Katalyse. höhere Reaktionsgeschwindigkeit bei derselben Temperatur! Achtung: Gleichgewicht der chemischen Reaktion wird nicht verschoben

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1 Katalyse Ein Katalysator setzt Aktivierungsenergie einer Reaktion herab, indem er einen anderen Reaktionsweg ermöglicht, so dass der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der nicht-katalysierten Reaktion vermieden wird. höhere Reaktionsgeschwindigkeit bei derselben Temperatur! Achtung: Gleichgewicht der chemischen Reaktion wird nicht verschoben Hin- und Rückreaktion werden um den gleichen Faktor beschleunigt! Homogener Katalysator befindet sich in der gleichen Phase wie die Reaktionsmischung Heterogener Katalysator befindet sich in einer anderen Phase wie die Reaktionsmischung (z.b.: fester Katalysator in Gasphasenreaktion)

2 Spezialfall: Enzyme Enzyme = biochemische Katalysatoren mit hoher h katalytischer ti Aktivität ität z.b.: Rohrzucker-Hydrolyse E a = 07 kj/mol in Gegenwart von Saccharase E a = 36 kj/mol d.h. Reaktionsbeschleunigung um einen Faktor 0 2 bei Körpertemperatur mit hoher Spezifität Enzyme katalysieren nur eine einzige oder eine Serie eng verknüpfter Reaktionen kaum Nebenprodukte! mit regulierbarer Aktivität Stichworte: - Feedback-Hemmung - Regulatorproteine - kovalente Modifikation - proteolytische Aktivierung

3 Spezialfall: Enzyme Katalytische Aktivität Bildung von Enzym-Substrat (ES) -Komplexen Substrat wird hochselektiv an das aktive Zentrum des Enzyms gebunden! - nicht-kovalente Wechselwirkungen - Schlüssel-Schloss-Prinzip Schloss (E.Fischer, 890) Adsorption des Substrates charakteristische Kinetik (Reaktion mit vorgelagertem g Gleichgewicht)

4 v [S] Michaelis-Menten-Modell

5 Hypothese: Enzym E und Substrat S stehen mit Enzym-Substrat- (ES)K Komplex im Gleichgewicht Glih ih E + S k ES k 2 E + P k - Annahme: Produkt P wird nicht in ursprüngliches Substrat zurückverwandelt Gesucht: Ausdruck der Katalysegeschwindigkeit mit Enzym- und Substratkonzentration, sowie den Geschwindigkeiten der Einzelschritte verknüpft v = k 2 [ES] [ES]??

6 Bildung des ES-Komplexes: v f = k [E][S] Zerfall des ES-Komplexes: v d = k - [ES] + k 2 [ES] Stationärer Zustand (Fliessgleichgewicht, steady state ) Bildungs- und Zerfallsgeschwindigkeit des ES-Komplexes sind gleich v f = v d d.h. k [E][S] = (k - + k 2 )[ES] [ ES] = [ E] [ S] ( k + k ) 2 /k

7 Def.: Michaelis-Menten-Konstante K M : K M k + = k k 2 E S [ ES] = [ ][ ] K M Konzentration an freiem Enzym: [E] = [E] 0 - [ES] Konzentration an freiem Substrat: [S] [S] 0 [ ] [ ES] 0 ( ) S ES S [ ES] = E K M (Annahme: [E] 0 <<[S] 0!) [ ] oder: [ ] [ S] 0 [ ES] = E [ S]+ K M

8 [ S] Reaktionsgeschwindigkeit: v = k 2 [ ES] = k 2 [ E] 0 [ S ] + K M Für [E] << [S]: - gesamtes Enzym im ES-Komplex gebunden - alle Bindungsstellen mit Substrat gesättigt maximale Reaktionsgeschwindigkeit : = k 2 [E] 0 (d.h. ) Michaelis-Menten-Gleichung: v = [ S] [ S] + K [ ] + K M (bei [S] = K M v = /2!)

9 Bestimmung von und K M : Linearisierung! v = V v max K M (Eadie-Hofstee) S [ ] v = + K M S [ ] (Lineweaver-Burk) Bsp: Lineweaver-Burk Diagramm v K K M K V M max [] S

10 Bedeutung von K M und : K M = [S] Sb Substratkonzentration, bei bider die Hälfte der aktiven ki Zentren besetzt ist k 2 << k - : K M = Gleichgewichtskonstante der Dissoziation des ES-Komplex typische Werte für K : M - 0 M = k 2 [E] 0 k cat Wechselzahl (turnover number) typische Werte für k cat : s - (Zahl der Katalysevorgänge pro sec)

11 Beispiel: Carboanhydrase CO 2 + H 2 O HCO H + K M = 8 mm k cat = 6*0 5 s -

12 Hemmung von Enzymen - Kontrollmechanismus in biologischen Systemen - Wirkung von Medikamenten und Toxinen irreversible Hemmung Inhibtor ist sehr fest an Enzym gebunden z.b. BWik Wirkung von Nervengasen auf fache Komplexes reversible Hemmung schnelle Dissoziation des Enzym-Inhibitor a. kompetitive Hemmung: Substrat und Inhibitor werden vom aktiven Zentrum des Enzyms gebunden Enzym kann Substrat oder Inhibitor binden, aber nicht beide [ES] verringert!

13 Kompetitive Hemmung Substrat kompetitiver Inhibitor Enzym Enzym Kinetik: mit Inhibitor v ohne Inhibitor v = + K M [ ][ I] [ ] K i = E EI [ ] + I K i S [ ] [] S

14 b. nicht-kompetitive Hemmung: Inhibitor und Substrat können gleichzeitig vom selben Enzymmolekül gebunden werden verschiedene Bindungsstellen Enzym Substrat nicht-kompetitiver Inhibitor

15 Nicht-kompetitive Hemmung Kinetik: mit Inhibitor v K M ohne Inhibitor I = + I [] K i [ S]