Stoffwechselphysiologie
9 m 3 m 3 m Nahrung- und Flüssigkeitsaufnahme in 40 Jahren: 36000 l Wasser 6000 kg Nahrungsmittel
Aufgaben des Stoffwechsels Gewinnung von chemischer Energie aus anorganischen und organischen Vorstufen (Assimilation), herstellen von Grundbausteinen für zelluläre Makromoleküle
Aufgaben des Stoffwechsels Synthese von Lipiden, Proteinen Nukleinsäuren und Polysacchariden aus diesen Grundbausteinen als Strukturelement, Energiespeicher, usw. (Anabolismus)
Aufgaben des Stoffwechsels Energiegewinnung durch den Abbau von Kohlehydraten, Lipiden und Proteinen (Katabolismus)
Was ist ein Enzym? Enzyme sind spezifische Biokatalysatoren, die biochemische Abläufe in Organismen unter physiologischen Bedingungen ermöglichen. Enzyme sind fast immer Proteine
Chemische vs. enzymkatalytische Reaktion: z.b. Proteinabbau Chemische Spaltung: 6 M Salzsäure, 110 C, 24h Enzymatische Spaltung z.b. im Magen : 0,1 M Salzsäure, 37 C, einige Stunden
Grundlagen enzymatischer Reaktionen Jede enzymatische Reaktion beginnt mit einer reversiblen Bindung des Substrats Enzyme beschleunigen die Einstellung von Reaktionsgleichgewichten (bis zu 10 6 fach!), nicht die Richtung der chemischen Reaktion Enzym + Substrat Enzym + Produkt
Enzyme Beschleunigen Reaktionen durch Erniedrigung der Aktivierungsenergie
Rasante Enzyme Die Wechselzahl eines Enzyms beschreibt die Anzahl an Substratmolekülen, die bei vollständiger Sättigung des Enzyms mit Substrat pro Zeiteinheit in das Produkt umgewandelt werden können
Enzyme enthalten aktive Zentren, an denen die katalytische Umsetzung des Substrats abläuft
Und wozu ist der Rest des Moleküls? Substrat passt in das aktive Zentrum aktives Zentrum Substrat passt NICHT in das aktive Zentrum Detaturiertes Enzym Natives Enzym Das aktive Zentrum ist eine dreidimensionale Einheit, die von vielen Gruppen aus verschiedenen Abschnitten der linearen Aminosäuresequenz gebildet wird
Mechanismus einer enzymatischen Reaktion
Interaktion Substrat-Enzym: Schlüssel-Schloss Modell
Interaktion Substrat-Enzym: Induced fit Modell
Enzyme: Substrat-spezifisch Reaktions-spezifisch IUB-Nomenklatur: (Substrat)(Reaktion)ase z.b. Hexokinase = ATP:D-Hexose-6-Phosphotransferase
Coenzyme: Sind Kofaktoren, die für viele enzymatische Reaktionen benötigt werden (Co-Substrate) Niedriges Molekulargewicht, thermostabil Können vom Enzym abgetrennt werden (nicht-kovalente Interaktion) Enthalten als aktive Komponenten meist Moleküle, die der Mensch nicht selbst synthetisieren kann, z.b. die Vitamine Thiamin, Flavin, Nicotinamid Werden während der Reaktion verändert, sind also keine Katalysatoren Holoenzym = Apoenzym + Coenzym
Beispiele für Enzyme, die Coenzyme Enzym Transferase und/oder Metallionen enthalten: Alkohol-Dehydrogenase Carboanhydrase Cytochrom-Oxidase Cytochrom b Katalase Succinat-Dehydrogenase Tyrosinase Pyruvat-Carboxylase Pyruvat-Dehydrogenase Transaminasen Decarboxylasen Metallion Zn Zn Cu, Zn Fe 2+ /Fe 3+ Fe Fe Cu Zn, Mn Coenzym NAD FAD Biotin NAD, FAD, Thiaminpyrophosphat, Liponsäure Pyridoxalphosphat Pyridoxalphosphat Pyridoxalphosphat
Beispiele für Coenzyme: Adenosintriphosphat (ATP): Die universelle Energiewährung der Zelle
Beispiele für Wirkungsweise: Hexokinase + Adenosintriphosphat (ATP)
Vitamine als Coenzyme: Thiamin (Vitamin B1): Coenzym der oxydativen Decarboxylierung durch die Pyruvatcarboxylase Riboflavin (Vitamin B 2 Komplex): In Form eines Flavoproteins gebunden, enthält Nicotinamid Panthothensäure: Bestandteil des Coenzym A, ein zentrales Coenzym des Fettstoffwechsels Cobalamin (Vitamin B 12 ): In bestimmter Form ein Coenzym von Isomerasen Ascorbinsäure (Vitamin C): Bildet ein wichtiges biochemisches Redoxsystem (durch reversible Umwandlung in Dehydroascorbinsäure) Biotin (Vitamin H): Cofactor für die Übertragung von COO Gruppen
Beispiele für Coenzyme: Nicotinamidadenindinucleotid (NAD + ) (oxidiert) (reduziert)
Beispiele für Wirkungsweise: Nicotinamidadenindinucleotid (NAD + ) Glyzerinaldehyd- 3-phosphat Lactat 1-3-Biphospho- Glyzerat Pyruvat
Prosthetische Gruppen: Wirkungsweise wie Coenzyme, sind jedoch fest an das Enzym gebunden Können vom Enzym nicht abgetrennt werden Das Holoenzym reagiert nacheinander mit zwei verschiedenen Substraten Werden während der Reaktion verändert, sind also keine Katalysatoren
Beispiele für prosthetische Gruppen: Flavin-adenin-dinucleotid (FAD + )
Beispiele für Wirkungsweise: Aminosäureoxidation
Isoenzyme: Katalysieren dieselbe enzymatische Reaktion, haben jedoch einen unterschiedlichen molekularen Aufbau Besitzen unterschiedlich Substrataffinitäten Können innerhalb eines Organismus und sogar innerhalb einer Zelle in unterschiedlicher Ausprägung vorkommen
Lactatdehydrogenase: Aus: Stryer, Biochemie, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbh Heidelberg 1990 M4 M3H M2H2 MH3 H4 Aus 4 Ketten (M oder H) Zusammengesetzt, Isoformen können elektrophoretisch aufgetrennt und charakterisiert werden
Multienzyme: Katalysieren die Umsetzung von Substraten über eine Abfolge von Reaktionen, ohne die Freisetzung von Zwischenprodukten zu ermöglichen Lösliches, dissoziiertes Enzymsystem, z.b. Glykolyse in Cytosol Multienzymkomplex, Zwischenprodukte sind fest in den Komplex eingebunden, z.b. Fettsäuresynthese
Multienzyme: Katalysieren die Umsetzung von Substraten über eine Abfolge von Reaktionen, ohne die Freisetzung von Zwischenprodukten zu ermöglichen Membrangebundenes Multienzymsystem, z.b. Atmungskette an der Mitochondrienmembran
Lokalisation von Enzymsystemem innerhalb der Zelle: Cytoplasma: Glykolyse Mitochondrien (membrangebunden): Elektronentransportkette, Fettsäureabbau, Atmungskette, Citratzyklus Endoplasmatische Reticulum (membrangebunden): Fettsäuresynthese, Steroidsynthese, hydroxylierende Enzymsysteme (wichtig beim Arzneimittelabbau) Diese Kompartimentierung ermöglicht die räumliche und zeitliche Koordination von Stoffwechselabläufen
Enzyme: 6 Hauptklassen (1) Oxidoreduktasen: Enzyme der biologischen Oxidation und Reduktion H-Überträger: Mit NAD, FAD als Akzeptor, z.b. Laktat- Dehydrogenase; mit O2 als Akzeptor: Glukose-Oxidase Gekoppelte Redox-Reaktionen: Z.B. unter Abspaltung von CO 2, Pyruvat Acetyl-CoA Elektronen übertragende Enzyme (Oxidasen): Einbringen von O 2, Bildung von Wasser oder H 2 O 2 ; z.b. Dioxygenasen, Monooxygenasen (2) Transferasen: Gruppenübertragende Enzyme (z.b. Phosphorylase; Acyl, Glycosyl-reste; Methyltransferasen) (3) Hydrolasen: Enzyme, die hydrolytische Spaltungen katalysieren (z.b. Proteasen, Esterasen [Lipidspaltung], Glykosidasen; Nukleasen)
Enzyme: 6 Hauptklassen (4) Lyasen: Katalysieren u.a. Eliminierungsreaktionen unter Ausbildung einer Doppelbindung (z.b. Aldolase, Fumarase; nicht-hydrolytisch) (5) Isomerasen: Katalysieren Umlagerungen innerhalb eines Moleküls (z.b. Glycerinaldehyd-3-Phosphat Dihydroxyacetonphosphat [Triosephosphatisomerase], Glukose Galaktose [Glukoseisomerase] (6) Ligasen: Knüpfen Bindungen unter gleichzeitiger Spaltung von ATP (z.b. Fixierung von CO2 durch die Pyruvatcarboxylase, Fixierung von Ammoniak durch die Glutaminsynthetase; energieabhängige Bindungsknüpfung)
Kinetik von Enzymreaktionen: Verringerte Aktivierungsenergie
Kinetik von Enzymreaktionen: Die Michaelis-Menten-Konstante Bei vielen Enzymen variiert die Katalysegeschwindigkeit V mit der Substratkonzentration [S] Ist [S] klein (konstante Enzymkonzentration), verhält sich V annähernd linear zu [S] Ist [S] hoch, so verhält sich V Annähernd unabhängig zu [S] K M (Michaelis-Menten Konstante) Gibt die Substratkonzentration bei halbmaximaler Reaktionsgeschwindigkeit an
Kinetik von Enzymreaktionen: Die Michaelis-Menten-Konstante Hat die Einheit Mol/Liter Ist unabhängig von der im Versuchsansatz vorliegenden Menge an Enzym Hat eine charakteristische Größe für ein Enzym-Substrat Paar Ein niedriger K M Wert zeigt an, dass die Affinität vom Enzym zum Substrat hoch ist V = V max [S] K M + [S]
Kinetik von Enzymreaktionen: Darstellung nach Lineweaver-Burk 1 V = K M V max x 1 1 + [S] Vmax
Kinetik von Enzymreaktionen: Messung optimaler Reaktionsbedingungen
Kinetik von Enzymreaktionen: Messung optimaler Reaktionsbedingungen ph Optimum 3 4 5 6 7 8 9 ph Wert
Hemmung von Enzymen: Hemmung durch Stoffwechselzwischen- oder Endprodukte (Metaboliten) ist ein wichtiger Faktor bei der Regulation des Intermediärstoffwechsels
Hemmung von Enzymen: Hemmung durch zellfremde Substanzen (z.b. Pharmaka) Irreversible Hemmung: Permanente chemische Veränderung der funktionellen Gruppen des Enzyms Reversible Hemmung: Kompetitive Hemmung (durch ein dem Substrat strukturähnliches Molekül) Nicht kompetitive Hemmung (Hemmsubstanz lagert sich außerhalb des aktiven Zentrums an)
Kinetik von Enzymreaktionen: Kompetitive und nicht-kompetitive Inhibierung
Kinetische Unterscheidung: Kompetitive Hemmung Nicht-kompetitive Hemmung
Kompetitive Inhibierung Kann durch ausreichend hohe Substratkonzentration ausgeschaltet werden Da sich V max nicht ändert, ist K M höher (höhere Substratkonzentration für die gleiche Reaktionsgeschwindigkeit notwendig)
Nicht-kompetitive Inhibierung Kann durch hohe Substratkonzentration nicht ausgeschaltet werden V max ist verringert, K M (Substratkonzentration bei halbmaximaler V max ) verändert sich nicht Enzym-Substratbindung muss nicht beeinträchtigt sein, aber katalytische Umsetzung des Substrates wird beeinflusst
Praktische Anwendung der kompetitiven Inhibierung: Glycolvergiftung (Frostschutzmittel)
Allosterische Enzyme Sind nicht mit dem Michaelis-Menten Modell beschreibbar Besitzen zusätzlich zum katalytischen Zentrum Bindungsstellen für reversible Bindung von Effektor-oder Modulatormolekülen Haben mindestens zwei Bindungsstellen Hemmung durch Endprodukte einer Biosynthesekette möglich Allosterische Hemmung oder Aktivierung ist immer reversibel
Enzyme, Zusammenfassung Biokatalysatoren, katalysieren Hin-und Rückreaktion Einstellung eines Gleichgewichtes beschleunigt Aktivierungsenergie wird erniedrigt Enzymkinetik durch biomathematische Modelle beschreibbar Coenzyme als Co-Faktoren Regulation der Enzymaktivität