PBC Basics: Enzymatik

0:41 Und das können wir uns jetzt zum Beispiel vorstellen. Damals, als ihr noch zu Hause gewohnt habt, hattet ihr ja bestimmt ein Kinderzimmer in irgendeiner Form. Und ohne Einwirkung der Eltern von außen, ähm im Sinne von räum endlich mal auf, wird es ja immer unordentlicher.

0:59 Das habe ich noch nie gehört, den Vergleich. Alles gut.

1:02 Also ich alles super.

1:19 Darf ich mir okay, Freunde, sagen als Begrüßung?

1:21 Moin. Eigentlich nicht aus dem Norden, ich weiß nicht, warum ich ihm Moin sage.

1:27 Ja, also, okay, Freunde, ich sag mal, ich mach's trotzdem. Wir sind wieder zu dritt unterwegs heute mit Sumia Tim und meiner Wenigkeit. Und wir widmen uns der Enzymatik. Wir sind sehr heiß auf die Enzymatik, denn ich fand Enzymatik immer so ein Thema, was mich am Anfang sehr abgeschreckt hat, weil man so viele Graphen und so viele Formeln und so.

1:51 Also ich fand es am Anfang so ein bisschen suspekt. Und wir möchten euch aber die Angst nehmen und möchten das Verständnis für die Enzymatik an sich, für die organischen Chemiegrundlagen, für die Kinetik, Deregulation, Klassifikation, bla bla, alles, was damit so reinspielt, euch näher bringen und halt eben so wie man es kennt, besprechen, damit wir irgendwie da gemeinsam durchkommen und das dann in der nächsten Prüfung ein Lecker wissen wird.

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2:22 Gerade beim Faktenlernen habe ich immer wieder mal so richtig Motivationsprobleme. Und meine Methode to go ist es deswegen, abwechselnd verschiedener Kanäle anzusteuern. Den Forcleaning-Podcast gibt es also auf die Ohren und Meditrix bietet den perfekten visuellen Input aus Merkbildern und Erklärvideos.

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3:09 Das war's schon.

3:11 Ja, also ich muss auch sagen, ich war am Anfang nicht so ein Fan von der Enzymatik, aber jetzt so durch die Folgenvorbereitung auch. Das ist eigentlich ganz cool. Ganz vorab, bevor wir anfangen, erstmal Props an Yu aus unserem Team. Der hat wirklich diverse Biochemie-Lehrbücher gewälzt und uns da in der Skriptvorbereitung enorm viel Arbeit genommen.

3:28 Deswegen danke an dieser Stelle. Ja, aber starten wir direkt. Wozu brauchen wir denn Enzyme? Und da würde ich gerne mit einer ganz simplen Reaktion anfangen, und zwar A plus B gibt AB. Ich hoffe oder ich nehme es stark an, ihr kennt alle Howard Met Your Mother. Wir stellen uns jetzt alle einfach mal vor, Ted sieht in der Bar eine attraktive Frau, möchte sie irgendwie gern ansprechen, aber traut sich nicht.

3:50 Und als treuer Freund schreitet Barney Stinson ein, der ist Ted's Wingman, der geht zur Frau hin und sagt, hi, kennen Sie Ted? Und das Ziel ist, dass die beiden sich näher kommen, vielleicht irgendwie küssen und dann ist in unserem Beispiel die Frau A, Ted ist B und beim Kuss oder bei wie auch immer, sind sie AB.

4:10 So, und was hat es jetzt mit Enzymatik zu tun? Barney Stinson, der Wingman, ist der Biokatalysator. Das heißt, er senkt die Überwindung, die Aktivierungsenergie für Ted, mit der Frau ins Gespräch zu kommen.

4:22 Und außerdem beschleunigt er das Ganze ja auch extrem. Ich meine, wenn man immer zu Leuten hingeht, so, und kennen sie schon, Ted, genau, das machen Biokatalysatoren nämlich auch. Also die beschleunigten chemische Reaktionen und das Ganze machen sie allerdings, ohne die Gleichgewichtslage zu verändern.

4:40 Man hat ja fast immer Gleichgewichtsreaktionen in der, gerade in der organischen Chemie. Und das bedeutet, es entstehen nicht aus allen Substraten die Produkte, sondern es liegt immer so ein gewisses Verhältnis von Edukten und Produkten vor. Und das verändern die Biokatalysatoren auch nicht. Die meisten chemischen Reaktionen laufen aber grundsätzlich ohne Katalysatoren zu langsam ab, gerade im Körper, um Lebensprozesse aufrechtzuerhalten.

5:10 Genauso wie Ted irgendwann sich vielleicht auch überwunden hätte, die Frau anzusprechen, aber es hätte vielleicht einfach den ganzen Abend gedauert.

5:16 Eben, und bis dann, ja, wäre es auf jeden Fall zu lang gewesen. Und Enzyme, die haben jetzt die Fähigkeit, die sind quasi unsere Biokatalysatoren. Wir gehen dann später nochmal genauer drauf ein, was ein Katalysator alles ausmacht. Aber ihr könnt euch schon mal merken, Enzyme, das sind die Biokatalysatoren im Körper.

5:39 Und die können verschiedene Energieformen ineinander umwandeln. Wenn wir uns zum Beispiel Membrantransporter anschauen, ja, das sind auch Enzyme, die können die Energie von ATP, also diesem universellen Energieträger im Körper, die können die nutzen, um Ionen und Moleküle über Membranen hinweg zu transportieren und dann zum Beispiel einen Gradienten zu generieren, über denen dann letztendlich Potenziale entstehen können und Nervenimpulse, also Aktionspotenziale, möglich sind.

6:11 Oder auch bei der Muskelkontraktion, ja, da wird die Energie des ATP genutzt, um letztendlich mechanische Arbeit zu erzeugen. Und genau, wie schon gesagt, diese Enzyme bezeichnet man auch als Biokatalysatoren.

6:26 So, genug der Einführung? Was ist denn das ein Enzym?

6:29 Das sind Proteine, die eine katalytische Aktivität haben. Und zwar im aktiven Zentrum. Also dieses aktive Zentrum ist dann die Bindungsstelle des Substrats. Und da haben wir jetzt so einen dreidimensionalen Spalt in einem fluiden Enzym und dieses aktive Zentrum macht auch nur einen relativ kleinen Anteil des Gesamtenzyms aus.

6:47 Also diese Abbildungen aus den Biologiebüchern in der 10. Klasse, die sind sehr vereinfachend, wenn man da das Gefühl hat, irgendwie so die Hälfte oder ein Drittel der Oberfläche ist jetzt hier aktives Zentrum. Das ist nur, damit man sich das besser vorstellen kann. In der Realität ist viel kleiner. Und dort wird eben so ein besonderes Reaktionsmilieu geschaffen.

7:04 Also zum Beispiel ein hydrophobes Milieu erleichtert die Substratbindung.

7:09 Genau, und da könnt ihr euch vielleicht ganz kurz erinnern, wir hatten ja auch schon drüber gesprochen, über Polarität und Gleiches löst sich im Gleichen, ja. Und wenn da eben ein hydrophobes Milieu entsteht, dann wird eben da zum Beispiel das Wasser oder so, was dann sonst noch so rumschwimmen könnte, rausgedrückt und dementsprechend kann da einfach das Substrat gleich viel besser binden.

7:34 Ja, das ist eigentlich relativ logisch. Genau, und in diesem, das war es jetzt zum aktiven Zentrum, dann gibt es noch das allosterische Zentrum und das ist jetzt eine Bindungsstelle für Regulatoren, also zum Beispiel Aktivatoren, aber vor allem auch Inhibitoren, die dann die Enzymaktivität beeinflussen können oder beeinflussen.

7:51 Ein Enzym katalysiert insgesamt auch in der Regel nur eine einzige Reaktion. Das heißt, wir haben reaktionsspezifische Katalysatoren. Ein weiterer Begriff, den man nochmal gehört haben sollte, sind die Iso-Enzyme. Das sind Isoformen der einzelnen Enzyme. Das heißt, sie katalysieren die identische Reaktion, werden aber von verschiedenen Genen exprimiert, also das ist dann meistens gewebeabhängig.

8:16 Sehr beliebt in der Labormedizin, um zum Beispiel rauszufinden. Ja, bei bestimmten Enzymen, die kommen halt nur in bestimmten Organen vor und wenn man die dann findet, dann weiß man, wo es herkommt.

8:26 Genau. Dann haben wir noch einen kurzen Teil zur Substratbindung. Also wie funktioniert es jetzt? Vielleicht, oder ihr könnt euch bestimmt alle noch aus der Schule erinnern, an das Schlüssel-Schloss-Modell, wird auch in der Biochemie an der Uni nochmal kurz wiederholt, ist halt, ergibt sich vor dem Namen relativ logisch Schlüssel, passt spezifisch ins Schloss rein, ist aber stark vereinfacht und eher veraltet.

8:49 Jetzt geht man eher nach dem Induced-Fit-Modell und das bezeichnet eben, dass sich das Enzym bei Substratbindung verändert. Das heißt, das Substrat bindet an ein bisher ungebundenes Enzym und es kommt zu einer Konformationsänderung jetzt dieses Enzyms. Und dann entsteht der Enzymsubstrat-Komplex. Das ist ein bisschen wie wenn man jemandem die Hand gibt und dann hält man sie ja auch erst hin und schließt dann erst noch die Finger, wenn man dann schon sich die Hand gegeben hat.

10:25 Manche. Manche haben auch so einen bräuchten Lachs als Händedruck.

10:28 Seid dann immer ein bisschen unangenehm.

10:32 Okay. Nochmal, ich habe ja vorhin schon gesagt, wir schauen nochmal genauer auf die genaue Wirkung von Enzymen bzw. von Katalysatoren im Allgemeinen. Das lässt sich auch auf andere anwenden. Und die Substratumwandlung eines Substrats S in ein Produkt P erfolgt immer über einen Übergangszustand. Wir nennen den mal X.

10:56 Und dieser Übergangszustand, der hat eine höhere freie Enthalpie als S und P. Letztendlich hat er einfach eine höhere Energie. Wenn man sich das in so einem Diagramm vorstellt, dann muss man eben, dann gibt es eine gewisse Spitze. Und diese Spitze der Kurve, das ist der Übergangszustand. Und er hat mehr Energie sowohl als das Substrat als auch als die Produkte.

11:23 Und um dieses Substrat in diesen Übergangszustand zu überführen, ist ein bestimmtes Maß an Energie nötig. Und zwar ist das die sogenannte Aktivierungsenergie. Und wenn dieser Übergangszustand erstmal erreicht ist, dann wird keine zusätzliche Energie mehr benötigt, um das Produkt zu erreichen. Und Enzyme machen jetzt folgendes: Die senken letztendlich die Aktivierungsenergie.

11:51 Also dieser höchste Energiezustand wird einfach niedriger. Und dadurch wird auch die Bildung des Übergangszustands erleichtert. Außerdem beschleunigen Enzyme die Reaktion insgesamt auch. Und das Reaktionsgleichgewicht, was ja letztendlich nicht verändert wird, stellt sich einfach schneller ein.

12:12 Okay, wir haben jetzt gerade schon mal viel zu den Begriffen, also Enthalpie und Aktivierungsenergie. Da sind wir jetzt gerade manche vielleicht auch drüber gestolpert. Wir klären das nochmal kurz, weil bei mir war das auch ein bisschen her, ehrlich gesagt. Also, Enthalpie H, was ist die Enthalpie? Im Prinzip einfach nur der im Stoff gespeicherte Wärmeinhalt.

12:31 Und der ist, je kleiner, desto, also der soll möglichst klein sein und das ist dann der energetisch günstigere Zustand. Und wenn wir jetzt eine Änderung von H, also wir haben bei einer Reaktion, das H1 ist jetzt zu Beginn und H2 ist bei der, nachdem die Reaktion abgelaufen ist. Und wenn man daraus die Differenz zieht, haben wir Delta H, das, was wir in Gleichungen oft sehen.

12:52 Und wenn das kleiner 0 ist, dann bedeutet das, dass der Wärmeinhalt sinkt und Wärmefrei wird. Das heißt, wir haben eine exotherme Reaktion. Und andersrum genauso ist Delta H größer 0, dann steigt der Wärme der Wärmeinhalt, Wärme wird zurückgeführt oder zugeführt und wir haben eine endotherme Reaktion.

13:12 Genau. Und bei der Enthalpie geht es eben darum, wie viel Wärme bzw. innere Energie dieser Stoff oder dieses Molekül jetzt dazubekommt oder abgeben muss. Und dann gibt es noch ein weiteres Konzept, nämlich die Entropie. Entropie wird in der Regel mit S abgekürzt. Und die Entropie ist, kurz gesagt, das Maß der Unordnung eines Systems.

13:39 Zugegebenermaßen ist das jetzt vielleicht ein bisschen abstrakt, aber die Entropie ist auch wichtig, mit einzubeziehen, um letztendlich klären zu können, ob eine Reaktion spontan ablaufen kann oder eben nicht, also ob sie Energie von außen benötigt. Und die Entropie, ja, das kommt letztendlich, dieses Konzept kommt aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

14:04 Und zwar besagt der, dass die Gesamtenergie eines Systems und seiner Umgebung bei spontan abläufenden Vorgängen stets zunimmt. Und das können wir uns jetzt zum Beispiel vorstellen. Damals, als ihr noch zu Hause gewohnt habt, hattet ihr ja bestimmt ein Kinderzimmer in irgendeiner Form. Und ohne Einwirkung der Eltern von außen, im Sinne von räum endlich mal auf, wird das ja immer unordentlicher.

14:32 Das habe ich noch nie gehört, den Vergleich.

14:34 Aber das ist gut. Ja, das ist super. Ich kenne niemanden mal, dem das nicht so ist. Wie witzig. Und genauso wie das Kinderzimmer automatisch immer unordentlicher wurde, streben auch alle Systeme in der Natur nach Unordnung. Also es ist völlig natürlich. Und das ist auch absolut nicht zu verhindern. Selbst wenn ihr beispielsweise eure Zimmer dann aufräumt, ja, dann sorgt ihr unter anderem durch die Wärmeentwicklung eurer Muskulatur, über euren CO2-Ausstoß und so weiter, trotzdem für eine gesteigerte Gesamtentropie im System.

15:06 Und ja, ganz zu schweigen davon, dass die Energie und die atomaren Turbulenzen, die bei einem Wutausbruch von Erziehungsberechtigten frei werden, ja, da steigert man definitiv auch die Gesamtentropie. So, heißt also insgesamt, ein Molekül hier möchte erstens Energie, also Enthalpie, die innere Energie, verlieren, um an einen energetisch günstigeren Zustand zu kommen.

15:34 Es ist halt einfach schöner, wenn man nicht die ganze Zeit gestresst ist, sondern chillig irgendwo am Strand liegt. Und zweitens möchte dieses Molekül die Entropie, also die Unordnung, steigern. Das kannst du zum Beispiel machen, indem es in mehrere Produkte zerfällt. Wenn man ein Buch auf dem Boden liegen hat, dann ist es ja auch viel ordentlicher, als wenn man jetzt alle Seiten rausreißt und einzeln auf dem Boden verteilt.

15:59 Mir gefällt es besser.

16:00 Genau, und die Natur findet auch einzelne Blätter viel cooler, ja. Also dieser Hauptsatz der Thermodynamik gilt eigentlich immer. Also nicht eigentlich, der gilt immer. Und diese zwei Wünsche, einerseits Energie, also Enthalpie, soll sinken und die Entropie, also die Unordnung, soll steigern, die muss man jetzt gegeneinander aufwiegen.

16:21 Und daraus kann man berechnen, ob eine Reaktion freiwillig bzw. spontan abläuft oder ob sie zusätzlich Energie von außen benötigt.

16:30 Genau, da es jetzt jetzt so einfach wäre, wenn es bei den zwei bleibt, gibt es noch eine dritte Größe.

16:34 Ja, wobei das genau die Größe ist, die dann das alles vereint. Also wir haben jetzt hier schon gehört, dass um herauszufinden, ob es spontan oder nicht spontan abläuft, brauchen wir die, brauchen wir eine Vereinigung von diesen beiden Werten. Da kommt sogar noch ein dritter dazu, und zwar die Temperatur.

16:52 Und das nennt man dann gipsfreie Energie G. Nennt man auch freie Enthalpie, finde ich ein bisschen verwirrend, aber im Prinzip könnt ihr euch merken, Gipsfreie Energie G. Und das ist dann eben der Betrag der Gesamtenergie des Systems und wird dann berechnet über die sogenannte Gips-Helmholtz-Gleichung.

17:09 Also nennt sich, äh, geht es folgendermaßen Delta G, also diese freie Energie, ist gleich Delta H, also die Enthalpie minus minus Temperatur mal Delta S, also die Änderung der Entropie, also des Maßes der Unordnung. Ist jetzt das Delta G kleiner als 0, bedeutet das, dass die Reaktion Hexergon ist. Das heißt, sie verläuft spontan.

17:37 Es braucht keine Energie. Ist das Delta G größer 0, verläuft die Reaktion Endergon und benötigt die Zufuhr von Energie zum Beispiel aus der Wärme eines Unsenbrenners. Ist jetzt Delta G gleich 0, ja, dann befindet sich das System im Gleichgewicht. Eigentlich recht logisch.

17:55 Und genau jetzt nochmal ganz kurz zu dieser Formel. Delta G ist gleich Delta H minus T mal Delta S. Wenn wir uns das nochmal kurz überlegen, dieses Grundprinzip, dass wenn innere Energie frei wird, das nennt man ja, das haben wir früher in der Schule Exotherm genannt. Das ist ja eigentlich relativ klar, dass das Delta H kleiner 0 wird.

18:22 Und dann zieht man die Entropieänderung ab, da hat man das Minus, weil wenn die Entropie steigt, ist es ja gut. Dann läuft die Reaktion ja noch wahrscheinlicher Exagon ab. Und dann ist da noch die Temperatur dabei, die mit der Entropieänderung multipliziert wird. Kann man sich vorstellen, wenn die Temperatur steigt, dann bewegt sich alles schneller.

18:44 Und wenn Teilchen jetzt einfach unordentlich nebeneinander liegen, ist es immer noch quasi ordentlicher, als wenn die super schnell durch den Raum fliegen. Und deshalb muss man da die Temperatur noch mit einbinzen.

18:56 Da geht der Punk ab.

18:57 Auf jeden Fall.

18:59 Geil. Ja, das war jetzt, finde ich, ein bisschen, also schon recht krass mit den ganzen Buchstaben. Deswegen.

19:07 Diese Buchstaben immer.

19:09 Ja, und auch einfach so Enthalpie H, ist ja logisch, ne? Da kommt ein Hartz vorhin im Wort. Super. Danke. Danke dafür. Aber gut, genau. Und jetzt ist halt nur noch die Frage, jetzt haben wir davon gesprochen, dass es hexagone Sachen gibt. Das ist klar, das geht von alleine. Aber woher kommt denn die Energie her, wenn wir jetzt doch eine endagone Reaktion starten wollen?

19:29 Genau, und das ist im Körper, kommt diese Energie, nicht wie vielleicht im Chemieunterricht, vom Bunsenbrenner, sondern von verschiedenen Energieträgermolekülen mit energiereichen Bindungen.

19:41 Jetzt hätte ich jeden Morgen einen Bunsenbrenner hinter. Hallo?

19:44 Damit man richtig wach morgens.

19:46 Jeder hat ja so seine eigene Morgenroutine.

19:50 Ja, neben Leos Bett hier sind schon immer. Hast du da so eine Glühlampe eigentlich stehen? Ist das so ein Glühwecker? So eine Lampe.

19:59 Nö, der ist einfach ein stinknormaler Radiowecker. Ah, okay. Jetzt wissen nur alle, wie mein Schlafzimmer aussieht.

20:06 Ich weiß gar nicht, ob das bekannt ist, dass wir immer in Leos Schlafzimmer aufnehmen. Ja. Aber jetzt ist es auf jeden Fall. Jetzt ist es bekannt. Das ist auch mal mitgeteilt. Okay. Das typische Energieträgermolekül im Körper ist ATP. Das kennen wir, glaube ich, alle. Und es gibt aber auch andere Triphosphate, wie zum Beispiel GTP, die eigentlich genauso verwendet werden können.

20:29 Und das ATP, das hat zwei energiereiche Säureanhydridbindungen, nämlich zwischen den Phosphaten. Und bei einer Hydrolyse, also wenn man die abspaltet von ATP zum Beispiel zu ADP, also von Adenosin-Triphosphat zu Adenosin-Difosphat, dann entsteht beziehungsweise dann hat man eben eine Gipsergie von minus 30 Kilojoule pro Mol, die freigesetzt wird.

21:02 Und diese minus 30 Kilojoule pro Mol für ATP, sollte man sich merken, kann ab und zu nach vorkommen.

21:09 Da richtig schon wieder so eine MC-Frage so.

21:11 Genauso wie die Tatsache übrigens, dass es zwei energiereiche Säure-Anhydridbindungen gibt. Das habe ich gefühlt auch schon öfters mal irgendwo sagen müssen. Das stimmt. Das ist auch wichtig.

21:21 Und wenn wir jetzt aber ATP regenerieren wollen, dann brauchen wir Verbindungen mit noch höherem Gruppenübertragungspotenzial, wo dann eben die Gipsenergie negativer als minus 30 Kilojoule pro Mol ist, um das ATP regenerieren zu können, beziehungsweise die ATP-Synthese anzutreiben. Und das sind in der Regel sogenannte energiereiche Phosphate.

21:46 Also wir koppeln letztendlich die ATP-Synthese an exagone Reaktionen von anderen Molekülen. Das typische Beispiel ist das Phosphenolpyruvat. Das hat eine Gipsenergie von minus 60 Kilojoule pro Mol. Man kann aber zum Beispiel, also wir sind jetzt gerade in der Glykolyse, die werden wir auch nochmal genauer besprechen.

22:12 Aber da gibt es ja auch noch das 1,3-Bisphosphoglycerat und das hätte zum Beispiel eine Gipsenergie von ungefähr minus 50 Kilojoule pro Mol. Und was zum Beispiel im Muskel besonders wichtig ist, das Kreatinphosphat.

22:26 Für all die Pumper unter euch. Genau.

22:28 Das hat minus 40 Kilojoule pro Mol und kann dementsprechend auch letztendlich Phosphat auf ATP übertragen.

22:37 Habe ich schon ganz oft gehört, dass das Kreatin zu fressen eigentlich gar nichts bringt, oder? Kann das sein? Ja, ich glaube, das ist. Sondern nur bei Leuten, die wirklich einen Mangel haben. Aber ansonsten ist es auch nur so, wieder so ein bisschen so ein Produkt mehr, was die Muskelindustrie verkauft, kriegt so.

22:50 Aber ich weiß es nicht.

22:51 Kann sehr gut sein, aber dass sie jetzt viel Hypwissen hier in dem Raum deswegen. Stimmt sehr viel Hypwissen.

22:55 Genau, also diese abgespaltene Phosphatgruppe kann dann auch direkt auf ADP übertragen werden. Und das würde man Substratkettenphosphorylierung nennen. Diese Substratkettenphospholylierung ist wirklich so ein ganz zentraler Begriff in der Biochemie. Und das ist ein Vorgang beim oxidativen Abbau von organischen Verbindungen, bei dem der Phosphatrest dieser phosphorylierten Zwischenprodukte einfach auf ADP oder GDP übertragen wird.

23:24 Ganz wichtig zum Beispiel in der Glykolyse. Und da kann man dann eben wieder ATP regenerieren, damit das dann wieder für andere Reaktionen verwendet werden kann.

23:35 Genau, also bevor wir jetzt weitergehen in die Enzym Kinetik, nochmal ganz kurz, Enzyme gleich Biokatalysator für die Aktivierungsenergieherabsetzung, machen das Ganze quasi schneller, beschleunigen die Reaktion und liegen unverändert vor. Nach der Reaktion. Die gehen genauso rein, wie sie rauskommen.

23:55 Dann gibt es diese abgefahrene Gips-Helmholtz-Gleichung mit diesem Delta G ist gleich Delta H minus Temperatur mal Delta S. Und als wichtigste Zahl aus dem ersten Block merken wir uns die minus 30 Kilojoule pro Mol als Energie aus ATP. So, also jetzt wissen wir, wie ein Enzym aufgebaut ist, wir wissen, wie ein Enzym grundsätzlich funktioniert, aber trotzdem, es gibt verschiedene katalytische Reaktionen und bla bla bla.

24:25 Und da man die auch irgendwie beschreiben muss, hat sich irgendein schlauer Mensch mal die Kinetik ausgedacht.

24:29 Genau, da geht es vor allem dabei, die Reaktionsgeschwindigkeit zu beschreiben, also wie schnell läuft das Ganze ab, wie schnell wird ein Enzym, äh wie schnell wird ein Substrat in ein Produkt umgesetzt mit Hilfe eines Enzyms. Und das Substrat S reagiert dann eben zum Produkt P. Also nur, dass wir hier jetzt mit dem Begriffen klar sind.

24:49 Und ganz zentral ist hier die Michaelis-Men von Kinetik. Das ist, genau, für mich immer so ein bisschen Schreckgespenst gewesen, ist aber eigentlich relativ simpel. Also das Enzym plus Substrat reagiert zum Enzymsubstratkomplex. Und die Geschwindigkeit, mit der das abläuft, nennt man K1, also kleines K1.

25:09 Und der Enzymsubstratkomplex reagiert dann zum, also wird dann quasi zu Enzym und Produkt und die Geschwindigkeit, mit der das abläuft, ist K2. Und ein ganz zentraler Begriff hier ist der Km-Wert, also die Michaelis-Menten-Konstante. Und die ist ein Wert für die Stabilität dieses Enzym-Substrat-Komplexes und damit eben auch für die Enzymsubstrat-Affinität.

25:36 Die Einheit des Ganzen ist für viele ein bisschen kontraintuitiv gewesen, in meiner Erfahrung, ist die Konzentration, das heißt Mol pro Liter. Und warum ist es so? Und das ist jetzt ganz wichtig, gut zuhören, der Km-Wert entspricht der Substratkonzentration, bei der die Reaktionsgeschwindigkeit die Hälfte ihres potenziellen Maximalwertes erreicht.

25:57 Das heißt, die halbmaximale Reaktionsgeschwindigkeit. Und wenn jetzt Km groß ist, dann bedeutet das, dass die Zerfallsgeschwindigkeit dieses Enzymsubstratkomplexes auch hoch ist. Also K1 und K2 sind hoch. Also diese im Prinzip, wenn ihr euch die Gleichung, diese Gleichgewichtsreaktion in beide Richtungen vorstellt, da laufen die Reaktionen in beide Richtungen relativ schnell ab.

26:23 Das heißt, wir haben eine niedrige Enzym-Substrat-Affinität.

26:27 Genau, beziehungsweise was hoch ist, ist nicht K1, sondern K minus 1, also quasi die Rückreaktion vom Enzymsubstratkomplex, wo es einfach wieder zu Enzym und Substrat auseinanderfällt.

26:37 Da hat Barney nicht so eine gute Fraufität ausgesucht. Kann ich nicht so lieben.

26:40 Ja, ganz genau, sorry, genau. Und wenn Km klein ist, dann ist die Zerfallsgeschwindigkeit dieses Enzymsubstratkomplexes niedrig und dann ist eben K1, also jetzt richtig rum, dann ist K1 hoch und der Komplex wird schneller gebildet und ist dann auch stabil. Also wir haben eine hohe Enzymsubstrat-Affinität.

27:00 Da hat es geknistert.

27:04 Vielleicht habt ihr noch diese hyperbole Sättigungskurve vor Augen, also von dieser Michaelis-Menten-Kinetik, da ist auf der X-Achse die Substratkonzentration aufgetragen, auf der Y-Achse die Reaktionsgeschwindigkeit. Und die Kurve, die nähert sich dem Wert V Max an. Und um jetzt KM zu finden, gucken wir uns einfach an, wo ist die Hälfte von VMAX auf der Y-Achse und schauen dann eben nach der Substratkonzentration an diesem Punkt auf der Kurve.

27:32 Also einfach kann man da gut ablesen. Was sich jetzt noch ergibt, ist die Michaelis-Menten-Gleichung. Und die solltet ihr euch merken, die Herleitung werden wir jetzt heute in der Folge nicht.

27:42 Haha, das sind diese drei Seitenmatte, ne?

27:44 Genau, die werden wir jetzt heute nicht weiter bearbeiten.

27:47 Also mein Tipp ist, hängt es euch in der Physikumszeit einfach irgendwie an die Bartür oder so oder an den Kühlschrank. Irgendwann merkt man sie.

27:55 Oder immer wieder aufschreiben, aber ich sage sie jetzt trotzdem einmal kurz und zwar V0 ist gleich V Max, also die Maximalgeschwindigkeit, mal in Klammern die Substratkonzentration geteilt durch die Substratskonzentration plus Km. Ist eigentlich nicht so lang, ist halt eine von so ein paar Formeln, die man sich fürs Physikum merken sollte.

28:15 Da gibt es drei Standardaufgaben zu. Also das ist nicht so wild.

28:20 Kann man sich auch tatsächlich herleiten. Manchen hilft das ja, das besser zu akzeptieren. Aber das müsstet ihr euch dann selber nochmal anschauen.

28:29 Da gibt es ein paar Skripte zu, wo das dann so erklärt ist, und es geht irgendwie über drei Seiten oder so.

28:34 Ja, also man kann es machen, man kann es auch lassen. Man kann das lassen.

28:38 Aber das wäre jetzt zu einfach, wenn es nur den Michaelis Menten gäbe. Denn neben dem Mike gibt es ja noch den Line Weaver Berg Plot.

28:45 Genau, und dieser Lineweaver Bergplot, der ist super cool eigentlich, weil der wandelt nämlich das Ganze, was man da so als Hyperbel hat bei Michaelis-Menten, in eine wunderschöne Gerade um. Und das funktioniert einfach dadurch, dass man die Michaelis-Menten-Gleichung hernimmt und aus allem einen Kehrbruch macht.

29:09 Ihr könnt ja, wenn ihr zwei Fünftel gleich, oh Gott, das war ein schlechtes Beispiel, zwei Fünftel gleich vier Zehntel habt, könnt ihr genauso sagen, 5 halbe gleich 10 Viertel. Also ihr könnt einfach alles umdrehen, über all die Kehrbrüche bilden. Und bei diesem Lineweaver Berkplot macht man genau das.

29:28 Damit ist die Gleichung dann 1 durch V0 ist gleich. km durch V Max mal 1 durch Substratkonzentration plus 1 durch V Max. Und da überlegt man sich jetzt einfach, dass diese Gleichung ja letztendlich genauso eine geraden Gleichung ist. Also das 1 durch V0 ist dann einfach Y, Km durch V Max ist die Steigung, 1 durch S ist der Wert für x und plus 1 durch V Max ist dann der Y-Achsenabschnitt.

29:59 Und ihr merkt schon, wenn wir jetzt nämlich 1 durch V Max als Y-Achsenschnittpunkt haben, dann kann man das super gut ablesen. Und genauso ist der x-Achsenschnittpunkt minus 1 durch km. Und die Steigung ist eben km durch V Max. Und man muss sich das mal ein bisschen anschauen, aber eigentlich ist das tatsächlich ganz praktisch und man kann viele Werte viel schneller sehen, als wenn man diese Hyperbel hat.

30:25 Ja, also eine Vereinfachung, die am Anfang, finde ich, nicht aussieht wie eine Vereinfachung, aber wenn man es mal gerafft hat, ist es tatsächlich eine Vereinfachung, finde ich. So, also jetzt haben wir jetzt aufgebaut. Wie geht der Punk ab? So, und jetzt ist natürlich Frage natürlich, kann man nicht einfach alles mal laufen lassen, sondern muss den Kollegen manchmal sagen, wann er was, wie sich zu verhalten hat.

30:46 Deswegen sind die eigentlich alle Enzyme am Ende irgendwie reguliert.

30:50 Ja, am häufigsten geht das Ganze über Phosphorellierungen, also das wird einem in der Biochemie wirklich rauf und runter begegnen. Aber es gibt eben auch verschiedene Inhibitoren. Und zwar unterscheidet man da einmal in irreversible und reversible Inhibitoren. Irreversibel wäre zum Beispiel das ASS oder auch geläufig bekannt als Aspirin, das hemt die Zyklooxygenase und somit die Synthese von Entzündungsmediatoren.

31:15 Reversibel wäre zum Beispiel, also wer wird dann wiederum unterteilt in kompetitiv, unkompetitiv und nicht kompetitiv. Und ich finde, das sind richtig asoziale Begrifflichkeiten. So richtig doppelt wirklich am Anfang schwierig ist, das zu unterscheiden.

31:29 Das finde ich jetzt noch schwierig.

31:30 Genau, aber wir haben so ein paar mehr, oder ich habe eine Merke für mich für später überlegt, dann hilft es vielleicht. Aber erstmal ganz konkret, was ist jetzt was? Bei der kompetitiven Hemmung ist es so, dass der Inhibitor dem Substrat ähnelt und ihm dann einfach seine Bindungsstelle am Enzym klaut.

31:47 Mehr Substrat hilft er aber, weil die sind im Prinzip Rivalen und wenn jetzt das Substrat so seine Gang mitbringt, dann wirkt es verdrängt und dann genau es funktioniert das alles eigentlich.

31:58 Bringst du Cousinks mit?

32:01 Wieder weiter. Bei der nicht-kompetitiven Hemmung ist es so, dass wir eine gleichzeitige Bindung an unterschiedlichen Bindungsstellen haben. Und da ist es aber so, dass mehr Substrat jetzt nicht unbedingt weiterhilft. Also wenn wir jetzt mehr von dem ursprünglichen Substrat dazugeben, dann werden wir trotzdem nicht die maximale Geschwindigkeit erreichen können.

32:20 Und bei der unkompetitiven Hemmung ist es so, dass die Bindung des Inhibitors an den Enzymsubstratkomplex bindet. Der Unterschied zur nicht-kompetitiven Hemmung, der ist jetzt für viele oft unklar, das ist im Prinzip so, dass hier der Inhibitor nur an den Enzym-Substratkomplex binden kann, während bei der nicht-kompetitiven Hemmung auch eine Bindung, also sowohl an den Enzymsubstratkomplex als auch an das atostherische Zentrum stattfinden kann.

32:50 Also einfach an das Enzym an sich.

32:52 Genau. Und hier ist es aber auch so, dass mehr Substrat nicht hilft, weil der Inhibitor eben von der Substratbindung abhängig ist, weil wir ja den Enzymsubstratkomplex brauchen.

33:02 So, und jetzt überlegen wir uns, wie das die Kinetik, also VMAX und KM, beeinflusst. Und vielleicht für den größten Lerneffekt könnt ihr hier die Folge auch kurz pausieren und versuchen, euch das selbst zu überlegen, bevor wir dann jetzt darauf eingehen. Okay. Überlegen wir uns also das Ganze erstmal für die kompetitive Hemmung.

33:25 Da ist es relativ simpel. VMAX bleibt gleich, weil wenn ich ganz viel Substrat dazu gebe, dann verdrängt das einfach den Inhibitor und ich kann immer noch die maximale Geschwindigkeit erreichen. Die KM steigt, das bedeutet, die Affinität sinkt. Also ich brauche mehr Substratkonzentration, um die gleiche Geschwindigkeit zu erreichen.

33:47 Warum? Wie gesagt, wenn die Substratkonzentration steigt, verdränge ich den Inhibitor, aber der macht es mir einfach schwerer. Deshalb brauche ich mehr Substrat, um die halt maximale Geschwindigkeit zu erreichen. Zweite Möglichkeit, die nicht kompetitive Hemmung. Was passiert da? Da sinkt V Max und Km bleibt gleich.

34:09 Warum? Wir senken, dadurch, dass dieser Inhibitor an die Enzyme bindet, senken wir einfach die Konzentration der Enzyme, die noch funktionieren. Und damit ist die Gesamtgeschwindigkeit geringer, weil wenn wir weniger, wenn wir quasi weniger Beschleuniger haben, dann kann es ja nicht so schnell gehen.

34:32 Und die KM, die Affinität ist davon aber letztendlich unbeeindruckt. Also die ist immer noch genauso hoch. Genau, also insgesamt sinkt hier einfach der Turnover an Substrat. Und bei der unkompetitiven Hemmung sinkt wieder V Max. Das kann man sich eigentlich gut vorstellen, weil hier bindet der Inhibitor ja an den Enzym-Substratkomplex und damit sind auch weniger funktionelle Enzyme da und dementsprechend sinkt schon mal die maximale Geschwindigkeit.

35:03 Es sinkt bei der unkompetitiven Hemmung aber auch noch Km. Das bedeutet, irgendwie wird die Affinität höher quasi. Und das kann man sich vielleicht so vorstellen, dass die, also erstmal sinkt ja die maximale Geschwindigkeit, ja. Und damit sinkt auch die halbmaximale Geschwindigkeit. Und es werden, man hat ja die Reaktion Enzym plus Substrat und dann entsteht der Enzym-Substratkomplex.

35:32 Und wenn ich jetzt immer diesen Enzym-Substratkomplex rausziehe aus der Reaktion, weil der Inhibitor ja genau das macht, dann wird einfach nach Les Chatelier-Prinzip, das ist ja auch eine Gleichgewichtsreaktion, wird das Gleichgewicht auf die Seite des Enzym-Substratkomplexes verschoben. Und der entsteht letztendlich bevorzugt.

35:55 Und dementsprechend wird quasi die Affinität von Enzym zu Substrat bzw. andersherum höher. Das müsst ihr ja auch eigentlich nicht wissen, aber das hat mir geholfen, das irgendwie zu akzeptieren.

36:07 Ja, auf jeden Fall. Also ich finde, wenn man drüber nachdenken kann, dann ist das nicht schlecht. Aber ich kenne auch viele, die das nicht hingekriegt haben, sich sehr zu leiten. Deswegen kann man sich doch anders merken.

36:18 Ganz genau, da habe ich mir wieder was Schönes überlegt. Ich bin auch ein Fan davon. Es ist immer gut, wenn man sich was selbst irgendwie erklären kann. Aber wenn man ehrlich ist, im Physikum oder in der Prüfungssituation geht es vielen so, dass sie diese Zeit oder diese Energie gerade nicht haben. Und da ist es gut, sich auf was verlassen zu können.

36:35 Und zwar habe ich mir da überlegt, den Eisbärknut, den kennen wir bestimmt alle noch. Und da merken wir uns einfach diese, einfach für die Buchstabenreihenfolge K für kompetitiv, N für nicht kompetitiv und U für Unkompetitiv. K, weil der Eisbär süß ist. Genau. Das C ist einfach klein. Und da stellen wir uns jetzt einfach eine Tabelle vor.

36:58 Also das sind drei Zeilen und dann haben wir einmal VMAX und KM. Und VMAX bleibt dann bei kompetitiv gleich und dann geht es runter, runter. Und für KM geht es einmal hoch, gleich, runter. Das ist ein Bild, das werden wir irgendwie nächste Woche oder so, werden wir auch auch noch auf Instagram, auf unserem Instagram-Account posten, damit ihr euch das da einmal direkt anschauen könnt.

37:19 Ich würde euch empfehlen, vielleicht das auch auf ein Post-it irgendwo hin zu klatschen oder ein paar Mal aufzuschreiben für die Leute, die sich mit solchen Bildern was merken können. Mir persönlich hat das sehr geholfen. Genau. Unser Instagram-Account übrigens at der V-Klinik Podcast könnt ihr dann finden.

37:38 So, also, das heißt, jetzt haben wir mit diesem schönen Eisbörr-Bild das Ganze beendet. Jetzt nochmal so ein paar Zusatzfacts über Klassifizierungen, was man sonst halt noch so braucht. Jetzt gleich wird es dann ein bisschen religiös. Oh, wistig.

37:55 Guter Teaser. Erstmal zu den Enzymklassen. Wir gehen ja jetzt einfach ein paar Klassen durch und sagen jewas, was die machen.

38:05 Es hilft einfach zur Einordnung, wenn man dann die für die Klassifikation, wenn man das liest, dass man direkt weiß, worum es geht.

38:11 Eine wichtige Klasse sind Transferasen. Was die machen, ist einfach, die übertragen eine funktionelle Gruppe. Im Grunde, so wie eine Fähre, kann man sich merken, Transfer, Transferasen.

38:22 Genau. Dann gibt es die Hydrolasen, die machen eine hydrolytische Spaltung. Das heißt, sie schneiden Dinge und zwar unter Verbrauch von Wasser. Also sie brauchen Wasser dafür und es wird nicht wasserfreigesetzt. Das hat mich immer ein bisschen verwirrt.

38:37 Dann gibt es die Lyasen, die machen das Ganze einfach nicht hydrolytisch. Die spalten nicht hydrolytisch.

38:43 Ja, die Isomerase macht genau das, was es sagt. Die Isomerisierung ist relativ einfach, also da braucht man auch keine große Merkhilfe dazu. Es ist einfach eine intramolekulare Umwandlung der Struktur.

38:54 Dann gibt es noch Ligasen, die wirken so ein bisschen wie ein Kleber und sorgen dafür, dass kovalente Verknüpfungen entstehen, häufig mittels energiereicher Kofaktoren.

39:08 Genau, ist im Prinzip wie so ein Kleber. Und das Allerletzte, was wir jetzt noch sagen wollen, sind die Translokasen. Kann man sich eigentlich auch sehr gut merken. Es ist ein Stofftransport durch eine Zellmembran hindurch. Also im Prinzip so ein, ja, wenn irgendwem das hilft, ein Taxi von einem Lokal zum anderen, Translokasen, aber Locus, also ist halt der Ort, deswegen weiß ich nicht.

39:28 So, und jetzt ist noch die Frage, was brauchen Aposteln, damit sie heilig werden?

39:33 Genau. Letztendlich hängt häufig die katalytische Aktivität von Enzymen von kleineren Molekülen ab, die mit denen zusammenarbeiten, sogenannte Kofaktoren. Und das Enzym ohne Kofaktor heißt Aproenzym, wie so ein Apostel. Und wenn er dann den Kofaktor dazu hat, wie so einen Heiligenschein, dann nennt man das Holoenzym, ja, dann ist ja heilig.

39:57 Also Holoenzym ist dann das vollständig katalytische aktive Enzym mit Kofaktor. Und man kann die Kofaktoren in zwei Gruppen unterteilen, nämlich einmal in Metalle und in Koenzyme. Und die Coenzyme sind kleine organische Moleküle, die oft von Vitaminen zum Beispiel abgeleitet werden und fest oder lose ans Enzym gebunden sind.

40:23 Wenn die festgebunden sind, nennt man die auch prosthetische Gruppe. Und wenn sie lose gebunden sind, bezeichnet man die als Kosubstrat.

40:32 Ja, und jetzt stellt sich natürlich die Frage, wozu brauchen wir diese Enzyme eigentlich alles? Also natürlich logisch, es gibt ganz diverse physiologische Prozesse im Körper und alle möglichen Stoffwechselwege, die ihr noch auswendig lernen müsst. Das Coole ist aber, und deswegen finde ich die Enzymatik dann doch eigentlich ganz spannend, ist, dass euch die Einordnung ganz direkt in der Diagnostik hilft, wenn ihr in die Klinik kommt.

40:54 Und zwar wird die Analyse des Serumsspiegels von diversen Enzymen genutzt, oder auch deren Metaboliten, wird genutzt, um Hinweise auf die Grunderkrankungen zu bekommen, die wir herausfinden wollen. Zum Beispiel das LDH, also Lactatdehydrogenase, ist ein Enzym der Glykolyse. Und da ist ein hoher Serumspiegel jetzt hinweisen für einen Zelluntergang.

41:15 Und ich muss sagen, insgesamt, deswegen fand ich auch Labormedizin im fünften Semester oder nee, sechs Semester, fand ich super spannend, weil man da einfach echt dieses vorklinische Wissen direkt anwenden konnte und direkt auf Organe rückschließen konnte. Das ist eigentlich ganz cool. So, das war's im Sonntag.

41:30 Ja.

41:31 Perfekt. Also, nochmal ganz kurz und knackig. Enzyme gleich Biokatalysator hatten wir vorher schon. Aktivierungsenergieherabsetzung, Reaktionsbeschleunigung und kommt gleich wieder raus. Enzyme haben in der Regel ein aktives Zentrum und ein alosterisches Zentrum zur Substratbindung und zur Regulatorbindung.

41:50 Dann die Reaktionen werden über diese Gipsenergie, freie Enthalpie, bla bla beschrieben. Kleiner Null gleich Endergon, Vollgas, größer Null gleich Hexagon und nochmal diese Zahl, minus 30 Kilojoule pro Mol für die Reaktion von oder die Spaltung, hydrolytische Spaltung von ATP, wo wir schon mal dabei sind.

42:08 Dann jetzt nochmal der KM-Wert als zentraler Punkt der Kinetik, die Substratkonzentration bei der halbmaximalen Reaktionsgeschwindigkeit und steht für quasi für die Affinität. Dann gibt es noch drei Arten der Hemmung, in denen der KM-Wert wie auch immer beeinflusst wird. Reversibel und zwar die kompetitive, nicht kompetitive, unkompetitiv.

42:31 Wir haben uns schon mehrfach über die Namen aufgeregt, regt euch gern weiter auf. Und dann noch unsere heiligenscheine, der Co-Faktoren brauchen wir, damit unsere Holoenzyme auch heilig sind, weil sie ansonsten nur die Apostel-Enzyme sind. Haha. So, genug heute.

42:48 Ja, schaut gerne auf unserem Instagram nochmal vorbei. Da kommt nächsten Montag eine MC-Frage zur heutigen Folge und eben die Merkhilfe, über die wir schon gesprochen haben, mit der Regulation. Und ansonsten freue ich mich auf die nächste Folge.

43:01 Danke fürs Zuhören und bis zum nächsten Mal. Für die Inhalte in diesem Podcast übernehmen wir keine Gewäre. Der Podcast kann den Besuch von Vorlesungen nicht ersetzen. Wir empfehlen das Studium von einstiegiger Fachliteratur über den Inhalt des Podcasts hinaus.

43:31 Für Risiken und Nebenwirkungen finanziellen Arzt und Apotheker.