Einführung in die Biochemie für Zahnmediziener. Arbeitsheft Woche 8.

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1 Einführung in die Biochemie für Zahnmediziener Arbeitsheft Woche 8. Enzyme, Metabolismus I. Autoren: Team des Instituts für Biochemie und Medizinische Chemie Namen: Gruppe: Datum: 1. Was ist der Zusammenhang zwischen der freien Standardenthalpie einer Reaktion und der Zusammensetzung des Reaktionsgemisches? Schreiben Sie Gleichung mit der Erläuterung der Bezeichnungen! 2. Definieren Sie den Begriff von Reaktionsgeschwindigkeit! 3. Zeichnen Sie den Energiediagramm einer Elementarreaktion auf! Markieren Sie die Aktivierungsenergie und den Übergangszustand! 4. Zeichnen Sie das Energiediagramm einer Elementarreaktion mit und ohne Katalysator auf! 5. Definieren Sie den Begriff Katalysator! Schreiben Sie in einem nächsten Satz auf, durch welche(n) molekulare(n) Mechanismus(en) der Katalysator seine Wirkung ausübt! 6. Definieren Sie den Begriff Zwischenprodukt in einer Reaktionsreihe! Zeichnen Sie auch eine Abbildung auf! 7. Definieren Sie den Begriff Fliessgleichgewicht ( steady state ) in einer Reaktionsreihe! Zeichnen Sie auch eine Abbildung auf! 8. Definieren Sie den Begriff: Übergangzustand oder aktivierter Komplex in einer konsekutiven Reaktion! Zeichnen Sie auch eine Abbildung auf. Benennen Sie die Axen! 9. Definieren Sie die Tertiär- und Quartärstruktur der Proteine! 10. Was bedeutet Untereinheit in einem Protein? 11. Was bedeutet Apoenzym und Holoenzym? 12. Was bedeutet Coenzym? Geben Sie ein Beispiel! 13. Was bedeutet eine prothetische Gruppe? Geben Sie ein Beispiel! 14. Was ist der biochemische Unterschied zwischen NAD+ und FAD? 15. Was ist der biochemische Unterschied zwischen NAD+ und NADP+? 16. Warum ist eine enzymkatalysierte Reaktion spezifisch? Welchen Grund hat diese Spezifität? 17. Wie wird die Richtung und Geschwindigkeit einer Reaktion durch die Zugabe des entsprechenden Enzyms beeinflusst? 18. Zeichnen Sie das Michaelis-Menten-Modell der Enzymaktivität mit Reaktionsgleichungen! Markieren Sie den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt! 19. Wie ändert sich die Anfangsgeschwindigkeit der Reaktion, die von der Michaelis-Menten-Kinetik folgenden Enzym katalysiert wird, als Funktion der Substratkonzentration? Zeichnen Sie eine Figur, und markieren Sie die maximale Reaktionsgeschwindigkeit! 20. Zeichnen Sie die Michaelis-Menten-Gleichung mit der Erklärung der Bezeichnungen auf! 21. Definieren Sie Km (Michaelis-Menten-Konstante)! Welche Eigenschaft des Enzyms wird durch Km charakterisiert? 22. Was bedeutet Enzymaktivität? 23. Benennen und definieren Sie die Einheiten der Enzymaktivität. 24. Was ist die Volumenaktivität des Enzyms? Geben Sie ihre Maßeinheit ein! 25. Was bedeutet die spezifische Aktivität? 26. Zeichnen Sie die Esterbildungsreaktion zwischen Phosphorsäure und Tyrosin mit Strukturformeln auf. 27. Zeichnen Sie die Strukturformel eines Phosphatmonoesters bei saurem ph (ph <5) und bei 7, Zeichnen Sie die Strukturformeln von Serin und OH-methyliertem Serin. Vergleichen Sie die Polarität der beiden Verbindungen! 29. Zeichnen Sie die Umwandlung von Pyruvat ins Lactat mit Strukturformeln auf! Welcher Typ von Reaktion ist das? 30. Zeichnen Sie die Strukturformel von Nicotinamid auf! Charakterisieren Sie die Elektronenverteilung des Ringes in einem Wort! 31. Was bedeutet ein quinoidales Elektronsystem? Zeichnen Sie eine Beispielverbindung. Für Antworten siehe auch das Arbeitsheft vorheriger Woche; "Reaktionskinetik", "Thermodynamik" (1. Semester), "Aminosäuren, Peptide, Proteine" und "Enzyme" Vorlesungen; Praktikum Skript Chemie für Mediziner (1. Semester) und Einführung in die Biochemie Praktikum Skripts (2. Semester) S

2 1.) Wirkungsweise der Katalysatoren Wie lange würde es dauern, ihren Namen auf ein, in der Luft hängendes Blatt zu schreiben? Lege das Blatt auf den Tisch! Der Tisch wirkt da als Katalysatordes Schreibens, ist bei dem Vorgang beteiligt (spannt das Papier aus). Er kann das Schreiben beschleunigen ohne selbst dabei verbraucht zu werden. Der Tisch eröffnet einen neuen Weg fürs Schreiben, beeinflusst aber nicht das Ergebnis des Prozesses (dessen Endergebnis ein Gleichgewicht ist). What is the catalyst? 2. GESCHICHTE DER ENYMOLOGIE 1836 Charles Cagniard-Latour und Theodor Schwann: entdeckten, dass die alkoholische Gärung in Bierhefezellen abläuft 1867 W. KÜHNE; führte das Kunstwort en ZYM (das in Hefe Enthaltene) ein 1897 Eduard BUCHNE; Rentdeckte, dass Enzyme auch ohne die lebende Zelle katalytisch wirken können ( Geburtsjahr der Biochemie ist 1897) ~1900 E. Fisher: beschrieb das Schlüssel-Schloss-Prinzip (überwunden!) 1906 A. Hardenés W.J. Young entdeckten Zuckerphosphat-Coenzyme (NAD+) in Fermentation. H.K. Euler-Chelpinentdeckte, dass die alkoholische Gärung Gärung eine konsekutive Reaktion ist J.B. SUMNER: zeigte, dass das Enzym Urease ein Protein ist und war fähig es zu kristallisieren ( Geburt der modernen Biochemie ) Auskristallisierung der Enzyme ermöglichte ihre Untersuchungen (vorher wurden die Enzyme hauptsächlich in amorphem Zustand isoliert) 3. ENZYME BIOMOLEKÜLE (BIOKATALYSATOREN) Katalysieren sowohl chemische Reaktionen (A B) als auchumwandlungen unterschiedlicher Energieformenineinander, z.b.: Photosynthese: Licht chemische Energie (ATP ); Atmungskette: elektrochemische Energie chemische Energie (ATP) in den Mitochondrien; Muskelkontraktion: chemische Energie (ATP) kinetische Energie; Braune Fettgewebe: elektrochemische Energie Wärme Endung ihrer Name ist -ase (Enolase, Hexokinase, Isomerase usw.) Sind von der Reaktion benannt, die das Enzym katalysiert (z.b. Kohlensäureanhydrase, Urease) Eukolloide (Molekularmasse = g/mol) Ihre Molekülmasse ist im Allgemeinen in der Einheit Dalton(Da) angeben. Da = g/mol; 35 kda= g/mol Was bedeutet Domäne von Protein? 2

3 COMPOSITION OF THE ENZYME HOLOENZYM = dasfunktionsfähigesenzymmolekül = Apoenzym + Kofaktor COFAKTOREN: COENZYM (organisch) oder METALLKATION (anorganisch) Die unentbehrlichen Faktorender Reaktionen, jedoch nicht jede Reaktion cofaktor abhängigist! APOENZYM: Proteinteil des Enzyms nach der Abspaltung des Coenzyms oder Metallkations Was bedeutet Postethische Gruppe? Postethische Gruppe: Kofaktor die sich sehr stark, sogar kovalent an die Proteinbindet (kann ein Coenzym oder ein Metallkation sein). 4. The most frequent factors of enzymes Vitamin coenzyme. Vitamin can be a part of coenzyme (e.g. FAD, NAD +, CoA), or it can be a prosthetic group (e.g. biotin, lipoic acid). 3

4 Häufige Kofaktoren von Oxidationsreaktionen (Dehydrogenaseenzyme) Nennen Sie das untenstehende Molekül! Zeichnen Sie in der Strukturformel welche funktionelle Gruppe für die biologische Rolle dieses Molekül verantwortlich ist! Zeichnen Sie die Strukturformel nach der Aufname von zwei H- Atome (2H+ und 2e-)! Markieren Sie die oxidierte und die reduzierte Form! Charakterisieren Sie mit einem Wort die Elektronenverteilung der betroffenen Struktureinheit in den reduzierten und oxidierten Formen! Name: Funktion: Abkürzung: Nennen Sie das folgende Molekül! Geben Sie in der Formel an, wie es sich von der obigen Verbindung unterscheidet.. Name: Funktion: Abkürzung: Nennen Sie das untenstehende Molekül! Zeichnen Sie in der Strukturformel welche funktionelle Gruppe für die biologische Rolle dieses Molekül verantwortlich ist! Zeichnen Sie die Strukturformel nach der Aufname von zwei H- Atomen (2H+ und 2e-)! Markieren Sie die oxidierten und auch die reduzierten Formen! Name: Funktion: Abkürzung: 4

5 Enzyme sind substrat- und reaktionsspezifisch (Typ A; es ist frequent). Enzyme arbeiten ohne Bildung von Nebenprodukten. 5.d.) Warum entsteht in enzymatischen Prozessen kein Nebenprodukt? Wenn ein nachfolgender Prozess mit wenigen Prozent des Nebenprodukts verarbeitet würde, würden die Reaktionen die Zelle mit Abfall (Nebenprodukt) überfluten. Die Spezifität des Enzyms kann absolut sein und kann relativ sein. Absolut: siehe Typ A. (Das ist typisch.) Relativ sieche Typ B und C. (Es ist nicht typisch). ZB. Enzyme, die Proteine abbauen, können Amid- und Esterbindungen mit unterschiedlicher Effizienz hydrolysieren mit unterschiedlichen Wirkungsgraden. 5

6 S P (S = Substrat; P = Produkt) 5. Wirkungsmechanismus der Enzyme Im Laufe der Reaktion muss ein energiereicher instabiler aktivierter Komplex gebildet werden (aktivierter Komplex ). Diese Energiebarriere hindert den Ablauf der Reaktion Aktivierungs-energie, G nichtkat.). Aktivierungsenergie: Differenz der Energieniveaus des Substrates und des aktivierten Komplexes. Grundlage der Enzymkatalyse: Die Enzyme erniedrigen die Aktivierungs-energie und stabilisieren einen energieärmeren aktivierten Komplex ( ), und erniedrigt dadurch die Aktivierungs-energie ( G kat). Bei einem Substrat: E + S ES EP E + P (E = Enzyme; S = Substrat; ES = Enzym-Substrat-Komplex Zwischenstufe; EP = Enzym-Produkt-Komplex Zwischenstufe, P = Produkt) Ihr Beschläunigungsfaktor befindet sich in einer Größenordnung z.b. CO 2 + H 2O HCO H + Kohlensäureanhydrase (spaltet Wassermolekül aus Kohlensäuremolekül in roten Blutzellen) setzt ca.10 5 CO 2 pro Minute frei. Die Reaktion läuft so fach schneller ab, als ohne Enzym bei der gleichen Temperatur. 5.a.) Geben Sie den Zusammenhang zwischen der Gleichgewichtskonstante und der Änderung der freien Standardenthalpie einer Reaktion an! Schreiben Sie die entsprechende Formel mit Zeichenerklärung auf! in Enzym katalysiert die folgende Elementarreaktion: S k 1 k 2 P, wobei K = [P] [S] 5.b.) Wie ändert sich bei der Zugabe des Enzyms: der Wert von K? der Wert von k1 (Was ist k1)? der Wert von k2? k 1 k 2 der Wert von ΔG⁰? der Wert von ΔG? der Wert von ΔG? 6

7 Viele Reaktionen laufen nicht spontan bei bestimmten Temperaturen und Konzentrationen in der Zelle ab. endergonisch exergonisch e.g.: (kj/mol) A) +22 = or F) -22 = (-7) B) +22 = (-6) G) -22 = (-50) C) +22 = H) -22 = 0 + (-22) D) +22 = I) -22 = E) +22 = e.) Wie können die endergonischen (nicht-spontanen) Reaktionen (A-E) in die exergonische (spontane) Richtung wechseln? 6. SUBSTRATKETTENPHOSPHORYLIERUNG 6.a.) Was bedeutet Substratkettenphosphorylierung? 6.b.) Nennen Sie die Hochenergiebindung der obigen Abbildung! Eine Typ Säure-Amide Bindung (wie in Phosphokreatin) 4. 7

8 6.c.) Eine signifikante Menge an ATP kann auf zwei Wegen hergestellt werden. 1.) Oxidative Phosphorylierung in Mitochondrien (bei entsprechender Sauerstoffkonzentration) oder 2.) Substratkettenphosphorylierung durch Fermentation. Was ist der Unterschied zwischen oxidativer Phosphorylierung und Substratkettenphosphorylierung? 6.d.) Warum kann die Substratkettenphosphorylierung thermodynamisch stattfinden? (siehe Abbildung oben) 7. Enzymkinetik 8

9 Die Anfangsgeschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion hängt von der Substratkonzentration ab. Definition von K M Michaelis-Menten-Gleichung. Dabei ist V 0 die Anfangsgeschwindigkeit der Enzymreaktion, Vmax ist die Maximalgeschwindigkeit der Enzymreaktion, [S] ist die Anfangskonzentration des Substrats (mol/dm 3 ), Km ist die Michaelis-Menten- Konstante des Enzyms (mol/dm 3 ). 7.b.) Geben Sie die Definition der Michaelis-Menten-Konstante (Km) anhand der obigen Kurve an! 7.c.) Denken Sie! Was bedeuten der niedrige und der hohe Km-Wert des Enzyms? 7.d) Was ist der V 0-Wert im Verhältnis zu V max, wenn [S] = 3Km ist? V max: die maximale Anfangsgeschwindigkeit (bei der Sättigung) K M: die Substratkonzentration bei 1/2 V max (bei der Halbsättigung) 7.e.) K M niedrig: große Affinität zum Substrat. Warum? 7.f.) K M hoch: gering Affinität zum Substrat. Warum? 9

10 7.g.) Isoenzyme unterschiedliche Proteine, die gleiche Reaktion katalysieren können sich unterscheiden in ihren: Zelle/Gewebe Lokalisierung Substrataffinität (KM) Temperatur-, ph-optima Sequenz, Struktur Untereinheitzusammensetzung codierenden Gene voneinander trennbar mit Hilf Elektrophorese spezifische Antikörper spezifische Inhibitoren 7.h.) Was ist die Folge der Expression von Hexokinase IV (Glucokinase) in diesen Geweben? 10

11 8.b.) Wie können Sie kat ( Mol / Sekunde) "mathematisch" komfortabler machen? 8.c.) Give the definition of Unit (U, enzyme activity). 11

12 8.d.) Konversation von Einheiten. Wie viele Mikromol sind 8,3 x Mole Enzym? Volumenaktivität (U/Volumen): Die Volumenaktivität bezieht sich auf die Aktivität des Enzyms. (Wie viele Substrate haben sich zu einem Produkt gebildet? Unit pro Liter Blut; U/L; Enzymatische oder chemische Analyse: Es zeigt die Menge der Chemikalien. Ihr Wert ist immer eine Typ Konzentration. X = ENZYM 8.e.) Welches Gefäß hat eine höhere Enzymaktivität und in welchem Gefäß ist die spezifische Aktivität höher? 8.f.) 3 ml Blutserumprobe enthält 15 mg Protein. 2 ml Serum wandeln innerhalb von 6 Minuten 60 umol Brenztraubensäure in Milchsäure um. Was ist die spezifische Aktivität der Laktatdehydrogenase? 12

13 1. Oxidoreduktasen : Katalysieren Redoxreaktionen (Hydrogenasen, Oxidasen, Hydroxylasen...) 2. Transferasen: Katalysieren die Übertragung einer funktionellen Gruppe (Aminotransferasen...) 3. Hydrolasen: Katalysieren die hydrolytische Spaltung (Estraden, Lipasen...) 4. Lyasen: Nicht-hydrolytische Addition oder Eliminierung von Molekülgruppen (Decarboxylasen, Synthesen...) 5. Isomerasen: Katalysieren die Intramolekulare Umwandlung (z.b. Isomerisierung/ Mutasen...) 6. Ligasen: Katalysieren die kovalente Verknüpfung mittels energiereicher Kofaktoren (Synthesen, Carboxylasen ) 7. Translokasen: Die katalysierten Reaktionen werden von "Seite 1" auf "Seite 2" übertragen. (ATP/ADP-Translokase). 13

14 9.a.) Siehe die Citrat-Synthase-Reaktion unten. Citrat-Synthase wurde über 40 Jahre in die 4. Enzymklasse "Synthasen oder Lyase" eingeteilt. Wenn Sie die Klasse der Citrat-Synthase heutzutage überprüfen, werden Sie feststellen, dass sie zur Klasse 2 "Transferasen" gehört. E.C (zuvor E.C ). Warum wurde die Enzymklasse der Citrat-Synthase geändert? Wasser hat in dieser Frage keine Funktion. Benutze die Tabelle oben! KINASE PHSOSPHATASE PHOSPHORYLASE. Sie katalysieren verschiedene Reaktionen. KINASE (Transferase) PHOSPAHATASE (Hydrolase) PHOSPHORILASE (Transferase) 14

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18 11. ENZYM-REGELUNG KANN VON MICHAELIS-MENTEN KINETICS BESCHRIEBEN WERDEN Die doppelte reziproke Zeichnung. kompetitive Hemmung 11.a) Definieren Sie es! 11.b.) Wie ändert sich die Substrataffinität eines Enzyms, wenn die Konzentration des kompetitiven Inhibitors steigt? 11.c.) Wie verändern sich die KM- und Vmax-Werte eines Enzyms, wenn der kompetitive Inhibitor präsentiert wird? KM: Vmax: 18

19 STATINEN SIND KOMPETETIVE INHIBITOREN VON HMG-COA-REDUKTASE (CHOLESTEROLSYNTHESE) STATIN UNKOMPETITIVE HEMMUNG: 11.d.) Definieren Sie es! 11.e.) Wie ändert sich die Bindung des unkompetitiven Inhibitors an das Enzym, wenn die Konzentration des Substrats steigt? 11.f.) Wie verändern sich die K M- und Vmax-Werte eines Enzyms, wenn der unkompetitive Inhibitor präsentiert wird? K M: V max: 19

20 GEMISCHTE HEMMUNG 11.g.) Definieren Sie es! 11. h.) Wie verändern sich die K M- und Vmax-Werte eines Enzyms, wenn der gemischte Inhibitor präsentiert wird? K M: V max: 20