Biochemie: Enzyme

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.

Enzyme können die Geschwindigkeit von Reaktionen um den Faktor 10⁸-10²⁰ im vergleich zu nicht-katalysierten Reaktionen beschleunigen.

a) Durch "Abzug" eines Protons vom Wasser macht ein Basen-Katalysator den Sauerstoff zu einem stärkeren Nukleophil (Das "O" wird negativer)

b) Die Protonierung des Karbonylsauerstoffs durch eine Säure entzieht dem Karbonylkohlenstoff Bindungselektronen und macht ihn zu einem stärkeren Elektrophil.

c) Die Konzentierte Säure-Base-Katalyse vereint die katalytischen Elemente aus a und b.

In einem Enzym können Asp, Glu, His, Cys, Tyr, Lys als Protonen-Donor oder $protonen-Akzeptoren agieren und damit Säure-Base Katalyse durchführen

Vergl. Bild

Ja. Enzyme können entweder als Monomere (bestehend aus 1 Polypeptidkette) oder Dimere (2 identische Polypeptitkette) aktiv sein. Daneben gibt es eine Vielzahl von Enzyme, die in multiplen Formen vorkommen, die sich in Bezug auf ihre Primärstruktur, den Aufbau aus verschiedenen Ketten oder auf Grund von posttranslationellen Modifikationen unterscheiden.

Zusätzlich kommen viele zentrale Stoffwechselenzyme als Multienzymkomplexe vor, bei denen mehrere Enzyme einen gemeinsamen Komplex bilden und die Substrate von einem Reaktionszentrum zum anderen weitergeleitet werden. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Gesamtreaktionum ein vielfaches erhöht.

Ja. Enzyme können entweder als Monomere (bestehend aus 1 Polypeptidkette) oder Dimere (2 identische Polypeptitkette) aktiv sein. Daneben gibt es eine Vielzahl von Enzyme, die in multiplen Formen vorkommen, die sich in Bezug auf ihre Primärstruktur, den Aufbau aus verschiedenen Ketten oder auf Grund von posttranslationellen Modifikationen unterscheiden.

Zusätzlich kommen viele zentrale Stoffwechselenzyme als Multienzymkomplexe vor, bei denen mehrere Enzyme einen gemeinsamen Komplex bilden und die Substrate von einem Reaktionszentrum zum anderen weitergeleitet werden. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Gesamtreaktionum ein vielfaches erhöht.

• Genetisch voneinander unabhängige Enzyme
• Heteropolymere (hybride) Enzyme, die aus 2 (oder mehreren) unterschiedlichen Polypeptitketten zusammengesetzt sind
• Genetische Varianten (Allele) von Proteinen, Polymorphismen
• Enzyme, die sich voneinander durch den Besitz eines Nichtproteinnanteils unterscheiden
• Enzyme, die aus einer Polypeptitkette (gemeinsame Vorstufe) entstanden sind 

Als Isoenzyme bezeichnet man Enzyme, mit gleicher katalytischer Aktivität, aber unterschiedlicher Primärsequenz.

Die Geschwindigkeit einer enzymkatalysierten Reaktion wird bestimmt durch die Substrat- und Enzymkonzentration

a) Bei hohen Substratkonzentrationen (Substratüberschuss) ist die Anfangsgeschwindigkeit proportional zur Enzymkonzentration.

b) Wird die Substratkonzentration S von 0 an erhöht, so nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit v kontinuierlich zu und nähert sich asymptotisch einem Maximalwert v_max.

1. Bei hohen Substratkonzentrationen (Substratüberschuss) ist die Anfangsgeschwindigkeit proportional zur Enzymkonzentration. (Lineare Kurve, y-Achse = v, x-Achse = Enzymkonzentration)
2. Wird die Substratkonzentration S von 0 an erhöht, so nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit v kontinuierlich zu und nähert sich asymptotisch einem Maximalwert v_max. (y-Achse = v, x-Achse = [S]. Hyperbole Kurve) 

\(V = {V_{max} [S] \over K_M+[S]}\)

K_m: Michaelis-Menten-Konstante; diejenige Substratkonzentration darstellt, bei der die Reaktion mit halbmaximaler Geschwindigkeit abläuft --> K_m beschreibt die Affinität zwischen Enzym und Substrat: Je kleiner K_m, desto grösser die Affinität des Enzyms zum Substrat! 

\({1\over v } = {K_m \over v_{max}}.{1 \over S} + {1\over v_{max}}\)

Enzyme werden durch die Messung ihrer (biologischen) katalytischen Aktivität bestimmt. Als Masseinheit dient die IU (International Unit):

1 IU ist diejenige Enzymmenge, die den Umsatz von 1 μmol Substrat pro Minute unter Standardbedingungen katalysiert.

[1 katal (kat) ist diejenige Enzymmenge, die 1 mol Substrat in 1 sec umsetzt.] 

Innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs erhöht sich die Geschwindigkeit der Enzymkatalyse mit steigender Temperatur. Nach Erreichen des Temperaturoptimums fällt die Reaktionsgeschwindigkeit meist steil ab: Das Enzym denaturiert!

Das Aktivitätsmaximum der meisten Enzyme liegt zwischen pH 4 und 9. Ausserhalb dieses Bereichs werden die meisten Enzyme denaturiert, oder die Substrate können nicht mehr ans aktive Zentrum binden. Gewisse Enzyme sind jedoch auch unter Extrembedingungen aktiv (z.B. Pepsin im Magen!).

• Gesteigerte Synthese des involvierten Enzyms (Induktion)
• Verminderte Synthese des involvierten Enzyms (Repression)

Beide Mechanismen dienen der längerfristigen Einstellung des Stoffwechsels auf geänderte Umweltbedingungen

• Änderung der Substratkonzentration

Die Konzentrationen vieler Stoffwechselverbindungen liegen im Bereich der Km- Werte der Enzyme, die sie umsetzen, d.h. bereits kleine Änderungen in den Substratkonzentrationen führen zu bedeutenden Änderungen der Umsatzgeschwindigkeiten.

• Änderung der katalytischen Aktivität

• Bei vielen Enzymen kann die katalytische Aktivität durch Bindung eines Liganden (Allosterie; Heteroallosterie) oder eines Substratmoleküls (Kooperativität; Homoallosterie) an das Enzym moduliert werden.
• Viele Schlüsselenzyme von Stoffwechselwegen werden durch reversible kovalente Modifikationen (z.B. Phosphorylierungen) reguliert.
• Einige Enzyme werden durch limitierte Proteolyse aktiviert (Überführung von Proenzym in Enzym).
• Enzymaktivitäten können durch Inhibitoren beeinflusst werden.
• Die Aktivität gewisser Enzyme kann mittels Signalmetaboliten resp. Signalmolekülen moduliert werden. 

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.