Enzymkatalyse

Alfred Schellenberger, geboren 1928, promovierte 1956 nach einem Chemiestudium in Dresden und Rostock in Halle, Habilitation 1962. Von 1967 bis zu seiner Emeritierung 1993 Professor für Biochemie an der halleschen Universität, seine wissenschaftliche Arbeit gehört bis heute zum Standard seines Fachs. Mitglied der Leopoldina seit 1970. Lebt in Potsdam.

Prof. Dr. Gerhard Hübner ist Professor am Fachbereich Mathematik der Universität Hamburg im Bereich Stochastik. Sein besonderes Interesse gilt stochastischen Prozessen und ihrer Anwendung.

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.