Einige Rechte vorbehalten Stephan@Gromer-Online · der Funktion im Stoffwechsel. Die obere Abbildung erklärt, wie es Enzymen gelingt, stereoselektiv nur ein Enantiomer als Substrat

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In der Natur spielen die α-Aminosäuren mit Abstand die wichtigste Rolle, da sie beim Aufbau der Proteine verwendet werden. Der Grund hierfür liegt in der im Vergleich zu den anderen (z.B. β-)Aminosäuren starreren Umgebung der Amidbindung, die dadurch geordnete dreidimensionale Strukturen besser ermöglicht.

Aminosäuren sind organische Säuren (-COOH), die zusätzlich über (min-destens) eine Aminogruppe (-NH2) verfügen. In Abhängigkeit von der Position der Aminogruppe im Verhältnis zur Carboxylgruppe unterscheidet man α, β, γetc. Aminosäuren

C

CH

CH

CH

O

NH2

NH2

NH2

OH

R

C

CH

CH

CH

O

NH2

NH2

NH2

OH

R

α-C-Atom → α-Aminosäure

β-C-Atom → β-Aminosäure

γ-C-Atom → γ-Aminosäure

Carboxylgruppe

Aminosäuren bestehen aus einem Kohlenstoffgerüst mit einer Carboxylgruppe und einer Aminogruppe. Man bezeichnet die (in Fischer-Projektion) unterhalb der Carboxylgruppe gelegenen Kohlenstoffatome mit griechischen Buchstaben. Dem C2 entspricht also Cα,dem C3 Cβ usw.In der Natur sind vor allem die α-Aminosäuren wichtig, da sie Aufgrund der engen Nachbarschaft von Aminogruppe und Carboxylgruppe bei der Amidbindung (die in Prote-inen Peptidbindunng heißt) sehr viel starrere Gerüste bilden die für eine geordneten Proteinaufbau notwenig ist.Obwohl α-Aminosäuren quantitativ bei weitem die Hauptrolle spielen, kommen dennoch weitere Aminosäuren auch natürlich vor und haben durchaus Relevanz, wie das Beispiel der γ-Aminobuttersäure (GABA) als einem wichtigen Neurotransmitter zeigt.

Beachte den Unterschied in der Nomenklatur: Anorganisches Ammoniak (NH3) bzw. die protonierte Form (NH4

+), das Ammoniumionwerden mit zwei „m“ geschrieben. Dies gilt auch für Komplexe, wie z.B. [Cu(NH3)4]2+, den man als Tetraamminkupfer(II)ion bezeichnet.Die organische Aminogruppe hingegen schreibt sich nur mit einem „m“

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Mit Ausnahme des Glycins (da R = H) sind praktisch alle α-Aminosäuren chiral aufgebaut. Bei der Nomenklatur verwendet man dabei in der Regel die Stellung der Aminogruppe in der Fischerprojektion. Zeigt diese nach links, handelt es sich um eine L-Aminosäure, andernfalls um eine D-Aminosäure. In der Natur spielen die L-Aminosäuren die herausragende Rolle.Die Entscheidung zwischen D oder L ist jedoch zu Beginn des Lebens auf der Erde wohl eher zufällig gefallen.

C

C*

O

NH2

OH

H

R

C

C*

O

NH2

OH

H

R

L-α-Amino-säure

C

C*

O

H

OH

NH2

R

C

C*

O

H

OH

NH2

R

D-α-Amino-säure

Mit Ausnahme der Glycins besitzen praktisch alle α-Aminosäuren vier verschiedene Substituenten an ihrem α-C-Atom. Sie sind also chiral gebaut, weswegen L- und D-Formen existieren. In Proteinen kommen nur L-Aminosäuren vor, obwohl Proteine die (künstlich) aus D-Aminosäuren aufgebaut wurden ähnliche Eigenschaften besitzen.Wahrscheinlich hat der Zufall zu Beginn des Lebens darüber entschieden, welche Kon-figuration bevorzugt wird. Diese musste dann beibehalten werden.Dennoch gibt es D-Aminosäuren, z.B. in der Bakterienzellwand und einigen Toxinen.Die Unterscheidung ist wichtig, denn Enzyme sind oft stereoselektiv, d.h. sie setzten nur eines der beiden Enantiomere eines racemischen Gemisches um. Das andere Enantiomerkann sogar die Umsetzung hemmen.

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Ein Enzym ist spezifisch für eine Reaktion und für ein bestimmtes Substrat bzw. eine Gruppe von Substraten. Zumeist sind sie Enanti-omeren-selektiv:

Ist ein Substrat eines Enzyms nicht chiral, dass Produkt hingegen chiral, so wird in aller Regel nur eines der beiden möglichen Enantiomere gebildet.

Enzyme sind bezüglich ihrer Substrate wählerisch. Manche akzeptieren lediglich ein einziges Substrat. Andere wiederum eine bestimmt Gruppe von Substraten. Der Grad der Selektivität und Spezifität folgt zumeist aus der Funktion im Stoffwechsel. Die obere Abbildung erklärt, wie es Enzymen gelingt, stereoselektiv nur ein Enantiomer als Substrat zu akzeptieren. Viele Eigenschaften (hohe Spezifität etc.) von Enzymen sind mitbedingt durch den Umstand, das sie selbst chiral sind (Aufbau aus L-Aminsoäuren).Das untere Beispiel zeigt, dass auch die Reaktion an nicht chiralenMolekülen stereoselektiv erfolgen kann. Hier ist es die räumliche Lage des enzymgebundenen neuen Substituenten, die die Bildung des anderen Enantiomers verhindert.Pharmakologische Folge dieser Eigenschaften ist, das von vielen Medikamenten nur eines der Enantiomere (sofern sie chiral sind) die gewünschte pharmakologische Wirkung an einer Zielstruktur entfaltet und das andere Enantiomer entweder in dieser Hinsicht inaktiv ist oder eine völlig andere (zT. gegenteilige) Wirkung hervorruft. Ein an der gewünschten Zielstruktur inaktives Pharmakon ist jedoch immer noch für eine Nebenwirkung gut – und sei es nur die Belastung der Abbauwege (z.B. Hemmung des abbauenden Stoffwechselweges durch kompetitiveHemmung mit geringer Wechselzahl).

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Die unterschiedlichen Eigenschaften der Aminosäuren werden durch die unterschiedlicheStruktur der Seitenketten am α-C-Atom hervorgerufen. Man kann diese wiederum in mehrere Gruppen einteilen.

Polar Apolar

Glyin R = -H Alanin R = -CH3

Tryptophan R =

Phenylalanin R =

Prolin:

Methionin R =

Valin R =

Leucin R =

Isoleucin R =

H2C

NH

H2C

NH

H2C

C

O

CHNH

OH

SH2CCH3CH3

CH3

H2CCH3

CH3CH3

CH3

Tyrosin R =

Asparagin R =

Glutamin R = Threonin R =

Serin R =-CH2OH Cystein R =-CH2SH

Histidin R =

Lysin R = -(CH2)4-NH2

Arginin R =

Glutamat R = -(CH2)2-COOH

Aspartat R = -CH2-COOH

H2C

O

NH2H2C

O

NH2

OHH2C OHH2C

OH2C

NH2

OH2C

NH2

OH

CH3

OH

CH3

NHNH

NH2H2C

NHNH

NH2H2C

H2C NH

N

H2C NH

N

Die Seitenketten einer Aminosäure bestimmen in erheblichem Masse seine Eigenschaften. Man teil sie nach ihrer Seitenkette zunächst orientierend ein in polare und apolareSeitenketten. Innerhalb dieser Gruppen kann man weiter unterteilen in hydrophobe Seitenketten, sowie basische, saure und neutrale Seitenketten. Bei den neutralen finden sich auch die wichtigen Hydroxylgruppen tragenden Aminosäuren (Ser, Thr, Tyr). Von den proteinogenen Aminosäuren sind zudem schwefelhaltig Met und Cys.Man kann die Liebe einer Aminosäure (letztlich fast nur bestimmt durch die Seitenkette) zum Wasser oder Fett über den Hydrophathie-Index zum Ausdruck bringen. Dieser zeigt deutliche Präferenzen zum oder vom Wasser als umgebendem Medium:

Hinweis: Prolin nimmt unter den Aminosäuren eine gewisse Sonderstellung ein, denn bei ihm ist die α-Aminogruppe quasi in die Seitenkette integriert, was in Proteinen von großer Bedeutung ist. Selenocystein ist das Selen-haltige Homolog des Cysteins. Es ist schon fast eine saure Aminosäure (pKa der SeH-Gruppe ca. 5,3)

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CO O

-

HNH3+

R

Biogenes Amin =

OO-

C

O

NH3+

R

C

N R

H

Kondensation→ Peptidbindung

OxidativeDesaminierung

NH4+ + NAD(P)H

HNH3+

R

H DecarboxylierungLiefert CO2

CO O

-

HN+

RH

H

H

TransaminierungÜberführt dabei eine α-

Ketosäure in Aminosäure

CO O

-

R

O α-Ketosäure

PALP

PALP

Aminosäuren sind zu einigen Reaktionen befähigt. Einige der wichtigsten sind hier dargestellt. Wir merken uns schon jetzt, das Pyridoxalphosphat (PALP) das wichtigste Coenzym des Aminosäurestoffwechsels ist.Die Entferung der α−Aminogruppe erfolgt im Stoffwechsel entweder über eine Transaminier-ung (wobei die Aminogruppe auf eine andere Ketosäure übertragen wird, die dadurch selbst zur Aminosäure wird) oder durch eine oxidative Desaminierung unter Abspaltung eines Ammonium-ions.Entfernt man die Carboxylgruppe durch Decarboxylierung so entstehen die biologisch wich-tigen sogenannten biogenen Amine.Beispiele:Histidin → Histamin Botenstoff (Allergie, HCl-Sekretion)Glutamat → γ-Aminobutyrat (GABA) BotenstoffTryptophan →→ Serotonin (=5-HT) Botenstoff im Gehirn und Gefäßsystem Tyrosin →→ Dopamin L-DOPA → Dopamin weiter zu Noradrenalin

und (mit SAM-Methylierung) zu AdrenalinSerin → Ethanolamin PhospholipidsyntheseOrnithin → Putrescin Polyaminsynthese....Man kann Aminosäuren auch unter Wasserabspaltung verknüpfen (Kondensieren). Dabei entsteht eine Peptidbindung, die chemisch im Prinzip einer Amidbindung entspricht. Wegen des partiellen Doppelbindungscharakters dieser Bindung ist sie planar und nicht frei drehbar.Sie kommt in Proteinen weit überwiegend trans-konfiguriert vor (Wichtige Ausnahme: Prolin in etwa 6-10% auch cis)

R1

O

N

R2

H R1

O-

N+

R2

H

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Da jede Aminosäure (mindestens) je eine Aminogruppe und eine Carboxylgruppe besitzt, kann man nicht nur zwei sondern beliebig viele Aminosäuren durch eine Peptidbindung verknüpfen. Dabei entstehen:

NH2

H

R O

N

H

R O

H OH

• DipeptidNH2

H

R ON

H

R O

H

N

H

R O

HOH • Tripeptid

N

H

R O

H

NH2

H

R ON

H

R O

H

N

H

R O

HOH • Tetrapeptid

NH2

H

R O

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

HOH • Decapeptid

... ...Oligopeptide

ca. 2-10 Asr.

Proteine> ca. 100 Asr.

Polypeptideca. 11-100 Asr.

NH2

H

R ON

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

HOH

N

H

R O

H

NH2

H

R ON

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

HOH

N

H

R O

H

n

... ...

... ...

... ...

NH2

H

R ON

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

H

N

H

R O

HOH

n

N

H

R O

H

... ...

... ...

... ...

Man kann theoretisch beliebig viele Aminosäuren miteinander verknüpfen. Die Bezeichnung der Produkte nach ihrer Länge ist etwas heterogen und wird oft sehr locker gehandhabt. So nennt am Verknüpfungen von 2-10 Aminosäuren Oligopeptide, die sich durch das griechische Zahlwort für die Anzahl beteiligter Aminosäuren noch genauer beschreiben lassen. Mehr als 10 Aminosäuren werden meist als Polypeptid bezeichnet. Die Grenze zu den Proteinen ist fließend (Die einen definieren ab 100 Asr, die anderen ab einem Molekulargewicht größer 10000. Da 1 Aminosäure etwa 110 Da (≅ g pro mol) wiegt entspräche dies etwa 91 Aminosäuren). Allerdings nehmen Polypeptide meist erst mit mehr als etwa 45 Aminosäuren echte, stabile Strukturmerkmale an.

Bisweilen werden Aminosäuren in Proteinen nach ihrer Fertigstellung („posttranslational“) noch verändert. Z.B. wird im Kollagen noch eine große Zahl von Lysin und Prolinrestenhydroxyliert.

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Die Bildung einer Peptidbindung ist endergonisch, d.h. sie läuft nicht spontan ab. Somit benötigt die Bildung einer Peptidbindung Energie. Diese wird letztlich über ATP geliefert. Die Kopplung der ATP-Spaltung und der Peptidsynthese erfolgt über Enzyme.

Zudem müssen gezielte Peptidbindungen erzeugt werden. Da die Zahl der möglichen Amino-säureabfolgen unvorstellbar groß ist, wird klar, dass es nur für wenige „Spezialpeptide“ ent-sprechende spezielle Syntheseenzyme geben kann. Das Gro muss über einen allgemein verwendbaren Standardweg synthetisiert werden.

Asr1 + Asr2 + Energie → Asr1-Asr2 + H2O

Bauplan Blaupause Baumaterial Baumaschine

DNA Aminoacyl-tRNA Ribosom

Translation Protein

mRNA

Transkription

Die Bildung einer Peptidbindung ist endergonisch (∆G0´>0). Daher muss diese Reaktion an einen Energie liefernden Prozess, in der Natur also zumeist die Spaltung von ATP (Letztlich bei der Bildung der Aminoacyl-tRNA), gekoppelt werden. Dies erfolgt über Enzyme. Da für ein funktionstüchtiges Protein zudem nicht irgendwelche Aminosäuren verknüpft werden können, besteht zudem das Problem, dass es nicht für jede Peptid-bindung in jedem Protein ein eigens Enzym geben kann (die ja auch Proteine sind !). Somit kann es nur für wenige spezielle Anwendungen spezielle Syntheseenzyme geben. Ein Beispiel ist das für den Redoxstoffwechsel so wichtige Glutathion (seine Synthese ist neben der Na+K+ATP-ase der wichtigste ATP-verbrauchende Prozess im Erythrozyten !!). Hier wird u.a. eine untypische γ-Peptidbindung erzeugt (normale Protein über α)

Die meisten Proteine werden als Bauplan auf der DNA gespeichert und vor der Synthese auf mRNA transkribiert. Diese dient den Ribosomen als Arbeitsvorlage um die an tRNAsgebunden Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge zu verknüpfen. Diese Synthesema-schinerie ist universell einsetzbar.Hinweis: Beachte den Aufbau der tRNA (Kleeblatt (2D) oder L-Form (3D), Die Asr. ist am 3‘ Ende, weit weg vom Anticodon (das mit der mRNA natürlich wie Sense und Antisensestrang bindet)

Beispiel: GlutathionsyntheseGlutamat

Cystein + ATPADP + Pi

γ-GlutamylcysteinGlycin + ATPADP + Pi

γ-Glutamylcysteinylglycin(=Glutathion =GSH)

γ-Glutamyl-cystein

synthetase

Glutathionsynthetase

α β

γ

O

O

O-

NH3+

O

N

SH

H

O

N O-

Hα

α

„Atypisch“

Peptid-bindung

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Ggf. essentiell durch Ab-hängig-keit

TyrY

CysC

ArgR

GlnQ

ProP

SecU

Nicht essentiell

SerS

AsnN

GluE

AspD

GlyG

AlaA

Essentiell ValV

LeuL

IleI

TrpW

HisH

PheF

ThrT

MetM

LysK

Es gibt eine Unzahl von Aminosäuren. Im menschlichen Organismus werden je-doch nur 21 L-Aminosäuren direkt für die Proteinbiosynthese verwendet. Nur knapp die Hälfte davon kann der Körper selbst aufbauen. Die übrigen müssen von außen zugeführt werden – sind also essentiell.

Merkhilfen unter: http://www.mednote.co.kr/Yellownote/BIOCHMNEMON.htmDer Körper verwendet von der großen Zahl natürlich vorkommender Aminosäuren nur 21 für die Proteinbiosynthese. Siehe auch Seite 5. Neben dem 3-Buchstabencode gibt es auch einen 1 Buchstabencode für diese AminosäurenEinige davon kann der Körper nicht synthetisieren, sondern muss diese von außen aufnehmen. Es sind dies die verzweigtkettigen, aliphatischen Aminosäuren: Val(in), Leu(cin), I(so)le(cin)Aromatischen Aminosäuren: Phe(nylalanin), Tr(y)ptophan (aus dem der Körper übrigens Nicotinamid bildet)das kationische Lys(in)das schwefelhaltige Met(hionin) und das neutrale Thr(reonin)Da Tyr(osin) und Cys(tein) aus essentiellen Aminosäuren gebildet werden, werden diese bei einem Mangel an ihren Precursoraminosäuren (Phe bzw. Met) ebenfalls essentiell.Einige Aminosäuren können in bestimmten Lebensabschnitten (i.B. Fetus, Frühgeborene und Säuglinge) aufgrund nicht ausreichender Enzymaktivität essentiell werden (i.B. Arg, Pro, Gln). Selenocystein (Sec) wird nicht wie die anderen Aminosäuren direkt eingebaut. Die Sec-tRNA wird zunächst mit Serin beladen und erst dann mit Selenophosphat zur Sec-tRNA modifiziert. Somit kann freies Sec nicht direkt zur Proteinbiosynthese verwendet werden. Der Code für den Einbau von Sec ist ein Stop-Codon, das durch eine Haarnadelschleife in der mRNA uminterpretiert wird (Review z.B. Gromer S. et al. Cell Mol Life Sci. 2005; 62:2414-37).Bei den Aminosäuren darf man nicht nur die essentiellen ersetzen (sie machen sogar „nur“ 25% (max. 50%) aus). Der Körper kann zwar die anderen synthetisieren, jedoch benötigt dies unnötig Energie u. ist im pathologischen Zustand auch nicht immer ausreichend möglich. Der Bedarf an essentiellen Aminosäuren (g·kg-1 BW) sinkt mit dem Alter sowohl relativ als auch absolut. In Stresssituationen (Postoperativ, Trauma, Verbrennung...) steigt er ggf. wieder an.

13.12.2006 10


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• Durch die Proteinbiosynthese ist die Abfolge der Aminosäuren in einem Protein festgelegt. Lägen die Proteine danach lediglich als „Aminosäurespaghetti“ vor, wären sie funktionell wenig nützlich. Proteine bilden jedoch zumeist stabile, geordnete dreidimensionale Strukturen, die dann eine unglaubliche Vielfalt an Funktionen erfüllen.

Warum aber faltet sich ein Protein ?Die Gegebenheiten:

• Die Peptidbindung der Proteine ist planar und nicht frei drehbar. Sie ist fast immertrans-konfiguriert

• Drehungen um die Einfachbindungen des α-C-Atoms sind jedoch prinzipiellmöglich. Sterische Behinderungen lassen aber nicht jede beliebige Drehung zu.

• Die Ausbildung der stabilen Konformation (=natives Protein) unterliegt den Gesetz-en der Thermodynamik, d.h. Ziel ist die Konformation mit der größten (negativen) Änd-erung der freien Enthalpie (∆G). Diese ist gering (ca. – 25 bis – 65 kJ·mol-1)

• Wassermoleküle bilden am besten untereinander Wasserstoffbrücken. Wasser hat eine hohe Entropie (S0=70 J·°K-1·mol-1 d.h. bei 37°C=310K ca. -T∆S = -22 kJ·mol-1).

• Ein Protein muss vom umgebenden Wasser von einer Hydrathülle umgeben wer-den. Diese ist zwingt zu einer gewissen Ordnung der Wassermoleküle, verbunden mit einer Abnahme der Entropie.

• Hydrophobe Anteile versuchen die dem Wasser exponierte Oberfläche zu minimier-en, lagern sich (i.d.R. im Proteininneren) zusammen und verdrängen dabei Wasser-moleküle, die dadurch nicht mehr eine geordnete Hydrathülle bilden müssen. Dies führt in Summe zu einer Zunahme der Entropie.

• Wasserstoffbrücken und ionische Wechselwirkungen stabilisieren zusätzlich.

Wdh.: Isomerie heißt, dass Moleküle zwar die gleiche Summenformel besitzen, die Atome in diesen Molekülen jedoch verschieden verknüpft sind. Moleküle können also auch „Raumisomere“ = Stereoisomere sein. In steroisomerenMolekülen können die Atome jeweils mit den gleichen Partnern verbunden sind (=Konstitutionisomerie). Gleichen sie sich dabei wie Bild und Spiegelbild (d.h. man kann Bild und Spiegelbild nicht durch drehen miteinander zur Deckung bringen), so sind diese Moleküle Enantiomere. Im anderen Falle sind die Moleküle Diastereomere. Diese Form der Isomerie ist die Konfigurationsisomerie. Nun sind Moleküle häufig auch keine starren Gebilde. Insbesondere um Einfachbindungen lassen sich die beteiligten Atome (samt ihrer sonstigen Partner) drehen: Konformationsisomere.

Man nennt gefaltete Proteine auch „native Proteine“Die Faltung ist ein physikochemischer Prozess, der den Regeln der Thermodynamik unterliegt: Damit siefreiwillig und spontan ablaufen kann muss ∆G (= ∆H – T × ∆S) negativ sein. Da bei der Faltung eines Proteins praktisch keine Wärme frei wird ist ∆H gering (≈0 oder sogar leicht positiv). Auch die Temperatur (T) bleibt im Organismus konstant (37°C = ca. 310 K). Somit kann nur die Zunahme der Entropie ∆S eine relevante Triebkraft darstellen.Die Faltung eines Proteins per se bedeutet aber eine Abnahme der Entropie. Woher stammt also die in Summe offensichtliche Zunahme ?Es ist die Freisetzung von Wasser. Da Wasser am liebsten besten mit sich selbst Wasserstoff-brücken bildet (d.h. die Zahl von H-Brücken pro Volumen ist am höchsten), kann durch Zusammenlagerung der hydrophoben Aminosäurereste, Wasser – das um diese Reste zuvor eine relativ geordnete Hydrathülle (s.u.) bilden musste – freigesetzt werden.

Unpolares, Unpolares, zu zu

lösendes lösendes TeilchenTeilchen

Beachte das die Bildung von Wasserstoffbrücken im Protein selbst energetisch nur einen geringen Beitrag leisten kann, denn für jede neue H-Brücke muss ja eine zuvor mit dem Wasser bestehende gespalten werden.Die hydrophoben Wechselwirkungen jedoch – obwohl jede für sich klein – sind eine wichtige Triebkraft.

13.12.2006 11


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Temporäre Dipole• Die hydrophoben u. van-der-Waal‘s Wechselwirkungensind sehr wichtig. Sie steigen mit abnehmendem Abstand der hydrophoben Gruppen.Ziel: Verringerung der dem Wasser exponierten Ober-fläche hydrophober Seitenketten (die dadurch i.d.R. in das Innere d. Proteins zeigen)→ wg. H2O Gesamtentropie↑

Permanente Dipole• Wasserstoffbrücken und ionische Wechselwirkungensind ebenfalls sehr wichtig. Auf dem Weg vom „Amino-säurespaghetti“ zum gefalteten Protein, bestehen aber quantitativ bereits viele dieser Wechselwirkungen mit dem umgebenden Wasser, so dass sie nur eine geringe Trieb-kraft darstellen. Da jedoch Wassermoleküle untereinan-der bessere Wasserstoffbrücken ausbilden als mit derAminosäurekette, steigt durch Umgruppierung die En-tropie.Ziel: Maximierung der Anzahl Wasserstoffbrücken und ionischer Wechselwirkungen (überwiegend untereinan-der aber auch mit dem umgebenden Medium)

NR2

R1

O

H

N+ R2

R1

O-

H

• Die Peptidbindung ist planar und nicht frei drehbar. In Grenzen frei drehbar sind hingegen die Einfachbindung-en des α-C-Atoms.

Nur bestimmte Drehwinkel um die α-C-Einfachbindungen sind sterisch in Peptiden möglich:

Das Beispiel zeigt: Ballen sich hydrophobe Bereiche zusammen, sinkt der Oberfläche zu Volumen Index. Es muss also weniger Wasser zur Bildung einer geordneten Hydrathülle freigestellt werden. Dieses frei gewordene Wasser steigert die Entropie

4 6

4+

vs.

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• β-Konformation und daraus resultierend β-Faltblätter („β-sheet“)

Das Polypeptidrückrat windet sich eng helical um eine imaginäre Achse. Dabei bilden die Carbonyl- und Amino-gruppen einer Aminosäure mit der in der Primärstruktur 4 Positionen weiter liegenden Aminosäure eine Wasserstoffbrücke. Für eine 360° Umdrehung werden ca. 3.6 Aminosäuren benötigt, die dabei 0,54 nm überwinden. Auch die Seitenketten jeder 3 oder 4 Aminosäure können interagieren (z.B. Lys und Asp).Im Schnitt liegen etwa 25 % eines Proteins als α-Helix vor. Bisher wurden nur rechtsgängige Helices gefunden.

Das Polypeptidrückrat ist Zickzack-förmig gestreckt. Die Seitenketten werden dabei senkrecht zum Peptidbindungsebene (alternierend nach oben und unten) herausgestreckt. Wenn zwei oder mehr Ketten-abschnitte in dieser sog. β-Konformation nebeneinander zu liegen kommen, bilden sie ein sog. β-Faltblatt.Haben diese Abschnitte die gleiche Orientierung in Bezug auf den N- bzw. C-Terminus nennt man dies ein paralleles, sonst ein antiparalleles (häufiger!) β-Faltblatt. Der Abstand zwischen identischen Positionen ~0.7 nm

Durch die DNA-Sequenz und die daran gebundene Translation ist die Abfolge der Aminosäuren in einem Protein festgelegt. Dadurch sind die Möglichkeiten, wie die Aminosäuren des Proteins mit ihrer Umgebung Wechselwirken und damit die Struktur des gefalteten Proteins beeinflussen können weitgehend festgelegt.

Man bezeichnet daher die Abfolge der Aminosäuren in einem Protein (Aminosäuresequenz) auch als Primärstruktur�Durch die zuvor genannten Prinzipien, streben Proteine nach einer optimalen Bildung von

Wasserstoffbrücken. In Abhängigkeit von der Aminosäuresequenz bilden sich hierbei in lokalisierten Abschnitten eines Proteins insbesondere 3 häufige Grundmuster aus.Diese drei häufigen lokalen Grundmuster sind:

• (Verbindende) Schleifen („turns“), insbesondere β-Schleifen

• α-Helix

Die Richtungsumkehr im Protein erfolgt meist über Schleifen, wobei insbesondere die β-Schleifen sehr häufig sind. Mit 4 Aminosäuren, wobei die 1. und 4. eine Wasserstoffbrücke bilden, gelingt die 180° Drehung. Gly oder Pro (oft in cis-Bindung) sind daran häufig beteiligt. Im Schnitt sind bis zu 30% aller Aminosäuren in Schleifen.

α-Helix3.6 Aminosäuren pro 360° Windung. D.h. jede 3 oder 4 Aminosäure der Primärstruktur kann interagieren. Sie sind offenbar alle rechtsgängig, Pro 260° Drehung ist die Ganghöhe 540 pm = 0.54nm (vgl. Membrandicke ca. 10 nm).Nicht alle Aminosäurereste sind für eine α-Helixgeeignet. Ebenso stören identische Ladungen, wenn sie nebeneinander zu liegen kommen. Die α-Helixbildet einen elektrischen Dipol (neg. am C-Terminus, pos. am N-Terminus)

Pro

3. Asr. Gly

x+4

x

Amino-terminus

Carboxy-terminus

360° ×3.6 Asr.×0.54 nm

Parallele

Faltblätter

Anti-parallele

Faltblätter

β-Faltblatt:Sie kommt zustande, wenn mind. 2 Sequenzabschnitte mit β-Konforma-tion nebeneinader zu liegen kom-men.In Abhängigkeit von der Nähe übereinander liegender Faltblätter gibt es eine Einschränkung der Grösse der Seitenkettenreste. In Realitas sind sie alle leicht nach Rechts verdreht

β-SchleifenSie finden sich häufig bei der 180° Umkehr zwischen den Strängen eines antiparallelen β-Faltblattes. Es kommt zur Waserstoffbrückenbildung zwischen der 1. und der 4. AminosäureEs gibt verschiedene Subtypen. Glyin und Prolin finden sich wegen ihrer Eigenschaften sehr oft

Anm.: Die Kollagen-Helix wird oft als eigene Sekundärstruktur betrachtet (Kollagentripelhelix jedoch Tertiär/Quartär)

Sekundärstrukturen:

13.12.2006 13


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Man teilt Proteine allgemein in zwei große Gruppen ein:Faserproteine:• fast immer wasserunlöslich• bilden lange Strecken und Schichten• meist nur ein Sekundärstrukturelement• Verleihen Struktur, Halt, Form u.Festigkeit

Beispiele:α-Keratin, Kollagene, Elastin, Seide

Globuläre Proteine:• meist wasserlöslich• bilden kugelartige Gebilde • Mehrere versch. Sekundärstrukturelemente• Träger komplexer Funktionen

Beispiele:fast alle Enzyme, Albumin, Myoglobin

Globuläre Proteine sind meist extrem kompakt aufgebaut.• Normale Atome nutzen etwa 40%-60% Raum-

anteil. • Kristalle erreichen mit 70-78% fast den theo-

retischen Maximalwert. • Viele globuläre Proteine erreichen etwa 75 % !

Dadurch steigen wiederum die van-der-Waals-Wechselwirkungen.

Es sei des weiteren erwähnt, das Bereiche, die sich nicht den zuvor genannten Sekundärstrukturelementen zuordnen lassen, nicht unbedingt „ungeordnet“ sind. Ihre Sekundärstruktur lässt sich nur nicht so leicht einem einfachen Schema zuordnen.Bisweilen bezeichnet man die Abfolge bestimmter Sekundärstrukturen auch als Faltungsmotive oder „Supersekundärstrukturen“

Reines β-Faltblatt

Native globuläre Form

Reine α-Helix

Was wäre wenn....

... Serumalbumin (585 Aminosäuren) aufgebaut wäre als...

βαβ-Faltungsmotiv

N

C

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1 10 20H3N+-MVKQIESKTAFQEALDAAGD

KLVVVDFSATWCGPCKMIKPFFHSLSEKYSNVIFLEVDVDDCQDVASECEVKCMPTFQFFKKGQKVGEFSGANKEKLEATINELV-COO-

Insbesondere (aber nicht nur) in globulären Proteinen kommen durch Schleifenbildung und ähnliche Mechanismen, auch in der Primärstruktur z.T. weit entfernt liegende Amino-säurereste in so enge Nachbarschaft, dass sie Wasserstoffbrücken, ionische und van-der-Waals- sowie hydrophobe Wechselwirkungen miteinander bilden können.

Darüber hinaus können auch jetzt benachbart liegende Cysteinreste miteinander Disulfid-brücken ausbilden. Dabei handelt es sich um eine kovalente Bindung, die um ein viel-faches stabiler ist als nichtkovalente Bindungen wie z.B. eine Wasserstoffbrücke oder gar eine schwache van-der-Waals-Wechselwirkung. Sie führt häufig zu einer enormen Stabil-isierung eines Proteins. Insbesondere kleine Proteine, die aufgrund ihres ungünstigen Ober-fläche zu Volumen Indexes relativ instabil sind machen hiervon Gebrauch.

Diese Strukturebene, die räumliche Beziehung aller Atome einer Proteinkette und die dabei gebildeten Wechselwirkungen (insbesondere auch Disulfidbrücken)

bezeichnet man als: Tertiärstruktur�

Bindungsenergien:Kovalent: ~ 300-400 kJ·mol-1

Ionische Wechselwirkung: ~ 86 kJ·mol-1Wasserstoffbrücken: ~ 20 kJ·mol-1Dipol-Dipol-Brücken: ~ 9.3 kJ·mol-1

London-Dispersionskräfte: ~ 0.3 kJ·mol-1

Cys42

Cys58

Kleine Proteine haben einen schlechten Oberfläche zu Volumen Index. Damit wirken die hydrophoben Wechselwirkungen nur gering. Zumeist erfolgt die weitere Stabilisierung durch Disulfidbrücken.

34103Amylase

22425Chymotrypsin

32246Trypsin

11294Lysozym

11244Ribonuclease

1583Trypsininhibitor

Funktions-verlustfrei spaltbare

SS-Brücken

AnzahlAmino-säuren

Anzahl Disulfid-brücken

Protein

Radius

Obe

rfläc

hepr

oV

olum

en

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+

Prinzipiell könnten Proteine beliebig groß sein. Dies ist jedoch ineffektiv:• Jede Aminosäure eines Proteins muss auf der DNA mit (mind.) 3 Basen kodiert sein. Da-

mit steigt mit zunehmender Länge die Mutationsanfälligkeit.• Auch die Proteinbiosynthese macht Fehler. Je länger ein Protein wird, umso größer ist

dieses Risiko. Da schon ein Aminosäureaustausch zum Funktionsverlust führen kann, steigt mit zunehmender Länge dieses Risiko an. Die Produktion eines funktionslosen Proteins ist jedoch ATP-Verschwendung.

Die Lösung - Prinzip Lego®• Das „Gesamtkunstwerk“ wird aus mehreren einzeln gefertigten kleinen Proteinunter-

einheiten zusammengesetzt.• Bei der Interaktion der Untereinheiten spielen die schon bekannten Wechselwirkungen –

Wasserstoffbrücken, ionische-, hydrophobe-, van-der-Waals-Wechselwirkungen und Disulfidbrücken eine wichtige Rolle.

Diese Strukturebene, die räumliche Beziehung u. Wechselwirkung verschiedener

Polypeptidketten bezeichnet man als:Quartärstruktur�Beachte, dass weder die mRNA-Synthese noch die Proteinbiosyn-these über kein echtes Proofreading verfügen. Fehler sind daher vorprogrammiert und ihr Risiko steigt mit zunehmender Länge. Viren z.B. haben zudem das Problem keine beliebig lange DNA/RNA mit-nehmen zu können. Ergo Lego-Prinzip. Bau ein (paar) Bauteil(e) und verwende es/sie mehrfach. (Paradebeispiel Viruscapsid)Das Lego-Prinzip zieht sich über das gesamte Feld der Proteine fort. Ebenso wie es bei Lego für bestimmte Funktionen Spezialbausteine gibt, verwendet die Natur bestimmte Funktionsstrukturmotive die eine bestimmte Funktion erfüllen. Man nennt sie Domänen. Meist bestehen sie aus 40-100 Aminosäuren. Sie können Teil von Primär- bis Quartärstruktur sein.

Sie werden in verschiedenen Proteinen gefunden und erfüllen dort ähnliche Funktionen. z.B. Bindung von Nukleotiden.

Unterscheide Mutation von Polymorphismus

Mutation: Veränderung (z.B. Aminosäureaustausch) mit Krankheits-wert. Etwa 30% aller Erbkrankheiten beruhen auf dem alleinigen Austausch einer einzigen Aminosäure in einem Protein

Polymorphismus: Veränderung (z.B. Aminosäureaustausch) ohneKrankheitswert. Etwa 20-30 % aller Proteine sind polymorph

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Unter dem Einfluss dieser Faktoren können Proteine ihre Struktur und damit Funktion ganz oder teilweise verlieren. Man sagt sie werden denaturiert.

• Wärme führt zum Aufbrechen der Wasserstoffbrücken und anderer schwa-cher Wechselwirkungen

• Chaotrope Substanzen wie Harnstoff, Guanidiniumchlorid aber auch organ-ische Lösungsmittel und Detergentien stören, indem sie insbesondere diehydrophoben Wechselwirkungen im Protein aufheben.

• pH-Änderungen verändern die Ladungszustände vieler Seitenketten. Da-durch kann es zur elektrostatischen Abstoßung kommen.

• Reduktionsmittel wie β-Mercaptoethanol oder DTE spalten die kovalenten, stabilisierenden Disulfidbrücken

Die Struktur von Proteinen wird überwiegend von vergleichsweise schwachen Wechselwirkungen aufrechterhalten.Eine Vielzahl von Einflüssen können hier störend wirken. Beispiele:

Werden diese Störeinflusse entfernt und sind keine irreversiblen Modifikationen eingetreten so können viele Proteine – jedoch nicht alle – ihre alte Struktur und Funktion wieder aufnehmen. Sie werden also renaturiert.

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• Prosthetische Gruppe: dauerhaft an ein Protein ge-bundene Nichtproteinverbindung wie z.B. Häm (hier am Beispiel des Hämoglobins) oder das FAD in der Glutathionreduktase.

• Insbesondere Enzyme besitzen neben ihrem Proteinanteil häufig noch weitere mehr oder minder fest an das Enzym gebundene Verbindungen, die häufig für die Funktion unerlässlich sind.

• Cofaktor: Sämtliche an ein Enzymprotein gebundenen, für die Katalyse benötigte Verbindungen wie z.B. Metallionen.Ein Sonderfall sind die sogenannten Coenzyme. Dabei handelt es sich um organische Verbindungen (z.B. NAD(P)+, Coenzym A u. Q, ATP), häufig auf Basis von Vitaminen. Nehmen sie wie ein Substrat an der Reak-tion teil, bezeichnet man sie besser als Cosubstrat.

Anm.: Die Definition der Prosthetischen Gruppe ist leider nicht einheitlich. Es gibt sich z.T. widersprechende Definitionen.Da viele Cofaktoren von Vitaminen abstammen oder Spurenelemente sind, führen viele der entsprechende Mangelzustände letztlich i.B. über nicht funktionstüchtige Enzyme zu ihren charakteristischen klinischenErscheinungsbildern.Beispiele für Metalle als Enzym-Cofaktoren:

Zn2+: Alkoholdehydrogenase (ADH), viele MetalloproteasenFe2+: Katalase (im Häm)Cu2+: Superoxiddismutase (SOD)Mo4/6+: Xanthinoxidase

Bsp. wichtiger CoenzymeThiamin-PP: z.B. in Transketolase (Wernicke-Korsakoff-Syndrom);

z.B. in Pyruvat-DH; α-Ketoglutarat-DH

Pyridoxal-5‘-phosphat (PALP): Transaminasen, Glykogenphosphorylase

N

N

CH2

NH2

H3C

SH

CH3

CH2 CH2

N+

O P OO

O-PO

O-

O-

N+

OH

CH3

HO

OP-OO

O-

H

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• Um Proteine zu untersuchen, muss man sie zunächst aufreinigen. Gewebehomogenisation, Fällungen und ver-schiedenste chromatographische Schritte finden sich in fast jedem Reinigungsprotokoll.

• Um die 3-dimensionale Struktur eines Proteins aufzuklären, muss es zu-nächst in unzähligen Versuchen kristal-lisiert u. dann mittel Röntgenstrahl-beugungsanalyse untersucht werden. Aus den dabei gewonnen Daten wird letztlich die Struktur ermittelt.

Der langeWeg vomProteinkris-tall zur Pro-teinstruktur

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Enzyme – Grundlegendes

• Enzyme dienen der häufig extremen Beschleunigung spezifischer chemischer Reaktionen (k↑). Sie sind Bioka-talysatoren. Sie beeinflussen dabei jedoch nicht die Lage des chemischen Gleichgewichtes (K).

• Praktisch alle Enzyme sind Proteine.(Es gibt jedoch auch aus RNA-aufgebaute Biokatalysator-en, sogenannte Ribozyme.)

• Katalysieren zwei oder mehr Enzyme mit verschiedener Primärstruktur die selbe Reaktion, so bezeichnet man diese Enzyme als Isoenzyme.

• Die durch Enzyme bewirkte Beschleunigung von chemischen Reaktionen ist beeindruckend. Steigerungen um Faktor 10.000 sind absolut nichtsungewöhnliches.Die Lage des chemischen Gleichgewichtes wird nicht be-einträchtigt, da lediglich die Geschwindigkeitskonstante sowohl der Hin- wie auch der Rückreaktion gleichermaßen gesteigert wird. Für die Reaktion A+B C + D gilt:

Wenn nun sowohl kHin wie kRück durch ein Enzym um einen Faktor z beschleunigt werden, so kürzt sich dieser Faktor z aus der Gleichung heraus. K bleibt konstant.• Fast alle Enzyme sind Proteine. Das bedeutet jedoch nicht, das nicht andere Stoffklassen bei der Katalyse mitspielen. Wir kommen darauf zurück. • Es sei erwähnt das auch Ionenpumpen, Kanalproteine und andere Eiweiße wenn auch nicht auf den ersten Blick erkennbar so doch Enzyme darstellen.• Isoenzyme spielen in der Diagnostik bisweilen eine große Rolle. Beispiel-sweise die Alkalische Phosphatase. Bei Gallenwegserkrankungen und bei Erkrankungen mit Knochenbeteiligung kann die Aktivität dieses Enzyms im Serum erhöht sein. Die Enzyme aus den beiden Organsystemen sind jedoch in ihrer Primärstruktur nicht identisch, so dass sich mit anderen Methoden notfalls die Herkunft des Enzyms feststellen läst.

Hin

Rück

Rück

Hin

kk

c(B)c(A)c(D)c(C)

vvK =

⋅⋅==

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Enzyme – Prosthetische Gruppen und Cofaktoren• Enzyme besitzen neben ihrem Proteinanteil häufig noch weitere

mehr oder minder fest an das Enzym gebundene Verbindungen, die häufig für die Funktion unerlässlich sind.

• Prosthetische Gruppe: fest an ein Enzym (allg. Protein) gebundene Nichtproteinverbindung wie z.B. Häm (hier am Beispiel des Hämoglobins) oder das FAD in der Glutathionreduktase.

• Cofaktor: Sämtliche an das Enzymprotein gebundenen, für die Katalyse benötigte Verbindungen wie z.B. Metallionen.Ein Sonderfall sind die sogenannten Coenzyme. Dabei handelt es sich um organische Verbindungen (z.B. NAD(P)+, Coenzym A u. Q, ATP), häufig auf Basis von Vitaminen. Nehmen sie wie ein Substrat an der Reaktion teil, bezeichnet man sie besser als Cosub-strat.

Anm.: Die Definition der Prosthetischen Gruppe ist leider nicht einheitlich. Es gibt sich z.T. widersprechende Definitionen.Da viele Cofaktoren von Vitaminen abstammen oder Spurenelemente sind, führen viele der entsprechende Mangelzustände letztlich i.B. über nicht funktionstüchtige Enzyme zu ihren charakteristischen klinischen Erscheinungsbildern.Beispiele für Metalle als Enzym-Cofaktoren:

Zn2+: Alkoholdehydrogenase (ADH), viele MetalloproteasenFe2+: Katalase (im Häm)Cu2+: Superoxiddismutase (SOD)Mo4/6+: Xanthinoxidase

Wichtige Coenzyme (Bitte !! Struktur nur wiedererkennen können)Thiamin-PP: z.B. in Transketolase (Wernicke-Korsakoff-Syndrom);

Pyruvat-DH; α-Ketoglutarat-DH

Pyridoxalphosphat: Transaminasen, Glykogenphosphorylase

N

N

CH2

NH2

H3C

SH

CH3

CH2 CH2

N+

O P OO

O-PO

O-

O-

N+

OH

CH3

HO

OP-OO

O-

H

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Wichtige Coenzyme (Fortsetzung)Biotin: z.B. in Acetyl-CoA-Carboxylase

Riboflavin: z.B. in Glutathionreduktase, Pyruvat-DH, (jeweils als FAD)Bei FMN erfolgt 1x Phosphorylierung, beiFAD wird zusätzlich noch ein AMP„angehängt“

Tetrahydrofolat (THF):

Coenzyme : Thiamin-PP (Vit. B1)Riboflavin (Vitamin B2; Basis für FMN und FAD)Pyridoxalphosphat (PALP, Vit. B6)Biotin (Vitamin H)(Tetrahydro)folat

• Einige wichtige Cofaktoren:Metalle: Fe2+/3+; Mg2+; Zn2+; Cu2+; Mo4+/6+

• Ein Enzym, welches seinen Cofaktor gebunden hat (und damit katalytisch aktiv ist) nennt man Holoenzym. Das inaktive (ohne gebundenen Cofaktor) nennt man Apoenzym.

CofaktorCofaktorCosubstrateCosubstrate

Coenzym

Prosthetische Gruppe

NHHN

S

O

(CH2)4 CO

OH

N

NNH

NH3C

H3C

O

O

CH2

CHCHCHCH2OH

HOHOHO

HN

N N

N NH O

O

H2NH

H

H

HNH COO-

CH2HCH2 C OH

O

n

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Enzyme – Nomenklatur„Man kann nur denken was man auch sprechen kann“

Zur Benennung der über 2000 bekannten Enzyme gibt es zwei MöglichkeitenTrivialnamen - Meist historischen Ursprungs ohne feste Regeln.

Vorteil : Meist prägnant und kurz. Nachteil : Durch Doppelentdeckung und neue Erkenntnisse oft viele Namen für

ein und dasselbe Enzym u. damit ggf. Probleme bei der Literatur-recherche

Beispiele : Trypsin, Malatenzym, Old yellow enzymeSystematische Nomenklatur (Enzyme Commission der IUB):

Vorteil : Eindeutige Zuordnung, Name beschreibt eingehend Funktion. Erleichterte Literaturrecherche

Nachteil : Namen lang und umständlich, wenig einprägsamBeispiel : L-Malat: NAD-Oxidoreduktase (decarboxylierend) = EC 1.1.1.37

Im Falle der EC-Nomenklatur wird ein Enzyme zunächst einer von 6 Hauptgruppen zugeordnet. Die weiteren Ziffern klassifizieren innerhalb dieser Hauptgruppe weiter. Daraus ergibt sich die vierstellige, eindeutige EC-Nummer.Alle Enzyme enden auf „-ase“

Die sechs Hauptgruppen:1. Oxidoreduktasen 2. Transferasen 3. Hydrolasen4. Lyasen 5. Isomerasen 6. Ligasen

Die systematischen bzw. die EC-Nummern sind nicht zu lernen bestimmt. Ihr sollt sie lediglich kennen und ggf. wissen wie man nachschlägt.Anm: Synthase ohne NTP; Synthetase mit NTP Verbrauch (meist ATP)

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Thermodynamik light

Definition:

- positive Energiebeträge müssen dem System zugeführt werden - negative Energiebeträge werden von ihm freigesetzt

Der Ablauf chemischer Reaktionen wird entscheidend von Energiebilan-zen bestimmt. Aus einem Pool bekannter (gemessener) Standarddaten lassen sich diese Energiebilanzen berechnen.

∆G

∆H

T•∆S

Beispiel: A+B C+D + ∆H

Enthalpie kann man frei mit Energieinhalt übersetzen. Die Einheiten der Enthalpien sind J/mol (veraltet: kcal/mol). Bei einer Reaktion ändert (∆ !!) sich der Energieinhalt des Systems. Die Änderung dieser Gesamtenergie beschreibt der Term ∆H. Ist ∆H negativ (z.B. –120 kJ/mol), so wird bei der Reaktion Energie freigesetzt, ist ∆H positiv, so muss dem System Energie zugeführt werden, damit die Reaktion abläuft. ∆H wird bestimmt, indem die gesamte Energie in Form von Wärme zu- bzw. abgeführt wird.Es wäre für das Leben außerordentlich ungünstig, wenn chemische Reaktionen lediglich Wärme produzieren würden. Und in der Tat kann ein Teil, aber leider nicht die gesamte, Reaktionsenergie in Arbeit (mechanische, elektrische etc.) umgesetzt werden. Diesen Teil nennt man Freie Enthalpie ∆G (weil man in seiner Verwendung (Arbeit vs. Wärme) frei ist). Wie bereits erwähnt kann nur über ein Teil der Energie frei verfügt werden. Der andere ist gebunden und wird in Wärme umgesetzt. Diese ist die gebundene Enthalpie, die der Term T· ∆Sbeschreibt. T ist die absolute Temperatur, bei der die Reaktion stattfindet (in Kelvin) und ∆S die ominöse Entropie. Die Entropie wird häufig als Unordnung beschrieben. Sie strebt einem Maximum zu (Paradebeispiel: Stephans Schreibtisch). Gas beispielsweise ist bestrebt, sich auf ein gegebenes Volumen zu verteilen und wird nicht spontan einen Teil des Volumens freigeben. Hierfür muss man Arbeit aufbringen.Die Gibbs-Helmholz-Gleichung beschreibt diese Zusammenhänge (∆G = ∆H -T•∆S). Für den (freiwilligen) Ablauf einer Reaktion ist weniger ∆H sondern vielmehr ∆G entscheidend. Nur wenn ∆G<0 ist kann eine Reaktion freiwillig ablaufen.

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Thermodynamik light

Freie Standardbildungsenthalpie ∆G0f:

Für jede Verbindung kann man die freie Enthalpie für die Bildung aus den Elementen aus denen sie besteht bestimmen. Die freie Standardbildungsenthalpie wird dabei unter Standard-bedingungen bestimmt: Alle Stoffe liegen bei 25 °C, 1013 mbar als 1 mol oder (bei Lösungen) 1 mol·l-1 vor. Diese Werte werden in Tabellen gelistet und werden mit ∆G0

f beschrieben.

„Biochemische“ freie Standardbildungsenthalpie ∆G0‘f:

Die Definition der freien Standardbildungsenthalpie ∆G0 ist für physiologische Zwecke wenig nützlich, bedeutet es doch u.a. pH=0. Daher gibt es entsprechende Werte (mit ansonsten gleicher Definition) bei pH=7. Auch sie werden in Tabellen gelistet aber jetzt mit ∆G0‘

fbezeichnet (Auf das Apostroph kommt es an!).

Die freie Standard-Enthalpie ∆G0 bzw ∆G0‘:Im Organismus werden Verbindungen in der Regel nicht aus ihren Elementen aufgebaut, son-dern aus Vorläuferverbindungen. Daher nutzen einem die schönen Tabellenwerte zunächst we-nig. Man kann aber aus ihnen den Wert für die zu betrachtende Reaktion berechnen.

Tabelle der freien Tabelle der freien StandardbildungsenthalpienStandardbildungsenthalpien::...6 C + 6 H2 + 6 O2 → C6H12O6 ∆G0

f(C6H12O6)= -...C + O2 → CO2 ∆G0

f(CO2)= -...H2 + ½O2 → H2O ∆G0

f(H2O)= -......

C6H12O6 + 6 O2→6 CO2 + 6 H2O

∆G0=Σ∆G0f Hin-Σ∆G0

f Rück

Der Parameter der über den tatsächlichen Ablauf einer Reaktion entscheidet, ist ∆G (und nicht ∆G0

f, ∆G0‘f, ∆G0 oder ∆G0‘ ). ∆G0

f bzw. ∆G0‘

f dienen lediglich der Berechnung von unbekannten ∆G0 Wertenaus eben diesen Standardbildungsenthalpien (Anm.: ∆G0

f für Elemente per Definition = 0 kJ/mol).

Die genaue Berechnung von ∆G aus den ∆G0 bzw. ∆G0‘-Werten müsst ihr nicht kennen. Der Unterschied zwischen ∆G0 und ∆G0‘ wird bisweilen gefragt (pH=7 bei ∆G0‘).

Es besteht ein Zusammenhang zu den Konzentrationen der Reaktanten:

Über die mit dem logarithmischen Term einfließenden Konzentrationen der Reaktionspartner kann die Zelle noch so manche Reaktion in die gewünschte Richtung lenken.

Wen das Thema genauer interessiert, sei auf Charles E. Mortimer,Chemie, Thieme-Verlag sowie auf auf Achim Markert, Chemische Affinität,Diesterweg-Sale-Sauerländer-Verlag verwiesen.

c(B)...c(A)c(D)...c(C)lnRTGG 0

⋅⋅

⋅+∆=∆

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Diese Reaktion ist endergonisch undkann nicht freiwillig ablaufen

Diese Reaktion ist exergonisch undkann freiwillig ablaufen

Ene

rgie

nive

au

Zur Bedeutung und Aussage der freien Enthalpie:Betrachten wir die Reaktionen

A B mit ∆G > 0

bzw. A C mit ∆G < 0

∆∆G < 0G < 0

∆∆G > 0G > 0

B

C

A

• ∆G macht eine Aussage darüber, ob eine Reaktion ablaufen kann oder nicht.

• ∆G erlaubt keine Aussage darüber, wie schnell ein Reaktion abläuft.

Wir sehen, eine Reaktion kann nur dann freiwillig ablaufen („runterrutschen“), wenn ∆G der Reaktion < 0 ist. Eine solche Reaktion bezeichnet man als exergonisch. Den Berg hoch rutsch es sich ohne Mamas/Papas Hilfe eben nicht. Diese Reaktion wird also nicht freiwillig ablaufen. Diese Reaktion bezeichnet man als endergonisch.Nur wenn ∆G negativ ist, kann eine Reaktion ablaufen. ∆G sagt jedoch nur etwas darüber aus, wie groß der Unterschied im Energieniveau ist. Es macht per se keine Aussage darüber, wie „steil die Rutsche“ ist, und damit, wie schnell die Reaktion abläuft. Hierfür benötigen wir weitere Parameter.

Anm.: Im Falle einer freiwillig ablaufenden (d.h exergonischen, ∆G<0) aber endothermen Reaktion (∆H>0) erfolgt also eine Abkühlung des Systems.

v1 > v2 > v3

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Ene

rgie

nive

au

Reaktionsablauf

Bei der Reaktion freigesetzte freie

Enthalpie

∆G

A

C

ÜbergangszustandÜbergangszustand

Aktivierungs-enthalpie∆G*

TR*G-

eTk ⋅∆

⋅⋅=hk TR

*G-

eTk ⋅∆

⋅⋅=hk

Die Reaktionsgeschwindigkeit vC= k·c(A) hängt ab von • der Aktivierungsenthalpie• der Temperatur

∆G macht eine Aussage darüber ob eine Reaktion ablaufen kann, nicht jedoch ob Sie es tut. Betrachten wir die Reaktion A C. Wie wir sehen ist ∆G negativ (A liegt höher als C). Diese Reaktion könnte also spontan ablaufen. Tut sie es ?Nehmen wir als Beispiel ein Glas Wasser auf einem Tisch. Eigentlich will das Wasser herunterfließen. Diese Reaktion wäre exergonisch. Leider steht diesem Streben das Glas im Wege. Man sagt, die Reaktion ist kinetisch gehemmt. Um also auf den Boden zu laufen, muss das Wasser zunächst die Energiebarriere des Glasrande überwinden. Die dabei investierte (Lage)Energie wird wiedergewonnen, da das Wasser ja die selbe Höhe wieder herunterfließt. Die also Initial benötigte Aktivierungsenthalpie wird wiedergewonnen und taucht in der Gesamtenergiebilanz nicht mehr auf. Darauf beruht der Trick, ein Glas mit einem Schlauch zu leeren. Zur Abgrenzung der Aktivierungsenthalpie von ∆G wird sie mit ∆G* bezeichnet. Es ist offensichtlich, das mit zunehmender Energiebarriere es immer schwieriger wird, die benötigte Aktivierungsenergie aus der Umgebung zu borgen. Die Reaktion verläuft umso langsamer.Am Glasrand hat das Wasser gleiche Chancen wieder zurückzufließen, oder sich auf den Boden zu ergießen. Diesen Punkt nennt man Übergangszustand. Am Übergangszustand besteht gleiche Wahrscheinlichkeit, wieder in die Ausgangsverbindung zurückzureagieren oder aber das Produkt zu formen.Man kann die Geschwindigkeit einer Reaktion mathematisch fassen. Neben der Konzentration des Eduktes ist dabei ein Proportionalitätsfaktor k entscheiden (nicht verwechseln mit dem K des Massenwirkungsgesetztes). Die Arrheniusformel zeigt, wie sich k aufbaut. R, k und h sind Naturkonstanten, T die Temperatur (in Kelvin) und ∆G* die Aktivierungsenthalpie.

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A → C

Ene

rgie

nive

au

Reaktionsablauf

Endprodukte C

Ausgangsstoff A

Ohne Katalysator

∆G < 0

Bei der Reaktion freigesetzte Energie

∆G

Mit Katalysator

Aktivierungs-energie

ohne Katalysator ∆G*mit Katalysator ∆G*

Was kann ein Enzym ??• Die (Energie)Bilanz der Reaktion ist vorgegeben.• Die Reaktionsgeschwindigkeit folgt einem Gesetz: z.B. vc=k × c(A)• Somit kann ein Enzym lediglich k beeinflussen.• k wiederum, kann nur durch die Temperatur T und die Aktivier-ungsenthalpie ∆G* variiert werden.Ein Enzym kann die Temperatur einer Reaktion kaum beeinflussen (Sonst hätten wir kaum eine konstante Körpertemperatur). Somit bleibt nur die Aktivierungsenthalpie ∆G*. Und genau das macht ein Enzym: Es vermindert die Aktivierungsenthalpie ∆G*.

Nebenbei :Reaktionsordnungen:Die Ordnung ergibt sich aus der Summe der Potenzen im Geschwindigkeitsgesetz (z.B. v=k × [A] ×[B]2wäre 1+2 = 3.Ordnung).Dies ist wenig sinnvoll zu wissen, da bei genauer Betrachtung die Reaktionsordnung eigentlich meist nichtder Stöichiometrie folgt.Man bezeichnet Reaktionen als0-ter Ordnung: Die Geschwindigkeit der Reaktion ist unabhängig von der Konzentration der beteiligten Verbindungen (sehr selten)1-ter Ordnung: Die Geschwindigkeit der Reaktion ist abhängig von der Konzentration einer Verbindung (z.B. radioaktiver Zerfall, 1 Substratreaktion)2-ter Ordnung: ...

Siehe auch: http://de.wikipedia.org/wiki/Kinetik_%28Chemie%29#Die_Reaktionsordnung

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Energiebarriere ohne Katalysator

Energiebarrieremit Katalysator

Ein Enzym kann die Temperatur für die Reaktion A � C nicht ändern. Somit bleibt nur ∆G* als Angriffspunkt für die enzymatische Katalyse. Ein Enzym stellt einen energetisch günstigeren Reaktionsweg zur Verfügung. Dies wird u.a. dadurch erreicht, dass das Substrat und das Enzymmolekül miteinander Wechselwirken. In vielen „Minireaktionen“ – die jeweils nur ein geringes ∆G*m-kat. besitzen – wird die Substratbindungsenergie (Σ∆GBind.) frei. In Summe bedeutet dies:

Σ∆G*m-kat + Σ∆GBind. « ∆G*unkat.

Prinzip verstehen - nicht Formeln lernen !! Die Darstellung ist stark vereinfacht.Um die Reaktionsgeschwindigkeit Geschwindigkeit zu verzehnfachen werden etwa 5,7 kJ/mol benötigt. Eine sog. schwache Wechselwirkung (WW) liefert bereits 4-30 kJ/mol.Dabei spielen nicht nur die WW zwischen Enzym und Substrat direkt eine Rolle. Auch neue WW innerhalb des Enzymmoleküls tragen hierzu bei. Dies erklärt warum manche Enzyme sehr groß sind. Ähnliches gilt für Cosubstrate. Die Enzyme sind zudem sehr spezifisch. Hierfür dient die Form des aktiven Zentrum in dem spezifische WW zwischen Substrat und Enzym ausgebildet werden. Die räumlich optimierte Anordnung und relativ starre Fixierung der Substrate begünstigt zudem die hohe Geschwindigkeit da die Wahrscheinlichkeit das sich die richtigen Stellen der Substrate in Lösung (also der unkatalysierten Reaktion) treffen ja allein vom Zufall kontrolliert wird. Durch Kopplung von Reaktionen - von denen eine Teilreaktion endergonisch ist (und somit nicht stattfinden würde) und eine Teilreaktion exergonisch - so dass in Summe ∆Gges. (=∆G1(>0)+∆G2(<0) ) < 0, sind Reaktionen möglich, die sonst praktisch nicht ablaufen würden. Hierauf beruht vielfach die Funktion des ATP (dessen Hydrolyse ein sehr negatives ∆G hat)

Nochmal: Ein Enzym beschleunigt lediglich eine Reaktion – es hat keinen Einfluss auf die Lage eines Gleichgewichtes. Es verändert also k (in v=k × c(A)) nicht aber K (in K=c(C) / c(A)).

13.12.2006 29


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Reaktionsweg

Ene

rgie

nive

au

A

C

Enzymatische Katalyse am „Stabase“-Modell

∆G< 0

Ene

rgie

nive

au

∆G< 0

A

CReaktionsweg

Reaktionsweg

Ene

rgie

nive

au

∆G< 0

A

C

Enzym-Substrat-Komplex (ES)

Enzym-Substrat-Komplex (ES) Übergangszustand

(Ü)

Übergangszustand (Ü)

• Unkatalysiert

• Enzym komplementär zum Substrat – die „Schlüssel –Schloss-Katalyse“

• Enzym komplementär zum Übergangszustand

Übergangs-zustand

Enzym-Substrat-Komplex

Enzym-Substrat-Komplex

Übergangs-zustand 2

In Anlehnung an „Prinzipien der Biochemie“, Lehninger-Nelson-Cox, Spektrum, 2. Auflage S. 235ff. Die „Magnete“ stellen die WW des Enzyms mit dem Substrat dar.Wir wollen uns an einem Modell einiges klarmachen. Will man einen Metallstab zerbrechen, so muss man relativ viel Kraft aufbringen, um den Stab zunächst so weit zu biegen, bis er bricht. Die aufgewendete Energie beim Biegen wird beim Zerbrechen wieder frei. Wir haben also eine hohe Aktivierungsenergie (∆G*) investiert, um das Substrat (den Stab) in den sog. Übergangszustand zu überführen. Von hier aus kann er nun entweder elastisch in den Ausgangszustand zurückschwingen oder aber zerbrechen. Das Energiediagramm zeigt den Reaktionsverlauf schematisch. In der unkatalysierten Reaktion muss eine hohe Aktivierungsenergie aufgebracht werdenKlassischerweise werden Enzyme und ihr Substrat meist in einer Art Schlüssel-Schloss-Beziehung dargestellt. Das Enzym sei also genau so angepasst, dass das Substrat wie ein Schlüssel in ein Schloss passt. meist. Wie wir jedoch sehen, ist in diesem Falle der Enzym-Substrat-Komplex sehr stabil. Wir benötigen eine noch höhere Aktivierungsenergie als im unkatalysierten Zustand, da wird das Substrat zusätzlich aus dem stabilen Komplex befreien müssten. Daher findet eine echte Schlüssel-Schloss-Katalyse praktisch nie statt. (Antikörper hingegen, tun genau dieses, den sie wollen möglichst fest an ein Substrat binden.)Im Falle eines zum Übergangszustand komplementären Enzyms wird die Bildung des Übergangszustandes gefördert und dieser leicht stabilisiert. Dies begünstigt die Umwandlung und ∆G* wird deutlich reduziert.

13.12.2006 30


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v

[S]

Michaelis-Menten-Kinetik

KM

vMax½ vmax

½ vmax

1/v

1/[S]-1/KM

1/vMax

Doppeltreziproke Transformation

nach Lineweaver Burk

�

�

�

�

��

��

�

�

��

][][SK

SvvM

max +⋅=

][][SK

SvvM

max +⋅=

Unter den von Michaelis und Menten gemachten Annah-men lässt sich für ein Enzym unter gegebenen Beding-ungen die Reaktionsgeschwindigkeit berechnen.

Dabei beschreibt vmax die bei einer bestimmten Enzymkonzentration maxi-mal erreichbare Reaktionsgeschwindigkeit: vmax=k�[Enzym] und KM (Mi-chaelis-Konstante) diejenige Substratkonzentration, bei der die halbma-ximale Geschwindigkeit erreicht wird. KM u. vmax werden experimentell bestimmt.

Die Herleitung der Michaelis-Menten Gleichung erfolgt für Interessierte auf Seite 16 und ist bisherkein Prüfungsstoff.

Es sei erwähnt, das die Kurve im 1. Schaubild (Michaelis-Menten-Plot) bzw. die Gerade im 2. (Linewaever-Burk-Plot) nicht das Ergebnis einer Messung sind sondern einer großen Zahl von Messungen jeweils einen Punkt auf diesen Kurven liefern. Die Geschwindigkeiten für bestimmte Substratkonzentrationen können z.B. wie in der Abb. gezeigt gewonnen werden. Die Enzymmenge ist bei jeder [S] identisch.vS=∆A/∆t

Die Lineweaver-Burk-Darstellung erleichtert deutlich das Ablesen von KM und Vmax.Jedoch sei erwähnt das beim anlegen einer Ausgleichsgerade die Messpunkte mit geringen Substratkonzentrationen (welche messtechnisch die größten Streuungen produzieren) einen überproportional großen Einfluss auf diese Gerade haben.

Merke: Einheit des KM-Wertes ist eine Konzentration also M(=mol·l-1) bzw. kleinere Größen wie mM oder µM. (Cave ! Größenordnungen für [S] und KM beim Rechnen beachten)Sonderfälle: [S] = KM : V = ½ Vmax

[S] < KM : V proportional [S][S] » KM : V nähert sich Vmax

In Klausuren beliebt ist die Frage, wieviel mal KM die Substratkonzentration betragen muss, um 80, 90 etc. % von vmax zu erreichen.

t

∆A

∆t

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Reversible Hemmung

Irreversible Hemmung

„STOP“ – oder wie hemmt man EnzymeDie Hemmung oder Inhibition von Enzymen ist eine der wichtigsten Säulen der Pharmakologie. Man unterscheidet zunächst grob zwischen reversiblerund irreversibler Inhibition.

Enzym

Sub-strat+ Sub-

strat

Enzym

Inhi-bitor

Enzym

+ Inhi-bitor

Enzym

+

Enzym

�+ Inhi-

bitor�

Der wichtigste Unterschied zwischen reversibler und irreversibler Hemmung ist, dass der Komplex aus Inhibitor und Enzym im Falle der reversiblen Hemmung –wenngleich oft langsam – wieder zerfallen kann. (Manche reversiblen Inhibitoren werden vom „gehemmten“ Enzym auch umgesetzt, wenngleich um ein vielfaches schlechter als das „natürliche“Substrat.)Im Falle der irreversiblen Hemmung ist das Enzymmolekül sozusagen tot. Es muss von der Zelle durch ein neues ersetzt werden.Als Beispiel für den klinischen „Einsatz“ von kompetitiven „Inhibitoren“ sei Ethanol als Antidot bei Methanol- und Glykolvergiftungen erwähnt. Die beiden letzteren Substanzen sind erst durch ihre Oxidationsprodukte stark toxisch. Ethanol ist ein besseres Substrat für die Alkoholdehydrogenase und so gibt man Ethanol i.v. so dass praktisch kein Methanol oder Glykol mehr oxidiert wird und diese langsam über die Niere und die Lunge (Methanol) ausgeschieden werden.Irreversible Inhibitoren sind zum Beispiel Pantoprazol, welches irreversibel die H+K+-ATPase des Magens hemmt. Auch viele Cytostatika wie 5-Fluoruracil (5-FU) und div. Alkylantien (z.B. Carmustin = BCNU) hemmen irreversibel. Die Hemmung kann dabei direkt oder indirekt erfolgen. Im letzteren Falle würde der Inhibitor erst durch das Enzym selbst in den eigentlichen Inhibitor umgesetzt (Suicid-Inhibitor = Mechanismus gestützter Inhibitor. z.B. 5-FU, Allopurinol). Beachte, das manche Verbindungen auf ein Enzym reversibel und auf ein anderes irreversibel hemmend wirken können (und natürlich auf viele gar nicht).

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1/v

1/[S]ungehemmt

1/v

1/[S]Ungehemmt

Reversible Hemmung - SubtypenEin Enzym kann auf verschiedene Weise reversibel gehemmt werden. So kann ein Inhibitorz.B. eine lediglich höhere Affinität zum Enzym besitzen, als das Substrat. Ein anderer hingegen bindet länger und fester an das Enzym und wieder ein anderer bindet an einer anderen Stelle und bewirkt sehr komplexe Veränderungen. Alle diese Typen lassen sich kinetisch unterscheiden.

KM ↑Vmax ↔

Inhibitor wetteifert mit dem Substrat S um das aktive Zentrum. KM wird größer.Bei hohen [S] spielt jedoch der Inhibitor keine Rolle mehr:vmax bleibt konstant

Der Inhibitor hat eine höhere Affinität zum Enzym, als das Substrat. Bereits bei geringen Konzentrationen bindet er mit größerer Wahrscheinlichkeit als das Substrat

Kom-petitiv

KM ↔Vmax↓

Der Inhibitor legt das Enzym temporär lahm. Die Konzentration an katalyt-isch aktivem Enzym sinkt, so das vmax ebenfalls ab-nimmt. KM bleibt davon unberührt.

Der Inhibitor – einmal an das Enzym gebunden – dissoziiertnur sehr langsam wieder ab.

Nicht kom-petitiv

KM ↓Vmax↓

Der Inhibitor beeinflusst das Enzym in recht kom-plexer Weise, so dass so-wohl vmax als auch das KM abnehmen

Der Inhibitor bindet oftmals nicht im aktiven Zentrum.

Un-kom-petitiv

1/v

1/[S]

Ungehemmt

Inhibiert

Inhibiert

Inhibiert

Die Unterscheidung kompetitiv versus nicht kompetitiv ist klausur-relevant. Du solltest in der Lage sein, in einem Lineweaver-Burk-Plot abzulesen, welche der Geraden ungehemmt, und welche (und wie) das gehemmte Enzym zeigt.Faustregel: Im Lineweaver-Burk Diagramm beschreibt die höhere bzw. steilere Kurve das gehemmte Enzym.

Die nicht kompetitive Hemmung ist der irreversiblen Hemmung insofern ähnlich, als sie ebenfalls die Menge an katalytisch aktivem Enzym vermindert. Sie tut dies jedoch reversibel, so dass immer ein (in Abhängigkeit von der Inhibitor-Konzentration) Teil des Enzyms weiter arbeiten kann.Beispiele für nicht kompetitive Inhibitoren: Schwermetalle wie z.B. Blei oder Quecksilber. Sie können das aktive Zentrum von cysteinhaltigenEnzymen blockieren.

Natürlich arbeiten Enzyme unter bestimmten äußeren Umständen besser oder schlechter. Für das pH der Umgebung (z.B. Pepsin!), die umgebenden Salze und die Temperatur gibt es jeweils ein Optimum.

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Einige Rechte vorbehalten Stephan@Gromer-Online · der Funktion im Stoffwechsel. Die obere Abbildung erklärt, wie es Enzymen gelingt, stereoselektiv nur ein Enantiomer als Substrat