Enzyme

Definition

• Enzyme sind biologische Katalysatoren, die es der lebenden Zelle ermöglichen viele Reaktionen, die sonst nicht zu den in der Zelle herrschenden Bedingungen ablaufen könnten, durchzuführen.

Aufbau

• Enzyme bestehen aus Proteinen, diese werden innerhalb der Enzyme beginnend vom N-Terminus durchgezählt.
• Ihre biologische Aktivität hängt jedoch oft auch von bestimmten Komplex gebundenen einzelnen Atomen ab, z.B. Mangan.

Katalytische Aktivität

• Enzyme sind äußerst effektive Katalysatoren. Sie beschleunigen die Gleichgewichtseinstellung um ca. Faktor 10⁶.
• Das enorme katalytische Potential beruht wahrscheinlich vor allem auf der Stabilisierung der energetisch ungünstigen Zwischenprodukte.
• Die Bindung des Substrats findet findet am sogenannten aktiven Zentrum statt, dabei sind ausschließlich nicht kovalente Bindungen beteiligt.
• Das Substrat bindet am aktiven Zentrum nach dem Prinzip des "induced fit". Das ältere Modell des Schlüssel-Schloss-Prinzips scheint weitgehend überholt, da das Protein sich wohl erst nach einem ersten Andocken des Substrats am aktiven Zentrum endgültig an das Substrat anpasst.
• Das aktive Zentrum ergibt sich weniger direkt aus der Aminosäuresequenz, als vielmehr aus der sich daraus ergebenden Raumstruktur.
• Der Ablauf der Reaktion lässt sich grob einteilen in folgende Stufen:

Enzym + Substrat ----> Enzym-Substrat-Komplex ----> Enzym-Intermediat-Komplex ----> Enzym + Produkt

Enzymhemmung

• Kompetitive Hemmung
  • Die kompetitive Hemmung eines Enzyms bewirkt keine Veränderung von v_max, verringert jedoch K_M
  • Moleküle die über einen kompetitiven Mechanismus ein Enzym hemmen weisen eine strukturelle Ähnlichkeit mit dem normalen Substrat auf und konkurrieren mit diesem um das aktive Zentrum des Enzyms.
  • Die Bindungen des Hemmstoffs und des normalen Substrats sind meist gleichwertig, es werden keine irreversiblen Bindungen geschlossen.
  • Beispiele sind die Sulfonamide oder CSE-Hemmer.
  • Eine kovalente Inhibierung des aktiven Zentrums ist jedoch ebenfalls möglich. In diesem Fall ist die Bindung des Hemmstoffs an das aktive Zentrum irreversibel.
  • Beispiele hierfür sind Acetylsalicylsäure oder die Penicilline.
  • Enzyme die über kovalente Bindungen am aktiven Zentrum irreversibel gehemmt werden besitzen dort meist Serin-Reste, über die die kovalenten Bindungen zustande kommen.
• Nicht kompetitive Hemmung
  • Bei der nicht kompetitiven Hemmung ergibt sich eine Verringerung von v_max, K_M bleibt jedoch unverändert.
  • Der Angriff des Hemmstoffs erfolgt nicht direkt am aktiven Zentrum, sondern an einer anderen Stelle des Enzyms. Dieser Angriff führt zu einer Konformationsänderung des gesamten Enzyms und damit auch des aktiven Zentrums, das so das eigentliche Substrat nicht mehr aufnehmen kann.
  • Ein Beispiel für eine solche nicht kompetitive Hemmung stellen z.B. Intoxikationen mit Schwermetallen dar.

Allosterische Enzyme

• Allosterische Enzyme werden auch als regulatorische Enzyme bezeichnet.
• Sie bestehen immer aus mehreren Untereinheiten, wobei jede der Untereinheiten ein eigenes aktives Zentrum aufweist.
• Meist sind 4 bis 8 Untereinheiten zu einem Enzym verbunden.
• Die Untereinheiten können meist mehr als zwei unterschiedliche Raumstrukturen einnehmen.
• Als sogenannten "kooperativen Effekt" bezeichnet man das Phänomen, dass nachdem ein Substratmolekül an ein aktives Zentrum gekuppelt hat, sich die Raumstruktur des gesamten Enzyms verändert.
• Trägt man die Reaktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Substratkonzentration in ein Koordinatensystem ein, so ergibt sich ein sigmoider Kurvenverlauf.

BILD

• Dabei ist zu bemerken, dass in der Zelle nur Substratkonzentrationen bis in den Beginn der exponentiellen Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit auftreten.
• Regulatorische Enzyme spielen eine Schlüsselrolle bei der Regulation vieler biochemischer Prozesse in der Zelle.
• Spezielle Effektoren binden dabei an besondere regulatorische Zentren des Enzyms. Auch hierbei treten kooperative Effekte auf.
• Meist handelt es sich bei diesen Effektoren um Inhibitoren, aber auch Aktivatoren sind möglich.

Inhibitoren

• Inhibitoren vermögen regulatorische Enzyme so in ihrer Struktur zu verändern, dass ihre Affinität zum Substrat deutlich herabgesetzt bzw. völlig unterbunden ist. 
• Dazu binden die Inhibitoren an die regulatorischen Zentren der allosterischen Enzyme.
• Aufgrund kooperativer Effekte reicht bereits das Binden eines Inhibitors an eine Untereinheit des Enzyms aus, um alle Untereinheiten zu beeinflussen.

Endprodukthemmung

• In biochemischen Prozessen ist der Inhibitor oft mit dem Endprodukt des Syntheseweges identisch. Dies wird als Rückwärtshemmung, Endprodukthemmung, Feedback-Hemmung oder negative Rückkopplung bezeichnet.

BILD

• Durch die Endprodukthemmung werden im Körper viele Stoffwechselwege bedarfsgerecht gesteuert. Ist ein Stoffwechselprodukt in ausreichender Konzentration in der Zelle vorhanden, so hemmt es seine weitere Synthese. Fehlt es jedoch, so wird der Syntheseweg nicht gehemmt und neues Produkt kann hergestellt werden.
• In biochemischen Synthesewegen ist oftmals nur das erste Enzym des Weges ein allosterisches Enzym, die weiteren sind meist Michaelis-Menten-Enzyme, da hier kein regulatorisches Potential mehr benötigt wird.

Enzymreinigung

• Sollen große Mengen an Enzymen hergestellt werden, so können die sie codierenden Gene in Bakterien eingeschleust werden. Diese produzieren nun das für sie eigentlich unnötige Enzym.
• Die so hergestellten Enzyme müssen aufgereinigt werden. Dazu dienen verschiedene Verfahren wie:
  • Gelchromatographie
  • Ionenaustauschchromatographie
  • Hydrophobe Interaktionschromatographie
    • Vor dem Einsatz dieses Trennverfahrens müssen die Proteine so manipuliert werden, dass sie hydrophobe Eigenschaften aufweisen. Dazu werden sie mit 1 molarer Ammoniumsulfat-Lösung versetzt, wobei die polaren Gruppen dehydratisiert werden.

• Siehe auch:
  • Isoenzyme