Biochemie Zusammenfassung Skript und Buch Taschenatlas der Biochemie des Menschen, Thieme Verlag, sose16 PDF

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Biochemie VO 1 Buchtipp: Taschenatlas der Biochemie des Menschen, Thieme Verlag Basale Prinzipien der Chemie:  Bindigkeit (SCHNOP)  Elektronegativität  Oxidationsstufen  Chemisches Gleichgewicht  Fließgleichgewicht  Entropie  Säue/Basen Eigenschaften Merkmale des Lebens:  Hohe strukturelle Organisation  Metabolismus  Replikation  Evolution (Mutation+Selektion) Energiequelle: Nuklearfusion zb H zu He verschmolzen //hv = Strahlung Kompartimentierung für verschiedene Metabolismen Zellkomponente: Säureanhydrid = die Energie des ATP, pro Tag setzt der Mensch 40kg ATP um; diese Energie wird für die Umsetzung von genetischem Material benutzt zB DNA Replikation ect DNA Kopieren: Komplementarität = richtige Basenpaarung; Elternstränge teilen sich in 2 Einzelstränge – komplementärer Strang wird dazu synthetisiert = semi-konservative Replikation Basen sind durch Wasserstoffbrückenbindungen gepaart; die Richtung und die Entfernung der Wasserstoffbrücken passen bei Purine/Pyrimidine zusammen – A+T 2WBB bzw. G+C 3 WBB (A+G = Purin, T+C = Pyrimidine) Prokaryoten: haben ca. 4 Mio. Basenaare, die Proteinsynthese findet schon während der Transkription statt Eukaryoten: Transkription und Translation sind räumlich getrennt, es gibt zusätzlich ein RNA Processing zur besseren Regulation Aus dem Ursprungsprokaryot entstanden Eubakterien (Cyanobakterien mit Photosynthese/ spätere Chloroplasten und Purpurbakterien mit aerobem Stoffwechsel/spätere Mitochondrien) und Archaebakterien (frühe Eukaryoten, Thermoplasten) Viren: besteht aus Nukleinsäure (RNA) und Capsidhülle (evtl. plus Membran+Proteinen zur Zielzellerkennung + verbesserte Aufnahme in die Zelle)virale Information kann die Zelle umprogrammieren HIV=Retrovirus: virale RNA wird in DNA umgeschrieben durch eigenes Enzym (Reverse Transkriptase) VO2 Kohlenstoff hat 4sp3 Orbitale, Tetraeder mit 109,5°, sigma Bindungen Biochemie SS2016

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Es ist auch eine sp2 Hybridisierung möglich – das letzte freie Elektron macht dann eine pi Bindung – durch die Wechselwirkung der C-Atome gibt’s dann keine freie Drehbarkeit mehr, die Moleküle liegen auf einer Ebene im 120° Winkel. Optische Isomerie: Moleküle haben ähnliche Eigenschaften, sie sind durch Polarisation und bei Interaktion mit anderen Molekülen unterscheidbar. Sind alle Substituenten unterschiedlich handelt es sich um Chirale Moleküle (chiral =händisch), die Spiegelbilder nennt man Enatiomere. Asymetrische Substanzen: zB Aminosäuren, Nukeotide, Lipide, Kohlenhydrate, Wasser aus Zucker (Pentose), Base (Aromat) und Phosphorsäure aus Fettsäuren (zb Palmitinsäure C16, ist gesättigt), Glycerin (dreiwertiger Alkohol, Hydroxygruppen sind mit Fettsäuren verestert), lipophile Gruppen (zB Choline –weil N positiv geladen ist), Phosphorsäure Kohlenhydrate: zb Zucker in Ringform Wasser: Sauerstoff kann auch sp3 hybridisiert sein, bildet 4 gleichwertige Orbitale, 2 Orbitale sind mit freien Elektronen besetzt. Sauerstoff hat eine hohe Elektronegativität, Wasserstoff wird dadurch positiviert – es entsteht ein Dipol, welcher der Grund für den Hohen Siedepunkt des Wassers ist (starke Kohäsion der Wassermoleküle) Wasserstoffbrückenbindungen: man braucht ein Donator und ein Akzeptormolekül – 2 O-Atome teilen sich ein H Atom; lange Bindungslänge, schwache Bindung (1030kJ/mol). Wasserstoffbrückenbindungen müssen im richtigen Winkel zueinander stehen, um die Bindung zu ermöglichen. Nucleotide: Lipide:

Polarität von Bindungen: Polare Bindungen sind wasserlöslich, können Wasserstoffbrückenbindungen bilden,..alles mit polarisierten Bereichen. Polare Bindungen entstehen, wenn ein Atom elektronegativer als das andere Atom ist OH Gruppen ziehen Elektronen Glycerin ist nicht chiral aber dafür sehr polar Unpolare Bindung: zB Wachse, nur CH Bereiche Entstehen, wenn beide Bindungspartner ca. gleich elektronegativ sind Amphipathisch: wenn es polare und apolare Bereiche im Molekül gibt.

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4 Typen von nicht kovalenten(schwachen) Wechselwirkungen Wasserstoffbrückenbindungen: zwischen Hydroxy und Carbonylgruppe, immer, wenn es einen Donator und einen Akzeptor gibt Ionische Wechselwirkungen: ist sehr stark im Vakuum, im Wasser ist sie viel schwächer wegen der Dipol Wirkung des Wassers, WW sehr weitreichend Hydrophobe Wechselwirkung: hydrophobe Substanzen ordnen sich im Wasser zueinander, entropiegetriebene Reaktion Van der Waals Wechselwirkung: sehr schwach (4kJ/mol), kommt zustande, wenn sich 2 Moleküle sehr nahe stehen, ein zufällig entstandener Dipol eines Moleküls bewirkt einen Dipol des anderen Moleküls – daher entsteht eine kurzzeitige Wechselwirkung Säure-Base Reaktion Beispiele: Essigsäure wird zu Acetat und Proton, oder Ammonium wird zu Ammoniak und Proton

Oxidation = Elektronenabgabe Reduktion = Elektronenaufnahme Da nur Elektronen abgegeben werden können, wenn gleichzeitig andere Teilchen diese Elektronen aufnehmen, treten Oxidation und Reduktion stets gekoppelt auf, man spricht dann von Redoxreaktionen oder Redoxvorgängen: Stoffe oder Teilchen, die leicht Elektronen aufnehmen können und dabei die Oxidation eines Reakionspartners begünstigen, nennt man Oxidationsmittel. Einfache starke Oxidationsmittel sind Sauerstoff, Chlor und Fluor. Das Oxidationsmittel wird bei der Redoxreaktion selbst reduziert. Stoffe, die leicht Elektronen abgeben, sind Reduktionsmittel, zum Beispiel unedle Metalle und Wasserstoff. Reduktionsmittel werden bei einer Redoxreaktion selbst oxidiert. Die Begriffe Reduktionsbeziehungsweise Oxidationsmittel können nicht absolut verwendet werden, sondern sie hängen stets vom Reaktionspartner ab.

Prinzipien der Biochemie Gesetzte der Thermodynamik:

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Aminosäuren, Peptide und Proteine

Bild und Spiegelbild C-alpha = zentrales Atom, dann noch R=Seitenkette, Wasserstoff und 2 andere Substituenten (Carboxy und Aminogruppe) Aminosäuren in pH Werten: bei pH 0 ist das Molekül voll protoniert, alles ist voll mit H Atomen, welche sich an die COO- und N Moleküle hängen Erhöht man den pH Wert löst sich zuerst das H der Säure (COO-), bei weiterer Erhöhung löst es sich auch von der Base; auch die Seitenketten können Protonen aufnehmen/abgeben Optische Isomerie: Es gibt 2 Modelle: L/D System: das höchst oxidierte Atom ist oben (Fischer Projektion), L= linksdrehend, wenn die Hydroxygruppe links steht, D = rechtsdrehend, wenn die Hydroxygruppe rechts steht Gilt für Glycerinaldehyde R/S System: auf alle Substanzen anwendbar, man verwendet eine Prioritätsreihe (H hat niedrigste Priorität und zeigt nach hinten), ist die restliche Abfolge im Uhrzeigersinn angeordnet handelt es sich um die R-Konformation, sind sie gegen den Uhrzeigersinn angeordnet handelt es sich um die SKonformation. Fast alle Moleküle sind L/S angeordnet – bei Cystein ist dies nicht anwendbar weil ein Schwefel im Atom vorkommt Bei mehreren chiralen Zentren gibt es Diasteriomere, wenn nur eines der chiralen Zentren verändert wurde (sind alle chirale Zentren verändert wären es Enatiomere)

Typen der Aminosäuren Nicht polare Gruppe (aplipathisch = nur CH Gruppen) Methionin: S hat sehr ähnliche Elektronegativität wie C – daher kaum Polarität, hydrophile Aminosäuren sind oft im inneren

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Aromatische Seitenketten: Inolring an Tryptophan

Polare, ungeladene Seitenketten: Cystein: bei katalytischen Reaktionen, S+H Bindung ist aber doch polarisiert H kann als Proton weggehen (S- und H+ oder SH), ist oxidationsfähig Wenn Cystein oxidiert: S-S Verknüpfungen werden über Cystein gebildet, H der SH werden weg oxidiert, die Cysteine oxidieren zu Disulfidbrücke = kovalente Bindung zb bei Haaren (Dauerwelle) Aspargin und Glutamin können keine H abgeben, weil O in der Nachbarschaft ist und Elektronen zieht Proline: Seitenkette aus 3 CH2 Gruppen, diese bindet auf N von der Kopfgruppe- 5 Ring – sterische Einschränkung durch Fixierung Positiv geladene Seitenketten: Lysin: Aminogruppe an epsilon-Stelle Arginin: stark basisch weil H frei verschiebbar ist, Protonen wollen immer binden, um die Entropie zu erhöhen. Histidin: kann am N Protonen binden, hat pH 6/7- ist sehr variabel, gut für katalytische Reaktionen

Negativ geladene Seitenketten: Carboxygruppe in Seitenketten, wichtig für Metabolismus, kommen bei Katalyse vor

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Peptidbindung  Ist eine Amidbindung, besteht zwischen 2 Aminosäuren  Peptide: gerichtete Moleküle mit einem N-Terminus mit Aminogruppe und einem C-Terminus mit einer Carboxygruppe, die erste AS ist immer der N-Terminus Eigenschaften der Bindung im Peptid (Säure-Basen Eigenschaften)

Term Alpha steht immer ganz rechts Doppelbindungscharakter zur Strukturerhaltung – keine freie Drehbarkeit

Strukturelemente/Architektur der Proteinstruktur 1. Primärstruktur: Abfolge der Aminosäuren, bestimmt die Eigenschaften des Proteins 2. Sekundärstruktur: Faltungen a. Alpha-Helix: i. Wasserstoffbrückenbindungen zur Stabilität ii. Seitenketten zeigen nach außen, können auch wechselwirken (ionische WW) iii. Prolin (Strukturbrecher) nur an Pos 1-4 vom Aminoende aus einbaubar iv. Rechtsdrehend v. Es gibt auch amphipathische Helices – oft bei Membranproteinen vi. 3,6 Aminosäureketten/Umdrehung vii. Quartärstrukur: Disulfidbrückenbindungen oder C-C Bindungen b. Beta-Faltblatt: i. Eine Kette alleine ist nicht stabil, es gibt immer mindestens 2 Ketten ii. Zwischen den Ketten gibt es Wasserstoffbrückenbindungen iii. Die Seitenketten stehen senkrecht zu den Platten – Oberfläche frei generierbar iv. Parallele oder antiparallele Bindung der Stränge v. Beta-Schleifen: wenn die Kette wendet - oft bei Prolin c. Kollagen-Helix: i. aus 3 Polypeptidketten (linksgängige Kollagen-Helices) aufgebaut, die in Form einer rechtsgängigen Tripelhelix umeinander gewunden sind ii. durch Wasserstoffbrückenbindungen mit anderen Peptidketten verbunden iii. Glycin sitzt an jeder 3. Stelle – dies aus Platzmangel in der inneren Kettenseite der Helix, Prolin kommt oft vor Biochemie SS2016

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3. Tertiärstruktur: es wird das ganze Protein betrachtet, Interaktion der Helix mit anderen gleichen Helices: Proteinfaltung, die Primärsequenz gibt allerdings schon die Struktur vor ; Harnstoff kann die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Molekülen auflösen (Denaturierung, Gegenteil: Renaturierung) 4. Quartärstruktur: Peptidkette interagiert mit Peptidkette zB Dimer, Tetramer a. Alpha-Keratin: ist ein Faserprotein, besteht aus einer langen Alpha Helix, diese bildet 4 Stränge mit sich selbst : Doppelwendel (two chain)= Superhelix = links drehend – diese lagern sich zu Protofilamenten zusammen – diese lagern sich zu Protofibrillen zusammen; Fixierung durch Disulfidbrücken b. Kollagen: Kollagenhelix mit viel Prolin, ist alleine nicht stabil – braucht Tripelhelix. Zur Strukturerhaltung muss das Prolin enzymatisch verändert werden: man gibt O 2 zum Prolyl-Rest dazu (Hydroxylierung von Prolin) > der Co-Faktor alpha-Ketoglutarat schnappt sich ein O, das zweite geht aufs Prolin über, für diese Reaktion muss Fe2+ vorhanden sein, dies muss aber mittels Ascorbinsäure (Redoxfaktor/Antioxidant) vor der Oxidation geschützt werden Skorbut: Vitaminmangel; es entsteht ein schwaches Bindegewebe, da obige Funktion nicht möglich ist, die Krankheit tritt erst nach einiger Zeit auf, da Kollagen eine lange Halbwertszeit hat Rhythmische Abfolge von Aminosäuren (selten), jede 3. AS=Glycin, Prolin und Hydroxiprolin kommen oft vor Co-Faktoren in den Proteinen unterstützen die Enzymaktivität Globuläre Proteine Hämoglobin:  Transportiert Sauerstoff  Ist ein Bindungsprotein  Es gibt 200 Varianten beim Menschen  Rote Farbe durchs Häm  liegt in Quartärstruktur vor, 4 Ketten, diese dienen der Kommunikation – um Sauerstoff aufnehmen und abgeben zu können  Hat geringe Wasserlöslichkeit, deshalb ist ein Bindemolekül notwendig (Blutfarbstoff Häm) Häm: besteht aus Tetrapyrolringen mit Fe2+ (6-Fach koordiniert, bindet O) in der Mitte, welches mit N koordiniert und Seitenketten Flaches Molekül aufgrund der konjugierten Doppelbindungen Normalerweise würde Häm dimerisieren, dies wird aber durch eine Verankerung in der Proteintasche verhindert. Histidine halten das Häm fest in der Tasche. Zusätzlich würde Häm gerne CO binden, um dies zu verhindern bindet das proximale Distin an Eisen in der Tasche, das distale Distin ragt in die Tasche rein und sorgt dafür, dass CO keinen Platz zum Binden hat. CO würde im 180° Winkel an Häm binden, O im 120° Winkel- dies kann nun ohne Hindernisse binden. Wie kann Hämoglobin Sauerstoff aufnehmen und wieder abgeben? Dies ist ein allosterischer Effekt: durch die Quartärstruktur gibt es eine Kommunikation zwischen den Untereinheiten; der erstbindende Sauerstoff tut sich schwer, sobald dieser aber gebunden hat weitet sich das Molekül und weitere Sauerstoffe können binden Myoglobin:  Ist 4x größer als Hämoglobin  Liegt in Tertiärstruktur vor, als einzelne Kette Biochemie SS2016

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Ähnliche Grundstruktur wie das Hämoglobin, transportiert O aber nur in den Zellen Myoglobin erreicht bei 10 torr schon ca. 99% der Sättigung, bei Hämoglobin ist eine sigmoide Kurve erkennbar. Sinkt das Sauerstoffpotential, wird die Sättigung geringer und Sauerstoff kann abgegeben werden. Dies ist ein allosterischer Effekt (dh es findet etwas wo statt und weiter weg ändert sich dadurch was)

Sauerstoffbindung Histidin zieht das zentrale Eisen aus der Ebene heraus – Sauerstoff bindet – Eisen geht wieder in die Ebene zurück – Histidin wird mitgezogen. Diese Bewegung bewirkt die Veränderung der Möglichkeit, Sauerstoff zu binden um den Faktor 500. Die Helix dreht sich dabei etwas und zieht andere Helices mit, dadurch brechen Salzbrücken, wodurch sich das Molekül erweitert und die folgenden Sauerstoffe leichter binden können Weitere Beeinflussungen der Affinität Sauerstoff zu binden: 1. pH abhängig: a. Bohr Effekt: je niedriger der pH Wert, desto mehr Sauerstoff kann abgegeben werden. Dieser Effekt ist darauf zurückzuführen, dass bei Muskelaktivität das Gewebe angesäuert wird (Kohlesäure), bei mehr Aktivität braucht man folglich auch mehr Sauerstoff. O2 > Protonen entstehen > CO2 wird freigesetzt

Formel fehlt 2. Beeinflussung durch CO2-Konzentration: a. Durch die Bindung des CO2 kann allosterisch die Sauerstoff Affinität reduziert werden (Dient dem Transport und der Regulation) 3. 2,3 Bisphosphoglycerat: organisches Phosphat a. Ist stark negativ geladen und kompakt. Es bindet an die positiv geladene Höhle im inneren des Hämoglobins, dadurch wird die Sauerstoffaffinität weiter erniedrigt und Sauerstoff kann leichter abgegeben werden (funktioniert in Verbindung mit CO2) Alle diese Regulationsmöglichkeiten sind nur durch die Kommunikation der Untereinheiten möglich! Alle sind allosterische Funktionen! Mutationen: Sichelzelenanämie Es entstehen Fibrillen in den Erythrozyten – die Form der E. ist nicht mehr flexibel. Diese Formveränderung geschieht oft bei Sauerstoffmangel, wenn die Erbanlage (heterozygot) besteht. Biochemie SS2016

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Die Krankheit kann zum Tod führen, da die Kapillaren verstopft werden können (homozygote Erbanlage) Die Ursache der Sichelzellenanämie ist der Austausch einer einzigen Aminosäure in der β-Kette des Hämoglobins: in Position 6 der β-Kette sitzt anstelle von Glutamat ein Valin. Wie entstehen die fibrillären Strukturen? 1. Sauerstoffmangel 2. Normalerweise entsteht beim Desoxyhämoglobulin bei Sauerstoffmangel eine Mulde an der alpha Einheit. Beim OxyS (Sichelzellenmolekül) passt Valin zufälligerweise auch in diese Mulde – es entsteht eine Polymerisation – fibrilläre Strukturen – Verformung der Erythozyten – multiple Infarkte Dieses Phänomen kommt oft bei Schwarzafrikanern vor. Bei heterozygoten bietet die Krankheit einen Vorteil, da sie Malaria schwächt. Die die Krankheit übertragenden Stechmücken haben ein Plasmodium und ein Entwicklungsstadium in den Erythrozyten. Bei Sauerstoffmangel sichelt der Erythrozyt und das Plasmodium kann sich nicht richtig vermehren = Balanciertere Polymorphismus (Krankheit führt beim homozygoter Vererbung zum Tod, bei heterozygoter Vererbung bietet sie einen Schutz)

Enzyme, Coenzyme und Biokatalyse 

Beschleunigen Reaktionen

Beschleunigungsrate: OMP (Orthidinmonophosphat) betreibt Nucleotidstoffwechsel- anstatt von 78Mio Jahre um das Gleichgewicht zu erreichen wird die Reaktion um den Faktor 1,4x10 17 beschleunigt Carboanhydrase: statt sec wird um das 7,7Mio-fache beschleunigt: Faktor 7,7x106 Einteilung der Enzyme in Klassen

Merksatz: Otto trifft heute Lydia in Liverpool Biochemie SS2016

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1. Hydridionen = H- oder H, keine Protonen, da diese keine Elektronen haben 2. zB wird Phosphat vom ATP auf Hydroxygruppe der Glucose übertragen, bei Kinasen 3. Spalten von Verbindungen mittels Wasser – das gespaltene Teilchen wird auf Wasser übertragen 4. Etwas an die Doppelbindung addieren 5. Phosphatgruppen von einer Hydroxygruppe auf eine andere übertragen 6. Knüpfen neue Bindungen – oft an Spaltung von ATP gekoppelt

Biokatalyse ist S positiv, nimmt die Unordnung zu- die Reaktion wird verstärkt Enzyme senken die Aktivierungsenergie der Reaktion, diese ist nötig, um die Reaktion überhaupt ablaufen lassen zu können. Wie funktionierts? Enzym und Substrat binden aneinander nach dem Schlüssel/Schloss Prinzip. Das Enzym muss sich vorher aber an das Substrat anpassen (induced fit), es muss den Übergangszustand stabilisieren, dann kann die Katalyse stattfinden

Enzymkinetik Beschreibt die Reaktionsgeschwindigkeit von Enzymen

Km= Michaelis/Menten Konstante, die Geschwindigkeitskonstante: = wie schnell Enzyme reagieren in Abhängigkeit von der Substratkonzentration Vo= die Geschwindigkeitsreaktion Vmax = die maximale Geschwindigkeit Das Lineweaver – Burk plot beschreibt die gleiche Funktion, allerdings in einer Geraden. Dadurch kann man Vmax und Km bestimmen (angewandt im Labor) Km = die Substratkonzentration, bei der die halbe maximale Umsatzgeschwindigkeit erfolgen kann Biochemie SS2016

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Km Hexokinase (hexo steht für Hexose/Zucker): ATP ist der Phosphat Spender, bei Fructose ist die Reaktion erst bei einer gewissen Menge möglich (siehe unten)

Turnover (Umsatzrate) = die Reaktionen eines Enzyms pro Sekunde. Beispiel Catalase macht in 1 sec 40Mio Umsätze pro Enzym. Grund für die Schnelligkeit; H2O2 muss zerstört werden, es wird in H2O und O2 gespalten

Penicillin Die Einnahme von Penicillin bewirkt kaum Nebenwirkungen, da das Enzym einen Stoffwechselweg der Bakterien angreift, den wir nicht haben. Es greift die Zellwandsynthese (Quervernetzung der Peptidogycanschicht) an  Besteht aus 2 Aminosäuren: Cystein und D-Valin (D-Aminosäuren kommen nur bei Bakterien vor, beim Mensch nur L-Aminosäuren), das Enzym wirkt auf das D-Valin Die Amidbindung (=Amin und Carboxygruppe) hat eine Ringstruktur mit 4er-Ring (90° Bindungswinkel). Durch diesen Winkel überlappen sich die Orbitale schlecht > labile/reaktive Amidbindung 

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Das Enzym bindet an das Substrat, dadurch geht die Bindung auf und bindet an Serin – Selbstmord Penicillin bindet an das Serin rein, wenn es drin sitzt wird eine Bindung anders gebunden – Enzym wird blockiert und inaktiviert

2 Arten von Inhibition von Enzymen: Kompetitiver Inhibitor: ähnlich wie Substrat, bindet da rein, wo normalerweise das Substrat binden würde (Konkurrenz zum Substrat) Vmax ändert sich nicht – liegt an der Konkurrenzreaktion, wenn man mehr Substrat dazu gibt ist die Bindung des Inhibitor nicht mehr relevant Km wird größer (maximale Geschwindigkeit nur erreicht weil sehr viel Substrat da ist, Enzym braucht mehr Substrat, um die maximale Geschwindigkeit zu erreichen) Nicht kompetitiver Inhibitor: bindet irgendwo am Enzym (allosterisch), verändert die Struktur des Enzyms, sodass das normale Substrat nicht mehr in die Tasche rein passt Vmax wird kleiner (wenn 1/Vmax größer wird), weil man durch die Zugabe von Substrat nichts bewirken kann weil das Substrat nicht mehr in das Enzy...