K3 Bioenergetik, Enzyme Und Stoffwechsel

Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

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3.1 Bioenergetik 3.2 Enzyme, die biologischen Katalysatoren 3.3 Stoffwechsel Aus Sicht des Menschen: Das wachsende Problem der Antibiotikaresistenz

Modell der Oberflche des Enzyms D5-3-Ketosteroidisomerase mit einem Substratmolekl (grn) im aktiven Zentrum. Welchen elektrostatischen Charakter die Oberflche hat, ist farblich angedeutet (rot ist sauer, blau basisch). (Nachdruck mit Erlaubnis von Zheng RW et al (1997) Science 276:417, mit freundlicher Genehmigung von Summers MF, Univ. of Maryland, Baltimore County; 1997 Am. Ass. for the Advancement of Science)

Die Wechselbeziehung zwischen Struktur und Funktion zeigt sich auf allen Ebenen biologischer Organisation man findet sie bei den Moleklen ebenso wie bei den Organismen. Wie wir im letzten Kapitel gesehen haben, besitzen die Proteine eine komplizierte dreidimensionale Struktur, die davon abhngt, dass sich die einzelnen Aminosurereste genau an der richtigen Position befinden. In diesem Kapitel werden wir uns der groen Proteingruppe der Enzyme zuwenden und betrachten, wie sie aufgrund ihrer komplexen Architektur die Geschwindigkeit bio-

logischer Reaktionen drastisch erhhen knnen. Um zu verstehen, wie Enzyme solche Leistungen vollbringen knnen, muss man sich den Energiefluss beim Ablauf einer chemischen Reaktion vor Augen fhren, was uns zum Thema Thermodynamik bringt. Ein kurzer berblick ber die Prinzipien der Thermodynamik trgt ebenfalls dazu bei, viele Zellprozesse wie die Wanderung von Ionen durch Membranen, die Synthese von Makromoleklen und den Aufbau cytoskelettaler Netzwerke zu erklren, die in diesem und in den folgenden Kapiteln errtert werden. Wie wir

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noch sehen werden, lsst die thermodynamische Analyse eines Systems sofort erkennen, ob Ereignisse spontan ablaufen knnen, und gibt uns, falls das nicht der Fall ist, ein Ma dafr, wie viel Energie eine Zelle aufbringen muss, damit der Prozess ablaufen kann. Im letzten Abschnitt dieses Kapitels werden wir darauf eingehen, wie aus einzelnen chemischen Reaktionen ganze Stoffwechselwege entstehen und wie die Energieund Grundstoffzufuhr durch bestimmte Stoffwechselwege gesteuert werden kann.

Energievernderungen, die mit Ereignissen im Universum verbunden sind. Auf den folgenden Seiten werden wir uns auf eine Reihe von Begriffen konzentrieren, mit denen sich vorhersagen lsst, welche Richtung Ereignisse einschlagen und ob noch zustzlich Energie bentigt wird oder nicht, damit das betreffende Ereignis stattfinden kann. Mit thermodynamischen Messungen lsst sich allerdings nicht feststellen, wie schnell ein bestimmter Prozess abluft oder mithilfe welcher spezifischen Mechanismen eine Zelle den Prozess durchfhrt. Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist das Gesetz der Energieerhaltung. Es besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Energie kann jedoch von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Wenn wir eine elektrische Uhr an die Steckdose anschlieen, wird elektrische Energie in mechanische Energie verwandelt (Abb. 3.1 a), und wenn in einem Ofen Heizl verbrannt wird, wird chemische Energie in thermische Energie umgewandelt. Zellen knnen ebenfalls Energie umwandeln. Wie wir noch in spteren Kapiteln errtern werden, wird die in bestimmten biologischen Moleklen wie ATP gespeicherte chemische Energie n in mechanische Energie umgewandelt, wenn sich Organellen von einem Platz in der Zelle an einen anderen bewegen, n in elektrische Energie umgewandelt, wenn Ionen durch eine Membran flieen, n in thermische Energie umgewandelt, wenn bei der Kontraktion einer Muskelzelle Wrme entsteht (Abb. 3.1 b).

3.1 BioenergetikIn einer lebenden Zelle ist immer etwas los. In ihr werden beispielsweise alle mglichen Makromolekle aus Rohmaterialien zusammengesetzt, es fallen Abfallprodukte an, die ausgeschieden werden, genetische Informationen werden vom Zellkern ins Cytoplasma transportiert, Vesikel vom Golgi-Apparat zur Plasmamembran geschleust und Ionen durch Zellmembranen gepumpt. Um all diese Aktivitten auf Dauer durchfhren zu knnen, verbraucht eine Zelle Energie, mit der sie versorgt werden muss. Die Wissenschaft von den verschiedenen Arten der Energieumwandlung in Lebewesen bezeichnet man als Bioenergetik. 3.1.1 Die Gesetze der Thermodynamik und der Begriff der Entropie Als Energie definiert man die Fhigkeit, Arbeit zu leisten, d. h. etwas zu ndern oder zu bewegen. Thermodynamik ist die Lehre von den

a n Abb. 3.1 ac. Beispiele fr Energieumwandlung. a Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie, b Umwandlung chemischer Energie in mechanische und thermische Energie, c Umwandlung chemischer Energie in Lichtenergie

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n Abb. 3.2 a, b. Vernderung der inneren Energie eines Systems. In diesem Beispiel ist das System ein bestimmtes Blatt einer Pflanze. a Am Tag absorbieren photosynthetisch aktive Pigmente in den Chloroplasten des Blattes Sonnenlicht, mit dessen Hilfe CO2 in Kohlenhydrate wie das in der Zeichnung dargestellte Glucosemolekl verwandelt wird das spter dann fr den Aufbau von Saccharose oder Str-

ke verwendet wird. Wenn die Zelle Licht absorbiert, nimmt ihre innere Energie zu; die Energie im brigen Universum muss dagegen abnehmen. b Nachts kehrt sich die Energiebilanz zwischen der Zelle und ihrer Umgebung um, da die tagsber gebildeten Kohlenhydrate in den Mitochondrien zu CO2 oxidiert werden und die Energie fr die nchtlichen Aktivitten der Zellen benutzt wird

Die wichtigste Energieumwandlung in der Welt der Biologie ist die Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie, der Prozess der Photosynthese, bei dem die Energie gewonnen wird, die direkt oder indirekt die Aktivitten fast aller Lebensformen ermglicht.1 Eine Reihe von Tieren wie Glhwrmchen und Laternenfische kann chemische Energie wieder in Licht verwandeln (Abb. 3.1 c). Unabhngig vom Umwandlungsprozess bleibt allerdings die Gesamtmenge an Energie im Universum konstant. Um Energieumwandlungen im Bereich der Materie zu beschreiben, mssen wir das Universum in zwei Bereiche aufteilen: Das System, das untersucht wird, sowie das brige Universum, das wir als Umgebung bezeichnen. Man kann unterschiedlich definieren, was ein System ist: Es kann ein bestimmter Raum im Universum oder eine bestimmte Menge Materie sein. So kann beispielsweise eine lebende Zelle ein System sein. Die Energievernderungen, zu denen es whrend eines Ereignisses in einem System kommt, manifestieren sich auf zweierlei Weise: als eine Vernderung des Wrmegehalts eines Systems oder als Verrichtung von Arbeit. Das System verliert oder gewinnt zwar unter Um1 Von einigen Gemeinschaften von Organismen wei man, dass sie von der Photosynthese unabhngig sind. Dazu zhlen Gemeinschaften, die in den Schwarzen Rauchern am Boden des Meeresbodens leben und ihren Energiebedarf durch bakterielle Chemosynthese decken.

stnden Energie, doch nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik muss dies durch einen entsprechenden Gewinn oder Verlust in der Umgebung ausgeglichen werden, so dass die Energiemenge im Universum konstant bleibt. Die Energie des Systems wird als innere Energie (E) bezeichnet, deren Vernderung bei einer Umwandlung als DE (Delta E) bezeichnet wird. Man kann den 1. Hauptsatz der Thermodynamik mit der Gleichung DE = Q W beschreiben, wobei Q die Wrmeenergie und W die Arbeitsenergie ist. Je nachdem, um welchen Prozess es sich handelt, kann die innere Energie des Systems am Ende grer, gleich oder geringer als zu Beginn sein; das hngt davon ab, in welcher Beziehung das System zu seiner Umgebung steht (Abb. 3.2). Mit anderen Worten: DE kann positiv, Null oder negativ sein. Stellen Sie sich als System den Inhalt eines Reaktionsgefes vor. Solange sich der Druck oder das Volumen des Inhalts nicht ndert, hat weder das System an seiner Umgebung gearbeitet, also etwas verndert oder bewegt, noch umgekehrt. In diesem Fall ist die innere Energie, wenn Wrme absorbiert wurde, grer bzw., wenn Wrme freigesetzt wurde, geringer als zu Beginn. Reaktionen, bei denen Wrme freigesetzt wird, bezeichnet man als exotherm, solche, bei denen Wrme aufgenommen wird, als endotherm; beide Reaktionstypen sind sehr hufig. Weil DE fr eine bestimmte Reaktion positiv oder negativ sein kann, knnen wir daraus

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nicht ablesen, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein bestimmtes Ereignis eintritt. Um herauszufinden, mit welcher Wahrscheinlichkeit eine bestimmte Umwandlung erfolgt, mssen wir einige weitere Begriffe einfhren. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Ereignisse im Universum eine Richtung haben. Sie neigen dazu, abwrts von einem energiereicheren zu einem energiermeren Zustand zu verlaufen. Daher nimmt die Energie, die fr die Verrichtung zustzlicher Arbeit zur Verfgung steht, bei einer Energieumwandlung ab. Felsen fallen von Klippen herunter auf den Erdboden und knnen dort nur noch sehr eingeschrnkt zustzliche Arbeit verrichten; es ist sehr unwahrscheinlich, dass sie aus eigener Kraft wieder nach oben auf die Klippen zurckkehren. Genauso ziehen sich entgegengesetzte Ladungen normalerweise an und stoen sich nicht ab, oder Wrme strmt von einem wrmeren zu einem klteren Krper und nicht umgekehrt. Man sagt, solche Ereignisse erfolgen spontan, ein Ausdruck, der besagt, dass sie thermodynamisch gnstig sind und ohne Energiezufuhr von auen ablaufen. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik war ursprnglich fr Wrmemaschinen konzipiert. Der Hauptsatz beinhaltet die Vorstellung, dass es thermodynamisch unmglich ist, ein Perpetuum mobile zu konstruieren. Mit anderen Worten: Eine Maschine kann nicht 100%ig effizient sein, was ntig wre, damit sie ohne zustzliche Energie immer weiter luft. Ein gewisser Anteil der Energie geht unwiederbringlich verloren, wenn die Maschine arbeitet. hnliches gilt auch fr Lebewesen. Wenn beispielsweise eine Giraffe an den Blttern eines Baumes knabbert oder ein Lwe eine Giraffe verzehrt, bleibt der grte Teil der chemischen Nahrungsenergie fr das Tier, das frisst, unerreichbar. Die verfgbare Energie nimmt im Verlauf eines Prozesses ab, weil das Universum bei jeder Energiebertragung zu verstrkter Zuflligkeit oder Unordnung hin tendiert. Diese Zunahme der Unordnung misst man mit dem Begriff der Entropie, und der Verlust an verfgbarer Energie wird als TDS ausgedrckt, wobei DS der zwischen dem Anfangs- und Endzustand erfolgten nderung in der Entropie entspricht. Entropie ist mit den zuflligen Bewegungen von Materiepartikeln verbunden, mit denen, weil sie zufllig sind, keine gerichtete Arbeit geleistet werden kann. Dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik zufolge nimmt bei jedem Ereignis die Entropie im Universum zu. Wenn man beispielsweise ei-

nen Zuckerwrfel in eine Tasse mit heien Wasser wirft, gehen die Molekle spontan aus einem geordneten Zustand im Kristall in einen viel ungeordneteren Zustand ber, bei dem sich die Zuckermolekle berall in der Lsung verteilen (Abb. 3.3 a). Wenn sich die Molekle des Zuckerwrfels in der Flssigkeit lsen, nimmt sowohl ihre Bewegungsfreiheit als auch die Entropie des Systems zu. Der Wechsel aus einem geordneten in einen ungeordneten Zustand beruht auf der Molekularbewegung. Die Zuckermolekle verteilen sich letztlich gleichmig im verfgbaren Raum, weil der Zustand einer gleichmigen Verteilung am wahrscheinlichsten ist.

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b n Abb. 3.3 a, b. Ereignisse gehen mit einer Zunahme der Entropie im Universum einher. a Ein Zuckerwrfel besteht aus einer hochgradig strukturierten Anordnung von Saccharose-Moleklen, bei denen die Bewegungsfreiheit der einzelnen Molekle eingeschrnkt ist. Wenn sich der Wrfel auflst, erhht sich die Bewegungsfreiheit der einzelnen Molekle erheblich, und sie verteilen sich aufgrund ihrer ungerichteten Bewegung gleichmig im gesamten verfgbaren Raum. Sobald das eingetreten ist, gibt es keine weiteren Tendenzen zur Umkehr dieser Verteilung mehr, und das System befindet sich in einem Zustand hchster Entropie. b Zufllig in einer Lsung verteilte Zuckermolekle knnen wieder einen geordneten Zustand annehmen allerdings nur, wenn sich die Entropie der Umgebung erhht, wozu es kommt, wenn die Wassermolekle von dem geordneteren Zustand, den sie in der wssrigen Phase aufweisen, durch Verdunsten in einen ungeordneteren Zustand bergehen

a Ein weiteres Beispiel fr eine Zunahme der Entropie ist die Freisetzung von Wrme; dazu kommt es beispielsweise innerhalb der Zelle bei der Oxidation von Glucose oder aufgrund der Reibung, die entsteht, wenn Blut durch ein Gef fliet. Wenn Lebewesen thermische Energie freisetzen, erhht sich die Geschwindigkeit der ungerichteten Bewegung der Atome und Molekle; diese Energie kann nicht zur Verrichtung zustzlicher Arbeit umgeleitet werden. Da die Energie der molekularen und atomaren Bewegungen mit der Temperatur steigt, erhht sich auch die Entropie. Nur am absoluten Nullpunkt (273 8C), wenn smtliche Bewegungen erstarren, ist die Entropie gleich Null. Wie bei anderen spontanen Ereignissen mssen wir zwischen dem System und seiner Umgebung unterscheiden. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik besagt nur, dass die Gesamtentropie im Universum zunimmt. In einem Teil des Universums (dem System) kann dagegen die Unordnung auf Kosten seiner Umgebung abnehmen. So kann etwa beim gelsten Zucker die Entropie abnehmen, wenn er durch Verdunstung des Wasser erneut kristallisiert (Abb. 3.3 b). Infolgedessen nimmt dann allerdings die Entropie in der Umgebung zu. Die erhhte Bewegungsfreiheit der Wassermolekle in der Gasphase gleicht den Freiheitsverlust der Molekle in den Zuckerkristallen mehr als aus. Das Leben funktioniert nach einem hnlichen Prinzip. Lebewesen knnen ihre eigene Entropie senken, indem sie die Entropie in ihrer Umgebung erhhen. Die Entropie in einem Organismus sinkt, wenn etwa in einer Muskelzelle aus relativ einfachen Moleklen wie Aminosuren komplexere Molekle wie das Protein Myoglobin entstehen. Dafr muss dann die Entropie in der Umgebung steigen; dies wird dadurch erreicht, dass komplexe, geordnete Molekle wie das in der Leber oder dem Muskelgewebe gespeicherte Glycogen in Wrme umgewandelt werden und kleinere, weniger geordnete Verbindungen (wie CO2 und H2O) in die Umwelt freigesetzt werden. Aufgrund dieser Eigenschaft ihres Stoffwechsels gelingt es den Lebewesen, zumindest vorbergehend einen so hochgeordneten und unwahrscheinlichen Zustand aufrechtzuerhalten. Ein anderes Ma fr den Energiezustand eines Lebewesens ist der Informationsgehalt seiner Makromolekle. Was Information ist, ist schwer zu definieren, aber leicht zu erkennen. Als Ma fr die Information kann man den Organisationsgrad nehmen, in dem die Untereinheiten einer Struktur angeordnet sind. Whrend beispielsweise Proteine und Nucleinsuren mit ihrer spezifischen hochgradig geordneten linearen Ab-

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folge von Untereinheiten nur wenig Entropie enthalten, ist ihr Informationsgehalt hoch. Um diesen Zustand aufrechterhalten zu knnen, muss Energie aufgewandt werden. Greifen wir nur mal ein DNA-Molekl in einer Leberzelle heraus. Diese Zelle hat Dutzende verschiedener Proteine, deren einzige Aufgabe darin besteht, an der DNA entlang zu patrouillieren, um nach Schden Ausschau zu halten und diese zu reparieren (ausfhrliche Errterung in Kap. 13.2). Die Nucleotide einer aktiven Zelle knnen so schwer geschdigt werden, dass der Informationsgehalt der DNA ohne den Energieaufwand schnell sinken wrde. Wie bereits in Aus Sicht des Menschen in Kap. 2.1.2 errtert wurde, haben diejenigen Organismen, welche die unausweichliche Entropiezunahme besser aufhalten knnen, eine hhere Lebenserwartung. 3.1.2 Freie Enthalpie Zusammen besagen der 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik, dass die Energie im Universum konstant ist, aber die Entropie unaufhrlich zunimmt und einem Maximum entgegenstrebt. 1878 hatte der amerikanische Chemiker J. Willard Gibbs die Aussagen der ersten beiden Hauptstze zusammengefasst und mit der Gleichung DH = DG+TDS ausgedrckt, wobei DG (Delta G) die nderung der Freien Enthalpie ist d. h. die im Laufe eines Prozesses auftretende Vernderung in der Energie, die zur Verrichtung von Arbeit zur Verfgung steht; DH entspricht der Vernderung der Enthalpie oder des Gesamtenergiegehalts des Systems (fr unsere Zwecke gleichzusetzen mit DE), T ist die absolute Temperatur (K = 8C+273), und DS die Entropienderung des Systems. Die Gleichung besagt, dass sich die Vernderung in der Gesamtenergie zusammensetzt aus der Summe der Vernderungen, die sich bei der fr die Arbeit einsetzbaren Energie (DG) sowie bei der nicht fr weitere Arbeit verfgbaren Energie (TDS) ergeben. Wenn man die Gleichung umstellt DG = DH TDS , liefert sie ein Ma fr die Spontaneitt eines bestimmten Prozesses. Damit kann man vorhersagen, in welche Richtung und bis zu welchem Ausma ein Prozess verlaufen wird. Bei allen spontanen Energieumwandlungen muss DG negativ sein; d. h. der Prozess muss sich in Richtung eines Zustands geringerer Freier Enthalpie bewegen. Wie gro DG ist, sagt etwas darber aus, wie viel Energie maximal noch fr einen weiteren Prozess zur Verfgung steht, lsst aber nicht erkennen, wie schnell der Prozess abluft. Prozesse, die spontan ablaufen knnen, d. h. Pro-

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zesse, die thermodynamisch begnstigt sind (und ein DG aufweisen), bezeichnet man als exergon. Ein Prozess mit einem positiven DG kann dagegen nicht spontan ablaufen. Solche Vorgnge sind thermodynamisch ungnstig und werden als endergon bezeichnet. Wie wir noch sehen werden, kann man auch erreichen, dass Reaktionen, die normalerweise endergon sind, ablaufen, indem man sie mit Prozessen koppelt, bei denen Energie freigesetzt wird. DH und DS knnen je nachdem, in welcher Beziehung System und Umgebung zueinander stehen, fr eine bestimmte Umwandlung positiv oder negativ sein. (DH ist positiv, wenn das System Wrme aufnimmt, und negativ, wenn Wrme verloren geht; DS ist positiv, wenn die Unordnung im System zunimmt, und negativ, wenn es strker geordnet wird.) Das Wechselspiel zwischen DH und DS lsst sich am besten an der Umwandlung von Eis in Wasser zeigen. Der bergang des Wassers vom flssigen in den festen Zustand ist mit einer Abnahme der Entropie (DS ist negativ, s. Abb. 3.4) und der Enthalpie

(DH ist negativ) verbunden. Damit es zu dieser Umwandlung kommt (d. h., damit DG negativ wird), muss DH negativer sein als TDS was nur unter 0 8C mglich ist. Diese Beziehung kann man in Tabelle 3.1 ablesen, in der jeweils die Werte fr die verschiedenen Parameter angegeben sind, wenn ein Mol Wasser bei 10 8C, 0 8C oder 10 8C in Eis umgewandelt wird. In smtlichen Fllen hat Eis unabhngig von der Temperatur weniger Energie als die Flssigkeit (DH ist negativ). Bei der hheren Temperatur ist jedoch der Entropie-Term in der Gleichung (TDS) negativer als der Term fr die Enthalpie; daher ist die nderung der Freien Enthalpie positiv, weshalb der Prozess spontan nicht abluft. Bei 0 8C befindet sich das System im Gleichgewicht; bei 10 8C ist der Gefrierprozess bevorzugt, d. h. DG ist negativ. Vernderungen der Freien Enthalpie in chemischen Reaktionen Nachdem wir jetzt einen allgemeinen Begriff von der Freien Enthalpie gewonnen haben, knnen wir unser Wissen auf chemische Reaktionen in der Zelle anwenden. Alle chemischen Reaktionen in der Zelle sind reversibel; daher mssen wir zwei Reaktionen bercksichtigen, die gleichzeitig ablaufen: eine vorwrts und die andere rckwrts. Nach dem Massenwirkungsgesetz ist die Geschwindigkeit einer Reaktion proportional zur Konzentration ihrer Reaktionspartner. Betrachten Sie beispielsweise folgende hypothetische Reaktion: A+B > C+D Die Geschwindigkeit der Hinreaktion ist direkt proportional zum Reaktionsprodukt der molaren Konzentrationen von A und B. Man kann die Geschwindigkeit der Hinreaktion mit k1[A][B] ausdrcken, wobei k1 eine Geschwindigkeitskonstante der Hinreaktion ist. Die Geschwindigkeit der Rckreaktion ist gleich k2[C][D]. Alle chemischen Reaktionen steuern wenn auch langsam auf einen Gleichgewichtszustand zu, d. h. auf einen Punkt, an dem die Geschwindigkeit der Hinreaktion der der Rckreaktion ent-

n Abb. 3.4. Wenn Wasser friert, nimmt seine Entropie ab, weil Wassermolekle im gefrorenen Zustand strker geordnet sind und weniger Bewegungsfreiheit haben als im flssigen Zustand. Dass die Entropie abnimmt, wird besonders deutlich, wenn man sich ansieht, wie eine Schneeflocke gestaltet ist. ( Nuridsany, Perennou/Photo Researchers)

n Tabelle 3.1. Thermodynamische Verhltnisse bei der Umwandlung von Eis in Wasser Temperatur ( 8C) DE (cal/mol) 10 0 +10 1343 1436 1529 DH (cal/mol) 1343 1436 1529 DS (cal/mol 8C) 4,9 5,2 5,6 TDS (cal/mol) 1292 1436 1583 DG (cal/mol) 51 0 +54

Quelle: Klotz IM (1967) Energy in Biochemical Reactions. Academic Press

a spricht. Im Gleichgewichtszustand werden pro Zeiteinheit genauso viele Molekle A und B in die Molekle C und D umgewandelt wie umgekehrt. Daher gilt im Gleichgewichtszustand k1[A][B] = k2[C][D] was man auch folgendermaen schreiben kann k1/k2 = [C][D]/[A][B] Das bedeutet: Im Gleichgewichtszustand kann man das Verhltnis der Konzentration der Reaktionsprodukte zur Konzentration der Reaktionsteilnehmer berechnen. Dieses Verhltnis, k1/k2, bezeichnet man als Gleichgewichtskonstante Keq (mitunter auch nur K). Mithilfe der Gleichgewichtskonstanten kann man vorhersagen, welche Reaktionsrichtung (vor- oder rckwrts) unter bestimmten Bedingungen begnstigt ist. Nehmen wir beispielsweise an, wir untersuchen die obige Reaktion und haben gerade die vier Substanzen (A, B, C, D) zusammengemischt, so dass jede zu Beginn mit einer Konzentration von 0,5 M vorliegt. [C][D]/[A][B] = [0,5][0,5]/[0,5][0,5] = 1 In welche Richtung die Reaktion verluft, hngt von der Gleichgewichtskonstanten ab. Wenn Keq grer als 1 ist, werden in der Reaktion eher die Produkte C und D als A und B gebildet. Wenn beispielsweise Keq = 9,0 ist, dann haben die Reaktionsteilnehmer und Reaktionsprodukte im Gleichgewicht bei diesem speziellen Reaktionsansatz eine Konzentration von 0,25 beziehungsweise 0,75 M. [C][D]/[A][B] = [0,75][0,75]/[0,25][0,25] = 9 Wenn dagegen Keq kleiner als 1 ist, wird statt der Hinreaktion verstrkt die Rckreaktion ablaufen, so dass die Konzentrationen von A und B auf Kosten der von C und D steigen. Daraus folgt, dass die Richtung, in der die Reaktion insgesamt in irgendeinem Augenblick verluft, von den relativen Konzentrationen der beteiligten Molekle abhngt und berechnet werden kann, wenn Keq bekannt ist. Wir wollen zum Thema Energetik zurckkehren. Das Verhltnis der Reaktionsteilnehmer zu den Reaktionsprodukten im Gleichgewichtszustand wird durch die Menge an Freier Enthalpie bestimmt, welche die Reaktionsteilnehmer gegenber den Reaktionsprodukten besitzen. Solange die gesamte Freie Enthalpie der Reaktionsteilnehmer grer ist als die gesamte Freie En-

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thalpie der Reaktionsprodukte, ist DG negativ und es entstehen in der Reaktion die Reaktionsprodukte. Je grer DG ist, desto weiter ist die Reaktion vom Gleichgewichtszustand entfernt und desto mehr Arbeit kann das System leisten. Wenn die Reaktion weiterluft, nimmt der Unterschied an Freier Enthalpie zwischen den Reaktionsteilnehmern und Reaktionsprodukten solange ab (DG wird weniger negativ), bis er im Gleichgewichtszustand verschwunden ist (DG = 0) und keine Arbeit mehr geleistet werden kann. Weil DG fr eine bestimmte Reaktion vom Reaktionsansatz zu einem bestimmte Zeitpunkt abhngt, eignet sich dieser Term nicht, um die Energetik verschiedener Reaktionen miteinander zu vergleichen. Um Reaktionen vergleichen und verschiedene Arten von Berechnungen anstellen zu knnen, hat man die Konvention getroffen, wonach entscheidend ist, wie stark sich die Freie Enthalpie bei einer Reaktion unter einer Reihe von Standardbedingungen ndert. Fr biochemische Reaktionen hat man als Bedingungen willkrlich eine Temperatur von 25 8C und einen Druck von 101,3 kPa festgelegt sowie eine Konzentration von 1,0 M fr alle Reaktionsteilnehmer und Reaktionsprodukte bis auf Wasser, fr das eine Konzentration von 55,6 M, und H+, fr das eine Konzentration von 107 (pH 7,0) angenommen wird.2 Die nderung der freien Standardenthalpie (DG8') zeigt an, wie viel Freie Enthalpie freigesetzt wird, wenn aus Reaktionsteilnehmern unter Standardbedingungen Reaktionsprodukte entstehen. Weil aber, wie man wei, in der Zelle keine Standardbedingungen herrschen, muss man vorsichtig sein, wenn man die Werte fr die Unterschiede in der freien Standardenthalpie zur Berechnung der Energetik der Zelle heranzieht. Fr die Beziehung zwischen der Gleichgewichtskonstanten und der nderung der freien Standardenthalpie gilt: DG8' = RT ln K' q e Wenn man den natrlichen Logarithmus (ln) in log 10 umwandelt, ergibt sich DG8' = 2,303RT log K' q e

2 DG8' gilt fr die Standardbedingungen bei pH 7, whrend DG8 fr Standardbedingungen bei 1,0 M H+ (pH 0,0) gilt. Die Bezeichnung K'q bedeutet ebenfalls, dass die Reaktion e bei pH 7 abluft.

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n Tabelle 3.2. Beziehung zwischen DG8' und K' q bei e 25 8C K' q e 10 10 10 10 10 106

DG8' (kcal/mol) 8,2 5,5 2,7 1,4 0,0 1,4 2,7 5,5 8,2

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tung fort, bis der Gleichgewichtszustand erreicht ist. Unter denselben Bedingungen verluft die Reaktion nach links, wenn DG8' positiv ist; in diesem Fall ist dann die Rckreaktion begnstigt. Welche Beziehung zwischen DG8' und K' q e besteht, zeigt Tabelle 3.2. nderungen der Freien Enthalpie bei Stoffwechselreaktionen Eine der wichtigsten chemischen Reaktionen in der Zelle ist die Hydrolyse von ATP (Abb. 3.5). In der Reaktion ATP+H2O ? ADP+Pi ndert sich die freie Standardenthalpie zwischen den Reaktionsprodukten und Reaktionsteilnehmern um 7,3 kcal/mol. Daher ist klar, dass die ATP-Hydrolyse unter Standardbedingungen stark begnstigt (exergon) ist; d. h. die Reaktion besitzt im Gleichgewicht ein hohes [ADP]/[ATP]Verhltnis. Es gibt mehrere Grnde, warum diese Reaktion so favorisiert ist; einer davon wird in Abb. 3.5 deutlich. Die elektrostatische Abstoung durch die vier eng benachbarten negativen Ladungen in ATP4 wird durch die Bildung von ADP3 etwas abgeschwcht. Es ist wichtig, sich den Unterschied zwischen DG und DG8' klar zu machen. DG8' ist ein feststehender Wert fr eine bestimmte Reaktion, der die Richtung angibt, in der diese Reaktion abluft, wenn im System Standardbedingungen herrschen wrden. Da aber in einer Zelle nie Standardbedingungen herrschen, eignen sich die

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wobei R die Gaskonstante (1,987 cal/molK) und T die absolute Temperatur (298 K) ist.3 Erinnern wir uns daran, dass der log von 1,0 Null ist. Daher ergibt sich aus der obigen Gleichung, dass Reaktionen mit einer Gleichgewichtskonstanten von ber 1,0 negative DG8'-Werte haben, was darauf hinweist, dass sie unter Standardbedingungen spontan ablaufen knnen. Reaktionen mit Gleichgewichtskonstanten von unter 1 haben positive DG8'-Werte und knnen unter Standardbedingungen nicht spontan ablaufen. Mit anderen Worten: Wenn bei der folgenden Reaktion A+B > C+D DG8' negativ ist, verluft die Reaktion nach rechts, wenn die Reaktionsteilnehmer und -produkte bei pH 7 in einer Konzentration von 1,0 M vorliegen. Je negativer der Wert ist, desto weiter schreitet die Reaktion in diese Rich-

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Die rechte Seite der Gleichung gibt an, wie viel Freie Enthalpie verloren geht, wenn die Reaktion von den Standardbedingungen auf den Gleichgewichtszustand zustrebt.

n Abb. 3.5. ATP-Hydrolyse. In vielen biochemischen Prozesse wird Adenosintriphosphat (ATP) hydrolysiert. Bei den meisten Reaktionen wird ATP, wie hier gezeigt, zu ADP und anorganischem Phosphat (Pi) hydrolysiert, in einigen Fllen (die hier nicht dargestellt werden) jedoch zu AMP, einer Verbindung mit nur einer Phosphatgruppe, und Pyrophosphat (PPi). Beide Reaktionen haben im Wesentlichen denselben DG8'-Wert von 7,3 kcal/mol (30,5 kJ/mol)

a DG8'-Werte nicht, um vorherzusagen, in welche Richtung eine bestimmte Reaktion in einem bestimmten Moment in einem bestimmten Zellkompartiment abluft. Dafr muss man DG kennen, das von den zu der Zeit herrschenden Konzentrationen der Reaktionsteilnehmer und Reaktionsprodukte abhngt. Bei 25 8C gilt DG = DG8'+2,303 RT log [C][D]/[A][B] DG = DG8'+2,303 (1,987 cal/molK) (298 K) log [C][D]/[A][B] DG = DG8'+(1,4 kcal/mol) log [C][D]/[A][B] wobei [A], [B], [C] und [D] die aktuellen Konzentrationen sind. Aus der Berechnung von DG geht hervor, in welcher Richtung die Reaktion in der Zelle abluft und wie weit sich die bestimmte fragliche Reaktion dem Gleichgewichtszustand nhert. Typische zellulre Konzentrationen von Reaktionsteilnehmern und Reaktionsprodukten bei der ATP-Hydrolyse sind etwa [ATP] = 10 mM; [ADP] = 1 mM; [Pi] = 10mM. Setzt man diese Werte in die Gleichung ein, so ergibt sich: DG = DG8'+2,303RT log [ADP][Pi]/[ATP] DG = 7,3 kcal/mol+(1,4 kcal/mol) log [103][102]/[102] DG = 7,3 kcal/mol+(1,4 kcal/mol) (3) DG = 11,5 kcal/mol (oder 46,2 kJ/mol) Obwohl der DG8'-Wert fr die ATP-Hydrolyse 7,3 kcal/mol betrgt, liegt der typische DGWert fr diese Reaktion in der Zelle bei etwa 12 kcal/mol, weil in der Zelle immer ein hohes [ADP]/[ATP]-Verhltnis vorliegt. In Zellen laufen viele Reaktionen mit positiven DG8'-Werten ab, weil das Konzentrationsverhltnis von Reaktionsteilnehmern und Reaktionsprodukten den Ablauf der Reaktionen begnstigt. Das kann auf zweierlei Weise erreicht werden. An der ersten zeigt sich, wie wichtig der Unterschied zwischen DG und DG8' ist, und die zweite lsst erkennen, wie die Zufuhr gespeicherter chemischer Energie dafr sorgt, dass Reaktionen mit positiven DG8'-Werten in der Zelle stattfinden knnen. Betrachten wir die Glycolyse (Abb. 3.23), in welcher Dihydroxyacetonphosphat in Glycerinaldehyd-3-Phosphat umgewandelt wird. Obwohl der DG8'-Wert fr diese Reaktion bei +1,8 kcal/ mol liegt, wird das Reaktionsprodukt in der Zelle gebildet. Die Reaktion luft ab, weil das Verhltnis von Reaktionsteilnehmern zu Reaktionsprodukten durch andere Zellreaktionen auf ei-

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nem Wert gehalten wird, der oberhalb des Wertes liegt, den die Gleichgewichtskonstante vorgibt. Solange das der Fall ist, bleibt DG negativ, und die Reaktion verluft spontan unter Bildung von Glycerinaldehyd-3-Phosphat ab. Daran zeigt sich eine wichtige Eigenschaft des Zellstoffwechsels: Einzelne Reaktionen knnen nicht isoliert betrachtet werden, als liefen sie gesondert in einem Reaktionsgef ab. In der Zelle finden Hunderte von Reaktionen gleichzeitig statt. Und sie hngen alle zusammen, weil das Reaktionsprodukt der einen Reaktion zum Substrat der nchsten Reaktion in der Reaktionsfolge wird; und so geht es den gesamten Stoffwechselweg entlang und dann weiter zum nchsten. Um zu gewhrleisten, dass auf Kosten von Dihydroxyacetonphosphat Glycerinaldehyd-3-Phosphat gebildet wird, findet die Reaktion an einer Stelle im Stoffwechselweg statt, an der das Reaktionsprodukt von der nchsten Reaktion in der Reaktionskette schnell genug abgefangen wird; dadurch bleibt das Konzentrationsverhltnis der beiden Molekle zueinander unverndert gnstig. Die Kopplung endergoner Reaktionen mit exergonen Reaktionen Reaktionen mit stark positiven DG8'-Werten werden in der Regel durch Zufuhr von Energie ermglicht. Nehmen wir zum Beispiel die Bildung der Aminosure Glutamin aus der Glutaminsure durch das Enzym Glutaminsynthetase: Glutaminsure+NH3 ? Glutamin DG8' = +3,4 kcal/mol Diese endergone Reaktion findet in der Zelle statt, weil Glutaminsure in Wirklichkeit durch zwei nacheinander verlaufende exergone Reaktionen in Glutamin umgewandelt wird: 1. Reaktion: 2. Reaktion: Glutaminsure +ATP ? Glutamylphosphat +ADP Glutamylphosphat +NH3 ? Glutamin+Pi

Gesamtreaktion: Glutaminsure+ATP+NH3 ? Glutamin+ADP +Pi DG8' = 3,9 kcal/mol Die Glutaminsynthese ist, wie man sagt, an die ATP-Hydrolyse gekoppelt. Solange die Differenz zwischen dem negativen DG fr die ATP-Hydrolyse und dem positiven DG fr die Glutaminsynthese aus Glutaminsure negativ ist, kann mit der bergab verlaufenden ATP-Hydrolyse die bergauf verlaufende Synthese von Glutamin

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ermglicht werden. Um die beiden chemischen Reaktionen miteinander zu koppeln, wird aus dem Produkt der ersten Reaktion das Substrat der zweiten. Die beiden Reaktionen werden durch ein gemeinsames Zwischenprodukt miteinander verbunden in diesem Fall durch Glutamylphosphat. Im Prinzip handelt es sich dabei um die exergone Hydrolyse von ATP, die allerdings in zwei Schritten erfolgt. Im ersten Schritt wird auf die Glutaminsure eine Phosphatgruppe bertragen, die dann im zweiten Schritt durch NH3 ersetzt wird. Aufgrund der ATP-Hydrolyse knnen in der Zelle Reaktionen ablaufen, die zur Bildung von Moleklen wie Glutamin fhren, weil die ATPKonzentration im Verhltnis zur ADP-Konzentration auf einem viel hheren Niveau als im Gleichgewichtszustand gehalten wird. Das kann man anhand folgender Berechnungen zeigen. Wie bereits erwhnt, liegt die Konzentration von Pi in der Zelle in der Regel bei 10 mM. Um unter diesen Bedingungen das [ADP]/[ATP]-Verhltnis im Gleichgewichtszustand zu berechnen, knnen wir den DG-Wert fr den Gleichgewichtszustand gleich Null setzen; dann erhalten wir fr das [ADP]/[ATP]-Verhltnis folgende Gleichung (s. o.): DG = DG8'+(1,4 kcal/mol) log [ADP][Pi]/[ATP] 0 0 = 7,3 kcal/mol+(1,4 kcal/mol) log[ADP][102]/[ATP] = 7,3 kcal/mol+(1,4 kcal/mol) (log 102+log[ADP]/[ATP])

fr die Trennung der Ladungen an einer Membran, die Anreicherung gelster Stoffe, die Bewegung von Filamenten in einer Muskelzelle sowie die Erzeugung von Wrme (Abb. 3.6). ATP kann fr derart unterschiedliche Prozesse benutzt werden, weil seine endstndige Phosphatgruppe auf eine Vielzahl verschiedener Molekltypen wie Aminosuren, Zucker, Lipide und Proteine bertragen werden kann. Bei den meisten gekoppelten Reaktionen wird die Phosphatgruppe in einem ersten Schritt von ATP auf einen Akzeptor bertragen und dann in einem zweiten Schritt wieder entfernt (Abb. 4.45).

+7,3 kcal/mol = (1,4 kcal/mol) (2) +(1,4 kcal/mol) log[ADP]/[ATP]) log[ADP]/[ATP]) = 10,1 kcal/mol/1,4 kcal/mol = 7,2 [ADP]/[ATP] = 1,6107 Dementsprechend wrde man im Gleichgewichtszustand eine ADP-Konzentration erwarten, die 107-mal grer ist als die ATP-Konzentration, in Wirklichkeit liegt die ATP-Konzentration in den meisten Zellen aber 10- bis 100-mal ber der ADP-Konzentration. Das ist ein uerst wichtiger Punkt, weil das Konzentrationsverhltnis zwischen ATP und ADP entscheidend ist. Wenn eine Zelle ein Gemisch aus gleich viel ATP, ADP und Pi enthalten wrde, wre es egal, wie viel ATP vorhanden wre, weil die Zelle unter solchen Bedingungen ohnehin keine Arbeit verrichten kann. Die ATP-Hydrolyse ermglicht die meisten endergonen Prozesse in der Zelle etwa fr chemische Reaktionen, wie die gerade beschriebene,

n Abb. 3.6 ae. Einige Funktionen der ATP-Hydrolyse. In der Zelle kann ATP dazu verwendet werden, um a ein Membranpotenzial aufzubauen; b einen bestimmten gelsten Stoff anzureichern; c eine chemische Reaktion, die ansonsten nicht ablaufen wrde, zu ermglichen; d Filamente aneinander entlang gleiten zu lassen wie etwa bei der Verkrzung einer Muskelzelle; e durch eine Erhhung der Geschwindigkeit der Molekularbewegung die Temperatur in der Zelle zu erhhen

a Der Stoffwechsel im Gleichgewichtszustand im Vergleich zum Stoffwechsel im Fliegleichgewicht Da Reaktionen einen Gleichgewichtszustand anstreben, sinkt die Freie Enthalpie, die fr Arbeit zur Verfgung steht, auf ein Minimum und die Entropie erreicht einen maximalen Wert. Daher gilt: Je weiter eine Reaktion vom Gleichgewichtszustand entfernt ist, desto weniger geht ihre Fhigkeit, Arbeit zu verrichten, fr den Anstieg der Entropie verloren. Die Reaktionen des Zellstoffwechsel verlaufen im Wesentlichen auerhalb des Gleichgewichtszustands, so dass auch das Verhltnis der Reaktionsprodukte zu den Reaktionspartnern in der Regel nicht den Werten im Gleichgewichtszustand entspricht. Das bedeutet jedoch nicht, dass es nicht auch Zellreaktionen gibt, die im oder nahe dem Gleichgewichtszustand ablaufen. Tatschlich knnen sich sogar viele Reaktionen eines Stoffwechselweges fast im Gleichgewichtszustand befinden (Abb. 3.24). Doch zumindest eine, oft auch mehrere Reaktionen eines Stoffwechselweges sind von ihrem Gleichgewichtszustand weit entfernt, wodurch sie praktisch irreversibel sind. Das sind die Reaktionen, die dem Stoffwechselweg die Richtung vorgeben. An diesen Reaktionen setzt denn auch die Regulation der Zelle an, weil, je nachdem, ob die Aktivitt der Enzyme, welche diese Reaktionen katalysieren, stimuliert oder gehemmt wird, erheblich mehr oder weniger Material auf diesem Stoffwechselweg verarbeitet werden kann. Diese Grundprinzipien der Thermodynamik wurden anhand abiotischer geschlossener Systeme (ohne Austausch von Materie zwischen dem System und seiner Umgebung) unter reversiblen Gleichgewichtsbedingungen aufgestellt. Die besonderen Umstnde des Zellstoffwechsels erfordern allerdings eine andere Sichtweise. Der Zellstoffwechsel kann sich selbst unter irreversiblen Bedingungen, die nicht dem Gleichgewichtszustand entsprechen, aufrechterhalten, weil die Zelle anders als bei Reaktionen in einem Reaktionsgef ein offenes System ist. Aus dem Kreislauf oder aus Kulturmedien erhlt die Zelle permanent Materialien und Energie. Wie viel der Zelle von auen zugefhrt werden muss, wird deutlich, wenn man einfach einmal den Atem anhlt. Wir sind auf eine ununterbrochene Sauerstoffzufuhr von auen angewiesen, weil Sauerstoff ein uerst wichtiger Reaktionspartner im Zellstoffwechsel ist. Dank des kontinuierlichen Stroms von Sauerstoff und von anderen Substanzen in die Zelle und wieder aus ihr heraus kann sich der Zellstoffwechsel im Zustand des Fliegleichgewichts halten (Abb. 3.7). In einem Flie-

Bioenergetik

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a

b n Abb. 3.7 a, b. Fliegleichgewicht im Vergleich zum Gleichgewichtszustand. a Solange diese Ambe Nhrstoffe von auen aufnehmen kann, erhlt sie die ntige Energie, um die Konzentrationen bestimmter Verbindungen in einem Fliegleichgewicht zu halten, das vom Gleichgewichtszustand weit entfernt sein kann. Die ATP- und ADPKonzentrationen im Fliegleichgewicht werden durch die farbigen Punkte und das Histogramm angedeutet. b Wenn die Ambe stirbt, nhern sich die ATP- und ADP-Konzentrationen (sowie die der anderen biochemischen Substanzen) ihrem Verhltnis im Gleichgewichtszustand

gleichgewicht sind die Konzentrationen der Reaktionspartner und -produkte relativ konstant, obwohl sich die einzelnen Reaktionen nicht unbedingt im Gleichgewicht befinden mssen. Weil Reaktionsprodukte einer Reaktion zu Substraten der nchsten Reaktion werden, knnen die Konzentrationen aller Stoffwechselzwischenprodukte im Wesentlichen konstant bleiben, solange von auen neue Substrate zugefhrt und Endprodukte entfernt werden.

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Wiederholung1. Geben Sie an, worin sich der 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik unterscheiden und wie beide Hauptstze zusammen beschreiben knnen, welche Richtung Ereignisse im Universum einschlagen. 2. Wie lsst es sich mit dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik vereinbaren, wenn in einem lebenden System ein Zustand der Ordnung aufrechterhalten wird? 3. Beschreiben Sie zwei Beispiele, bei denen die Entropie eines Systems abnimmt, und zwei Beispiele, bei denen die Entropie eines Systems zunimmt. 4. Errtern Sie die Unterschiede zwischen DG und DG8' sowie die zwischen den relativen Geschwindigkeiten der Hin- und Rckreaktionen, wenn DG negativ, Null oder positiv ist. Welche Beziehung besteht zwischen DG8' und K' q? Wie e kann in einer Zelle eine Reaktion ablaufen, deren DG8' positiv ist? 5. Wie kann eine Zelle ein [ATP]/[ADP]-Verhltnis aufrechterhalten, das grer als 1 ist? Wie unterscheidet sich dieses Verhltnis von dem, das man im Gleichgewichtszustand erwartet? 6. Warum bildet sich bei Temperaturen oberhalb von 0 8C kein Eis?

3.2 Enzyme, die biologischen KatalysatorenEnde des 19. Jahrhunderts entbrannte eine heftige Debatte darber, ob fr die Herstellung von Ethanol intakte Hefezellen bentigt werden oder nicht. Auf der einen Seite der Auseinandersetzung stand der organische Chemiker Justus von Liebig, der der Meinung war, dass die Grungsreaktionen, bei denen der Alkohol entsteht, sich nicht grundstzlich von den organischen Reaktionen unterscheiden, die im Reaktionsgef ablaufen. Dagegen vertrat der Biologe Louis Pasteur die Ansicht, dass die Grung nur innerhalb einer intakten, hoch organisierten lebenden Zelle stattfinden knne. 1897, zwei Jahre nach Pasteurs Tod, stellten Hans Bchner, ein Bakteriologe, und sein Bruder Eduard, ein Chemiker, Hefesaft her; um diesen Extrakt zu gewinnen, hatten sie Hefezellen mit Sandkrnern zermahlen und dann die Mixtur durch Filterpapier gegossen. Diesen Hefesaft wollten sie aufbewahren, um ihn spter zu benutzen. Nachdem eine Konservierung des Extrakts mit keimttenden Mitteln fehlgeschlagen war, versuchten sie, den Saft durch Zusatz von Zucker vor dem Verderben zu bewahren, ein Verfahren, das auch zur Konservierung von Marmeladen und Gelees angewandt wird. Statt die Lsung haltbar zu machen, bildete der Hefesaft

mit dem Zucker jedoch Gase und grte tagelang. Nach einer weiteren Untersuchung entdeckte Eduard, dass bei der Grung Ethanol sowie Kohlendioxidgase gebildet wurden. Bchner hatte gezeigt, dass fr die Grung keine intakten Zellen ntig waren. Bald fand man allerdings heraus, dass sich die Grung erheblich von den Reaktionen unterschied, welche die organischen Chemiker durchfhrten. Fr die Grung bentigte man spezielle Katalysatoren, die es in der abiotischen Welt nicht gibt. Diese Katalysatoren nannte man Enzyme (nach en zyme, den griechischen Wrtern fr in Hefe). Enzyme haben im Stoffwechsel die Funktion eines Vermittlers und sind fr praktisch jede Zellreaktion verantwortlich. Ohne Enzyme wrden Stoffwechselreaktionen so langsam ablaufen, dass man sie nicht wahrnehmen knnte. Den ersten Hinweis darauf, dass Enzyme Proteine sind, erbrachte 1926 James Sumner von der Cornell University, als er aus Jackbohnen das Enzym Urease kristallisierte und seine Zusammensetzung bestimmte. Obwohl dieser Befund zu der damaligen Zeit nicht viel Anklang fand, zeigte sich bald, dass auch mehrere andere Enzyme Proteine sind. Daher wurde in den nchsten Jahrzehnten allgemein angenommen, dass smtliche biologischen Katalysatoren Proteine sind. In letzter Zeit stellte sich allerdings heraus, dass bestimmte biologische Reaktionen von RNA-Moleklen katalysiert werden. Um Unklarheiten zu vermeiden, ist der Begriff Enzym nach wie vor den Proteinkatalysatoren vorbehalten, whrend fr RNA-Katalysatoren der Begriff Ribozym verwendet wird. Wir werden uns in diesem Kapitel auf die Besprechung der Proteinkatalysatoren beschrnken und die Eigenschaften von RNA-Katalysatoren in Kap. 11 errtern. Enzyme sind zwar Proteine, viele von ihnen aber konjugierte Proteine d. h. sie enthalten Anteile, die nicht aus Proteinen bestehen, Cofaktoren, die anorganisch (Metalle) oder organisch (Coenzyme) sein knnen. Wenn Cofaktoren vorhanden sind, sind sie wichtig fr die Enzymfunktion und fhren Aktivitten aus, fr die sich Aminosuren nicht eignen. Beim Myoglobin beispielsweise ist, wie wir bereits im letzten Kapitel gesehen haben, das Eisenatom der Hmgruppe die Stelle, an welcher der Sauerstoff gebunden und so lange gespeichert wird, bis er im Zellstoffwechsel bentigt wird.

a 3.2.1 Die Eigenschaften von Enzymen Wie alle Katalysatoren haben Enzyme folgende Eigenschaften: n Sie werden nur in geringen Mengen bentigt. n Sie werden im Verlauf der Reaktion nicht irreversibel verndert, weshalb jedes Enzym an einzelnen Reaktionen wiederholt beteiligt sein kann. n Sie beeinflussen nicht die Thermodynamik der Reaktion. Der letzte Punkt ist besonders wichtig. Enzyme sind keine Energielieferanten fr eine chemische Reaktion und haben daher keinen Einfluss darauf, ob eine Reaktion thermodynamisch vorteilhaft (exergon) oder nachteilig (endergon) ist. Enzyme haben darber hinaus auch keinen Einfluss auf das Verhltnis von Reaktionsprodukten zu Reaktionsteilnehmern im Gleichgewichtszustand. Das sind vielmehr Eigenschaften der miteinander reagierenden Substanzen. Als Katalysatoren knnen Enzyme nur die Geschwindigkeit erhhen, mit der eine begnstigte chemische Reaktion abluft. Zwischen der Gre von DG fr eine bestimmte Reaktion und der Geschwindigkeit, mit der diese Reaktion abluft, muss nicht unbedingt ein Zusammenhang bestehen. Die Gre von DG sagt nur etwas aus ber den Unterschied an Freier Enthalpie zwischen dem Ausgangszustand und dem Gleichgewichtszustand. Sie ist vollkommen unabhngig davon, welcher Stoffwechselweg eingeschlagen wird oder wie lange es dauert, bis der Gleichgewichtszustand erreicht ist. Die Oxidation der Glucose beispielsweise ist ein uerst exergoner Prozess, was man daran ablesen kann, wie viel Energie bei der Verbrennung der Glucose frei wird. Glucosekristalle kann man jedoch praktisch unbegrenzte Zeit in einem Zimmer liegen lassen, ohne dass es in nennenswertem Umfang zu einer Umwandlung in energiermere Substanzen kme. Mit anderen Worten: Glucose ist kinetisch stabil, auch wenn sie thermodynamisch unstabil ist. Selbst wenn der Zucker gelst werden sollte, wrde er nicht schnell zersetzt, solange die Lsung steril bleibt. Wenn man jedoch ein paar Bakterien hinzufgen wrde, wrde der Zucker in kurzer Zeit von den Bakterien aufgenommen und enzymatisch abgebaut.

Enzyme, die biologischen Katalysatoren

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Enzyme sind bemerkenswert gute und leistungsfhige Katalysatoren. Katalysatoren wie Sure, metallisches Platin und Magnesium, die organische Chemiker im Labor einsetzen, beschleunigen Reaktionen im Allgemeinen hundert- bis tausendfach gegenber dem Reaktionsverlauf ohne Katalysator. Enzyme erhhen dagegen die Reaktionsgeschwindigkeit um das 108bis 1013fache (Tabelle 3.3). Wenn man von diesen Zahlen ausgeht, schaffen Enzyme in einer Sekunde das, was ohne Enzyme drei bis 300 000 Jahre dauern wrde. Noch erstaunlicher ist, dass sie diese Leistung bei der migen Temperatur und dem pH-Wert vollbringen, wie man sie in der Zelle findet. Darber hinaus sind Enzyme im Gegensatz zu den anorganischen Katalysatoren, wie sie Chemiker einsetzen, uerst spezifisch darin, welche Reaktionspartner sie binden und welche Reaktionen sie katalysieren knnen. Die Reaktionsteilnehmer, an die ein Enzym bindet, nennt man Substrate. Befindet sich beispielsweise das Enzym Hexokinase in einer Lsung mit Hunderten von niedermolekularen Verbindungen sowie seinem Substrat Glucose, erkennt das Enzym nur die Glucosemolekle und geht mit ihnen eine Reaktion ein. Praktisch gesehen, knnten die anderen Verbindungen ebenso gut fehlen. Diese Art von Spezifitt gleich, ob zwischen Enzymen und ihren Substraten oder zwischen anderen Proteintypen und den Substanzen, an die sie binden ist entscheidend dafr, dass die fr das Leben erforderliche Ordnung erhalten bleibt. Enzyme besitzen allerdings nicht nur eine hohe Aktivitt und Spezifitt, sie lenken den Stoffwechsel auch noch so, dass Reaktionen, die von Enzymen katalysiert werden, sehr geordnet ablaufen: Es entstehen nur die richtigen Produkte. Das ist uerst wichtig, weil die Bildung chemischer Nebenprodukte rasch dazu fhren wrde, dass etwas so Fragiles wie eine Zelle abstirbt. Und als weiterer Vorteil kann die enzymatische Aktivitt im Gegensatz zu der anderer Katalysatoren so gesteuert werden, dass die speziellen Bedrfnisse, die eine Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt hat, befriedigt werden. Wie sich in diesem und auch in weiteren Kapiteln immer wieder zeigen wird, sind die Enzyme einer Zelle eine wirklich erstaunliche Ansammlung winziger molekularer Maschinen.

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Tabelle 3.3. Katalytische Aktivitt einer Vielzahl von Enzymen Enzym OMP-Decarboxylase Nuclease der Staphylokokken Adenosin-desaminase AMP-Nucleosidase Cytidin-desaminase Phosphotriesterase Carboxypeptidase Ketosteroid-isomerase Triosephosphat-isomerase Chorismat-Mutase Carboanhydrase Cyclophilin des Menschen ohne Katalyse t1/2 a 78 000 000 Jahre 130 000 Jahre 120 Jahre 69 000 Jahre 69 Jahre 2,9 Jahre 7,3 Jahre 7 Wochen 1,9 Tage 7,4 Stunden 5 Sekunden 23 Sekunden Wechselzahl b 39 95 370 60 299 2100 578 66 000 4300 50 1106 13 000 Erhhung der Reaktionsgeschwindigkeit c 1,41017 5,61014 2,11012 6,01012 1,21012 2,81011 1,91011 3,91011 1,0109 1,9106 7,7106 4,6105

Quelle: Radzicka A, Wolfenden R (1995) Science 267:91. 1995 Am. Ass. for the Advancement of Science. a Die Zeit, die erforderlich ist, damit die Hlfte aller Reaktionsteilnehmer ohne Enzym umgewandelt wird. b Anzahl der Reaktionen, die ein einziges Enzymmolekl bei gesttigter Substratkonzentration pro Sekunde katalysiert. c Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit einer von einem Enzym katalysierten Reaktion gegenber einer nicht katalysierten Reaktion

3.2.2 berwindung der Schwelle der Aktivierungsenergie Wieso sind Enzyme so effiziente Katalysatoren? Um dies herauszufinden, steht man als erstes vor der Frage, warum thermodynamisch begnstigte Reaktionen ohne Enzyme nicht von selbst mit relativ groer Geschwindigkeit ablaufen. Selbst ATP, dessen Hydrolyse so exergon verluft, ist in der Zelle im Grund stabil, bis es in einer regulierten Enzymreaktion abgebaut wird. Wenn das nicht so wre, wre ATP fr die Zelle kaum von Nutzen. Fr eine chemische Umwandlung mssen bestimmte kovalente Bindungen in den Reaktionspartnern aufgelst werden. Damit das passiert, mssen die Reaktionsteilnehmer gengend kinetische Energie (Bewegungsenergie) haben, um ein Hindernis berwinden zu knnen, die Aktivierungsenergie (EA). Das wird im Diagramm von Abb. 3.8 deutlich, in dem man die Hhe der Aktivierungsenergie am Verlauf der Kurven ablesen kann. Die Reaktionsteilnehmer einer chemische Reaktion werden oft mit einem Objekt verglichen, das oben auf einer Klippe liegt und nahe dran ist, herunterzufallen. Bliebe das Objekt sich selbst berlassen, wrde es hchstwahrscheinlich fr alle Zeiten dort bleiben.

Wenn allerdings jemand vorbeikme und das Objekt mit gengend Energie versehen wrde, um die Reibung oder irgendein anderes kleines Hindernis auf seinem Weg zu berwinden, und dafr sorgen wrde, dass es an den Rand der Klippe gelangen wrde, wrde es spontan herunterfallen. Sobald die kinetischen Barrieren beseitigt sind, besitzt das Objekt das Potenzial, einen niedrigeren Energiezustand zu erreichen. Bei Raumtemperatur befinden sich die Molekle einer Lsung in einem Zustand ungerichteter Bewegung, wobei jedes von ihnen in einem bestimmten Augenblick eine bestimmte Menge kinetischer Energie besitzt. Die Energieverteilung einer Moleklpopulation entspricht einer glockenfrmigen Kurve (Abb. 3.9): Einige haben nur wenig Energie, andere sehr viel mehr. Molekle bleiben nur fr kurze Zeit energiereich (aktivierte Molekle), weil sie ihre berschssige Energie beim Aufeinandertreffen mit anderen Moleklen verlieren. Wir wollen eine Reaktion betrachten, in der aus einem Molekl zwei Molekle werden. Wenn ein bestimmtes Molekl, das an der Reaktion beteiligt ist, gengend Energie besitzt, um die Aktivierungsschwelle zu berwinden, kann es in zwei Reaktionsprodukte gespalten werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit hngt davon ab, wie viele der an der Reaktion beteiligten Molekle zu einem bestimmten Zeit-

a


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n Abb. 3.8. Aktivierungsenergie und enzymatische Reaktionen. Obwohl die Bildung von Glucose-6-phosphat thermodynamisch begnstigt ist (DG8' = 4 kcal/mol), mssen die Reaktionsteilnehmer gengend Energie besitzen, um einen aktivierten Zustand zu erreichen, in dem die fr die Reaktion erforderlichen atomaren Umstrukturierungen vorgenommen werden knnen. Wie viel von dieser so genannten Aktivierungsenergie (EA) erforderlich ist, kann man an der Hhe der Kurve ablesen. Die Aktivierungsenergie ist

kein feststehender Wert, sondern ndert sich je nach Reaktionsweg. EA ist sehr viel geringer, wenn die Reaktionsteilnehmer an einen enzymatischen Katalysator binden. (Dieses Diagramm zeigt einen einfachen einstufigen Reaktionsmechanismus. Viele enzymatische Reaktionen verlaufen aber in zwei oder mehr Schritten, wobei Zwischenprodukte gebildet werden (Abb. 3.13). Jeder Reaktionsschritt hat eine charakteristische EA sowie einen eigenen bergangszustand)

n Abb. 3.9. Auswirkung einer Absenkung der Aktivierungsenergie auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Die glockenfrmige Kurve gibt an, wie viel Energie in einer Moleklpopulation in einem Reaktionsansatz bei zwei unterschiedlichen Temperaturen vorhanden ist. Wenn man die Mischung erhitzt oder einen enzymatischen Katalysator zusetzt, erhht man die Anzahl der an der Reaktion beteiligten Molekle, die gengend Energie besitzen, um in die Reaktion einzugehen. Wrme erhht die Reaktionsgeschwindigkeit, weil sie den Energiegehalt der Molekle erhht, whrend ein Enzym dasselbe erreicht, indem es die fr die Reaktion erforderliche Aktivierungsenergie senkt

punkt gengend kinetische Energie haben. Eine Mglichkeit, die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhhen, besteht darin, die Energie der Reaktionspartner zu erhhen. Das kann man im Labor am einfachsten erreichen, indem man den Reaktionsansatz erwrmt (Abb. 3.9). Fhrt man allerdings einer enzymatischen Reaktion Wrme zu, kommt es zu einer schnellen Inaktivierung des Enzyms, weil dieses denaturiert wird. Wenn sich Reaktionsteilnehmer auf dem Scheitelpunkt einer Energieschwelle befinden und im Begriff sind, in Reaktionsprodukte umgewandelt zu werden, sagt man, dass sie sich in einem bergangszustand befinden (Abb. 3.8). An diesem Punkt bilden die Reaktionsteilnehmer vorbergehend einen aktivierten Komplex, in dem Bindungen geknpft und wieder gelst werden. Wir knnen die Eigenschaften einer solchen Struktur im bergangszustand am Beispiel der Umwandlung der D- und L-Stereoisomere des Prolins zeigen einer Reaktion, die das bakterielle Enzym Prolinracemase katalysiert.

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3.2.3 Das aktive Zentrum und die Spezifitt der Molekle Als Katalysatoren beschleunigen Enzyme sowohl die Bildung als auch das Aufbrechen von Bindungen. Um diese Aufgabe erfllen zu knnen, sind sie fest in die Reaktionsvorgnge zwischen den Reaktionspartnern eingebunden. Dazu bilden die Enzyme mit den Reaktionspartnern einen Komplex, den Enzym-Substrat(ES)-Komplex. Abbildung 3.10 zeigt eine Skizze eines ESKomplexes; Bilder von ES-Komplexen findet man auf dem Bild zu Beginn des Kapitels sowie in Abb. 3.14. In den meisten Fllen erfolgt die Assoziation zwischen Enzym und Substrat nichtkovalent, obwohl man viele Beispiele kennt, in denen es vorbergehend zu einer kovalenten Bindung kommt. Den Teil des Enzymmolekls, der direkt an der Bindung des Substrats beteiligt ist, bezeichnet man als aktives Zentrum. Das aktive Zentrum und das Substrat haben komplementre Oberflchen, so dass sie bei der Bindung so exakt wie die Stcke eines Puzzles zusammenpassen. Die Bindung des Substrats an das Enzym erfolgt ber dieselben Arten von nichtkovalenten Wechselwirkungen (Ionenbindungen,

Bei dieser Reaktion geht in beide Richtungen ein Proton vom a-Kohlenstoffatom des Prolins verloren. Aufgrund dessen besitzt die Struktur im bergangszustand ein negativ geladenes Carbanion, bei dem alle drei Bindungen des Kohlenstoffatoms in einer Ebene liegen. Im Gegensatz zum Unterschied in der freien Standardenthalpie, der fr eine Reaktion immer gleich ist, ist die Aktivierungsenergie, die bentigt wird, um den bergangszustand zu erreichen, kein feststehender Wert, sondern ndert sich, je nachdem, welcher Reaktionsmechanismus benutzt wird. Enzyme katalysieren Reaktionen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen. Daher fhren Enzyme im Gegensatz zur Wrmekatalyse dazu, dass ihre Substrate uerst reaktiv sind, ohne dass sie auf ein besonders hohes Energieniveau gehoben werden mssen. Abbildung 3.9 zeigt einen Vergleich des jeweiligen Prozentsatzes an reaktionsfhigen Moleklen bei einer enzymatisch katalysierten und einer nicht katalysierten Reaktion. Enzyme knnen die Aktivierungsenergie herabsetzen, indem sie strker an den Komplex im bergangszustand als an die Reaktionsteilnehmer binden; auf diese Weise wird dieser aktivierte Komplex stabilisiert und seine Energie herabgesetzt. Die Bedeutung des bergangszustands kann man auf verschiedene Arten zeigen: n Verbindungen, die dem bergangszustand einer Reaktion hneln, hemmen diese Reaktion oft sehr effektiv, weil sie so fest an das katalytische Zentrum des Enzyms binden knnen. n Antikrper wirken normalerweise nicht wie Enzyme, sondern binden stattdessen einfach mit hoher Affinitt an Molekle. Antikrper, die mit einer Verbindung verknpft sind, die einem bergangszustand einer Reaktion hnelt, knnen jedoch hufig wie Enzyme agieren und den Abbau dieser Verbindung katalysieren. Wenn der Komplex im bergangszustand in Reaktionsprodukte umgewandelt ist, nimmt die Affinitt des Enzyms fr das gebundene Molekl ab und die Reaktionsprodukte werden freigesetzt.

n Abb. 3.10. Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes. Schema der von der Pyruvatkinase katalysierten Reaktion (Abb. 3.23), bei der zwei Substrate, Phosphoenolpyruvat (PEP) und ADP, an das Enzym binden und einen EnzymSubstrat(ES)-Komplex bilden, woraufhin dann die Reaktionsprodukte, Pyruvat und ATP, entstehen

a Wasserstoffbrcken, hydrophobe Wechselwirkungen), die auch die Struktur des Proteins selbst prgen. So enthlt beispielsweise das in Abb. 3.11 a skizzierte Enzym eine Reihe positiv geladener Reste, die strategisch so gnstig liegen, dass sie negativ geladene Atome des Substrats binden. Das aktive Zentrum kann aber nicht nur das Substrat binden, sondern enthlt auch ein bestimmtes Kontingent an Aminosureseitenketten, die das Substrat beeinflussen und die Aktivierungsenergie der Reaktion herabsetzen. Wie wichtig einzelne Seitenketten des aktiven Zentrums sind, kann man mithilfe einer Oligonucleotidmutagenese (Kap. 2.5.3) bestimmen, einer Technik, bei der eine bestimmte Aminosure durch eine andere mit anderen Eigenschaften ersetzt wird.


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Das aktive Zentrum ist in der Regel in einer Spalte oder Grube verborgen, die sich vom wssrigen Milieu tief ins Protein hinein erstreckt. Wenn ein Substrat in die Spalte des aktiven Zentrums eindringt, streift es die Wassermolekle, die es gebunden hat, ab und gelangt dann innerhalb des Enzyms in ein hydrophobes Umfeld. Die Seitenketten des aktiven Zentrums sind wohl in diesem geschtzten Umfeld viel reaktionsfreudiger als in der wssrigen Zelllsung. Die Aminosuren, die das aktive Zentrum bilden, befinden sich normalerweise an weit auseinander liegenden Punkten in der langen Polypeptidkette, kommen sich aber sehr nahe, wenn das Polypeptid seine endgltige Tertirstruktur annimmt (Abb. 3.11 b, c). Die Struktur des aktiven Zentrums ist nicht nur fr die katalytische Aktivitt des Enzyms, sondern auch fr seine

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c n Abb. 3.11 ad. Das aktive Zentrum eines Enzyms. a Schema des aktiven Zentrums des Enzyms Ribulosebisphosphat-Carboxylase mit den verschiedenen Stellen fr die Wechselwirkung zwischen den gebundenen Substraten (RuBP und CO2) und bestimmten Aminosureseitenketten des Enzyms. Diese nichtkovalenten Wechselwirkungen bestimmen nicht nur die Substratbindungungseigenschaften des aktiven Zentrums, sondern verndern auch die Eigenschaft des Substrats so, dass es beschleunigt in Reaktionsprodukte umgewandelt wird. b Karte der Elektronendichte des aktiven Zentrums einer viralen Thymidinkinase samt dem Substrat Deoxythymidin in der Kartenmitte (Pfeil). Die Linien des Rastermusters entsprechen den ueren Rndern der Elektronenorbitale der Atome, aus denen das Substrat und die Seitenketten des Enzyms bestehen; sie verdeutlichen, welchen Raum die Atome im aktiven Zentrum einnehmen. c, d Beispiele dafr, wie przise die Teile von Enzym und Substrat bei der Katalyse zusammenpassen. Diese beiden Beispiele zeigen, in welche rumliche Nhe zum Substrat (rot) c eine Glutaminsure (gelb) und d ein Histidin (grn) des Enzyms Triosephosphat-Isomerase gelangen. (a: Nach: Harris DA (1995) Bioenergetics at a Glance. Blackwell S. 88; b: Nachdruck mit Erlaubnis von Brown DG Sanderson MR et al (1995) Nature Str Biol 2:878; c, d: Nachdruck mit Erlaubnis von Knowles JR (2001) Nature 350:122; b, d: 1995, Macmillan Magazines)

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Spezifitt verantwortlich. Wie bereits erwhnt, knnen die meisten Enzyme nur an ein einziges oder wenige nahe verwandte biologische Molekle binden. 3.2.4 Mechanismen der enzymatischen Katalyse Wie kann ein Enzym dafr sorgen, dass eine Reaktion hundertmal pro Sekunde abluft, die ohne Enzym nur mit nicht nachweisbarer Geschwindigkeit stattfindet? Verantwortlich dafr ist der Enzym-Substrat-Komplex, der es ermglicht, dass das Substrat beziehungsweise die Substrate der Lsung entnommen und an der Oberflche des groen katalytisch aktiven Molekls festgehalten werden. Sobald sich das Substrat dort befindet, knnen seine physikalischen und chemischen Eigenschaften vielfltig beeinflusst werden; einige dieser Einflsse werden in den folgenden Abschnitten beschrieben. Ausrichtung des Substrats Angenommen, Sie werfen eine Handvoll Schrauben und Muttern in einen Sack und schtteln den Sack dann fnf Minuten lang. Es ist hchst unwahrscheinlich, dass irgendein Schraubenende nach dieser Aktion fest mit einer Mutter verbunden ist. Wenn Sie dagegen in die eine Hand eine Schraube und in die andere eine Mutter nehmen, knnen sie die Schraube rasch in die Mutter drehen. Wenn man Schraube und Mutter richtig hlt, hat man die Entropie des Systems erheblich verringert genauso senken auch Enzyme die Entropie ihrer Substrate. An der Oberflche eines Enzyms gebundene Substrate werden in genau der Ausrichtung, in der sie miteinander reagieren knnen, sehr nahe zusammengebracht (Abb. 3.12 a). Wenn die Reaktionspartner dagegen in Lsung sind, knnen sie alle mglichen Seitwrtsbewegungen und Drehungen vollfhren; auf diese Weise treffen selbst diejenigen, die gengend Energie besitzen, nicht zwangslufig so aufeinander, dass der bergangszustand gebildet wird. nderung der Reaktivitt eines Substrats Enzyme bestehen aus Aminosuren mit vielen verschiedenen Arten von Seitenketten (R-Gruppen); das Spektrum reicht von vollstndig geladen bis hochgradig unpolar. Wenn ein Substrat an der Oberflche eines Enzym gebunden ist, beeinflussen die benachbarten Seitenketten des Enzyms die Elektronenverteilung im Substrat (Abb. 3.12 b). Dadurch erhht sich das Reaktionsvermgen des Substrats, der whrend der Reaktion gebildete bergangskomplex stabilia

b

c n Abb. 3.12 ac. Drei Mglichkeiten, wie Enzyme Reaktionen beschleunigen: a indem sie das Substrat przise ausrichten; b indem sie durch eine Vernderung der elektrostatischen Eigenschaften des Substrats seine Reaktivitt erhhen; c indem sie die Bindungen, die gelst werden sollen, unter Spannung setzen

siert sich. Zu diesen nderungen kommt es ohne Zufuhr externer Energie wie Wrme. Es gibt im Prinzip mehrere Mechanismen, mit denen die Reaktivitt von Substraten aufgrund einer Assoziation mit Enzymen erhht wird. Im Grunde hneln diese Mechanismen denen, die organische Chemiker beschreiben, wenn sie die Mechanismen organischer Reaktionen in einem Reaktionsgef untersuchen. So kann man beispielsweise die Geschwindigkeit von Reaktionen durch Vernderungen im pH-Wert stark beeinflussen. Obwohl Enzyme den pHWert in ihrem Medium nicht verndern knnen, enthalten sie doch zahlreiche Aminosuren mit sauren oder basischen Seitenketten. Diese Gruppen knnen vom Substrat Protonen bernehmen oder ihm geben, auf diese Weise den elektrostatischen Charakter des Substrats verndern und es reaktiver machen. Die aktiven Zentren zahlreicher Enzyme enthalten Seitenketten mit einer partiell positiven

a oder negativen Ladung. Solche Gruppen knnen mit einem Substrat vorbergehend eine kovalente Enzym-Substrat-Bindung eingehen. Chymotrypsin, ein Enzym, das im Dnndarm Proteine aus der Nahrung spaltet, arbeitet so. Welche Reaktionen aufeinander folgen, wenn das Chymotrypsin eine Peptidbindung in einem Protein hydrolysiert, zeigt Abb. 3.13. Dabei spielen drei Aminosuren aus dem aktiven Zentrum des Enzyms ein Serin, ein Histidin und eine Asparaginsure eine entscheidende Rolle. In Abb. 3.13 ist die Reaktion in zwei Schritte aufgeteilt. Im ersten (Abb. 3.13 a) greift auf der Enzymseite das elektronegative Sauerstoffatom aus der Seitenkette eines Serins ein Kohlenstoffatom des Substrats an. Infolgedessen wird die Peptidbindung des Substrats hydrolysiert und zwischen dem Serin und dem Substrat eine kovalente Bindung hergestellt, wobei der brige Teil des Substrats als eines der Reaktionsprodukte freigesetzt wird. Wie in der Legende zur Abbildung errtert wird, hngt die Fhigkeit des Serins, diese Reaktion auszufhren, von einem Histidinrest in der Nhe ab, der dadurch, dass er das Proton von der Hydroxylgruppe des Serins anzieht, die Elektronegativitt des Sauerstoffatoms der Gruppe erhht. Im zweiten Schritt (Abb. 3.13 b) wird die kovalente Bindung zwischen Enzym und Substrat hydrolysiert. Dadurch wird das Enzym wieder frei und der Rest des Substrats als zweites Reaktionsprodukt freigesetzt. Obwohl Aminosureseitenketten an vielen verschiedenen Reaktionen beteiligt sein knnen, eignen sie sich nicht gut dazu, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen. Wie wir noch im folgenden Abschnitt (und ausfhrlicher in den Kap. 5 und 6) sehen werden, ist die bertragung von Elektronen das zentrale Moment in den Redoxreaktionen, die im Zellstoffwechsel eine so zentrale Rolle spielen. Um diese Reaktionen zu katalysieren, besitzen die entsprechenden Enzyme Cofaktoren (Metallionen oder Coenzyme), welche die Reaktivitt der Substrate erhhen, indem sie Elektronen abziehen oder abgeben. Erzeugung von Spannung im Substrat Obwohl das aktive Zentrum eines Enzyms komplementr zu seinem Substrat sein kann, haben verschiedene Untersuchungen gezeigt, dass sich die Positionen bestimmter Atome im Enzym verschieben, sobald es an das Substrat gebunden ist. In vielen Fllen ndert sich die Konformation so, dass die Komplementaritt von Enzym und Reaktionsteilnehmer noch verbessert wird (induzierte Anpassung) und die entscheidenden reaktiven Gruppen des Enzyms an die richtige Stelle kommen. Ein Beispiel fr diese Art von


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a b n Abb. 3.13 a, b. Schematische Darstellung des Katalysemechanismus des Chymotrypsins. Die Reaktion besteht aus zwei Schritten. a Das elektronegative Sauerstoffatom eines Serinrestes (Ser 195) aus dem Enzym, das partiell negativ geladen ist, startet einen nucleophilen Angriff auf das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe im Substrat, das partiell positiv geladen ist, und lst so die Peptidbindung auf. Das Polypeptid des Substrats ist blau gefrbt. Die Reaktivitt des Serins wird durch einen Histidinrest (His 57) in der Nhe erhht, der das Proton vom Serin abzieht und es dann auf das Stickstoffatom der gespaltenen Peptidbindung bertrgt. Das Histidin kann diese Funktion erfllen, weil seine Seitenkette eine schwache Base ist, die bei einem physiologischen pHWert ein Proton aufnehmen oder abgeben kann. (Eine strkere Base wie Lysin wrde bei diesem pH-Wert vollstndig protonisiert bleiben.) Ein Teil des Substrats geht mithilfe der Serinseitenkette eine vorbergehende kovalente Bindung mit dem Enzym ein, whrend der Rest des Substrats freigesetzt wird. (Es soll noch angemerkt werden, dass die Serin- und Histidinreste in der Primrstruktur 138 Aminosuren voneinander entfernt sind, aber im Enzym durch die Faltung des Polypeptids zusammen gebracht werden. Eine hier nicht abgebildete Asparaginsure, Rest 102, spielt ebenfalls eine Rolle bei der Katalyse, weil sie das Ausma der Ionisierung des Histidins beeinflusst.) b Im zweiten Schritt verdrngt das elektronegative Sauerstoffatom eines Wassermolekls das kovalent gebundene Substrat vom Enzym, so dass das Enzym erneut frei ist. Wie im ersten Schritt spielt auch hier das Histidin eine Rolle bei der bertragung des Protons. Diesmal wird das Proton dem Wasser entzogen, wodurch es viel strker nucleophil wird, und dann auf den Serinrest des Enzyms bertragen

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induzierter Anpassung (induced fit) ist in Abb. 3.14 dargestellt. Wenn sich bestimmte Bindungen innerhalb des Substrats erst einmal im Griff eines Enzyms befinden, knnen sie einer physischen oder elektrischen Spannung ausgesetzt sein. Dadurch wird das Substrat destabilisiert, worauf es den bergangszustand annimmt, in dem die Spannung geringer ist (Abb. 3.12 c). Untersuchung von Konformationsnderungen und katalytischen Zwischenprodukten Wenn man genau wissen will, wie ein Enzym eine bestimmte Reaktion katalysiert, muss man fr das Enzym wie fr das Substrat die verschiedenen nderungen in der Struktur der Atome und Elektronen beschreiben, zu denen es whrend des Reaktionsverlaufs kommt. Wie wir im letzten Kapitel gesehen haben, kann man mithilfe von Rntgenstrukturanalysen detailliert die Struktur eines groen Enzyms ermitteln. Da 4060% des Volumens eines typischen Proteinkristalls aus eingeschlossenem Lsungsmittel bestehen, haben die meisten kristallisierten Enzyme immer noch eine groe enzymatische Aktivitt. Es sollte daher mglich sein, mithilfe der Rntgenstrahlbeugung die Reaktionsmechanismen zu studieren. Einen greren Nachteil gibt es allerdings: die Versuchsdauer begrenzt den Einsatz des Verfahrens. Bei einer normalen kristallographischen Untersuchung mssen die Enzymkristalle stunden- oder tagelang Rntgenstrahlen ausgesetzt werden, bis die ntigen Daten zusammen sind. Dann erhlt man ein Bild von der Struktur des Molekls, das ber die Zeit gemittelt ist. Aufgrund jngerer Entwicklungen ist es allerdings inzwischen mglich, mithilfe von Rntgenstrukturanalysen auch die kurzzeiti-

gen strukturellen nderungen zu beobachten, zu denen es im aktiven Zentrum kommt, wenn ein Enzym einen einzelnen Reaktionszyklus katalysiert. Zu diesem Ansatz, der zeitlich aufgelsten Kristallographie, gehrt beispielsweise Folgendes: n Verwendung uerst intensiver Rntgenstrahlen, die von einem Synchroton erzeugt werden, einer Anlage, mit der Kernphysiker subatomare Partikel untersuchen. Auf diese Weise kann man die Bestrahlung mit Rntgenstrahlen auf wenige Pikosekunden verkrzen; das entspricht dem Zeitrahmen, den ein Enzym bentigt, um eine einzelne chemische Umwandlung zu katalysieren. n Abkhlung der Enzymkristalle auf Temperaturen von 2040 8C ber dem absoluten Nullpunkt. Dadurch wird die Reaktion zehnmilliardenfach verlangsamt und somit die Verweildauer der temporren Zwischenprodukte stark verlngert. n Einsatz von Techniken, mit denen eine Reaktion zur gleichen Zeit im gesamten Kristall ausgelst wird, so dass sich smtliche Enzymmolekle des Kristalls gleichzeitig im selben Reaktionszustand befinden. So kann man beispielsweise bei einer Reaktion, in der ATP das Substrat ist, die Enzymkristalle mit ATP-Moleklen infiltrieren, die inaktiviert wurden, indem man sie ber eine photoempfindliche Bindung mit einer inerten Gruppe (etwa einer Nitrophenylgruppe) verknpfte. Wenn die Kristalle dann einem kurzen Lichtpuls ausgesetzt werden, werden alle einge-

n Abb. 3.14. Beispiel fr eine induzierte Anpassung. Wenn ein Glucosemolekl an das Enzym Hexokinase bindet, kommt es im Protein zu einer Konformationsnderung,

durch die das Substrat in der Tasche des aktiven Zentrums eingeschlossen wird. (Mit freundlicher Genehmigung von Thomas A. Steitz)

a sperrten ATP-Molekle freigesetzt und damit wird an allen aktiven Zentren des gesamten Kristalls gleichzeitig eine Reaktion ausgelst. n Einsatz von Enzymen mit Mutationen, die durch eine Oligonucleotidmutagenese (Kap. 2.5.3) gezielt eingebracht wurden; dies beeintrchtigt in spezifischen Reaktionsstadien die Kinetik des Prozesses und erhht so die biologische Halbwertszeit bestimmter Zwischenprodukte. n Strukturbestimmung mit einer sehr starken Auflsung (etwa 80 pm), bei der man Wasserstoffbrcken und die bertragung von Protonen erkennen kann, die es bei vielen Reaktion gibt. Durch eine Kombination dieser Verfahren ist es Wissenschaftlern gelungen, die dreidimensionale Struktur eines Enzyms whrend der aufeinander folgenden Stadien einer einzigen katalysierten Reaktion zu bestimmen. Wenn man diese einzel-


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nen Schnappschsse aneinander reiht, entsteht ein Film, in dem die verschiedenen Zwischenprodukte der Katalyse zu sehen sind, die im Verlauf der Reaktion auftreten und wieder verschwinden. Abbildung 3.15 zeigt ein Beispiel dafr, welche Daten mithilfe dieser Anstze gesammelt werden knnen. 3.2.5 Enzymkinetik Enzyme sind ganz unterschiedlich dazu geeignet, Reaktionen zu katalysieren. Welche katalytische Aktivitt ein Enzym besitzt, erkennt man, wenn man sich seine Kinetik ansieht, also die Geschwindigkeit, mit der es eine Reaktion unter verschiedenen experimentellen Bedingungen katalysiert. 1913 verffentlichten Leonor Michaelis und Maud Menten einen Artikel ber den mathematischen Zusammenhang zwischen der Substratkonzentration und der Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen. Dafr maen sie, wie viel Reaktionsprodukte in einem bestimmten Zeitraum gebildet (oder Substrat verbraucht)n Abb. 3.15 ac. Myoglobin im Film. In diesem Beispiel einer zeitlich aufgelsten Rntgenkristallographie wurde die Myoglobin(Mb)-Struktur ermittelt: Zunchst die Struktur, in der die ein CO-Molekl an die Hmgruppe gebunden ist, und dann die Struktur zu verschiedenen Zeiten nach der Freisetzung des CO-Molekls. (CO bindet beim Mb an dieselbe Stelle wie O2, ist aber fr eine Untersuchung wie diese besser geeignet.) Um das CO gleichzeitig im gesamten Kristall freizusetzen, wurde der Kristall einem kurzen Laserblitz ausgesetzt (Photolyse). Jede der Strukturen wurde nach einem einzelnen starken Rntgenpuls aus einem Synchroton ermittelt. Bei dem hier untersuchten Myoglobin-Molekl war eine einzige Aminosure ausgetauscht worden, um die Analyse zu erleichtern. a Ein 0,65 nm dicke Schicht eines Mb-Molekls, auf der die Vernderungen zu erkennen sind, zu denen es innerhalb von 100 ps (1 ps = eine billionstel Sekunde) nach der Freisetzung des CO-Molekls von seiner Bindungsstelle kommt. Die Mb-Struktur vor dem Laserblitz ist magentafarben, die Mb-Struktur 100 ps nach dem Laserblitz ist grn, und die Teile des Molekls, die sich whrend dieser Zeit nicht verndern, sind wei dargestellt. Es sind drei grere Verschiebungen in der Nhe der CO-Bindungsstelle zu sehen (gelbe Pfeile). b Vergrerung des Ausschnitts aus Teil a. Das freigesetzte CO befindet sich 0,2 nm von seiner ursprnglichen Bindungsstelle entfernt. Die Bewegung des CO wird durch die Drehung von Phe29 ermglicht; dadurch wird His64 nach auen geschoben, das wiederum ein gebundenes Wassermolekl verdrngt. c 3,16 Nanosekunden nach dem Laserblitz befindet sich das CO-Molekl an einer der beiden angegebenen Positionen (2 oder 3), Phe 29 und His64 haben sich wieder in Richtung ihrer ursprnglichen Positionen bewegt, und die Hmgruppe wurde stark verlagert, was man an der verstrkten Grnfrbung im Bereich der Hmgruppe erkennt. (Nachdruck mit Genehmigung von Schotte F et al. (2003) Science 300:1946; 2003 Am. Ass. for the Advancement of Science)

a

b

c

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wurden. Diese Beziehung kann man in einer Gleichung (s. unten) ausdrcken, die eine Hyperbel ergibt (Abb. 3.16). Statt dieser theoretischen Herangehensweise an die Enzymkinetik knnen wir diese Kurve auch auf praktische Weise erhalten, wie man das fr jedes Enzym tut, das man untersucht. Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu bestimmen, inkubiert man bei entsprechender Temperatur einen Ansatz, in dem smtliche erforderlichen Inhaltsstoffe enthalten sind, bis auf denjenigen, der die Reaktion startet, sobald er hinzugefgt wird. Wenn bei Reaktionsbeginn kein Reaktionsprodukt im Ansatz vorhanden ist, dann erhlt man mit der Anzahl der Reaktionsprodukte, die pro Zeiteinheit gebildet werden, ein Ma fr die Reaktionsgeschwindigkeit. Es gibt allerdings mehrere Umstnde, die diese Methode erschweren knnen. So verringert sich bei einer zu langen Inkubationszeit die Substratkonzentration deutlich. Darber hinaus kann ein Reaktionsprodukt, das gebildet wird, durch die Rckreaktion, die das Enzym ebenfalls katalysiert, wieder in Substrat verwandelt werden. Daher bestimmt man am besten die Anfangsgeschwindigkeit, d. h. die Geschwindigkeit zu dem Zeitpunkt, an dem die Reaktion bereits luft, aber noch kein Reaktionsprodukt entstanden ist. Um genaue Werte fr die Anfangsgeschwindigkeit zu bekommen, inkubiert man kurz und verwendet empfindliche Messmethoden.

n Abb. 3.16. Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit einer enzymatisch katalysierten Reaktion und der Substratkonzentration. Da jedes Enzymmolekl in einem bestimmten Zeitraum nur eine bestimmte Anzahl von Reaktionen katalysieren kann, strebt die Reaktionsgeschwindigkeit (die in der Regel dadurch ausgedrckt wird, wie viel Mol Produkt pro Sekunde gebildet werden) mit zunehmender Substratkonzentration einem Maximum entgegen. Die Substratkonzentration, bei der die Reaktion bei halbmaximaler Geschwindigkeit (Vmax/2) abluft, bezeichnet man als Michaelis-Konstante oder KM

Um eine Kurve wie in Abb. 3.16 zu erhalten, bestimmt man die Anfangsgeschwindigkeit bei mehreren Inkubationsanstzen, die gleich viel Enzym, aber immer hhere Substratkonzentrationen enthalten. Aus der Kurve geht klar hervor, dass die Anfangsgeschwindigkeit stark von der Substratkonzentration abhngt. Bei geringen Substratkonzentrationen treffen die Enzymmolekle in einem bestimmten Zeitraum relativ selten auf Substrat. Das Enzym befindet sich sozusagen im Leerlauf d. h. die Anzahl der Substratmolekle ist geschwindigkeitsbestimmend. Bei hohen Substratkonzentrationen treffen die Enzyme schneller auf Substratmolekle, als diese in Reaktionsprodukte verwandelt werden knnen. Dann arbeiten die einzelnen Enzymmolekle mit maximaler Leistungsfhigkeit; dann sind die Enzymmolekle geschwindigkeitsbestimmend. Daher erreicht das Enzym, je grer die Substratkonzentration im Reaktionsansatz ist, einen Sttigungszustand. Die Anfangsgeschwindigkeit bei diesem theoretischen Sttigungspunkt bezeichnet man als Maximalgeschwindigkeit (Vmax). Am einfachsten ist die katalytische Aktivitt eines Enzyms anhand seiner Wechselzahl zu bestimmen, die man aufgrund von Vmax berechnen kann. Die Wechselzahl (oder katalytische Konstante kcat) gibt an, wie viele Substratmolekle ein Enzymmolekl pro Zeiteinheit maximal in Reaktionsprodukte umwandeln kann. Enzyme haben in der Regel eine Wechselzahl (pro Sekunde) von 1 bis 103; allerdings sind auch Werte von ber 106 (fr die Carboanhydrase) bekannt (Tabelle 3.3). Aufgrund dieser Werte ist klar, dass relativ wenige Enzymmolekle schnell eine relativ groe Anzahl von Substratmoleklen in Reaktionsprodukte verwandeln knnen. Neben dem Vmax-Wert kann man aus einem Diagramm wie in Abb. 3.16 noch einen weiteren wichtigen Wert, die Michaelis-Konstante (KM), ablesen; sie entspricht der Substratkonzentration bei halbmaximaler Reaktionsgeschwindigkeit. Wie der Name schon sagt, ist KM fr ein bestimmtes Enzym konstant und daher unabhngig von der Substrat- oder Enzymkonzentration. Welche Beziehung zwischen Vmax und KM besteht, kann man am besten beurteilen, wenn man sich die Michaelis-Menten-Gleichung ansieht, mit deren Hilfe man die Kurve in Abb. 3.16 auftragen kann. V = Vmax [S]/[S]+KM Dieser Gleichung zufolge entspricht die Reaktionsgeschwindigkeit (V) der halbmaximalen Reaktionsgeschwindigkeit (Vmax/2), wenn die Sub-

a stratkonzentration [S] gleich KM ist. Somit gilt KM = [S], wenn V = Vmax/2. In den meisten Fllen ist der Wert fr KM ein Ma fr die Affinitt des Enzyms fr sein Substrat. Je grer KM ist, umso grer ist die Substratkonzentration, die erforderlich ist, um Vmax/2 zu erreichen, und umso geringer ist somit auch die Affinitt des Enzyms fr sein Substrat. Bei den meisten Enzymen hat KM einen Wert zwischen 101 und 107 M, ein typischer Wert liegt bei etwa 104 M. Andere Faktoren, von denen die Enzymkinetik stark abhngt, sind der pH-Wert und die Temperatur des Inkubationsansatzes. Jedes Enzym hat einen optimalen pH-Wert und eine optimale Temperatur, bei der es maximal aktiv ist (Abb. 3.17). Um eine Hyperbel wie in Abb. 3.16 zu erhalten und um die Werte fr Vmax und KM genau bestimmen zu knnen, mssen zahlreiche Punkte aufgetragen werden. Eine einfachere und genauere Beschreibung erhlt man, wenn man die Geschwindigkeit und die Substratkonzentration reziprok gegeneinander auftrgt, wie es Hans Lineweaver und Dean Burk vorgeschlagen haben. Wenn man das tut, wird aus der Hyperbel eine Gerade (Abb. 3.18), deren Abschnitt auf der x-Achse 1/KM, deren Abschnitt auf der y-Achse 1/Vmax und deren Steigung KM/Vmax entspricht. Man kann die Werte von KM und Vmax dann leicht bestimmen, indem man die aus relativ wenigen Punkten erstellte Linie extrapoliert. Hemmstoffe fr Enzyme Hemmstoffe fr Enzyme sind Molekle, die an ein Enzym binden und seine Aktivitt senken knnen. Die Zelle braucht Hemmstoffe (Inhibitoren), um die Aktivitt vieler ihrer Enzyme zusteuern, Biochemiker benutzen Hemmstoffe, um die Eigenschaften von Enzymen zu untersuchen, und viele biochemische Firmen stellen Enzyminhibitoren her, die als Arzneimittel, Antibiotika oder Pestizide eingesetzt werden. Man kann die Hemmstoffe fr Enzyme in zwei Gruppen einteilen: reversible und nicht reversible. Reversible Hemmstoffe wiederum knnen kompetitiv oder nichtkompetitiv sein. Irreversible Hemmstoffe binden sehr fest an ein Enzym, wobei sie oft eine kovalente Bindung mit einem seiner Aminosurereste eingehen. Aspirin ist ein irreversibler Hemmstoff der Cyclooxygenase (Kap. 2.5.3), weil es einen entscheidenden Serinrest im aktiven Zentrum des Enzyms acetyliert. Eine Reihe von Nervengasen wie Diisopropylphosphofluoridat sowie die phosphorhaltigen organischen Pestizide sind irreversible Hemmstoffe der Acetylcholinesterase. Dieses Enzym spielt eine entscheidende Rolle beim


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a

b n Abb. 3.17 a, b. Die Geschwindigkeit einer enzymatisch katalysierten Reaktion in Abhngigkeit a vom pH-Wert und b der Temperatur. Welche Form die Kurve hat und welches der optimale pH-Wert und die optimale Temperatur ist, hngt von der jeweiligen Reaktion ab. a nderungen im pH-Wert beeinflussen das Ausma der Ionisierung des Substrats und Enzyms sowie die Konformation des Enzyms. b Bei niedrigen Temperaturen erhht sich die Reaktionsgeschwindigkeit mit steigender Temperatur, weil die Energie der Reaktionsteilnehmer zunimmt. Bei hheren Temperaturen steht diesem positiven Effekt die Denaturierung des Enzyms entgegen. (a Aus: Moelwyn-Hughes EA, in: Sumner JB, Myrback K (eds.) (1950) The Enzymes, vol 1. Academic Press; b aus: Hayashi K et al. (1968) J Biochem 64:93)

Abbau von Acetylcholin, das als Neurotransmitter die Muskelkontraktion auslst. Wenn das Enzym gehemmt wird, wird der Muskel ununterbrochen stimuliert und bleibt auf Dauer kontrahiert. Wie wir im Exkurs Aus Sicht des Menschen noch sehen werden, ist das Antibiotikum Penicillin ein irreversibler Hemmstoff eines Schlsselenzyms fr den Bau der Bakterienzellwand.

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n Abb. 3.18. Lineweaver-Burk-Diagramm mit einer reziproken Auftragung der Reaktionsgeschwindigkeit und Substratkonzentration, aus dem man die Werte fr Vmax und KM leicht ablesen kann

Reversible Hemmstoffe binden dagegen nur lose an ein Enzym und werden daher auch leicht wieder verdrngt. Kompetitive Hemmstoffe sind reversible Inhibitoren, die mit einem Substrat um den Zugang zum aktiven Zentrum des Enzyms konkurrieren. Da ein Substrat eine Struktur hat, die komplementr zum aktiven Zentrum ist, an das es bindet, mssen kompetitive Hemmstoffe dem Substrat soweit hneln, dass sie um dieselbe Bindungsstelle konkurrieren knnen, sich aber von ihm soweit unterscheiden, dass sie nicht in ein Reaktionsprodukt umgewandelt werden (Abb. 3.19). Wenn man die Molekle analysiert, die mit dem Substrat um die Bindungsstelle am Enzym konkurrieren knnen, erfhrt man etwas ber die Struktur des aktiven Zentrums und die Art der Wechselwirkungen zwischen dem natrlichen Substrat und seinem Enzym. Auf der kompetitiven Enzymhemmung basiert, wie das folgende Beispiel zeigt, die Wirkung eines breiten Spektrums an gngigen Arzneimitteln. Das Angiotensin-Converting-Enzyme (ACE) ist ein proteolytisches Enzym, das von Angiotensin I, einem Peptid mit 10 Resten, zwei Reste abspaltet, so dass Angiotensin II entsteht. Menschen mit erhhten Angiotensin-II-Konzentrationen haben ein erhhtes Risiko fr hohen Blutdruck (Hypertonie). In den 1960er Jahren begannen John Vane und seine Mitarbeiter bei der Firma Eli Lilly nach Verbindungen zu suchen, die ACE hemmen knnten. Frhere Studien hatten ergeben, dass das Gift der brasilianischen Grubenotter Hemmstoffe proteolytischer Enzyme enthlt, und man fand heraus, dass eine

n Abb. 3.19. Kompetitive Hemmung. Weil sich ihre Molekle sehr hneln, knnen kompetitive Hemmstoffe mit dem Substrat um die Bindungsstelle am Enzym konkurrieren. Wie stark ein kompetitiver Hemmstoff wirkt, hngt davon ab, wie hoch jeweils die Konzentrationen von Hemmstoff und Substrat sind.

Verbindung dieses Gifts, ein Peptid namens Teprotid,

Teprotid (Peptidbindungen rot)

ein starker kompetitiver Inhibitor von ACE ist. Obwohl man zeigen konnte, dass Teprotid bei Patienten mit Hypertonie den Blutdruck senkt, war es als Arzneimittel nicht sehr geeignet, weil ein Peptid bei oraler Einnahme schnell abgebaut wird. Weitere Bemhungen, Hemmstoffe des Enzyms zu entwickeln, die keine Peptidstruktur besitzen, fhrten zur Synthese einer Verbindung namens Captopril,

a


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das erste wirksame Medikament gegen Bluthochdruck, das ber eine Bindung an ACE wirkt. Wie effektiv ein kompetitiver Inhibitor ist, hngt von seiner Affinitt zum Enzym ab. Unabhngig davon kann eine kompetitive Hemmung berwunden werden, wenn das Verhltnis von Substrat zu Hemmstoff gro genug ist. Mit anderen Worten: Wenn Enzym und Hemmstoff im Vergleich zu Enzym und Substrat relativ selten aufeinander treffen, ist die Wirkung des Inhibitors nur gering. Bei einer ausreichenden Substratkonzentration kann das Enzym trotz eines kompetitiven Inhibitors theoretisch weiterhin seine Maximalgeschwindigkeit erreichen. Bei nichtkompetitiver Hemmung konkurrieren Substrat und Inhibitor nicht um dieselbe Bindungsstelle; vielmehr wirkt der Hemmstoff dann im Allgemeinen an einer anderen Stelle als am aktiven Zentrum des Enzyms. Wie stark die Hemmung ist, hngt nur von der Konzentration des Hemmstoffs ab und ist vollkommen unabhngig von der Substratkonzentration. Da in Gegenwart eines nichtkompetitiven Inhibitors ein

bestimmter Anteil der Enzymmolekle zu einem bestimmten Zeitpunkt inaktiv sein muss, knnen die Enzymmolekle nicht ihre Maximalgeschwindigkeit erreichen. Wie nichtkompetitive und kompetitive Hemmstoffe die Enzymkinetik beeinflussen, zeigt Abb. 3.20. In einem Fall ist Vmax verringert und im anderen KM erhht. In beiden Fllen ist die Steigung (KM/Vmax) hher als bei der ungehemmten Reaktion. Wie wir noch in Kap. 3.3.4 sehen werden, verwenden Zellen eine Form der nichtkompetitiven Hemmung, um die Aktivitt der wichtigsten Stoffwechselenzyme zu regulieren (Abb. 3.29).

!

Wiederholung1. Wie kann es zu einer Reaktion kommen, bei der DG gro und EA klein ist? Und wie zu einer Reaktion, bei der DG klein und EA gro ist? 2. Erklren Sie, wie es zu der enormen Spezifitt der Enzyme gegenber den Substraten, an die sie binden, kommt? 3. Betrachten Sie Abb. 3.13, in der die einzelnen Schritte einer enzymatisch katalysierten Reaktion veranschaulicht werden, und beschreiben Sie, was passiert, ohne die Legende oder den entsprechenden Text zu lesen. 4. Nennen Sie den Unterschied zwischen der Wechselzahl und Vmax.

a

b Substratkonzentration oder b reziprok auftrgt. Der nichtkompetitive Hemmstoff verringert Vmax, ohne KM zu beeinflussen, whrend der kompetitive Hemmstoff KM erhht, ohne Vmax zu beeinflussen

n Abb. 3.20 a, b. Einfluss von Hemmstoffen auf die Enzymkinetik. Wie sich kompetitive und nichtkompetitive Hemmstoffe auswirken, zeigt sich, wenn man die Kinetik der Reaktion a als Reaktionsgeschwindigkeit gegen die

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Box 3a

Aus Sicht des Menschenkeine stabile Zellwand gebildet werden. Penicillin hemmt die Transpeptidasen irreversibel. Das Antibiotikum passt in das aktive Zentrum dieser Enzyme, wodurch ein kovalent gebundener Komplex entsteht, der nicht aufgelst werden kann. Das Antibiotikum Vancomycin (das ursprnglich aus einem Mikroorganismus stammt, der in Bodenproben aus Borneo gefunden wurde) hemmt die Transpeptidasen, indem es an das Substrat der Enzyme, ein Peptid, und nicht an das Enzym selbst bindet. Normalerweise endet das Substrat der Transpeptidase mit einem D-Alanin-D-Alanin-Dipeptid. Um gegenber Vancomycin resistent zu werden, muss ein Bakterium ein anderes Endstck synthetisieren, an welches das Medikament nicht bindet das ist ein langwieriger Prozess, in dessen Verlauf mehrere neue enzymatische Aktivitten entwickelt werden mssen. Daher ist Vancomycin das Antibiotikum, gegen das Bakterien bisher noch am wenigsten Resistenzen entwickeln konnten; aus diesem Grunde kann es im uersten Notfall verwendet werden, wenn alle anderen Antibiotika versagen. Leider sind in den letzten Jahren Vancomycin-res

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K3 Bioenergetik, Enzyme Und Stoffwechsel