Modul B6 Grundlagen des Lebens Biochemie Enzyme PDF

S F U M E D Modul B6 Grundlagen des Lebens Biochemie Enzyme Matthias Steiger...

S F U M E D Modul B6 Grundlagen des Lebens Biochemie Enzyme Matthias Steiger 18.10.2024 08.10.24 1 S F U M E D Aufbau 1. Einführung 2. Kohlenhydrate 3. Proteine, Peptide, Aminosäuren 4. Enzyme 5. Wichtige Stoffwechselwege (Glykolyse, Citratzyklus…) 6. Atmungskette (Endoxidation) 7. Lipide 8. DNA/RNA 9. Hormone 10. Ernährung und Verdauung 11. Stoffwechsel der Organe 08.10.24 2 S F U M E D 08.10.24 3 S F U M E D 6. Enzyme 08.10.24 4 S F U M E D Enzym-Substrat-Bindung Neues Modell: induced fit Altes Modell 08.10.24 5 S F U M E D Beispiel für Enzym/Substrat Komplex Links: Das Enzym Cytochrom-P 450-Oxidase ist an sein Substrat Campher gebunden dargestellt. Man erkennt, dass im aktiven Zentrum das Substrat von Resten des Enzyms umgeben ist (rechts). Beachten Sie auch die 08.10.24 Anwesenheit eines Hämcofaktors. 6 S F U M E D Enzyme Enzyme erhöhen die Geschwindigkeit einer Reaktion. Enzyme werden während der Reaktion nicht verbraucht (Katalysator). Enzyme setzen die Aktivierungsenergie herab. Ø Hohe Reaktionsgeschwindigkeit Ø Hohe Spezifität Ø Bei Umgebungsbedingungen aktiv Ø Regulationsmöglichkeiten (z.B.: Phosphorylierung, Glykosilierung, allosterische Regulation) 08.10.24 7 S F U M E D Enzyme Enzyme sind regulierbare Katalysatoren, durch die der Organismus in die Lage versetzt wird, die einzelnen Reaktionen des Stoffwechsels zu steuern. Enzyme beschleunigen Reaktionen um das Millionenfache oder mehr. Ohne sie würden die meisten Reaktionen in biologischen Systemen nicht in wahrnehmbarem Umfang ablaufen. - Enzyme sind überwiegend Proteine - Ausnahme Ribozyme, bestehen aus RNA zB.: 28S-rRNA im Ribosom Die Katalyse findet an einer bestimmten Stelle im Enzym statt, dem sogenannten aktiven Zentrum. 08.10.24 8 S F U M E D Cofaktoren Die katalytische Aktivität vieler Enzyme hängt von der Gegenwart kleiner Moleküle ab, der sogenannten Cofaktoren. Die Cofaktoren dienen in der Regel dazu, chemische Reaktionen durchzuführen, die nicht allein mit den 20 Standardaminosäuren erfolgen können. Apoenzym + Cofaktor = Holoenzym Metalle: z.B.: Fe2+, Zn2+, Mg2+ Coenzyme (kleine org. Vbdg.): z.B: Thiaminpyrophosphat, Biotin, Häm, Fe/S cluster Fest gebundene Coenzyme werden auch als prosthetische Gruppen bezeichnet. (Z.B. Häm ist die prosthetische Gruppe der Hämoproteine bzw. Cytochrome.) Lose gebundene Coenzyme sind eher Cosubstrate, da sie genauso wie Substrate und Produkte an das Enzym binden und von ihm freigesetzt werden.(Cosubstrate: ATP, NADH …) 08.10.24 9 S F U M E D Prosthetische Gruppe Häm b Hämoglobin 08.10.24 10 S F U M E D Prosthetische Gruppe Glucose Oxidase 08.10.24 11 S F U M E D Reaktionsgeschwindigkeit 08.10.24 12 S F U M E D Reaktionsgeschwindigkeit Orotidine 5'-monophosphate Uridine monophosphate (UMP) 08.10.24 13 S F U M E D Enzymklassen Mittlerweile 7 Klassen –> 7. Translokasen z.B: EC 3.2.1.1 – α-Amylase Datenbank und Klassifikation mit EC Nummern: https://www.qmul.ac.uk/sbcs/iubmb/enzyme/ https://enzyme.expasy.org 08.10.24 14 S F U M E D Lactatdehydrogenase Ared Aox Pyruvat Milchsäure Box Bred EC 1.1.1.27 08.10.24 https://enzyme.expasy.org/EC/1.1.1.27 15 S F U M E D Enzymklassen 08.10.24 16 S F U M E D Enzymklassen Mittlerweile 7 Klassen –> 7. Translokasen Transportproteine Datenbank und Klassifikation mit EC Nummern: https://www.qmul.ac.uk/sbcs/iubmb/enzyme/ https://enzyme.expasy.org https://www.brenda-enzymes.org 08.10.24 17 S F U M E D Enzymkinetik Modellhafte Beschreibung des Ablaufs einer enzymatischen Umsetzung. Wichtiges Modell: Michaelis-Menten-Kinetik Das Modell geht davon aus, dass bei der Umsetzung eines Substrats zum Produkt ein Enzym-Substrat-Komplex (ES) als Zwischenstufe entsteht. Michaelis-Menten-Gleichung !"# 𝑣 − 𝑈𝑚𝑠𝑎𝑡𝑧𝑔𝑒𝑠𝑐ℎ𝑤𝑖𝑛𝑑𝑖𝑔𝑘𝑒𝑖𝑡 $ !"# 𝑉%&' − 𝑚𝑎𝑥. 𝑅𝑒𝑎𝑘𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑔𝑒𝑠𝑐ℎ𝑤𝑖𝑛𝑑𝑖𝑔𝑘𝑒𝑖𝑡 $ maximale Umsatzgeschwindigkeit bei sehr hohen Substratkonzentration 𝐾% − 𝑀𝑖𝑐ℎ𝑎𝑒𝑙𝑖𝑠 𝐾𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 [𝑀] Wert für die Stabilität des Enzym/Substrat Komplexes 08.10.24 𝑆 − 𝑆𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑘𝑜𝑛𝑧𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 [𝑀] S F U M E D Messung der Enzymaktivität 08.10.24 19 S F U M E D Messung der Enzymaktivität 0,8 0,7 0,6 0,5 y = -0,01x + 0,72 0,4 0,3 y = -0,03x + 0,71 0,2 0,1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 -0,1 -0,2 08.10.24 20 S F U M E D Michaelis-Konstante KM Die Michaelis-Konstante KM ist von einigen Faktoren wie Temperatur und pH-Wert abhängig. KM hat folgende Eigenschaften: KM gibt die Substratkonzentration an, bei der die halbmaximale Geschwindigkeit (V max /2) einer Reaktion erreicht ist. Sie besitzt daher die Dimension einer Substratkonzentration (mol/L). KM ist ein Maß für die Affinität des Enzyms zu seinem Substrat. Ein niedriger KM-Wert zeigt eine hohe Affinität des Enzyms zum Substrat an, ein hoher KM-Wert eine niedrige Affinität. Die Michaelis-Konstante ist unabhängig von der Enzymkonzentration. 08.10.24 21 S F U M E D KM Werte 08.10.24 22 S F U M E D Lactatdehydrogenase (LDH) Manche Enzyme wie die LDH kommen in bestimmten Organen besonders häufig vor. Bei einer Erkrankung des Organs ist die Konzentration dieses Enzyms im Blut erhöht. Der erhöhte Wert ist ein wertvoller diagnostischer Parameter. 08.10.24 23 S F U M E D kkat Aus der Maximalgeschwindigkeit V max ergibt sich die Wechselzahl (kkat) eines Enzyms. [E]T − Gesamtkonzentration der aktiven Zentren 𝑉!"# − 𝑚𝑎𝑥. 𝑅𝑒𝑎𝑘𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑔𝑒𝑠𝑐ℎ𝑤𝑖𝑛𝑑𝑖𝑔𝑘𝑒𝑖𝑡 Die Wechselzahl gibt die Anzahl von Substratmolekülen an, die – bei vollständiger Sättigung des Enzyms mit Substrat – pro Zeiteinheit in das Produkt umgewandelt werden. !ABC Katalytische Effizienz ergibt sich aus "D 08.10.24 24 S F U M E D Enzym Hemmung Enzyme können durch spezifische Moleküle gehemmt werden Reversible Hemmung / irreversible Hemmung Irreversible Hemmung wichtig für Funktion vieler Arzneistoffe (z.B. Penicillin: Bindung an Transpeptidase von Bakterien -> Inhibierung Zellwandbiosynthese) 3 Typen von reversibler Hemmung (kompetitive, unkompetitiv, nichtkompetentiv) 08.10.24 25 S F U M E D Reversible Hemmung Unterscheidung zwischen reversiblen Inhibitoren. a Enzym-Substrat- Komplex. b Ein kompetitiver Inhibitor bindet an das aktive Zentrum und verhindert so die Bindung des Substrats. c Ein unkompetitiver Inhibitor bindet nur an den Enzym- Substrat-Komplex. d Ein nichtkompetitiver Inhibitor verhindert die Bindung des Substrats nicht 08.10.24 26 S F U M E D Enzyminhibitoren Das Substrat Dihydrofolat und sein Strukturanalogon Methotrexat. Regionen mit strukturellen Unterschieden sind rot dargestellt kompetitiver Inhibitor des Enzyms Dihydrofolat- Reduktase Wichtig für Bildung von THF (Nukleotidbiosynthese) Methotrexat wird zur Behandlung von Krebs eingesetzt 08.10.24 27 S F U M E D Feedback https://www.feedbackr.io Code: HCDGI 08.10.24 28