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M e c h a n i s m u s d e r E n z y m k a t a l y s e

Allgemeine Prinzipien

Annäherung des Substrats an das „aktive Zentrum“ des Enzyms

Enzym und Substrat treten in Wechselwirkung: Bildung des [ES]-Komplexes.

Konformationsänderung des Enzyms (wodurch die katalytische Umwandlung [ES] [EP] ermöglicht wird): „Induced Fit Theory“

Abdiffundieren des gebildeten Produktes: [EP] E + P

Theorien zur Bildung des [ES]-Komplexes (a) Schloß-Schlüssel-Theorie von Emil Fischer (1894). Heute so nicht mehr gültig.

„Das Substrat-Molekül passt ins aktive Zentrum wie ein Schlüssel in ein Schloß.“

Das Substratmolekül hat eine zum aktiven Zentrum komplementäre Gestalt.

(b) Induced Fit Theory (Induzierte Konformationsänderung)

Konformationsänderung bei Substratbindung.

Bei der Bindung des Substratmoleküls wird das aktive Zentrum in eine Konformation gezwungen, die die Katalyse begünstigt.

Diese Konformation („Übergangszustand“) ist labil und energetisch ungünstig; sie ist aber gerade deshalb katalytisch sehr günstig.

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III nnn ddd uuu ccc eee ddd FFF iii ttt TTT hhh eee ooo rrr yyy

Phänomene der Beschleunigung der enzymatischen Katalyse

(a) Proximity Effect: Die starke Annäherung zwischen E, S und Cosubstraten bewirkt eine starke Erhöhung der effektiven Konzentrationen der Reaktanten in der Umgebung des aktiven Zentrums.

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PPP rrr ooo xxx iii mmm iii ttt yyy EEE fff fff eee ccc ttt

(b) Strain Effect: Zwischen dem aktiven Zentrum und dem Substrat entstehen starke Wechselwirkungen:

☯ Das Substratmolekül wird angezogen, ☯ gerät unter enorme Spannung (strained) ☯ und wird dadurch deformiert. ☯ In gleicher Weise wird das Enzym deformiert („Induced fit“).

⇒ Der [ES]-Komplex ist durch diese Deformationen instabil und die Aktivierungsenergie kann leichter herabgesetzt werden.

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(c) Solvent Effect: Enzyme besitzen die Fähigkeit, apolare (hydrophobe) Verhältnisse herzustellen:

Sie können Wasser aus dem aktiven Zentrum verdrängen (Hydrathülle des Substrats wird entfernt).

Was hat das zur Folge? Je hydrophober (unpolarer) ein Lösungsmittel ist, desto schneller verläuft die Reaktion.

⇒ Beschleunigung der enzymkatalysierten Reaktion um den Faktor 106

Veranschaulichung: CH3I + Cl- CH3Cl + I- in verschiedenen Lösungsmitteln

Lösungsmittel Methanol Formamid Methyl-formamid

Dimethyl-formamid

Formel CH3OH NH2-CHO CH3-NH-CHO (CH3)2N-CHO

Polarität stark polar unpolar

Geschwindigkeits-faktor 1 12,5 54,3 1,2.10

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(d) Orientation Effect Enzyme besitzen die Fähigkeit, Substrat- und Cosubstrat-Moleküle räumlich anzuordnen, um so die Katalyse zu ermöglichen.

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Allosterische Enzyme zeigen sigmoiden Verlauf

Substratkonzentration

Enzy

mak

tivitä

t (v)

A L L O S T E R I S C H E E N Z Y M E b z w . P R O T E I N E Viele Enzyme folgen der MM-Kinetik (hyperbolische Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Substratkonzentration)

Manche Enzyme zeigen jedoch ein von der MM-Kinetik abweichendes Verhalten: Vor allem jene Enzyme, deren Aktivität in der Zelle einer Regulation unterliegt –

"regulatorische Enzyme"

Charakteristika allosterischer Enzyme (a) Sie besitzen mehrere Untereinheiten mit je einem aktiven Zentrum. Bei Substratbindung erfolgt positive oder negative Kooperativität Die Untereinheiten beeinflussen sich gegenseitig in ihrer Affinität zum Substrat.

(b) Zeigen eine sigmoide Abhängigkeit

zwischen v und [S]

(c) Beeinflussung der enzymatischen Aktivität durch spezifische niedermolekulare Effektoren (Aktivatoren und Inhibitoren): Dies ist ein wichtiges Prinzip der Stoffwechselregulation!

(d) Treten im Stoffwechsel vorwiegend an Verzweigungsstellen auf

sigmoid

hyperbolisch

GOD-Dimer

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Modelle zur Erklärung der Abweichung von der MM-Kinetik Für Proteine mit mehr als einer Untereinheit

(1) SEQUENZMODELL von KOSHLAND Annahme: Von jeder Untereinheit existieren zwei Konformationszustände A und B;

Konformationsänderungen erfolgen nur durch Bindung von Liganden und sequenziell

z.B. Enzym, das aus vier Untereinheiten besteht:

A4 A3BL A2B2L2 AB3L3 B4L4

Im Grundzustand befinden sich alle vier Untereinheiten in der Konformation A.

Durch die Bindung eines Liganden L an eine der Untereinheiten geht diese Untereinheit in die B-Konformation über.

Die Bindungen weiterer Liganden (+ Konformationsänderungen) erfolgen nacheinander.

Beispiel Hämoglobin (Quelle: L.Stryer, Biochemie):

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(2) SYMMETRIEMODELL von MONOD, WYMAN UND CHANGEUX Annahme:

Das Enzym (Beispiel für ein Tetramer) liegt auch in Abwesenheit von Liganden in zwei

Konformationszuständen (A4 und B4) vor, die miteinander im Gleichgewicht stehen:

A: T-Form A4 A4L A4L2 A4L3 A4L4

B: R-Form B4 B4L B4L2 B4L3 B4L4

In Abwesenheit von Liganden liegt das Gleichgewicht stark auf der Seite der A4-Form.

Nach Bindung des ersten Liganden liegt das Gleichgewicht noch stark auf der Seite von A4L

Durch die Bindung weiterer Liganden wird die B-Form immer mehr stabilisiert.

Die Gleichgewichtslage verschiebt sich immer mehr in Richtung B. Bei Bindung des letzten (im Beispiel vierten) Liganden liegt das Gleichgewicht stark auf der

Seite von B4L4.

Gleichgewichtslage der T-Formen: stets auf der linken Seite (Liganden-Abgabe)

Gleichgewichtslage der R-Formen: stets auf der rechten Seite (Liganden-Bindung)

Beispiel (Quelle: L.Stryer, Biochemie):