Molekulare Zellbiologie I (Schuler)

· Enzymreaktion:  \(E + S \space {}^\xrightarrow{\space k_1 \space} _\overleftarrow{k_{-1}} \space ES \xrightarrow{k_2} E + P\)

· \(v = {v_{max} · \space [S] \over k_m +\space [S]}\)      (Michaelis-Menten-Gleichung)

· \(k_m = {k_{-1} + k_2 \over k_1}\)   (Michaelis-Menten-Konstante / [S] bei \(v_{max} \over 2\))

· \(v_{max} = k_2 · \space [E]_0\)   (\(k_2 = k_{cat}\) = katalytische Konstante / Wechselzahl)

· \(v_{max} \tilde{} [E]\) → solgange [S] >> [E], nimmt v mit der Enzymkonzentration linear zu

· k_m: Mass für die Affinität des ES-Komplexes (je kleiner k_m desto stärkere Bindung von S an E)

· k_m ist Grenzwert von k_s (k_s = [E][S]/[ES] = k_-1 / k₁)

· k_cat / k_m ist Mass für die Effizienz eines Enzyms (je grösser desto effizienzter)

  → beste Enzyme haben Quotient 10⁹ / (M · s) → entspricht der Diffusionslimite

· linearisierte Form der Michaelis-Menten-Gleichung

· \({1 \over v} = {k_m \over v_{max}} · {1 \over [S]} + {1 \over v_{max}}\)

· Schnittpunkt mit y-Achse: \(1 \over v_{max}\)

· Schnittpunkt mit x-Achse: \(-{1\over k_m}\)

· irreversible Inhibitoren

· reversible Inhibitoren:

  · kompetitiv: Enzym bindet an Substrat oder Inhibitor

  · nicht-kompetitiv: Inhibitor bindet sowohl an freies Enyzm als auch an ES-Komplex

  · unkompetitiv: Inhibitor bindet nur an den ES-Komplex

· Enzym bindet an Substrat oder Inhibitor (E+S oder E+I)

· v_max bleibt gleich (v_max ist nur von [E] abhängig und [S] >> [I])

· k_m steigt (es braucht mehr Substrat damit v_max / 2 erreicht wird)

Inhibitor bindet sowohl an freies Enzym als auch an den ES-Komplex (E+I und ES+I)

· v_max sinkt (weil [E] sinkt)

· k_m bleibt gleich (Produkt ES und Edukt E werden gleichmässig gebunden → Netto gibt es keine Veränderung)

· Inhibitor bindet nur an ES-Komplex (ES oder ES+I)

· v_max sinkt (weil [E] sinkt)

· k_m sinkt (LeChâtelier: E+S → ES, da ES → ES+I)

1. Regulation der Enzymsynthese (Induktion) und Enzymabbaus (Repression)

2. Regulation der Aktivität eines vorhandenen Enzyms mittels:

    · Änderung der Substratkonzentration (reversibel)

    · pH-Änderungen (reversibel)

    · Kooperativität zwischen Substratbindungsstellen (reversibel)

    · allosterischer Regulation der Enzymaktivität (reversibel)

    · chemischer Modifikation des Enzyms

· weil in Zellen oft  [S] ~ k_m kann das v einfach über die Konzentrationsänderung gesteuert werden 

· Protonierungszustand des Enzyms und Substrats beeinflussen die Aktivität

· bei pH-Extremwerten denaturiert das Protein

· Substratbindungsstellen beeinflussen sich gegenseitig (Enzyme mit mehreren Untereinheiten, die alle eine Substratbindungsstelle haben / Beeinflussung durch Konformationsänderung)

· negative Kooperativität: Bindung eines Substrats hemmt Bindung an einer anderen Bindungsstelle

· positive Kooperativität: Bindung eines Substrats aktiviert Bindung an einer anderen Bindungsstelle

· Achtung: Michaelis-Menton Gleichung gilt hier nicht! → Hill-Gleichung

· \(v = {v_{max} · \space [S]^n \over k \space + \space [S]^n}\)  (k ≠ k_m)

· n = Hill-Koeffizienz (Mass für die Kooperativität / n_max = Anzahl Bindungsstellen = maximale Kooperativität)

· allosterische Proteine besitzen neben der Substratbindungsstelle noch mindestens eine Effektorbindunsstelle

· diese Proteine bestehen meist aus katalytischen und regulatorischen Einheiten

· homotrope allosterische Reaktion: der allosterische Effektor ist das Substrat selbst

· heterotrope allosterische Reaktion: der allosterische Effektor ist ein vom Substrat verschiedenes Molekül

· allosterische Effektoren können Enzym aktivieren oder hemmen

  → ermöglicht Rückkopplungshemmung (Beispiel auf Seite 160 im Skript)

· gleiche Kinetik wie kooperative Regulation (Hill-Gleichung)

· aktive Konformation: R-Form ("relaxed")

· inaktive Konformation: T-Form ("tense")

· posttranslationale Modifikationen von Aminosäurenseitenketten können Enzymaktivität erhöhen oder erniedrigen

· am häufigsten wird ein Serinrest phosphoryliert

· Regulation über chemische Modifikation

· inaktive Vorläuferproteine (Proproteine / Zymogen) können durch posttranslationale Modifikationen aktiviert werden → durch die Konformationsänderung wird es aktiv

· inaktive Enzymvorstufe wird mit Präfix Pro oder Suffix -ogen bezeichnet

· sequenzielles hintereinanderschalten von chemischen Modifikationen führt zu einem Kaskadenmechanismus der Signalverstärkung

· bis heute noch keine quantitative Erklärung

· wichtige Phänomene sind:

  · Orientierung und Proximität zwischen Substraten und katalytisch wirksamen Gruppen an der aktiven Stelle

  · Katalyse durch bevorzugte Bindung (und damit Stabilisierung) des Übergangszustands der Reaktion

  · Schaffung einer spezialisierten Mikroumgebung (z.B. Abschirmung von Wasser verhindert Hydrolyse)

  · Optimierung der spezifischen Reaktionsmechanismen (z.B. S/B- / Metallionen- / kovalente Katalyse)

· Substrat ist an der aktiven Stelle so orientiert, dass die katalytisch wirksamen Gruppen bestmöglich platziert sind

· meistens reagieren zwei Substrate miteinander

  → Proximität der Substrate kommt einer Konzentrationserhöhung gleich → Geschwindigkeit nimmt zu

· wird die vollständige Komplementarität zwischen Enzym und Subsrat erst erreicht, wenn sich das Substrat im Übergangszustand befindet, wird der Übergangszustand stabilisiert → die Aktivierungsenergie nimmt ab

Proteasen besitzen immer Asp-His-Ser = katalytische Triade

· Proteine

· Nukleinsäuren (DNA / RNA)

· Glykane (Polysaccharide)

· Lipide

0.1 mm

·      15 rote Blutkörperchen (Erythrocyten)

·      50 Mitochondrien (grosse Zellorganellen)

·   1'000 Viren 

·   5'000 Ribosomen (kleine Zellorganellen)

·  15'000 Hämoglobinmoleküle (Proteine)

· 250'000 Wassermoleküle

· C, H, O, N, P, S

· machen 95% der Masse aus

· Merkhilfe: Knospen (C-H-N-O-S-P)

· Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-

· Fe, Zn, Cu, Mn, Co, Ni, Mo, Cr, Sn, V, I, F, Se

· haben oft Katalysator-Funktion

· fliessende Übergänge

· M

· Einheit: g/mol

· m (molekulare Masse)

· Einheit: Da (Dalton)

· 1 Da = 1 u 

M(H₂O) = 18 g/mol

c(H₂O) = 55.5 mol/L

· D = 78 (bei 20°)

· Vergleich:

  · Vakuum = 1

  · Hexan   = 1.9

  · Ethanol = 24

· polares Molekül

· asymmetrische Ladungsverteilung

· hohe Dielektrizitätskonstante

· bildet Wasserstoffbrücken

· erniedrigt elektrostatische Wechselwirkungen und löst dadurch polare (hydrophile) Moleküle

· haben sowohl polare als auch apolare Gruppen

· nur geringe Wasserlöslichkeit

· Beispiel: Salze von Fettsäuren

· Mizelle / Lipiddoppelschicht / Liposom (Lipidvesikel)

· Art der amphiphilen Bausteine entscheidet, welche Strukturen entstehen

Unverzweigte Polymere aus den 20 proteinogenen Aminosäuren