Enzyme 1 Aufgaben - Biochemie II PDF

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Biochemie II Aufgaben...

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Biochemie Gruppe A5

Biochemie Gruppe A5! „Enzyme l“! Besprechung: 23. November 2020

Enzyme l Aufgabe 1:! Die Lactat-Dehydrogenase (LDH) ist ein Isoenzym. a) Erklären Sie was ein Isoenzym ist und welche Bedeutung Isoenzyme in unserem Körper haben am Beispiel der LDH. > Was sind ein Isoenzyme? (Isoenzym = Isozym) = Enzyme, welche sich in ihrer Aminosäuresequenz unterscheiden, aber die gleichen Reaktionen katalysieren können > Unterschiede werden durch die Codierung versch. Gene erreicht > unterscheiden sich auch in regulatorischen und kinetischen Eigenschaften > können verschiedene Cofaktoren und Coenzyme nutzen > Bedeutung für den Körper > detaillierte Einstellung des Metabolismus, damit spezifische Anforderungen (z.B. einer Entwicklungsphase oder eines Gewebes) erfüllt werden können ~ Anpassung der Reaktion und des Reaktionsproduktes an Stoffwechselvorgänge in unterschiedlichsten Organen ~ unterschiedliche Sensitivität ermöglicht Feineinstellung d. Stoffwechsels > Beispiel LDH = Lactat-Dehydrogenase > Enzym wirkt bei der Glucosebiosynthese und beim anaeroben Glucosemetabolismus mit > Mensch hat zwei Isozympolypeptidketten des LDHs → Aminosäuresequenzen um 75% übereinstimmend * H-Isozym – exprimiert im Herzen > höhere Substrataffinität > Pyruvat ist sein Inhibitor * M-Isozym – exprimiert in der Skelettmuskulatur → diese gibt es in fünf Isomerformen: Homotetramer * H4 * M4 Heterotetramer * H3M * H2M2 * HM3 > hohe körperliche Anstrengung – anaerobe Bedingung = wenig Sauerstoff vorhanden -> wenig Sauerstoff -> keine ATP-Bildung über Citrat-Zyklus möglich (über Glykolyse) → ATP wird aber benötigt für Muskelkontraktionen >> Wie kann Glykolyse unter anaeroben Bedingungen weiterlaufen? > aus Pyruvat wird Lactat gebildet -> Lactat hat aber keine funkt. Wirkung aber NADH (entstanden bei Muskelarbeit) wird dabei wieder zu NAD+ oxidieren >> Lactat geht über Blut in Cori-Zyklus ein >> kann dann z.B. in Leber über LDH wieder zu Pyruvat werden >> Leber kann über Gluconeogenese wieder Glucose herstellen >> Kreislauf mit zumindest geringem ATP-Gewinn beginnt von Vorne b) Warum können Isoenzyme für diagnostische Zwecke in der Medizin verwendet werden? > M4-Isozym -> optimale Arbeit unter anaerober Bedingung im Skelettmuskel > H4-Isozym -> optimale Arbeit in anaerober Umgebung um den Herzmuskel >> Gewebsschäden werden aufgezeigt, wenn im Blut bestimmte Isoenzyme auftreten am Beispiel hoher LDH-Werte: * Erkrankungen an der Leber * Herzerkrankungen > Zunahme H4 (im Verhältnis zu H3M) zeigt an, dass durch Herzinfarkt oder Ähnliches, Herzmuskelzellen beschädigt worden sind, und somit zelluläre Anteile freigesetzt wurden * maligne Erkrankungen („Krebs“) > LDH nicht als Tumorsuchtest geeignet, gibt aber Auskunft über Ausmaß der Erkrankung * Vitamin B12/Folsäure-Mangel > Störung d. Bildung d. Erythrozyten > Erythrozyten werden dann zum Teil schon an ihrem Bildungsort – dem Knochenmark – wieder abgebaut

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Aufgabe 2: # Aus welchen Molekülen können Enzyme aufgebaut sein?! Vorwiegend bestehen Enzyme aus einer oder mehreren Proteinketten, also hochmolekulare Eiweißkörper. Daneben gibt es proteide Enzyme, also Eiweißstoffe mit einem NichtproteinAnteil.# Das aktive Zentrum wird nur aus Aminosäurenresten und Peptidrückgrat gebildet, bsp. Chymotrypsin (Verdauungsenzym) und Triosephospatisomerase (TIM) der Glykolyse.! Die Enzyme werden in 6 Hauptklassen eingeteilt. Diese unterscheiden sich in ihrer Wirkungsspezifität.!

1. Oxidoreduktasen katalysieren eine Redoxreaktion: Ein Stoff gibt Elektronen (e- ) ab (wird oxidiert), dafür nimmt der andere Stoff Elektronen auf (wird reduziert)# (bsp. Dehydrogenasen, Oxidasen, Oxygenasen).! 2. Transferasen katalysieren die Übertragung einer funktionelle Gruppen # (bsp. Aldehyd-, Amino- und Glycosylgruppen) von einem Molekül auf ein anderes# (bsp. Phosphatgruppen werden von Kinasen übertragen).! 3. Hydrolasen spalten mithilfe von Wasseranlagerung (bei Bindung wird Wasser frei = Kondensation),( bsp. Esterasen, Phosphatasen, Lipasen, Peptidasen, Nukleasen).! 4. Lyasen spalten bzw. verknüpfen ohne ATP, dabei katalysieren sie die Spaltung von # C-C-; C-O-; C-N- und C-S-Bindungen (bsp. Dehydratasen, Decarboxylasen).! 5. Isomerasen katalysieren die Umwandlung von Bindungen innerhalb eines Moleküls in andere Isomere (bsp. Racemasen, Mutasen).! 6. Ligasen verknüpfen unter ATP-Verbrauch, dabei katalysieren sie den Aufbau neuer # C-C-; C-O-; C-N- und C-S-Bindungen (bsp. Carboxylasen, Synthetasen).# WICHTIG:% Die Reaktionen sind zwar oft reversibel, allerdings katalysiert manchmal auch ein anderes Enzym die Rückreaktion! # #

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Aufgabe 3:# Enzyme katalysieren biochemische Reaktionen in unseren Stoffwechselwegen. Diese biologischen

Katalysatoren erleichtern Molekülen den Eintritt in den Übergangszustand durch Senkung der Aktivierungsenergie. Der Übergangszustand ist die Konfiguration, in der Moleküle miteinander reagieren, um neue Verbindungen zu bilden. Daraus folgt eine erhöhte Geschwindigkeit der biochemischen Reaktion.! a) Von welchen Parametern ist die Katalyse abhängig? • Substratkonzentration# Generell gilt, dass eine hohe Substratkonzentration die Enzymaktivität steigert, dies # geschieht bis zu dem Punkt an dem alle Enzyme „besetzt“ sind, ab hier kann die # Enzymaktivität nicht mehr gesteigert werden (Maximum erreicht).# Und bei einem eingestellten Gleichgewicht zwischen Substrat und Produkt. # • ph-Wert# Das pH-Optimum ist physiologischerweise an die Lokalisation eines Enzyms angepasst. # Bsp. Pepsin im Magensaft verfügt über ein pH-Optimum im saurem Bereich.# • Temperatur# Enzyme haben ein Temperatur-Optimum, dieses liegt für gewöhnlich im Bereich der physiologischen Körpertemperatur von etwa 37°C.# Es gilt grundsägrundsätzlichtzlich die RGT-Regel (Reaktions-GeschwindigkeitsTemperatur- Regel), # sodass bei einer Temperaturerhöhung um 10° die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt oder verdreifacht wird. ABER: Temperatur darf Temperaturoptimum nicht überschreiten, sonst droht Denaturierung.# • Hemmung# - Kompetitive Hemmung: Konkurrenz zwischen Substrat und Inhibitor, # Inhibitor bindet reversibel an aktives Zentrum.# - Nicht-kompetitive Hemmung: Inhibitor bindet nicht an das aktive Zentrum,# sondern irreversibel an anderer Stelle des Enzyms.# → Strukturveränderung des Proteins mitsamt aktivem Zentrum.# - Allosterische Hemmung (oder Aktivierung): Inhibitor (Aktivator) bindet an # allosterisches Zentrum.# → Reversible Veränderung der räumlichen Struktur (auch des aktiven Zentrums).# - Feedback-Hemmung: Endprodukt hemmt ersten Schritt durch negative Rückkopplung. # (Wenn genug da ist, muss nicht mehr produziert werden).!

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b) Wie kann die Aktivierungsenergie durch ein Enzym verringert werden? ! Bitte erklären Sie den Mechanismus. Bei der Aktivierungsenergie handelt es sich um die Energiedifferenz zwischen Ausgangs- und Übergangszustand. Diese muss der Ausgangssubstanz zugeführt werden, damit sie in den Übergangszustand eintreten kann und eine Reaktion ablaufen kann.# Übergangszustände sind energetisch ungünstig, weshalb viel Energie gebraucht wird um sie zu bilden.# Enzyme erleichtern Molekülen den Eintritt in diesen Zustand und senken auf diese Weise die Aktivierungsenergie.!

Aktives Zentrum:# Das aktive Zentrum ist die Stelle, an der Substrate an das Enzym binden und wo die katalysierte Reaktion stattfindet. Durch ihre Anordnung, bringen sie die gebundenen Moleküle in die für die Reaktion günstigste Anordnung zueinander.! Das Substrat lagert sich an das freie aktive Zentrum des Enzyms.# → Nach Konformationsveränderung des Substarts, entsteht eine vorübergehende Bindung # zwischen dem Enzym und dem Substrat: Enzym-Substrat-Komplex (ES).# # Die Struktur der gebundenen Substrate wird so verändert, dass die Bildung des Übergangszustandes begünstigt wird. Somit wird die Aktivierungsenergie verringert.! Durch nicht-kovalente Wechselwirkungen zwischen dem Übergangszustand und Enzym wird der Übergangszustand stabilisiert, bis das Substrat in das Reaktionsprodukt umgewandelt werden kann.! Kurz zusammengefasst:# Durch Bindung von Enzym + Substrat zum Enzym-Substrat-Komplex (ES) wird Aktivierungsenergie erniedrigt.# Aus ES entsteht durch Umwandlung des Substrats der Enzym-Produkt-Komplex (EP),# dieser zerfällt schnell zum Enzym und freiem Produkt.! E + S -> ES -> EP -> E + P!

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Aufgabe 4: # Manche Enzyme benötigen sogenannte Kofaktoren für die Katalyse einer Reaktion.! a) Was sind Kofaktoren ? Welche Moleküle fungieren als Kofaktoren ?! Erklären Sie anhand eines Beispiels.! # Cofaktoren sind keine Enzyme, sondern kleine, niedermolekulare Substanzen, meist aus Vitaminen abgeleitet. Sie tragen zum Ablauf einer (bio-) chemischen Reaktion bei, wobei sie entweder mit umgesetzt werden oder unverändert aus der Reaktion hervor gehen. Entweder binden Cofaktoren kovalent oder nicht-kovalent an Proteine/Enzyme oder sind in diese eingelagert. Ein Enzym ohne seinen Cofaktor nennt man Apoenzym. Bindet dies an seinen Cofaktor, nennt man sie zusammen Holoenzym.! Funktionen von Cofaktoren:! • Wasserstoff-Übertragung in Redoxsystemen! • Decarboxylierung / Carboxylierung! • Aktivierung von Sacchariden und Acylresten! • Übertragung von Einkohlenstoffresten# Transaminierung! Die Funktionsweise eines Cofaktors lässt sich am Beispiel der Flavin Coenzyme erklären. Dazu gehören das Flavin-MonoNukleotid (FMN) und das Flavin-AdeninDinukleotid (FAD). Sie sind Derivate des Vitamin B2, auch Riboflavin genannt. FMN besteht aus einem Isoalloxazinring und einem Ribitylrest. FAD ist auch aus diesen beiden Strukturen und einem zusätzlichem ADP gebaut. Die reaktive Stelle ist am Isoalloxazinring, die beiden Stickstoffatome im Ring können jeweils ein Proton binden.# # Im Citratzyklus wird FAD zu FADH2 oxidiert während Succinat von der SuccinatDehydrogenase zu Fumarat reduziert. In der Atmungskette überträgt FADH2 zwei Elektronen auf das Fe-S-Zentrum des ersten Komplexes und dann weiter auf Coenzym Q. Dadurch werden vier Protonen aus der Mitochondrienmatrix befördert.# FMN und FAD in der Atmungskette (rot eingekreist):!

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Reduktion von FAD zu FADH2:!

Weiteres Beispiel für ein lösliches Coenzym ist (aus Trypthophan synthetisierte) NAD:# Lösliches Coenzym bindet mit Substrat an das aktive Zentrum des Enzyms.# Nach Übertragung von Gruppen vom Substrat auf Coenzym lösen sich Produkt und chemisch verändertes Coenzym wieder vom Enzym. In einer zweiten Reaktion wird ursprüngliche Zustand des Coenzyms wiederhergestellt, sodass es zur erneuten Bindung an das aktive Zentrum des Enzyms binden kann.! Weitere Cofaktoren sind unter anderem:# Biotin (Carboxylierung), Coenzym-A, Cytochrome, Deoxyadenosyl- und Methylcobalamin, # Liponsäure/Liponamid, Thiaminpyrophosphat (TPP), Tetrahydrobiopterin, Folsäure (C-1 Gruppenübertragung), NAD(P)+ und NAD(P)H+ (Wasserstoffbrückenbindungen in Redoxreaktion), Pyridoxalphosphat/PALP (Decarboxylierung und Transaminierung) und Tetrahydrofolat.!

b) Wonach lassen sich Kofaktoren unterteilen?

Cofaktoren lassen sich in Metalle und Coenzyme unterteilen, wobei man die Coenzyme nochmals in prosthetische Gruppen und Cosubstrate unterscheidet.!

Cofaktoren

Metalle

Coenzyme

Prostethische Gruppe

Cosubstrate

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Metalle/Metallionen:! Katalytische Wirkung! Erleichtern durch Koordination die Bildung von Hydroxidionen! Wirken als Elektrophile und stabilisieren negative Ladungen in einem Zwischenprodukt! Bilden Brücken zwischen Substrat und Enzym. Dafür erhöhen sie die Bindungsenergie und halten das Substrat in einer für den Katalysator geeigneten Konformation! • Metallionen sind nicht sehr spezifisch!

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Beispiele für Metall-Enzym-Beziehungen Metall

Enzym

Zn2+

Carboanhydrase

Mg2+

Hexokinase

Ni2+

Urease

Se

Glutathion-Peroxidase

K+

Acetyl-CoA-Thiolase

Coenzyme:! Haben ihren Ursprung in Vitaminen und ein Coenzym wird oftmals von mehreren Enzymen genutzt. Enzyme, die das gleiche Coenzym nutzen ähneln sich in ihrem Reaktionsmechanismus.! Prosthetische Gruppen:! Sind vor, während und nach der Reaktion fest an das Enzym gebunden und werden dort auch wieder regeneriert.! Cosubstrate: ! Sind nur während der Reaktion lose an das Enzym gebunden, sie werden immer verändert und müssen in einer Folgereaktion wieder regeniert werden.

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