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15.04.2014
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Biokatalyse 2014 – 1. Vorlesung
Prof. Dr. A. JäschkeINF 364, Zi. 308, Tel. 54 48 [email protected]
Ringvorlesung Chemie B - Studiengang Molekulare Biotechnologie
Lehrziele I
Kenntnis und Beherrschung dergrundlegenden Konzepte, Kinetik undEnergetik der Enzymkatalyse
Verständnis der verschiedenen Arten vonEnzymhemmung
Detailliertes, anwendungsbereitesVerständnis katalytischer Strategien undenzymatischer Mechanismen
Kenntnis der wichtigsten Coenzyme undCofaktoren sowie ihrer Mechanismen
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Lehrziele II
Beherrschung der wichtigsten Typen derRegulation enzymatischer Reaktionen
Kenntnis von Ribozymen und DNAzymen Anwendungsbereites Wissen sowohl über
die experimentellen Techniken zurUntersuchung enzymatischer Reaktionenals auch über die mathematischenFormalismen.
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Dozenten
Prof. Dr. A. Jäschke Dr. R. Wombacher
Detaillierte Themenliste: Website
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Literatur
Berg, Tymocko, Stryer: Biochemie,Spektrum Verlag, Kapitel 8-10.
Bruice: Organische Chemie, PearsonVerlag, Kapitel 24 (Coenzyme)
Ribozyme: Literatur gemäß Website
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Gliederung
Allgemeine Eigenschaften, Nomenklatur Enzymkinetik Enzyminhibition Katalytische Strategien & Enzymatische
Mechanismen Ribozyme Coenzyme Enzymregulation und -kontrolle
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Enzyme – Einführung
Was sind Enzyme? Welche Rolle(n) spielen sie?
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Wie arbeiten Katalysatoren?
Setzen Energiebarriere herab, Arbeiten nach unterschiedlichen
Mechanismen, Anordnung funktioneller Gruppen
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Allgemeine Eigenschaften vonEnzymen
Höhere Reaktionsgeschwindigkeiten Mildere Reaktionsbedingungen Große Reaktionsspezifität Regulationsmöglichkeit
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Enzyme sind leistungsstarke undhochspezifische Katalysatoren
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Beispiel: Proteolytische Enzyme
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Enzymspezifität
Subtilisin Trypsin
Thrombin
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DNA-Polymerase I: weitererhochspezifischer Katalysator
Die Spezifität eines Enzyms hängtvon der präzisen Wechselwirkungdes Substrats mit dem Enzym ab.Diese Spezifität resultiert aus der3D-Struktur des Enzyms.
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Cofaktoren
Apoenzym, Cofaktor, Holoenzym Unterscheidung 2 Gruppen von
Cofaktoren: Metalle und Coenzyme Coenzyme, Cosubstrate, prosthetische
Gruppen Vitamine
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Enzyme können verschiedeneEnergieformen ineinanderumwandeln.
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Klassifizierung von Enzymen
Ca. 2500 verschiedene Reaktionendurch Enzyme katalysiert.
Strukturelle Varianten von Enzymen,die die selbe Reaktion katalysieren.
Über 1.000.000 Enzyme existent Trivialnamen können diese Diversität
nicht adäquat beschreiben. Standardisierte Prozedur zur
Bezeichnung von Enzymen benötigt.17
Die sechs Hauptenzymklassen
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Thermodynamik
∆RG liefert Informationen über dieSpontaneität einer Reaktion, nicht über ihreGeschwindigkeit.
∆RG hängt von derGleichgewichtskonstanten ab
Enzyme können nur dieReaktionsgeschwindigkeit, nicht aber dieLage des Gleichgewichts verändern
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Enzyme beschleunigen Reaktionen durchErniedrigung der Aktivierungsenergie
Das Wesen derKatalyse besteht inder spezifischenBindung desÜbergangszustandes
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Die Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexesist der 1. Schritt der enzymatischen Katalyse
Substrate in günstiger räumlicherAnordnung zusammengeführt
Spezifische Region des Enzyms:aktives Zentrum.
Welche Beweise gibt es für dieExistenz von Enzym-Substrat-Komplexen?
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1. Sättigungsverhalten
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2. Röntgenstrukturanalysen
Auch zeitaufgelöste Analysen24
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3. Änderung spektroskopischerEigenschaften bei Bildung des ES-Komplexes
Tryptophan-Synthetase, PLPals prosthetischeGruppefluoresziert
AndereSpektroskopischeTechniken: NMR,EPR
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Was haben die aktiven Zentrenvon Enzymen gemeinsam?
Ist die Region, die Substrat und ggf.Cofaktor bindet und gleichzeitig dieAminosäurereste bereitstellt, die direktan der Reaktion teilnehmen.
Katalytische Gruppen Ww im aktiven Zentrum begünstigt die
Bildung des Übergangszustandes
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1. Das aktive Zentrum ist eine dreidimensionaleSpalte, die von vielen Gruppen aus verschiedenenAbschnitten der Aminosäuresequenz gebildet wird.
Lysozym
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2. Das aktive Zentrum stellt nur einenkleinen Teil des Gesamtenzyms dar Rolle der restlichen Aminosäuren?
3. Aktive Zentren sind höhlen- oderspaltenförmig Ausschluß von Wasser Aber auch polare Gruppen
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4. Substrate werden durch viele schwacheKräfte an das Enzym gebunden
Elektrostatische Ww. H-Brücken, Van der Waals Hydrophobe
Interaktionen Etwa Faktor 10
schwächer alskovalente Bindungen
Ribonuclease
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Die Bindungsspezifität ist von derdefinierten Anordnung der Atome im aktivenZentrum abhängig
1. Schlüssel-Schloss-Prinzip
1890 Emil Fischer30
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Die Bindungsspezifität ist von derdefinierten Anordnung der Atome im aktivenZentrum abhängig
1. Induced Fit
Koshland 195831
Das Michaelis-Menten-Modell erklärt diekinetischen Eigenschaften vieler Enzyme
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Vereinfachung
Reaktionsgeschwindigkeit läßt sich ausdrücken:
Annahme eines Fließgleichgewichtes (steady state – Vereinfachung!)
Ergibt:
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Fließgleichgewicht – steadystate kinetics
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Umstellen:
Mit:
Ergibt sich:
Umstellen: Alle GrößenZugänglich!
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Einsetzen in Ergibt:
Mit:
Ergibt sich:
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