Information

13: Enzyme/Katalyse - Biologie

13: Enzyme/Katalyse - Biologie


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Lesen & Probleme: LNC-S. 2 des folgenden Handouts zum Unterrichten!: Triose-P-Isomerase-Abbildungen.

I. Wie beschleunigen Enzyme Reaktionen

A. Reaktive Gruppen – Aktive Zentren haben reaktive Gruppen, die Reaktionen durch Basen, Säuren, Nukleophile, Metalle oder andere Mechanismen katalysieren können.

B. Hohe lokale Konzentration – Die aktiven Zentren können mehrere Substrate nahe beieinander und in der Nähe von reaktiven Gruppen halten. Diese hohe lokale Konzentration erhöht die Wahrscheinlichkeit der Reaktion zwischen diesen Substraten/Gruppen dramatisch.

C. Orbitalsteuerung – Das aktive Zentrum hält nicht nur Substrate und reaktive Gruppen eng beieinander, sondern hält sie tatsächlich in einer optimalen Ausrichtung, um eine produktive Interaktion zu ermöglichen.

D. Dehnung/Bindungsenergie – Das aktive Zentrum hat eine Form, die den Übergangszustand am stärksten bindet. Dies kann ein Biegen oder Strecken von Bindungen beinhalten, um die Veränderungen zu fördern, die für das Fortschreiten der Reaktion erforderlich sind. Die "Bindungsenergie" ist die Energie, die durch die Bildung der schwachen Wechselwirkungen zwischen dem Enzym und dem Übergangszustand bereitgestellt wird. Die negative Bindungsenergie kompensiert die positive Energie, die erforderlich ist, um das Substrat in den Übergangszustand höherer Energie zu "biegen". Das Enzym hat normalerweise die höchste Affinität für den Übergangszustand und die niedrigere Affinität für das Substrat und das Produkt.

III. Chymotrypsin - hydrolysiert Peptidbindungen auf der Carboxylseite von aromatischen Aminosäureresten.

A. Identifizierung von Resten des aktiven Zentrums

  • Proteinmodifikationsreagenzien – Beispiel Diisopropylfluorophosphat (DIFP) reagiert mit reaktiven Serinresten.

  • Proteinaffinitätsmarkierungsreagenzien – haben eine Struktur, die so geformt ist, dass sie in das aktive Zentrum des Enzyms passt, um eine reaktive Gruppe auf das aktive Zentrum zu richten. Beispiel für Chymotrypsin: Tosyl-Phenylalanin-Chlormethylketon (TPCK), das mit dem His-Rest des aktiven Zentrums reagiert.


  • Die Strukturbestimmung, insbesondere in Gegenwart von Inhibitoren/Substratanaloga, zeigt Details des aktiven Zentrums.

Konzepte zu Enzymen zum Mitnehmen:

A) Aktives Zentrum mit spezifischer Form und umgebenden Gruppen zum Binden des Substrats (aber normalerweise am besten im Übergangszustand)

B) Reaktion katalytisch beschleunigt durch:

  1. Katalytische, chemisch aktive Gruppen am aktiven Zentrum.
  2. Hohe lokale Konzentration an Substraten und aktiven Gruppen
  3. Orbitale Steuerung zur Beibehaltung der reaktiven Orientierung
  4. Stabilisierung von Zwischenformen
  5. Dehnung - Biegen und Dehnen von Bindungen, um die Bildung von Übergangszuständen zu unterstützen

Mitwirkende

  • Charles S. Gasser (Department of Molecular & Cellular Biology; UC Davis)


Einige Mechanismen der Enzymkatalyse (mit Diagramm)

Enzyme sind Proteine ​​und daher hängt ihre Fähigkeit zur Katalyse eng mit einer spezifischen tertiären oder quartären Molekülstruktur zusammen.

Wird die Tertiär- oder Quartärstruktur eines Enzyms verändert, folgt meist ein Verlust der Enzymaktivität.

Somit beeinflussen auch Umweltfaktoren, die die Proteinstruktur verändern, die Enzymaktivität. Wichtige Umweltfaktoren, die die Enzymaktivität beeinflussen können, sind pH-Wert und Temperatur.

Die polaren Seitenketten bestimmter Aminosäuren bilden untereinander elektrostatische Bindungen und mit umgebenden Ionen und Wassermolekülen tragen diese Wechselwirkungen teilweise zur spezifischen Tertiär- und Quartärstruktur des Proteins bei.

Ob eine bestimmte Aminosäureseitenkette eine Ladung trägt, wird teilweise durch den pH-Wert der Proteinumgebung bestimmt.

Wenn der pH-Wert gesenkt wird (dh die Konzentration von H + erhöht wird), werden möglicherweise negativ geladene Gruppen wie das sekundäre COO – von Asparaginsäure und Glutaminsäure und das O – von Tyrosin protoniert. wodurch diese negativen Ladungen neutralisiert werden.

Gleichzeitig können einige sekundäre Aminogruppen, wie die von Lysin und Arginin, zusätzliche Protonen aufnehmen, wodurch diese vormals neutralen Seitenketten geladen werden. Im Gegensatz dazu dissoziieren positiv geladene Seitenketten, wenn der pH erhöht wird (d. h. die Konzentration von OH + erhöht wird), Protonen und werden dadurch neutralisiert, während der Verlust von Protonen von sekundären COOH- und OH-Gruppen diese Gruppen negativ macht. Einige dieser Beziehungen sind in Abbildung 8-11 dargestellt.

Neben der wichtigen Rolle bei der Aufrechterhaltung einer spezifischen tertiären oder quartären Molekülstruktur können die polaren Seitenketten einiger der Aminosäuren im Enzym (dh diejenigen im aktiven Zentrum) an der Bindung des Substrats an das Enzym beteiligt sein und führen dadurch Bindungsspannungen in das Substratmolekül ein. Folglich können die meisten Enzyme nur in einem engen pH-Bereich arbeiten und ein pH-Optimum aufweisen (Abb. 8-12).

Die pH-Optima von Enzymen variieren über einen breiten Wertebereich. Auf beiden Seiten des pH-Optimums nimmt die Enzymaktivität ab, wenn die Konfiguration des Proteins geändert wird und/oder seine Affinität für das Substrat entsprechend verringert wird.

Die Temperatur beeinflusst auch die Enzymaktivität, und die meisten Enzyme zeigen ein Temperaturoptimum nahe der normalen Temperatur der Zelle oder des Organismus, die dieses Enzym besitzen. Dementsprechend sind die Temperaturoptima von Pflanzenzellenzymen und Enzymen von poikilothermen (“kaltblütigen”) Tieren, die kalte Regionen der Erde bewohnen, normalerweise niedriger als die von Enzymen von homöothermischen Tieren.

Wird die Temperatur weit über das Optimum erhöht, nimmt die Enzymaktivität ab. Dies ist das Ergebnis einer Veränderung der Struktur des Enzyms (ein entwirrender Prozess, der Denaturierung genannt wird). Die meisten Enzyme werden irreversibel denaturiert, wenn sie über einen längeren Zeitraum bei Temperaturen über 55 bis 65 °C gehalten werden.

Die aktive Seite:

Die Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes ist kein zufälliger Vorgang. Dies wurde bereits 1894 erkannt, als Emil Fischer postulierte, dass ein Enzym nur eine oder wenige Verbindungen auf seine Oberfläche passen lässt. Dies ist die “-Schloss-und-Schlüssel”-Hypothese, nach der das Enzym und sein Substrat komplementäre Formen haben (siehe unten).

Die spezifischen Substratmoleküle (und gegebenenfalls prothetische Gruppen) sind an eine spezifische Region des Enzymmoleküls gebunden, die als aktive (oder katalytische) Stelle bezeichnet wird.

Das aktive Zentrum eines Enzyms wird von einer Reihe von Aminosäureresten gebildet, deren Seitenketten zwei Hauptfunktionen haben:

(1) Sie dienen dazu, das Substrat in einer bestimmten Weise innerhalb der Stelle anzuziehen und auszurichten (solche Aminosäuren werden als Kontaktreste bezeichnet und tragen in hohem Maße zur Substratspezifität bei) und

(2) Sie beteiligen sich an der Bildung von temporären Bindungen mit dem Substratmolekül, Bindungen, die das Substrat polarisieren, eine Spannung in bestimmte seiner Bindungen einführen und die katalytische Veränderung auslösen (solche Aminosäuren werden als katalytische Reste bezeichnet).

Die zwischen einem Substrat und den das aktive Zentrum bildenden Aminosäureseitenketten gebildeten Bindungen können entweder kovalent oder nicht kovalent sein. Die Kontakt- und katalytischen Reste, aus denen das aktive Zentrum besteht, können sich in weit voneinander entfernten Regionen der Primärstruktur des Enzyms befinden, werden jedoch durch die stabilisierte Faltung der Polypeptidkette in die richtige Gegenüberstellung gebracht.

Beispielsweise enthält das aktive Zentrum des Enzyms Citratsynthase etwa 16 Aminosäuren, von denen acht temporäre Bindungen mit dem Substrat (Zitronensäure) und weitere acht Bindungen mit einem Coenzym (Coenzym A) eingehen. Diese Aminosäurereste sind durch die Primärstruktur des Enzyms von der Aminosäurepositionsnummer 46 bis zur Positionsnummer 421 verstreut Reste in Abb. 8-13).

“Lock-and-Key” versus “Induced-Fit”-Modelle der Enzymwirkung:

Abbildung 8-14 zeigt die Interaktion zwischen Enzym und Substrat nach dem Schlüssel-Schloss-Modell. Das Substrat hat polare (dh + und -) und unpolare (H, hydrophobe) Bereiche und wird vom aktiven Zentrum angezogen und assoziiert mit ihm, das sowohl in Form als auch Ladungsverteilung komplementär ist (Abb. 8-14a und 8-14b). .

Positive, negative und hydrophobe Regionen des aktiven Zentrums werden durch die Seitenketten der Kontaktreste erzeugt, die das Substrat für die Wechselwirkung mit den katalytischen Resten des Zentrums (A und B) ausrichten. Nach der Katalyse (Abb. 8-14c) werden die Produkte vom aktiven Zentrum freigesetzt (Abb. 8-14(2)), wodurch das Enzym für eine weitere Katalyse freigesetzt wird. Das Schlüssel-und-Schlüssel-Modell der Enzymkatalyse berücksichtigt Enzymspezifität, da Verbindungen, die nicht die richtige Form haben, zu groß oder zu klein sind (Abb. 8-14e), nicht an das aktive Zentrum gebunden werden können.

Obwohl das Schlüssel-Schloss-Modell einen Großteil der Substratspezifitätsdaten ausmacht, passen bestimmte Beobachtungen über das Enzymverhalten nicht oder sind mit diesem Modell schwer zu erklären. Zum Beispiel gibt es eine Reihe von Fällen, in denen andere Verbindungen als das eigentliche Substrat an das Enzym binden, obwohl sie keine Reaktionsprodukte bilden.

Darüber hinaus werden bei vielen enzymkatalysierten Reaktionen Substrate in einer bestimmten zeitlichen Reihenfolge an das aktive Zentrum gebunden. In den 1960er Jahren schlug Daniel Koshland die Theorie der “-induzierten Anpassung” der Enzymwirkung vor, nach der das aktive Zentrum des Enzyms zunächst nicht in einer zum Substrat komplementären Form existiert, sondern induziert wird, die komplementäre Form als . anzunehmen das Substrat wird gebunden.

Wie Koshland es ausdrückte, wird das aktive Zentrum induziert, die komplementäre Form anzunehmen “ähnlich wie eine Hand eine Veränderung der Form eines Handschuhs induziert” Somit wird nach diesem Modell das Enzym (oder seine aktive Stelle) ist flexibel.

Das induzierte Anpassungsmodell ist in Abbildung 8-15 schematisch dargestellt. Aktives Zentrum und Substrat haben zunächst unterschiedliche Formen (Abb. 8-15a), werden aber bei der Substratbindung komplementär (Abb. 8-15b). Die Formänderung versetzt die katalytischen Reste in die Lage, die Bindungen im Substrat zu verändern (Abb. 8-15c), woraufhin die Produkte freigesetzt werden (Abb. 8-15d) und das aktive Zentrum in seinen Ausgangszustand zurückkehrt.

Obwohl Moleküle, die größer oder kleiner als das eigentliche Substrat sind oder unterschiedliche chemische Eigenschaften aufweisen, trotzdem an das aktive Zentrum gebunden werden können, gelingt es keinem, die richtige Ausrichtung der katalytischen Gruppen zu bewirken, und es findet keine Katalyse statt (Abb. 8-15e und 8- 15f). Das Modell der induzierten Anpassung erklärt die Wirkungen bestimmter kompetitiver und nichtkompetitiver Inhibitoren der Enzymwirkung.

Bevor wir fortfahren, sollte beachtet werden, dass einige enzymkatalysierte Reaktionen durch das Schloss-und-Schlüssel-Modell hinreichend erklärt werden, sodass ein flexibles aktives Zentrum keine zwingende Voraussetzung für die Katalyse ist. Ebenso bedeutet der Besitz eines flexiblen aktiven Zentrums nicht, dass irgendein Molekül an das Enzym gebunden werden kann.

Eine Veränderung der Form des aktiven Zentrums eines Enzyms kann auch durch die Bindung von Substanzen an Stellen auf der Enzymoberfläche, die weit vom aktiven Zentrum entfernt sind, induziert werden. In einem solchen Fall wird die Änderung durch das Enzymmolekül von der Bindungsstelle zur aktiven Stelle übertragen. Solche Veränderungen können die Aktivität des Enzyms entweder verringern oder erhöhen.


Energie und Katalysatoren

Exergonische Reaktionen Energie freisetzen, während Endergonische Reaktionen Energie aufnehmen. Credit: OpenStax CNX [CC-BY 4.0]

Reaktionskoordinate von an exotherm Reaktion mit und ohne Enzym. Das Enzym reduzierte die EEIN um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die Reaktion eintritt. Dies katabolisch Reaktion zerlegt komplexe Dinge, erhöht so die Entropie und setzt Energie in das System frei.


Mechanismus der Enzymkatalyse

Das Enzym fördert die gegebene Reaktion, bleibt aber unverändert. 1913 schlugen Leonar Michael und Maud Menten vor, dass während der Enzymaktivität ein intermediärer Enzym-Substrat-Komplex gebildet wird. Dies lässt sich schematisch darstellen als

Enzym (E) + Substrat (S) <—> Enzym-Substrat-Komplex (ES) —» Enzym (E) + Produkt (P)

Das Enzym verrichtet seine Arbeit, indem es die Aktivierungsenergie senkt (die Energie, die erforderlich ist, um einen Stoff in seinen reaktiven Zustand zu bringen. Oder die Energie, die erforderlich ist, damit die Reaktanten ein Produkt eingehen). Die Verringerung der Aktivierungsenergie bewirkt, dass die Reaktion bei einer niedrigeren Temperatur abläuft.

Das Enzym verbindet sich mit dem Substrat, um einen Übergangszustand zu erzeugen, der eine geringe Energie erfordert. Mit anderen Worten, die Kombination des Substrats mit dem Enzym erzeugt einen neuen Reaktionsweg, der einen Übergangszustand mit niedrigerer Energie aufweist als in Abwesenheit des Enzyms. Außerdem verändert das Enzym die Gleichgewichtskonstante nicht, sondern erhöht nur die Reaktionsgeschwindigkeit.

Beispiel – Die Zersetzung von Wasserstoffperoxid ohne Enzym erfordert 765 KJ'Mol, während in Gegenwart von Enzym die erforderliche Energie < 8 KJMol benötigt wird.

Der Mechanismus einer Reaktion zwischen Enzym und Substrat kann durch die folgenden zwei Theorien erklärt werden:

Ein). Schloss- und Schlüsselmodell

Es ist das erste Modell, das vorgeschlagen wurde, um die Enzymwirkung zu erklären. Es wurde von Emil Fischer vorgeschlagen und wird daher auch als „Fischer-Modell“ bezeichnet.

Nach diesem Modell ist die Struktur oder Konformation des Enzyms starr. Das Substrat bindet sich an das aktive Zentrum wie ein Schlüssel, der in das richtige Schloss passt.

Somit nimmt gemäß diesem Konzept ein strukturell wohldefiniertes katalytisches Zentrum nur diejenigen Substratmoleküle auf, die eine übereinstimmende Form aufweisen, und stößt andere ab, die sich strukturell unterscheiden. Diese Hypothese ist ziemlich attraktiv, da sie eine einfache Erklärung für die Spezifität der enzymatischen Wirkung liefert.

  • Dieses Modell gibt keine Erklärung bezüglich der flexiblen Natur des Enzyms.
  • Dieses Modell kann viele Fakten enzymatischer Reaktionen wie allosterische Modulationen nicht erklären.

B). Theorie der induzierten Anpassung

Es wird auch als „Koshland-Modell“ bezeichnet und weist ein wesentliches Merkmal der „Flexibilität“ auf. Nach diesem Modell ist das aktive Zentrum eines Enzyms nicht starr und vorgeformt, sondern flexibel.

In diesem Modell mit induzierter Anpassung induziert das Substrat eine Konformationsänderung im Enzym, was zur Bildung einer starken Substratbindungsstelle führt. Aufgrund der induzierten Anpassung werden die entsprechenden Aminosäuren des Enzyms neu positioniert, um ein aktives Zentrum zu bilden und eine Katalyse zu bewirken. Dieses Modell hat ausreichende experimentelle Beweise und erklärt auch die allosterischen Modulationen und die kompetitive Hemmung des Enzyms.


Dies ist einer von über 2.400 Kursen auf OCW. Entdecken Sie Materialien für diesen Kurs auf den links verlinkten Seiten.

MIT OpenCourseWare ist eine kostenlose und offene Veröffentlichung von Material aus Tausenden von MIT-Kursen, die den gesamten MIT-Lehrplan abdecken.

Keine Einschreibung oder Registrierung. Durchsuchen und verwenden Sie OCW-Materialien in Ihrem eigenen Tempo. Es gibt keine Anmeldung und kein Start- oder Enddatum.

Wissen ist Ihre Belohnung. Verwenden Sie OCW, um Ihr eigenes lebenslanges Lernen zu leiten oder andere zu unterrichten. Wir bieten keine Gutschrift oder Zertifizierung für die Verwendung von OCW an.

Zum Teilen gemacht. Laden Sie Dateien für später herunter. An Freunde und Kollegen senden. Modifizieren, remixen und wiederverwenden (denken Sie daran, OCW als Quelle anzugeben.)

Über MIT OpenCourseWare

MIT OpenCourseWare ist eine Online-Publikation mit Materialien aus über 2.500 MIT-Kursen, die kostenlos Wissen mit Lernenden und Lehrenden auf der ganzen Welt teilt. Mehr erfahren

&Kopie 2001&ndash2018
Massachusetts Institute of Technology

Ihre Nutzung der MIT OpenCourseWare-Site und -Materialien unterliegt unserer Creative Commons-Lizenz und anderen Nutzungsbedingungen.


-Wir waren nicht in der Lage, eine viel größere experimentelle Gruppe zu führen, die erforderlich wäre, um den optimalen Kontaktwirkungsstatus oder Imprägnierungspunkt der Amylase zu erreichen.

- Bei der Durchführung des Experiments an Versuchsschlauch B bestand Clip-Halt dadurch, dass der Clip nicht anständig kompensiert wurde, wenn nicht alle Teile der Lösung gleichzeitig von einer Person zugegeben werden konnten. Dies war jedoch insofern nicht schlimm, als wir ungenaue Konsequenzen hatten, aber Reagenzglas B reagierte möglicherweise schneller als innerhalb der fünf Verfahren.


Industrielle Anwendungen

Katalysatoren werden in der Energieverarbeitung zur Herstellung von Massenchemikalien, zur Herstellung von Feinchemikalien bei der Herstellung von Margarine und in der Umwelt eingesetzt, wo sie eine entscheidende Rolle für freie Chlorradikale beim Abbau von Ozon spielen.

Enzyme werden in der Lebensmittelverarbeitung, Babynahrung, Brauen von Fruchtsäften, Milchproduktion, Stärke, Papier- und Biokraftstoffindustrie, Make-up, Kontaktlinsenreinigungsgummi sowie Fotografie und Molekularbiologie verwendet.

Bitte kontaktieren Sie mich : unter http://sanjaykumarshukla.strikingly.com/ falls Sie einen Vorschlag für mich haben oder von mir wollen . du kannst mich auch hier anpingen SANJAY

Fällige Gutschrift und Kopie Quelle:


Schau das Video: AP Biology Lab 2: Enzyme Catalysis (Dezember 2022).