Enzymatik

Seite 1 ENZYME – Grundbegriff

• Enzyme sind Proteine (meist globulär, gelegentlich ribonukleoprotein-Komplexe, z. B. Ribosom).

• Sie wirken als Biokatalysatoren:

  • Beschleunigen biochemische Reaktionen (Stoffwechselprozesse) um bis zu $10^{6}$–$10^{17}$-fach.

  • Werden nicht verbraucht; nach der Reaktion liegen sie unverändert vor.

  • Aktivierungsenergie $E_A$ wird gesenkt → Reaktion läuft bei Körper-/Umgebungstemperatur ab.

• Bedeutung: Ermöglichen spezifische Regulation jeder Stoffwechselstufe (Ethik/Medizin: Zielstruktur vieler Medikamente).

Seite 2 Charakteristika der Enzyme

• Proteinische Natur (Primär- bis Quartärstruktur entscheidend).

• Reaktionsbeschleunigung ohne Nettowirkung auf Gleichgewichtslage (nur Geschwindigkeiten).

• Spezialisierte aktive Zentren – dreidimensionale Taschen/Rinnen mit katalytischen Aminosäuren (z. B. Serin, Histidin, Aspartat im Serinprotease-Triad).

• Ergebnis: Reaktion verläuft schneller, braucht weniger Energie, ist streng regulierbar.

Seite 3 Mechanismus: Enzym-Substrat-Komplex (Beispiel Saccharase)

1. Substratbindung – Saccharose diffundiert in das aktive Zentrum der Saccharase.

2. Induced-Fit – geringe Konformationsänderung des Enzyms; das aktive Zentrum „umschließt“ das Substrat.

3. Katalyse – Ausbildung/Brechung chemischer Bindungen unter Beteiligung von $H_2O$ (Hydrolyse) ⇒ Produkte Glucose und Fructose.

4. Produktfreisetzung – schwache Bindungen lösen sich, aktives Zentrum steht erneut bereit.

• Wichtig: Enzym-Turnover-Zahl $k_{cat}$ (Produktmoleküle · Enzym⁻¹ · s⁻¹) charakterisiert Geschwindigkeit.

Seite 4 Spezifität

• Substratspezifität: Nur Substrate passender Form/Ladungsverteilung binden (Schlüssel-Schloss vs. Induced-Fit).

• Wirkungsspezifität: Auf ein und demselben Substrat katalysiert Enzym immer dieselbe Reaktion (z. B. Oxidoreduktase ≠ Lyase).

• Klinische Relevanz: Isoenzyme katalysieren gleiche Reaktion, unterscheiden sich jedoch in Aminosäuresequenz (Organdiagnostik).

Seite 5 Enzymkinetischer Grundablauf (Zwei-Schritt-Modell)

$E + S \overset{k<em>1}{\underset{k</em>{-1}}{\rightleftharpoons}} ES \xrightarrow{k_2} E + P$

• ES = Zwischenkomplex.

• Enzym wird regeneriert, kann weitere Substratmoleküle umsetzen.

• Bindung erfolgt am aktiven Zentrum (passgenau, oft hydrophobe Kavität + polare Ränder).

Seite 6 Molekulare Details der Bindung

1. Form- und Ladungskomplementarität führt zu ersten Wechselwirkungen.

2. Ausbildung schwacher Bindungen: Wasserstoffbrücken, Ionenpaarungen, Van-der-Waals-Kräfte.

3. Diese Vor-Bindung schwächt interne Substratbindungen ⇒ Übergangszustand wird stabilisiert, $E_A$ sinkt.

• Beispielhafte Aminosäuren: Glu/Asp als Säure-Base-Katalysatoren, Ser/Cys als Nukleophile.

Seite 7 Temperaturabhängigkeit – RGT-Regel

• Bei Temperaturerhöhung um $10\,^{\circ}\mathrm{C}$ steigt Reaktionsgeschwindigkeit um das 2- bis 3-Fache (bis Optimum).

• Temperaturoptimum variiert (Mensch ≈ $37\,^{\circ}\mathrm{C}$, Thermophil > $70\,^{\circ}\mathrm{C}$).

• Über Optimum hinaus: Protein-Denaturierung ⇒ irreversible Struktruzerstörung, Aktivitätsverlust.

• Praktisch: Pasteurisation inaktiviert Enzyme von Mikroorganismen (Lebensmitteltechnik).

Seite 8 Grafische Darstellung (Temp. vs. Enzymaktivität)

• Glockenförmige „Optimumskurve“.

• Punkte: ① niedrige T → wenige Kollisionen; ② Optimum → höchste Aktivität; ③ hohe T → Denaturierung, rapide Abfall.

Seite 9 Zusammenfassung Temperatur-Effekte

• Jedes Enzym weist eigenes $T_{opt}$ auf.

• RGT-Regel erklärt Anstieg bei moderaten Temperaturen.

• Denaturierung betrifft v. a. H-Brücken, hydrophobe Wechselwirkungen, Disulfidbrücken.

Seite 10 pH-Abhängigkeit

• Änderung des pH-Werts beeinflusst Ionisationszustand von Seitenketten → Änderung der Tertiär-/Quartärstruktur.

• Typische Parameter:

  • pH-Minimum, pH-Optimum, pH-Maximum.

  • Stark enzymspezifisch (Pepsin pH ≈ 2, Trypsin pH ≈ 8).

• Pharmakologie: Magensaft (sauer) schützt vor Fremdenzym-Aktivität.

Seite 11 Kurvenbeispiel pH vs. Enzymaktivität

• Vergleich:

  • Pepsin Aktivitätsmaximum bei $\text{pH} \approx 2$.

  • Amylase (Speichel) bei $\text{pH} \approx 7$.

  • Trypsin (Dünndarm) bei $\text{pH} \approx 8$.

• Je weiter pH vom Optimum abweicht, desto stärker sinkt Aktivität bis zum Totalausfall.

Seite 12 pH-Effekte – Details

• Geringe Verschiebung → partielle Deprotonierung/Protonierung im aktiven Zentrum → verringerte Affinität.

• Starke Verschiebung → Zerstörung Schlüssel-Ionenbindungen, vollständige Inaktivierung (meist reversibel bei moderaten Abweichungen, sonst irreversibel).

Seite 13 Abhängigkeit von Substratkonzentration

• Kurvenverlauf: Annäherung an Sättigung (hyperbolisch, Michaelis-Menten).

• Parameter:

1. $V_{max}$ – maximale Reaktionsgeschwindigkeit.

2. $K<em>M$ – Michaelis-Menten-Konstante (Substratkonzentration bei $0{,}5\,V</em>{max}$).

• Graphisch: $V = \frac{V<em>{max}\,[S]}{K</em>M + [S]}$.

Seite 14 Michaelis-Menten-Konstante erläutert

• Halbsättigung: Hälfte der Enzymmoleküle als ES‐Komplex vorliegend.

• Hohe $[S]$ ⇒ alle aktiven Zentren besetzt ⇒ $V_{max}$.

• Niedrige $[S]$ ⇒ wenige ES-Komplexe ⇒ lineare Zunahme von $V$ mit $[S]$.

• $k<em>{cat}/K</em>M$ = katalytische Effizienz (Maß für Diffusionslimitierte Perfektion).

Seite 15 Merksatz

• Enzymkinetik wird primär durch $[S]$ reguliert (neben $T$, pH, Effektoren).

• Organismus steuert Stoffwechsel, indem er Substrat-/Produktmengen moduliert.

Seite 16 Formaldefinition $K_M$

• $K<em>M$ = $[S]$, bei der $V = \tfrac{1}{2} V</em>{max}$.

• Einheit: Konzentration ($\mathrm{mol\,L^{-1}}$).

• Kleine $K_M$ ⇒ hohe Affinität von Enzym zu Substrat.

• Große Affinität → schneller ES-Bildung → hohe Reaktionsrate schon bei niedrigen $[S]$.

Seite 17 Vergleich: Reaktion mit/ohne Enzym

• Ohne Enzym: lineare, aber langsam steigende Geschwindigkeit.

• Mit Enzym: schnelle Sättigung, $V_{max}$ erreichbar.

• Parameter-Analyse dient Entwicklung von Hemmstoffen (z. B. Medikamente gegen HIV-Protease).

Seite 18 Zusammenfassung Michaelis-Menten

• $K_M$ ist einzig vom Enzym-Substrat-System abhängig (bei gegebener Temperatur, pH).

• Beziehung Affinität ↔ $K<em>M$: $K</em>M \propto \frac{k<em>{-1} + k</em>2}{k_1}$.

• Ethik: Optimierung biotechnologischer Enzyme (z. B. Waschmittel-Proteasen) durch Protein-Engineering zielt auf kleinen $K<em>M$ und großes $k</em>{cat}$.

Seite 19 Enzymhemmung – Übersichten

• Kompetitive Hemmung (reversibel): Inhibitor ähnelt Substrat, bindet am aktiven Zentrum ⇒ Konkurrenz.

• Allosterische Hemmung (reversibel): Inhibitor bindet an regulatorische Bindungsstelle entfernt vom aktiven Zentrum ⇒ Konformationsänderung.

• Beide Hemmungsarten verlangsamen Reaktion, können therapeutisch genutzt werden (z. B. Methotrexat, Statine).

Seite 20 Allosterische Hemmung – Mechanismus

1. Niedrige Inhibitorkonzentration → geringe Occupancy der allosterischen Stelle → Reaktion läuft.

2. Hohe Inhibitorkonzentration → Konformationsänderung blockiert Substratbindung → keine Reaktion.

• Auch positiver allosterischer Effektor möglich (Aktivator).

• Beispiel: Phosphofructokinase-1 reguliert Glykolyse durch ATP (Inhibitor) vs. AMP (Aktivator).

Seite 21 Visualisierte Konformationsänderung

• Aktives Zentrum wechselt von „offen“ zu „geschlossen“ (oder umgekehrt).

• Hemmstoffbindung → Neue H-Brücken/Ionenbindungen → Stabilisierung in inaktiver Form.

Seite 22 Kinetische Auswirkung allosterischer Hemmung

• Häufig: $V<em>{max}$ sinkt, $K</em>M$ bleibt (nicht-kompetitiv) oder verändert sich mit (gemischte Hemmung).

• In Grafik: $V*{max}^{\,ih}</p></li></ul><h4 collapsed="false" seolevelmigrated="true">Seite 23 <strong>Kompetitive Hemmung – Mechanismus</strong></h4><ul><li><p>Inhibitor konkurriert direkt um dasselbe aktive Zentrum.</p></li><li><p>Erhöhte$[S]$kann Hemmung <strong>aufheben</strong>.</p></li><li><p>Klinisches Beispiel: Ethanol als kompetitiver Antagonist von Methanol am Enzym <strong>Alkoholdehydrogenase</strong>.</p></li></ul><h4 collapsed="false" seolevelmigrated="true">Seite 24 <strong>Zusammenstellung äußerer Einflüsse</strong></h4><table style="min-width: 100px"><colgroup><col style="min-width: 25px"><col style="min-width: 25px"><col style="min-width: 25px"><col style="min-width: 25px"></colgroup><tbody><tr><th colspan="1" rowspan="1"><p>Einfluss</p></th><th colspan="1" rowspan="1"><p>Reversibilität</p></th><th colspan="1" rowspan="1"><p>Hemmung/Förderung</p></th><th colspan="1" rowspan="1"><p>Strukturveränderung?</p></th></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p></p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p>pH-Änderung</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>meist reversibel</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>Hemmung</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>Ja</p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p>Temperaturänderung</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>meist reversibel</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>Hemmung</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>Ja</p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p>Schwermetallionen (Hg²⁺, Pb²⁺)</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>meist <strong>irreversibel</strong> (Komplexbildung mit SH-Gruppen)</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>Hemmung</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>Ja</p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p>Substratanaloga (kompetitiv)</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>reversibel</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>Hemmung</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>Nein</p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p>Allosterische Effektoren</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>reversibel</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>Hemmung <strong>oder</strong> Aktivierung</p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p>Ja</p></td></tr></tbody></table><h4 collapsed="false" seolevelmigrated="true">Seite 25 <strong>Kompetitive Hemmung – kinetische Darstellung</strong></h4><ul><li><p>$V_{max}$bleibt <strong>konstant</strong>, da hohe$[S]$Inhibitor verdrängt.</p></li><li><p>$K_M$<strong>steigt</strong> ⇒ geringere scheinbare Affinität.</p></li><li><p>Lineweaver-Burk: Linien schneiden sich auf$y$-Achse; Steigung$\frac{KM(1+\frac{[I]}{KI})}{V_{max}}.

Seite 26 Beispiel: Succinat-Dehydrogenase & Malonat

• Versuch (Farbintensität ∝ Reaktionsprodukt):

  • Nur Succinat: starke Farbzunahme (hohes V$).</p></li><li><p>Succinat + Malonat: verlangsamte Reaktion,$V{max}$unverändert,$KM$$ erhöht.

• Erklärung: Malonat strukturell analog zu Succinat, bindet, wird aber nicht umgesetzt ⇒ typisches kompetitives Verhalten.

• Aussage