Enzym: Etymologie. Enzym Griechisch "en zyme " = in der Hefe. Proteine mit Molekülmasse zw und 10 6

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1 Enzym: Etymologie Enzym Griechisch "en zyme " = in der Hefe. Proteine mit Molekülmasse zw und

2 Enzyme sind Proteine 2

3 Eigenschaften der Enzyme 1. Hohe Spezifität und Stereospezifität 2. Hohe Reaktionsraten: höher als unkatalysiert Enzyme fördern die Bildung des Transitionszustands durch Erniedrigung der Aktivierungsenergie Enzyme haben keinen Einfluss auf die Lage des Gleichgewichts 3. Möglichkeit der gezielten Regulation Allosterische Wechselwirkungen Phosphorylierung / Dephosphorylierung Feedback-Inhibition Gen-Induktion und -Repression 4. Milde Reaktionsbedingungen physiologische ph- und Temperatur-Werte 1 atm 3

4 Katalyse X Übergangszustand G G kat Ohne Enzym A+B Mit Enzym G Reaktion: A+B P+Q Gleichgewichtslage ändert sich nicht, d.h., Δ Δ G = Δ G - Δ G = 0 Reaktionskoordinate P+Q 4

5 Katalyse Um den Berg zu erklimmen brauchen wir viel Zeit G Wir überwinden den kleinen Hügel viel schneller Reaktionskoordinate 5

6 Reaktionskoordinate From Mathews et al., Biochemistry 4 th edition,

7 Reaktionskoordinate Faltung eines β-faltblatts RK 1 RK 2 Die Reaktionskoordinate (RK) ist multidimensional und komplex 7

8 Hohe Reaktionsraten From Mathews et al., Biochemistry 4 th edition,

9 Praktische Bedeutung Einige Erbkrankheiten lassen sich auf eine Enzym- Mutation oder das Fehlen eines (oder mehrerer) Enzyme zurückführen Messung der Enzymaktivität im Blutplasma oder in Gewebeproben ist oft wichtig für die Diagnostik Viele Arzneimittel wirken durch die Modulation (z.b. selektive Hemmung) eines (oder mehrerer) Enzyme Enzyme spielen eine wichtige Rolle in der Nahrungsmitteltechnologie, in der Landwirtschaft und in der chemischen Technik (z.b. Subtilisin im Waschmittel 9

10 Die Klassifizierung der Enzyme Klasse (1-6) Gruppe Untergruppe EC x.y.w.z EC = Enzyme Commission Seriennummer 10

11 Die Enzym-Nomenklatur (EC1-EC2) EC 1: Oxidoreduktasen Redox Reaktionen (Elektronentransfer) EC 2: Transferasen Übertragung chemischer Gruppen von einem Molekül auf ein anderes (z.b. Protein-Kinasen ) 11

12 EC 2.7 Phosphotransferase (Kinase) ATP Substrat ADP phosphoryliertes Substrat Hexokinase Phosphatidylinositol-3- Kinase 12

13 EC 2.7 Phosphotransferase (Kinase) accessed on May 12,

14 EC Protein-Kinase Mehr als 500! Kinase Domäne 14

15 EC Protein Tyrosin Kinase Zoom auf ATP-Bindungstelle (hier durch Naturstoff gehemmt) 15

16 Protein Kinase als Drug Target Gleevec ist ein Arzneistoff zur Behandlung der chronischen myeloischen Leukämie (CML), von gastrointestinalen Stromatumoren (GIST) sowie weiteren malignen Tumoren. 16

17 Protein Kinase als Drug Target 17

18 Protein Kinase als Drug Target 18

19 Die Enzym-Nomenklatur (EC1-EC3) EC 1: Oxidoreduktasen Redox Reaktionen (Elektronentransfer) EC 2: Transferasen Übertragung chemischer Gruppen von einem Molekül auf ein anderes (z.b. Protein-Kinasen ) EC 3: Hydrolasen Spaltung chemischer Bindungen durch Hydrolyse (z.b. Proteasen ) 19

20 EC 3.4 Hydrolase (Protease) accessed on May 15,

21 EC Chymotrypsin Substrat 21

22 Die Enzym-Nomenklatur (EC4-EC6) EC 4: Lyasen Addition von Gruppen an Doppelbindungen oder Bildung von Doppelbindungen durch Entfernung von Gruppen (Spaltung und Knüpfung von Bindungen ohne Beteiligung oxidativer oder hydrolytischer Schritte) EC 5: Isomerasen Intramolekulare Isomerisierungen EC 6: Ligasen Bildung von C-C-, C-N-, C-O- und C-S- Bindungen durch Kondensationsreaktionen, gekoppelt an ATP-Hydrolyse 22

23 EC Peptidylprolyl-Isomerase 23

24 Schlüssel-Schloss Modell (Fischer, 1894) Nicht kovalente Wechselwirkungen Geometrische Komplementarität Elektronische/chemische Komplementarität Substrat Enzym Dihydrofolat-Reduktase: NADP + (rot) passt perfekt im aktiven Zentrum. Tetrahydrofolat (gelb) ist ein weiteres Substrat. 24

25 Induzierte Passform (Induced Fit ) Substrat (Koshland, 1958) Produkt Enzym Enzym Enzym-Substrat 25

26 Induced fit bei der Hexokinase Die Enden rücken aufeinander zu, wenn Hexokinase nach Bindung von D-Glucose (rot) eine Konformationsänderung vollzieht (PDB ID 1HGK und 1GLK). 26

27 Enzymdynamik 27

28 Enzymdynamik 28

29 Enzymdynamik From Mathews et al., Biochemistry 4 th edition,

30 Stereospezifität der Enzyme Prochirale Moleküle pro-r (A-Seite) OH H H CONH 2 H pro-s C H pro-r CH 3 N Ethanol R NAD red 30

31 Redox Reaktion von NAD Hydrid-Übertragung CONH 2 + H + + 2e - CONH 2 H H N R NAD ox (Elektronenekzeptor) (Elektronenakzeptor) H N R NAD red 31

32 Alkohol Dehydrogenase (1) R N R NAD ox CONH 2 OH ADH N CH 3 R D H CONH 2 O + D C D + CH 3 CD Ethanol NAD red Ethanal Stereospezifische Reaktion 32

33 Alkohol Dehydrogenase (2) R D N R H CONH 2 + O CH 3 CH Ethanal ADH N R CONH 2 + H OH C CH 3 Ethanol D NAD red NAD ox Stereospezifische Reaktion 33

34 Das Aktive Zentrum Substrat Bindungsstelle Katalytische Stelle Aktives Zentrum (Bindung + Katalyse) Enzym 34

35 Coenzyme Cofaktoren (1) Substrat Ohne Coenzym: Bindung ohne Katalyse Substrat Enzym 35

36 Coenzyme Cofaktoren (2) Substrat Substrat Coenzym Das Coenzym ist für die Katalyse nötig Apoenzym + Coenzym = Holoenzym 36

37 Coenzyme Cofaktoren (3) Cofaktoren Metallionen (z.b. Cu 2+, Fe 3+, Zn 2+ ) Coenzyme Organische Moleküle (z.b. NAD, Coenzym A) Prostetische Gruppen Kovalent gebunden (z.b. Hämgruppen) Vitamine Sehr oft Coenzymvorstufen 37

38 Vitamine als Vorstufen von Coenzymen CH 3 N N H 3 C N NH 2 S CH 2 CH 2 OH Thiamin, Vitamin B 1 Vitamin CH 3 H 3 C N N NH 2 N S CH 2 CH 2 O P P Thiamin-diphosphat (aktive Form) Coenzym: Aldehydtransfer 38

39 Vitamine als Vorstufen von Coenzymen O C Vitamin O C CONH 2 NH 2 OH N N N Nicotinamid (Niacinamid) Nicotinsäure CH 2 H O H NAD ox O H OH H OH NH 2 Coenzym O P O O N N NAD = Nicotinamidadenindinucleotid N N Dinucleotid = 2x Nucleotid O P O O CH 2 H O H H OH H OH 39

40 Aktivierungsenergie Einfache chemische Reaktion H A -H B + H C H A + H B -H C H A H B H C Übergangszustand 40

41 Übergangszustand-Diagramm (1) G G H A H B H C Übergangszustand (kurzlebig) Aktivierungs- Energie H A -H B + H C H A + H B -H C Edukte und Produkte haben die gleiche Energie Reaktionskoordinate 41

42 G Übergangszustand-Diagramm (2) G Reaktion < 0 Spontane Reaktion (exergonisch); aber G G Reaktion hat keinen Einfluss auf Reaktionsgeschwindikeit A + B G Reaktion P + Q Reaktionskoordinate 42

43 Reaktionsgeschwindigkeit Geschwindigkeit e - G RT Je grösser die Aktivierungsenergie, desto geringer die Geschwindigkeit 43

44 G Der höchste Berg bestimmt die Geschwindigkeit Zweistufige Reaktion Geschwindigkeitsbestimmender Schritt A I A A I I P A I P 44

45 Verdauungsenzyme Ohne Enzyme wären 50 Jahre nötig, um eine Portion Schinken zu verdauen. 45

46 Enzyme: Katalysatoren Sie reduzieren die freie Enthalpie des Übergangszustandes (Stabilisierung) G 5 kj mol 1 bedeutet eine 10-fache Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit z.b.: H-Bindung (nicthkovalent) = kj mol 1 46

47 Katalysemechanismen 1. Säure-Base 2. Kovalent 3. Metallionen 4. Elektrostatisch 5. Nachbargruppen u. Orientierungseffekte 6. Stabilisierung des Übergangszustands 47

48 20 Standardaminosäuren From Mathews et al., Biochemistry 4 th edition,

49 1. Säure-Base Katalyse Keto-Enol Tautomerisierung Pfeildarstellung: Verschiebung von Elektronenpaar Gebogene Pfeile zeigen den Fluss von Elektronenpaaren an. Für den Reaktionsmechanismus wichtige ungebundene Elektronen werden durch Punkte dargestellt. Elektronegativere Atome ziehen Elektronen stärker an (relative Elektronegativität: F > O > N > C S > H P). Maximal 8 Valenzelektronen in C-, N- und O-Atome; keine pentavalente C Atome oder divalente H Atome! 49

50 1. Säure-Base Katalyse Unkatalysiert (langsam) Säurekatalysiert (schnell) Basekatalysiert (schnell) Keto-Enol Tautomerisierung 50

51 Base Säure Säure-Base Katalyse: pankreatische RNase Säure Base 51

52 Säure-Base Katalyse Seitenketten in aktiven Zentren: Präzis angeordnet; schnelle Protonenübertragung -> Geschwindigkeitssteigerung von 10 2 bis 10 5 Enzyme haben einen optimalen ph-bereich ph-aktivitätsprofil zweier Enzyme 52

53 2. Kovalente Katalyse : hohe G 1. Nucleophiler Angriff 2. Abzug von Elektronen 3. Eliminierung des Katalysators Decarboxylierung von Acetoacetat: unkatalysiert (blau), katalysiert (rot) 53

54 Biochemisch wichtige Nucleophile ROH RO + H Hydroxyl RSH RS + H Sulfhydryl RNH 3 RNH 2 + H Amino R R HN NH HN N + H Imidazol 54

55 Biochemisch wichtige Electrophile H Protonen M n+ Metallionen R C O Carbonyl C R' R R' C N H Kationisches Imin (Schiffsche Base) C 55

56 3. Metallionenkatalyse Metalloenzyme fest als Kofaktoren gebunden Fe 2+, Fe 3+, Cu 2+, Zn 2+, Mn 2+, Co 2+ Übergangsmetalle (Katalyse) Metallaktivierte Enzyme schwach gebunden Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+ Alkali, Erdalkali (strukturelle Bedeutung) 56

57 Metallionenkatalyse: Carboanhydrase (1) Acider als freies H 2 O CO H O HCO H CO 2 Transport von Gewebe zu Lungen; Bicarbonat Puffersystem 57

58 Metallionenkatalyse: Carboanhydrase (2) Koordination von 3 His und 1 H 2 O H 2 O polarisiert zu OH OH greift CO 2 an 58

59 Metallionenkatalyse Metallionenbeiträge zur Katalyse: Bindung an Substrate, um diese in eine für die Reaktion geeignete Konformation zu bringen Reversible Änderungen des Oxidationszustands der Metallionen vermitteln Redox-Reaktionen Elektrostatische Stabilisierung z.b. um negative Ladung zu neutralisieren; Metallionen sind effektiver als Protonen, weil höhere Konzentration und auch +2 Ladung 59

60 4. Elektrostatische Katalyse Substratbindung im aktiven Zentrum unter Ausschluss von Wasser Starke Abweichung der pk-werte der AS Polarität des aktiven Zentrums vergleichbar mit organischem Lösungsmittel; niedrige Dielektrizitätskonstante (ε) Elektrostatische WW stärker als im Wasser Coulomb WW: E=q i q j / (ε r ij ) r ij = Abstand 60

61 Elektrostatische Katalyse Niedrige Dielektrizitätskonstante 61

62 5. Nachbar- und Orientierungseffekte Immer vorhanden: 1. Substrate werden in Kontakt gebracht Steigerung der Geschwindigkeit Faktor 5 2. Produktive Ausrichtung der Substrate Steigerung der Geschwindigkeit Faktor Erstarren von Rotation und Translation Steigerung der Geschwindigkeit Faktor

63 Man muss treffen! Nachbargruppeneffekt: 5x... aber richtig Orientierungseffekt: 100x 63

64 Enzym: optimierte Nachbar- und Orientierungseffekte E + S ES Einfrierung der Freiheitsgrade des Substrats und der katalytischen Gruppen: -T Δ S > 0 ungünstig. Enzym Aber: ΔH < 0 Bindungsenthalpie: günstig 10 7 x!!! Enzym 64

65 Nachbar- und Orientierungseffekte (Erklärung) relativ zu (a) 3 Reaktionen eines Esters mit einer carboxylatgruppe, wobei ein Anydrid entsteht. (Der Rest R ist immer gleich.) Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit: (a) bimolekular (b,c) monomolekular 65

66 6. Stabilisierung des bergangszustand Fast immer vorhanden: Enzyme binden den Übergangszustand mit höherer Affinität als Substrate und Produkte Erhöhung der Konzentration des Übergangszustands Steigerung der Geschwindigkeit um kj mol 1 bei 25 C 66

67 Stabilisierung des Übergangszustands Stabilisierung des Übergangszustands 67

68 Stabilisierung des Übergangszustands Hydrophober Effekt van der Waals H-Brückenbindungen Ionische Wechselwirkungen 68

69 G Nicht katalysiert G N Nichtkatalysierte S Reaktion Beiträge zur Reaktionsbarriere G N : Entropie von S in Lösung Solvathülle um S Verformung von S (Induced fit trägt zu G E bei) S S P G P Reaktionskoordinate 69

70 3 Berge (= Anzahl Gleichgewichte) Enzymkatalysierte Reaktion G E+S ES EP E+P 2 Täler (= Anzahl Intermediate) ES Enzymkatalysiert E+S E S G E E P ES G EP E+P 70

71 G kenzymkatalysierte Reaktion 1 E+S ES EP E+P k 2 k 3 k -1 k -2 Die Geschwindigkeitskonstante eines gegebenen Reaktionsschritts ist umgekehrt proportional zur Differenz der freien Enthalpie der Edukte und des Übergangszustands jenes Schritts. Grosse Energiedifferenz = kleine Konstante (langsamer Schritt). k -3 1/k -2 1/k 1 1/k -1 1/k 2 1/k 3 1/k -3 ( Symbol für "proportional") 71

72 Vergleich S N-E S P G G N S E+S ES G kat G E ES G E+S ES EP E+P EP Je grösser G kat desto schneller verläuft die Reaktion E+P P 72

73 Kinetik: Arrheniusgleichung Bezug zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit,Temperatur und Aktivierungsenergie E a (freie Aktivierungsenthalpie) E a k Ae RT E ln k ln A a RT k = Geschwindigkeitskonstante G Ea G G 73

74 Thermodynamik: van t Hoff Gleichung Bezug zwischen der Gleichgewichtskonstante und der freien Enthalpie G = H -T S Keq e G RT G ln K eq RT zum Beispiel Dissoziationskonstante: K eq = K D = k on /k off = [A][B]/[AB] AB k off A + B k on 74