Enzymregulation und Enzymkinetik Antonin | 11.12.17

Was tun kompetitive Enzyminhibitoren?

kompetitive Enzyminhibitoren binden statt des Substrates im aktiven Zentrum, der KM-Wert steigt

Beeinflussen nichtkompetitive Enzyminhibitorenden KM-Wert ?

nichtkompetitive Enzyminhibitoren beeinflussen nicht den KMWert, sondern senken Vmax

Wozu dienen enzymimmunologische Analyseverfahren?

Nachweis von (Bio)molekülen in sehr geringen Mengen (z.B.Hormone)

Was passiert mit Nukleinsäuren ?

Analyse und Modifikation von Nukleinsäuren

Wozu dienen Enzyme in Pharmakan?

Enzyme als Zielstrukturen von Pharmaka: Enzyminhibitoren, aber auch als -aktivatoren (NO-Pharmaka wie Nitrovasodilatoren, Gewebeplasminogenaktivatoren zur Einleitung der enzymatischen Thrombolyse)

Wie werden Enzyme oft reguliert ?

Enzyme werden oft allosterisch reguliert

Worüber werden Enzyme gesteuert ?

Enzyme werden oft über kovalente Modifikationen wie Phosphorylierungen gesteuert

Welche Effektoren sind identisch mit dem Substrat?

Homotrope Effektoren sind identisch mit dem Substrat, hetereotrope Effektoren nicht

Reaktionskinetik

In einer Reaktion, in der ein Substrat in ein Produkt umgesetzt wird, S→P ist die *Reaktionsgeschwindigkeit* *V* als Maß für den Verbrauch von S pro Zeiteinheit oder die Bildung von P pro Zeiteinheit: 𝑉=−𝑑[𝑆]/𝑑𝑡 = 𝑑[𝑃]/𝑑𝑡 Die Geschwindigkeit ist abhängig von der Konzentration des Substrats. Das lässt sich durch die Geschwindigkeitsgleichung beschreiben: 𝑉=𝑘[𝑆] *k* wird als *Geschwindigkeitskonstante* bezeichnet und hat die Einheit [1/s] S P

Was findet man über die Enzymdiagnostik und welche Enzyme spielen eine Rolle ?

Kreatinkinase bei Myokardinfarkt, Lactatdehydrogenase als Indikator für beschädigte Zellen

In welchem Medium führt man die Metabolitbestimmung durch ?

Metabolitbestimmung in Blut und Harn (Glucose mit GlucoseOxidase, Cholesterin mit Cholersterin-Oxidase)

Was tun reversible Inhibitoren ?

Reversible Inhibitoren gehen keine kovalente Bindung ein

Reaktionskinetik II

Werden zwei Substrate zu einem Produkt umgesetzt, also: S₁ + S₂→ P ist 𝑉=𝑘𝑆1[𝑆2] Hier hat die Geschwindigkeitskonstante die Einheit [M⁻¹s⁻¹]

Was tun irreversible Inhibitoren ?

irreversible Inhibitoren binden kovalent das Enzym.

Allosterische Regulation von Enzymen *homotrope* *Effektoren*

sind mit dem Substrat identisch und beeinflussen die enzymatische Aktivität oder die Bindungsaffinität: Sauerstoffbindung am Hämoglobin, Aspartat-Transcarbamoylase

Allosterische Regulation von Enzymen *heterotrope* *Effektoren*

sind mit dem Substrat nicht identisch: Regulation der Sauerstoffbindung von Hämoglobin durch 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG), Aspartat-Transcarbamoylase durch CTP und ATP

Kenngrößen von Enzymen

wichtige Kenngrößen von Enzymen sind die Michaeliskonstante KM und die katalytische Konstante kcat, auch Wechselzahl genannt. KM ist ein Maß für die Substrataffinität des Enzyms, kcat gibt an, wie viele Substratmoleküle ein Enzymmolekül pro Sekunde umsetzt

Allosterische Regulation von Hämoglobin

• die Sauerstoffbeladung bewirkt eine Strukturveränderung innerhalb des Hämoglobins • Hämoglobin bindet Sauerstoff kooperativ

Allosterische Regulation von Hämoglobin II

• die Sauerstoffbeladung bewirkt eine Strukturveränderung innerhalb des Hämoglobins • Hämoglobin bindet Sauerstoff kooperativ

Reversible Phosphorylierung reguliert die Protein- und Enzymaktivität

• reversible kovalente Modifikationen können Enzymaktivitäten regulieren. Die am besten untersuchten sind Phosphorylierungen • Phosphatasen, phosphatabspaltende Enzyme, sind die Gegenspieler (Bild: Regulation der Glykogenphosphorylase durch reversible Phosphorylierung und allosterische Effektoren )

Kovalente Inhibitoren hemmen irreversibel III

•Diisopropylphosphate inhibieren irreversibel die Acetlycholinesterase •Insektizide wie Parathion aber auch die Nervengifte Sarin und Tabun sind Derivate

Enzyminhibitoren

•Enzyminhibitoren kommen in der Natur vor (Zellgifte) oder als Medikamente

Michaelis-Konstante KM und Wechselzahl sind wichtige Kenngrößen VIII

•KM ist ein Maß für die Affinität des Enzymes zum Substrat •kcat definiert wie oft ein Enzymmolekül die Reaktion pro Sekunde durchführt •kcat /KM ist die katalytische Effizienz

Kompetitive Inhibitoren verdrängen das Substrat II

•Kompetitive Inhibitoren erhöhen den KM, verändern aber nicht Vmax •Nichtkompetitive Inhibitoren behindern nicht die Substratbindung, aber verringern Vmax

Kompetitive Inhibitoren verdrängen das Substrat

•Kompetitive Inhibitoren verhindern die Substratbindung, sie binden im aktiven Zentrum mit höherer Affinität. Oft sind es Substratanaloga

Isoenzyme

•als *Isoenzyme* bezeichnet man *verschiedene* *Formen* eines Enzyms, die sich strukturell geringfügig unterscheiden, aber die *gleiche* *biochemische* *Reaktion* katalysieren •die Glucokinase ist ein Isoenzym der Hexokinase in der Leber (Hexokinase IV) mit einem 50-fach höherem KM-Wert (5 mM vs. 100 μM) (niedrigere Affinität für Glucose-höherer Glucose Werte) •die Lactat-Dehydrogenase ist ein tetrameres Enzym mit zwei verschiedenen Untereinheiten: M und H. Es gibt deswegen fünf Isoformen (HHHH, HHHM, HHMM, HMMM und MMMM). Da die M-Untereinheit vor allem im Herzmuskel, die L-Untereinheit vor allem in der Leber exprimiert wird, kann man daraus den Gewebeursprung der LDH im Blut ablesen

Enzymhemmung durch Oxidation

•bei vielen Enzymen sind Thiolgruppen von Cysteinseitenketten an der Katalyse beteiligt. Oxidation inhibiert diese Enzyme •verschiedene Schutzsysteme der Zelle, an denen das Tripeptid Glutathion, Ascorbinsäure und Vitamin E beteiligt sind, verhindern die Oxidation oder reduzieren oxidierte Seitenketten

Enzyme

•die Aktivität vieler Enzyme ist auf verschiedenen Ebenen reguliert: Transkription und Translation Abbaurate Posttranslationale Modifikationen

Messung der Enzymkinetik

•die Messung von Enzymkinetiken gehört zur klinischen Routinediagnostik: Lactat-Dehydrogenase (LDH) Aktivität im Serum ist ein Indikator für beschädigte Zellen •die Messung von Enzymkinetiken hilft die Mechanismen der Enzyme zu verstehen •Enzyme haben ein pH- und Temperaturoptimum

Der IC₅₀-Wert

•die Stärke eines Inhibitor wird über die Hemmkonstante KI definiert. Das ist die Dissoziationskonstante des Enzym-Inhibitor-Komplexes 𝐾𝐼=𝐸[𝐼]/[𝐸𝐼] •gängiger ist der IC₅₀-Wert, die mittlere inhibitorische Konzen-tration, d.h. die Konzentration, bei der die halbmaximale Inhibition erreicht wird •potente Inhibitoren haben einen IC₅₀ im nano- oder sogar picomolaren Bereich

Kovalente Inhibitoren hemmen irreversibel II

•ein erblicher Defekt im Gen für α₁-Proteaseinibititor (α₁-Antitrypsin) verursacht fortschreitende Gewebszerstörung, vor allem in Leber und Lunge (Lungenemphysem) •oxidative Bestandteilteile im Zigarettenrauch modifizieren und inaktivieren α₁-Proteaseinhibitor: akquiriertes Lungenemphysem

Kovalente Inhibitoren hemmen irreversibel

•manche Inhibitoren gehen mit dem Enzym eine Reaktion ein, sie modifizieren es *irreversibel*, ein suizidaler Hemmmechanismus •*kovalente* *Inhibitoren* dissoziieren nicht mehr ab, sie können auch nicht durch hohe Substratkonzentrationen verdrängt werden

Kovalente Inhibitoren hemmen irreversibel IV

•manche Inhibitoren gehen mit dem Enzym eine Reaktion ein, sie modifizieren es *irreversibel*, ein suizidaler Hemmmechanismus •*kovalente* *Inhibitoren* dissoziieren nicht mehr ab, sie können auch nicht durch hohe Substratkonzentrationen verdrängt werden •kovalent/irreversibel inhibierte Enzyme müssen durch Neusynthese ersetzt werden

Allosterische Regulation von Enzymen

•manche Proteine und Enzyme besitzen mehrere räumlich getrennte Liganden-bindungsstellen (für verschiedene oder identische Liganden), die miteinander kommunizieren können: *Allosterischer* *Effekt*

Die Michaelis-Menten-Gleichung beschreibt einfache Enzymkinetiken

•misst man bei enzymatischen Reaktionen die Anfangsgeschwindigkeit (V0) bei verschiedenen Substratkonzentrationen, erhält man in der Regel den hyperbolischen Kurvenverlauf einer Sättigungskurve