Kap. 1 - Enzymatische Reaktionen PDF

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Biochemie: Kapitel 1 Alle Bilder sind von Google oder aus den Vorlesungsfolien aus dem SS 18

1. Enzymatische Reaktionen  Autotrophie: Fähigkeit, sich aus anorganischen Stoffen selbst zu ernähren  nach sinkendem Grad der Autotrophie z.B.: Bakterium (Photosynthese, Stickstofffixierung) > Kartoffelpflanze (Photosynthese) > Kuh (Mikroorganismen im Pansen zerlegen Cellulose) > Mensch  Thermodynamik: Wärmelehre; Enzymologie: Lehre von den Enzymen (Kontrolle von Abläufen) 1.1. Biochemische Reaktionen o Aktivierungsenergie: Energie, die notwendig ist, um eine Reaktion zu starten, z.B. Schütteln von Mineralwasserflasche startet Reaktion H2CO3 ⇌ H2O + CO2 o exergone Reaktion: thermodynamisch mögliche Reaktion (= läuft freiwillig ohne Energiezufuhr ab), Energieabgabe/-freisetzung ( ∆G < 0), wenn genügend Wärme freigesetzt wird ( ∆H < 0) oder wenn die molekulare Unordnung zunimmt ( ∆S > 0) o exotherme Reaktion: Wärmeabgabe/-freisetzung ( ∆H < 0) o endergone Reaktion: thermodynamisch nicht möglich, Energiezufuhr/-verbrauch ( ∆G > 0), ∆S < 0, ∆H > 0 o endotherme Reaktion: Wärmeverbrauch/-zuführung ( ∆H > 0) o Gibbsche Freie Energie → ∆G = ∆H – T × ∆S (T = absolute Temperatur)

o Zwei Triebkräfte treiben eine Reaktion an:  Enthalpie ∆H = Wärmetönung  Entropie ∆S = Maß für die molekulare Unordnung → In einem geschlossenen System streben bewegliche Teilchen nach maximaler Entropie/zunehmender Unordnung  eine Reaktion ist exergon, wenn ein Faktor den anderen überbietet (∆H < 0 >> ∆S < 0 oder ∆H > 0 0) oder wenn beide Faktoren die Reaktion begünstigen (∆H < 0 und ∆S > 0)  Beispiele für exergone Reaktionen:  C + O2 → CO2 (Verbrennung von C): ∆G > 0, größere Unordnung auf linker Seite, da dort 2 Moleküle sind; Wärmefreisetzung ( ∆H < 0) > Abnahme der molekularen Unordnung ( ∆S < 0)  Lösen eines Kochsalzkristalls in Wasser: ∆G < 0, geordneter Kristall wird zerstört durch Hydratisierung der Ionen (∆S > 0, Unordnung nimmt zu), kein Katalysator notwendig, Energiegehalt ist zu Beginn der Reaktion größer weil Energie zur Überwindung der Gitterenergie benötigt wird (∆ H > 0)  Auftauen von Eis mit Streusalz: ∆G < 0, Wärmefreisetzung ( ∆H > 0) < Abnahme der molekularen Unordnung (Eis-/Salzkristalle mit hoher Ordnung werden zerstört, ∆S > 0)  Beispiele für endergone Reaktionen:  Streichholz wird zu CO2 verbrannt: Cellulose + O2 → CO2, Reibung ist die Ea, Entropie nimmt zu (Cellulose ist großes Molekül), kein Katalysator, ∆S > 0, ∆H < 0, ∆G > 0  Glucose → Stärke: ∆G > 0, lebende Systeme streben nach einem höheren Maß an Ordnung, was nur mit Energiezufuhr möglich ist; Synthese führt zu Entropieabnahme ( ∆S < 0), ohne dass bei der Reaktion ausreichend Wärme freigesetzt wird ( ∆H > 0) Biochemie: Kapitel 1 – Enzymatische Reaktionen - 1

o Katalysatoren: Def.: Ein Katalysator ist eine Substanz, die eine thermodynamisch mögliche Reaktion beschleunigt, indem sie die Aktivierungsenergie (Ea) der Reaktion herabsetzt. A: Aktivierungsenergie einer nicht katalysierten Reaktion B: Aktivierungsenergie einer katalysierten Reaktion

o Enzymatische Reaktionen:  Enzyme = Biokatalysatoren: nutzen Gibbsche Freie Energie aus, indem sie durch Verminderung der Aktivierungsenergie thermodynamisch mögliche biochemische Reaktionen beschleunigen (um einen Faktor > 106 = millionenfach) oder thermodynamisch nicht mögliche Reaktionen katalysieren, indem sie Energie von Coenzymen übernehmen und in die Reaktion einschleusen  Bsp.: H2CO3 ⇌ CO2 ↑ + H2O; CO2 entsteht im Körper, wird als Bicarbonat HCO3- im Blut zur Lunge transportiert und als CO2 abgegeben; Enyzm Carboanhydrase katalysiert Reaktion  Enzym bindet Substrate und setzt sie zum Produkt um in 10-12 s (im Bereich Femto- bis Enzym

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Nanosekunden): Substrat + Substrat → Produkt spezifisch: steuern Stoffwechsel in bestimmte Richtungen, durch Synthese eines bestimmten Enzyms lässt sich die Reaktionsabfolge im Stoffwechsel festlegen → Grund für hohe Spezifität: räumliche Struktur des katalytischen Zentrums (Ort, wo Substrat bindet und zu Produkt umgewandelt wird) und resultierendes Schlüssel-Schloss-Prinzip

Schlüssel-Schloss-Prinzip Analogien:  das Schlüssel-Schloss-Prinzip beschreibt die Funktion von zwei komplementären Strukturen, die räumlich zueinander passen müssen, um biochemische Reaktionen erfüllen zu können  spezifische Bindung zwischen Enzym und Substrat sowie zwischen Schloss und Schlüssel  hohe Spezifität des katalytischen Zentrums, dh. nicht jeder Schlüssel passt ins Schloss  ständige Bewegung von Enzym und Substrat stellt Passgenauigkeit her (z.B. Myoglobin vibriert, damit O2-Bindung möglich ist)  Konformationsänderung des Enzyms, sodass die Reaktion stattfinden kann bzw. des Schlosses, sodass die Tür geöffnet werden kann  begrenzt Bindungsstellen bzw. Schlösser vorhanden  Hemmung durch spezifische Inhibitoren, sodass Schlüssel nicht in Schloss passt bzw. sodass Substrat nicht an Enzym binden kann Komponenten: Apoenzym (= Protein(e)) + Prosthetische Gruppe(n) oder Coenzym(e) → Apoenzym und prosthetische Gruppe fest verbunden über kovalente Bindungen → Coenzyme: kurzfristige Bindung (10-12s) an Enzym nur während der Reaktion, bindet kurz an das Substrat und gibt Energie ab: Enzym + Coenzym + Substrat → Enzym-CoenzymSubstrat-Komplex → Enzym + Coenzym + Produkt → Prosthetische Gruppen + Coenzyme können verändert vorliegen nach der Reaktion, sodass sie vor einer erneuten Reaktion regeneriert werden müssen Biochemie: Kapitel 1 – Enzymatische Reaktionen - 2

→ Enzym liegt nach Reaktion wieder wie vorher vor (Änderungen zwischendurch möglich) o Enzymsystematik  Hauptklasse → Gruppe → Untergruppe → Individuelles Enzym ⇒ 4-stelliger Code Hauptklasse Funktion Beispiel Funktion 1. Oxidoreduktasen katalysieren RedoxDehydrogenasen, Verbrauchen oder bilden Reaktionen z.B. SuccinatNAD(P)H oder FADH2 Dehydrogenase, PGA-Dehydrogenase Oxidasen, z.B. O2-Reduktion zu H2O oder H2O2 Cytochrom-c/terminale Oxidase, alternative Oxidase Reduktasen, Oxygenasen, Katalasen, Desaturasen 2. Transferasen übertragen Radikale Kinasen, z.B. 6übertragen Phosphoryl intermolekular von PhosphofructoX + ATP → X-P + ADP einem Molekül auf Kinase Transketolasen übertragen Radikal mit 2 Cein anderes Atomen von Ketose auf Aldose wobei neue Ketose und Aldose entstehen Synthasen, z.B. Name: SyntheseproduktSaccharosephosphat- Synthase Synthase Pyrophosphorylasen, Abspaltung von z.B. UDP-GlucosePyrophosphat, Pyrophosphorylase Aktivierungsreaktionen; Name: SyntheseproduktPyrophosphorylase Phosphorylasen Aktivierung von Molekülen, übertragen komplexere Radikale/Moleküle unter Phosphatabspaltung Name: SyntheseproduktPhosphorylase Polymerasen Polymerisationsreaktionen von Nucleotiden zur Herstellung von DNA oder RNA Transaminasen Austausch von Aminogruppen zwischen Aminosäuren und 𝛼Ketosäuren Acyl-Transferasen Übertragen Fettsäureradikal Acetyl-Transferasen Übertragen Essigsäureradikal Transaldolasen 3. Hydrolasen spalten Verbindung Phosphatasen, z.B. spalten Phosphat ab durch H2OSaccharosephosphat- Name: Edukt-Phosphatase Biochemie: Kapitel 1 – Enzymatische Reaktionen - 3

Anlagerung (hydrolytische Spaltung)

4. Lyasen

5. Isomerasen

6. Ligasen

spalten Verbindungen oder lagern Moleküle an ohne H2OAnlagerung, manche sind reversibel

bauen Verbindungen um, verschieben Gruppen intramolekular, reversibel verknüpfen 2 Moleküle unter ATPVerbrauch

Phosphatase Pyrophosphatasen Saccharase, Invertase ATPasen (E1E2, FOF1) Peptidasen, Lipasen, , Esterasen, Cellulase, Amylase, Chitinase, Saccharase, Pectinase Aldolasen, z.B. FructosebisphosphatAldolase Rubisco Carboanhydrasen Decarboxylasen Carboxylasen XylulosephosphatIsomerase TriosephosphatIsomerase Synthetasen, z.B. Glutamin-Synthetase Fettsäure-Thiokinase

Spalten Pyrophosphat ab Sachharose-Spaltung

spalten Fructose-1,6-bisphosphat in 2 Triphosphate oder setzt sie aus diesen 2 Bausteinen zusammen nicht reversibel Katalysieren BicarbonatPuffer Abspaltung von CO2 Anlagerung von CO2

Umwandlung von PGA zu DHAP und umgekehrt verknüpft unter hydrolytischer Spaltung von ATP Glutamat mit Ammoniak Aktivierung von Fettsäuren

o Enzymkinetik:  Experimente mit isolierten Systemen: Enzyme werden isoliert möglichst ohne Beschädigung und dann in organismus-/zellähnlicher Umgebung in vitro behandelt  Michaelis-Menten-Beziehung:  Koordinatensystem, in dem die Substratkonzentration gegen die Reaktionsgeschwindigkeit aufgetragen ist, dh. es zeigt die Substratumsetzung bei definierter Enzymmenge  Michaelis-Menten-Kinetik: Sättigungskinetik  Vmax und km sind Parameter, die die Enzymeigenschaften bestimmen  Maximale Reaktionsgeschwindigkeit Vmax: Kapazitätsgröße, die den maximalen Umsatz/Zeiteinheit beschreibt bezogen auf eine definierte Enzymmenge (quantitative Umsetzung)  Michealis-Konstante km: bezeichnet die Substratkonzentration, bei der Vmax/2 erreicht wird (qualitative Umsetzung), charakterisiert Affinität des Enzyms zu seinem Substrat (kleine km = geringe Substratkonzentration, hohe Reaktionsgeschwindigkeit, große Affinität)  Sättigungskurve: Reaktionsgeschwindigkeit nimmt mit steigender Substratkonzentration zu, weil Substrat und Enzym eher aufeinandertreffen; katalytische Zentren sind begrenzt und somit irgendwann alle belegt  Problem: Vmax und km sind nur ungenau ablesbar, deshalb Transformation zu L-B-B  Lineweaver-Burk-Beziehung: Test, ob Michaelis-Menten-Beziehung vorliegt Biochemie: Kapitel 1 – Enzymatische Reaktionen - 4

doppeltreziproke Umformung der MMB Kehrwerte der Michaelis-Menten-Beziehung auftragen → wenn sich Ausgleichsgerade ergibt, die die Achsen schneidet, liegt eine MichaelisMenten-Beziehung vor und man kann Vmax und km mathematisch berechnen  1/Vmax ist der Schnittpunkt mit der y-Achse (1/v) → y = m*0+b  -1/Km ist der Schnittpunkt mit der x-Achse (1/c) → 0 = m*x+b  Beeinflussung der Enzymaktivität durch einen allosterischen Effekt: Allosterische Hemmung der Enzymaktivität durch das Substrat: Substrat bindet zuerst an allosterisches Zentrum (Bindungsstelle die etw. Spezifisches bindet ( ≠ katalytisches Zentrum)), da es eine höhere Affinität zum Substrat hat als das katalytische Zentrum → Konformationsänderung (Veränderung der räumlichen Proteinstruktur) des Enzyms, wodurch seine Aktivität verändert wird → bei erhöhter Substratkonzentration binden Substrate an katalytisches Zentrum ⇒ die Konzentration des Substrats steuert die Enzymaktivität  Enzymkinetik bei allosterischer Wirkung des Substrates auf das Enzym: sigmoide Kinetik  

1.2. Beispiel für eine Enzymanpassung: Einfluss von Protonenstress auf Maiswurzeln o Wurzelspitze stirbt ab bei pH = 3,25 → Seitenwurzeln werden neu gebildet, da Apikaldominanz aufgehoben ist und die neuen Seiten- und Adventivwurzeln resistent gegenüber hoher Protonenaktivität sind ⇒ Adaptive Resistenz: Resistenz hat sich durch den Protonenstress neu gebildet o Anpassung von Maiswurzeln an Protonenstress/niedrige pH-Werte, indem man Mais langsam und adaptierend an niedrige pH-Werte gewöhnt → je niedriger die pH-Werte desto langsamer absenken, da sich die Protonenaktivität aufgrund des logarithmischen Charakters immer verzehnfacht  pH 6 = 10-6 mol/L = 1 𝜇mol/L; pH 5 = 10-5 mol/L = 10 𝜇mol/L; pH 4 = 10-4 mol/L = 100 𝜇mol/L  pH-Wert = negativer dekadischer Logarithmus der freien Protonenkonzentration/-aktivität  H+-ATPase: Enzym, das im Plasmalemma sitzt und Protonen mithilfe von ATP aus den Zellen pumpt → Vorgang erschwert sich mit steigender Protonenaktivität → Enzym muss an neue Bedingungen angepasst werden  Herstellen von Plasmalemma-Vesikeln mittels Ultrazentrifugation: Messung der hydrolytischen Aktivität der ATPase (Spaltung von ATP liefert Energie für Protonenpumpen) an Plasmalemma-Vesikeln anhand der Freisetzung von anorganischem Phosphat, indem ursprüngliche Innenseite der Membran mit dem katalytischen Zentrum nach außen gedreht wird, sodass es für das Substrat ATP frei zugänglich ist  Ergebnis: adaptive Resistenz auf Veränderungen des Enzyms zurückzuführen (Vmax, km und Ea sind nach Anpassung an Protonenstress verändert und tragen zur adaptiven Resistenz bei)

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 angepasste Pflanzen haben höheren Vmax bei pH = 3,5, weil die Synthese weiterer ATPasen zu erhöhter Protonenpumpung führt oder weil Isoenzyme (katalysieren die gleiche Reaktion nur mit anderen Eigenschaften wie niedrigere Aktivierungsenergie) gebildet werden  Km erhöht bei adaptierten Pflanzen  Ea erhöht bei adaptierten Pflanzen → mehr Energie benötigt, dh. es gibt neue Enzyme o Möglichkeiten, wie die Enzymaktivität im Stoffwechsel verändert werden kann:

1.3. Enzymaktivität und Ionenmilieu o Funktionelle Seitengruppen von Enzymen: können an mehreren Stellen im Enzym sein  Carboxylgruppe (negative Ladung, sauer): R-COOH → R-COO- + H+  z.B. Kalium: aktiviert viele Enzyme, Bindung von K+ ändert Konformation (3-dim. Struktur) des Enzyms → katalytisches Zentrum wird zugänglich → Substrat kann binden  Aminogruppe (positive Ladung, basisch): R-NH2 + H+ → R-NH3+  Methylgruppe (lipophil, unpolar): R-CH3  z.B. Integration in Biomembran als membrangebundenes Enzym  Alkohol-/Hydroxylgruppe (hydrophil, polar): R-OH  Thiol-/Sulfhydrilgruppe (Redoxreaktion): R-SH  z.B. reaktionsfreudig, im katalytischen Zentrum von Oxidoreduktasen  Bindung eines Ions (z.B. Carboxylgruppe bindet Kation) bewirkt Konformationsänderung des Enzyms, die die katalytischen Fähigkeiten hemmen oder fördern kann  Bindung eines Ions an ein Enzym hängt ab von: Hydrathülle, Ionenladung, Ionendurchmesser, Ionenaktivität  K+: aktiviert Enzyme, da die Sorption enger ist, durch Konformationsänderung des Enzyms wird der Zugang zum katalytischen Zentrum möglich, hohe intrazelluläre Konzentration  Na+: hemmt Enzyme (hohe extrazelluläre Konzentration)  Cytosol: enthält viel mehr K+ (150 mM) als Na+ und Ca2+ (0,1 𝜇M) durch die Na+/K+-Pumpe, die K+ rein und Na+ raus pumpt o Unterschied zwischen Konzentration und Aktivität von Ionen:  Elektrostatische Bindung von Ionen (= Sorption, Hydrathülle um Ion bleibt erhalten) wird durch Coulombsches Gesetz beschrieben: E = 

𝑄1 ∗ 𝑄2 𝜀 ∗ 𝑟²

(E = Bindungsenergie, Q1 = Ladung des Ions, Q2 =

Ladung des Enzyms, ε = Dielektrizitätskonstante (Aktivität), r = Abstand zwischen Enzym + Ion) Hydrathülle:  Ionen mit großer Hydrathülle gelangen nicht so nah an Enzym und werden deshalb schwächer gebunden  dickere Hülle bei großer Ladung oder kleinem Ionendurchmesser r² (Ladung verteilt sich auf kleinere Oberfläche)  Na+ (r=98pm) < K+ (r=133pm)...