Enzyminhibitoren und Isoenzyme

Einflussfaktoren auf die Enzymaktivität

• Temperatur:
• Die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt oder vervierfacht sich mit jeder Erhöhung um 10°C, bis zum Temperatur-Optimum des Enzyms.
• Das Temperatur-Optimum entspricht der maximalen Enzymaktivität.
• Sobald die Temperatur außerhalb des Optimums liegt, verringert sich die Enzymaktivität.
• Humane Enzyme haben meist ein Optimum bei 37°C.
• Hyperthermophile Enzyme haben ein Optimalbereich von 70-90°C.
• Die RGT-Regel und die Arrhenius-Gleichung beschreiben den Zusammenhang.
• pH-Wert:
• Die Enzymaktivität wird beeinflusst durch die pH-abhängige Ionisierung von Aminosäuren im aktiven Zentrum des Enzyms.
• Die pH-Abhängigkeit wird durch die Änderung der 3D-Konformation des Apoenzyms beeinflusst.
• Die pH-abhängige Ionisierung führt zur Protonierung oder Deprotonierung funktioneller Gruppen von Aminosäure-Seitenketten im aktiven Zentrum.
• Dies beeinflusst die Interaktionen der Aminosäuren mit Substraten und Cofaktoren sowie katalytisch aktive Aminosären.
• Das pH-Optimum entspricht der maximalen Enzymaktivität bzw. Reaktionsgeschwindigkeit.
• Wenn der pH-Wert außerhalb des pH-Optimums liegt, verringert sich die Enzymaktivität.
• Ionenstärke:
• Maximale Enzymaktivität wird bei physiologischer Ionenkonzentration erreicht (100-150 mM).
• Ionenstärke beeinflusst pKs-Wert von Aminosäure-Seitenketten im aktiven Zentrum des Enzyms.
• Ionenstärke darf bei Konzentrationen über 100 mM nicht vernachlässigt werden.

Zymogene (Enzym-Vorstufen)

• Zymogene sind inaktive Vorstufen von Enzymen, auch als Enzym-Präkursoren oder Pro-Enzyme bekannt.
• Olof Hammersten erkannte 1872, dass sich diese inaktiven Vorstufen von den aktiven Enzymen unterscheiden.
• Zymogene werden durch das Präfix "Pro-" oder das Suffix "-ogen" gekennzeichnet.
• Suffix-Beispiele: Pepsinogen, Trypsinogen
• Präfix-Beispiele: Proelastase, Procaspase 9
• Die Konvertierung eines Zymogens in ein aktives Enzym erfolgt am Wirkort oder nach spezifischen Stimuli durch limitierte Proteolyse, Autokatalyse oder regulatorische Proteasen.
• Limitierte Proteolyse ist eine irreversible posttranslationale Modifikation durch Spaltung definierter Peptidbindungen.
• Autokatalyse erfolgt unter definierten Milieubedingungen.
• Regulatorische Proteasen (z.B. Enzymkaskaden) aktivieren Zymogene.
• Enzym-Kaskaden haben einen Verstärkungscharakter, sind irreversibel und zeitlich gesteuert.
• Aktivierung erfolgt zum definierten Zeitpunkt.
• Die Aktivierung erfolgt nach definiertem Stimulus durch proteolytische Spaltung.
• Beispiele: Caspasen bei Apoptose und Blutgerinnungsfaktoren bei sekundärer Hämostase.

Regulation der Enzymaktivität durch Interkonvertierung

• Interkonvertierung bezeichnet die reversible kovalente posttranslationale Proteinmodifikation.
• Funktionelle Gruppen werden an/von Aminosäure-Seitenketten gebunden oder abgespalten, wodurch sich die katalytische Eigenschaft des Enzyms ändert.
• Es findet ein Wechsel von aktiv/inaktiv statt, was auch als "Switch on/off" bezeichnet wird.
• Arten der Interkonvertierung:
• Phosphorylierung
• Mono(ADP-Ribosyl)ierung
• Adenylierung
• Phosphorylierung ist die häufigste Art der Interkonvertierung in höheren Organismen.
• Beispiele für Enzyme, die durch Interkonvertierung reguliert werden:
• Pyruvat-Kinase (inaktiviert durch Phosphorylierung)
• Glykogen-Phosphorylase (aktiviert durch Phosphorylierung)
• B-RAF (aktiviert durch Phosphorylierung in der MAPK-Kaskade)

Reversible und irreversible Enzym-Inhibitoren

• Reversible Inhibitoren:
• Kompetitive Hemmung: Benzamidin (Trypsin), Leupeptin (Serin-, Cystein-Proteasen)
• Unkompetitive Hemmung: Oxalat (Lactat-Dehydrogenase), L-Phe (Alkalische Phosphatase)
• Gemischte Hemmung: Bowman-Birk-Inhibitor BBI (Trypsin, Chymotrypsin), RNasin (humane RNase)
• Irreversible Inhibitoren:
• Gruppenspezifische Reagenzien: DIPF (Serin-Proteasen), Iodacetamid (Cystein-Proteasen)
• Affinitätsreagenzien: PMSF (Serin-Proteasen), Organophosphate (ACh-Esterase)
• Suizidinhibitoren: Disulfiram (Aldehyd-Dehydrogenase), Antithrombin (Thrombin/FIIa)

Isoenzyme

• Isoenzyme katalysieren die gleiche biochemische Reaktion, unterscheiden sich aber in verschiedenen Eigenschaften.
• Sie werden durch verschiedene Gene kodiert und weisen unterschiedliche Aminosäuresequenzen auf.
• Sie haben unterschiedliche Kombinationen von Peptidketten-Untereinheiten und Bindungen von Cofaktoren.
• Physikochemische Eigenschaften wie Temperatur- und pH-Optimum variieren.
• Ihre enzymatischen Eigenschaften (Spezifität für Substrate, Produkte, Effektoren) und enzymkinetischen Eigenschaften sind unterschiedlich.
• Die Lokalisation (Zell-, Gewebe-, Organ-spezifische Expression; subzelluläre Lokalisation) unterscheidet sich.
• Isoenzyme sind wichtig, da sie an das spezifische Reaktionsmilieu bzw. die metabolische Kondition des Wirkorts angepasst sind.
• Die Spezialisierung von Organen, Geweben, Zellen bzw. subzellulären Kompartimenten bedingt die Existenz von Isoenzymen.
• Isoenzyme haben Bedeutung für die medizinische Diagnostik: Die Gesamt-Isoenzym-Aktivität im Blutserum kann als Summe der Aktivitäten individueller Isoenzyme aus geschädigten Organen, Geweben oder Zellen verwendet werden.
• Isoenzym-Elektrophorese dient für den Nachweis von geschädigten Organen oder Geweben zur Differentialdiagnose von Erkrankungen.
• Beispiele für Isoenzyme:
• Lactat-Dehydrogenase: reversible Reduktion von Pyruvat zu Lactat (anaerobe Glykolyse), 5 Isoenzyme mit Unterschieden in Primär- und Quartärstruktur, Regulierbarkeit, Substrat-Spezifität und Lokalisation
• Hexokinase: irreversible Phosphorylierung von Hexose zu Hexose-6-phosphat (z.B. Glykolyse), 4 Isoenzyme mit Unterschieden in Substrat-Spezifität, 8-Affinität, Regulierbarkeit und Lokalisation
• Creatin-Kinasen: reversible Dephosphorylierung von Kreatinphosphat zur ATP-Bildung, 3 Isoenzyme mit Unterschieden in Primärstruktur, Quartärstruktur und Lokalisation
• Alkohol-Dehydrogenasen: Detoxifizierung aliphatischer Alkohole zu Aldehyden, 7 Isoenzyme beim Menschen mit Unterschieden in Substrat-Spezifität und -Affinität.

Mechanismen der Enzymkatalyse

• Säure-Base-Katalyse: Pepsin, Trypsin
• Metallionen-Katalyse: Carboxypeptidase A, Superoxid-Dismutase
• Kovalente Katalyse: Papain, Trypsin
• Katalyse durch Nachbargruppen- und Orientierungseffekte: Lactat-Dehydrogenase, Hexokinase
• Katalyse durch Stabilisierung des Übergangszustandes: Lysozym, Lactat-Dehydrogenase

RNasen und Katalyse-Mechanismen

• RNasen sind Cofaktor-unabhängig.
• EDTA (Ethylendiamintetraacetat) inaktiviert RNasen nicht, da sie keine Metallionen benötigen.
• DEPC (Diethylpyrocarbonat) inaktiviert RNasen durch kovalente Modifikation von Histidinresten im aktiven Zentrum.
• Weitere Möglichkeiten zur Inaktivierung von RNasen:
• DTT spaltet Disulfidbrücken und verändert die Proteinfaltung.
• β-Mercaptoethanol
• Proteinase K greift Peptidbindungen an den Enden (Endopeptidase) aromatischer Aminosäuren an.
• Chaotrope Salze brechen Wasserstoffbrücken auf und denaturieren Enzyme.
• RNase A: Säure-Base-Katalyse
• Katalysiert sequenzspezifische Hydrolyse von Bindungen in ssRNA nach Pyrimidinen in 2 sukzessiven Reaktionsschritten.
• Es enstehen 5'-OH + 3'-P-Gruppe Produkte
• 1. Teilreaktion:
• Transphosphorylierung bildet 2'-3'-zyklisches Nukleotid-Intermediat am 3'-Ende von RNA-Produkt 1, während am 5'-Ende von RNA-Produkt 2 eine OH-Gruppe entsteht.
• H+-Abstraktion von 2'-OH-Ribose RNA durch deprotoniertes His12 (Base-Katalyse) erleichtert nukleophilen Angriff von 2`-0- auf benachbartes P-Atom der Phosphodiester-Bindung RNA.
• H+-Addition auf 5'-O-Ribose RNA-Produkt 2 durch protoniertes His119 (Säure-Katalyse)
• 2. Teilreaktion:
• Hydrolyse des 2'-3'-zyklischen Nukleotid-Intermediats von RNA-Produkt 1.
• H+-Addition auf 2'-O-Ribose durch protoniertes His12 (Säure-Katalyse).
• H+-Abstraktion von H2O durch deprotoniertes His119 (Base-Katalyse).
• Transfer von Hydroxid-Ion auf 3'-P-Rest von RNA-Produkt 1.

Sequenzspezifität pankreatischer Serinproteasen

• Trypsin, Chymotrypsin und Pankreas-Elastase sind Hydrolasen mit ähnlicher Primär- und Tertiärstruktur, identischer Anordnung von Aminosäuren im katalytischen Zentrum und identischer Gruppenspezifität, aber unterschiedlicher Sequenzspezifität.
• Trypsin:
• Hydrolysiert Peptidbindungen C-terminal von basischen Aminosäuren Lysin oder Arginin (P1-Position).
• Keine Spaltung, wenn Prolin in P1'-Position.
• Große S1-Tasche mit ionisiertem Aspartat (Asp¹⁸⁹).
• Chymotrypsin:
• Hydrolysiert Peptidbindungen C-terminal von aromatischen Aminosäuren Tyrosin, Tryptophan, Phenylalanin (P1-Position).
• Große S1-Tasche, nicht ionisiertes Serin (Ser¹⁸⁹).
• Pankreas-Elastase:
• Hydrolysiert Peptidbindungen C-terminal von kleinen aliphatischen Aminosäuren Glycin, Alanin, Valin (P1-Position).
• Kleine S1-Tasche.

Katalytische Diaden und Triaden

• Katalytische Diade: Spezifische geometrische Anordnung von 2 am Katalyse-Prozess beteiligten Aminosäuren, die miteinander wechselwirken, im aktiven Zentrum. Eine der Aminosäuren agiert als Nukleophil im Zuge einer kovalenten Katalyse.
• Beispiele: Papain (Cys, His), Caspase 9 (Cys, His), SARS-CoV-2-Protease Mpro (Cys, His).
• Katalytische Triade: Spezifische geometrische Anordnung von 3 am Katalyse-Prozess beteiligten Aminosäuren, die miteinander wechselwirken, im aktiven Zentrum. Eine der Aminosäuren agiert als Nukleophil im Zuge einer kovalenten Katalyse.
• Beispiele: Trypsin (Ser, His, Asp), FIIa (Ser, His, Asp), DPP IV (Ser, His, Glu).
• Funktion der Aminosäuren in Trypsin (Beispiel):
• Ser¹⁹⁵: Hydroxylgruppe als katalytisch aktives Nukleophil für kovalente Katalyse. Wird erst nach Substratbindung ionisiert/deprotoniert, was seine Nukleophilie erhöht.
• His⁵⁷: Agiert als Brønsted-Säure-Base (Protonendonor/-akzeptor).
• Asp¹⁰² Stabilisiert His⁵⁷ durch Ausbildung einer Wasserstoffbrücke.

Dieses Quiz untersucht die Wirkung von Enzyminhibitoren und die Eigenschaften von Isoenzymen. Es werden verschiedene Arten von Hemmungen behandelt, darunter kompetitive, unkompetitive und Suizidinhibition. Außerdem werden die Unterschiede und Funktionen von Isoenzymen erläutert.