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Katalytisches (aktives) Zentrum (Schlüssel – Schloß – Modell)
Substrat
Enzym
Aktives Zentrum
Enzym-Substrat Komplex
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Enzyme stabilisieren den Übergangszustand der Reaktion
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Substratbindung mit „Induced Fit“
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Geschwindigkeit einer Enzym-katalysierten Reaktion als Funktion der Substratkonzentration
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Enzymkinetik
• k-2 kann zu Beginn der Reaktion ignoriert werden, da [P] noch sehr niedrig ist.
• Bestimmung der Anfangs-geschwindigkeit v0
k-1
k1 E + S ES P + E
k-2
k2
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Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Substratkonzentration
V0 = Vmax [ S ]
[ S ] + KM
Michaelis – Menten Gleichung (KM Michaelis Konstante)
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Erste Untersuchungen: Adrian Brown 1902 β-Fructofuranosidase
Saccharose + H2O Glucose + Fructose
Grundlagen
k-1
k1 k2 E + S ES P + E
v = d[P] dt
= k2 [ES]
d[ES] dt
= k1 [E][S] – k-1[ES] – k2[ES]
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k-1 ›› k2
k-1
k1 k2 E + S ES P + E
Ks = k-1
k1 =
[E][S] [ES]
1. Annahme eines Gleichgewichts L. Michaelis u. M. Menten, 1913
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Verlauf einer Enzym-katalysierten Reaktion (Fließgleichgewicht)
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2. Annahme eines Fließgleichgewichts G.E. Briggs u. B.S. Haldane, 1925
d[ES] dt
= 0
[E]T = [E] + [ES]
d[ES] dt
= k1 [E][S] – k-1[ES] – k2[ES]
k1 [E][S] = k-1[ES] + k2[ES]
( [E]T - [ES] ) [S] [ES]
= k-1 + k2
k1 = KM
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( [E]T - [ES] ) [S] [ES]
= k-1 + k2
k1 = KM
KM [ES] = ( [E]T - [ES] ) [S]
[E]T [S] KM + [S]
[ES] =
v0 = ( d[P] dt )t=0 = k2 [ES] = k2
[E]T [S] KM + [S]
vmax = k2 [E]T v0 = vmax [S] KM + [S]
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Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Substratkonzentration
V0 = Vmax [ S ]
[ S ] + KM
Michaelis – Menten Gleichung (KM Michaelis Konstante)
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Doppelt-reziproke Darstellung der Michaelis Menten Gleichung
Michaelis – Menten Gleichung
Lineweaver - Burk Diagramm
V0 = Vmax [ S ]
[ S ] + KM
1 V0 Vmax
= KM
[ S ] 1
Vmax + . 1
1/v0
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Bedeutung der KM- und vmax-Werte
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kkat = vmax [E]T
Katalytische Konstante kkat
(Wechselzahl oder
„Turnover Number“)
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kkat/KM („katalytische Wirksamkeit“)
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„Perfekte“ Enzyme
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Wie funktionieren Enzyme ?
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Aktive Zentren werden von Aminosäuren gebildet, die in der Primärstruktur oft weit entfernt sind
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Mechanismen der Enzymkatalyse
• Kovalente Katalyse
• Säure-Base Katalyse
• Metall-Ionen Katalyse
• Katalyse durch Orientierungseffekte
• Katalyse durch Stabilisierung des Übergangszustandes
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Kovalente Katalyse
Bildung einer kovalenten Bindung zwischen Enzym und Substrat durch nukleophile Substitution
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Kovalente Katalyse
Beispiel: Protease Chymotrypsin
Katalytische Triade:
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Stabilisierung des tetraedrischen Zwischenprodukts durch die
„Oxyaniontasche“
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Katalytische Triade von Proteasen
Carboxypeptidase
Subtilisin
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Cystein Proteasen
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Aspartat Proteasen
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Homodimere Aspartat-Protease: HIV - Protease
Structure based drug design
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Metalloproteasen
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Metall-Ionen Katalyse
Beispiel Carboanhydrase
Kohlen- säure
Hydrogen- carbonat
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Struktur der Carboanhydrase des Menschen
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Das Zn2+ Ion erniedrigt den pKa Wert des gebundenen Wassermoleküls von 15,7 auf 7
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Carboanhydrase von Methanosarcina thermophila
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Enzym - Inhibitoren
• Wie wirkt Penicillin ? • Wie wirkt Aspirin ? • Welche Rolle spielt Methotrexat in der
Chemotherapie ? • Welche Wirkstoffe werden gegen HIV
entwickelt ?
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Hemmung der Enzym-Aktivität
Substrat Kompetitiver
Inhibitor
Irreversibler Inhibitor
Nichtkompetitiver Inhibitor
Substrat
Enzym Enzym
Enzym Enzym
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Enzym - Kinetik
Michaelis – Menten Gleichung
Lineweaver - Burk Diagramm
V0 = Vmax [ S ]
[ S ] + KM
1 V0 Vmax
= KM
[ S ] 1
Vmax + . 1
1/v0
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Kompetitive Enzym-Inhibitoren
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Kompetitive Inhibitoren Dihydrofolat Reduktase und Chemotherapie
- blockiert Thymin- Biosynthese - Bindet 1000x fester an die Dihydrofolat Red.
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Nichtkompetitive Enzym-Inhibitoren