Referat: ·Enzymregulation ·Enzymhemmung

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 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

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. 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. 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

Enzymregulation / Enzymhemmung 2 Arten der Regulation Aktivierung/Hemmung Hemmung (Inhibition) Aktivierung Steuerung der Enzymbildung Enzyminduktion Enzymrepression Aktivierung/Hemmung: schnell, posttranslational; Darunter versteht man das Herabsetzen der katalytischen Aktivität eines Enzyms durch einen spezifischen Hemmstoff (Inhibitor). Enzymbildung: Ökonomisch gesehen: Enzyme sollten nur dann gebildet werden, wenn sie benötigt werden (Enzyminduktion). Auch sollte ihre Bildung unterdrückt werden, wenn das Endprodukt schon vorhanden ist, für welches sie den Syntheseweg katalysieren. (Enzymrepression) 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

Einteilung nach Wirkung Inhibition Irreversible Inhibition Reversible Inhibition partiell vollständig Einteilung nach Wirkung 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 Bsp. (Penicillin): verhindert Quervernetzung durch Transpeptidierung Kohlenstoffmonoxidvergiftung: Kohlenstoffmonoxid (CO) bindet auf die gleiche Art und Weise an Hämoglobin wie Sauerstoff (O2). Diese Bindung erfolgt bei CO allerdings mit etwas 300fach höherer Affinität als bei O2, Kohlenstoffmonoxid verdrängt aus diesem Grund den Sauerstoff aus seiner Bindung mit Hämoglobin. Das entstandene Carboxyhämoglobin fällt für den Sauerstofftransport aus. Ein Anteil von 1% CO-Hämoglobin ist physiologisch, Raucher bringen es bereits auf 15%. Ab 20-30% stellen sich Symptome ein: Kopfschmerzen, Schwindel, Bewusstseinstörungen. Bei 30-40% Luftnot und evtl. Bewusstlosigkeit, Gefahr des Kreislaufzusammenbruchs. Ab 60-70% Lebensgefahr, der Tod erfolgt durch inneres Ersticken. Nitrostigmin/Sarin: Inhibition der Acetylcholinesterase (spaltet Acetylcholin mithilfe von H2O zu Acetat und Cholin)  Muskelschwäche, Tod 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

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

Enzymregulation / Enzymhemmung Kompetitive Hemmung hier konkurriert das Substrat mit dem Hemmstoff um die Bindung an das Aktive Zentrum des Enzyms. Beide können nicht gleichzeitig an das Enzym binden. Der Inhibitor ist im Gegensatz zum Substrat aber nicht enzymatisch umsetzbar und stoppt dadurch die Enzymarbeit. Zunehmende Konzentrationen des Inhibitors führen zu einer zunehmenden Verdrängung des Substrats und damit zu einer Verminderung der Enzymaktivität. Eine Erhöhung der Substratkonzentration dreht diesen Vorgang um und ermöglicht eine vermehrte Substratumsetzung. z.B. Die Succinat-Dehydrogenase (Enzym des Citratcyclus, das Succinat in Fumarat umwandelt) wird kompetitiv durch Malonat gehemmt, das strukturell dem Succinat ähnelt, aber nicht dehydriert wird. 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

Unkompetitive Hemmung Bindung des Hemmstoffes verhindert die katalytische Umsetzung des Substrates zum Produkt. Der Hemmstoff kann ausschließlich an den Enzym-Substratkomplex binden, nicht an das freie Enzym. Er verhindert nicht die Substratbindung. 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. 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

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

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 Unterschied Isosterie – kompetitive Hemmung: Begriffe aus völlig verschiedenen Bereichen. Die Sache mit der Kompetition bezieht sich nur darauf, ob man mit Substratzugabe die Hemmwirkung aufheben kann oder nicht. Die Allosterie/Isosterie-Einteilung betrachtet dagegen nur den molekularen Angriffsort. Klappt nicht, wenn t.b. ein isosterischer Hemmstoff so fest an das Aktive Zentrum binden (irreversibel), dass er auch durch Unmengen an Substrat nicht mehr aus seiner Bindung zu vertreiben ist. 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. Viel Enzyme besitzen Bereiche am Molekül, die als „Schalter“ fungieren können. Da sich der Bereich außerhalb des Aktiven Zentrums befindet, hat der Stoff, der dort binden und die Schaltfunktion übernehmen kann, meist keine Ähnlichkeit zum Substrat (das ja im aktiven Zentrum bindet). Dies kann sowohl zur Hemmung aber auch zu einer Förderung der enzymatischen Aktivität führen. Meist handelt es sich um eine Hemmung, weshalb man oft auch von allosterischen Hemmstoffen spricht. Bei der als Endprodukt-Hemmung (Feedback-Hemmung) bekannten Regulation wirkt das Endprodukt eines Stoffwechselweges als allosterischer Inhibitor des ersten Enzyms desselben Weges. Damit wird verhindert, dass sich Zwischen-/Endprodukte einer Biosynthesekette anhäufen. z.B. Synthese von Arginin/Prolin aus Glutaminsäure 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

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. 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

Enzymregulation / Enzymhemmung Kooperativität 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 phosphat-übertragende Enzyme 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

Enzymregulation / Enzymhemmung z.B eine elegante Form ganze Stoffwechselwege gleichzeitig zu regulieren: so sind alle Enzyme der Glykolyse (Zuckerabbaus) in dephosphorylierter Form aktiv, diejenigen der Glukoneogenese (Zuckerneubildung) inaktiv, es wird also Zucker abgebaut und keiner neu gebildet (was ja, z.B. nach der Nahrungsaufnahme auch sinnvoll ist). Durch die Phosphorylierung kann das ganze jetzt umgedreht werden, es wird kein Zucker mehr abgebaut, jedoch neuer gebildet. Sonst findet Interkonvertierung vorallem dort statt, wo Hormone in die Stoffwechselregulation eingreifen. 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 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. Für die Regulierung gibt es verschiedene Mechanismen und alle sind stark vom Einfluss der Umwelt, in der der Organismus wächst, beeinflusst. Besonders vom Vorhandensein oder Fehlen von bestimmten Molekülen. 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

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. 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

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. 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

Enzymregulation / Enzymhemmung 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung

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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., 2002 http://de.wikipedia.org & http://en.wikipedia.org (18.01.2006, 16:30 Uhr) 23. Januar 2006 Enzymregulation / Enzymhemmung