Enzyme und Enzymkinetik 2010 von Dr. rer. nat. Peter Engel

Quiz zum Vortrag

Dozent des Vortrages Enzyme und Enzymkinetik 2010

Dr. rer. nat. Peter Engel

Seit 2011 ist er Ass. Prof. an der DPU in Krems an der Donau und ist dort für die vorklinische Ausbildung der Studenten der Zahnmedizin in den naturwissenschaftlich geprägten Fächern (Biochemie, Chemie, biologie) verantwortlich.
Er ist Mitbegründer (2001) und geschäftsführender Mitgesellschafter der NawiKom GbR (nawikom.de) sowie Mitgesellschafter der PhysiKurs GmbH (physikurs.de). In beiden Unternehmungen ist er hauptverantwortlich für die konzeptionelle Entwicklung und Umsetzung der Lehr- und Lernkonzepte.Im Zentrum steht die mittlerweile über mehr als 25jährige professionelle Lehrtätigkeit in den vorklinischen Fächern Biologie, Chemie und Biochemie sowie den klinischen Fächern Pharmakologie und Immunologie. Hierdurch verfügt er über eine weitreichende interdisziplinäre Kernkompetenz sowie über Erfahrungen bezüglich der Anforderungen des Medizinstudiums, den entsprechenden Prüfungsinhalten und der entsprechenden Umsetzung in Zielgruppen-gerichtete Lehr- und Trainingsveranstaltungen (Semesterabschlussprüfungen, Physikum, beruflich verwendbares fächerübergreifendes vorklinisches Wissen).

Vor Beginn seiner Selbständigkeit war er von 1991-1998 in der Arbeitsgruppe für biochemische Pharmakologie an der Ruhr-Universität Bochum als Laborleiter und Dozent in Forschung und Lehre tätig. Sein Diplom- und Dissertation erfolgten am Max-Planck-Institut für experimentelle Endokrinologie Hannover (Schwerpunkt: Molekulare Wirkungen der Estrogene) ; sein Studium der Biochemie (Abschluss: Dipl.-Biochemiker) absolvierte er an der Medizinischen Hochschule Hannover.

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Auszüge aus dem Begleitmaterial

... Biokatalysatoren 2.1.1 Charakteristische Eigenschaften -Katalysatoren sind Stoffe, welche die Reaktionsgeschwindigkeit von chemischen Reaktionen beschleunigen, selbst aber unverändert aus der Reaktion hervorgehen. ...

... Enzyme als Biokatalysatoren 2.1.2 Charakteristische Eigenschaften -Isoenzyme sind eng verwandte Enzyme mit sehr ähnlichen Eigenschaften -sie katalysieren zwar identische ...

... Redoxreaktionen Lactatdehydrogenase Transferasen Übertragung funktioneller Gruppen Hexokinase Hydrolasen Hydrolytische Spaltung Proteasen, Esterasen Lyasen Nichthydrolytische Spaltung Argininosuccinatlyase ...

... Prüfung: Biochemie I PhysiKurs 6 Enzyme und ...

... Begriffe -Reaktionsgeschwindigkeit (v) und Geschwindigkeitsgleichung ...

... Enzymkinetik 2.4 Kinetik enzymkatalysierter Reaktionen 2.4.1 Wichtige kinetische Begriffe -1. Ordnung -Geschwindigkeitsgleichungen für verschiedene Reaktionsordnungen ...

... alle anderen Ordnungen hängt die Halbwertzeit von der Konzentration ab 1000 t1/2= 5‘ 500 t1/2= 5‘ 250 t1/2= 5‘ 125 Reaktion 1. ...

... Enzymkinetik 2.4 Kinetik enzymkatalysierter Reaktionen 2.4.2 Enzymaktivität -die Quantifizierung eines Enzyms erfolgt meist über dessen katalytische Aktivität ...

... eines Enzyms entspricht der umgesetzten Stoffmenge pro Stoffmenge Enzym und Zeit Sek ...

... 12 Enzyme und Enzymkinetik 2.4 Kinetik enzymkatalysierter Reaktionen 2.4.3 Geschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen ...

... einer hohen Bildungskonstante des ES-Komplexes (kleiner Zerfallskonstante) besitzen eine hohe Affinität Bildungskonstante (MWG) ...

... Enzymkinetik 2.4. Kinetik enzymkatalysierter Reaktionen 2.4.4 Michaelis-Menten-Betrachtung Merke! -die Dissoziationskonstante liegt für viele Enzyme im Bereich des ...

... ein Fließgleichgewicht ein (steady-state), d. h. die Konzentration des ES-Komplexes [ES] bleibt über einen ...

... 2.4.6 Herleitung der Michaelis-Menten-Gleichung -die Michaelis-Menten Gleichung lässt sich mit Hilfe der Geschwindigkeitsgleichungen für die Bildung und den Zerfall des ES-Komplexes im ‘steady state’ ...

... Bei halbmaximaler Geschwindigkeit sind die Hälfte der Enzymmoleküle mit Substrat besetzt. Wechselzahl der Quotient aus kcat und KM ist ein „Gütesiegel“ eines Enzyms, ...

... Kinetik enzymkatalysierter Reaktionen 2.4.8 Zerfall- und Bildungsgeschwindigkeit des ES-Komplexes (1) -im steady-state gilt: Geschwindigkeit der Bildung des ES-Komplexes ...

... Enzyme und Enzymkinetik 2.4 Kinetik enzymkatalysierter Reaktionen 2.4.8 Michaelis-Menten-Gleichung -die Michaelis-Menten-Gleichung drückt die ...

... oft der Dissoziationskonstanten des ES-Komplexes -in den meisten Fällen ist krück > kcat und damit ...

... –die Michaelis-Menten-Konstante entspricht der Substratkonzentration, bei der die Hälfte der Enzymmoleküle mit Substrat besetzt sind –entspricht der Substratkonzentration bei der das Enzym halbmaximal (wenn v = Vmax/2) arbeitet –besitzt die Einheit einer ...

... Reaktionen 2.4.9 Michaelis-Menten-Auftragung Substratkonzentration Geschwindigkeit Vmax 1/2Vmax KM ...

... 2.4 Kinetik enzymkatalysierter Reaktionen 2.4.10 Experimentelle Bestimmung der Michaelis-Menten-Konstanten steigende Substratkonzentration S1 S2 S3 S4 S5 ...

... Anfangsgeschwindigkeiten bei verschiedenen Substratkonzentrationen 2.4 Kinetik enzymkatalysierter ...

... Enzymkinetik 2.4 Kinetik enzymkatalysierter Reaktionen 2.4.11 Lineweaver-Burk-Beziehung -v-S-Diagramm (=Michaelis-Menten-Plot) -Lineweaver-Burk-Diagramm (=Doppelt-Reziproker-Plot) Bildung des Kehrwertes Substratkonzentration ...

... substratanaloge Verbindungen -die inhibierende Wirkung des Inhibitors hängt von der Affinität des Inhibitors und seiner vorliegenden Konzentration ab ...

... Beispiele -Folsäureantagonisten, wie Aminopterin oder Amethopterin, werden in der Tumortherapie eingesetzt. Sie hemmen das Enzym Dihydrofolatreduktase -Purin- und Pyrimidinantagonisten, wie Mercaptopurin und Fluoruracil, hemmen die Synthese der entsprechenden Basen und ...

... Enzymmoleküle eingesetzt werden - analog wird die Kurve flacher, wenn mehr Enzymmoleküle ohne Anwesenheit eines Inhibitors eingesetzt werden ...

... Biochemie I PhysiKurs 30 Enzyme und Enzymkinetik ...

... der Enzymaktivität -langfristig –Induktion –Repression -kurzfristig –Limitierte Proteolyse ...

... PhysiKurs 32 Enzyme und Enzymkinetik 2.6 Regulation der Enzymaktivität ...

... 2.6.2 Interkonversion – kovalente Modifikation ...

... und Enzymkinetik Trypsinogen (inaktiv) Enteropeptidase - N-terminales Hexapeptid Trypsin (aktiv) Chymotrypsin Trypsin Elastase aktiviert die ...

... Repression -Induktion – die Enzymmenge wird durch vermehrte Synthese gesteigert -Repression ...

... 36 Enzyme und Enzymkinetik 2.7 Proteasen 2.7.1 Allgemeine Eigenschaften -Proteasen katalysieren die ...

... der Komplementkaskade - Vertreter der Gerinnungskaskade Aspartylproteasen - Renin - Pepsin - HIV-Protease Cysteinproteasen - Caspasen ...

... Enzyme und Enzymkinetik 2.7 Proteasen 2.7.2 Serin-Proteasen -Serin-Proteasen gehören zusammen mit den Serin- ...

... Zentrum der Serin-Proteasen. Die spezifische Anordnung der katalytischen Triade führt zu ...

... Einstellung des Gleichgewichtszustandes. Wirken in geringen Mengen. Senken die Aktivierungsenergie der Reaktion herab. Fast alle Enzyme sind Proteine, mit Ausnahme einiger katalytisch aktiver RNA-Moleküle, die als Ribozyme bezeichnet werden (Beispiele sind selbst spleißende tRNA-Vorläufer, snRNAs und die Peptidyltransferase der großen ribosomalen Untereinheit). Substratspezifität: Enzyme setzen nur definierte Substrate um. Reaktionsspezifität: Enzyme katalysieren nur einen bestimmten Reaktionstyp. Die Reaktionsspezifität bildet die Basis für die Einteilung in Enzymklassen. Besitzen ein pH- und Temperaturoptimum (Pepsin besitzt ein Optimum im Bereich von pH 1-2, ...

... Daneben können Coenzyme dauerhaft mit dem Protein verbunden sein. In diesem Falle spricht man von prosthetischer Gruppe. Eine prosthetische Gruppe kann kovalent mit der Proteinkette verbunden sein (Bsp. Biotin) oder nicht-kovalent mit dem Protein assoziiert sein (Thiaminpyrophosphat). Die überwiegende Anzahl der Coenzyme leitet sich von Vitaminen ab. Sie werden von daher in Verbindung mit charakteristischen Stoffwechselreaktionen abgehandelt. 2.4 Kinetik enzymkatalysierter Reaktionen. 2.4.1 Wichtige kinetische Begriffe. a) Geschwindigkeitsgleichungen ...

... b) Geschwindigkeitsgleichungen Reaktion 0. Ordnung. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist unabhängig von der Konzentration, d.h. v reagiert nicht auf eine Änderung der Konzentration. Eine Reaktion 0. Ordnung ist typisch für enzymatische Reaktionen im Sättigungszustand (alle Enzyme mit Substrat besetzt). Gleiches gilt auch für Transporter in einer Plasmamembran. ...

... Enzyme besitzen zur Bindung und Umsetzung des Substrates ein aktives Zentrum. Die Bindung des Substrates ist dabei von entscheidender Bedeutung für die Absenkung der Aktivierungsenergie. Die Geschwindigkeit einer enzymkatalysierten Reaktion hängt in erster Linie von der Substrat- und der Enzymkonzentration ab 2.4.4 Michaelis-Menten Betrachtung. Die Gesamtreaktion setzt sich aus zwei Elementarreaktionen zusammen: E + SESE + Pk hin k rück k cat. Die erste Reaktion entspricht der Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes. In der zweiten Reaktion ...

... Hilfe der Geschwindigkeitsgleichungen für die Bildung und den Zerfall des ES-Komplexes im "steady state" herleiten. Eine Auftragung der Substratkonzentration gegen die Geschwindigkeit ergibt eine Sättigungskurve, d.h. die Geschwindigkeit nähert sich mit steigender Substratkonzentration einem Maximalwert der als V max bezeichnet wird (Sättigbarkeit enzymkatalysierter Reaktionen). Bei halbmaximaler Geschwindigkeit (V = ½ V max) erhält man K m = [S]. 2.4.7 Geschwindigkeit und Maximalgeschwindigkeit. Wenn die Substratkonzentration ausreichend hoch ist, ist die Reaktionsgeschwindigkeit ...

... M und Dissoziationskonstante und Affinität. Der Quotient aus k rück und k hin entspricht oft der Dissoziationskonstanten des ES-Komplexes. In den meisten Fällen ist k rück > k cat und damit ein Maß für die Substrataffinität m hin cat rück = Michaelis-Menten-Konstante (KM). Die Michaelis-Menten-Konstante entspricht der Substratkonzentration, bei der die Hälfte der Enzymmoleküle mit Substrat besetzt sind. Sie entspricht der Substratkonzentration bei der das Enzym halbmaximal (wenn v = V max/2 ) arbeitet. Besitzt die Einheit einer Konzentration (z.B. mmol/l), d.h. die ...

... 2.4.10 Michaeliskonstante: Experimentelle Bestimmung. Hinter der Michaelis-Menten-Kurve steckt eine Messreihe, bei der für steigende Substratkonzentrationen die jeweilige Reaktionsgeschwindigkeit bestimmt wird (wichtig: die Enzymkonzentration bleibt hier in allen Fällen konstant). Danach werden die ermittelten v-Werte gegen die ...

... aktive Zentrum bindet, aber durch das Enzym nicht bzw. nur sehr langsam umgesetzt wird. Die Wirkung eines kompetitiven Inhibitors lässt sich durch Erhöhung der Substratkonzentration aufheben (s.u.). Eine kompetitive Hemmung lässt sich z.B. durch eine Auftragung von 1/[S] vs. [1/v] (Lineweaver-Burk-Plot) folgendermaßen identifizieren: Die jeweiligen Geraden werden mit steigenden Inhibitorkonzentrationen steiler. 1/V max bleibt unverändert -1/K m 1/V max 1/v 1/[S] ungehemmt ...

... werden in der Tumortherapie eingesetzt. Sie hemmen das Enzym Dihydrofolatreduktase. Purin- und Pyrimidinantagonisten, wie Mercaptopurin und Fluoruracil, hemmen die Synthese der entsprechenden Basen und verhindern so die DNA-Synthese und damit die Vermehrung von Zellen. Die Acetylcholinesterase lässt sich kompetitiv, z.B. durch Physostigmin inhibieren (reversible Cholinestrerase-Inhibitoren). Kompetitive Inhibitoren der HMG-CoA-Reduktase (=Statine) werden zur Therapie der Hypercholesterinämie eingesetzt (bei der HMG-CoA-Reduktase handelt es sich um das Schrittmacherenzym der Cholesterinbiosynthese). HIV-Protease-Inhibitoren (z.B. Saquinavir) verhindern die Spaltung des HIV-Vorläuferproteins ("Polyprotein"). 2.5.2 Nicht-Kompetitive Inhibition. Der Inhibitor konkurriert nicht mit dem Substrat um die Bindung an das aktive Zentrum, sondern besitzt ...

... unterscheidet sich von der Bindungsstelle des Substrates. Wird die Aktivität verringert, spricht man von einem negativen allosterischen Faktor, im Fall einer Erhöhung von einem positiven allosterischen Faktor (Allosterscher Faktor - Allostersches Zentrum - Aktives Zentrum) 2.6.2 Kovalente Modifikation - Interkonversion. Schlüsselenzyme vieler Stoffwechselwege werden durch kovalente Modifikation reguliert. ...

... Dephosphoproteasen, Phosphoproteasen, ATP, ADP, Protease. 2.6.3 Limitierte Proteolyse. Ein gutes Beispiel ist die Aktivierung der pankreatischen Zymogene. Die pankreatischen Zymogene werden in einer inaktiven Vorstufe sezerniert und erst im Dünndarm aktiviert. Initial wird das Trypsinogen durch die Enteropeptidase der Dünndarmmukosa durch die Abspaltung eines aminoterminalen Dekapeptids aktiviert. Trypsin kann sich selbst und auch andere Zymogene aktivieren Trypsinogen (inaktiv) ...

... Matrix-Metallo-Proteasen (Zn 2+), Carboxypeptidase (Zn 2+), Angiotensin-Converting-Enzyme (Zn 2+), Metalloproteasen, Renin, Pepsin, HIV-Protease, Aspartylproteasen, Zymogene des Pankreas (Trypsin u.ä.), Vertreter der Komplementkaskade, Vertreter der Gerinnungskaskade, Serinproteasen 2.7.2 Serinproteasen. Viele Vertreter mit medizinischer Bedeutung sind Serinproteasen (s. Tabelle). Serin-Proteasen: Spaltspezifität. Trypsin spaltet innerhalb der Peptidkette nach basischen Aminosäuren Lysin und Arginin. Chymotrypsin spaltet nach aromatischen Aminosäuren (T rp, T yr und Phe). Elastase spaltet nach kleinen Seitenketten (z. B. Ala). Proteasen lassen sich in Endo- und ...

... wird das C-terminale Spaltprodukt kurzfristig in Form eines Esters (C-Terminus des Spaltproduktes mit dem Serin-Rest im aktiven Zentrum) verbunden, bevor es hydrolytisch freigesetzt wird. Viele Serinprotease-Inhibitoren hemmen den Serin-Rest, indem sie eine kovalente Bindung mit dem Serin-Rest eingehen. Allgemeine Prinzipien des Stoffwechsels. 3.1 Einführende Bemerkungen. 3.1.1 Grundlegende Begriffe. Unter dem Begriff Metabolismus fasst man sämtliche Prozesse eines lebenden Organismus zusammen, die zur Nutzung chemischer Energie führen und den Organismus in die Lage versetzen, seine diversen Funktionen zu erfüllen. Als Anabolismus bezeichnet man die Synthesewege des Stoffwechsels, als Katabolismus die abbauenden Wege. Viele Stoffwechselwege, wie z.B. ...