Enzymatik

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in das aktive Zentrum des Enzyms wie ein Schlüssel in clas clazugehörige Schloss Modell der induzierten Passform: →> Raumstruktur des substrat-moleküls und des Enzym-Molekuls Wechselwirkungen zwischen Substrat und aktivem. Die wechselseitige Anpassung von Substrat und Enzym kann man mit dem Ankleiden einer Hose, welche sich der! Körperform anpasst, vergleichen Enzymatik Fachbegriffe: > Substratspezifisch = Enzyme können nur mit bestimmten Substraten reagieren und diese umsetzen > Substrat = Ausgangsstoff > aktives Zentrum = Binclungsstelle für Substrat an einem enzym > es entstehen Wechselwirkungen zwischen Substrat molelcul und aktivem Zentrum (substrat-Enzym- Komplexe entstehen). > wirkungsspezifisch = ein Enzym hat eine bestimmte Wirkung auf > • reversible Hemmung. verdrängt werden >irreversible Hemmung = des Inhibitor kann nicht mehr vom Enzym gelöst oder getrennt werden. > Inhibitor Hemmstoffe, chemische Stoffe durch welche enzym- gesteuerte Reaktionen ganz oder teilweise gehemmt werden = der Inhibitor kann wieder vom Enzym abgespaltet und > denaturierung = Proteine innerhalb der Zellen verlieren ihre natürliche Raumstruktur →→Enzym wird, zerstört” relativer Energiegehalt = > allosterisches Zentrum = eine Region an einem Enzym, an die ein Regulator binden kann, welcher als allasterischer Aktivator oder Inhibitor die Enzymaktivität beeinflusst Energiediagramm: Energiegehalt des Ecolite Energiegehalt des Produkte Johne Enzym mit Enzym (1) (2) 4 M (4) Reaktionsverlauf (1) Aktivierungsenergie ohne Enzym (2) die freigesetzte Reaktionsenergie (3) Aktivierungsenergie mit Enzym (4) die freigesetzte Realitionsenergie Abhängigkeit der Enzymaktivität: TEMPERATUR: > RGT-Regel Reaktionsgeschwindigkeit - Temperatur-Regel L> durchschnittlich verdoppelt sich die Geschwindigkeit einer biochemischen Reaktion bei einer Temperaturerhöhung von ca. 10°C. Enzymaktivität [relative Einheiten] > Enzyme besitzen Tempesatoroptima → wird dies überschritten denaturieren die Proteine der Enzyme -> Proteine haben veränderte Raumstruktur -> Enzymaktivität kann nicht mehr stattfinden. Reaktions- geschwindigkeit 10 20 30 = Temperatur-/ optimum Enzymaktivität [relative Einheiten] 1 Inaktivierung 1 2 Enzymaktivität in Abhängigkeit von der Temperatur 1 40 50 60 Temperatur [C] Pepsin PH-WERT: > jedes Enzym hat ein charakteristisches pH-Wert-Optimum > pH-Wert - Optimum = höchst mögliche Enzymaktivität > wenn der pH-West zu hoch /niedrig ist, denaturiest clas Enzym und lann nicht mehr repariert werden wenn das substrat / Umgebung wieder den optimalen pH-Wert annimmt (irreversible) Amylase 2 3 4 5 6 7 8 Denaturierung Abbildung 2: Denaturierung von Proteinen 9 denaturieren: Lösen von Wasserstoffbrückar bindungen Trypsin 10 11 12 13 14 pH-Wert 1 pH-Optima verschiedener Verdauungsenzyme des Menschen > bei höherer Temperatur kommtes 20. einer höheren Teilchenbewegung L> Substrat- u. Enzym-Molekül treffen mit größerer Wahr- scheinlichkeit aufeinander → schneller, mehr Enzym- Substrat-Komplexe. > bei niedrigem pH-West lagern sich z. B. mehr Ht- bonen an negtive Amino- säurereste des Proteins -> diese werden ungeladen und können keine Wechsel-. wirkungen mit anderen Poly- peptid letten eingehen - Denaturierung SUBSTRATKONZENTRATION: > je mehr Substrat vorhanden ist, desto höher ist die Reaktionsgeschwindigkeit, bis zus maximalen Reaktionsgeschwindigkeit .> Vmax. = maximale Reaktionsgeschwindigkeit. > wenn Vmax erreicht ist, sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit nicht, da die Enzyme, bzw. das aktive Zentrum immer gleich schnell wieder frei" sincl. > Wenn mehr substrat vorhanden ist, ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass Enzym- Substrat - Komplexe entstehen. Korve steigt am Anfang schneller, weil noch mehr Ezyme „frei !! sind > Enzym: w Reaktionsgeschwindigkeit [v] max Substrat G G (3) Substratkonzentration [S] 150 345 TO Enzymhemmung: KOMPETITIVE HEMMUNG: →> Inhibitor ähnelt dem Substrat und konkurriert mit diesem um die Besetzung des alltives Zentrums →> Geschwindigkeit der Enzymreaktion wird verringert, cla der gebunder Inhibitor nicht umgesetzt wird und sich wieder aus dem aktiven Zentrum Löst (= competition) →> Vmax kann erreicht werden, da die Inhibitoren das Enzym wieder verlassen und früher oder später alle Enzyme von dem passenden substrat besetzt werden -> kann umganger" werden, wenn die Substrat konzentration wird Enzym Enzym S = Substrat I = Inhibitor Reaktionsgeschwindigkeit [v] ungehemmte Reaktion kompetitiv gehemmte Reaktion Substratkonzentration [S] A 2 Reversible Hemmung. A kompetitiv; B nichtkompetitiv Stationäre Phase B Enzym ++ Enzym S = Substrat I = Inhibitor Reaktionsgeschwindigkeit [v] ungehemmte Reaktion nichtkompetitiv gehemmte Reaktion Substratkonzentration [S] NICHTKOMPETETIVE HEMMUNG: =allosterische Hemmung →> zwischen Substrat und Inhibitor besteht keine Ähnlichkeit → Inhibitor bindet nicht am altiven Zentrum, sondern an einer anderen Stelle des Emyms (= allosterisches Zentrum) →> Raumstruktur am allosterischen Zentrum wird verändert -> substrat kann nicht mehr am aktiven Zentrum binden liann → Umax kann nicht erreicht werden. Coenzyme / Cofaktoren: L> im Vergleich zu Enzymen likeine moleküle oder lonen -> weiterer Bestandteil für die Katalyse Metall-lonen ↳ Eisen-, Kupfer- ocler mangon -lonen. -> Stabilisation der Raumstruktur von Enzymen, helfen das Substrat zu binden viele andere Vitamine sind Vorstufen oder Be- standteile von Coenzymen. S1 P3 E1 Coe Coe Reaktion des Coenzyms Im Jahr 1905, also noch bevor man wusste, dass für die Enzymkatalyse häufig Cofaktoren benötigt werden, führten Arthur HARDEN und William YOUNG das nebenstehende Experi- ment durch. a) Beschreiben Sie die Durchführung und die Beobachtungen des HARDEN- YOUNG-Experiments. b) Deuten Sie die Versuchsergeb- nisse. Regeneration des Coenzyms E2 1 Modell zur Wirkungsweise eines Coenzyms. S = Substrat; E = Enzym; Coe= Coenzym; P = Produkt c) Begründen Sie, warum man Coenzyme auch als Cosubstrate bezeichnen kann. Wasser Harden - Young - Experiment: Beispiel experiment, bei dem man sieht, class häufig cofalltoren für die Enzym katalyse benötigt werden AUFGABEN Das HARDEN-YOUNG-Experiment Hefezellen setzen Glucose unter anaeroben Bedingungen zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid (CO₂) um. An diesem Vorgang sind zahlreiche Enzyme beteiligt, deren Aktivität man auch außerhalb von Zellen untersuchen kann. Hefezellen 83-8 Dialyseschlauch aus semi- permeabler Membran Versuchsreihe 1 Sand nach 5 min nach 24 h Coe nach 24 h Coe Filtrat + Glucose ➡CO₂ Entwicklung Dialysat + Glucose keine CO₂-Entwicklung Außenmedium + Glucose keine CO₂-Entwicklung Versuch a) Coenzyme L₂ komplexe organische Moleliüle →> geben im Verlauf der Enzymreaktion Elektronen, Protonen oder chemische Gruppen an das substrat ab oder nehmen sie vom Substrat auf →> werden wie Substrate verändert. Cosubstrate" -> ATP, NAD+ h Versuch b) Versuch c) Versuchsreihe 2 CO₂-Ent- wicklung CO₂-Ent- wicklung keine CO₂-Ent- wicklung Enzymhemmung durch avecksilber: > Quecksilber hat eine Giftwirkung auf organismen > Quecksilber führt zu einer Inaktivierung von Enzymen und Blockiesung der Signal übertragung im Gehice > Enzym und Quecksilber gehen eine dauerhafte Verbindung ein →> irreversible Hemmung > clurch die Bindung wird die dreidimensionale Struktur cler Enzyme → Testiarstruktur verändert, soclass substrate weniger gut oder ger mehr gebunden, bzw. katalysiert werden können nicht Substrat (Zweifachzucker) Laktase n 目 Enzym-Substrat-Komplex Reaktion ₪ Enzym und Produkte (Monosaccharide) 凹 Enzym (Laktase) Aufnahme durch die Darmschleimhaut Bindung voo Quecksilber Hemmstoff Quecksilber M veränderte Tertiärstruktur des Enzyms Substrat kann nicht binden, keine Reaktion UN Keine Aufnahme, da keine Katalyse => allosterische nicht-kompetitive Enzymhemmung Caußerhalb des aktiven Zentrum) Supermarktkassen modell: M3 ,,Supermarktkassen-Modell" Modellsituation 1: Reaktionsgeschwindigkeit steigt Modellsituation 2: Ich habe Leergut in meinem Einkaufswagen. Wo kann ich das abgeben? D Nicht kompetitive Hemmung Modellsituation 4: Oh je! Ich habe mein Portemonnaie vergessen! Kompetitive Hemmung Grenzen des Modells: > zufälliges Aufeinander treffen der molekcöle wird nicht dargestellt. Kassen mit Kassierer • Enzyme > die unterschiedlichen Aufenthaltszeiten an den lassen entsprecher nicht der Kinetik biochemischer Reaktionen. = Kunden = maximale Reaktionsgeschwindiglieit andere Seite der Kasse Modellsituation 3: = allesterisches Zentrum Substrate Kunden, die bezahlt haben Produkte = Fließband aktives Zentrum Leistungsfähiglieit cles modells: > cler dynamische Vorgang.der Enzym- Substrat- Realition wird anschaulich visualisiert. > Vorgänge bei der kompetitiven und nicht kompetitiven Hemmung können ansatzweise auf Malekölebene erklärt werden Enzymregulation: Regulation allosterischer Enzyme durch positive (Altivatoren) und negative (Inhibitoren) Effektoren: . -> Anpassung des Stoffwechsels anden jeweiligen Bedarf Effeltoren binden am regulatorischen Zentrum con allosterischen Enzymen und beeinflussen die Enzymaktivität Positive effektoren = Aktivator: negativer Effeltor= Inhibitor: 4 Veränderung der Raumstrokitur L> Veränderung der Raumstrulltur L Substrat kann besser am alltiven Lo Substrat kann schlechter am Zentrum binden aktiven Zentrum binden => Enzymaktivität steigt => Enzymaktivität since Substrat K Enzym positiver Effektor regulatorisches Zentrum Substrat aktives Zentrum €3 Enzym negativer Effektor regulatorisches Zentrum 1 Regulation allosterischer Enzyme durch positive und negative Effektoren Substrat Enzym Endprodukthemmung: Endprodukte einer stoffwechselkette können auasterische Enzyme regulieren Enzyme sind häufig in Multienzum complexen organisiert Produkt einer Reaktion ist substrat der nachfolgenden Rediction end produkt wirkt als Hemmstoff auf ein beteiligtes Enzym Reaktion wird durch negative Rock Coppling reguliert 4 menr Produt t = weniger active Enzymmoleküle weniger Produkt - mehr active Enzymmoleküle Endprodukthemmung bewirkt, dass ein Stoff synthesiert wird, bis er sich ansammelt 4 entspart organismus unnötigen Rohstoff I Energie Aufwand Endprodukthemmung Ausgangs- substrat Enzym 1 Stoff A Enzym 3 Enzym 2 Multienzymkomplex Stoff A Abbildung 3: Negative Rückkopplung über das Endprodukt bei einem Multi-Enzymkomplex Enzym 1 Enzym 1 Enzym 4 Stoff B Stoff B End- produkt Enzym 2 Enzym 2 Abbildung 2: Enzymregulation: a) Substratinduktion b) Endprodukthemmung Stoff C Stoff C Energiediagramm: relativer Energiegehalt Aktivierungs energie für katalysierte Reaktion Energieniveau Ausgangs stoffe (z.B. Saccharose) Enzymaktivität [relative Einheiten] ohne Enzym Enzyin Energie- gewinn 2 3 Reaktionsverlauf 2 Energieprofil chemischer Reaktionen mit Enzym katalysierte Reaktion S Enzym Aktivierungs- energie für nicht- S = Substrat I= Inhibitor (1) Energieniveau Endprodukte (2.B. Glucose und Fructose) (2) Amylase Pepsin Trypsin A Reaktionsges Reaktionsugslauf (3) (4) 9 10 11 12 ungehemmte Reaktion 1 pH-Optima verschiedener Verdauungsenzyme des Menschen Enzymaktivität [relative Einheiten] 13 14 pH-Wert nichtkompetitiv gehemmte Reaktion (1) Aktivierungsenergie ohne Enzym Substratkonzentration [S] (2) die freigesetzte Reaktionsenergie (3) Aktivierungsenergie mit Enzym (4) die freigesetzte Realitionsenergie Reaktions- geschwindigkeit Temperatur- optimum 10 2 Enzymaktivität in Abhängigkeit von der Temperatur 20 30 Inaktivierung 40 50 60 Temperatur [°C] Enzym Enzym S = Substrat I = Inhibitor Reaktionsgeschwindigkeit [v] ungehemmte Reaktion- -kompetitiv gehemmte Reaktion Substratkonzentration [S] A 2 Reversible Hemmung. A kompetitiv; B nichtkompetitiv