Molekulare Zellbiologie I (Schuler)
Molekulare Zellbiologie für 2. Semester Medizin UZH
Molekulare Zellbiologie für 2. Semester Medizin UZH
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Cartes-fiches
Enzymaktivität
· beschreibt Reaktionsgeschwindigkeit / wieviel Subsrat pro Zeiteinheit in Produkt umgewandelt wird
· Messung unter standardisierten Bedingungen für vergleichbare Werte
· [S] >>[E]
· T konstant, üblicherweise 25°C
· pH optimal
· Puffer mit für die Reaktion günstiger Zusammensetzung
Einheiten der Enzymaktivität
· Enzymaktivität U: \(1 \space U = {1 \space \mu mol \space \mathrm{Substrat} \over min}\) (Reaktionsgeschwindigkeit)
· spezifische Enzymaktivität: \({U \over mg \space \mathrm{Protein}} = {\mu mol \space \mathrm{Substrat} \over min \space · \space mg \space \mathrm{Gesamtprotein}}\) (auf Proteinmenge normierte Geschwindigkeit)
· molekulare Enzymaktivität: \(\mu mol \space \mathrm{Substrat} \over \mu mol \space \mathrm{Enzym} \space · \space min\) (auf Enzymkonzentration norm. Geschwindigkeit / Wechselzahl)
Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit
· im Reaktionsverlauf nimmt die Geschwindigkeit (\(- {\mathrm{d}[S] \over \mathrm{d}t} / {\mathrm{d}[P] \over \mathrm{d}t} \)) ab
· Konvention: man misst Anfangsgeschwindigkeit
→ Geschwindigkeit der Rückreaktion kann vernachlässigt werden
· Messmethoden: kontinuierlich (z.B. Lichtabsorption) / diskontinuierlich (Reaktion stoppen und Probe nehmen)
· Rechenbeispiel auf Seiten 144-146 im Skript
Enzymkinetik
· kinetisches Modell für die Geschwindigkeit einer Enzymreaktion
· Beschreibung der Reaktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von:
· Enzymkonzentration
· Substratkonzentration
· Konzentration von Aktivatoren und Inhibitoren
Michaelis-Menten Gleichung I
(Modell)
· einfaches kinetisches Modell
· vier Randbedingungen:
· nur Anfangsgeschwindigkeit wird betrachtet (vrück ≈ 0 / t = 0 / [S]0 ist bekannt)
· [S] >> [E]
· Einsubstratreaktion (es wird nur die Geschwindigkeitsabhängigkeit von einem einzigen Substrat berücksichtigt)
· es wird ein Fliessgleichgewicht angenommen (\({\mathrm{d}[ES] \over \mathrm{d}t} = 0 \space \space / \space \space v = {\mathrm{d}[P]\over \mathrm{d}t} = - {\mathrm{d}[S]\over \mathrm{d}t } = k_2 · [ES] = \mathrm{konstant}\))
Michaelis-Menten Gleichung II
(Formeln)
· 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)
Michaelis-Menten Gleichung III
(Interpretaion)
· \(v_{max} \tilde{} [E]\) → solgange [S] >> [E], nimmt v mit der Enzymkonzentration linear zu
· km: Mass für die Affinität des ES-Komplexes (je kleiner km desto stärkere Bindung von S an E)
· km ist Grenzwert von ks (ks = [E][S]/[ES] = k-1 / k1)
· kcat / km ist Mass für die Effizienz eines Enzyms (je grösser desto effizienzter)
→ beste Enzyme haben Quotient 109 / (M · s) → entspricht der Diffusionslimite
Inhibitoren
· 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
unkompetitiver Inhibitor
· Inhibitor bindet nur an ES-Komplex (ES oder ES+I)
· vmax sinkt (weil [E] sinkt)
· km sinkt (LeChâtelier: E+S → ES, da ES → ES+I)
Regulation der Enzymaktivität
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
Regulation der EA über die Substratkonzentration
· weil in Zellen oft [S] ~ km kann das v einfach über die Konzentrationsänderung gesteuert werden
Regulation der EA über den pH-Wert
· Protonierungszustand des Enzyms und Substrats beeinflussen die Aktivität
· bei pH-Extremwerten denaturiert das Protein
Regulation der EA über Kooperativität
· 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
Allosterische Regulation
· 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)
Enzymkonformationen
· aktive Konformation: R-Form ("relaxed")
· inaktive Konformation: T-Form ("tense")
Regulation durch chemische Modifikation
· posttranslationale Modifikationen von Aminosäurenseitenketten können Enzymaktivität erhöhen oder erniedrigen
· am häufigsten wird ein Serinrest phosphoryliert
limitierte Proteolyse
· 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
Wirkungsmechanismen von Enzymen
· 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)
Wirkungsmechanismen von Enzymen (Orientierung der Substratmoleküle)
· 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