chemische Natur von Enzymen
Enzyme sind Biokatalysatoren, die von Zellen synthetisiert werden und im Körper katalytische Funktionen ausüben.
Durch Enzyme katalysierte Reaktionen werden enzymatische Reaktionen genannt
Substrat
Stoffe, die durch Enzyme katalysierte chemische Reaktionen eingehen
Produkt
Stoffe, die durch enzymatische Reaktionen entstehen
chemischer Natur
Hauptsächlich Protein, ein paar RNA
Klassifizierung von Enzymen
einfaches Enzym
Enzyme, die reine Proteine sind
Konjugationsenzym
Neben Proteinen werden auch bestimmte Nicht-Aminosäurebestandteile (Cofaktoren) gebunden
Cofaktor
Coenzym
Kleine organische Moleküle, die lose an Apoenzyme gebunden sind und durch Dialyse entfernt werden können
prothetische Basis
Kleine organische Moleküle, die kovalent an Enzymproteine und fest an Apoenzyme gebunden sind und nicht durch Dialyse oder Ultrafiltration entfernt werden können.
katalytische Eigenschaften von Enzymen
Gemeinsame Eigenschaften von Enzymen und Nicht-Enzym-Katalysatoren
Kann nur Reaktionen katalysieren, die thermodynamisch zulässig sind
Nach Abschluss der Reaktion wird es nicht verbraucht oder verändert und kann wiederverwendet werden.
Die katalytische Wirkung auf Hin- und Rückreaktionen ist gleich
Die Gleichgewichtskonstante wird nicht verändert, aber die Geschwindigkeit bis zum Gleichgewicht wird beschleunigt bzw. die Zeit bis zum Gleichgewicht wird verkürzt.
einzigartige katalytische Eigenschaften von Enzymen
Effizienz, Spezifität
absolute Spezifität
Wirkt nur auf ein Substrat und nicht auf andere Substanzen
relative Spezifität
Kann auf eine Klasse strukturell ähnlicher Substrate wirken
Drei Theorien zur Erklärung der Enzymspezifität
Schloss-und-Schlüssel-Lehre
Theorie der induzierten Anpassung
Drei-Punkte- und Eine-Linien-Doktrin
Enantiomere unterscheiden und Stereospezifität erklären
Bindet sich im aktiven Zentrum an das Substrat
aktives Zentrum
Der Bereich eines Enzymmoleküls, der direkt an das Substrat bindet und in direktem Zusammenhang mit der Katalyse steht
Hauptsächlich hydrophobe AA-Reste, eine kleine Menge hydrophiler AA-Reste (die katalytische Reaktion ist hydrophile AA-Reste)
Das aktive Zentrum ist strukturell komplementär zum Substrat und die Konformation ist nicht festgelegt.
Milde Reaktionsbedingungen, empfindlich gegenüber Reaktionsbedingungen, leicht zu inaktivieren
Hat eine hohe Einstellbarkeit
Faktoren, die enzymatische Reaktionen beeinflussen
enzymatische Reaktionsgeschwindigkeit
Die Änderung der Substrat- oder Produktkonzentration pro Zeiteinheit
Beeinflussende Faktoren
Ionenstärke
Protonenkonzentration
Beeinflussen Sie den pH-Wert der Reaktion
Metallionenkonzentration
Kann als Cofaktor für Enzyme dienen und dadurch die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen
pH-Wert des Reaktionsmediums
Beeinflusst den Dissoziationszustand von Enzymmolekülen
Beeinflusst den Dissoziationszustand eines Substrats, einer prosthetischen Gruppe oder eines Coenzyms
Enzymaktivatoren oder Enzyminhibitoren
Enzymkonzentration
Unter bestimmten pH- und Temperaturbedingungen, wenn die Substratkonzentration viel höher ist als die Enzymkonzentration, ist die Reaktionsgeschwindigkeit direkt proportional zur Enzymkonzentration.
Substratkonzentration
Reaktion dritter Ordnung mit Substratkonzentration
Bei geringer Substratkonzentration kommt es zu einer Reaktion erster Ordnung
Mit zunehmender Substratkonzentration verhält sich die Reaktion wie eine Reaktion auf gemischten Ebenen
Wenn die Substratkonzentration sehr hoch ist, findet eine Reaktion nullter Ordnung statt.
Theorie der Enzymsubstratzwischenprodukte
Michaelis-Reaktionskinetik
Beschreiben Sie die Beziehung zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit des Michaelis-Enzyms und der Substratkonzentration
Herleitung der Michaelis-Menten-Gleichung
Die Reaktionsgeschwindigkeit ist die Anfangsgeschwindigkeit
Der Enzym-Substrat-Komplex befindet sich im Steady State, das heißt, die ES-Konzentration ändert sich nicht.
Nach dem Massenwirkungsgesetz
Im stationären Zustand entspricht die Bildungsrate von ES der Dissoziationsrate von ES
Interpretieren Sie die Michaelis-Menten-Gleichung
Km ist die Substratkonzentration, bei der die anfängliche Geschwindigkeit der Enzymreaktion die Hälfte von Vm beträgt
Es handelt sich um eine charakteristische Konstante des Enzyms, die nur mit der Natur des Enzyms zusammenhängt und nichts mit der Konzentration des Enzyms zu tun hat.
Unter bestimmten Bedingungen kann es die Affinität zwischen dem Enzym und dem Substrat widerspiegeln. Je größer der Km, desto geringer ist die Affinität zwischen dem Enzym und dem Substrat.
Wenn der Km-Wert des Enzyms für das Substrat kleiner ist als der Km-Wert des Produkts, begünstigt die Reaktion die Vorwärtsreaktion, andernfalls begünstigt sie die Rückreaktion.
Vmax
Theoretische maximale Reaktionsgeschwindigkeit, die sich mit der Enzymkonzentration ändert
Kcat
Die katalytische Konstante oder Umwandlungszahl oder Umsatzzahl eines Enzyms bezieht sich insbesondere auf die Gesamtzahl der Moleküle, die ein Enzymmolekül pro Zeiteinheit aus einem Substrat in ein Produkt umwandelt.
kcat=k2=Vmax/Et
Kann die Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion messen
Kcat/Km
Es dient zur Messung der katalytischen Effizienz eines Enzyms und kann auch die Perfektion eines Enzyms widerspiegeln.
Die duale Natur der Michaelis-Menten-Gleichung
Wenn die Substratkonzentration sehr niedrig ist, also S viel kleiner als Km ist, ändert sich die Michaelis-Menten-Gleichung zu
Beachten Sie die Kinetik erster Ordnung
Wenn die Substratkonzentration sehr hoch ist, also S viel größer als Km ist, kann die Michaelis-Menten-Gleichung in umgewandelt werden
Entspricht der Dynamik nullter Ordnung
Doppelte reziproke Darstellung des Michaelis-Enzyms
Enzymhemmende Wirkung
reversibler Inhibitor
Bindet über eine Sekundärbindung reversibel an Enzyme
kompetitiver Inhibitor
Inhibitoren konkurrieren mit dem Substrat
nichtkompetitiver Inhibitor
Kombinierbar mit ES und E
wettbewerbshemmender Hemmstoff
Kann nur an ES binden, so dass das am aktiven Zentrum gebundene Substrat nicht mehr in Produkte umgewandelt werden kann
irreversibler Inhibitor
Bindet sich durch starke chemische Bindungen irreversibel an das Enzym und ist nach der Inaktivierung irreversibel.
genspezifische Inhibitoren
Kovalente Modifikation essentieller Seitenkettengruppen am aktiven Zentrum des Enzyms
Substratanalogon-Inhibitor
Strukturell ähnlich dem Substrat, bindet es an das aktive Zentrum des Enzyms und verändert irreversibel die essentiellen Gruppen am aktiven Zentrum des Enzyms.
Analoge Inhibitoren des Übergangszustands
Es ist dem Übergangszustand einer enzymatischen Reaktion sehr ähnlich und bindet an das aktive Zentrum des Enzyms, wodurch das Substrat nicht in der Lage ist, an das Enzym zu binden.
Selbstmordhemmer
Durch ein Enzym katalysiert, finden mehrere Reaktionen statt, es wird jedoch kein Produkt gebildet. Stattdessen werden wesentliche Gruppen des Enzyms verändert, was zu einem Verlust der Enzymaktivität führt.
Kinetik allosterischer Enzyme
allosterischer Effekt
Nachdem der nichtkatalytische Teil des Enzymmoleküls reversibel und nichtkovalent mit bestimmten Verbindungen verbunden wurde, ändert sich die Konformation, wodurch sich der aktive Zustand des Enzyms ändert, was als allosterische Wirkung des Enzyms bezeichnet wird.
Enzyme mit spezifischer Wirkung werden allosterische Enzyme genannt
Stoffe, die allosterische Wirkungen auf Enzymmoleküle hervorrufen können, werden allosterische Effektoren genannt
Eigenschaften allosterischer Enzyme
Rate, Substratkonzentrationskurve ist S-förmig
Bidirektionale Reaktionen auf Wettbewerbshemmung
In geringen Konzentrationen induziert es einen positiven synergistischen Effekt allosterischer Enzyme und erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit des Substrats.
Bei hohen Konzentrationen besetzt es das aktive Zentrum des Enzyms und das Substrat kann sich nicht normal mit S verbinden, was die Reaktionsgeschwindigkeit hemmt.
Eine leichte Denaturierung kann zum Verlust der allosterischen Wirkung führen
Normalerweise sind oligomere Enzyme und allosterische Enzyme in der Minderheit
Hill-Gleichung
h=1, es ist kein allosterisches Enzym und weist keine Substratkooperativität auf.
h>1, die Auftragung der Geschwindigkeit gegenüber der Substratkonzentration ist S-förmig mit positiver Substratkooperativität.
S-Kurve
Enzyme reagieren empfindlich auf Veränderungen der Substratkonzentration in der Umgebung und regulieren den Stoffwechsel empfindlich.
h<1, das Enzym weist eine negative Substratkooperativität auf
scheinbare Hyperbel
Das Enzym reagiert äußerst unempfindlich auf Änderungen der Substratkonzentration in der Umgebung und stellt so sicher, dass wichtige Reaktionen nicht durch das Substrat beeinflusst werden und jederzeit ablaufen können.
Enzymkatalytischer Mechanismus
Inhalte der Übergangszustandsstabilitätstheorie
Bei jeder chemischen Reaktion müssen die Reaktanten einen bestimmten Hochenergiezustand erreichen, um reagieren zu können. Dieser instabile Hochenergiezustand wird Übergangszustand genannt. Um den Übergangszustand zu erreichen, müssen die Reaktanten über genügend Energie verfügen, um ihn zu durchbrechen Aktivierungsenergie.
Die Affinität des Enzyms zum Übergangszustand ist viel höher als die Affinität zum Substrat (Grundzustand), und die katalytische Wirkung des Enzyms beruht auf der Stabilisierung des Übergangs.
Chemischer Mechanismus der Stabilisierung des Übergangszustands
auf Nähe gerichtete Reaktion
Dies bedeutet, dass zwei oder mehr Substrate gleichzeitig mit dem Enzym im aktiven Zentrum des Enzyms kombiniert werden, wodurch die Translation und Rotation bestimmter chemischer Bindungen eingefroren wird, sodass diese die richtige räumliche Ausrichtung annehmen und die Konzentration der Substrate erheblich erhöht wird
Generalisierte Säure-Base-Katalyse
Bezieht sich auf die Aminosäurereste, die an der Katalyse im aktiven Zentrum des Enzyms beteiligt sind und Protonen gewinnen oder verlieren (die auf Übergangszustandszwischenprodukte übertragen werden, um den Effekt der Stabilisierung des Übergangszustands zu erzielen). Dieser Mechanismus ist am katalytischen Prozess der meisten Enzyme beteiligt.
Wenn der pKa-Wert nahe bei 7 liegt, ist die Seitenkettengruppe möglicherweise der wirksamste allgemeine Säure-Base-Katalysator, wie z. B. die Imidazolgruppe des His-Rests. Unter physiologischen Bedingungen ist die Hälfte eine Säure und die andere Hälfte eine Base, und die Freisetzungsrate Protonen sind schnell.
Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt vom pH-Wert und der Pufferkonzentration ab
Elektrostatische Katalyse
Die Verteilung der Ladungen des aktiven Zentrums wird verwendet, um den Übergangszustand einer enzymatischen Reaktion zu stabilisieren. Das Enzym verwendet seine eigene geladene Gruppe, um die entgegengesetzte Ladung zu neutralisieren, die entsteht, wenn ein Reaktionsübergangszustand gebildet wird, um diese zu katalysieren.
Manchmal wird das Substrat durch die elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem Enzym und dem Substrat in das aktive Zentrum des Enzyms eingeführt.
Metallkatalyse
Metalloenzyme
Enthält fest gebundene Metallionen
metallaktivierendes Enzym
lose an Metallionen in Lösung gebunden
Wie Metallionen katalysieren
Bindet an negativ geladene Substrate, um die korrekte Ausrichtung des Substrats während der Reaktion zu fördern
Beteiligen Sie sich an der elektrostatischen Katalyse und stabilisieren Sie negativ geladene Übergangszustände
Beteiligen Sie sich als Elektronendonor oder Elektronenakzeptor an Redoxreaktionen durch reversible Änderungen des Valenzzustands
als Bestandteil der Enzymstruktur
kovalente Katalyse
Während des katalytischen Prozesses bildet das Enzym vorübergehend instabile kovalente Zwischenprodukte mit bestimmten Gruppen auf dem Substrat.
Nukleophil
Ein Reagens, das ein Elektronenpaar an einen Reaktanten abgibt, um eine kovalente Bindung zu bilden
Elektrophil
Ein Reagens, das einem Reaktanten ein Elektronenpaar entzieht, um eine kovalente Bindung zu bilden
Typischerweise sind Lewis-Säuren Elektrophile und Lewis-Basen Nukleophile.
Verformung des Untergrundes
Wenn das Enzym auf das Substrat trifft, bewirkt das Enzym, dass die empfindlichen Bindungen im Substrat empfindlicher werden, wodurch elektronische Spannung und Verformung erzeugt werden, wodurch das Substrat seinem Übergangszustand näher kommt.
Struktur und Funktion mehrerer gängiger Enzyme
Serinprotease
Die katalytische Gruppe enthält einen unverzichtbaren Serinrest und DIFP ist sein irreversibler Katalysator
Trypsin
Verfügt über eine tiefe Substratbindungstasche, die zur Bindung langkettiger Lys und Arg geeignet ist
Chymotrypsin
Die Substratbindungstasche ist breit und die Taschenwand ist mit hydrophoben Aminosäuren gefüllt, was sich besonders für die Bindung aromatischer Aminosäuren eignet.
Elastase
Flache Bindungstasche, geeignet für Aminosäuren mit kleineren Seitenketten (wie Glycin)
katalytische Triade
Ser195
Affinitätsgruppe, die als Angriffssubstrat fungiert
His57
Als allgemeiner Säure-Base-Katalysator
Asp102
Zielt auf His57 und beeinflusst seinen pH-Wert, um seine Säure-Base-Eigenschaften zu verändern
Sauerstoffanionenloch
Stabilisierung tetraedrischer Übergangszustände durch Wasserstoffbrückenbindung
Zusammenfassung des katalytischen Prozesses der Serinprotease
Ser195 generalisierte Säurekatalyse, kovalente Katalyse (Angriffssubstrat)
His57 verallgemeinerte Säure-Base-Katalyse
Zwei Pro-Atom-Angriffe
Ser-O greift die Carbonylgruppe des Substrats an und bildet eine kovalente Bindung (tetraedrischer Übergangszustand).
H2O-OH greift die Carbonylgruppe des kovalenten Komplexes an und bildet eine kovalente Bindung (tetraedrischer stabiler Zustand).
ein Sauerstoffanionenloch
Stabilisierung tetraedrischer Übergangszustände durch Wasserstoffbrückenbindung
Metalloproteinase
An das aktive Zentrum sind Metallionen gebunden, für deren Aktivität unbedingt Metallionen erforderlich sind, sodass der Metallchelatbildner EDTA zum Verlust seiner Aktivität führen kann.
Asparaginsäureprotease
Die katalytische Gruppe umfasst zwei Aspartate, die unter alkalischen pH-Bedingungen inaktiv sind.
Thiolprotease
Die katalytische Gruppe umfasst einen Cysteinrest und Jodessigsäure ist ihr irreversibler Katalysator
Regulierung der Enzymaktivität
Quantitative Veränderungen von Enzymen (Kontrolle von Enzymspiegeln und -konzentrationen)
Kontrollieren Sie die Expression von Enzymgenen und den Abbau von Enzymmolekülen
Isoenzym
Enzyme, die die gleiche Reaktion katalysieren, aber unterschiedliche strukturelle Eigenschaften haben
Beispiel: Vier Isoenzyme der Hexokinase
HK1
Hauptsächlich im Gehirn verteilt
HK2
Hauptsächlich in der Skelettmuskulatur verteilt
HK3
Hauptsächlich in weißen Blutkörperchen verteilt
HK4
Hauptsächlich in der Leber verteilt (Glucokinase)
Unterschiedliche Gewebeverteilungen und unterschiedliche Konzentrationsänderungen reagieren auf die unterschiedlichen Bedürfnisse des Körpers
Hexokinase
durch Produktfeedback gehemmt
Kontrollieren Sie die Geschwindigkeit der Glykolyse
Glukokinase
Monomeres Enzym, das keiner allosterischen Hemmung unterliegt
Verantwortlich für die Senkung des Blutzuckers und die Aufrechterhaltung der Stabilität
Qualitative Veränderung des Enzyms (Kontrolle der Enzymaktivität)
Modulieren Sie die vorhandene Enzymaktivität, ohne die Enzymkonzentration zu verändern (geringer Energieverbrauch, schnell)
allosterische Anpassung
Zusätzlich zum aktiven Zentrum enthalten einige allosterische Enzyme auch allosterische Zentren, die an einige spezielle Ligandenmoleküle binden können, wodurch sich die Konformation des Enzyms ändert und Änderungen in der Enzymaktivität hervorgerufen werden.
Sowohl synergistische als auch nicht synergistische Enzyme können allosterisch reguliert werden
kovalente Modifikation
Enzymmoleküle werden unter der Katalyse anderer Enzyme reversibel modifiziert. Es handelt sich um ein Schlüsselenzym, das durch Hormone reguliert wird und kaskadenverstärkt werden kann.
Einige Enzyme nehmen den modifizierten Zustand als aktiven Zustand an
Einige Enzyme sind im demodifizierten Zustand aktiv
Verschiedene Formen der kovalenten Modifikation von Enzymen
Merkmale der kovalenten Modifikationsregulierung
Enzyme gibt es in zwei unterschiedlich modifizierten bzw. unterschiedlich aktiven Formen
Es kommt zu Veränderungen kovalenter Bindungen
Beeinflusst durch andere regulatorische Faktoren (z. B. Hormone)
Im Allgemeinen ein energieaufwendiger Prozess
Es gibt einen Verstärkungseffekt
hydrolytische Aktivierung
Der Prozess der Umwandlung inaktiver Enzyme (Zymogene) in aktive Enzyme unter Enzymkatalyse
Aktivierungsmechanismus
Unter der Enzymkatalyse werden die überschüssigen Peptidfragmente des Zymogens abgeschnitten
Die Essenz der Aktivierung
Bilden das aktive Zentrum des Enzyms
physiologische Bedeutung
Eine Methode des biologischen Selbstschutzes
Eine Möglichkeit, die Enzymaktivität zu regulieren, um einen normalen Stoffwechsel im Körper sicherzustellen
Aktivierung oder Hemmung regulatorischer Proteine
Bestimmte Proteine fungieren als Liganden, um an bestimmte Enzyme zu binden und die Aktivität des gebundenen Enzyms zu regulieren.
Dieses Protein wird als regulatorisches Protein bezeichnet
Polymerisation und Dissoziation von Enzymuntereinheiten
Merkmale der Zymogenaktivierung
Der Prozess geht mit Veränderungen in der Primärstruktur des Enzymproteins einher
Hydrolyseprozess, irreversible, einmalige Anpassung
Es handelt sich um einen schnellen Signalverstärkungsprozess, der durch den Kaskadeneffekt zur Vervollständigung spezifischer Funktionen erreicht wird.
PS: Katalytischer Mechanismus von Lysozym
Generalisierte Säure-Base-Katalyse
Elektrostatische Katalyse
Asp52 (negative Ladung) stabilisiert positiv geladene Übergangszustandssubstrate
Verformung des Untergrundes
Um sich an die Konformation des aktiven Zentrums des Enzyms anzupassen, verändert sich die Zuckerkette vom Sessel zum Halbsessel, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, dass die glykosidische Bindung aufbricht.
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