Enzyme: Struktur, Funktion, Kinetik und Regulation

Struktur und Cofaktoren

Die Enzymaktivität ist abhängig von der Integrität seiner Struktur. Das heißt, die Beibehaltung der Strukturen 1, 2, 3 und 4 ermöglicht es dem Enzym, seine Funktionalität zu behalten.

Einige Enzyme benötigen die Beteiligung anderer Chemikalien. Metallionen wie Eisen, Magnesium oder Zink werden als Cofaktoren bezeichnet.

Wenn die chemischen Komponenten komplexere organische Moleküle sind, werden sie als Coenzyme bezeichnet.

Wenn das Coenzym oder der Cofaktor durch eine kovalente Bindung an das Enzym bindet, wird dies als prosthetische Gruppe bezeichnet. Das aktive Enzym mit gebundenem Cofaktor/Coenzym nennt man Holoenzym. Der reine Proteinanteil wird als Apoenzym oder Apoprotein bezeichnet.

Klassifizierung von Enzymen

Enzyme werden in sechs Hauptklassen eingeteilt:

• 1. Oxidoreduktasen: Katalysieren Elektronentransfer-Reaktionen.
• 2. Transferasen: Übertragen funktionelle Gruppen.
• 3. Hydrolasen: Katalysieren Hydrolysereaktionen.
• 4. Lyasen: Katalysieren Additionen an Doppelbindungen oder die Spaltung von Bindungen ohne Hydrolyse/Oxidation.
• 5. Isomerasen: Katalysieren Isomerisierungsreaktionen.
• 6. Ligasen: Katalysieren die Bildung von Bindungen unter ATP-Spaltung.

Mechanismus der Enzymwirkung

Die katalytische Fähigkeit von Enzymen beruht auf der spezifischen Struktur des aktiven Zentrums. Dies ist der Ort, an den das Substrat bindet, um den Enzym-Substrat-Komplex zu bilden.

Modelle der Substratbindung:

• Schlüssel-Schloss-Modell: Das Substrat bindet in das aktive Zentrum des Enzyms in analoger Weise wie ein Schlüssel in ein Schloss passt.
• Induced-Fit-Modell: Das Substrat ist in der Lage, Veränderungen in der Struktur oder Konformation des aktiven Zentrums zu induzieren. Dies ermöglicht die richtige Orientierung der chemischen Gruppen, die an der katalytischen Reaktion beteiligt sind.

Enzymkinetik

Die Enzymkinetik ist das Studium der Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen und wie diese sich in Reaktion auf Veränderungen der experimentellen Bedingungen verhält.

Diese Studien beginnen mit der Betrachtung der Reaktion E + S ⇌ ES → E + P. Die Reaktionsgeschwindigkeit kann in einem Graphen, der sogenannten Fortschrittskurve, dargestellt werden, die die Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit oder Substratkonzentration zeigt.

Bei sehr hohen Substratkonzentrationen erreicht die Reaktionsgeschwindigkeit ein Maximum (Vmax) und bleibt konstant.

Regulation der Enzymaktivität

Regulatorische Enzyme erhöhen oder verringern ihre Aktivität in Abhängigkeit von bestimmten chemischen Signalen. Sie fungieren als wichtige Kontrollpunkte in Stoffwechselwegen, oft am Anfang der Wege positioniert, um sicherzustellen, dass die zellulären Anforderungen erfüllt werden. Wenn die Zelle ein Produkt eines Stoffwechselwegs benötigt, erhöhen regulatorische Enzyme ihre Aktivität. Sind die Bedürfnisse gedeckt, verringert sich die Enzymaktivität, was den gesamten Weg drosselt.

Allosterische Enzyme sind eine wichtige Klasse regulatorischer Enzyme in Stoffwechselreaktionen.

Modulatoren beeinflussen ihre Funktion, indem sie die Enzymaktivität stimulieren (+) oder hemmen (-). Die Bindung eines Modulators an eine allosterische Stelle (nicht das aktive Zentrum) führt zu einer Konformationsänderung des Enzyms. Diese Veränderung beeinflusst die Affinität des aktiven Zentrums zum Substrat und somit die Enzymaktivität.

Enzymhemmung

Chemikalien, die die Funktionsweise eines Enzyms beeinflussen, indem sie seine Aktivität ganz oder teilweise reduzieren, werden als Inhibitoren bezeichnet.

Arten der Enzymhemmung:

• Kompetitive Hemmung: Eine Abnahme der Enzymaktivität, verursacht durch eine chemische Verbindung, die dem Substrat strukturell ähnlich ist. Der Inhibitor konkurriert mit dem Substrat um die Bindung an das aktive Zentrum. Wenn der Inhibitor bindet, wird das Enzym gehemmt.
• Nichtkompetitive Hemmung: Der Inhibitor bindet an das freie Enzym oder den Enzym-Substrat-Komplex an einer anderen Stelle als dem aktiven Zentrum (allosterische Stelle). Diese Bindung verringert die katalytische Effizienz des Enzyms.
• Unkompetitive Hemmung (Akompetitive Hemmung): Der Inhibitor bindet nur an den Enzym-Substrat-Komplex, nicht an das freie Enzym. Diese Bindung verändert die Struktur des aktiven Zentrums und verhindert die Produktbildung.