Biochemie: Enzyme

Allosterie ist die Eigenschaft vieler aus mehreren Untereinheiten zusammengesetzter Proteine, ihre räumliche Struktur unter der Beeinflussung des aktiven Zentrums zu verändern.

• Homoallosterische Regulation (Kooperativität): Erfolgt über die Substratbindung an ein katalytisches Zentrum und erfordetr multimere Enzyme.
• Heteroallosterische Regulation: Erfolgt über Effektormoleküle, die weitab vom katalytischen Zentrum an das Enzym binden. Es kann sich um mono- oder multimere Enzyme handeln

Damit ein Enzym heteroallosterisch reguliert werden kann, muss es mindestens zwei verschiedene Bindungsstellen auf seiner Oberfläche aufweisen: Das aktive Zentrum für die Substratbindung und -umsetzung sowie eine Kontrollstelle, an die ein regulatorisches Molekül bindet. Dabei kann die Kontrollstelle ihre Funktion nur ausüben, wenn sie mit dem aktiven Zentrum kommunizieren kann! Dies geschieht über Konformationsänderungen.

• Positive Kontrolle durch Konformationskoppelung zwischen zwei entfernten Bindungsstellen: X ist ein allosterischer Aktivator! --> Das Enzym wird durch den Effektor aktiviert.

• Negative Kontrolle durch Konformationskoppelung zwischen zwei entfernten Bindungsstellen: X ist ein allosterischer Inhibitor! --> Das Enzym wird durch den Effektor inhibiert.

• Allosterische Aktivierung: v wird grösser, K_m wird kleiner
• Allosteriesche Hemmung: v wird kleiner, K_m wird grösser

Die Aktivität vieler Enzyme wird durch kovalentes Anhängen von funktionellen Gruppen beeinflusst; da diese Art von Modifikation reversibel ist, ermöglicht sie eine Regulation der Enzymaktivität.

Die häufigste kovalente Modifikation von Enzymen (und anderen regulatorischen Proteinen!) ist die ATP-abhängige Phosphorylierung von Serin-, Threonin- oder Tyrosin-Seitenketten.

Dabei kann die Phosphorylierung eines Enzyms (oder Proteins) seine Aktivität entweder steigern oder vermindern - je nach Ort der Phosphorylierung und Struktur des Enzyms (Proteins):

Einige Enzyme werden als enzymatisch inaktive Vorstufen synthetisiert und als solche intrazellulär gespeichert. Bei Bedarf werden sie dann ausgeschüttet und am Wirkungsort durch enzymkatalysierte, irreversible Abspaltung eines Teils ihrer Peptidkette (Proteolyse) in die aktive Form übergeführt. 

• Substanz: Acetylsalicylsäure, Paracetamol  inhibiertes Enzym: Cyclooxygenase  Einsatz als: Schmerzmittel
• Substanz: Lovastatin  inhibiertes Enzym: HMG-CoA-Reduktase  Einsatz als: Cholesterinsenker
• Substanz: Captopril  inhibiertes Enzym: Angiotensin-konvertierendes Enzym, ACE  Einsatz als: Antihypertonikum
• Substanz: Moclobemid  inhibiertes Enzym: Monoaminoxidase, MAO  Einsatz als: Antidepressivum

Ein kompetitiver Inhibitor gleicht in seiner chemischen Struktur derjenigen des Substrates. Dadurch kann er das aktive Zentrum im Enzym vorübergehend besetzen und die Umsetzung des Substrates verlangsamen.

--> Substrat und Inhibitor konkurrieren um den gleichen Bindungsort im aktiven Zentrum des Enzyms.

Die Anwesenheit von kompetitiven Inhibitoren führt zu einer Zunahme von K_m, sie verändert jedoch nicht v_max.

Erhöht man bei gleich bleibender Hemmstoffkonzentration [I] die [S], nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass sich ES anstelle von EI bildet. Bei genügend hoher [S] ist die [EI] folglich vernachlässigbar gering.

--> Eine kompetitive Hemmung kann durch Erhöhung der [S] aufgehoben werden.

Ein nicht-kompetitiver Inhibitor nimmt keinen - oder nur wenig - Einfluss auf die Substratbindungsstelle, blockiert aber Folgereaktionen.

--> Keine Konkurrenz zwischen Substrat und Hemmstoff bei der Wechselwirkung mit dem Enzym.
--> Substrat und Hemmstoff interagieren mit verschiedenen Bindungsstellen.

Nicht-kompetitive Inhibitoren reduzieren V_max eines Enzyms, verändern aber K_m in der Regel nicht, d.h. die Affinität des Enzyms zum Substrat bleibt unverändert (seltener Hemmtyp).

Neben den reversibel bindenden Inhibitoren, gibt es auch eine Reihe von physiologischen Inhibitoren, die kovalent an das aktive Zentrum eines Enzyms binden und es dadurch dauerhaft (irreversibel) hemmen.

Eine grosse Zahl solcher irreversibler Inhibitoren befinden sich im Plasma von Säugern: bis zu 10% aller Plasmaproteine wirken als Proteaseinhibitoren! Sie sorgen dafür, dass nach einer Infektion mit nachfolgender Ausschüttung von grossen Mengen an Proteasen (z.B. der Leukozyten-Elastase), diese nicht ungehemmt alle extrazellulären Proteine abbauen.

Es ist ein Enzymgift. Diisopropylfluorophosphat (DFP) bindet kovalent an die Acetylcholinesterase (AChE) und hemmt diese irreversibel. Wird Acetylcholin auf Grund einer Hemmung der AChE nicht rasch genug entfernt, kommt es zur Dauerstimulation von Muskelgewebe mit nachfolgender Atemlähmung und Tod. DFP-verwandte Verbindungen werden als Insektizide ... und Nervengifte (Sarin, Tabun) eingesetzt.! 

Schwermetallionen: Hg²⁺ ; Ag²⁺ ; Cd²⁺ ; Pb²⁺

Bsp. Hg²⁺: Quecksilber bindet mit hoher Affinität an SH Gruppen (Cystein oft im aktiven Zentrum) von Proteinen und hemmt so deren biologische Aktivität. 

1. biologische Katalysatoren
2. ermöglichen rasche chemische Reaktionen, die unter den in Biosystemen herrschenden Bedingungen (Druck, Temperatur) nur ausserordentlich langsam ablaufen würden
3. beschleunigen Reaktionen, ohne deren Gleichgewichtslage zu verändern
4. sind reaktionsspezifische Katalysatoren

1. Oxidoreduktasen
2. Transferasen
3. Hydrolasen
4. Lyasen
5. Isomerasen
6. Ligasen

Sie transferieren Elektronen, sprich es findet eine Oxidation und eine Reduktion statt.

Bsp. Dehydrogenasen, Oxidasen, Reduktasen

Sie übertragen Gruppen

Bsp: Transferasen, Kinasen (übertragung von Phosphatgruppen), Phosphorylasen

Hydrolytische Abspaltung von Gruppen

Bsp: Proteasen, Esterasen, Glycosidasen

Sie spalten folgende Bindungen:

• C-C
• C-O
• C-N
• C-S
• C-X
• P-O

--> Katalyse von Molekülspaltung

Bsp: Decarboxylasen, Aldolasen

Bildung von Isomeren durch Übertragung von Gruppen innerhalb von Molekülen

Bsp: Isomerasen, Epimerasen

Energieabhängige Bildung von Bindungen (C-C, C-S, C-O, C-N)

Bsp: Synthasen Carboxylasen

Sie bieten eine Umgebung, in der eine chemische Reaktion energetisch begünstigt ablaufen kann.

• Kollisionstheorie: (Reaktion nur möglich, wenn räumliche Orientierung stimmt)
• Nachbarschafts- und Orientierungseffekt

ENzymkatalysierte Reaktionen laufen im Innern einer Enzymtasche ab, die man als aktives Zentrum bezeichnet, und die die Bindungsstelle für das (die) Substrat(e) aufweist. 

Das aktive Zentrum eines Enzyms wird von reaktiven AS gebildet. Diese AS können in der Primärstruktur weit auseinander liegen.

Das oder die jeweilige(n) Substrat(e) passen genau an die Substratbindungsstelle durch hydrophobe Wechselwirkungen, H-Brücken oder ionischen Bindungen (Salzbrücke). Das macht das aktive Zentrum extrem spezifisch und sogar chirale Moleküle können unterschieden werden.

Das Substrat bindet an das aktive Zentrum des Enzyms. Es wird der Enzym-Substrat-Komplex gebildet. Das Substrat wird Dank der energetisch günstigen Umgebung zum Produkt umgewandelt. Das Produk verlässt das Enzym und der Kreislauf beginnt von vorne.

Damit eine chemische Reaktion ablaufen kann, benötigt sie eine bestimmte Menge an Energie, die sogennante Aktivierungsenergie. Enzyme beschleunigen eine chemische Reaktion durch Herabsetzung der Aktivierungsenergie.

Enzyme sind nicht wirklich komplementär zu ihrem Substrat, wie es das Schlüssel-Schloss-Modell suggeriert, sondern komplementär zum Übergangszustand zwischen Substrat und Produkt.