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c.

MECHANISMS OF ENZYME ACTION

Introduction to enzymes

1. Substratspezifität

2. Coenzyme

3. Regulation enzymatischer

Aktivität

4. Enzym Nomenklatur

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Was sind Enzyme ? biologische Katalysatoren

Unterschied zu chemischen Katalysatoren?

1. Höhere Reaktionsrate.

2. Mildere Reaktionsbedingungen

unter 100°C, neutraler pH, Normaldruck.

3. Grössere Spezifität

selten Nebenprodukte, z.B ribosomale polypeptidsynthese -> keine

Fehler -> über 1000 AS. Dagegen chemische Synthese von Polypeptiden ->

Nebenprodukte -> nicht mehr als 100 AS

4. Regulationsmöglichkeit

allosterische Kontrolle, kovalente Modifikationen

-> Wie funktionieren Enzyme

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An enzyme–substrate complex illustrating both the geometric and the physical

complementarity between enzymes and substrates.

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1. Substratspezifität

Kräfte welche Substrat und Enzym zusammen-

halten -> ähnlich denen die Proteinkonformation

beeinflussen

van der Waals, elektrostatische, H-Brücken,

hydrophobe Interaktionen.

Enzym -> vorgeformt für Substrat (Schlüssel-

Schloss)

aber auch verformbar-> induced fit.

komplementäre Ladungsverteilung

spezifische AS können interagieren und Bindung

stabilisieren.

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Prochirale Differenzierung

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A. Stereospezifität

Enzyme sind hochspezifisch in Bindung

chiraler Substrate als auch in der Katalyse

der Reaktion.

Stereospzifität da Enzyme inherent chiral

sind.

Proteine -> nur aus L-Aminosäuren ->

assymmetrische Aktive Stellen.

z.B. Trypsin spaltet nur Polypeptide aus

L-Aminosäuren aber nicht aus D-AS.

Glucosemetabolsimus Enzyme spezifisch

für D-Glucose-Reste.

Beispiel Hefe Alkohol Dehydrogenase->

in Nachmittagvorlesung für Biochemiker.

CH3CH2OH + NAD+ <-> CH3CH + NADH + H+

ethanol acetaldehyd

O

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The structures and reaction of nicotinamide-adenine dinucleotide (NAD+) and

nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP+).

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Stereospecificity in the NADH-dependent Dehydrogenases

Dehydrogenases in meabolism -> NADH-dependent -> reduce or oxidize Substrates

Reaktion von beiden Seiten theoretisch gleich.

Interessanterweise ist die Spezifität des Transfers für eine Dehydrogenase Klasse immer gleich

(etwa gleich viele transferieren das pro-R wie das pro-S am C4.

dehydrogenases in direction of reduction Keq < 10-12M pro-R

Keq > 10-10M pro-S

Stereospezifität funktionelle Bedeutung? noch unklar, wahrscheinlich schon

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B. Geometrische Spezifität

Zusätzlich zur Stereospezifität sind viele Enzyme selektiv bezüglich der Identität der chemischen

Gruppen ihres Substrates.

Enzyme variieren im Ausmass dieser geometrischen Spezifität. Einige spezifisch für nur ein Substrat,

andere reagieren auch mit ähnlichen Substraten.

z.B. Hefe Alkoholdehydrogenase setzt am besten Ethanol um, kann aber auch entsprechende Aldehyde

und Ketone als auch Methanol und Isopropanol umsetzen.

Verdauungsenzyme sind sehr permissiv. Spezifitäten verschiedener Exopeptidasen

Allerdings variiert die Reaktionsrate mit der Identität der AS in der Umgebung des C-terms

Einige Enzyme sind sehr unspezifisch wie z.B. Chymotrypsin

Permissive Enzyme sind allerdings eher die

Ausnahme als die Regel.

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Spezifität verschiedener Endopeptidasen

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3. Coenzyme

Enzyme können alleine schlecht oxidations-reduktionsreaktionen katalysieren.

Cofaktoren -> ‘chemische Zähne’ der Enzyme

Cofaktoren:

1) Metal ionen, z.B. Zn2+ in carboanhydrase

CO2 + H2O -> HCO3- + H+

2) organische Moleküle, Coenzyme, wie z.B. NAD+,NADP+ , FAD+ -> transiente Assozation

Ferredoxin - NADP - reduktase

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3) prosthetische Gruppen, z.B. Häm in Hämoglobin -> permanent Assoziiert

Coenzyme werden chemisch verändert -> muss wieder in Ursprungszustand

Für prosthetische Gruppen in einer separaten Phase der enzymat. Reaktion.

Für transient gebudnene wie NAD+ -> Regeneration durch anderes Enzym möglich.

Apoenzyme (inaktiv) + Cofaktor <-> Holoenzym (aktiv)

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The Common Coenzymes.

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Viele Vitamine sind Coenzym Vorläufer

Viele Organismen können gewisse Vorläufer für essentielle Cofaktoren nicht synthetisieren ->

sie müssen über die Nahrung aufgenomen werden.

= VITAMINE

Viele Coenzyme wurden über Heilung von Nähstoffmangelkrankheiten gefunden.

z.B.

Diese Moleküle heilen die Nährstoffmangelkrankheit Pellagra (Durchfall, Dermatitis, Demenz)

Nicotinamid kann aus Tryptophan synthetisiert werden. Mais basierte Ernährung hat wenig

Tryptophan und das Nicotinamid im Mais muss zuerst in verwertbare From umgewandelt werden

über eine leichte basische Behandlung (Mex. Indianer durchtränken das Maismehl mit lime Wasser,

das leicht basisch ist bevor sie Tortillas machen).

Alle Vitamine in menschlicher Ernährung die Coenzym Vorläufer sind, sind Wasserlöslich -> Tabelle

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Vitamine die Coenzym Vorläufer sind

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Interessanterweise sind fettlösliche Vitamine wie Vit A und Vit D nicht

Komponenten von Coenzymen obwohl sie in Spuren auch wichtig sind

in der Nahrung höherer Organismen (Vit A -> Auge, Vit D -> Knochenmineralisierung)

Unsere Vorfahren konnten möglicherweise verschiedene Vitamine synthetisieren.

Da viele Vitamine im Ueberfluss in Nahrung vorhanden sind, oder durch die

Bakterien im Verdauungstrakt synthetisiert werden, konnte durch weglassen der

Vitaminsynthese Energie gespart werden und deshalb ist Vitaminsynthese in

unserer Evolution verlorengegangen.

The image shows a mixture of two pure cultures

of Lactobacillus intestinalis (the green elongated

elements) and Bifidobacterium longum (pinkish'grains') as seen through a microscope. In some

cases, an increased presence of these

microorganisms in the intestinal flora can have

probiotic effects which help strengthen immunity

against many pathologies of bacterial origin.

-> Probiotische Nahrungsmittel -> z.B. modifizierte Bakterien die vermehrt Vitamine oder andere

Substanzen produzieren und sich im Darm aufhalten. (LC1 Yoghurt) = funktionelle Lebensmittel

isotonische Getränke (Isostar).

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4. Regulation enzymatischer Aktivität

Um metabolische Prozesse zu koordinieren muss enzymatische Aktivität regulierbar sein.

Dies ermöglicht es auf Umweltveränderungen zu antworten und zu wachsen, damit alles in

geordenter Weise abläuft.

2 Möglichkeiten wie man enzymatische Aktivität kontrollieren kann:

1. Kontrolle der Verfügbarkeit des Enzyms

Die Menge eines Enzyms in der Zelle Hängt von der Rate der Synthese und der Rate

der Degradation ab.

z.B. E.coli mit Medium ohne Lactose -> exprimieren das Abbauenzym für Lactose nicht

Wenn Lactose gegeben wird -> innerhalb von Minuten wird Enzym gemacht.

In verschiedene Geweben von Säugern unterschiedliche Enzyme exprimiert, obwohl

genetische Information in allen Zellen gleich (siehe später, expression und transmission

genetischer Information).

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2. Kontrolle der Enzymaktivität

Die Enzymaktivität kann durch konformationelle und strukturelle Veränderungen be-

einflusst werden.

Aktivität direkt proportional zur Konzentration des Enzym-Substrat Komplexes. Diese

ist abhängig von konzentrationen von Enzym, Substrat und der Substratbindunsaffinität.

z.B. Hämoglobin -> allosterische Regulation -> Bindung kleiner Moleküle (=homotrope und

heterotrope Effektoren) O2, CO2, H+, BPG.

Beispiel: Allosterische Kontrolle der Aspartate Transcarboamylase (ACTase)

Erster Schritt der Pyrimidinbiosynthese

-> Komponenten der Nukleinsäuren.

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The rate of the reaction catalyzed by ATCase as a function of aspartate concentration.

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Rückkoplungsinhibition von ATCase reguliert die Pyrimidin Biosynthese

positiv homotrope cooperative Bindung von Aspartat und Carbamoyl phosphat.

heterotrope Inhibition durch cytidine triphosphate (CTP=pyrimidin)

heterotrope Aktivierung durch adenosin triphosphate (ATP=purin).

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Schematic representation of the pyrimidine biosynthesis pathway.

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Rückkopplungsinhibition

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Allosterische Aenderungen beeinflussen die Substratbindungsstelle der ATCase

T inaktiv (CTP) R aktiv (ATP)

Ansicht von oben

Ansicht von seite

c3

c3

r2

r2

r2

r2r2

c3

300kD

r = regultorische

Untereinhiet

c = catalytische

Untereinheit

c alleine höhere

katalytische Rate,

nicht beeinflusst

durch CTP oder ATP

r kann diese alleine

binden aber kann

c nur im Komplex

beeinflussen.

240s loop

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Strukturelle Basis der allosterischen Regulation von ATCase

katalytisches monomer

carbamoylphosphat

aspartat

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Glu 239

Wenn Glu 239 -> Gln 239 -> keine homo- und heterotropen Efekte mehr->

bleibt im mittleren Zustand (b)

Schematisches Diagramm welches die Konformationsänderungen in 2 vertikal miteinander

interagierenden katalytischen ATCase Untereinheiten illustriert.

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5. Enzymnomenklatur

Enzym Substratname + Endung -ase oder

Enzym katalyt. Aktion + Endung -ase

Für lange Zeit keine systemat. Regeln -> manchaml 2 Namen für das selbe Enzym

manchmal sagt Name nichts über die Aktion, z.B Catalase

(dismutation von H2O2 zu H2O und O2)

Enzyme werden klassifiziert und benannt gemäss der Reaktion die sie katalysieren

6 Hauptklassen

Subklassen

Sub- subklassen

-> jedes Enzym bekommt 2 Namen und eine Nummer aus 4 Zahlen.

Empfohlener Name -> Name für täglichen Gebrauch -> alter Name, Trivialname

Systematischer Name -> keine Ambiguität -> Name seiner Substrat(e) mit Endung -ase welcher

eine der 6 Hauptklassen spezifiziert.

z. B. carboxypeptidase A -> peptidyl-L-aminosäure hydrolase EC 3.4.17.1

Enzym Comission Hauptklasse 3 Subklasse 4 Sub-subklasse 17 Seriennummer (arbiträr)

hydrolase an peptidbindg metallocarboxypeptidasen

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anderes Beispiel:

alcohol dehydrogenase -> alkohol:NAD+ oxidoreduktase EC 1.1.1.1.

Enzym Nomenklatur Datenbase: http://expasy.org/enzyme

http://www.chem.qmw.ac.uk/iubmb/enzyme/

http://www.brenda.uni-koeln.de

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EC 2 Transferases

EC 2.1 Transferring one-carbon groupsEC 2.2 Transferring aldehyde or ketonic groupsEC 2.3 AcyltransferasesEC 2.4 GlycosyltransferasesEC 2.5 Transferring alkyl or aryl groups, other than methyl grouEC 2.6 Transferring nitrogenous groupsEC 2.7 Transferring phosphorus-containing groupsEC 2.8 Transferring sulfur-containing groupsEC 2.9 Transferring selenium-containing groups

EC 2.3 Acyltransferases

EC 2.3.1 Transferring groups other than amino-acyl groups

EC 2.3.2 Aminoacyltransferases

EC 2.3.3 Acyl groups converted into alkyl on transfer

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EC 2.3.2 Aminoacyltransferases

EC 2.3.2.1 D-glutamyltransferaseEC 2.3.2.2 -glutamyltransferaseEC 2.3.2.3 lysyltransferaseEC 2.3.2.4 -glutamylcyclotransferaseEC 2.3.2.5 glutaminyl-peptide cyclotransferaseEC 2.3.2.6 leucyltransferaseEC 2.3.2.7 aspartyltransferaseEC 2.3.2.8 arginyltransferaseEC 2.3.2.9 agaritine -glutamyltransferaseEC 2.3.2.10 UDP-N-acetylmuramoylpentapeptide-lysine N6-

alanyltransferaseEC 2.3.2.11 alanylphosphatidylglycerol synthaseEC 2.3.2.12 peptidyltransferaseEC 2.3.2.13 protein-glutamine -glutamyltransferaseEC 2.3.2.14 D-alanine -glutamyltransferaseEC 2.3.2.15 glutathione -glutamylcysteinyltransferaseroups

converted into alkyl on transfer

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EC 2.3.2.7Common name: aspartyltransferase

Reaction: L-asparagine + hydroxylamine = NH3 + L-aspartylhydroxamate

Other name(s): -aspartyl transferase; aspartotransferase

Systematic name: L-asparagine:hydroxylamine -aspartyltransferase

Links to other databases: BRENDA, EXPASY, KEGG,ERGO, CAS registry number: 37257-23-1

References:

1. Jayaram, H.N., Ramakrishnan, T. and Vaidyanathan, C.S.Aspartotransferase from Mycobacterium tuberculosisH37Ra. Indian J. Biochem. 6 (1969) 106-110.

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Enzym unter-

scheidet pro-S

und pro-R

und si , re Seiten

vom Nicotinamid

Ring

pro-S pro-R

pro-S

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