Einführung in die Biochemie Enzyme - offenbecher.euoffenbecher.eu/Allgemeines/Glossar8/Enzym.pdf · Stoff und Energiewechsel Einführung in die Biochemie Überblick: Stoffwechsel

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• Wirkungsweise von Enzymen

• Nomenklatur

• Enzymaktivität und Hemmung

• Koenzyme

Einführung in die Biochemie

Enzyme

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Stoff und Energiewechsel


Überblick: Stoffwechsel und Biokatalyse

Assimilation

heterotropheAssimilation

autotropheAssimilation

Fotosynthese Chemosynthese

Dissimilation

Atmung Gärung

Assimilation und Dissimilation laufen bei allen Organismen gleichzeitig ab

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Einleitung

Die Biochemie befasst sich mit den chemischen Vorgängen in lebenden Organismen. Diese Vorgänge müssen aber nicht zwingend in vivo, also im Körper von Lebewesen, ablaufen, sondern lassen sich auch außerhalb des lebenden Organismus im Glas, in vitro, durchführen.

Die chemisch-physikalischen Gesetzmäßigkeiten besitzen grundsätzlich auch fürden biologischen Bereich Gültigkeit.

Grundvoraussetzungen für lebenserhaltende Vorgänge ist das Vorhandensein von Energie. Der Energievorrat muss aufgebaut werden (Energiebindung), er muss dauerhaft gespeichert werden und er muss bei Bedarf schnell verfügbar sein (Energiefreisetzung).

Um diese Prozesse auf molekularer Ebene zu verstehen, muss man sich mit den Werkzeugen befassen, die den Energiehaushalt biochemischer Vorgänge steuern. Diese Werkzeuge sind die Enzyme.

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EA ohne Enzym

ÜZ ohne Enzym

Edukte

Produkte

EA mit Enzym

E

Reaktionsverlauf

Enzyme beschleunigen Stoffwechselvorgänge und Reizleitungsprozesse um das milliardenfache. Sie senken die Aktivierungsenergie so, dass biochemische Reaktionen bei 37°C ablaufen. Enzyme sind hoch spezialisiert und besitzen ein aktives Zentren, dass aus räumlich benachbarten Aminosäureresten der Proteinstruktur gebildet wird.

Enzyme(oder Fermente) sind Proteine (Eiweißstoffe), die eine spezifische dreidimensionale Struktur besitzen und eine Molekülmasse zwischen 10000 und 1000000 aufweisen.

Biokatalyse durch Enzyme

Durch Absenkung der Aktivierungsenergie laufen biochemische Reaktionen schneller ab. Enzyme werden bei der Reaktion nicht verbraucht, d. h. sie wirken wie Katalysatoren. Sie gehören neben den Vitaminen und Hormonen zu den Biokatalysatorendie alle chemischen Umsetzungen in lebenden Organismen steuern.


Wirkungsweise von Enzymen

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Die Wirkungsweise von Enzymen wird durch den Schlüssel-Schloss-Mechanismussehr gut beschrieben und ist in zweifacher Weise hochspezifisch. Dieser Mechanismus führt am aktiven Zentrumzur Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes. Die mithilfe von Enzymen umgesetzten Stoffe werden als Substratebezeichnet.

•Enzyme reagieren nur mit einem ganz bestimmten Substrat (Substratspezifität)!

•Enzyme katalysieren nur einen ganz bestimmten Reaktionsablauf (Wirkungsspezifität)!


Wirkungsweise von Enzymenaktives Zentrum

Substrat

Enzym – Substrat – Komplex

Produkte

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Am Aktiven Zentrum kann ein Substrat nur in einer ganz bestimmten Orientierung anlegen, wie ein Schlüssel zum Schloss. Dieses Prinzip ist die Ursache der Substratspezifitätvon Enzymen. Dies resultiert aus dem chemischen Aufbau der Enzyme und der daraus hergehenden räumlichen Struktur. Enzyme sind Kettenmoleküle aus Aminosäuren deren Kettenglieder durch eine Vielzahl verschiedener Bindungen in einer charakteristischen Struktur (Konformation) stabilisiert werden. Als Bindungsarten treten kovalente Bindungen, H –Brückenbindungen und elektrostatische Wechselwirkungen zwischen geladenen Gruppen auf.

Am aktiven Zentrum werden außerdem nur bestimmte Reaktionen katalysiert. Diese Eigenschaft wird Wirkungsspezifitätgenannt. Jede mögliche Reaktion eines Substrats benötigt einen anderen aktivierten Übergangszustand. Das aktive Zentrum eines Enzyms kann aber nur einen bestimmten Übergangszustand aktivieren. D. h. für jede Substratreaktion wird ein anderes Enzym benötigt.Ein Beispiel ist der Abbau von Glucose, in dessen Verlauf Brenztraubensäureenzymatisch entweder in Milchsäure oder in Essigsäure umgesetzt wird



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CH2

S

Cys

S

CH2

Cys

Val

CHCH3H3C

CH

Ile

CH2H3C

CH3

C

Asn

N−H O

H

CH2

C

Gln

H−N O

H

CH2

CH2C

Asp

O O

CH2

-

CH2

Lys

HH

CH2

CH2

N H+

Disulfidbindungkovalente Bind.

Van-der-Waals-Kräfte

Wasserstoffbrückenbindungen

Ionenbindung

Die Struktur von Enzymen wird durch vier unterschiedliche Bindungstypen gewährleistet:

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Nomenklatur von Enzymen

Da bei Enzymen nicht immer der genaue Aufbau jedoch aber die Wirkung im Organismus bekannt sind, werden eindeutige Kennzeichen, wie die Substrat- und Wirkungsspezifität für die Benennung herangezogen.

Der systematische Name ist dreiteilig:

1. Substratkennzeichnung

2. Wirkungskennzeichnung

3. Endung –ase

Beispiele:

Glukose │ oxid│ ase oxidiert GlucoseLactat-Dehydrogen│ ase oxidiert Milchsäure zu BrenztraubensäurePyruvat-Decarboxyl│ ase spaltet CO2 von der Brenztraubensäure

Teilweise wird aber auf die Wirkungskennzeichnung im Namen verzichtet:

Ure │ ase spaltet HarnstoffLip │ ase spaltet Fette unter Bildung freier FettsäurenAmyl │ ase spaltet Stärke

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Teilweise werden auch noch Trivialnamen verwendet:

Pepsin spaltet Eiweiß im MagenTrypsin spaltet Eiweiß im DarmKatalase (Hydrogenperoxidoxidoreduktase) reduziert Wasserstoffperoxid zu

Wasser

Aufgrund der Vielzahl von Enzymen (vermutlich > 10000) werden diese in sechs Hauptklassen zusammengefasst:

1. OxidoreduktasenKatalysieren p+ oder e- Übertragungen bei Redoxreaktionen. Bei Übertragungen auf organische Akzeptoren spricht man von Dehydrogenasen, bei Übertragungen auf Sauerstoff von Oxidasen. Letztere sind vor allem für den Abbau von Nährstoffen wichtig.

2. TransferasenBewirken die Übertragung von Molekülgruppen, wie z. B. Amin- oder Methylgruppen. Wichtiger sind jedoch die Übertragung von Phosphatgruppen (Phosphotransferasen) und Acylgruppen (Acyltransferasen).

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3. HydrolasenKatalysatoren für Hydrolytische Spaltungen von C-O oder C-N Bindungen, wie z. B. Fett spaltenden Lipasen im Verdauungstrakt.

4. LyasenKatalysieren über Eliminierungsreaktionen nichthydrolytische Bindungs-spaltungen an C-C oder C-O Bindungen. Dazu gehört die Pyruvat-Decarboxylase

5. IsomerasenKatalysiert intramolekulare Umlagerungen wie cis-trans-Isomerisierung oder die Umwandlung optisch aktiver Verbindungen in ihr Racemat.

6. LigasenKnüpft neue chemische Bindungen zwischen Molekülen. Sie werden auch als Syntheasen bezeichnet.

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Die Aktivität eines Enzyms, d. h. die Wirksamkeit als Katalysator, wird durch die konkreten Bedingungen der biochemischen Reaktion beeinflusst. Da Enzyme bei Reaktionen nicht verbraucht werden, kann bei der Wirksamkeit von Enzymen nicht die Reaktionsgeschwindigkeit gemessen werden. Man bestimmt die Menge des pro Zeiteinheit umgesetzten Substrats.

Einige Umgebungsbedingungen haben einen starken Einfluss auf die Effektivität der enzymatischen Wirkung. Dazu zählen Temperatur, pH-Wert und Substratkonzentration sowie Mineralstoffe und Spurenelemente.


Enzymaktivität

Temperatur:

Steigende Temperaturen beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit positiv, weil sich die Enzym- Substratmoleküle schneller bewegen. Bis ca. 30 °C folgt die Aktivitätszunahme der Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (RGT-Regel) Dabei erreicht die Aktivität ein Maximum. Bei weiter zunehmender Temperatur denaturieren die Enzyme jedoch wie alle Proteine, so dass jedes Enzym ein Temperaturoptimum besitzt. Bei dieser Denaturierung(Gerinnung) werden die Sekundär- und Tertiärstrukturen der Proteine und somit auch der Funktionsmechanismus zerstört.

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Enzymaktivität

Temperaturoptimum von Enzymen

0 20 40 60 80 100

Temperatur [°C]

Rea

ktio

nsge

schw

indi

gkei

t

Temperaturoptimum für ein Enzym beim

Menschen

Temperaturoptimum für ein thermophiles

Bakterienenzym

pH-Wertoptimum von Pepsin und Trypsin

0 2 4 6 8 10pH

Rea

ktio

nsge

schw

indi

gkei

t

optimaler pH-Wert von Pepsinn optimaler pH-Wert

von Trypsin

pH - Wert:

Jedes Enzym ist bei einem bestimmten pH – Wert am aktivsten. Bei den meisten liegt der optimale Wert im neutralen Bereich zwischen 6 und 8. Pepsin allerdings zeigt sein Optimumim sauren Bereich bei pH 2. Der räumliche Bau ist von der Aminosäuresequenz und den Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen ionischen Gruppen der Aminosäuren vorgegeben. Aminosäuren haben auch in der Peptidverknüpfung saure und basische Reste. Die Veränderung des pH-Wertes führt zu einer Änderung der Raumstruktur – Substrate können nicht mehr oder nicht mehr optimal gebunden werden.

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Enzymaktivität

Konzentration des Substrats:

Jede Enzymreaktion kann durch Erhöhung der Konzentration des Substrates beschleunigt werden. Wenn alle Enzymmoleküle besetzt sind hat die Reaktionsgeschwindigkeit ihr Maximum erreicht und steigt nicht weiter an. Der Kurvenverlauf ist für jedes Enzym-Substrat-Paar spezifisch; je nach Affinität des Enzyms zum Substrat strebt die Reaktionsgeschwindigkeit in den Sättigungsbereich. Als Maß für die Enzymaffinität verwendet man die maximale Reaktionsgeschwindigkeit Vmaxund wählt den halbmaximalen Wert Vmax/2. Der dazu gehörende Konzentrationswert ist KM (Michaelis-Konzentration)

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Konzentration des Substrats:

Jede Enzymreaktion kann durch Erhöhung der Konzentration des Substrates beschleunigt werden. Anfangs nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zur Substratkonzentration zu und flacht dann ab. Wenn alle Enzymmoleküle besetzt sind hat die Reaktionsgeschwindigkeit ihr Maximum erreicht und steigt nicht weiter an.

Die Kinetik enzymkatalysierter Reaktionen kann durch die Michaelis-Menten-Gleichungbeschrieben werden.


EnzymaktivitätR

eakt

ion

sges

chw

ind

igke

it

Konzentration des Substrats

Vmax

Vmax/2

KM

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Enzymaktivität

Konzentration des Enzyms:

Ermittelt man Sättigungskurven für verschiedene Konzentrationen desselben Enzyms, so erhält man eine Schar von Kurven, deren Vmaxzur Enzymkonzentration proportional ist. Dies bedeutet, dass die Michaelis-Konstante KM für alle Enzymkonzentrationen gleich ist.

Mineralstoffe und Spurenelemente

Weitere Einflussgrößen aus der chemischen Umgebung auf die Enzymaktivität sind insbesondere anorganische Ionen, hauptsächlich Mg2+ und Ca2+. Für diese Mineralstoffe gibt es Optimumskurven der Konzentrationen, die denen des pH-Wertes im Prinzip vergleichbar sind.

Rea

ktio

nsg

esch

win

dig

keit

Konzentration des Substrats

Vmax

Vmax/2

KM

Vmax

Vmax

[E]B

[E]C

[E]A

Vmax/2

Vmax/2

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Hemmung der Enzymaktivität

Die Enzymwirkung kann durch Hemmstoffe oder Inhibitoren herab gesetzt werden. Dies erfolgt auf zwei verschiedenen Wege:

Kompetitive Hemmung

Ein Hemmstoffmolekül besitzt eine Ähnlichkeit mit dem Substrat, lagert sich am aktiven Zentrum an und behindert den weiteren Substratabbau. Ist diese Bindung sehr fest wird das Enzym dauerhaft blockiert. Antibiotika blockieren so die Vermehrung von Bakterien. Schwermetallionen, wie Cd2+, Pb2+ und Hg2+ wirken als kompetitive Hemmstoffein vielen Organismen giftig; sie passen chemisch oft ins aktive Zentrum.

EnzymSu

bstra

t

allosterischesZentrum

kompetitiverHemmstoff

EnzymSu

bstra

t

kompetitiverHemmstoff

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Hemmung der Enzymaktivität

Allosterische Hemmung

Enzyme haben nur ein aktives Zentrum. Aufgrund ihrer hochkomplexen Struktur können andere Moleküle als das Substrat Andockstationen finden. Diese allosterischen Zentrensind für das Substrat nicht geeignet. Dockt aber ein anderes Molekül dort an, kann die Raumstruktur des Enzyms so verändert werden, dass sich am aktiven Zentrum kein Enzym-Substrat mehr bilden kann.

Allosterische Hemmstoffekönnen nur von außen, nicht durch das Substrat, beeinflusst werden. Sie sind aber nicht immer eine Bedrohung für die Zelle, sondern können auch zur Steuerung biochemischer Prozesse beitragen.

Enzym

Subs

trat

allosterischesZentrum

allosterischerHemmstoff Enzym

Subs

trat

Enzym

Subs

trat

enzymatische

Katalyse

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Koenzyme

Bei Transferasen, Phosphotransferasen und anderen Enzymen beobachtet man, dass das Einsetzten der enzymatisch katalysierten Reaktion einen Reaktionspartner voraussetzt. Da ohne diese Reaktionspartner keine Enzymreaktionen zustande kommen können, hat man sie als notwendige Bestandteile der Enzyme aufgefasst und sie Koenzymegenannt.

Enzym Enzym-Substrat-Komplex

Substrat Koenzym

Produktverändertes Koenzym

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Nicotinamidnucleotide

Hilfestellung bei der Übertragung von Wasserstoffdurch Oxidoreduktasen leistet das KoenzymNAD+ (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid) und NADP+ (NAD-phosphat). Die reduzierten Formen sind NADH2 und NADPH2.


Koenzyme

N

N N

N

NH2

OH OH

O

O

N+

NH2

O

O OII I

CH2 – O – P – O – P – O – H2CI I II

O OOHHO

-

-

OI

PNicotinamid-adenin-dinukleotid-phosphat NADP

Adenin

Nicotinamid-adenin-dinukleotid NAD

Nicotinamid

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N+

NH2

O

R

N+

NH2

O

R

HH

+ H++ 2H

- 2H

oxidierte Form des Nicotinamids (NAD+)

reduzierte Form des Nicotinamids (NADH)

Bei der Reduktion der Koenzyme, also der Wasserstoffaufnahme, werden zwei Elektronen in Form eines Hydridions H- übertragen. Das zweite H-Atom wird als Folge einer Protonierung angelagert.

NAD + H- + H+ NADH2


Koenzyme

Red

Ox.

NAD/NADH2 ist das Koenzym für die abbauenden Stoffwechselprozesse. NADP/NADP2 ist das Koenzym für die aufbauenden Stoffwechselprozesse

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AdenosinphosphateAbhängig von der Anzahl der Phosohatgruppen unterscheidet man Mono-, Di- oder Triphosphorsäure; AMP, ADP, ATP

ATP dient den Zellen aller Lebewesen als universeller Transport und Speicherstoff für Energie. In den chemischen Bindungen der Triphosphateinheit ist Energie gespeichert, die bei der hydrolytischen Spaltung der Bindung freigesetzt wird. Adenosintriphosphat wird unter der Freisetzung von 30 kj/mol hydrolytisch in Adenosindiphosphat und Phosphat gespalten.


Koenzyme

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Koenzym A (Acylierung)

Enzym mund Koenzym bilden funktionell eine Einheit (Holoenzym). Die katalytisch wirksame Komponente ist immer ein Protein, das im Holoenzym als Apoenzymbezeichnet wird.


Koenzyme

/ – CH2 – CH2 – NH

O\\ / C – CH2 – CH2 – NH

O H CH3\\ I IC – C – C – CH2 – O – P – P – O – H2C

I I IHO CH3

N

N N

N

NH2

/ P

O OH

O

Pantoinsäureβ-Alanin

Pantothensäure

Pantethin

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Nutzung von Enzymen durch den Menschen

•Nachweis von D-Glucose im Urin mithilfe von Teststäbchen zur Kontrolle und Erkennung von Diabetes (Diagnostik)

•Lipasen zur Fettverdauung in verdauungsunterstützenden Medikamenten (Pharmazie)

•Herausschneiden von DNS Stückchen (Genetik)

•Analyse der Aminosäuresequenz eines Polypeptids (Analytik)

•Beseitigung von Trübung in Fruchtsäften (Lebensmittelchemie)

•Herstellung von Joghurt

•Zusatz von Proteasen in Waschmittel gegen eiweißhaltige Verunreinigungen (Reinigungsmittel)


Koenzyme

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