ENZYME – Struktur und allgemeine Eigenschaften
Enzyme sind Träger vieler Stoffwechselreaktionen im Körper. Stoffwechselreaktionen im menschlichen Körper wären ohne die Anwesenheit von Enzymen nicht möglich. Substrate sind Verbindungen, die durch die Wirkung von Enzymen chemisch modifiziert werden. Das erste im kristallinen Zustand isolierte Enzym war Urease (Sommer).
Enzyme enthalten ein aktives Zentrum, das Teil ihrer Kette ist und speziell gefaltet ist. Durch Denaturierung des Enzyms verlieren sie ihre Funktion, obwohl die Aminosäuresequenz gleich bleibt. Viele Enzyme bestehen aus einem Proteinteil und einem Nichtproteinteil (prothetisch). Apoenzyme binden eine solche Gruppe reversibel, und die prothetische Gruppe wird als Coenzym bezeichnet.
Enzyme sind stereospezifisch. Sie reagieren mit nur einem Stereoisomer des Substrats.
Die Eigenschaften von Enzymen können in 4 Regeln unterteilt werden:
- Sie binden das Substrat reversibel.
- Sie ändern die Richtung der chemischen Reaktion nicht, sondern beschleunigen sie in beide Richtungen.
- Chemisch unverändert (physikalisch verändert) kommt aus der Reaktion.
- Die enzymatische Katalyse kann reguliert werden.
Aktivierungsenergie
Reaktionsschritte mit Enzymen:
Die Kopplung von Enzym und Substrat an Enzym-Substrat (ES) ist eine exergonische Reaktion.
Das Wirkgesetz von Peter gilt für jeden Schritt. Reaktionen im Körper sind meistens Androgene, und in Gegenwart von Enzymen werden sie um einen Faktor von 〖10〗 ^ 8- 〖10〗 ^ 10 beschleunigt.
Die Zwischenreaktionen, durch die der Gesamtprozess abläuft, sind nicht im Gleichgewicht, da immer ein Produkt verbraucht wird. Die zweite Reaktion muss exergonisch sein, damit G = 0 insgesamt gültig ist.
Enzymstruktur
Enzyme sind hauptsächlich globuläre Proteine, molekulare Peter von 1000 – 10000. Sie können sich zu Multienzymkomplexen verbinden, die zu wichtigen Regulationsstellen werden. Der mehrfach gefaltete Teil der Kette bildet ein Skelett zur Stabilisierung des aktiven Zentrums. Zu diesem Zeitpunkt bindet das Substrat an die Freisetzung von Energie.
Das Zentrum befindet sich in einer Rille, in der Seitenketten von Aminosäuren und manchmal kovalent gebundenen Substraten mit dem Substrat reagieren können. Diese Struktur ist nicht starr, sondern dynamisch und erzielt reversible Konformationsänderungen. Bei der Bindungsreaktion ist auch die räumliche Anordnung der Teilnehmer wichtig, und es kommt zu einer induzierten Konformationsänderung des Substrats und der Enzyme.
Enzyme sind meist in kristalliner Form isoliert und ihre Struktur wird durch Röntgenbeugung bestimmt.
Das aktive Zentrum erzeugt mehrere Teile der Polypeptidkette. Das Substrat tritt in die Rille ein und ist reaktiven Gruppen von Polypeptidseitenketten ausgesetzt. Es kann durch Ionenbindung, Metall (Magnesiumion), hydrophob oder Wasserstoff gebunden sein. Es gibt auch eine Konformationsänderung auf dem Substrat und dem Enzym, die als induzierte Anpassung bezeichnet wird.
Während der Bindungsreaktion wird das Substrat aus der wässrigen Umgebung entfernt und tritt in eine neue ein, in der eine andere Gleichgewichtskonstante, die sogenannte innere Gleichgewichtskonstante, vorliegt. Das Substrat wird von verschiedenen funktionellen Gruppen in der Rille beaufschlagt, die als Akzeptoren oder Protonendonoren wirken. Es tritt eine sterische und elektronische Verformung des Substrats auf.
Diese oben genannten Prozesse erzeugen einen Übergangszustand, in dem neben der Energiefreisetzung auch das Produkt freigesetzt wird.
Ping-Pong-Mechanismus
Der Ping-Pong-Mechanismus basiert auf der Tatsache, dass mehrere Substrate in einer bestimmten Reihenfolge binden. In diesem Prozess gehen funktionelle Gruppen von einem Substrat zu einem anderen über. Das zweite Substrat bindet erst nach Dissoziation des ersten an das aktive Zentrum. Ein Beispiel für diesen Mechanismus sind Aminotransferasen für einen Aminogruppentransfer, bei dem eine Schiffsche Base gebildet wird.
Im Aktivierungszentrum einige Seitenketten sind dazu bestimmt zu interagieren:
Histidin
Histidin enthält einen Imidazolylrest, der Elektronen aufnehmen und in das Imidazoliumion übergehen kann und einen Ring mit zwei äquivalenten Stickstoffatomen bildet (pKa = 6 – 7). Histidin kann in einer neutralen Umgebung ein Protonenakzeptor oder -donor sein und ist ein wirksamer Katalysator bei Säure-Base-Reaktionen.
Carboxylation Glutamin und Asparaginsäure können Protonenakzeptoren sein.
Arginin
Arginin hat eine stark basische Guanidinogruppe, die negativ geladene Gruppen binden und somit an der Substratbindung teilnehmen kann.
Lysin
Lysin kann zur Substratbindung beitragen, und die reaktive NH2-Gruppe kann mit Carbonylverbindungen Schiff-Basen bilden.
Cystein
Cystein enthält -SH-Gruppe, die schwach sauer ist und ein wirksames Nucleophil ist. Diese Gruppe reagiert mit Iodacetamid und N-Ethylmaleinimid, und die -SH-Gruppe ist blockiert, dh es tritt eine Enzymvergiftung auf. Schwermetallionen (Hg, Cu () und organische Quecksilberverbindungen führen ebenfalls zu einer Enzymvergiftung. Die SH-Gruppe spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung kovalenter Zwischenprodukte wie z. B. Thioester, die energiereiche Verbindungen sind.
Serine
Serine enthält eine OH-Gruppe, die an der kovalenten Katalyse teilnehmen kann. In einer Serinprotease bindet die Hydroxylgruppe an den Rest der Peptidkette. Diese Gruppe kann auch Wasserstoffbrückenbindungen bilden und somit an der Bindung des Substrats beteiligt sein.
Tyrosin
Tyrosin enthält eine phenolische Gruppe, die in dissoziierter Form ein Nucleophil sein kann, während sie im protonierten Zustand an hydrophoben Wechselwirkungen mit aromatischen Substraten beteiligt ist.
Das Affinitätsmarkierungsverfahren synthetisiert ein Substrat, das an das aktive Zentrum bindet. Durch Spalten des Enzyms mit einer Protease und Untersuchen der resultierenden Peptide kann bestimmt werden, welche Aminosäuren vom aktiven Zentrum an der Substratbindung und anderen Reaktionen beteiligt sind.
Gruppen, die reversibel protoniert werden können, befinden sich auch auf den Oberflächen von Enzymproteinen. Ihr Dissoziationsgrad hängt vom pH-Wert ab, und daher ändern sich die Konformation des Proteins und seine katalytische Wirkung in Abhängigkeit vom pH-Wert.
Die Menge an pH, bei der die katalytische Wirkung am besten ist, wird genannt pH-Optimum .
Mit steigender Temperatur steigt auch die Enzymaktivität, bis die Denaturierung beginnt.
Bei der enzymatischen Katalyse wird aufgrund der Spezifität des katalytischen Zentrums immer nur eine Reaktion katalysiert. Aufgrund der Größe, Konformation und Verteilung der Ladung gibt es eine Spezifität gegenüber dem Substrat, die unterschiedlich ausgedrückt werden kann. Die Spezifität für Stereoisomere ist besonders ausgeprägt und gilt sowohl für chirale als auch für nicht-chirale Substrate.
Manchmal reagieren mehrere Substanzen mit einem einzigen Enzym, daher sprechen wir über Gruppenspezifität (Glycosidasen).
Isoenzyme
Isoenzyme katalysieren die gleiche Reaktion, unterscheiden sich jedoch in der Struktur, die genetisch bestimmt werden kann. Es gibt entweder wirklich verschiedene Gene oder Oligomere, die aus verschiedenen Untereinheiten bestehen. Ein Isoenzym ist Aldolase oder Lactatdehydrogenase, die 5 verschiedene Tetramere aufweist, und die Expression einzelner Untereinheiten hängt vom Organ ab. Sie können sich hinsichtlich der Spezifität für ein Substrat oder der Empfindlichkeit gegenüber regulatorischen Faktoren voneinander unterscheiden.
Multienzymkomplexe
Multienzymkomplexe sind Aggregate mehrerer Enzyme, die eine Reihe verwandter Reaktionen katalysieren (Pyruvat- oder oligomere Supra-Strukturen bestehen zum Teil aus enzymatischen Proteinen, die durch Genfusion gebildet werden. Ihr Wirkprinzip besteht darin, dass das Zwischenprodukt der enzymatischen Reaktion innerhalb des Komplexes von einem Enzym auf ein anderes übertragen wird (siehe oben).
