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Referat: · Enzymregulation · Enzymhemmung. 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Gliederung –Gliederung –Grundbegriffe –Wozu Regulation/Hemmung?

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1 Referat: · Enzymregulation · Enzymhemmung

2 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Gliederung –Gliederung –Grundbegriffe –Wozu Regulation/Hemmung? –Arten der Regulierung Aktivierung/Hemmung –Einteilung nach Wirkung »Irreversible Hemmung »Kompetitive Hemmung »Unkompetitive Hemmung »Nicht kompetitive Hemmung –Einteilung nach Bindungsstelle des Inhibitors »Isosterische Regualtion »Allosterische Regulation –Phosphorylierung von Proteinen Steuerung der Enzymbildung –Inhibition –Repression –Literatur

3 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Grundbegriffe Enzym: griech. en »in« und zýme »Sauerteig« veraltete Bezeichnung: Fermente Definition aus dem Brockhaus: In allen lebenden Organismen vorkommende, intrazellulär gebildete, hochmolekulare Eiweißstoffe (Proteine), die chem. Reaktionen beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen und so den Reaktionsablauf unter den Bedingungen, die in einem Organismus vorliegen (physiolog. Bedingungen: niedrige Temperaturen, Normaldruck, wässriges Medium) erst ermöglichen. Enzym: griech. en »in« und zýme »Sauerteig« veraltete Bezeichnung: Fermente Definition aus dem Brockhaus: In allen lebenden Organismen vorkommende, intrazellulär gebildete, hochmolekulare Eiweißstoffe (Proteine), die chem. Reaktionen beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen und so den Reaktionsablauf unter den Bedingungen, die in einem Organismus vorliegen (physiolog. Bedingungen: niedrige Temperaturen, Normaldruck, wässriges Medium) erst ermöglichen.

4 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Warum ist die Regulation so wichtig? Da fast alle biochem. Reaktionen in einem Organismus nur durch Enzymkatalyse (enzymatisch) ablaufen können, beruht die Steuerung des gesamten Stoffwechsels auf der integrierten Regulation der Enzymaktivitäten.

5 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung 2 Arten der Regulation Aktivierung/Hemmung –Hemmung (Inhibition) –Aktivierung Steuerung der Enzymbildung –Enzyminduktion –Enzymrepression Aktivierung/Hemmung –Hemmung (Inhibition) –Aktivierung Steuerung der Enzymbildung –Enzyminduktion –Enzymrepression

6 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Einteilung nach Wirkung Inhibition –Irreversible Inhibition –Reversible Inhibition partiell vollständig Inhibition –Irreversible Inhibition –Reversible Inhibition partiell vollständig

7 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Irreversible Inhibition einige Arzneien und Gifte hemmen ein Enzym dauerhaft und umumkehrbar.  (Inaktivator) Werden auch als Selbstmord-Inhibitoren bezeichnet, da es sich um Substanzen handelt, welche zunächst vom Enzym als Substrat erkannt und in das aktive Zentrum aufgenommen werden. Dort gehen sie jedoch eine feste kovalente Bindung mit Aminosäureresten des aktiven Zentrums ein, wodurch dieses dauerhaft blockiert wird. z.B. Penicillin, Kohlenstoffmonoxid oder Nitrostigmin und Sarin einige Arzneien und Gifte hemmen ein Enzym dauerhaft und umumkehrbar.  (Inaktivator) Werden auch als Selbstmord-Inhibitoren bezeichnet, da es sich um Substanzen handelt, welche zunächst vom Enzym als Substrat erkannt und in das aktive Zentrum aufgenommen werden. Dort gehen sie jedoch eine feste kovalente Bindung mit Aminosäureresten des aktiven Zentrums ein, wodurch dieses dauerhaft blockiert wird. z.B. Penicillin, Kohlenstoffmonoxid oder Nitrostigmin und Sarin

8 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Reversible Hemmung I.) partielle Hemmung II.) vollständige Hemmung - kompetitive Hemmung - unkompetitive Hemmung - nicht kompetitive Hemmung I.) partielle Hemmung II.) vollständige Hemmung - kompetitive Hemmung - unkompetitive Hemmung - nicht kompetitive Hemmung

9 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Kompetitive Hemmung hier konkurriert das Substrat mit dem Hemmstoff um die Bindung an das Aktive Zentrum des Enzyms.

10 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Unkompetitive Hemmung Bindung des Hemmstoffes verhindert die katalytische Umsetzung des Substrates zum Produkt.

11 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Nicht kompetitive Hemmung Der Hemmstoff bindet sowohl an das freie Enzym als auch an den Enzym-Substrat- Komplex. Der Enzym- Substrat-Inhibitor- Komplex ist katalytisch inaktiv.

12 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Einteilung nach Bindungsstelle des Inhibitors isosterische Hemmung allosterische Hemmung: isosterische Hemmung allosterische Hemmung:

13 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Isosterische Hemmung Ein Hemmstoff ist dem Substrat sehr ähnlich und bindet ebenfalls an das Aktive Zentrum und blockiert es dadurch. Meist kompetitive Hemmung z.B. binden viele Medikamente an das Aktive Zentrum und blockieren es dadurch Ein Hemmstoff ist dem Substrat sehr ähnlich und bindet ebenfalls an das Aktive Zentrum und blockiert es dadurch. Meist kompetitive Hemmung z.B. binden viele Medikamente an das Aktive Zentrum und blockieren es dadurch

14 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Allosterische Hemmung Hier bindet der Hemmstoff an eine zweite Bindungsstelle im Enzym, die vom aktiven Zentrum verschieden ist, ein allosterisches Zentrum.  Änderung der Konformation des Enzyms mit herabgesetzter oder stillgelegter katalytischer Aktivität.

15 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Kooperativität Tritt bei Proteinen die aus mehreren Untereinheiten bestehen auf, da sie sich gegenseitig beeinflussen, also kooperieren, spricht man von Kooperativität. Angenommen, wir haben ein Enzym mit 4 Untereinheiten und jede kann in 2 Konformationen vorliegen: in einer gespannten T- Form mit geringer Affinität zum Substrat und einer entspannten R-Form mit hoher Affinität. Bei geringer Substratkonzentration also auch geringer Substratbindung liegen alle vier Untereinheiten in der T-Form vor, die katalytische Aktivität ist gering. Wird jedoch bei steigender Substratkonzentration von einer Untereinheit ein Substrat gebunden, beeinflusst dies die andere Untereinheiten und führt dazu, dass sie vermehrt von der T- in die R-Form übergehen. Die weitere Substratbindung wird erleichtert. Man nennt dies Kooperativität. Tritt bei Proteinen die aus mehreren Untereinheiten bestehen auf, da sie sich gegenseitig beeinflussen, also kooperieren, spricht man von Kooperativität. Angenommen, wir haben ein Enzym mit 4 Untereinheiten und jede kann in 2 Konformationen vorliegen: in einer gespannten T- Form mit geringer Affinität zum Substrat und einer entspannten R-Form mit hoher Affinität. Bei geringer Substratkonzentration also auch geringer Substratbindung liegen alle vier Untereinheiten in der T-Form vor, die katalytische Aktivität ist gering. Wird jedoch bei steigender Substratkonzentration von einer Untereinheit ein Substrat gebunden, beeinflusst dies die andere Untereinheiten und führt dazu, dass sie vermehrt von der T- in die R-Form übergehen. Die weitere Substratbindung wird erleichtert. Man nennt dies Kooperativität.

16 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

17 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung kovalente Modifikation von Enzymen durch Phosphorylierung Wie durch einen molekularen Schalter kann das Enzym beispielsweise nach einem hormonellen Signal durch Kinasen ein- oder ausgeschaltet werden. Einführung einer negativ geladenen Phosphatgruppe  strukturelle Änderungen (aktive/inaktiv). Die Abspaltung der Phosphatgruppe durch Phosphatasen kehrt diesen Vorgang um  flexible Anpassung des Stoffwechsels an wechselnde physiologische Anforderungen Wie durch einen molekularen Schalter kann das Enzym beispielsweise nach einem hormonellen Signal durch Kinasen ein- oder ausgeschaltet werden. Einführung einer negativ geladenen Phosphatgruppe  strukturelle Änderungen (aktive/inaktiv). Die Abspaltung der Phosphatgruppe durch Phosphatasen kehrt diesen Vorgang um  flexible Anpassung des Stoffwechsels an wechselnde physiologische Anforderungen

18 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

19 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Regulation auf Ebene der Transkription/Translation Konstitutive Enzyme: werden stets und unabhängig von den Milieubedingungen gebildet. Steuerung der Enzymbildung: –während der Transkription (wieviel mRNA wird gemacht) oder –während der Translation (wird mRNA translatiert oder nicht)  Langsam > Enzyminduktion: regulierte Steigerung der Biosynthese eines Enzyms > Enzymrepression: regulierte Verminderung der Biosynthese Konstitutive Enzyme: werden stets und unabhängig von den Milieubedingungen gebildet. Steuerung der Enzymbildung: –während der Transkription (wieviel mRNA wird gemacht) oder –während der Translation (wird mRNA translatiert oder nicht)  Langsam > Enzyminduktion: regulierte Steigerung der Biosynthese eines Enzyms > Enzymrepression: regulierte Verminderung der Biosynthese

20 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Generelle hohe Enzymbildung Fix Transkription findet auf hohem Level statt, wenn der Promoter der Konsensus-Sequenz sehr ähnelt. Bei der Translation muss hingegen die Shine-Dalgarno-Sequenz beträchtlich mit der 16S rRNA komplementär sein. Fix Transkription findet auf hohem Level statt, wenn der Promoter der Konsensus-Sequenz sehr ähnelt. Bei der Translation muss hingegen die Shine-Dalgarno-Sequenz beträchtlich mit der 16S rRNA komplementär sein.

21 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Enzym Repression Wenn ein bestimmtes Produkt vorhanden ist, werden keine Enzyme synthetisiert, die die Reaktion für dieses Produkt katalysieren. z.B. die Aminosäure Arginin  der Sinn: der Organismus verschwendet keine Energie um unnötige Proteine zu synthetisieren. Wenn ein bestimmtes Produkt vorhanden ist, werden keine Enzyme synthetisiert, die die Reaktion für dieses Produkt katalysieren. z.B. die Aminosäure Arginin  der Sinn: der Organismus verschwendet keine Energie um unnötige Proteine zu synthetisieren.

22 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Enzym Induktion Die Synthese von einem Enzym erfolgt nur dann, wenn das entsprechende Substrat vorhanden ist. z.B. das Enzym β-Galaktosidase, welches nur synthetisiert wird, wenn Laktose im Medium vorhanden ist. Die Synthese von einem Enzym erfolgt nur dann, wenn das entsprechende Substrat vorhanden ist. z.B. das Enzym β-Galaktosidase, welches nur synthetisiert wird, wenn Laktose im Medium vorhanden ist.

23 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

24 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

25 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung Literatur Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim; Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg, 2003 Biology of Microorganisms; Brock; 10th International Edition, Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, 2003 Allgemein Mikrobiologie, Hans G. Schlegel, 7. Auflage, Thieme Verlag, Stuttgart, 1992 Biochemie des Menschen; Horn, Lindenmeier, Moc, Grillhösl, Berghold, Schneider, Münster; 2. Auflage; Thieme Verlag, Stuttgart, 2003) Lehrbuch der Biochemie, Donald Voet, Judith G. Voet, Charlotte W. Pratt; John Wiley & Sons, Inc., & ( , 16:30 Uhr) Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim; Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg, 2003 Biology of Microorganisms; Brock; 10th International Edition, Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, 2003 Allgemein Mikrobiologie, Hans G. Schlegel, 7. Auflage, Thieme Verlag, Stuttgart, 1992 Biochemie des Menschen; Horn, Lindenmeier, Moc, Grillhösl, Berghold, Schneider, Münster; 2. Auflage; Thieme Verlag, Stuttgart, 2003) Lehrbuch der Biochemie, Donald Voet, Judith G. Voet, Charlotte W. Pratt; John Wiley & Sons, Inc., & ( , 16:30 Uhr)


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