Enzyme als Biokatalysatoren

Alternativer Bildtext:

beiden DNA- Strängen -> Schnittstelle zwischen gleichen Nucleotiden ➜bei Schnittstelle zwischen zwei komplementären Basen liegen Stränge einander gegenüber ➜meistens jedoch Schnitt der DNA-Stränge versetzt Schnitte einige Nucleotiden voneinander entfernt dadurch entstehen einzelsträngige Enden Einzelstrangenden zueinander komplementär -> können wegen Basenpaarung wieder zusammen finden => ,,klebrige Enden" entstehen → z.B spaltet Enzym Urease Harnstoff hydrolytisch in Ammoniak und Kohlenstoffdioxid Urease wirkt aber nicht reduzierend auf Substrat → NH2-CO-NH2 + H2O -> 2 NH3 + CO2 RÄUMLICHE STRUKTUR DES ENZYMS UREASE Substratspezifität = Phänomen, dass Enzyme meist nur ein Substrat oder eine bestimmte Anzahl von Substraten in ihrem aktiven Zentrum aufnehmen können (Schlüssel-Schloss-Prinzip) ➜ Restriktionsenzyme sind substrat- und wirkungsspezifisch →Enzyme katalysieren nicht die Reaktion eines substratähnlichen Moleküls sind spezialisiert → jede Enzymart spaltet DNA spezifisch an einer bestimmten Schnittstelle, die sie an DNA- Sequenz erkennt ➡ Erkennungssequenzen haben meist spezielle Symmetrie Basensequenz des einen Stranges ist von links nach rechts gelesen Basenfolge des komplementären Stranges in umgekehrter Leserichtung Palindrome" ➡ Bakterien schützen ihre eigene DNA vor Restriktionsenzymen indem sie Erkennungssequenzen durch Methylierung ,,tarnen" Erklärung am Beispiel: Amylase fördert Spaltung von Stärke in Glukose -> Spaltung von Cellulose nicht ➜ beide Makromoleküle (Stärke und Cellulose) besteht aus Kette von Glukosemolekülen → Enzym erkennt durch Bindung im aktiven Zentrum richtiges Substrat Substrate aktives Zentrum GILDY Substrat betritt aktives Zentrum Enzym ändert Form während Substratbindung Enzym/Substrat- Komplex Enzym/Produkt- Komplex Produkte Produkte verschwinden aktives Zentrum des Enzyn ENZYM. UMSETZUNG ENZYMSPEZIFITÄT Aufgabe: Erklären Sie die Abhängigkeiten von Enzymaktivitäten anhand der Diagramme A) Erhöht man die Substratkonzentration, beschleunigt sich die Reaktionsge- schwindigkeit stark bis zu einer bestimmten Maximalgeschwindigkeit (Vmax). Wenn diese erreicht ist, sind alle Enzymmoleküle mit Substrat besetzt und es ist auch kein weiterer Anstieg der Reaktionsge- schwindigkeit mehr möglich. Findet eine Reaktion ohne Enzym aber mit erhöhter Substratkonzentration statt, so kommt es nur zu einem langsam, linearen Anstieg. B Enzymaktivität Pepsin x-Amylase aus Speichel n A ➜ Höhe der Reaktionsgeschwindigkeit (V) ist abhängig vom Einsatz der Enzyme sowie der entsprechenden Substratkonzentration 773 456 7 8 9 10 sauer pH-Wert basisch Vmax C relative Einhelten b Reaktion mit Enzym 0 C) Hierbei ist die Enzymaktivität und die Reaktionsgeschwindigkeit abhängig von der Höhe der Temperatur. Erhöht man die Temperatur bis zu einem bestimmten Punkt, steigt die Enzymaktivität sowie die Reaktionsgeschwindigkeit. Ist dann eine Maximaltemperatur überschritten, so nimmt die Enzymstabilität ab und somit nimmt auch die Enzymaktivität rapide ab. Bei Überschreitung diese Punktes, steigt die Reaktionsgeschwindigkeit nicht mehr, denn es ist keine chemische Reaktion mehr möglich. Zu sehen ist auch, dass die Enzymstabilität schon mit weiterem erhöhen der Temperatur leicht abnimmt. Bei der Abbildung C lässt sich die RGT-Regel anwenden. Sie besagt, dass bei einer Erhöhung der Temperatur um 10°C, der biochemische Prozess zwei bis dreimal so schnell abläuft. Diese Temperaturspanne reicht dabei von 1°C bis ca. 37°C, der Prozess läuft bis zu dieser Temperatur schneller und beschleunigter ab. Bei ca. 37°C ist dann das sog. ,,Optimum" erreicht. Danach findet eine Denaturierung statt und es kann keine Reaktion mehr stattfinden. 10 Reaktion ohne Enzym B) Hier hängt die Enzymaktivität vom pH- Wert ab. Dabei gibt es Enzyme, wie Pepsin, welche bei saurem pH-Wert aktiv sind, aber auch Enzyme, wie a-Amylase, welche bei einem basisch-alkalischen pH-Wert aktiv sind. Jedoch ist die Enzymaktivität nur bis zur Erreichung eines bestimmten maximalen pH- Wertes möglich, danach erfolgt Abnahme. Substratkonzentration (S) 20 Geschwindigkeit der chemischen Reaktion Stabilität des Enzymmoleküls Enyzmaktivität 30 Temperatur (°C) 40 50 2. Enzymhemmung Aufgabe: Unterscheiden Sie irreversible Hemmung von reversibler Hemmung Reversible Hemmung Möglichkeit, den Vorgang rückgängig zu machen (Inhibitor wird abgespalten/verdrängt) -> bindet nicht fest an Enzym >reversible Hemmung kann kompetetiv und nicht kompetetiv sein > Inhibitor bindet sich reversibel an ein Enzym und senkt dadurch dessen Aktivität/Reaktions- geschwindigkeit -> wird zur Regulation verschiedener SEW- Prozesse genutzt, die zeitweise nicht ablaufen sollen Bsp: Nutzung von Glykolyse zur Energie- gewinnung aus Glucose -> ATP hemmt als Inhibitor Irreversible Hemmung > kann nicht rückgängig gemacht werden -> Enzym ist für Organismus verloren und muss neu produziert werden > Inhibitor ist so fest an Enzym gebunden, dass er durch andere Stoffe nicht mehr verdrängt werden kann. -> chemische Bindung ist so stark, dass die Metall-lonen nicht von Substratmolekülen verdrängt werden können -> aktive Zentrum wird blockiert => Enzyme verlieren dauerhaft ihre Substrat- und Wirkungsspezifität Bsp: Vergiftung durch Nervengase oder Schwermetalle wie Blei/Quecksilber Inhibitor = Hemmstoff; irreversibel = dauerhaft Aufgabe: Erklären Sie kompetetive Hemmung und allosterische Hemmung 1) Kompetetive Hemmung = Hemmung die aufgrund der Ähnlichkeit des Substrates mit dem Inhibitor entsteht, da es zu einer ,,Konkurrenzreaktion" zwischen dem Substrat und dem kompetetiven Hemmstoff um die Bindung am aktiven Zentrum kommt (Blockade des Substrates) ➜bindet der Inhibitor am aktiven Zentrum blockiert er es für das Substrat ➡ dieses kann nun nicht mehr nach Schlüssel-Schloss-Prinzip binden betroffene Enzym kann keine Substrate mehr umsetzen ➡ Reaktionsgeschwindigkeit der Enzymreaktion nimmt ab ➜Hemmung = reversibel ➜ durch eine Erhöhung der Substratkonzentration kann der Hemmstoff nach und nach aus dem aktiven Zentrum verdrängt werden maximale Geschwindigkeit kann trotz Inhibitor erreicht werden → Endprodukt wird nicht mehr von den Enzymmolekülen freigesetzt gibt bereits hohe Konzentration des Endproduktes in Umgebung Enzem (1) (2) allosterisches Zentrum aktives Zentrum Enzymhemmung und Regulation F richie 2) Allosterische Hemmung = Hemmung bei der allosterische Hemmstoff dem Substrat nicht ähnelt und auch nicht im aktiven Zentrum bindet (wie bei nichtkompetetiver Hemmung) ➜allosterische Hemmstoff bindet im extra dafür vorgesehenen allosterischen Zentrum des Enzyms (reversibel, also nicht dauerhaft) ➜aktive Zentrum wird verformt und Enzym kann kein weiteres Substrat umsetzen ➜besondere Form = Endprodukthemmung (Rückkoppelungshemmung) ➜ Organismus kann so z.B seine SEW-Prozesse selbst regeln und Überproduktion verhindern w Hemmstoff verformtes aktives Zentrum Enzym substrat konkurrenz uw aktives Sentrum kompetitive Enzymhemmung wwwpetitives Hewwist of 3. Enzymregulation Aufgabe: Erklären Sie die Feedback-Hemmung anhand der Grafik Enzym 1 Enzyms Ausgangssubstrat Zwischenprodukt A Schrittmacherenzym Zwischenprodukt B Endprodukt Feedback-Hemmung (Endprodukthemmung) = negative Rückkoppelung, bei der ein von einem Enzym gebildetes Produkt oder Folgeprodukt sich rückwirkend hemmend auf die Aktivität der Enzyme dieser Kette auswirkt -> die eigene Herstellung wird gehemmt um z.B Überproduktion zu vermeiden -> besonders wichtig für Regulation mehrstufiger Reaktionswege (Beteiligung von mehreren Enzymen) -> negative Rückkoppelung liegt vor wenn Endprodukt auf Enzym welches sich am Anfang befindet inhibitorisch einwirkt -> bei ausreichender Menge an Substraten steigt die Produktbildung -> kann Anstieg der Enzymaktivität entgegenwirken Im ersten Schritt bindet sich das Ausgangssubstrat an das aktive Zentrum eines Enzyms und wird umgewandelt zum Zwischenprodukt A. Dieses Produkt dient als Ausgangsstoff (Ausgangssubstrat) für die 2. Reaktion und wird durch ein weiteres Enzym zum Zwischenprodukt B. Dieses wiederum ist das Ausgangssubstrat für die 3. Reaktion, bindet sich an das aktive Zentrum eines anderen Enzyms und wird zum Endprodukt umgewandelt. Das Endprodukt hat dabei eine solche Struktur, dass es sich an das allosterische Zentrum des 1. Enzyms binden kann und somit die chemische Struktur des aktiven Zentrums verändern kann. Dadurch wird verhindert, dass ein neues Substrat an das Enzym bindet und eine Endprodukt-Hemmung ist entstanden. Diese findet vor allem bei negativen Rückkoppelungen oder negativen Feedbacks statt und ist somit eine allosterische Hemmung, da der Inhibitor, also das Endprodukt, dem Ausgangssubstrat nicht ähnelt. Das Enzym 1 ist daher auch das Schrittmacherenzym, da von ihm aus zu Beginn eines Stoffwechselprozesses ein Substrat in ein Produkt umgewandelt wird. Sobald aber dieses Enzym vom Endprodukt gehemmt wird, können die nachfolgenden Schritte nicht mehr stattfinden und die Produktbildung stoppt, denn das Substrat kann sich ja nicht mehr an das Enzym binden. Es ist also vom Schrittmacherenzym abhängig, ob nachfolgende Reaktionen ermöglicht werden können oder dieses in seiner Aktivität gehemmt wird. Denn davon abhängig ist nicht nur die Ausgangsreaktion, sondern die gesamte Reaktionskette. Aufgabe: Bestimme Vorteile derartig regulierter Stoffwechselreaktionen In erster Linie geht es dadrum, Energie zu sparen und gewonnene Energie effizienter einzusetzen. Vor allem ist das wichtig für Stoff- und Energiewechselprozesse, die nicht durchgängig ablaufen müssen. Um dabei Energie zu sparen entstehen reversible He um den jeweiligen SEW- Prozess für einen bestimmten Zeitraum ,,lahm zu legen". Des Weiteren hilft es einem Organismus sich selbst zu regeln und Überproduktionen zu verhindern. Im Vordergrund steht die Aufrechterhaltung eines Gleichgewichts von Substrat und Produkt, wie der Name ,,Enzymregulation" auch schon mit sich bringt. Zudem hilft es Organismen sich auch in anderer Umgebung anpassen zu können und deren Überleben zu sichern. (Bsp: Bakterium in Lösung mit Lactose (Substrat))