Bioorganische ChemieEnzymatische Katalyse 2011

Prof. Dr. A. Jäschke

INF 364, Zi. 308, Tel. 54 48 51 jaeschke@uni-hd.de

Ringvorlesung Chemie B - Studiengang Molekulare Biotechnologie

Lehrziele I

Kenntnis und Beherrschung der grundlegenden Konzepte, Kinetik und Energetik der EnzymkatalyseVerständnis der verschiedenen Arten von EnzymhemmungDetailliertes, anwendungsbereitesVerständnis katalytischer Strategien und enzymatischer MechanismenKenntnis der wichtigsten Coenzyme und Cofaktoren sowie ihrer Mechanismen

Lehrziele II

Beherrschung der wichtigsten Typen der Regulation enzymatischer Reaktionen

Kenntnis von Ribozymen und DNAzymen

Anwendungsbereites Wissen sowohl über die experimentellen Techniken zur Untersuchung enzymatischer Reaktionen also auch über die mathematischen Formalismen.

Dozenten

Prof. Dr. A. Jäschke

Dr. R. Wombacher

Detaillierte Themenliste: Website

Literatur

Berg, Tymocko, Stryer: Biochemie, Spektrum Verlag, Kapitel 8-10.

Bruice: Organische Chemie, Pearson Verlag, Kapitel 24 (Coenzyme)

Ribozyme: Literatur gemäß Website

Gliederung

Allgemeine Eigenschaften, Nomenklatur

Enzymkinetik

Enzyminhibition

Katalytische Strategien & EnzymatischeMechanismen

Ribozyme

Coenzyme

Enzymregulation und -kontrolle

Enzyme – Einführung

Was sind Enzyme?

Welche Rolle(n) spielen sie?

Wie arbeiten Katalysatoren?

Setzen Energiebarriere herab,

Arbeiten nach unterschiedlichenMechanismen,

Anordnung funktioneller Gruppen

Allgemeine Eigenschaften von Enzymen

Höhere Reaktionsgeschwindigkeiten

Mildere Reaktionsbedingungen

Große Reaktionsspezifität

Regulationsmöglichkeit

Enzyme sind leistungsstarke und hochspezifische Katalysatoren

Beispiel: Proteolytische Enzyme

Enzymspezifität

Subtilisin

Trypsin

Thrombin

DNA-Polymerase I: weiterer hochspezifischer Katalysator

Die Spezifität eines Enzyms hängt von der präzisen Wechselwirkung des Substrats mit dem Enzym ab. Diese Spezifität resultiert aus der 3D-Struktur des Enzyms.

Cofaktoren

Apoenzym, Cofaktor, Holoenzym

Unterscheidung 2 Gruppen von Cofaktoren: Metalle und Coenzyme

Coenzyme, Cosubstrate, prosthetischeGruppen

Vitamine

Enzyme können verschiedene Energieformen ineinander umwandeln.

Klassifizierung von Enzymen

Ca. 2500 verschiedene Reaktionen durch Enzyme katalysiert.Strukturelle Varianten von Enzymen, die die selbe Reaktion katalysieren.Über 1.000.000 Enzyme existentTrivialnamen können diese Diversitätnicht adäquat beschreiben.Standardisierte Prozedur zur Bezeichnung von Enzymen benötigt.

Die sechs Hauptenzymklassen

Thermodynamik

ΔRG liefert Informationen über die Spontaneität einer Reaktion, nicht über ihre Geschwindigkeit.

ΔRG hängt von der Gleichgewichtskonstanten ab

Enzyme können nur die Reaktionsgeschwindigkeit, nicht aber die Lage des Gleichgewichts verändern

Enzyme beschleunigen Reaktionen durch Erniedrigung der Aktivierungsenergie

Das Wesen der Katalyse besteht in der spezifischen Bindung des Übergangszustandes

Die Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes ist der 1. Schritt der enzymatischen Katalyse

Substrate in günstiger räumlicher Anordnung zusammengeführt

Spezifische Region des Enzyms: aktives Zentrum.

Welche Beweise gibt es für die Existenz von Enzym-Substrat-Komplexen?

1. Sättigungsverhalten

2. Röntgenstrukturanalysen

Auch zeitaufgelöste Analysen

3. Änderung spektroskopischer Eigenschaften bei Bildung des ES-Komplexes

Tryptophan-Synthetase, PLP als prosthetischeGruppe fluoresziert

Andere Spektroskopische Techniken: NMR, EPR

Was haben die aktiven Zentren von Enzymen gemeinsam?

Ist die Region, die Substrat und ggf. Cofaktor bindet und gleichzeitig die Aminosäurereste bereitstellt, die direkt an der Reaktion teilnehmen.

Katalytische Gruppen

Ww im aktiven Zentrum begünstigt die Bildung des Übergangszustandes

1. Das aktive Zentrum ist eine dreidimensionale Spalte, die von vielen Gruppen aus verschiedenen Abschnitten der Aminosäuresequenz gebildet wird.

Lysozym

2. Das aktive Zentrum stellt nur einen kleinen Teil des Gesamtenzyms dar

Rolle der restlichen Aminosäuren?

3. Aktive Zentren sind höhlen- oder spaltenförmig

Ausschluß von Wasser

Aber auch polare Gruppen

4. Substrate werden durch viele schwache Kräfte an das Enzym gebunden

Elektrostatische Ww.

H-Brücken,

Van der Waals

Hydrophobe Interaktionen

Etwa Faktor 10 schwächer als kovalente Bindungen

Ribonuclease

Die Bindungsspezifität ist von der definierten Anordnung der Atome im aktiven Zentrum abhängig

1. Schlüssel-Schloss-Prinzip

1890 Emil Fischer

Die Bindungsspezifität ist von der definierten Anordnung der Atome im aktiven Zentrum abhängig

1. Induced Fit

Koshland 1958

Das Michaelis-Menten-Modell erklärt die kinetischen Eigenschaften vieler Enzyme

Vereinfachung

Reaktionsgeschwindigkeit läßt sich ausdrücken:

Annahme eines Fließgleichgewichtes (steady state – Vereinfachung!)

Ergibt:

Fließgleichgewicht – steadystate kinetics

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