Enzymkatalyse

Inhaltsverzeichnis

1. Struktur und Katalyse.- 1.1. Die thermodynamische und kinetische Basis der Katalyse.- 1.2. Das chemische Gleichgewicht.- 1.2.1. Thermodynamische Grundlagen.- 1.2.2. Experimentelle Gleichgewichtskonzentrationen und die Gleichgewichtskonstante.- 1.2.3. Berechnung thermodynamischer Größen aus Gleichgewichtsdaten.- 1.3. Dynamik chemischer Reaktionen.- 1.3.1. Grundlagen der Reaktionskinetik.- 1.3.1.1. Molekularität und Reaktionsordnung.- 1.3.1.2. Einfache Gesetzmäßigkeiten für den zeitlichen Ablauf von Reaktionen.- 1.3.1.3. Kinetik komplexer Reaktionen.- 1.3.2. Die Theorie des Übergangszustandes.- 1.4. Beziehungen zwischen chemischer Struktur und Reaktivität.- 1.4.1. Quantitative Beziehungen.- 1.4.2. Orbitalanordnung, Konformation und Reaktivität.- 1.5. Die Katalyse durch Säuren und Basen.- 1.5.1. Allgemeine und spezifische Säure-Base-Katalyse.- 1.5.2. Die Wasserstoffbrückenbindung.- 1.5.3. Die Geschwindigkeit von Protonentransferprozessen.- 1.5.4. Das Brönstedsche Katalysegesetz.- 1.6. Nucleophile und elektrophile Katalyse.- 1.6.1. Mechanismen nucleophil katalysierter Reaktionen.- 1.6.2. Mechanismen elektrophil katalysierter Reaktionen.- 1.7. Isotope Substitutionen als Sonden für Katalysemechanismen.- 1.8. Katalysen durch enzymanaloge Funktionsprinzipien.- 1.8.1. Intramolekularität als reaktionsfördemder Faktor.- 1.8.2. Katalyse über nichtkovalente Komplexe.- 1.8.3. Katalyse an synthetischen Polymeren.- 1.8.4. Semisynthetische Katalysatoren.- 1.9. Der Einfluß des Mediums auf die Reaktionsgeschwindigkeit.- 1.9.1. Die Thermodynamik des Lösungsmittelwechsels.- 1.9.2. Einfluß der Elektrolytkonzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit.- 1.9.3. Hydrophobe Wechselwirkungen und Reaktionen unter mikroheterogenen Bedingungen.- 1.10. Literatur.- 2. Enzymkinetik.- 2.1. Einfluß der Enzymkonzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit.- 2.2. Einfluß der Substratkonzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit.- 2.2.1. Die Michaelis-Menten-Gleichung.- 2.2.2. Die steady-state-Gleichung von Briggs und Haidane.- 2.2.3. Die integrierte Michaelis-Menten-Gleichung.- 2.2.4. Kinetische Gleichungen komplexer Reaktionsfolgen und reversibler Enzymreaktionen.- 2.2.5. Methoden zur Bestimmung der Michaelis-Konstante und der Maximalgeschwindigkeit.- 2.2.6. Bestimmung der Teil konstanten einer Enzymreaktion.- 2.2.7. Zwei-Substrat-Reaktionen.- 2.2.8. Umsetzung eines Substrats durch zwei, die gleiche Reaktion katalysierende Enzyme (Isoenzyme, modifzierte Enzyme).- 2.3. Einfluß von Effektoren auf die Reaktionsgeschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen.- 2.3.1. Reversible Inhibitoren.- 2.3.1.1. Die kompetitive Hemmung.- 2.3.1.2. Inhibierung durch konkurrierenden Umsatz eines zweiten Substrates.- 2.3.1.3. Die nichtkompetitive Hemmung.- 2.3.1.4. Die unkompetitive Hemmung.- 2.3.1.5. Die partiell kompetitive Hemmung.- 2.3.1.6. Methoden zur Bestimmung der Inhibitorkonstanten Ki.- 2.3.2. Die Substratüberschuß-Hemmung.- 2.3.3. Hemmung durch hochaffine Inhibitoren.- 2.3.4. Hemmung durch irreversibel reagierende Inhibitoren.- 2.3.5. Hemmung durch Reaktion des Inhibitors mit dem Substrat.- 2.3.6. Hemmung durch Coenzym-Antagonisten.- 2.3.7. Aktivatoren.- 2.3.8. Einfluß des pH-Wertes auf die Geschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen.- 2.4. Einfluß der simultanen Bindung mehrerer Substratmoleküle auf die Geschwindigkeit einer enzymkatalysierten Reaktion.- 2.4.1. Die Hill-Gleichung.- 2.4.2. Das Substrat als Aktivator.- 2.4.3. Wechselwirkungen zwischen den aktiven Zentren von Oligomer-Enzymen.- 2.4.4. Konformeren-Gleichgewichte bei oligomeren Enzymen.- 2.4.4.1. Das konzertierte Modell.- 2.4.4.2. Das sequentielle Modell.- 2.4.4.3. Das slow-transition-Modell.- 2.5. Einfluß von Isotopen-Substitutionen im Substrat auf die kinetischen Parameter enzymkatalysierter Reaktionen.- 2.5.1. Einfluß auf Maximalgeschwindigkeit und Km-Wert.- 2.5.2. Bestimmung des intrinsischen Isotopieeffekts.- 2.5.3. Methoden zur Bestimmung des Isotopieeffekts bei enzymkatalysierten Reaktionen.- 2.6. Literatur.- 3. Das Proteinmolekül als Gleichgewichtsstruktur.- 3.1. Allgemeine Bemerkungen zur Proteinstruktur.- 3.2. Die Hauptkette als Strukturelement der Proteine.- 3.2.1. Stereochemie der Hauptkette.- 3.2.2. Bindungsstabilität der Hauptketten-H-Atome.- 3.3. Die Seitenkette - Basis der Variabilität von Proteinstrukturen.- 3.3.1. Struktur und Mobilität der Seitenketten.- 3.3.2. Physikochemische Differenzierung der Seitenketten.- 3.3.2.1. Säure-Base-Verhalten.- 3.3.2.2. Polarität der Seitenketten.- 3.3.3. Chemische Differenzierung der Seitenketten.- 3.3.3.1. Spezifische Markierung der Seitenketten.- 3.3.3.2. Kovalente Verknüpfung von Seitenketten mittels bifunktioneller Reagenzien.- 3.3.3.3. Aussagebereich chemischer Modifizierungsreaktionen.- 3.3.3.4. Extremes chemisches Verhalten von Seitenketten (Superreaktivität und Maskierung).- 3.4. Struktursysteme in Proteinen (Sekundärstruktur) und deren Beziehung zur Raumstruktur.- 3.4.1. Helikale Struktursysteme.- 3.4.2. Faltblatt-Struktursysteme.- 3.4.3. Der Wendeknick als Struktursystem.- 3.4.4. Komplexe Struktursysteme - Domänen.- 3.5. Die Raumstruktur von Proteinmolekülen (Tertiärstruktur).- 3.5.1. Die Röntgenkristallstrukturanalyse - Möglichkeiten und Grenzen.- 3.5.1.1. Gewinnung von Proteinkristallen.- 3.5.1.2. Übertragbarkeit der Röntgenstrukturdaten auf das gelöste Protein.- 3.5.1.3. Raumstruktur kristallisierter Enzym-Substrat- und Enzym-Inhibitor-Komplexe.- 3.5.2. Raumstrukturen von Proteinen aus intramolekularen Abstandsparametern.- 3.5.3. Die Primärstruktur als Code der Raumstruktur von Proteinen.- 3.5.3.1. Sequenz und Molekülgeometrie.- 3.5.3.2. Raumstrukturen aus Sequenzdaten (Faltungsmodelle).- 3.6. Stabilität und Mobilität der Raumstruktur von Proteinmolekülen.- 3.6.1. Die Raumstruktur des Proteinmoleküls als Gleichgewichtszustand.- 3.6.2. Wechselwirkungen zwischen den Seitenketten und deren Bedeutung für die Gesamtstruktur.- 3.6.2.1. Disulfidbindung.- 3.6.2.2. Elektrostatische Wechselwirkungen.- 3.6.2.3. Hydrophobe Strukturierungseffekte.- 3.6.3. Denaturierung und Renaturierung.- 3.7. Strukturelle Aspekte der oligomeren Proteinstruktur (Quartärstruktur).- 3.7.1. Stöchiometrie und Geometrie oligomerer Proteine.- 3.7.2. Assoziations-Dissoziations-Gleichgewichte bei oligomeren Proteinen.- 3.7.3. Verfahren zur Ermittlung der Geometrie von Oligomerstrukturen.- 3.7.3.1. Elektronenmikroskopie.- 3.7.3.2. Bifunktionelle Reagenzien zur Ermittlung der räumlichen Anordnung von Untereinheitskomplexen.- 3.7.3.3. Modellierung von Oligomerstrukturen anhand von Streukurven.- 3.8. Nichtproteinstrukturkomponenten.- 3.8.1. Wasser.- 3.8.2. Polysaccharide.- 3.8.3. Phosphatgruppen.- 3.8.4. N-terminale Acylreste.- 3.9. Literatur.- 4. Enzymkatalyse.- 4.1. Das aktive Zentrum.- 4.1.1. Enzyme als Mikro-Heterogenkatalysatoren.- 4.1.2. Zur Evolution der Enzymkatalyse.- 4.1.3. Mechanistische Grundlagen der Enzymkatalyse.- 4.1.3.1. Makromilieu und Mikromilieu.- 4.1.3.2. Substratbindung und Substratspezifität.- 4.1.3.3. Substratorientierung und Substratdestabilisierung.- 4.1.3.4. Übergangszustand bei Enzymkatalysen.- 4.1.3.4.1. Kinetische Isotopieeffekte.- 4.1.3.4.2. Austausch von Seitenketten im Reaktionsbereich ("Enzyme Engineering").- 4.1.3.4.3. Affinitätsstudien mit "Übergangszustandanalogen"Verbindungen.- 4.1.3.5. Mechanismusabhängige Inhibitoren.- 4.1.4. Klassifizierung der Enzyme nach der katalysierten Reaktion.- 4.2. Regulation der Enzymaktivität.- 4.2.1. Enzymaktivität als kontrollierbarer Zustand.- 4.2.2. induzierte Aktivitätsänderungen.- 4.2.3. Zeitlich verzögerte Regulationsprozesse.- 4.2.4. Regulation gekoppelter Enzymsysteme.- 4.3. Funktionsmechanismen von Cofaktoren.- 4.3.1. Zur Definition.- 4.3.2. Coenzyme.- 4.3.2.1. Nikotinamid-Coenzyme (Nikotinamid-adenindinucleotid (NAD?) und Nikotinamid-adenindinucleotid-phosphat(NADP?)).- 4.3.2.2. Flavin-Coenzyme (Flavin-adenindinucleotid (FAD) und Riboflavin-5?-phosphat (Fla-vin-mononucleotid, FMN)).- 4.3.2.3. Coenzym A (CoA).- 4.3.2.4. Adenosintriphosphat (ATP).- 4.3.2.5. Pyridoxalphosphat (PLP) und Pyridoxaminphosphat (PMP).- 4.3.2.6. Pyruvat und ?-Ketobutyrat.- 4.3.2.7. Biotin (B).- 4.3.2.8. Thiaminpyrophosphat (TPP).- 4.3.2.9. Liponsäure (LS).- 4.3.2.10. Tetrahydrofolsäure (THF).- 4.3.2.11. 5?-Desoxyadenosyl-Cobalamin und Methyl-Cobalamin.- 4.3.3. Metallionen als Cofaktoren und Stabilisatoren.- 4.3.3.1. Allgemeine Bemerkungen zur Funktion von Metallionen.- 4.3.3.2. Metallionen als Cofaktoren.- 4.3.3.3. Metallionen als Stabilisatoren der funktionellen Proteinstruktur.- 4.4. Funktionelle Aspekte der oligomeren Proteinstruktur.- 4.4.1. Induzierte Konformationsänderungen.- 4.4.1.1. Katalytische Aktivität von isolierten Untereinheiten.- 4.4.1.2. Konformationstransfer im Hämoglobinmolekül.- 4.4.2. Funktionelle Differenzierung innerhalb eines Enzymmoleküls (Aspartat-Transcarba-mylase, ATCase).- 4.4.3. Funktionelle Differenzierung in Enzymkomplexen.- 4.4.3.1. Systematik von Multienzymsystemen.- 4.4.3.2. Multienzymkomplexe mit kovalentem Substrattransfer.- 4.4.3.2.1. Fettsäure-Synthetase.- 4.4.3.2.2. Gramicidin S-Synthetase.- 4.4.3.2.3. ?-Ketosäure-Dehydrogenasen.- 4.4.3.3. Multienzymkomplexe mit diffusivem Substrattransfer (Tryptophan-Synthase).- 4.4.3.4. Multienzymkonjugate(Multienzym-Cluster).- 4.4.3.5. Polyfunktionelle Untereinheiten.- 4.5. Funktionsmechanismen ausgewählter Hydrolasen.- 4.5.1. Enzyme der Peptidspaltung.- 4.5.1.1. Klassifizierung.- 4.5.1.2. Funktionsmechanismus von Proteasen.- 4.5.1.2.1. Serinproteasen.- 4.5.1.2.2. Cysteinproteasen.- 4.5.1.2.3. Carboxylproteasen (saure Proteasen, Aspartylproteasen).- 4.5.1.2.4. Metalloproteasen.- 4.5.1.3. Substratspezifität und Substratbindungsmechanismus bei Oligomersubstraten (Se-kundärspezifität).- 4.5.2. Enzyme der Glykosidspaltung.- 4.5.2.1. Substratspezifität und kinetische Besonderheiten von oligosaccharidspaltenden Enzymen.- 4.5.2.2. Lysozym.- 4.5.2.3. Amyiasen.- 4.5.3. Enzyme des Phosphattransfers.- 4.5.3.1. Ribonuclease A.- 4.5.3.2. Phosphorylierungsenzyme (Kinasen).- 4.5.3.2.1. Kreatin-Kinase.- 4.5.3.2.2. Protein-Kinasen.- 4.6. Literatur.- 5. Immobilisierte Enzyme.- 5.1. Besonderheiten von immobilisierten Enzymen.- 5.2. Herstellung immobilisierter Enzyme.- 5.2.1. Immobilisierungsprinzipien.- 5.2.1.1. Einschlußmethoden.- 5.2.1.2. Bindungsmethoden.- 5.2.1.3. Kombinierte Immobilisierungsmethoden.- 5.2.1.4. Auswahlkriterien.- 5.2.2. Trägermaterialien.- 5.2.2.1. Trägereigenschaften.- 5.2.2.2. Anorganische Trägermaterialien.- 5.2.2.3. Organische Trägermaterialien.- 5.2.2.3.1. Natürliche organische Polymere.- 5.2.2.3.2. Synthetische organische Polymere.- 5.2.3. Methoden zur kovalenten Enzymbindung.- 5.2.3.1. Auswahl der Kupplungsmethode.- 5.2.3.2. Gebräuchliche Kupplungsmethoden.- 5.3. Eigenschaften immobilisierter Enzyme.- 5.3.1. Physikalische und chemische Eigenschaften.- 5.3.2. Kinetik immobilisierter Enzyme.- 5.3.2.1. Effekte der physikalischen und chemischen Modifizierung des Enzymmoleküls.- 5.3.2.2. Einflüsse des Matrixmilieus auf die intrinsischen kinetischen Parameter.- 5.3.2.3. Verteilungseffekte.- 5.3.2.4. Diffusionseffekte.- 5.3.2.4.1. Äußere Diffusion.- 5.3.2.4.2. Innere Diffusion.- 5.3.3. Enzymstabilität.- 5.4. Enzymreaktoren auf der Basis immobilisierter Enzyme.- 5.4.1. Reaktortypen.- 5.4.2. Reaktorleistung.- 5.5. Immobilisierte komplexe Enzymsysteme.- 5.5.1. Immobilisierte Mehrenzymsysteme.- 5.5.2. Cosubstrat-Regenerierung.- 5.6. Literatur.- 6. Sachregister.