Wirkungsweise von Enzymen Nomenklatur Enzymaktivität und Hemmung Koenzyme. Einführung in die Biochemie Enzyme

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1 Wirkungsweise von Enzymen Nomenklatur Enzymaktivität und Hemmung Koenzyme Einführung in die Biochemie Enzyme 1

2 Überblick: Stoffwechsel und Biokatalyse Stoff und Energiewechsel Assimilation Dissimilation heterotrophe Assimilation autotrophe Assimilation Atmung Gärung Fotosynthese Chemosynthese Assimilation und Dissimilation laufen bei allen rganismen gleichzeitig ab 2

3 Einleitung Die Biochemie befasst sich mit den chemischen Vorgängen in lebenden rganismen. Diese Vorgänge müssen aber nicht zwingend in vivo, also im Körper von Lebewesen, ablaufen, sondern lassen sich auch außerhalb des lebenden rganismus im Glas, in vitro, durchführen. Die chemisch-physikalischen Gesetzmäßigkeiten besitzen grundsätzlich auch für den biologischen Bereich Gültigkeit. Grundvoraussetzungen für lebenserhaltende Vorgänge ist das Vorhandensein von Energie. Der Energievorrat muss aufgebaut werden (Energiebindung), er muss dauerhaft gespeichert werden und er muss bei Bedarf schnell verfügbar sein (Energiefreisetzung). Um diese Prozesse auf molekularer Ebene zu verstehen, muss man sich mit den Werkzeugen befassen, die den Energiehaushalt biochemischer Vorgänge steuern. Diese Werkzeuge sind die Enzyme. 3

4 Biokatalyse durch Enzyme Einführung in die Biochemie Wirkungsweise von Enzymen Enzyme (oder Fermente) sind Proteine (Eiweißstoffe), die eine spezifische dreidimensionale Struktur besitzen und eine Molekülmasse zwischen und aufweisen. Durch Absenkung der Aktivierungsenergie laufen biochemische Reaktionen schneller ab. Enzyme werden bei der Reaktion nicht verbraucht, d. h. sie wirken wie Katalysatoren. Sie gehören neben den Vitaminen und Hormonen zu den Biokatalysatoren die alle chemischen Umsetzungen in lebenden rganismen steuern. Enzyme beschleunigen Stoffwechselvorgänge und Reizleitungsprozesse um das milliardenfache. Sie senken die Aktivierungsenergie so, dass biochemische Reaktionen bei 37 C ablaufen. Enzyme sind hoch spezialisiert und besitzen ein aktives Zentren, dass aus räumlich benachbarten Aminosäureresten der Proteinstruktur gebildet wird. E Edukte ÜZ ohne Enzym E A mit Enzym E A ohne Enzym Reaktionsverlauf Produkte 4

5 Wirkungsweise von Enzymen aktives Zentrum Die Wirkungsweise von Enzymen wird durch den Schlüssel-Schloss- Mechanismus sehr gut beschrieben und ist in zweifacher Weise hochspezifisch. Dieser Mechanismus führt am aktiven Zentrum zur Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes. Die mithilfe von Enzymen umgesetzten Stoffe werden als Substrate bezeichnet. Enzyme reagieren nur mit einem ganz bestimmten Substrat (Substratspezifität)! Enzyme katalysieren nur einen ganz bestimmten Reaktionsablauf (Wirkungsspezifität)! Substrat Enzym Substrat Komplex Produkte 5

6 Wirkungsweise von Enzymen Am Aktiven Zentrum kann ein Substrat nur in einer ganz bestimmten rientierung anlegen, wie ein Schlüssel zum Schloss. Dieses Prinzip ist die Ursache der Substratspezifität von Enzymen. Dies resultiert aus dem chemischen Aufbau der Enzyme und der daraus hergehenden räumlichen Struktur. Enzyme sind Kettenmoleküle aus Aminosäuren deren Kettenglieder durch eine Vielzahl verschiedener Bindungen in einer charakteristischen Struktur (Konformation) stabilisiert werden. Als Bindungsarten treten kovalente Bindungen, H Brückenbindungen und elektrostatische Wechselwirkungen zwischen geladenen Gruppen auf. Am aktiven Zentrum werden außerdem nur bestimmte Reaktionen katalysiert. Diese Eigenschaft wird Wirkungsspezifität genannt. Jede mögliche Reaktion eines Substrats benötigt einen anderen aktivierten Übergangszustand. Das aktive Zentrum eines Enzyms kann aber nur einen bestimmten Übergangszustand aktivieren. D. h. für jede Substratreaktion wird ein anderes Enzym benötigt. Ein Beispiel ist der Abbau von Glucose, in dessen Verlauf Brenztraubensäure enzymatisch entweder in Milchsäure oder in Essigsäure umgesetzt wird 6

7 Wirkungsweise von Enzymen Die Struktur von Enzymen wird durch vier unterschiedliche Bindungstypen gewährleistet: Asn Lys Cys CH 2 S S CH 2 Cys Disulfidbindung kovalente Bind. H 3 C H 3 C Ile CH CH 2 CH 3 CH Val CH 3 Van-der-Waals- Kräfte H H N CH 2 C C Gln N H H CH 2 CH 2 Wasserstoffbrücken bindungen H - CH 2 CH 2 CH 2 N + H H C CH 2 Asp Ionenbindung 7

8 Nomenklatur von Enzymen Da bei Enzymen nicht immer der genaue Aufbau jedoch aber die Wirkung im rganismus bekannt sind, werden eindeutige Kennzeichen, wie die Substrat- und Wirkungsspezifität für die Benennung herangezogen. Der systematische Name ist dreiteilig: Beispiele: 1. Substratkennzeichnung 2. Wirkungskennzeichnung 3. Endung ase Glukose oxid ase oxidiert Glucose Lactat-Dehydrogen ase oxidiert Milchsäure zu Brenztraubensäure Pyruvat-Decarboxyl ase spaltet C 2 von der Brenztraubensäure Teilweise wird aber auf die Wirkungskennzeichnung im Namen verzichtet: Ure ase spaltet Harnstoff Lip ase spaltet Fette unter Bildung freier Fettsäuren Amyl ase spaltet Stärke 8

9 Nomenklatur von Enzymen Teilweise werden auch noch Trivialnamen verwendet: Pepsin Trypsin Katalase (Hydrogenperoxidoxidoreduktase) spaltet Eiweiß im Magen spaltet Eiweiß im Darm reduziert Wasserstoffperoxid zu Wasser Aufgrund der Vielzahl von Enzymen (vermutlich > 10000) werden diese in sechs Hauptklassen zusammengefasst: 1. xidoreduktasen Katalysieren p + oder e - Übertragungen bei Redoxreaktionen. Bei Übertragungen auf organische Akzeptoren spricht man von Dehydrogenasen, bei Übertragungen auf Sauerstoff von xidasen. Letztere sind vor allem für den Abbau von Nährstoffen wichtig. 2. Transferasen Bewirken die Übertragung von Molekülgruppen, wie z. B. Amin- oder Methylgruppen. Wichtiger sind jedoch die Übertragung von Phosphatgruppen (Phosphotransferasen) und Acylgruppen (Acyltransferasen). 9

10 Nomenklatur von Enzymen 3. Hydrolasen Katalysatoren für Hydrolytische Spaltungen von C- oder C-N Bindungen, wie z. B. Fett spaltenden Lipasen im Verdauungstrakt. 4. Lyasen Katalysieren über Eliminierungsreaktionen nichthydrolytische Bindungsspaltungen an C-C oder C- Bindungen. Dazu gehört die Pyruvat- Decarboxylase 5. Isomerasen Katalysiert intramolekulare Umlagerungen wie cis-trans-isomerisierung oder die Umwandlung optisch aktiver Verbindungen in ihr Racemat. 6. Ligasen Knüpft neue chemische Bindungen zwischen Molekülen. Sie werden auch als Syntheasen bezeichnet. 10

11 Die Aktivität eines Enzyms, d. h. die Wirksamkeit als Katalysator, wird durch die konkreten Bedingungen der biochemischen Reaktion beeinflusst. Da Enzyme bei Reaktionen nicht verbraucht werden, kann bei der Wirksamkeit von Enzymen nicht die Reaktionsgeschwindigkeit gemessen werden. Man bestimmt die Menge des pro Zeiteinheit umgesetzten Substrats. Einige Umgebungsbedingungen haben einen starken Einfluss auf die Effektivität der enzymatischen Wirkung. Dazu zählen Temperatur, ph-wert und Substratkonzentration sowie Mineralstoffe und Spurenelemente. Temperatur: Einführung in die Biochemie Enzymaktivität Steigende Temperaturen beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit positiv, weil sich die Enzym- Substratmoleküle schneller bewegen. Bis ca. 30 C folgt die Aktivitätszunahme der Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (RGT-Regel) Dabei erreicht die Aktivität ein Maximum. Bei weiter zunehmender Temperatur denaturieren die Enzyme jedoch wie alle Proteine, so dass jedes Enzym ein Temperaturoptimum besitzt. Bei dieser Denaturierung (Gerinnung) werden die Sekundär- und Tertiärstrukturen der Proteine und somit auch der Funktionsmechanismus zerstört. 11

12 Enzymaktivität ph - Wert: Jedes Enzym ist bei einem bestimmten ph Wert am aktivsten. Bei den meisten liegt der optimale Wert im neutralen Bereich zwischen 6 und 8. Pepsin allerdings zeigt sein ptimum im sauren Bereich bei ph 2. Der räumliche Bau ist von der Aminosäuresequenz und den Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen ionischen Gruppen der Aminosäuren vorgegeben. Aminosäuren haben auch in der Peptidverknüpfung saure und basische Reste. Die Veränderung des ph-wertes führt zu einer Änderung der Raumstruktur Substrate können nicht mehr oder nicht mehr optimal gebunden werden. Temperaturoptimum von Enzymen ph-wertoptimum von Pepsin und Trypsin Reaktionsgeschwindigkeit Temperaturoptimum für ein Enzym beim Menschen Temperaturoptimum für ein thermophiles Bakterienenzym Reaktionsgeschwindigkeit optimaler ph-wert von Pepsinn optimaler ph-wert von Trypsin Temperatur [ C] ph 12

13 Konzentration des Substrats: Einführung in die Biochemie Enzymaktivität Jede Enzymreaktion kann durch Erhöhung der Konzentration des Substrates beschleunigt werden. Wenn alle Enzymmoleküle besetzt sind hat die Reaktionsgeschwindigkeit ihr Maximum erreicht und steigt nicht weiter an. Der Kurvenverlauf ist für jedes Enzym-Substrat- Paar spezifisch; je nach Affinität des Enzyms zum Substrat strebt die Reaktionsgeschwindigkeit in den Sättigungsbereich. Als Maß für die Enzymaffinität verwendet man die maximale Reaktionsgeschwindigkeit V max und wählt den halbmaximalen Wert V max /2. Der dazu gehörende Konzentrationswert ist K M (Michaelis-Konzentration) 13

14 Konzentration des Substrats: Einführung in die Biochemie Enzymaktivität Jede Enzymreaktion kann durch Erhöhung der Konzentration des Substrates beschleunigt werden. Anfangs nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zur Substratkonzentration zu und flacht dann ab. Wenn alle Enzymmoleküle besetzt sind hat die Reaktionsgeschwindigkeit ihr Maximum erreicht und steigt nicht weiter an. V max Reaktionsgeschwindigkeit K M V max /2 Konzentration des Substrats Die Kinetik enzymkatalysierter Reaktionen kann durch die Michaelis-Menten-Gleichung beschrieben werden. 14

15 Konzentration des Enzyms: Ermittelt man Sättigungskurven für verschiedene Konzentrationen desselben Enzyms, so erhält man eine Schar von Kurven, deren V max zur Enzymkonzentration proportional ist. Dies bedeutet, dass die Michaelis-Konstante K M für alle Enzymkonzentrationen gleich ist. Mineralstoffe und Spurenelemente Enzymaktivität Reaktionsgeschwindigkeit K M V max /2 V max /2 V max /2 Konzentration des Substrats V max V max V max Weitere Einflussgrößen aus der chemischen Umgebung auf die Enzymaktivität sind insbesondere anorganische Ionen, hauptsächlich Mg2+ und Ca2+. Für diese Mineralstoffe gibt es ptimumskurven der Konzentrationen, die denen des ph- Wertes im Prinzip vergleichbar sind. [E] C [E] B [E] A 15

16 Hemmung der Enzymaktivität Die Enzymwirkung kann durch Hemmstoffe oder Inhibitoren herab gesetzt werden. Dies erfolgt auf zwei verschiedenen Wege: Kompetitive Hemmung Ein Hemmstoffmolekül besitzt eine Ähnlichkeit mit dem Substrat, lagert sich am aktiven Zentrum an und behindert den weiteren Substratabbau. Ist diese Bindung sehr fest wird das Enzym dauerhaft blockiert. Antibiotika blockieren so die Vermehrung von Bakterien. Schwermetallionen, wie Cd 2+, Pb 2+ und Hg 2+ wirken als kompetitive Hemmstoffe in vielen rganismen giftig; sie passen chemisch oft ins aktive Zentrum. allosterisches Zentrum Substrat Enzym Substrat Enzym kompetitiver Hemmstoff kompetitiver Hemmstoff 16

17 Allosterische Hemmung Einführung in die Biochemie Hemmung der Enzymaktivität Enzyme haben nur ein aktives Zentrum. Aufgrund ihrer hochkomplexen Struktur können andere Moleküle als das Substrat Andockstationen finden. Diese allosterischen Zentren sind für das Substrat nicht geeignet. Dockt aber ein anderes Molekül dort an, kann die Raumstruktur des Enzyms so verändert werden, dass sich am aktiven Zentrum kein Enzym-Substrat mehr bilden kann. Allosterische Hemmstoffe können nur von außen, nicht durch das Substrat, beeinflusst werden. Sie sind aber nicht immer eine Bedrohung für die Zelle, sondern können auch zur Steuerung biochemischer Prozesse beitragen. allosterischer Hemmstoff allosterisches Zentrum Substrat Enzym enzymatische Katalyse Enzym Substrat Substrat Enzym 17

18 Koenzyme Bei Transferasen, Phosphotransferasen und anderen Enzymen beobachtet man, dass das Einsetzten der enzymatisch katalysierten Reaktion einen Reaktionspartner voraussetzt. Da ohne diese Reaktionspartner keine Enzymreaktionen zustande kommen können, hat man sie als notwendige Bestandteile der Enzyme aufgefasst und sie Koenzyme genannt. Substrat Koenzym Enzym Enzym-Substrat- Komplex Produkt verändertes Koenzym 18

19 Nicotinamidnucleotide Einführung in die Biochemie Koenzyme Hilfestellung bei der Übertragung von Wasserstoffdurch xidoreduktasen leistet das Koenzym NAD + (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid) und NADP + (NAD-phosphat). Die reduzierten Formen sind NADH 2 und NADPH 2. NH 2 N N Adenin N Nicotinamid-adenin-dinukleotid NAD N II I CH 2 P P H 2 C I I II H H - H I P Nicotinamid-adenin-dinukleotid-phosphat NADP - H N + NH 2 Nicotinamid 19

20 Koenzyme Bei der Reduktion der Koenzyme, also der Wasserstoffaufnahme, werden zwei Elektronen in Form eines Hydridions H - übertragen. Das zweite H-Atom wird als Folge einer Protonierung angelagert. Red NAD + H - + H + NADH 2 x. H H NH 2 + 2H NH 2 + H + N + - 2H N + R R oxidierte Form des Nicotinamids (NAD + ) reduzierte Form des Nicotinamids (NADH) NAD/NADH 2 ist das Koenzym für die abbauenden Stoffwechselprozesse. NADP/NADP 2 ist das Koenzym für die aufbauenden Stoffwechselprozesse 20

21 Adenosinphosphate Abhängig von der Anzahl der Phosohatgruppen unterscheidet man Mono-, Di- oder Triphosphorsäure; AMP, ADP, ATP ATP dient den Zellen aller Lebewesen als universeller Transport und Speicherstoff für Energie. In den chemischen Bindungen der Triphosphateinheit ist Energie gespeichert, die bei der hydrolytischen Spaltung der Bindung freigesetzt wird. Adenosintriphosphat wird unter der Freisetzung von 30 kj/mol hydrolytisch in Adenosindiphosphat und Phosphat gespalten. Einführung in die Biochemie Koenzyme 21

22 Koenzym A (Acylierung) Einführung in die Biochemie Koenzyme Enzym mund Koenzym bilden funktionell eine Einheit (Holoenzym). Die katalytisch wirksame Komponente ist immer ein Protein, das im Holoenzym als Apoenzym bezeichnet wird. NH 2 N N / CH 2 CH 2 NH H CH 3 \\ I I C C C CH 2 P P H 2 C \\ / I I I C CH 2 CH 2 NH H CH 3 β-alanin Pantothensäure Pantethin Pantoinsäure / P N H N 22

23 Nutzung von Enzymen durch den Menschen Nachweis von D-Glucose im Urin mithilfe von Teststäbchen zur Kontrolle und Erkennung von Diabetes (Diagnostik) Lipasen zur Fettverdauung in verdauungsunterstützenden Medikamenten (Pharmazie) Herausschneiden von DNS Stückchen (Genetik) Analyse der Aminosäuresequenz eines Polypeptids (Analytik) Beseitigung von Trübung in Fruchtsäften (Lebensmittelchemie) Herstellung von Joghurt Einführung in die Biochemie Koenzyme Zusatz von Proteasen in Waschmittel gegen eiweißhaltige Verunreinigungen (Reinigungsmittel) 23