inhalt der vorlesung filestoffwechsel: 1. grundprinzipien des metabolismus 2. enzyme &...
Post on 23-Aug-2019
252 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Stoffwechsel:
1. Grundprinzipien des Metabolismus
2. Enzyme & Cofaktoren
3. Glykolyse und Gärung
4. Citratzyklus – die zentrale Drehscheibe des Metabolismus
5. Atmungskette und ATP-Synthese
6. Pentosephosphatweg – der Adapter im Stoffwechsel
7. Gluconeogenese und Cori-Zyklus
8. Biosynthese und Abbau von Glycogen
9. Fettsäuresynthese und β-Oxidation
10.Stoffwechsel von Cholesterin, Steroiden und Membranlipiden
11.Aminosäurestoffwechsel und Harnstoffzyklus
12.Stoffwechsel der Nukleotide
Inhalt der Vorlesung
1
1850 Louis Pasteur: Vitalismus 1860-1917 Eduard Buchner:
zellfreie alkoholische Gärung
2
Pioniere der Enzymologie2. Enzyme und Cofaktoren
1926 James Batcheller Sumner: Urease
Enzyme sind Proteine
John Burdon Sanderson Haldane:
Konzept der enzymatischen Katalyse
3
Pioniere der Enzymologie2. Enzyme und Cofaktoren
• Thermodynamik beschreibt die Energieverhältnisse einer Reaktion.
• Kinetik beschäftigt sich mit mit der Frage, wie schnell eine Reaktion unter
gegebenen Bedingungen abläuft
Enzyme ändern die
Kinetik einer Reaktion,
nicht aber die Energetik.
4
Thermodynamik und Kinetik2. Enzyme und Cofaktoren
• Enzyme katalysieren eine Reaktion, indem sie den Überganszustand einer Reaktion
begünstigen (die Aktivierungsenergie ΔG‡ erniedrigen).
• Bei der Katalyse bilden Enzym und Substrat einen Enzym-Substrat-Komplex aus,
der dann zum Enzym das Produkt weiterreagieren kann:
E + S ES E + P
E + P
5
Enzymkinetik2. Enzyme und Cofaktoren
Faustregeln: - alle 10°C Verdoppelung von v0
- DG‡ um 6 kJ niedriger 10 × schnellere Reaktion
6
Temperatur und Aktivierungsenergie2. Enzyme und Cofaktoren
kB
Massenwirkungsgesetz:
DG = – RT · lnKeqA + B → C + D
Keq =[C] [D]
[A] [B] DG = DG0‘+ RT· ln[C] · [D]
[A] · [B]
7
Massenwirkungsgesetz2. Enzyme und Cofaktoren
Stoß-
Theorie
Übergangs
zustand-
Theorie
8
Stoß-/Übergangszustand-Theorie2. Enzyme und Cofaktoren
1. Schlüssel-Schloss-Prinzip
2. Komplementarität zum Übergangszustand
4. Verlust an Entropie
5. Desolvatisierung, Induced fit
3. Bindungsenergie
6. Elementarschritte im katalytischen Zyklus
9
Prinzip der enzymatischen Katalyse2. Enzyme und Cofaktoren
10
Prinzip der enzymatischen Katalyse: 1. Schlüssel-Schloss-Prinzip
2. Enzyme und Cofaktoren
11
Prinzip der enzymatischen Katalyse: 2. Komplementarität zum Übergangszustand
2. Enzyme und Cofaktoren
ΔG‡kat < ΔG‡
unkat
Das Substrat wird verändert und nimmt einen energetisch ungünstigen Übergangs-
zustand ein. Die Aktivierungsenergie ist nun der Energiebetrag, der benötigt wird, um
das Substrat in den Übergangszustand zu zwingen. Hier setzt die katalytische Wirkung
des Enzyms an: Durch nicht-kovalente Wechselwirkungen mit dem Übergangs-
zustand stabilisiert es diesen, so dass weniger Energie benötigt wird, um das
Substrat in den Übergangszustand zu bringen.
Hinweise für die Komplementarität von Enzym und Übergangszustand:
1. Struktur/Aktivität:
Einfluss funktioneller Gruppen auf Bindung des Substrates oder Aktivität
2. Übergangszustandanaloga:
bessere Bindung als Substrat
3. Katalytische Antikörper (Abzyme)
12
Prinzip der enzymatischen Katalyse: 2. Komplementarität zum Übergangszustand
2. Enzyme und Cofaktoren
Wasserstoffbrückenbindung: 10-20 kJ mol-1
kovalente Bindung: >>100 kJ mol-1
13
Prinzip der enzymatischen Katalyse: 3. Bindungswechselwirkungen, Bindungsenergie
2. Enzyme und Cofaktoren
Polypeptidkette, N-,C-Terminus
14
Prinzip der enzymatischen Katalyse: Aminosäuren mit Fähigkeit zu H-Brücken/ionischer Bindung
2. Enzyme und Cofaktoren
15
Prinzip der enzymatischen Katalyse: Aminosäuren mit Fähigkeit
zu hydrophoben Wechselwirkungen
2. Enzyme und Cofaktoren
16
Prinzip der enzymatischen Katalyse: 4. Senkung der Entropie
2. Enzyme und Cofaktoren
Induced fit: H2O-Ausschluß
Hexokinase: Glucose + ATP Glc-6-P + ADP
17
Prinzip der enzymatischen Katalyse: 5. Induced fit + Domänenbewegung
2. Enzyme und Cofaktoren
18
Prinzip der enzymatischen Katalyse: 6. Elementarschritte im katalytischen Zyklus
2. Enzyme und Cofaktoren
Beschleunigungsrate einiger Enzyme: (‚Proficiency‘)
19
Enzyme = Biokatalysatoren2. Enzyme und Cofaktoren
Unkatalysiert: 1 x 78 Mio Jahre, katalysiert: 1 x 18 ms
-
20
Weltrekord an Enzymeffektivität: Orotidin-5-P Decarboxylase
2. Enzyme und Cofaktoren
1. Allgemeine Säure/Base-Katalyse: Bsp. Hydrolasen
2. Kovalente Katalyse: Bsp. Transaminasen, Decarboxylasen, Carboxylasen
3. Katalyse an Metallionen: Carboanhydrase, Katalase, Proteasen
21
Enzyme: einige Katalysemechanismen2. Enzyme und Cofaktoren
Aminosäurereste beispielsweise von Histidin reagieren als Säure oder Base,
indem sie während einer Reaktion Protonen (H+-Ionen) aufnehmen oder abgeben.
Aminosäurereste oder Coenzyme gehen kovalente Bindungen mit einem Substrat ein
und bilden ein kurzlebiges Zwischenprodukt. In der Regel sind bei solchen Reaktionen
nukleophile Aminosäure-Seitenketten (beispielsweise Lysin-Seitenketten mit
Aminogruppe) oder Coenzyme wie Pyridoxalphosphat beteiligt.
Metallionen können als strukturstabilisierende Koordinationszentren, Redox-Partner
(oft Eisen- oder Kupfer-Ionen) oder als Lewis-Säuren (häufig Zink-Ionen) die Katalyse
unterstützen. Sie können negative Ladungen stabilisieren bzw. abschirmen oder
Wassermoleküle aktivieren.
Reaktionsgeschwindigkeit: schneller
Reaktionsbedingungen: milder, aber begrenzt auf wässriges Milieu
Spezifität: substrat- und stereoselektiv, kaum Nebenreaktionen
Regulation: vielfach
22
Enzyme vs. chemische Katalysatoren2. Enzyme und Cofaktoren
1. Substratspezifität: Substrat- und stereospezifisch, Enzyme sind selbst chiral
Pyruvat
prochiral
L-Milchsäure
D-Milchsäure
COOH
C
CH3
O
COOH
C
CH3
HO H
COOH
C
CH3
H OH
2 [H]
2 [H]
23
Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren
2. Temperatur- und pH-Abhängigkeit
24
Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren
3. Isoenzyme: Mehrere sehr ähnliche Enzyme → eine Reaktion
Bsp.: Lactat Dehydrogenasen
Funktion: Modulation der Aktivität in verschiedenen Geweben/Organellen
M-Typ H-Typ
- anaerobes
Gewebe
- aerobes
Gewebe
- Herzinfarkt-Diagnostik
25
Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren
4. Domänenbewegung während der Katalyse
Induced fit: H2O-Ausschluß
Hexokinase: Glucose + ATP Glc-6-P
26
Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren
27
Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren
CTP, UTP
5. Allosterische Regulation
Bsp: Aspartat-Transcarbamoylase
28
Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren
29
Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren
Hill-Koeffizient (nH):
Mittel, um die Kooperativität der Substratbindung eines Enzyms zu messen
positve Kooperativität:
nH liegt zwischen 1 und der Anzahl der substratspezifischen Bindungsstellen
(je größer nH, desto stärker die Kooperativität)
negative Kooperativität:
nH < 1
keine Kooperativität:
nH = 1
6. Coenzyme und prosthetische Gruppen
Coenzym: Bsp. NADH Prosthetische Gruppe: Bsp. FAD
30
Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren
-katalysieren eine chemische Reaktion durch Erniedrigung der
Aktivierungsenergie
-stabilisieren den Übergangszustand durch effektive Bindung
-sind substratspezifisch
-sind selbst chiral und stereospezifisch
-haben Temperatur- und pH-Optimum
-zeigen Domänenbewegung während der Katalyse
-besitzen häufig Coenzyme oder prosthetische Gruppen
-sind regulierbar (Hemmung/Aktivierung)
31
Enzyme: Zusammenfassung2. Enzyme und Cofaktoren
Allgemeine Reaktionsordnungen:
1. Ordnung: A → P
v = d[P]
dt
d[A]
dt= - = k[A] k in s-1
2. Ordnung: 2A → P
d[A]
dt= -v = k[A]2
k in s-1 M-1
2. Ordnung: A + B → P
d[A]
dt= -v = k[A] [B] k in s-1 M-1
32
Grundlagen der Enzymkinetik2. Enzyme und Cofaktoren
E + S ES E + Pk1 k2
k-1 k-2
Die Anfangsgeschwindigkeit ist unabhängig von der Rückreaktion,
da hier noch kein (oder nur sehr wenig) Produkt hergestellt wurde.
33
Die Bestimmung der Anfangsgeschwindigkeit2. Enzyme und Cofaktoren
34
Die Michaelis-Menten-Kinetik2. Enzyme und Cofaktoren
1903 Victor Henri: bei einer enzymatischen Katalysation
vorübergehend Enzym-Substrat-Komplex
1913 Maud Menten und Leonor Michaelis: Michaelis-Menten-Gleichung
Reaktionsgeschwindigkeit V0 = Anzahl der pro Sekunde entstehenden Mole Produkt
-Reaktionsgeschwindigkeit steigt zunächst linear mit zunehmender Substrat-
konzentration an
-bei hohen Substratkonzentrationen erreicht V0 ein Maximum
Eine solche Reaktion
wird durch die
Mechaelis-Menten-
Kinetik beschrieben
35
Die Michaelis-Menten-Kinetik2. Enzyme und Cofaktoren
Umsetzung zum Produkt
steigt linear mit der
Zeit (Rückreaktion ist
vernachlässigbar)
E + S ES E + Pk1 k2
k-1 k-2
36
Konzentrationsänderungen der Reaktanden am Anfang einer Reaktion
(Produktkonz. sehr klein)
2. Enzyme und Cofaktoren
E + S ES E + Pk1 k2
k-1 k-2
Das Gleichgewicht ist eingestellt, es gibt
keine Nettoveränderung von Substrat und
Produkt mehr!
37
Konzentrationsänderungen der Reaktanden im Gleichgewicht
2. Enzyme und Cofaktoren
Die MM-Kinetik formuliert einen Ausdruck, der die Katalyse-
geschwindigkeit mit der Substrat- und Enzymkonzentration verbindet.
Das MM-Modell ist das einfachste, mit dem man die kinetischen
Eigenschaften vieler enzymkatalysierter Reaktionen beschreiben kann.
Zentraler Punkt bei dieser Betrachtungsweise ist die
Michealis-Menten Gleichung
38
Was macht die Michaelis-Menten-Kinetik?
2. Enzyme und Cofaktoren
E + S ES E + Pk1 k2
k-1
V0 ist linear zu [S] wenn
[S] klein und P noch nicht
gebildet ist
Bei hohen [S] ist V0
von [S] unabhängig
(alle aktiven Zentren
besetzt)
Rückreaktion ist vernachlässigbar
am Anfang der Reaktion
39
Voraussetzungen für eine Michaelis-Menten-Kinetik
2. Enzyme und Cofaktoren
Katalysegeschwindigkeit V0 = k2 [ES]
(Vo ist Produkt aus Geschwindigkeitskonstante k2 und [ES])
ES lässt sich ausdrücken über zwei Größen:
Bildungsgeschwindigkeit für ES = k1[E][S]
Zerfallsgeschwindigkeit für ES = (k-1+k2)[ES]
daraus ergibt sich:
k1[E][S] = (k-1+k2)[ES] oder
[E][S]/[ES] = (k-1+k2)/k1
40
Die Michaelis-Menten-Kinetik
2. Enzyme und Cofaktoren
E + S ES E + Pk1 k2
k-1
E + S ES E + Pk1 k2
k-1
[E][S]/[ES] = (k-1+k2)/k1 = KM
KM ist die Michaelis-Menten Konstante (hat Konzentrations-
einheit).
Diese Konstante ist ein wichtiges Charakteristikum für E-S-
Wechselwirkungen und von der Konzentration dieser beiden
unabhängig.
Umformen der obigen Gleichung ergibt:
[E][S]/KM = [ES]
41
Die Michaelis-Menten-Kinetik
2. Enzyme und Cofaktoren
E + S ES E + Pk1 k2
k-1
[E][S]/KM = [ES]
Annahme: [E] viel kleiner als [S] [S]ges. ist dann nahezu
gleich mit ungebundenem [S]
Für die Enzymkonzentration gilt:
[E] = [E]ges - [ES]
([E]ges.- [ES])[S]= [ES]
KM
42
Die Michaelis-Menten-Kinetik
2. Enzyme und Cofaktoren
E + S ES E + Pk1 k2
k-1
([E]ges.- [ES])[S]= [ES]
KM
nach ES auflösen:
[ES] = [E]ges.[S]
[S]+KM
mit Katalysegeschwindigkeit V0 = k2 [ES]:
V0 = k2[E]ges.[S]
[S]+KM
43
Die Michaelis-Menten-Kinetik
2. Enzyme und Cofaktoren
E + S ES E + Pk1 k2
k-1
V0 = k2[E]ges.[S]
[S]+KM
Die Maximalgeschwindigkeit Vmax ist erreicht, wenn alle aktiven
Zentren besetzt sind, also [ES] = [E]ges. ist und demzufolge gilt:
Vmax = k2[E]ges.
V0 = Vmax[S]
[S]+KM
44
Die Michaelis-Menten-Kinetik
2. Enzyme und Cofaktoren
V0 =Vmax [S]
KM + [S]
Die Michaelis-Menten Gleichung
45
Die Michaelis-Menten-Kinetik
2. Enzyme und Cofaktoren
-wenn [S] sehr klein ist wird ist V0 direkt Proportional zu [S]
-wenn [S] sehr groß ist (viel größer als KM) ist V0=Vmax
-wenn [S]=KM wird V0 = Vmax/2
d.h. KM ist die Substratkonzentration,
bei der die Reaktionsgeschwindigkeit
halbmaximal ist!
▲
▲
▲
▲
▲▲
▲
▲ = gemessene Werte
46
Enzyme sind sättigbar: Bestimmung von Vmax und KM
2. Enzyme und Cofaktoren
▲▲▲
▲▲
47
Bestimmung von Vmax und KM: Lineweaver-Burk-Diagramm
2. Enzyme und Cofaktoren
KM immer aus der
Steigung bestimmen!
Ein Beispiel, wie sich unterschiedliche KM-Werte in biologischen
Systemen auswirken können:
Viele Asiaten vertragen keinen Alkohol. Dieser Effekt wird durch
Acetaldehyd hervorgerufen, das durch die AD gebildet wird.
EtOH + NAD+ Acetaldehyd + NADH
Acetaldehyd wird durch eine weitere DH zu Acetat abgebaut.
Hiervon hat der Mensch 2 Isozyme: Mitochondriale DH mit
niedrigem KM, cytosolische DH mit hohem KM. Bei alkohol-
empfindlichen Menschen ist die mitochondriale DH mutiert
und daher inaktiv.
Aufgrund des hohen KM der cytosolischen DH wird Acetaldehyd
nur sehr ineffizient abgebaut und daher ins Blut abgegeben. Dies
führt zu den physiologischen Effekten.
AD
48
Die Michaelis-Menten-Kinetik
2. Enzyme und Cofaktoren
49
Der KM-Wert ist für jedes Enzym charakteristisch
2. Enzyme und Cofaktoren
Die Wechselzahl kcat ist die Anzahl
von Substratmolekülen, die bei
vollständiger Sättigung des Enzyms
mit Substrat pro Zeiteinheit umge-
setzt werden.
Für die meisten Reaktionen liegt kcat
zwischen 1 und 10000/sec.
50
Enzymkinetik: wichtige Definitionen
2. Enzyme und Cofaktoren
1. Wechselzahl/turnover number: kcat =Vmax
[E]Tin s-1
2. Katalytische Leistungsfähigkeit/katalytische Effizienz: = kcat/KM
51
Enzymkinetik: wichtige Definitionen
2. Enzyme und Cofaktoren
1. Wechselzahl/catalytic number: kcat =Vmax
[E]Tin s-1
2. Katalytische Leistungsfähigkeit: = kcat/KM
3. Einheiten der Enzymaktivität:
- klassisch: 1 Enzymeinheit: 1 U = 1 µmol Substrat min-1
- seit 1972 SI-Einheit : 1 katal = 1 mol Substrat s-1
1 unit = 16,67 nkat
typische spezifische Aktivität: 5-100 Units (mg Enzym)-1
52
Enzymkinetik: wichtige Definitionen
2. Enzyme und Cofaktoren
1. Substrat-/Produkthemmung
3. Enzym instabil während Katalyse d[E]T/dt und d[ES]/dt nicht konstant
2. Reaktionsgeschwindigkeit nicht linear zur Proteinkonzentration
4. Kooperativität
53
Enzymkinetik: Abweichungen von der Michaelis-Menten-Kinetik
2. Enzyme und Cofaktoren
54
Reversible Enzymhemmung: Kompetitive Hemmung
2. Enzyme und Cofaktoren
55
2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Kompetitive Hemmung
Statine sind kompetitive Inhibitoren der Cholesterin-Synthese.56
2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Kompetitive Hemmung
2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Kompetitive Hemmung
58
Reversible Enzymhemmung: Unkompetitive Hemmung
2. Enzyme und Cofaktoren
59
2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Unkompetitive Hemmung
60
2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Unkompetitive Hemmung
61
Reversible Enzymhemmung: Nicht-kompetitive Hemmung
2. Enzyme und Cofaktoren
62
2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Nicht-kompetitive Hemmung
63
2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Nicht-kompetitive Hemmung
64
Einfluss von Inhibitoren auf vmax und Km
2. Enzyme und Cofaktoren
65
Irreversible Enzymhemmung
2. Enzyme und Cofaktoren
Der Inhibitor bleibt „fest“ an der aktiven Stelle gebunden, d.h. eine Dissoziation des
Enzym-Inhibitor-Komplexes in freies Enzym und Inhibitor ist nicht möglich. Das Enzym
bleibt „vergiftet“. Es muss neues Enzym hergestellt werden.
Beispiele für irreversible Inhibition:
-Alkylphosphate (z.B. Sarin = Acetylcholinesterase-Hemmer)
-CN--Ionen (z.B. Zyankali = Hemmung der Cytochrom-c-Oxidase)
-Schwermetalle (z.B. As2+ = Hemmung der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase
Selbstmord-Substrate:
Pseudosubstrate, die Enzyme durch kovalente Bindung an das aktive Zentrum
irreversibel hemmen und darunter selbst funktionsunfähig werden, z.B. Serinprotease-
inhibitoren.
E.C. Nummern: A.X.Y.Z. Hauptklasse.Gruppe.Untergruppe.Seriennummer
3.4.17.1 L-Aminosäurehydrolase
66
Enzyme: die Hauptklassen
2. Enzyme und Cofaktoren
67
Enzyme: die Hauptklassen
2. Enzyme und Cofaktoren
1. Oxidoreduktasen: Dehydrogenasen, Reduktasen, Oxidasen, Oxygenasen
katalysieren Redoxreaktionen
Häufige Cofaktoren: NADH, NADPH, FADH, FMNH
68
Enzyme: die Hauptklassen
2. Enzyme und Cofaktoren
69
Enzyme: die Hauptklassen
2. Enzyme und Cofaktoren
2. Transferasen
übertragen Gruppen
Aminotransferasen, Kinasen70
Enzyme: die Hauptklassen
2. Enzyme und Cofaktoren
3. Hydrolasen
hydrolysieren Bindungen:
Proteasen, RNasen, DNasen, Phosphatasen
71
Enzyme: die Hauptklassen
2. Enzyme und Cofaktoren
4. Lyasen/Synthasen
verknüpfen Segmente
Citrat Synthase:
Acetyl-CoA + Oxalacetat Citrat
übertragen/entfernen CO2, NH3, H2O:
Decarboxylasen, Dehydratasen
72
Enzyme: die Hauptklassen
2. Enzyme und Cofaktoren
5. Isomerasen
epimerisieren oder isomerisieren: Epimerase, Mutase
Glucose-6-Phosphat-Isomerase (GPI)
Aldose Ketose
73
Enzyme: die Hauptklassen
2. Enzyme und Cofaktoren
6. Synthetasen/Ligasen
synthetisieren unter NTP-Verbrauch
DNA-Ligase
74
Enzyme: die Hauptklassen
2. Enzyme und Cofaktoren
75
Coenzyme und prosthetische Gruppen
2. Enzyme und Cofaktoren
Cofaktoren
-kleine Moleküle
-„chemische Zähne“ der Enzyme
Metallionen
z.B. Cu2+, Fe3+ oder Zn2+
Coenzyme
kleine organische Moleküle
Cosubstrate
-leicht abdissoziierbar
-z.B. NAD(P), Coenzym A
Prosthetische Gruppen
-schwer oder nicht
dissoziierbar
-z.B. Biotin, Flavine, Vit. B12
Früher: (Holo-)Enzym = Apoenzym + Coenzym
Cosubstrat: Bsp. NADH Prosthetische Gruppe: Bsp. FAD
76
Coenzyme und prosthetische Gruppen
2. Enzyme und Cofaktoren
Vitamine: organische Verbindungen, die vom Menschen nicht
synthetisiert werden können, und mit der Nahrung aufgenommen werden
müssen. Ein Mangel an Vitaminen führt zu Stoffwechselstörungen.
Vitamin Coenzym / prosthetische Gruppe
B1 Thiamin Thiamindiphosphat TPP
B2-Gruppe
-Riboflavin Flavinadenosin-Di-/Mono-phosphat FAD/FMN
-Nicotinsäureamid Nicotinamidadenin-Dinukleotid-(Phosphat) NAD(P)
´ -Folsäure Tetrahydrofolsäure THF
-Pantothensäure Coenzym A CoA
B6 Pyridoxin Pyridoxal-Phosphat PLP
B12 Cobalamin B12-Enzyme B12
H Biotin Biotin-Carboxylasen
77
Coenzyme, prosthetische Gruppen und Vitamine
2. Enzyme und Cofaktoren
Prinzip: Coenzyme können funktionelle Gruppen übertragen
Phosphoryl-Transfer: Glucose + ATP + H2O → Glucose-6-P + ADP
Acetyl-Transfer: Acetyl-Coenzym A + Glucosamin → N-Acetyl-Glucosamin + CoA
Methyl-Transfer: S-Adenosylmethionin + R → S-Adenosylhomocystein + R-CH3
Beispiele:
Coenzyme mit Gruppenübertragungspotential: ATP, CoA, THF, Biotin, PLP, TPP
78
Coenzyme und Gruppenübertragung
2. Enzyme und Cofaktoren
MgATP + H2O → MgADP + Pi + H+ DG = -30,5 kJ mol-1
MgATP + H2O → MgAMP + PPi + H+ DG = -30,5 kJ mol-1
PPi → 2 Pi + H+ DG = -19,5 kJ mol-179
ATP und Phosphoryl-Gruppenübertragung
2. Enzyme und Cofaktoren
Mg2+
ATP-Bindung in der
Nitrogenase
80
MgATP-Komplexe
2. Enzyme und Cofaktoren
MgATP + H2O → MgADP + Pi DG0‘ = -30,5 kJ mol-1
In der Zelle (aerob, Durchschnitt): [ATP]: 3 mM
[ADP]: 0,8 mM
[Pi]: 4 mM
T = 37°C
[ATP], [ADP], [Pi]: je 1 M, 25°C
DG = DG°‘ + RT ln ([ADP] [Pi] / [ATP])
DG = -30,5 kJ mol-1 – 17,6 kJ mol-1 = ~ 50 kJ mol-1
81
Zelluläre und Standardenthalpie der ATP-Hydrolyse
2. Enzyme und Cofaktoren
1. Elektrostatische Abstoßung
2. Solvatationsenergie
Unterschiede ATP und ADP + Pi
3. Entropie
4. Resonanzstabilisierung
5. Elektronenzug der P-Atome 82
Warum ist ATP eine energiereiche Verbindung?
2. Enzyme und Cofaktoren
83
Vorteile von ATP
2. Enzyme und Cofaktoren
Vorteil des ATP gegenüber Verbindungen mit anderen Säureanhydriden:
› Phosphoanhydridbindungen benötigen bei einer normalen Hydrolyse eine
hohe Aktivierungsenergie
› bei enzymatischer Hydrolyse minimiert (ATP also energiereich im Sinne der
Hydrolyse, nicht der Bindungsspaltung)
› ATP unter physiologischen Bedingungen sehr stabil
› in enzymatischen Reaktionen aber ein schneller Energielieferant
- Energieladung = Maßzahl für den Energiestatus einer Zelle
- beschreibt das Verhältnis aller Adenosylnukleotide
- Engergieladung = 1, wenn nur ATP vorliegt (hypothetischer Fall)
- Realität: Energieladung zwischen 0,7 und 0,95
-›reguliert durch Schlüsselenzyme des Stoffwechsels
(z.B. Phosphofructokinase)
Energieladung (energy charge)
2. Enzyme und Cofaktoren
84
-> Bewertung von ADP als ½ ATP
Reaktion der Myokinase (Muskel):
Energieladung (energy charge)
2. Enzyme und Cofaktoren
85
Phosphokreatin als Energiespeicher im Muskel!
86
Biologisch relevante energiereiche Phosphate
2. Enzyme und Cofaktoren
87
Energiereiche und -arme Phosphatverbindungen
2. Enzyme und Cofaktoren
88
Gruppenübertragungsreaktionen von ATP
2. Enzyme und Cofaktoren
89
ATP als universelle Energiewährung
2. Enzyme und Cofaktoren
(1) A + B C + D DG1
Gesetz der Additivität der freien Enthalpie!
(2) D + E F + G DG2
(1) + (2): A + B + E C + F + G DG3 = DG1 + DG2
Beispiel 1:
90
Kopplung von Reaktionen
2. Enzyme und Cofaktoren
Beispiel 2:
91
Kopplung von Reaktionen
2. Enzyme und Cofaktoren
Beispiel 3:
92
Kopplung von Reaktionen
2. Enzyme und Cofaktoren
93
Coenzym A-Thioester als energiereiche Verbindung
2. Enzyme und Cofaktoren
Möglichkeit der
Bildung eines
energiereichen
Thioesters
Aktivierung einer Carbonsäure
Acyl-CoA ist energiereicher als ATP => PPi-Hydrolyse treibt Reaktion an
94
Coenzym A-Thioester als energiereiche Verbindung
2. Enzyme und Cofaktoren
Typische Reaktionen von Acetyl-CoA
1. Esterbildung (Acetylierungen)
Glucosamin + Acetyl-CoA → N-Acetyl-Glucosamin + CoA
2. Kondensationen (CH-acide Methylgruppe)
Bsp.: Fettsäurestoffwechsel, Citratsynthase
95
Die aktivierte Essigsäure
2. Enzyme und Cofaktoren
1. Methylgruppentransfer:
1.1 S-Adenosylmethionin: aktive Methyl-Gruppe, als Kation übertragen
96
Coenzyme des C1-Stoffwechsels
2. Enzyme und Cofaktoren
1. Methylgruppentransfer:
1.2 Tetrahydrofolat: Folsäure, Vitamin B2-Gruppe
97
Coenzyme des C1-Stoffwechsels
2. Enzyme und Cofaktoren
1. Methylgruppentransfer:
1.2 Tetrahydrofolat
98
Coenzyme des C1-Stoffwechsels
2. Enzyme und Cofaktoren
2. Carboxyltransfer:
Biotin:
Harnstoffderivat mit Thiophanring
Kovalent an Enzym-Lys
Carboxylierungen sind endergon
Kopplung an ATP-Hydrolyse
Carboxylierung von Nucleophilen
99
Coenzyme des C1-Stoffwechsels
2. Enzyme und Cofaktoren
Knüpfung (Synthasen)/Spaltung (Lyasen) von Bindungen:
1. Thiamindiphosphat (TPP):
Besipiel: Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA
Pyruvat + NAD+ + CoA → Acetyl-CoA + NADH + CO2
Aktivierter Aldehyd als
Intermediat
100
Coenzyme von Lyasen
2. Enzyme und Cofaktoren
Knüpfung (Synthasen)/Spaltung (Lyasen) von Bindungen:
2. Pyridoxal-Phosphat (PLP):
DAS Coenzym im Aminosäurestoffwechsel, kovalente Katalyse
Transaminierung
Decarboxylierung
Deaminierung
Umwandlung der
Seitenkette 101
Coenzyme von Lyasen
2. Enzyme und Cofaktoren
Bild
ung
ein
er
Schiff‘sch
en B
ase
(Im
in)
Kohlenstoffumlagerungen: Mutasen
Adenosyl-Cobalmin
Beispiel: Abbau ungerader Fettsäuren
Corrinoid, metallorganische Verbindung
Fehlt in Pflanzen!
102
Coenzyme von Mutasen
2. Enzyme und Cofaktoren
103
Coenzyme von Oxidoreduktasen: Redoxpotentiale
2. Enzyme und Cofaktoren
Reduktion: Aufnahme von e- Oxidation: Entzug von e-
Elektroneutralität in den beiden Halbzellen wird durch Wanderung
von Ionen über die elektrolythaltige Salzbrücke gewährleistet.
104
Coenzyme von Oxidoreduktasen: Redoxpotentiale
2. Enzyme und Cofaktoren
Eh = Redoxpotential eines Redoxpaares
E0 = Redoxpotential eines Redoxpaares 1 M, pH 0
E0‘ = Redoxpotential eines Redoxpaares 1 M, pH 7
Standardredoxpotentiale werden verwendet, um Elektronenaffinitäten zu
vergleichen
Redoxpotentiale werden auf die Wasserstoffteilreaktion definiert, d.h. der
Standardwasserstoffelektrode wird willkürlich ein Redoxpotential von 0 V
zugewiesen:
2 H+ + 2 e- H2
Je positiver das Standardredoxpotential, desto höher die Elektronenaffinität der
oxidierten Form. Daraus ergibt sich für die oxidierte Form eine umso größere
Tendenz, Elektronen aufzunehmen und dadurch in die reduzierte Form über-
zugehen.
Standardhalbzelle
(Redox-Paar II)
H+ + e- 1/2H2)
Redox-Paar I:
X- X+e-
In der Biochemie: pH=7 (10-7M)
Eine Verbindung, die e- an H+ abgibt, hat ein negatives E0‘.
Eine Verbindung, die e- von H2 aufnimmt, hat ein positives E0‘.
Coenzyme von Oxidoreduktasen: Redoxpotentiale
2. Enzyme und Cofaktoren
105
DG°‘ = -nFDE0‘
Anzahl der übertragenen
Elektronen
Faraday-Konstante
(Proportionalitätskonst.)Änderung der
freien Standardenthalpie
Änderung des
Standardredoxpotentials
Coenzyme von Oxidoreduktasen: Redoxpotentiale
2. Enzyme und Cofaktoren
106
Redoxpotentiale von Redox-Cofaktoren
107
Coenzyme von Oxidoreduktasen: Redoxpotentiale
2. Enzyme und Cofaktoren
NAD+ → NADH
NADH → NAD+
108
Coenzyme von Oxidoreduktasen: Redoxpotentiale biologisch relevanter Redoxpaare
2. Enzyme und Cofaktoren
Merksatz:
„negativ(er)“
reduziert
„positiv(er)“
Hydrid-Transfer:
109
Coenzyme von Oxidoreduktasen: Nicotinamid-Nucleotide
2. Enzyme und Cofaktoren
110
Coenzyme von Oxidoreduktasen: Messung NAD-abhängiger Enzyme
2. Enzyme und Cofaktoren
E0‘= ~ -200 mV
111
Coenzyme von Oxidoreduktasen: Flavin-Nucleotide
2. Enzyme und Cofaktoren
[2Fe-2S]+/2+[4Fe-4S]+/2+
E0‘ = +300 mV bis -200 mV E0‘ = -100 mV bis -600 mV
112
Coenzyme von Oxidoreduktasen: Eisen-Schwefel-Cluster
2. Enzyme und Cofaktoren
E0‘ ~ +40 mV
113
Coenzyme von Oxidoreduktasen: Chinone
2. Enzyme und Cofaktoren
❖ lebenswichtige, organische Verbindungen, die der tierische
Körper nicht selbst aufbauen kann
❖ häufig Vorstufen von Co-Enzymen, Signalstoffen
❖ Bedarf ist abhängig vom Alter, Spezies und von äußeren Faktoren
❖ Unterversorgung: Hypovitaminose: Mangelkrankheiten
❖ Überversorgung (A, D) Hypervitaminose
Wasserlösliche Fettlösliche
B1, B2, B6, B12, C,H A, D, E, K
114
Vitamine
2. Enzyme und Cofaktoren
Hypovitaminose: Beriberi, Kopfschmerzen, Schlafstörungen
Hypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt
Vorkommen pro 100 g:
Reis 0,07 mg, Reiskleie 2,3 mg, Weizenkleie 1,2-7 mg
115
Vitamin B1: Thiamin
2. Enzyme und Cofaktoren
Hypovitaminose: Pellagra-Krankheit, Störungen des ZNS
Hypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt
Vorkommen pro 100 g:
Pilze 65 mg, Hefe 50 mg,
Leber 20 mg
116
Vitamin B2-Gruppe: Nicotinamid
2. Enzyme und Cofaktoren
Hypovitaminose: Sehschwäche, Wachstumsstörungen
Hypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt
Vorkommen pro 100 g:
Leber 3,5 mg, Niere 2 mg, Fisch 0,4 mg
117
Vitamin B2-Gruppe: Riboflavin
2. Enzyme und Cofaktoren
Hypovitaminose: Mundfäule, Anämie
Hypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt
Vorkommen pro 100 g:
Leber 25 mg, Hefe 80 mg
118
Vitamin B2-Gruppe: Folsäure
2. Enzyme und Cofaktoren
Hypovitaminose: Störung der Nebennierenfunktion,
Fortpflanzung und Embryonalentwicklung
Hypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt
Vorkommen pro 100 g:
Leber 40 mg, Eigelb 10 mg, Bohnen 2 mg
119
Vitamin B2-Gruppe: Panthothensäure
2. Enzyme und Cofaktoren
Hypovitaminose: Störungen des Proteinaufbaus
Hypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt
Vorkommen pro 100 g:
Leber 0,6 mg, Hefe 0,6 mg
Salat 1mg, Paprika 0,7 mg
120
Vitamin B6: Pyridoxal, -ol, -amin
2. Enzyme und Cofaktoren
Hypovitaminose: Wachstums- und Konzentrationsschwäche
Hypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt
Vorkommen pro 100 g:
Eigelb 2 mg, Kalbsleber 60 mg
121
Vitamin B12: Cobalamin
2. Enzyme und Cofaktoren
Hypovitaminose: Skorbut, Schwächung des Immunsystems
Hypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt
Vorkommen pro 100 g:
Hagebutten 250-1000 mg, Cassis 120-250 mg, Orangen 50 mg
122
Vitamin C: Ascorbinsäure
2. Enzyme und Cofaktoren
Hypovitaminose: multipler Carboxylasemangel
Hypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt
Vorkommen pro 100 g:
Niere 0,2 mg, Eigelb 0,3 mg, Banane 0,01 mg
123
Vitamin H: Biotin
2. Enzyme und Cofaktoren
Hypovitaminose: Nachtblindheit, Schwächung des Immunsystems
Funktions- und Wachstumsstörungen
Hypervitaminose: Müdigkeit, Schwindel, Kopfschmerzen, Gelenk-
schmerzen, Schlaflosigkeit
Vorkommen pro 100 g:
Leber 8 mg, Karotten 5 mg, Butter 1 mg
124
Fettlösliches Vitamin A: Retinol
2. Enzyme und Cofaktoren
Hypovitaminose: Rachitis
Hypervitaminose: Ablagerung von Calciumphosphat in Organen (Calcinose)
Vorkommen pro 100 g:
Sardine 1,3 mg, Lebertran 1, 2 mg, Eigelb 0,03 mg
125
Fettlösliches Vitamin D: Calciol
2. Enzyme und Cofaktoren
Hypovitaminose: Müdigkeit, Reizbarkeit, schlecht heilende Wunden
Hypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt
Vorkommen pro 100 g:
Weizenkeimöl 260 mg, Leinöl 23 mg, Eigelb 3 mg
126
Fettlösliches Vitamin E: Tocopherole
2. Enzyme und Cofaktoren
Hypovitaminose: wird von Bakterien der Darmflora gebildet, nicht bekannt
Hypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt
Vorkommen pro 100 g:
Blumenkohl 1,3 mg, Spinat 1,6 mg
127
Fettlösliches Vitamin K: Menachinon & Phyllochinon
2. Enzyme und Cofaktoren
• Enzyme (fast immer Proteine) werden in sechs Klassen eingeteilt.
• Sie beschleunigen als Biokatalysatoren biochemische Reaktionen durch
Herabsetzung der Aktivierungsenergie.
• Enzyme sind reaktions- und substratspezifisch.
• Sie haben ein Temperatur- und pH-Optimum.
• Ein Modell zur kinetischen Beschreibung einfacher Enzymreaktionen ist die
Michaelis-Menten-Theorie.
• Einige Enzyme katalysieren Reaktionen mithilfe von Cofaktoren. Zu diesen gehören
organische Coenzyme, von denen viele aus Vitaminen gebildet werden.
• Wichtige katalytische Mechanismen sind Säure/Base-Katalyse, kovalente Katalyse
und Metallionenkatalyse.
• Ein besonders wichtiger Mechanismus der enzymvermittelten Katalyse ist die
Stabilisierung des Übergangszustands.
• Enzyme sind hemmbar (reversibel oder irreversibel).128
Zusammenfassung2. Enzyme und Cofaktoren
top related