Enzym: Nomenklatur, chemische Natur und Mechanismus

Enzym: Nomenklatur, chemische Natur und Mechanismus!

Eine der wichtigsten Funktionen von Proteinen in lebenden Zellen besteht darin, als Enzyme zu fungieren.

Das Wort "Enzym" wurde erstmals 1878 von Kuhne eingeführt. Es stammt aus dem griechischen Wort "Enzym" (Gr. En-in, Zyme-Sauerteig), was "in Hefe" bedeutet.

Im Jahr 1896 gelang es Buchner, aus den Hefezellen eine Substanz zu extrahieren, die in der Fermentation aktiv war. Diese Substanz wurde später Zymase genannt und stellt einen Teil des an der Fermentation beteiligten Enzymsystems dar. Im Jahr 1926 isolierte Professor JB Sumner mit Hilfe von Aceton das Enzym Urease in kristalliner Form aus Jackbohnen.

Definition:

Ein Enzym kann als komplexer biologischer Katalysator definiert werden, der von einem lebenden Organismus in seinen Zellen produziert wird, um die verschiedenen physiologischen Prozesse des Körpers zu regulieren. Enzyme, die außerhalb der lebenden Zellen funktionieren, werden Exoenzyme genannt, z. B. Enzyme, die in Verdauungssäften vorhanden sind, Lysozym von Tränen. Enzyme, die in lebenden Zellen funktionieren, sind als Endozyme bekannt, z. B. Enzyme des Krebszyklus, Enzyme der Glykolyse usw.

Die Substanz, auf die ein Enzym wirkt, wird als "Substrat" ​​bezeichnet. Im Allgemeinen wird das Enzym selbst nach dem Substrat benannt, indem das Suffix "ase" zu dem Substrat hinzugefügt wird. So sind Proteasen zum Beispiel eine Gruppe von Enzymen, die auf Proteine ​​einwirken, Lipasen sind eine Gruppe von Enzymen, die auf Lipidsubstanzen wirken, und Maltase ist der Name eines Enzyms, das auf Maltose wirkt.

Manchmal gibt der Name eines Enzyms die Art der Reaktion an, die es hervorruft. Zum Beispiel bewirkt Invertase, die Saccharose in Glucose und Fructose zerlegt, eine Inversion (dies ist ein Prozess, bei dem das Rohmaterial, das einen Typ einer optischen Drehung zeigt, Endprodukte ausgibt, die den entgegengesetzten Typ der optischen Drehung zeigen).

Nomenklatur:

Eine Überprüfung der Enzymnomenklatur zeigt, dass es in vielen Fällen sowohl inkonsistent als auch irreführend ist. Es fehlt auch nicht an Fällen, wo verschiedene Biochemiker das gleiche Enzym mit unterschiedlichen Namen benannten. Diese Anomalie wurde von der Internationalen Kommission für Enzyme in ihrem Bericht von 1961 aufgehoben.

Die Kommission erkannte an, dass jedes Enzym aus Folgendem bestehen sollte: (1) Name des Substrats und (2) einem Wort mit der Endung "ase", in dem eine Art katalytischer Reaktion wie bei Succin-Dehydrogenase, Pyruvat-Transaminase, angegeben ist. Diese Nomenklatur ist präzise und systematisch, obwohl sie in manchen Fällen lang ist und sich die Zunge verdreht. Aus diesem Grund werden die Trivialnamen mit offiziellen Sanktionen beibehalten, jedoch nur unter Bezugnahme auf ihre systematischen Namen.

Das moderne System der Enzymklassifizierung wurde 1961 von der International Union of Biochemistry (IUB) eingeführt. Es gruppiert Enzyme in die folgenden sechs Kategorien.

1. Oxidoreduktasen:

Sie nehmen an Oxidations- und Reduktionsreaktionen oder dem Transfer von Elektronen teil. Es gibt drei Arten von Oxidoreduktasen: Oxidasen, Dehydrogenasen und Reduktasen, z. B. Cytochromoxidase (oxidiert Cytochrom), Succinatdehydrogenase, Nitratreduktase.

2. Transferases:

Sie übertragen eine Gruppe von einem Molekül auf ein anderes, z. B. Glutamat-Pyruvat-Transaminase (transferiert die Aminogruppe während der Alaninsynthese von Glutamat zu Pyruvat). Der Transfer der chemischen Gruppe findet im Freistaat nicht statt.

3. Hydrolasen:

Sie zerlegen große Moleküle mit Hilfe von Wasserstoff- und Hydroxylgruppen von Wassermolekülen in kleinere Moleküle. Das Phänomen wird als Hydrolyse bezeichnet. Zu dieser Gruppe gehören Verdauungsenzyme, z. B. Amylase (Hydrolyse von Stärke), Sucrase und Lactase.

4. Lyasen:

Die Enzyme bewirken eine Spaltung, Entfernung von Gruppen ohne Hydrolyse, Anlagerung von Gruppen an Doppelbindungen oder Umkehrung, z. B. Histidin-Decarboxylase (bricht Histidin zu Histamin und CO 2 ), Aldolase (Fructose-1, 6-diphosphat zu Dihydroxyacetonphosphat und Glyceraldehydphosphat) ).

5. Isomerasen:

Die Enzyme bewirken eine Umlagerung der Molekülstruktur, um isomere Änderungen zu bewirken. Es gibt drei Arten von Isomerasen (Aldose zu Ketose-Gruppe von umgekehrt wie Glucose-6-phosphat zu Fructose-6-phosphat), Epimerasen (Positionsänderung eines Bestandteils oder Kohlenstoffgruppe wie Xylulosephosphat zu Ribulosephosphat) und Mutasen (Shifting) die Position der Nebengruppe wie Glukose-Phosphat zu Glukose-L-Phosphat).

6. Ligasen:

(Synthetasen). Die Enzyme katalysieren die Bindung von zwei Chemikalien mit Hilfe von Energie, die aus ATP gewonnen wird, z. B. Phosphenolpyruvat-PEP-Carboxylase (kombiniert Phosphenolpyruvat mit Kohlendioxid, wobei Oxaloacetat unter Hydrolyse von ATP gebildet wird.)

Das moderne System der Enzymnomenklatur, das von der Internationalen Union für Biochemie (IUB) eingeführt wurde, sieht ein Verfahren vor, bei dem einem gegebenen Enzym vier Zahlen zugeordnet werden, wobei die erste Zahl die Hauptklasse angibt, in die das Enzym fällt, die zweite und die dritte die Unterklasse bzw. Unterklasse und die vierte ist die Seriennummer des Enzyms in seiner bestimmten Unterklasse; Die vier Zahlen sind durch Punkte getrennt.

So erhält die Malic-Dehydrogenase die Enzym-Provisionsnummer (Nr. 1) 1.1.1.37. Die erste 1 gibt an, dass das Enzym eine Oxidoreductase ist, die zweite 1 zeigt an, dass das Enzym auf die CH-OH-Gruppe von Donoren einwirkt, und die dritte 1 zeigt an, dass in der Reaktion, die das Enzym fördert, NAD oder NADP als Akzeptormolekül fungiert, 37 Die letzte Nummer in der diesem Enzym angegebenen Seriennummer ist die Gruppe, die durch Eigenschaften gekennzeichnet ist, die in 1.1.1 angegeben sind.

Chemische Natur von Enzymen:

Alle Enzyme sind von Natur aus proteinhaltig (Sumner, 1926), mit Ausnahme kürzlich entdeckter RNA-Enzyme. Einige Enzyme können zusätzlich eine Nichtproteingruppe enthalten.

Aufgrund der Unterschiede in der chemischen Natur können die Enzyme wie folgt beschrieben werden:

(i) einfache Enzyme:

Einige Enzyme sind einfache Proteine, dh sie ergeben bei der Hydrolyse nur Aminosäuren. Verdauungsenzyme wie Pepsin, Trypsin und Chymotrypsin sind von dieser Art.

(ii) konjugierte Enzyme:

Es ist ein Enzym, das aus zwei Teilen besteht - einem Proteinteil namens Apoenzym (z. B. Flavoprotein) und einem Nichtproteinteil namens Cofaktor. Das vollständige Konjugatenzym, bestehend aus einem Apoenzym und einem Cofaktor, wird Holoenzym genannt.

Eine enzymatische Aktivität kann nur dann auftreten, wenn beide Komponenten (Apoenzym und Cofaktor) zusammen vorliegen. Der Cofaktor ist manchmal ein einfaches zweiwertiges Metallion (z. B. Ca, Mg, Zn, Co usw.) und manchmal eine organische Verbindung, die kein Protein ist. Einige Enzyme benötigen jedoch beide Arten von Cofaktoren. Wenn der Cofaktor fest an das Apoenzym gebunden ist, spricht man von einer prothetischen Gruppe.

Cytochrome sind zum Beispiel die Enzyme, die Porphyrine als ihre prothetischen Gruppen besitzen. Wenn der Cofaktor nicht mehr oder weniger permanent an das Apoenzym gebunden ist, sondern erst zum Zeitpunkt der Reaktion an das Apoenzym bindet, spricht man von einem Coenzym.

(iii) Metalloenzyme:

Die an enzymatischen Reaktionen beteiligten Metallkofaktoren sind sowohl einwertige (K + ) als auch zweiwertige Kationen (Mg ++, Mn ++, Cu ++ ). Diese können vom Enzym lose gehalten werden oder, wie in einigen Fällen, in die Zusammensetzung des Moleküls selbst eingehen. Wenn das Metall einen Teil des Moleküls bildet, wie Eisen von Hämoglobin oder Cytochrom, werden die Enzyme Metalloenzyme genannt.

(iv) Isoenzyme (Isoenzyme):

Zu einem bestimmten Zeitpunkt glaubte man, dass ein Organismus für einen bestimmten Schritt einer Stoffwechselreaktion nur ein einziges Enzym hat. Später wurde entdeckt, dass ein Substrat von einer Reihe von Varianten eines Enzyms, das das gleiche Produkt produziert, beeinflusst werden kann.

Die mehreren molekularen Formen eines Enzyms, die im selben Organismus vorkommen und eine ähnliche Substrataktivität aufweisen, werden als Isoenzyme oder Isozyme bezeichnet. Es ist bekannt, dass über 100 Enzyme Isoenzyme haben. So hat a-Amylase von Weizen-Endosperm 16 Isozyme, laktische Dehydrogenase 5 Isoenzyme beim Menschen, während Alkoholdehydrogenase 4 Isozyme Mais hat. Isoenzyme unterscheiden sich in Aktivitätsoptima und Hemmung.

Das am gründlichsten untersuchte Isozym ist die Milchsäure-Dehydrogenase (LDH), die in den Organen der meisten Wirbeltiere in fünf möglichen Formen vorkommt, wie durch elektrophoretische Stärkegel-Trennung beobachtet. Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Arten von LDH. Ein Typ, der durch relativ niedrige Pyruvatkonzentrationen stark gehemmt wird, überwiegt im Herzen und wird Herz-LDH genannt.

Die andere Art, die durch Pyruvat weniger leicht gehemmt wird, kommt in vielen Skelettmuskeln vor und wird daher als Muskel-LDH bezeichnet. Die Herz-LDH besteht aus 4 identischen Untereinheiten, die als H-Untereinheiten bezeichnet werden. Die Muskel-LDH besteht aus 4 identischen M-Untereinheiten. Die zwei Arten von Untereinheiten, H und M, haben unterschiedliche Aminosäurezusammensetzungen, Enzymkinetiken und immunologische Eigenschaften. Diese Untereinheiten ergeben in verschiedenen Kombinationen 5 Isoenzyme.

Sie sind daher für den Organismus bei der Anpassung an verschiedene Umgebungsbedingungen nützlich.

Mechanismus der Enzymwirkung:

Das Enzym fördert eine bestimmte Reaktion, bleibt aber selbst am Ende der Reaktion unverändert. Im Jahr 1913 schlugen Michaelis und Menten vor, dass während der enzymatischen Aktivität ein intermediärer Enzym-Substrat-Komplex gebildet wird. Das folgende Schema kann geschrieben werden, um das Konzept zu veranschaulichen:

Enzyme sind biologische Katalysatoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit durch Veränderung der kinetischen Eigenschaften beschleunigen. Somit übt das Enzym (E) seine katalytische Rolle auf dem Substrat (S) aus, indem es durch eine reversible Reaktion einen Enzym-Substrat-Komplex (ES) bildet, wobei K 1 die Geschwindigkeitskonstante für die Bildung von ES und K 2 die Geschwindigkeit ist Konstante für die Dissoziation von ES zu E und S.

Nach der Bildung von ES wird das Substrat (S) in die Produkte umgewandelt, wodurch das Enzym (E) zur weiteren Kombination mit mehr Substrat verfügbar ist. Die Umwandlungsrate von ES zu den Reaktionsprodukten kann durch die Konstante K 3 angegeben werden .

Jede enzymkatalysierte Reaktion hat einen charakteristischen K m -Wert, die Michalies-Menten-Konstante, die ein Maß für die Neigung des Enzyms und des Substrats ist, sich miteinander zu verbinden.

Auf diese Weise ist der K m -Wert ein Index der Affinität des Enzyms für sein spezielles Substrat. Je höher die Affinität eines Enzyms für sein Substrat ist, desto niedriger ist der K m -Wert.

Enzyme reduzieren die Aktivierungsenergie:

Aktivierungsenergie ist die minimale Energiemenge, die ein Molekül benötigt, um an einer Reaktion teilzunehmen. Die Wirkung von Enzymen besteht darin, den Aktivierungsenergiebedarf zu senken, wodurch bei niedrigeren Temperaturen merkliche Reaktionsgeschwindigkeiten gefördert werden, als dies sonst möglich wäre.

Die katalytischen Standorte:

Enzyme sind im Vergleich zu den Substratmolekülen viel größer. In einem Enzymsubstrat steht das Substrat daher nur mit einer sehr kleinen Fläche der Enzymoberfläche in Kontakt. Dieser Teil des Enzyms, der Aminosäurereste und Peptidbindungen umfasst, die in physischem Kontakt mit dem Substrat stehen, aber für die katalytische Aktivität wesentlich sind, bildet zusammen eine aktive Stelle, die derzeit als katalytische Stelle bezeichnet wird.

Abgesehen von der katalytischen Stelle kann der Rest des Enzymmoleküls notwendig sein, um die korrekte dreidimensionale Konformation der katalytischen Stelle aufrechtzuerhalten, oder er kann nur ohne funktionelle Rolle dort sein.

Die Struktur einer katalytischen Stelle wurde in einigen Enzymen untersucht. Es ist entweder ein Spalt am Enzym wie bei Papain und Ribonuclease oder eine tiefe Grube wie bei der Carboanhydrase. Was auch immer die Form der katalytischen Stelle sein mag, es wird angenommen, dass das richtige Substrat an die katalytische Stelle bindet und einen Substrat-katalytischen Zentralkomplex erzeugt.

Der Begriff produktive Bindung wird häufig auf diesen Komplex angewendet. Bei der produktiven Bindung zeigen sowohl die Enzyme als auch die Substrate Konformationsänderungen mit einer Verringerung der Aktivierungsenergie, so dass das Substrat in ein Produkt umgewandelt wird.

Theorien der Enzymwirkung:

1. Sperr- und Schlüsselhypothese:

Der von Emil Fischer um 1884 erstmals angenommene Enzym-Substrat-Komplex unterstellte eine starre Verbindung zwischen den beiden. Der Teil des Enzyms, mit dem das Substrat (oder die Substrate) kombiniert wird, wenn es in ein Produkt umgewandelt wird, wird als aktives Zentrum bezeichnet.

Wenn das aktive Zentrum starr und für ein bestimmtes Substrat spezifisch wäre, würde die Reversibilität der Reaktion nicht auftreten, da sich die Struktur des Produkts von der des Substrats unterscheidet und nicht gut passen würde.

2. Induced-Fit-Theorie:

Im Gegensatz zu einem starr angeordneten aktiven Zentrum von Fischer fand Daniel E. Koshland (1973) Beweise dafür, dass das aktive Zentrum von Enzymen durch Annäherung des Substrats (oder Produkts) zu einer Konformationsänderung veranlasst werden kann, die eine bessere Kombination ermöglicht zwischen den beiden.

Diese Idee ist heute weithin als Induktionstheorie bekannt und wird im Folgenden veranschaulicht. Offensichtlich verändert sich auch die Struktur des Substrats in vielen Fällen der induzierten Anpassung, wodurch ein funktionellerer Enzym-Substrat-Komplex ermöglicht wird.

Eigenschaften von Enzymen:

1. Die katalytische Natur des Enzyms wurde bereits zuvor ausführlich erörtert.

2. Reversibilität:

Theoretisch sind alle enzymkontrollierten Reaktionen reversibel. Die Reversibilität hängt jedoch vom Energiebedarf, der Verfügbarkeit des Reaktanten, der Konzentration der Endprodukte und dem pH-Wert ab. Wenn das chemische Potenzial von Reaktanten im Vergleich zu dem der Produkte sehr hoch ist, kann die Reaktion aufgrund der chemischen Massenwirkungsgesetze nur auf die Produktbildung abzielen. Die meisten Decarboxylierungs- und Hydrolysereaktionen sind irreversibel.

Das gleiche Enzym erleichtert die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung einer Reaktion, wenn dies nur thermodynamisch möglich ist. Ein überzeugendes Beispiel zeigt sich in den Atmungswegen und der Photosynthese. Die Enzyme der Glykolyse und des Pentosephosphatweges dissimilieren Glukose. Einige dieser Enzyme wirken bei der Photosynthese in umgekehrter Richtung und bauen Glucose aus Kohlendioxid und Wasser auf.

3. Wärmeempfindlichkeit:

Alle Enzyme sind wärmeempfindlich oder thermolabil. Die meisten Enzyme arbeiten optimal zwischen 25 ° und 35 ° C. Sie werden bei Gefriertemperaturen inaktiv und bei 50 bis 55 ° C denaturiert. Eine Ausnahme bilden jedoch Thermoalgen und Bakterien. Ihre Enzyme bleiben auch bei 80 ° C funktionsfähig. Enzyme von Samen und Sporen werden auch bei 60 bis 70 ° C nicht denaturiert.

4. pH-empfindlich:

Jedes Enzym funktioniert bei einem bestimmten pH, z. B. Pepsin (2 pH), Sucrase (4–5 pH), Trypsin (8, 5 pH). Eine Änderung des pH-Wertes macht die Enzyme unwirksam.

5. Besonderheit der Maßnahmen:

Enzyme zeigen eine Spezifität gegenüber den Substraten, auf denen sie ihre katalytische Rolle ausüben. Diese einzigartige Eigenschaft der Enzyme wird bestimmt durch: (1) die strukturelle Konfiguration des Substratmoleküls, (2) die Konformation des Enzyms und (3) die aktiven oder katalytischen Stellen am Enzym. Die Substratspezifität von Enzymen ist zwei Arten: Gruppenspezifität und Stereospezifität.

Enzyme zeigen normalerweise Gruppenspezifität, dh sie greifen nur eine Gruppe chemisch verwandter Verbindungen an. Die Gruppenspezifität kann eine relative Gruppenspezifität sein, in welchem ​​Fall das Enzym auf einer Anzahl von homologen Substraten funktioniert.

So überträgt Hexokinase die Phosphatgruppe von ATP auf mindestens 23 Hexosen oder deren Derivate wie Glucose, Mannose, Fructose und Glucosamin. Einige der gruppenspezifischen Enzyme weisen eine absolute Gruppenspezifität auf, dh das Enzym wirkt nur auf eine einzelne Verbindung und nicht auf dessen Homologe. Mannose, Glucokinase und Fructokinase sind an der Phosphorylierung der Hexosen, Mannose, Glucose und Fructose beteiligt.

Enzyme zeigen auch Stereospezifität gegenüber dem Substrat, und es wird sowohl mit optischen als auch mit geometrischen Isomeren gezeigt.

(i) Wenn das Enzym eine optische Spezifität aufweist, wirkt es entweder auf das Dextro (D) - oder das Laevo (L) -Isomer der Verbindungen. Daher oxidiert D.-Aminosäure-Oxidase nur D.-Aminosäuren und L.-Aminosäure-Oxidasen reagieren nur mit L.-Aminosäuren.

(ii) Die geometrische Spezifität zeigt sich gegenüber den cis- und trans-Isomeren. Fumarsäure und Äpfelsäure sind zwei geometrische Isomere. Die Fumarsäurehydratase wirkt nur auf das trans-Isomer der Fumarsäure, nicht jedoch auf das Cis-Isomer Äpfelsäure.

6. Enzymhemmung:

Substanzen oder Verbindungen, die die Geschwindigkeit einer enzymkatalysierten Reaktion verringern, sind als Inhibitoren bekannt und das Phänomen wird als Enzymhemmung bezeichnet. Es gibt drei Arten von Hemmungen.

(i) kompetitive Hemmung:

Wenn eine Verbindung mit einem Substrat um das aktive Zentrum des Enzymproteins konkurriert und dadurch die katalytische Aktivität dieses Enzyms verringert, wird die Verbindung als kompetitiver Inhibitor angesehen. Die Inhibition durch solche strukturellen Analoga (Antimetaboliten genannt), die durch einfaches Hinzufügen von mehr Substrat zum Reaktionsgemisch aufgehoben wird, ist als kompetitive Inhibition bekannt.

Zum Beispiel oxidiert Succinat-Dehydrogenase leicht Bernsteinsäure zu Fumarsäure. Wenn steigende Konzentrationen an Malonsäure hinzugefügt werden, die in ihrer Struktur stark an Bernsteinsäure erinnern, nimmt die Aktivität der Succin-Dehydrogenase stark ab.

Die Hemmung kann nun durch Erhöhung der Konzentration des Substrats Bernsteinsäure umgekehrt werden. Das Ausmaß der Hemmung bei dieser Art der Hemmung steht in Beziehung zu (i) der Inhibitorkonzentration, (ii) der Substratkonzentration und den relativen Affinitäten des Inhibitors und des Substrats. Die Hemmwirkung ist reversibel.

Ob ein Inhibitor konkurrenzfähig ist oder nicht, lässt sich anhand des Lineiveaver-Burk-Plots feststellen. Kompetitive Inhibitoren verändern Km des Enzyms, weil sie die aktiven Stellen besetzen. Sie ändern jedoch nicht die V max oder die maximale Reaktionsgeschwindigkeit.

(ii) nicht kompetitive Hemmung:

Die Art der Hemmung, die durch Erhöhung der Substratkonzentration nicht rückgängig gemacht werden kann, wird als nicht kompetitive Hemmung bezeichnet. Der Inhibitor verbindet sich ziemlich stark mit einer anderen Stelle des Enzyms als der aktiven Stelle, und dieser Effekt wird durch einfaches Anheben der Substratkonzentration nicht überwunden.

Das Ausmaß der Hemmung bei dieser Art der Hemmung steht im Zusammenhang mit (a) der Inhibitorkonzentration und (b) der Inhibitoraffinität für das Enzym. Die Substratkonzentration hat keine Auswirkung auf dieses System, und nicht-kompetitive Inhibitoren verändern die V max und nicht die K m des Enzyms.

Cyanid, Azid und Schwermetall wie Silber, Quecksilber, Blei usw. sind einige Beispiele für nicht kompetitive Inhibitoren, die wesentliche Sulfhydrylgruppen oder die Metallkomponente der Enzyme kombinieren oder diese zerstören.

(iii) Rückkopplungshemmung (Endprodukt):

Wenn das Endprodukt einer Reaktion dazu dient, die Bildung eines eigenen Vorläufers zu verhindern, indem es die Wirkung des Enzyms hemmt, das die eigentliche Reaktion katalysiert, wird die Hemmung als Rückkopplungshemmung bezeichnet.

Die Hemmung der Umwandlung von A in B durch X wäre eine solche Hemmung. Hier dient X als letztes Produkt der Reaktion dazu, die Bildung eines seiner eigenen Vorläufer (B) zu verhindern, indem es die Wirkung des Enzyms a 'hemmt, das die Änderung von A nach B katalysiert.

In diesem Fall kann das Enzym "a" als Schrittmacher bezeichnet werden, da die gesamte Sequenz dadurch effektiv reguliert wird. Ein aktuelles Beispiel ist die Bildung von Cytidintriphosphat (CTP) aus Asparaginsäure und Carbamylphosphat in E. coli.

Wenn eine kritische Konzentration von CTP aufgebaut wird, verlangsamt das Triphosphat seine eigene Bildung, indem es das Enzym Aspartat-Transcarbamylase (ATCase) hemmt, das den Schrittmacher-Schritt seiner eigenen Synthese katalysiert. Wenn die Triphosphatkonzentration durch metabolische Verwendung ausreichend abgesenkt wird, wird die Inhibierung aufgehoben und die Synthese wird erneuert.

Faktoren, die die Enzymwirkung und die Enzymkinetik beeinflussen:

1. Enzymkonzentration:

Die Geschwindigkeit einer biochemischen Reaktion steigt mit dem Anstieg der Enzymkonzentration bis zu einem sogenannten Grenz- oder Sättigungspunkt. Darüber hinaus hat eine Erhöhung der Enzymkonzentration wenig Wirkung.

2. Substratkonzentration:

Die erste befriedigende mathematische Analyse des Einflusses der Substratkonzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit der enzymkatalysierten Reaktion wurde von Michaelis und Menten (1913) durchgeführt. Bei fester Enzymkonzentration führt eine Erhöhung des Substrats zunächst zu einem sehr schnellen Anstieg der Geschwindigkeit oder Reaktionsgeschwindigkeit.

Wenn die Substratkonzentration weiter ansteigt, verlangsamt sich jedoch die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit, bis bei einer großen Substratkonzentration keine weitere Änderung der Geschwindigkeit beobachtet wird. Die Geschwindigkeit der Reaktion, die bei dieser hohen Substratkonzentration erhalten wird, ist als die Maximalgeschwindigkeit (V m ) der enzymkatalysierten Reaktion unter den angegebenen Bedingungen definiert, und die anfängliche Reaktionsgeschwindigkeit, die bei Substratkonzentrationen unterhalb des Sättigungsniveaus erhalten wird, wird als V bezeichnet.

Die Substratkonzentration, die erforderlich ist, um die Hälfte der maximalen Geschwindigkeit (V m / 2) zu erhalten, kann leicht aus der obigen Abbildung bestimmt werden und ist eine wichtige Konstante in der Enzymkinetik. Sie definiert die Michaelis-Konstante oder K m . Mit anderen Worten, K ist als die Substratkonzentration definiert, wenn V = ½ Vm - Unter genau definierten Bedingungen für Temperatur, pH und Ionenstärke des Puffers nähert sich diese Konstante Km der Dissoziationskonstante eines Enzym-Substrat-Komplexes an. Der Kehrwert von K m oder 1 / K m nähert sich der Affinität eines Enzyms für sein Substrat.

Kinetik der Enzymwirkung:

Die Michaelis-Konstante K ist von erheblicher Bedeutung, da sie die Wirkungsweise eines Enzyms liefert, das eine Reaktion katalysiert. Es ist zu beachten, dass bei niedriger Substratkonzentration das Verhältnis von Geschwindigkeit zu Substrat nahezu linear ist und der Kinetik erster Ordnung gehorcht, dh die Reaktionsgeschwindigkeit A–> B ist direkt proportional zur Substratkonzentration [A].

V = K '[A] niedrig [Substrat]

Dabei ist V die beobachtete Reaktionsgeschwindigkeit bei der Konzentration [A] und K 'die spezifische Geschwindigkeitskonstante. Bei hoher Substratkonzentration ist die Reaktionsgeschwindigkeit jedoch maximal und unabhängig vom Substrat [A]; daher gehorcht es der Kinetik nullter Ordnung.

Vm = K 'sättigend [Substrat]

Die Michaelis-Menten-Gleichung, die diese Beziehung beschreibt und auch die Kurve zufriedenstellend erklärt, lautet wie folgt:

V = Vm [S] / Km + [S]

Wobei V = Anfangsreaktionsgeschwindigkeit bei gegebener Substratkonzentration [S]

Km = Michaelis-Konstante, Mol / Liter.

V m = maximale Geschwindigkeit bei gesättigten Substratkonzentrationen

[S] = Substratkonzentration in Mol / Liter

Die Bestimmung des Km einer Enzymreaktion durch die Michaelis-Menten-Gleichung ist in der Praxis schwierig. Ein Ergebnis dieser Gleichung, genannt Line-Weber-Burk-Diagramm, wird häufig für eine solche Bestimmung verwendet.

1. Temperatur:

Ein Enzym ist in einem engen Temperaturbereich aktiv. Die Temperatur, bei der ein Enzym seine höchste Aktivität zeigt, wird als optimale Temperatur bezeichnet. Oberhalb und unterhalb dieser Temperatur nimmt die Enzymaktivität ab. Als Katalysator zeigen sie eine erhöhte Reaktivität mit der Temperatur, aber ihre proteinartige Natur macht sie für thermische Denaturierung oberhalb der optimalen Temperatur anfällig.

2. pH:

Der pH-Wert, bei dem die maximale Enzymaktivität auftritt, variiert beträchtlich von einem Enzym zum anderen. Dies wird als pH-Optimum bezeichnet. Jede geringfügige Verschiebung in eine der beiden Richtungen verringert die Enzymaktivität erheblich. Da Enzyme Proteine ​​sind, beeinflussen pH-Änderungen normalerweise den ionischen Charakter der Amino- und Carbonsäuregruppen auf der Proteinoberfläche und beeinflussen daher die katalytische Natur eines Enzyms deutlich.

3. Hydratation:

Das Enzym funktioniert maximal unter der erhöhten kinetischen Aktivität des Substrats, da die kontinuierliche Phase höher ist. Deshalb haben die Samen mit geringem Wassergehalt eine minimale enzymatische Aktivität, obwohl die Substrate reichlich vorhanden sind. Beim Keimen steigt die Enzymaktivität jedoch stark an, was auf die Wasseraufnahme und die anschließende Förderung der kinetischen Aktivität von Substratmolekülen zurückzuführen ist.

Coenzyme:

In der Zellphysiologie werden viele enzymatische Reaktionen in Gegenwart von Coenzymen durchgeführt. Dies sind Verbindungen, die wie die Enzyme wirken, dh sie beschleunigen die biologischen Reaktionen, aber sie sind keine Proteine ​​wie die wahren Enzyme.

Definition:

Ein Coenzym kann als eine bestimmte Art von Cofaktor definiert werden, dh eine organische Verbindung, die kein Protein ist, oder ein Trägermolekül, das in Verbindung mit einem bestimmten Enzym wirkt.

Wenn der Cofaktor fest an das Apoenzym gebunden ist, spricht man von einer prothetischen Gruppe. und wenn der organische Cofaktor nicht mehr oder weniger permanent an das Apoenzym gebunden ist, sondern sich erst zum Zeitpunkt der Reaktion an das Enzymprotein bindet, spricht man von einem Coenzym.

In zellulären Prozessen werden manchmal Wasserstoffatome oder Elektronen aus einer Verbindung entfernt und auf eine andere übertragen. In allen diesen Fällen katalysiert ein spezifisches Enzym die Entfernung, es muss jedoch auch ein spezifisches Coenzym vorhanden sein, um die Übertragung durchzuführen. Das Coenzym schließt sich vorübergehend an oder nimmt die entfernte Atomgruppe an und kann diese anschließend an eine andere Akzeptorverbindung übergeben.

Chemische Natur von Coenzymen:

Die Mehrheit der Coenzyme sind chemische Derivate der Nukleotide. In den meisten Coenzymen wird der Stickstoffbasenanteil der Nukleotide durch eine andere chemische Einheit ersetzt. Diese Einheit selbst ist normalerweise eine Ableitung eines bestimmten Vitamins. Die folgenden Coenzyme sind in der Zellphysiologie wichtig.

(i) Flavin-Derivate oder Flavin-Nukleotide (FMN und FAD)

(ii) Pyridinderivate oder Pyridinnukleotide (NAD und NADP).

(iii) Coenzym A

(iv) Coenzym Q

(iv) Cytochrome

(vi) Thiaminpyrophosphat

Hier werden nur zwei Coenzyme beschrieben.

1. Flavin-Nukleotide oder Flavoproteine:

Eine große Gruppe von Atmungsenzymen verwendet als Cofaktor eines der beiden Derivate des Riboflavins (Vitamin B 2 ). Sie sind Flavinmononukleotid (FMN) und Flavinadeninnukleotid (FAD).

Struktur:

Riboflavin ist eine Verbindung, die aus einem Riboseprotein und einem Flavinanteil besteht, wobei der letztere eine komplexe Dreifachringstruktur ist. In Zellen ist eine Phosphatgruppe an Riboflavin gebunden, was zu einem Nukleotid-ähnlichen Komplex führt, der als Flavinmononukleotid (FMN) oder Riboflavinmonophosphat bekannt ist. Wenn FMN sich mit AMP verbindet, wird ein Dinukleotid gebildet, das als Flavinadenindinukleotid (FAD) bekannt ist.

Funktionen:

Die Kombination von FMN oder FAD mit einem Apoenzym wird Flavoprotein (FP) genannt. Flavoproteine ​​katalysierten die Entfernung von Hydridionen (H - ) und Hydrozenionen (H + ) aus einem Metaboliten. In diesen Coenzymen ist es der Flavin-Teil des Moleküls, der den spezifischen Ort für die temporäre Anlagerung von Wasserstoff bereitstellt.

FMN + MH 2 -> FADH 2 + M

FMN + MH 2 -> FMNH 2 + M

In dieser Reaktion stellt MH ein Substrat dar, FADH ist die reduzierte Form von FAD und FMNH 2 ist die reduzierte Form von FMN. Eine wichtige Wasserstoffquelle für diese Reaktion ist das reduzierte Pyridinnucleotid.

H + + NADH + FAD -> NAD + + FADH 2

In allen Fällen geben reduzierte Flavoproteine ​​ihre Elektronen an die Cytochrome weiter.

2. Coenzym Q:

Dieses Enzym ist ein Chinon, bekannt als Ubichinon, und wird hauptsächlich in den Mitochondrien, aber auch in Mikrosomen und Zellkernen usw. gefunden.

Struktur:

Das Coenzym Q oder Ubichinon besteht aus einem Chinon mit einer Seitenkette, deren Länge mit der Quelle der Mitochondrien variiert. In den meisten tierischen Geweben besitzt das Chinon 10 Isoprenosideinheiten in seiner Seitenkette und wird als Coenzym Q 10 bezeichnet .

Funktion:

Das Coenzym Q ist ein notwendiger Bestandteil der Elektronentransportkette in den Mitochondrien. Es dient als zusätzlicher Wasserstoffträger zwischen den Flavin-Coenzymen (FAD und FMN) und den Cytochromen.

Q + FADH 2 -> QH 2 + FAD

Reduziert (QH 2 ) überträgt seine Elektronen zu Cytochrom b in den Mitochondrien.