Bioorganische Chemie Enzymatische Katalyse 2011

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1 Ringvorlesung Chemie B - Studiengang Molekulare Biotechnologie Bioorganische Chemie Enzymatische Katalyse 2011 Prof. Dr. A. Jäschke INF 364, Zi. 308, Tel jaeschke@uni-hd.de Lehrziele I Kenntnis und Beherrschung der grundlegenden Konzepte, Kinetik und Energetik der Enzymkatalyse Verständnis der verschiedenen Arten von Enzymhemmung Detailliertes, anwendungsbereites Verständnis katalytischer Strategien und enzymatischer Mechanismen Kenntnis der wichtigsten Coenzyme und Cofaktoren sowie ihrer Mechanismen

2 Lehrziele II Beherrschung der wichtigsten Typen der Regulation enzymatischer Reaktionen Kenntnis von Ribozymen und DNAzymen Anwendungsbereites Wissen sowohl über die experimentellen Techniken zur Untersuchung enzymatischer Reaktionen also auch über die mathematischen Formalismen. Dozenten Prof. Dr. A. Jäschke Dr. R. Wombacher Detaillierte Themenliste: Website

3 Literatur Berg, Tymocko, Stryer: Biochemie, Spektrum Verlag, Kapitel Bruice: Organische Chemie, Pearson Verlag, Kapitel 24 (Coenzyme) Ribozyme: Literatur gemäß Website Gliederung Allgemeine Eigenschaften, Nomenklatur Enzymkinetik Enzyminhibition Katalytische Strategien & Enzymatische Mechanismen Ribozyme Coenzyme Enzymregulation und -kontrolle

4 Enzyme Einführung Was sind Enzyme? Welche Rolle(n) spielen sie? Wie arbeiten Katalysatoren? Setzen Energiebarriere herab, Arbeiten nach unterschiedlichen Mechanismen, Anordnung funktioneller Gruppen

5 Allgemeine Eigenschaften von Enzymen Höhere Reaktionsgeschwindigkeiten Mildere Reaktionsbedingungen Große Reaktionsspezifität Regulationsmöglichkeit Enzyme sind leistungsstarke und hochspezifische Katalysatoren

6 Beispiel: Proteolytische Enzyme Enzymspezifität Subtilisin Trypsin Thrombin

7 DNA-Polymerase I: weiterer hochspezifischer Katalysator Die Spezifität eines Enzyms hängt von der präzisen Wechselwirkung des Substrats mit dem Enzym ab. Diese Spezifität resultiert aus der 3D-Struktur des Enzyms. Cofaktoren Apoenzym, Cofaktor, Holoenzym Unterscheidung 2 Gruppen von Cofaktoren: Metalle und Coenzyme Coenzyme, Cosubstrate, prosthetische Gruppen Vitamine

8 Enzyme können verschiedene Energieformen ineinander umwandeln.

9 Klassifizierung von Enzymen Ca verschiedene Reaktionen durch Enzyme katalysiert. Strukturelle Varianten von Enzymen, die die selbe Reaktion katalysieren. Über Enzyme existent Trivialnamen können diese Diversität nicht adäquat beschreiben. Standardisierte Prozedur zur Bezeichnung von Enzymen benötigt. Die sechs Hauptenzymklassen

10 Thermodynamik Δ R G liefert Informationen über die Spontaneität einer Reaktion, nicht über ihre Geschwindigkeit. Δ R G hängt von der Gleichgewichtskonstanten ab Enzyme können nur die Reaktionsgeschwindigkeit, nicht aber die Lage des Gleichgewichts verändern

11 Enzyme beschleunigen Reaktionen durch Erniedrigung der Aktivierungsenergie Das Wesen der Katalyse besteht in der spezifischen Bindung des Übergangszustandes Die Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes ist der 1. Schritt der enzymatischen Katalyse Substrate in günstiger räumlicher Anordnung zusammengeführt Spezifische Region des Enzyms: aktives Zentrum. Welche Beweise gibt es für die Existenz von Enzym-Substrat- Komplexen?

12 1. Sättigungsverhalten 2. Röntgenstrukturanalysen Auch zeitaufgelöste Analysen

13 3. Änderung spektroskopischer Eigenschaften bei Bildung des ES- Komplexes Tryptophan- Synthetase, PLP als prosthetische Gruppe fluoresziert Andere Spektroskopische Techniken: NMR, EPR Was haben die aktiven Zentren von Enzymen gemeinsam? Ist die Region, die Substrat und ggf. Cofaktor bindet und gleichzeitig die Aminosäurereste bereitstellt, die direkt an der Reaktion teilnehmen. Katalytische Gruppen Ww im aktiven Zentrum begünstigt die Bildung des Übergangszustandes

14 1. Das aktive Zentrum ist eine dreidimensionale Spalte, die von vielen Gruppen aus verschiedenen Abschnitten der Aminosäuresequenz gebildet wird. Lysozym 2. Das aktive Zentrum stellt nur einen kleinen Teil des Gesamtenzyms dar Rolle der restlichen Aminosäuren? 3. Aktive Zentren sind höhlen- oder spaltenförmig Ausschluß von Wasser Aber auch polare Gruppen

15 4. Substrate werden durch viele schwache Kräfte an das Enzym gebunden Ribonuclease Elektrostatische Ww. H-Brücken, Van der Waals Hydrophobe Interaktionen Etwa Faktor 10 schwächer als kovalente Bindungen Die Bindungsspezifität ist von der definierten Anordnung der Atome im aktiven Zentrum abhängig 1. Schlüssel-Schloss-Prinzip 1890 Emil Fischer

16 Die Bindungsspezifität ist von der definierten Anordnung der Atome im aktiven Zentrum abhängig 1. Induced Fit Koshland 1958 Das Michaelis-Menten-Modell erklärt die kinetischen Eigenschaften vieler Enzyme

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18 Vereinfachung Reaktionsgeschwindigkeit läßt sich ausdrücken: Annahme eines Fließgleichgewichtes (steady state Vereinfachung!) Ergibt:

19 Fließgleichgewicht steady state kinetics Umstellen: Mit: Ergibt sich: Umstellen: Alle Größen Zugänglich!

20 Einsetzen in Mit: Ergibt sich: Ergibt: