2020_Spring_Bis2a_Facciotti_Lecture_08 - Biologie

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Lernziele im Zusammenhang mit 2020_Spring_Bis2a_Facciotti_Lecture_08

Verstehen Sie, wie Sie die Gleichung ΔG = ΔH - TΔS verwenden und erklären Sie, was die einzelnen Terme bedeuten.
Interpretieren Sie Reaktionskoordinatendiagramme und verknüpfen Sie Änderungen der Gibbs-Enthalpie und Aktivierungsenergie mit relativen Reaktionsgeschwindigkeiten, Gleichgewichtsbedingungen und ob eine Reaktion endergonisch oder exergonisch ist.
Interpretieren Sie Reaktionskoordinatendiagramme, die eines oder beide katalysierten undunkatalysiertReaktionskoordinaten und identifizieren entsprechende Aktivierungsenergiebarrieren und setzen diese in Beziehung zu den Vorwärts- und Rückwärtsreaktionsgeschwindigkeiten.
Beschreiben Sie die Beziehung zwischen freier Energie und chemischem Gleichgewicht mithilfe der Gleichung ∆G° = -RTlnKeq, wobei Sie explizit geeignete „Anfangs-“ und „End“-Zustände aufrufen (wie in einer Energiegeschichte).
Interpretieren Sie eine biochemische Transformation und sagen Sie vorausob oder nichtdie Reaktion ist spontan, wenn ein Reaktionskoordinatendiagramm der Gibbs-Enthalpie (Energie) verwendet wird.
Beschreiben Sie den Begriff des Gleichgewichts inder Kontext vonReaktionskoordinatendiagramme.
Beschreiben Sie Mechanismen, die von Enzymen verwendet werden, um die Aktivierungsenergie zu senken und die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.
Zeichnen Sie eine grobe Skizze eines Enzyms einschließlich seines aktiven Zentrums und anderer Stellen im Enzym, die seine Funktion beeinträchtigen könnten, wie z. B. eine Inhibitor-Bindungsstelle.
Stellen Sie eine Hypothese auf, wie die Bindung kleiner Moleküle an eine oder mehrere Bindungstaschen zu Veränderungen der Proteinfunktion führen kann (d. h. kompetitive Hemmung und/oder Allosterie).
Beschreiben Sie allgemein die funktionelle Verbindung zwischen Cofaktoren, Coenzymen und ihren assoziierten Proteinen.

Endergone und exergonische Reaktionen

Jedes Molekülsystem, das eine physikalische Transformation/Reorganisation durchmacht (auch bekannt. Wenn wir eine einzelne isolierte Reaktion untersuchen, bei der einzelne Reaktanten in einzigartige Produkte umgewandelt werden, hängt die Gibbs-Energie des Systems von mehreren Faktoren ab, darunter (a) die internen Energie- und Entropieunterschiede, die mit den molekularen Umlagerungen verbunden sind und (b ) den Grad, in dem die Reaktion nicht im Gleichgewicht ist.

Betrachten wir der Einfachheit halber zunächst nur den Beitrag der Molekülumwandlungen im System zu ∆G, so schließen wir, dass bei Reaktionen mit ∆G < 0 die Reaktionsprodukte weniger Gibbs-Energie haben als die Reaktanten. Da ∆G die Differenz zwischen den enthalpie- und temperaturskalierten Entropieänderungen in einer Reaktion ist, kann ein Netto-negatives ∆G durch weitgehende Änderungen der Enthalpie, der Entropie oder meistens beider entstehen. Das linke Feld von Abbildung 1 unten zeigt eine allgemeine grafische Darstellung von an exergonisch Reaktion. Diese Grafikwird genanntein Reaktionskoordinatendiagramm. Es trägt die Gibbs-Energie auf der y-Achse und die x-Achse in willkürlichen Einheiten zeigt den Fortschritt einer Reaktion. Bei einer exergonischen Reaktion zeigt die linke Abbildung zwei wichtige Dinge: (1) die Differenz zwischen der freien Energie der Reaktanten und Produkte ist negativ und (2) der Reaktionsverlauf erfordert eine gewisse Zufuhr von freier Energie (dargestellt als an Energie "Hügel" oder Barriere). Dieser Graph sagt uns nicht, wie die Energie im Systemneu verteilt, nur dass die Differenz zwischen Enthalpie und temperaturskalierter Entropie negativ ist. ExergonischReaktionensind gesagtspontan auftreten. Zu verstehen, welche chemischen Reaktionen spontan sind, ist für Biologen nützlich, die versuchen zu verstehen, ob eine Reaktion wahrscheinlich "abläuft" oder nicht.

Es ist wichtig anzumerken, dass der Begriff „spontan“ – in der Thermodynamik – nichts darüber impliziert, wie schnell die Reaktion abläuft. Die Änderung der freien Energie beschreibt nur den Unterschied zwischen Anfangs- und Endzustand, NICHT wie schnell dieser Übergang stattfindet. Dies steht im Widerspruch zum alltäglichen Gebrauch derBegriffdie normalerweise das implizite Verständnis mit sich bringt, dass etwas schnell passiert. Als Beispiel ist die Oxidation/Rosten von Eisen eine spontane Reaktion. Ein Eisennagel, der der Luft ausgesetzt ist, rostet jedoch nicht sofort – es kann Jahre dauern.

Eine chemische Reaktion mit positivem ∆G bedeutet, dass die Reaktionsprodukte eine höhere freie Energie aufweisen als die Reaktanten (siehe rechte Tafel in Abbildung 1). Diese chemischen Reaktionenwerden genanntendergonische Reaktionen, und sie sind NICHT spontan. Eine endergonische Reaktion wird nicht von selbst ablaufen, ohne Energie in die Reaktion zu übertragen oder die Entropie an anderer Stelle zu erhöhen.

Abbildung 1. Reaktionskoordinatendiagramme von exergonen und endergonischen Reaktionen. Exergone und endergonische Reaktionensind gekennzeichnetdurch Änderungen der Gibbs-Energie. Im Gleichgewichtszustand einer exergonischen Reaktion ist die Gibbs-Energie der Produkte niedriger als die der Reaktanten. Währenddessen ist der Gleichgewichtszustand einer endergonischen Reaktionin,die Gibbs-Energie der Produkte ist höher als die der Reaktanten. Namensnennung:Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Der Aufbau komplexer Moleküle wie Zucker aus einfacheren ist ein anaboler Prozess und ist endergonisch.Auf der anderen Seite ist diekatabole Prozesse, wie der Abbau von Zucker in einfachere Moleküle, sind exergonisch. Wie das obige Beispiel für Rost, während der Abbau von Biomolekülenallgemeinspontan, diese Reaktionen brauchen nichtpassierensofort(schnell). Denken Sie daran, dass sich die Begriffe endergonisch und exergonisch nur auf den Unterschied in der Gibbs-Energie zwischen den Produkten und Reaktanten beziehen; sie sagen dir nichts über die Reaktionsgeschwindigkeit (wie schnell sie passiert).Ratewird besprochen werdenin späteren Abschnitten.

Ein wichtiges Konzept bei der Untersuchung von Stoffwechsel und Energie ist das des chemischen Gleichgewichts. Die meisten chemischen Reaktionen sind reversibel. Sie können in beide Richtungen vorgehen, wobei sie oft Energie in eine Richtung in ihre Umgebung und Energie in eine Richtung übertragenvondie Umgebung in die andere Richtung. Gleiches gilt für die chemischen Reaktionen des Zellstoffwechsels, wie den Auf- bzw. Aufbau von Proteinen in bzw. aus einzelnen Aminosäuren. Reaktanten innerhalb eines geschlossenen Systems gehen chemische Reaktionen in beide Richtungen ein, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht istist erreicht. Gleichgewicht in einer chemischen Reaktion ist der Zustand, in dem sowohl Edukte als auch Produkte in Konzentrationen vorliegen, die sich im Laufe der Zeit nicht mehr ändern. Normalerweise entsteht dieser Zustand, wenn die Hinreaktion mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Rückreaktion abläuft. BEACHTEN SIE DIESE LETZTE ERKLÄRUNG! Gleichgewicht bedeutet, dass sich die relativen Konzentrationen von Reaktanten und Produkten nicht mit der Zeit ändern, ABER es bedeutet NICHT, dass keine Umwandlung zwischen Substraten und Produkten stattfindet – es bedeutet nur, dass wenn der Reaktant(S)werden umgewandeltzum Produkt(s) dieses Produkt(S)werden umgewandeltReaktant(s) in gleichem Maße (siehe Abbildung 2). Der Gleichgewichtszustand ist auch einer der niedrigstenmöglichfreie Energiezustände für die Reaktion und ist ein Zustand maximaler Entropie.

Wenn eine Reaktionwird gehaltenoder weit aus dem Gleichgewicht geraten ist, trägt dieser Zustand des Systems auch zur gesamten Gibbs-Energie einer Reaktion bei. Entweder ein Ausgleich der Substrat- oder Produktkonzentrationen (durch Hinzufügen oder Entfernen von Substrat oder Produkt) oder eine positive Änderung der freien Energie, typischerweise umder Transfer vonEnergie von außerhalb der Reaktion, kann eine Reaktion in einen Zustand außerhalb des Gleichgewichts bringen. Beachten Sie, dass die meisten chemischen Reaktionen in einer lebenden Zelle keinen Gleichgewichtszustand erreichen – dies würde erfordern, dass sie ihren niedrigsten freien Energiezustand erreichen, einen Zustanddasist fast per Definition mit dem Leben unvereinbar.Daher wird Energie benötigtbiologische Reaktionen aus ihrem Gleichgewichtszustand herauszuhalten. Auf diese Weise befinden sich lebende Organismen in einem ständigen, energieintensiven, harten Kampf gegen Gleichgewicht und Entropie. Dies bedeutet auch, dass die Gibbs-Energie der meisten biologischen Reaktionen, wie sie in der Zelle ablaufen, auch einen Beitrag aus diesem Zustand außerhalb des Gleichgewichts enthalten muss. Die Gibbs-Energie dieser Reaktionen weicht daher oft von der unter Standardbedingungen berichteten ab.

Figur 2. Denken Sie im Gleichgewicht nicht an ein statisches, unveränderliches System. Stellen Sie sich stattdessen Moleküle vor, die sich in gleichen Mengen von einem Bereich zum anderen bewegen. Hier, im Gleichgewicht, bewegen sich die Moleküle immer noch von links nach rechts und von rechts nach links. Die Nettobewegung ist jedoch gleich. Auf jeder Seite dieses Kolbens befinden sich noch etwa 15 Moleküle, wenn das Gleichgewicht erreicht ist. Quelle: https://courses.candelalearning.com/...Apter/Entropie/

Katalysatoren

Damit eine chemische Reaktion stattfinden kann, müssen sich die Reaktanten zunächst im Weltraum finden. Chemikalien in Lösung "planen" diese Kollisionen nicht; sie passieren zufällig. Tatsächlich ist es meistens sogar noch komplizierter. Die Reaktanden müssen nicht nur ineinander laufen, sondern auch in einer bestimmten Orientierung in Kontakt treten. Wenn die Reaktanten sehr verdünnt sind, ist die Reaktionsgeschwindigkeit langsam – Kollisionen werden selten vorkommen. Eine Erhöhung der Konzentrationen erhöht die Rate der produktiven Kollisionen. Eine andere Möglichkeit, die Reaktionsgeschwindigkeit zu ändern, besteht darin, die Kollisionsgeschwindigkeit zu erhöhen, indem die Geschwindigkeit erhöht wird, mit der die Reaktanten den Reaktionsraum erkunden – durch Erhöhung der Geschwindigkeit der Moleküle oder ihrer kinetischen Energie. Das kannerreicht werdenB. durch Wärmeübertragung in das System oder Temperaturerhöhung. Diese beiden Strategien sind oft geeignet, um die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen in einem Rohr zu erhöhen. In der Zelle ist die Wärmeübertragung jedoch möglicherweise nicht praktikabel, da dies zelluläre Komponenten beschädigen und zum Tod führen kann. Zellen verwenden manchmal Mechanismen, um die Konzentrationen von Reaktanten zu erhöhen (wir werden einige Beispiele unten sehen), aber dies reicht selten aus, um die Reaktionsgeschwindigkeit in einem biologisch relevanten Regime zu steigern. Hier kommen Katalysatoren ins Spiel.

EIN Katalysator ist etwas, das dazu beiträgt, die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion zu erhöhen, die sich selbst nicht ändert. Sie können sich einen Katalysator als chemisches Veränderungsmittel vorstellen.

Die wichtigsten Katalysatoren in der Biologiewerden genanntEnzyme. Ein Enzym ist ein Proteinkatalysator. Andere zelluläre Katalysatoren umfassen Moleküle, die Ribozyme genannt werden. EIN Ribozym ist ein Katalysator, der aus einer Ribonukleinsäure (RNA) besteht. Beide werdendiskutiert seinspäter im Kurs genauer. Wie alle Katalysatoren wirken Enzyme, indem sie das Energieniveau senken, das benötigt wirdübertragen werdenrotin eine chemische Reaktion, um dies zu ermöglichen. Eine chemische Reaktion Aktivierungsenergie ist der „Schwellenwert“ der Energie, die benötigt wird, um die Reaktion zu starten.

Abbildung 1. Enzyme und andere Katalysatoren verringern die Aktivierungsenergie, die zum Starten einer bestimmten chemischen Reaktion erforderlich ist. Ohne Enzym (links) ist der Energieaufwand für den Beginn einer Reaktion hoch. Mit Hilfe eines Enzyms (rechts) braucht die la-Reaktion weniger EnergiezuStart. Namensnennung:Marc T. Facciotti (Originalwerk)

In der Abbildung oben, Was glauben Sie, sind die Einheiten auf der x-Achse? Die Zeit wäre eine Vermutung. Vergleicht man jedoch die Zahlen, so scheint es, dass die Produkte gleichzeitig gebildet werden, unabhängig davon, ob die Aktivierungsenergiebarriere hoch oder niedrig ist. War es nicht der Sinn dieser Abbildung, zu veranschaulichen, dass Reaktionen mit hohen Aktivierungsenergiebarrieren langsamer sind als solche mit niedrigen Aktivierungsenergiebarrieren? Was ist los?

Übersicht über den Abschnitt „Enzyme“

Enzyme sind biologische Katalysatoren, die chemische Reaktionen beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie senken. Enzyme sind Proteine, die eine oder mehrere Polypeptidketten umfassen. Enzyme haben ein aktives Zentrum, das eine einzigartige chemische Umgebung bietet, die aus bestimmten Aminosäure-R-Gruppen (Resten) besteht.

Diese einzigartige Umgebung ist gut geeignet

bestimmte chemische Reaktanten für dieses Enzym, die als Substrate bezeichnet werden, in instabile Zwischenstufen, die als Übergangszustände bezeichnet werden, umzuwandeln.

Enzyme und Substrate sind gedacht

mit einer induzierten Passform binden

was bedeutet, dass

Enzyme und Substrate unterliegen beim Substratkontakt leichten Konformationsanpassungen, was zur Bindung führt. Enzyme binden an Substrate und katalysieren Reaktionen auf vier verschiedene Arten: Substrate in optimaler Orientierung zusammenbringen,

Bindung

Strukturen von Substraten, damit Bindungen

leichter kaputt gehen

, die optimale Umgebungsbedingungen für das Auftreten einer Reaktion bieten oder direkt an ihrer chemischen Reaktion teilnehmen, indem sie vorübergehende kovalente Bindungen mit den Substraten bilden.

Enzymwirkung muss

reguliert werden

so dass in a

gegeben

Zelle bei a

gegeben

Zeit werden die gewünschten Reaktionen katalysiert und die unerwünschten Reaktionen nicht. Enzyme

sind geregelt

durch zelluläre Bedingungen, wie Temperatur und pH.

Sie sind auch reguliert

durch ihre Lage innerhalb einer Zelle, manchmal so unterteilt

das

sie können nur unter bestimmten Umständen Reaktionen katalysieren. Die Hemmung und Aktivierung von Enzymen durch andere Moleküle sind weitere wichtige Möglichkeiten, wie Enzyme

sind geregelt

. Inhibitoren können kompetitiv, nicht kompetitiv oder allosterisch wirken; nichtkompetitive Inhibitoren sind in der Regel allosterisch. Aktivatoren können auch die Funktion von Enzymen allosterisch verstärken. Die gebräuchlichste Methode, mit der Zellen die Enzyme in Stoffwechselwegen regulieren, ist die Rückkopplungshemmung. Während der Rückkopplungshemmung dienen die Produkte eines Stoffwechselwegs als Inhibitoren (normalerweise allosterisch) eines oder mehrerer Enzyme (normalerweise das erste festgelegte Enzym des Stoffwechselwegs), die an dem Stoffwechselweg beteiligt sind, der sie produziert.

Enzyme

Eine Substanz, die das Auftreten einer chemischen Reaktion unterstützt, ist a Katalysator, und die speziellen Moleküle, diekatalysierenbiochemische Reaktionenwerden genanntEnzyme. Fast alle Enzyme sind Proteine, die aus Aminosäureketten bestehen und die entscheidende Aufgabe erfüllen, die Aktivierungsenergien chemischer Reaktionen innerhalb der Zelle zu senken. Enzyme tun dies, indem sie sich an die Reaktantenmoleküle binden und sie so halten, dass die chemischen Bindungsbruch- und Bindungsbildungsprozesse leichter ablaufen. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass Enzyme das ∆G einer Reaktion nicht verändern. Sie ändern nicht, ob eine Reaktion exergonisch (spontan) oder endergonisch (nicht spontan) ist. Dies liegt daran, dass sie die freie Energie der Reaktanten oder Produkte nicht ändern. Sie reduzieren nur die Aktivierungsenergie, die erforderlich ist, um den Übergangszustand zu erreichen.

Abbildung 1. Enzyme senken die Aktivierungsenergie der Reaktion, ändern jedoch nicht die freie Energie der Reaktion. Hier zeigt die durchgezogene Linie in der Grafik die Energie, die erforderlich ist, damit Edukte ohne Katalysator zu Produkten werden. Die gestrichelte Linie zeigt die benötigte Energie bei Verwendung eines Katalysators. Diese Zahl sollte die Gibbs-Freie Energie auf der Y-Achse angeben und anstelle von deltaH sollte deltaG angegeben werden. Namensnennung:Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Spezifität des aktiven Zentrums des Enzyms und des Substrats

Die chemischen Reaktionspartner, an die ein Enzym bindet, sind die Substrate. Abhängig von der jeweiligen chemischen Reaktion können ein oder mehrere Substrate vorhanden sein. In einigen Reaktionen, aEinzelreaktantSubstratist kaputtin mehrere Produkte zerlegt. In anderen können zwei Substrate zusammenkommen, um ein größeres Molekül zu bilden. Zwei Reaktanten können auch eine Reaktion eingehen, beide werdengeändert,und verlasse die Reaktion als zwei Produkte. Die Stelle innerhalb des Enzyms, an der das Substrat bindetwird genanntdas Enzym aktive Seite. Der aktive Ort ist sozusagen der Ort, an dem die „Aktion“ stattfindet. Da Enzyme Proteine sind, gibt esist eine einzigartige Kombination ausAminosäurereste (auch Side genannt)Ketten,oder R-Gruppen) innerhalb des aktiven Zentrums. Jede Aminosäureseitenketteist charakterisiertdurch unterschiedliche Eigenschaften.Aminosäuren können klassifiziert werdenB. groß oder klein, schwach sauer oder basisch, hydrophil oder hydrophob, positiv oder negativ geladen oder neutral. Die einzigartige Kombination von Aminosäuren (ihre Positionen, Sequenzen, Strukturen und Eigenschaften) schafft eine sehr spezifische chemische Umgebung innerhalb des aktiven Zentrums.Diese spezielle Umgebung ist geeignetum, wenn auch kurz, an ein bestimmtes chemisches Substrat (oder Substrate) zu binden.Wegendiese puzzle-ähnliche Übereinstimmung zwischen einem Enzym und seinen Substraten (die sich anpasst, um die beste Anpassung zwischen dem Übergangszustand und dem aktiven Zentrum zu finden),Enzyme sind bekanntfür ihre Besonderheit. Der „best fit“ zwischen einem Enzym und seinen Substraten ergibt sich aus deren jeweiligen Formen und der chemischen Komplementarität der funktionellen Gruppen an jedem Bindungspartner.

Figur 2. Dies ist ein Enzym mit zwei verschiedenen Substraten, die im aktiven Zentrum gebunden sind.Die Enzyme sind vertretenals Blobs, außer dem aktivenSeite? ˅,die die drei R-Gruppen jeder der drei Aminosäuren im aktiven Zentrum zeigt. Diese R-Gruppen interagieren mit den Substraten durch Wasserstoffbrücken (dargestellt als gestrichelte Linien).

An diesem Punkt in der Klasse sollten Sie mit allenArten vonFesselnebenso gut wiedie chemischen Eigenschaften aller funktionellen Gruppen. Zum Beispiel ist die R-Gruppe von R180 in dem oben abgebildeten Enzym die Aminosäure Arginin (abgekürzt als R) und weist eine R-Gruppe auf, die mehrere funktionelle Aminogruppen umfasst. Aminofunktionelle Gruppen enthalteneinStickstoff (N) und Wasserstoff (H) Atome. Stickstoff ist elektronegativer als Wasserstoff, daher ist die kovalente Bindung zwischen N-H eine polare kovalente Bindung. Die Wasserstoffatome in dieser Bindung haben ein positives Dipolmoment und das Stickstoffatom ein negatives Dipolmoment. Dadurch können Aminogruppen Wasserstoffbrückenbindungen mit anderen polaren Verbindungen bilden. Ebenso die Rückgrat-Carbonyl-Sauerstoffe von Valin (V) 81 und Glycin (G) 121 der Rückgrat-Aminowasserstoff von V81sind abgebildetin Wasserstoffbrückenbindungen mit dem niedermolekularen Substrat ein.

Möglicher NB-Diskussionspunkt: Wie Ihr Körper Koffein abbaut

Wenn Sie Kaffee oder andere koffeinhaltige Getränke wie einige Limonaden trinken, konsumieren Sie ein Molekül namens Koffein! Koffein wird im Laufe der Zeit über eine Reihe sehr verwandter "CYP (Cytochrom P450)" -Enzyme metabolisiert (abgebaut), um die drei in der folgenden Abbildung gezeigten Produkte zu ergeben (Quelle: Wikipedia).Zur Vereinfachung können Sie einen Pfeil so interpretieren, dass er eine Reaktion darstellt, die von einem der verwandten CYP-Enzyme katalysiert wird, um Paraxanthin, Theobromin oder Theophyllin zu ergeben ... die alle selbst von anderen Enzymen erkannt werden, die sie weiter abbauen und so weiter und so weiter. Nehmen Sie sich einen Moment Zeit, um die folgenden vier Strukturen zu untersuchen. die allgemeine Struktur sollte Ihnen vage bekannt vorkommen. Vergleichen Sie den Reaktanten und die drei Produkte – was sind die bemerkenswerten funktionellen Gruppen und Eigenschaften dieser Moleküle? Was sind Ihrer Meinung nach die Schlüsselmerkmale der aktiven Zentren für die Enzyme, die diese vier Moleküle abbauen? Wenn Sie ein Enzym entwickeln würden, das Koffein UND Theophyllin abbaut nur, wie würden Sie Ihre aktive Site gestalten?

Übung

Sehen Sie nach, welche Atome in Abbildung 2 (

oben) sind beteiligt

in den Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Aminosäuregruppen R und dem Substrat. Du wirst brauchen

in der Lage sein

identifizieren Sie diese selbst; Wasserstoffbrücken dürfen nicht

gemalt werden

für Sie im Test.

Wenn Sie den pH-Wert der Lösung geändert haben, die

dieses Enzym befindet sich

Könnte das Enzym noch Wasserstoffbrücken mit dem Substrat bilden?

Welches Substrat (das linke oder das rechte) ist Ihrer Meinung nach im aktiven Zentrum stabiler? Wieso den? Wie?

Figur 3. Dies ist eine Darstellung eines aktiven Zentrums eines Enzyms.Es werden nur die Aminosäuren im aktiven Zentrum gezeichnet. Das Substrat sitzt direkt in der Mitte.
Quelle: erstellt vonMarc T. Facciotti (Originalwerk)

Übung

Identifizieren Sie zuerst dieArt derMakromolekül in Abbildung 3. Zweitens zeichnen und beschriften Sie dasangemessenWechselwirkungen zwischen den R-Gruppen und dem Substrat. Erklären Sie, wie sich diese Wechselwirkungen ändern könnten, wenn der pH-Wert der Lösunggeändert.

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Strukturelle Instabilität von Enzymen

Die Tatsache, dassAktive Standorte sind so gut geeignet, bestimmte Umweltbedingungen bereitzustellen, dass sie auch Einflüssen durch die lokale Umgebung unterliegen.Es ist wahr, dass zunehmenddie Umgebungstemperaturallgemeinerhöht die Reaktionsgeschwindigkeiten, enzymkatalysiert oder anderweitig. Eine Erhöhung oder Verringerung der Temperatur außerhalb eines optimalen Bereichs kann jedoch chemische Bindungen innerhalb des aktiven Zentrums so beeinflussen, dass sie weniger gut geeignet sind, Substrate zu binden. Hohe Temperaturen führen schließlich dazu, dass Enzyme, wie andere biologische Moleküle, denaturieren, ein Prozess, der die natürlichen Eigenschaften eines Stoffes verändert. Ebenso kann auch der pH-Wert der lokalen Umgebung die Enzymfunktion beeinflussen. Aminosäurereste des aktiven Zentrums haben ihre eigenen sauren oder basischen Eigenschaftendas sindoptimal für die Katalyse. Diese Reste reagieren empfindlich auf pH-Änderungen, die die Bindung von Substratmolekülen beeinträchtigen können.Enzyme sind geeignetinnerhalb eines bestimmten pH-Bereichs am besten funktionieren, und wie bei der Temperatur können extreme pH-Werte (sauer oder basisch) der Umgebung zu einer Denaturierung von Enzymen führen.

Figur 4. Enzyme haben einen optimalen pH-Wert. Der pH, bei dem das Enzym am aktivsten ist, ist der pH, bei dem die R-Gruppen des aktiven Zentrums protoniert/deprotoniert werden, so dass das Substrat in das aktive Zentrum eintreten kann und der Anfangsschritt in der Reaktion beginnen kann. Einige Enzyme erfordern einen sehr niedrigen pH-Wert (sauer), umganz und garaktiv. Im menschlichen Körper sind diese Enzyme höchstwahrscheinlichgelegenim unteren Magen, odergelegenin Lysosomen (eine Zellorganelle, die verwendet wird, um große Verbindungen innerhalb der Zelle zu verdauen).
Quelle: http://biowiki.ucdavis.edu/Biochemis..._pH_Hemmung

Der Prozess, bei dem Enzyme denaturieren, beginnt normalerweise mit der Auflösung der Tertiärstruktur durch Destabilisierung der Bindungen, die die Tertiärstruktur zusammenhalten.Wasserstoffbrücken, Ionenbindungen und kovalente Bindungen (Disulfidbrücken und Peptidbindungen) können alle durch große Veränderungen in . zerstört werdengemäßigt und pH. Verwenden Sie das Diagramm der Enzymaktivität und -temperatur unten, um eine Energiegeschichte für das rote Enzym zu erstellen. Erkläre, was könntepassierenvon 37 °C bis 95 °C.

Abbildung 5. Enzyme haben eine optimale Temperatur. Die Temperatur, bei der das Enzym am aktivsten ist, ist normalerweise die Temperatur, bei der die Struktur des Enzyms stabil oder nicht beeinträchtigt ist. Einige Enzyme benötigen eine bestimmte Temperatur, um aktiv zu bleiben und nicht zu denaturieren. Quelle: http://academic.brooklyn.cuny.edu/bi...ge/enz_Gesetz.htm

Induzierte Passform und Enzymfunktion

Viele Jahre dachten WissenschaftlerdasDie Enzym-Substrat-Bindung erfolgte in einer einfachen „Schloss-und-Schlüssel“-Weise. Dieses Modell bestätigte, dass Enzym und Substrat in einem einzigen Schritt perfekt zusammenpassen. Die aktuelle Forschung unterstützt jedoch eine verfeinerte Sicht namens induzierte Passform. Das Modell der induzierten Anpassung erweitert das Schloss-und-Schlüssel-Modell, indem es eine dynamischere Interaktion zwischen Enzym und Substrat beschreibt. Wenn Enzym und Substrat zusammenkommen, verursacht ihre Wechselwirkung eine leichte Verschiebung der Enzymstruktur, die eine produktivere Bindungsanordnung zwischen dem Enzym und dem Übergangszustand des Substrats bestätigt. Diese energetisch günstige Bindung maximiert die Fähigkeit des Enzyms, seine Reaktion zu katalysieren.

Wenn ein Enzym sein Substrat bindet, entsteht ein Enzym-Substrat-Komplexgebildet. Dieser Komplex senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion und fördert deren schnelles Fortschreiten auf eine von vielen Arten. Grundsätzlich fördern Enzyme chemische Reaktionen, bei denenmehr alsein Substrat, indem die Substrate in einer optimalen Ausrichtung zusammengebracht werden. DieangemessenRegion (Atome und Bindungen) eines Molekülssteht nebeneinanderzumangemessenRegion des anderen Moleküls, mit der es reagieren muss. Eine andere Möglichkeit, mit der Enzyme die Reaktion ihrer Substrate fördern, besteht darin, eine energetisch günstige Umgebung innerhalb des aktiven Zentrums für die Reaktion zu schaffen. Bestimmte chemische Reaktionen können am besten in einer leicht sauren oder unpolaren Umgebung ablaufen. Die chemischen Eigenschaften, die sich aus der besonderen Anordnung von Aminosäureresten innerhalb eines aktiven Zentrums ergeben, schaffen die energetisch günstige Umgebung für die Reaktion der spezifischen Substrate eines Enzyms.

Die für viele Reaktionen benötigte Aktivierungsenergie umfasst die Energie, die für eine geringfügige Verdrehung chemischer Bindungen benötigt wirddassie können leichter reagieren. Enzymatische Wirkung kann diesen Prozess unterstützen. Der Enzym-Substrat-Komplex kann die Aktivierungsenergie senken, indem er Substratmoleküle so verdreht, dass ein Bindungsbruch erleichtert wird. Schließlich können Enzyme auch Aktivierungsenergien senken, indem sie an der chemischen Reaktion selbst teilnehmen. Die Aminosäurereste können bestimmte Ionen oder chemische Gruppen bereitstellen, dieGenau genommenbilden als notwendiger Schritt des Reaktionsprozesses kovalente Bindungen mit Substratmolekülen. In diesen Fällen ist zu beachten, dass das Enzym nach Abschluss der Reaktion immer in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Eine der charakteristischen Eigenschaften von Enzymen ist, dass sie durch die von ihnen katalysierten Reaktionen letztendlich unverändert bleiben. Nachein Enzym ist fertigeine Reaktion katalysiert, setzt es sein Produkt frei(S).

Abbildung 6. Gemäß dem induzierten Anpassungsmodell unterliegen sowohl Enzym als auch Substrat bei der Bindung dynamischen Konformationsänderungen. Das Enzym verzerrt das Substrat in seinen Übergangszustand,damitdie Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen.

Erstellen einer Energiegeschichte für die obige Reaktion

Beantworten Sie anhand von Abbildung 6 die in der Energiegeschichte gestellten Fragen.
1. Was sind die Reaktanten? Was sind die Produkte?
2. Welche Arbeit?wurde vollbrachtdurch das Enzym?
3. In welchem Zustand befindet sich die Energie anfangs? In welchen Zustand wird die Energie im Endzustand umgewandelt? Dies mag immer noch knifflig sein, aber versuchen Sie herauszufinden, wo sich die Energie im Anfangszustand und im Endzustand befindet.

Enzymregulation

Warum Enzyme regulieren?

Zelluläre Bedürfnisse und Bedingungen variieren von Zelle zu Zelle und ändern sich innerhalb einzelner Zellenim Laufe der Zeit. Die benötigten Enzyme und der Energiebedarf der Magenzellensind andersvon denen der Fettspeicherzellen, Hautzellen, Blutzellen und Nervenzellen.Außerdem, aDie Verdauungszelle arbeitet viel härter, um Nährstoffe während der Zeit kurz nach einer Mahlzeit zu verarbeiten und abzubauen, verglichen mit vielen Stunden nach einer Mahlzeit. Da diese zellulären Anforderungen und Bedingungen variieren, ändern sich auch die benötigten Mengen und die Funktionalität der verschiedenen Enzyme.

Regulierung von Enzymen durch Moleküle

Enzyme können reguliert werdenauf eine Weise, die ihre Aktivität entweder fördert oder reduziert. Es gibt viele Arten von Molekülen, die die Enzymfunktion hemmen oder fördern, und dafür gibt es verschiedene Mechanismen.In manchen Fällender Enzymhemmung ist beispielsweise ein Inhibitormolekül einem Substrat so ähnlich, dass es an das aktive Zentrum binden kann undeinfachBlockieren des Substrats vom Binden. Wenn das passiert,das Enzym wird gehemmtdurch Konkurrenzhemmung, da ein Inhibitormolekül mit dem Substrat um die Bindung an das aktive Zentrum konkurriert.Auf der anderen Seite innicht-kompetitive Hemmung, ein Inhibitormolekül bindet an einem anderen Ort als einem aktiven Zentrum an das Enzym und trotzdemschafft es zu blockierenSubstratbindung an das aktive Zentrum.

Abbildung 7. Die kompetitive und die nichtkompetitive Hemmung beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit unterschiedlich. Kompetitive Inhibitoren beeinflussen die Anfangsrate, aber nicht die Maximalrate, während nichtkompetitive Inhibitoren die Maximalrate beeinflussen.

Einige Inhibitormoleküle binden an Enzyme an einer Stelle, an der ihre Bindung eine Konformationsänderung induziert, die die Affinität des Enzyms für sein Substrat verringert. DiesArt derHemmungwird genanntallosterische Hemmung.Die meistenallosterischregulierte Enzyme werden gebildetbis vonmehr alsein Polypeptid, was bedeutet, dass siemehr alseine Proteinuntereinheit. Wenn ein allosterischer Inhibitor an ein Enzym bindet,alle aktiven Zentren auf den Proteinuntereinheiten sind leicht verändertso dass sie ihre Substrate mit geringerer Effizienz binden. Es gibt allosterische Aktivatorenebenso gut wieHemmstoffe. Allosterische Aktivatoren binden an Stellen eines Enzyms abseits des aktiven Zentrums und induzieren eine Konformationsänderung, die die Affinität des aktiven Zentrums des Enzyms erhöht(s) für sein Substrat(S).

Abbildung 8. Allosterische Inhibitorenänderndas aktive Zentrum des Enzyms, so dass die Substratbindungist reduziertoder verhindert. Im Gegensatz dazu sind allosterische Aktivatorenänderndas aktive Zentrum des Enzyms, so dass die Affinität zum Substrat zunimmt.

Video-Link

Sehen Sie sich dieses kurze (einminütige) Video über kompetitive vs. nichtkompetitive enzymatische Hemmung an. Ebenfalls,nimm einSehen Sie sich dieses Video (1,2 Minuten) zur Rückkopplungshemmung an.

Viele Enzyme funktionieren nicht optimal oder gar nicht, es sei denn, sie sind an andere spezifische Nicht-Proteine gebundenHelferMoleküle, entweder vorübergehend durchionischoder Wasserstoffbrückenbindungen oder dauerhaft durch stärkere kovalente Bindungen. Zwei Arten von Helfermolekülen sind Cofaktoren und Coenzyme. Die Bindung an diese Moleküle fördert die optimale Konformation und Funktion ihrer jeweiligen Enzyme. Cofaktoren sind anorganische Ionen wie Eisen(II)(Fe²⁺) und Magnesium(II)(Mg²⁺). Ein Beispiel für ein Enzym, das ein Metallion als Cofaktor benötigt, ist das Enzym, das DNA-Moleküle aufbaut, die DNA-Polymerase, die ein gebundenes Zink benötigt(II)Ion (Zn²⁺) Funktionieren. Coenzyme sind organische Helfermoleküle mit einer atomaren Grundstruktur aus Kohlenstoff undWasserstoff,dassind erforderlichfür Enzymwirkung. Die häufigsten Quellen für Coenzyme sind Nahrungsvitamine. Einige Vitamine sind Vorläufer von Coenzymen, andere wirken direkt als Coenzyme. Vitamin C ist ein Coenzym für mehrere Enzyme, die am Aufbau des wichtigen Bindegewebebestandteils Kollagen beteiligt sind. Ein wichtiger Schritt beim Abbau von Glukose zu Energie istKatalyse durchein Multi-Enzym-Komplex namens Pyruvat-Dehydrogenase. Pyruvatdehydrogenase ist ein Komplex aus mehreren Enzymen, dieGenau genommenbenötigt einen Cofaktor (ein Magnesiumion) und fünf verschiedene organische Coenzyme, umkatalysierenseine spezifische chemische Reaktion. Daher wird die Enzymfunktion teilweise durch eine Fülle verschiedener Cofaktoren und Coenzyme reguliert, diewerden gelieferthauptsächlich durch die Nahrung der meisten Organismen.

Enzymkompartimentierung

In eukaryontischen Zellen können Moleküle wie Enzymesind in der Regel unterteiltin verschiedene Organellen. Dies ermöglicht eine weitere Regulierung der Enzymaktivität. Enzyme, die nur für bestimmte zelluläre Prozesse benötigt werden, könnenuntergebracht seingetrennt zusammen mit ihren Substraten, was effizientere chemische Reaktionen ermöglicht. Beispiele dafürirgendwieDie Enzymregulation basierend auf Ort und Nähe umfasst die Enzyme, die an den letzten Stadien der Zellatmung beteiligt sind, die stattfindenausschließlichin den Mitochondrien und die Enzyme, die an der Verdauung von Zelltrümmern und Fremdstoffen beteiligt sind,gelegeninnerhalb von Lysosomen.

Mögliche NB-Diskussion Punkt: Die Wirkung von Koffein umkehren

Zuvor haben wir über Koffein und seinen Stoffwechsel gesprochen. Denken wir nun an die Pharmakologie des Koffeins (Wirkungsweise). Konnten Sie das Molekül, dem Koffein eine ähnliche Struktur aufwies, identifizieren, vergleichen und kontrastieren? Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit von Koffein mit dem Molekül Adenosin ist es tatsächlich in der Lage, an das Adenosin-spezifische Rezeptorprotein im Gehirn zu binden. Da jedoch der genaue Schloss-und-Schlüssel-Pass nicht zufriedenstellend ist, "aktiviert" Koffein die Adenosinrezeptoren bei der Bindung nicht wie Adenosin. Wenn Adenosin an sein spezifisches Rezeptorprotein im Gehirn bindet und es dadurch aktiviert, ist die physiologische Wirkung normalerweise eine erhöhte Schläfrigkeit und Muskelentspannung. Es macht Sinn, dass wir nachts müde werden, weil wir im Laufe des Tages Adenosin ansammeln – das ist eine Menge Rezeptoraktivierung! Aber zurück zu Koffein – wenn Koffein vorhanden ist, kann es an das Adenosinrezeptorprotein binden und dadurch Adenosin daran hindern, den Rezeptor zu binden/aktivieren. Das Fehlen der Adenosinwirkung führt zu unterdrückter Schläfrigkeit und erhöhter Wachsamkeit. Die bei diesem Rezeptorprotein und Koffein beobachtete Hemmung ähnelt einigen der Hemmungen, die wir bei Enzymen sehen. Als welche Art von Hemmung würden Sie dies einstufen? Zusatzfrage: Wenn Sie von einem Unternehmen beauftragt würden, eine Lösung zu entwickeln, um die Wirkung von Koffein nach der Einnahme umzukehren, welche Strategien würden Sie versuchen zu testen? Erklären!

Weiterführende Links

Khan Akademie

Die folgenden Links führen Sie zu einer Reihe von Videos zum Thema Kinetik. Der erste Link enthält vier Videos zu Reaktionsgeschwindigkeiten und der zweite Link enthält neun Videos zum Zusammenhang zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Konzentration. Diese Videos sind ergänzend undwerden bereitgestelltum Ihnen eine externe Ressource zur Verfügung zu stellen, um die Enzymkinetik weiter zu erforschen.