Biochemie Quiz über Enzyme

Enzymkinetik

• Enzyme sind biokatalytische Proteine, die Reaktionen beschleunigen, ohne die Gleichgewichtslage zu verändern.
• Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung beschreibt die Änderung der freien Energie (ΔG) während einer Reaktion.
  • ΔG < 0: exergone Reaktion (freiwillig)
  • ΔG > 0: endergone Reaktion (unfreiwillig)
• Der Massenwirkungsgesetz beschreibt die Konzentrationsverhältnisse im chemischen Gleichgewicht.
  • K ist die Gleichgewichtskonstante.
• Enzyme können die Reaktionsgeschwindigkeit bis zu 10^17-fach erhöhen.
  • Beispiel: Oriditylatdecarboxylase bei der Synthese von UMP aus OMP.
• Carboanhydrase katalysiert die Reaktion von Kohlenstoffdioxid und Wasser zu Kohlensäure.
  • Wichtig für die Lösung von CO2 im Blut und die Abgabe in der Lunge.

Verlaufsdiagramm

• Die Differenz zwischen Produkt und Edukt entspricht ΔG.
  • ΔG sagt nichts über die Geschwindigkeit der Reaktion aus.
• Der Gipfel der Kurve im Verlaufsdiagramm entspricht dem Übergangszustand, einem energetisch ungünstigen Zustand, den das Molekül durchlaufen muss.
• Enzyme reduzieren die Aktivierungsenergie und ermöglichen so einen schnelleren Reaktionsablauf.

Arrhenius Gleichung

• Die Arrhenius Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen Reaktionsgeschwindigkeit, freier Aktivierungsenergie und Temperatur.
• Die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt mit steigender Aktivierungsenergie exponentiell ab und mit steigender Temperatur exponentiell zu.

Substratbindung der Enzyme

• Substrate binden an das aktive Zentrum der Enzyme.
• Das Induced-fit-Modell beschreibt die Anpassung der Bindungstasche des Enzyms an das Substrat.
• Enzyme binden nur ein Substrat/Substratfamilie (stereospezifisch) und katalysieren nur eine Reaktion (hohe Reaktionsspezifität).

Substratbindung im aktiven Zentrum

• Die Substratbindung erfolgt meist über nicht-kovalente Bindungen:
  • Ionenbindungen
  • Wasserstoffbrücken
  • Hydrophobe Wechselwirkungen

Sechs Hauptklassen der Enzyme

• Oxidoreduktasen: katalysieren Redoxreaktionen (Oxidationszustand des Substrats ändert sich)
• Transferasen: katalysieren die Übertragung funktioneller Gruppen von einem Substrat auf ein anderes.
• Hydrolasen: beschleunigen hydrolytische Spaltungen (spaltung einer Bindung durch Einbau von Wasser)
• Lyasen: katalysieren Eliminierungsreaktionen (Spaltung eines Substrats in mehrere Teile, nicht hydrolytisch)
• Isomerasen: katalysieren intramolekulare Umlagerungen (Isomerisierung)
• Ligasen: Katalysieren die Knüpfung einer kovalenten Bindung unter Hydrolyse von ATP/GTP.

Cofaktoren

• Cofaktoren sind Moleküle, die für die Aktivität des Enzyms notwendig sind.
  • Apoenzym + Cofaktor = Holoenzym
• Metallionen (engere Definition) und Coenzyme (weitere Definition) zählen als Cofaktoren.

Coenzyme

• Oftmals Abkömmlinge von Vitaminen, die durch Nahrungsaufnahme aufgenommen werden.
• Cosubstrate:
  • nicht dauerhaft gebunden
  • müssen außerhalb des Enzyms regeneriert werden
  • Beispiel: ATP bei Kinasen
• Prosthedatische Gruppen:
  • dauerhaft im aktiven Zentrum gebunden
  • Beispiel: Pyridoxalphosphat (PLP)

Vitaminmangelerkrankungen

• Mangel an Vitaminen:
  • führen zu unspezifischen Symptomen, da viele Enzyme betroffen sind.
  • Beispiele: Skorbut, Beriberi, Pelagra

Metalloenzyme

• Metallspurenelemente, die in organische prosthetische Gruppen gebunden werden.
• Die Metallionen werden über Seitenketten von Aminosäuren oder direkt am Proteingerüst komplexiert.
  • Bsp.: Carboanhydrase (Zink)

Metallionen aktivierte Enzyme

• Metallionen sind nicht dauerhaft gebunden.
• Bsp.: Kinasen (arbeiten mit Mg2+ und ATP).

Mechanismen der Enzymkatalyse

• Säure-Base-Katalyse:
  • Protonenübertragung verbessert Nucleophilie und Elektrophilie der Reaktionspartner.
• Kovalente Katalyse:
  • Bildung eines kovalenten Zwischenprodukts zwischen Substrat und Enzym,
  • Bsp.: Seringruppe im aktiven Zentrum von Serinproteasen
• Metallionen vermittelte Katalyse:
  • Metallionen erhöhen die Nucleophilie von Wasser durch Senkung des pKs-Wertes.
  • Bsp.: Carboanhydrase
• Zusätzliche Mechanismen:
  • Ausschluss von Wasser
  • Höhere Affinität im Übergangszustand
  • Annäherung der Reaktanden

Kombinierte Katalysemechanismen

• Proteasen des exokrinen Pankreas (Trypsin, Chymotrypsin, Elastase)
  • Katalytische Triade: Histidin-57, Serin-195 und Asparagin-102
  • Die Triade ermöglicht den nucleophilen Angriff von Serin-195 auf die Carbonylgruppe der Peptidbindung.
• Spezifitätstasche:
  • erklärt die Substratspezifikät von Proteasen.
  • Beispiel: Trypsin

weitere Proteaseklassen

• Serinproteasen: Serin, Histidin, Asparagin
• Cysteinproteasen: Cystein
• Aspartatproteasen: 2 x Aspartat
• Metalloproteasen: Zn2+ (koordiniert durch Histidin und Glutamin)

HIV-Protease

• Aspartatprotease (2 x Aspertate im aktiven Zentrum)
• Homodimer: 2 identische Untereinheiten
• Zerlegt das Polyprotein in funktionelle Einzelproteine.
• Ziel von HIV-Medikamenten.

Enzymkinetik

• Analyse der Enzymgeschwindigkeit bei variierenden Substratkonzentrationen.
• Sättigungskurve (Hyperbel): Die Reaktionsgeschwindigkeit nähert sich einer Maximalgeschwindigkeit (Vmax).
• KM-Wert: Substratkonzentration, bei der die Reaktion mit halbmaximaler Geschwindigkeit abläuft.
• Michaelis-Menten-Gleichung:
  • Beschreibt die Beziehung zwischen Substratkonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit.
  • KM = ½ Vmax

Inhibitoren

• Kompetitive Inhibition:
  • Substrat und Inhibitor konkurrieren um die selbe Bindungsstelle am aktiven Zentrum.
  • vmax unverändert, KM erhöht.
• Nicht kompetitive Inhibition:
  • Inhibitor bindet an einer anderen Stelle am Enzym als das Subtrat.
  • vmax erniedrigt, KM unverändert.
• Unkompetitive Inhibition:
  • Inhibitor bindet an den ES-Komplex.
  • vmax erniedrigt, KM erniedrigt.
• Irreversible Inhibition:
  • Der Inhibitor bindet kovalent an das Enzym und inaktiviert es dauerhaft.
  • Bsp.: Serpine, ASS

Allosterische Regulation

• Kontrolle der Enzymaktivität durch Bindung von Inhibitoren oder Aktivatoren an allosterische Zentren.
• Heterotrope Wirkung:
  • ein Ligand beeinflusst die Bindung eines anderen Liganden.
• Homotrope Wirkung:
  • ein Ligand beeinflusst die Bindung eines gleichen Liganden an einer anderen Stelle.

Kovalente Regulation

• Regulierung der Aktivität durch reversible kovalente Modifikation.
• Beispiel: Phosphorylierung, durch Kinasen oder Dephosphorylierung durch Phosphatasen.

Weitere Beispiele

• Zymogene: Vorläufer von Enzymen
  • werden durch limitierte Proteolyse aktiviert.
  • Bspl: Verdauungsenzyme, Caspasen, Enzyme der Blutgerinnungskaskade

Testen Sie Ihr Wissen über verschiedene Enzymtypen und ihre Funktionen in biochemischen Reaktionen. Dieses Quiz behandelt Redoxreaktionen, Transferasen, Ligase und Hydrolasen sowie die Unterschiede zwischen Coenzymen und prosthetischen Gruppen.