der nicht-allosterischen Kurve ist hyperbolisch. Ein allosterisches Enzym besteht aus Untereinheiten, die eng miteinander in Kontakt stehen. Die Konformation einer Untereinheit und damit die Affinität zum Liganden wird durch die Konformation in den anderen Untereinheiten und damit durch Bindung von Liganden, beeinflusst

Penicillin inhibitiert die Glykopeptid-Transpeptidase und verhindert damit die Quervernetzung der Peptidoglykan-Ketten bei der Zellwandsynthese von Bakterien. Wie könnte ein Bakterium eine Resistenz zu Penicillin entwickeln? Welche Möglichkeit gibt es dieser Resistenz entgegenzuwirken?

Entwicklung von Resistenz ist über verschiedene Mechanismen möglich.

a. Ein sehr effizienter Mechanismus ist der enzymatische Abbau des Penicillins durch betalactamasen. Dadurch wird die Konzentration des Penicillins schnell verringert.

b. Durch Mutationen in der Bindungstasche für das Penicillin kann das Bakterium die Affinität und damit die Wirksamkeit verringern.

c. Das Bakterium kann durch das Penicillin durch Transporter Proteine schnell aus der Zelle transportieren.

b.Veränderung im Penicillin, so dass die veränderte Form weiterhin binden kann

c. Zugabe von Substanzen die den Transporter inhibieren. Oder Modifikation des Penicillins so dass es vom Transporter nicht mehr aus der Zelle geschleust werden kann.

Was bedeutet das Wort „allosterisch“? Woher leitet es sich ab?

Ligand bindet in einer Tasche außerhalb der Substratbindungstasche des Enzyms (Griechisch)

allos: anders (griechisch) stereós: Ort

Das Enzym Aspartat-Transcarbamoylase wird durch Cytidintriphosphat (CTP) allosterisch reguliert.

a.Warum geschieht dies?

b.Wie verändert sich die Reaktionsgeschwindigkeit wenn sich die Konzentration an CTP erhöht?

c.Wie wird der Verlauf der Produkt-Substrat- Kurve beeinflusst?

d.Ist CTP ein homotroper oder ein heterotroper Effektor?

e.Wie könnte sich eine hohe Konzentration von Adenosine-triphosphat auf die Reaktionsgeschwindigkeit auswirken?

a.Damit wird der erste Schritt in der Pyrimidinbiosynthese durch das Endprodukt CTP reguliert. Bei hohen CTP Konzentrationen wird kein weiteres benötigt und die Synthese damit herunter reguliert.

b.Geht die Konzentration an CTP hoch, dann wird die Reaktionsgeschwindigkeit langsamer

c.Die Prdukt-Substrat Kurve flacht ab und wird nach rechts verschoben.

d.Ein heterotroper Effektor (CTP ist kein Substrat der ATCase

e.ATP beschleunigt die Reaktion wie von Gerhart und Pardee (JBC 1962) festgestell

N-(Phosphonacetyl)-L-Aspartat (PALA) ist ein starker Inhibitor der ATCase, da das Molekül die beiden physiologischen Substrate nachahmt. Niedrige Konzentrationen dieses nichtreaktiven Bisubstratanalogons erhöhen jedoch die Reaktionsgeschwindigkeit. Nach Zugabe von PALA nimmt die Geschwindigkeit zu, bis durchschnittlich 3 Moleküle PALA pro Enzymmolekül gebunden sind. Diese Maximalgeschwindigkeit ist 17mal so groß wie ohne PALA. Bei Zugabe drei weiterer PALA Moleküle geht die Reaktionsgeschwindigkeit jedoch bis auf fast 0 zurück. Warum aktivieren niedrige PALA Konzentrationen die ATCase?

PALA ist ein starker kompetitiver Inhibitor der in der Substrattasche (bisubstratanalogon) bindet. Damit inhibiert er zwar die katalytische Einheit an der er bindet, beeinflusst aber auch die Konformation der Untereinheit genau wie das Substrat. Diese Konformationsänderung wirkt sich auf die anderen Untereinheiten aus, deren Reaktionsgeschwindigkeit damit beschleunigt wird. Bei drei PALA Molekülen ist die Hälfte der Untereinheiten besetzt. Die anderen Untereinheiten haben ihre Reaktionsgeschwindigkeit stark erhöht und gleichen die Inhibition der anderen drei, durch PALA besetzten Einheiten, mehr als aus (17xmal schneller). Bei vollständiger Besetzung aller 6 Untereinheiten durch insgesamt 6 PALA Moleküle ist das Enzym fast zu 100% inhibitiert (kleine Restaktivität durch Kompetition mit Substrat).

Proteinkinase A wird durch die Erhöhung der Konzentration an cAMP aktiviert. Wie könnte es möglich sein aktives PKA wieder zu deaktivieren? Warum ist dies wichtig?

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Sina E.

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vor 2 Jahren

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