inhalt der vorlesung filestoffwechsel: 1. grundprinzipien des metabolismus 2. enzyme &...

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


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


Wasserstoffbrückenbindung: 10-20 kJ mol-1

kovalente Bindung: >>100 kJ mol-1

13

Prinzip der enzymatischen Katalyse: 3. Bindungswechselwirkungen, Bindungsenergie


Polypeptidkette, N-,C-Terminus

14

Prinzip der enzymatischen Katalyse: Aminosäuren mit Fähigkeit zu H-Brücken/ionischer Bindung


15

Prinzip der enzymatischen Katalyse: Aminosäuren mit Fähigkeit

zu hydrophoben Wechselwirkungen


16

Prinzip der enzymatischen Katalyse: 4. Senkung der Entropie


Induced fit: H2O-Ausschluß

Hexokinase: Glucose + ATP Glc-6-P + ADP

17

Prinzip der enzymatischen Katalyse: 5. Induced fit + Domänenbewegung


18

Prinzip der enzymatischen Katalyse: 6. Elementarschritte im katalytischen Zyklus


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


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


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


4. Domänenbewegung während der Katalyse

Induced fit: H2O-Ausschluß

Hexokinase: Glucose + ATP Glc-6-P

26


27


CTP, UTP

5. Allosterische Regulation

Bsp: Aspartat-Transcarbamoylase

28


29


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


-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)


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


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?


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


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


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



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



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



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



V0 =Vmax [S]

KM + [S]

Die Michaelis-Menten Gleichung

45



-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


▲▲▲

▲▲

47

Bestimmung von Vmax und KM: Lineweaver-Burk-Diagramm


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



49

Der KM-Wert ist für jedes Enzym charakteristisch


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


1. Wechselzahl/turnover number: kcat =Vmax

[E]Tin s-1

2. Katalytische Leistungsfähigkeit/katalytische Effizienz: = kcat/KM

51



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



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


54

Reversible Enzymhemmung: Kompetitive Hemmung


55

2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Kompetitive Hemmung

Statine sind kompetitive Inhibitoren der Cholesterin-Synthese.56


58

Reversible Enzymhemmung: Unkompetitive Hemmung


59

2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Unkompetitive Hemmung

60

2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Unkompetitive Hemmung

61

Reversible Enzymhemmung: Nicht-kompetitive Hemmung


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


65

Irreversible Enzymhemmung


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


67



1. Oxidoreduktasen: Dehydrogenasen, Reduktasen, Oxidasen, Oxygenasen

katalysieren Redoxreaktionen

Häufige Cofaktoren: NADH, NADPH, FADH, FMNH

68



69



2. Transferasen

übertragen Gruppen

Aminotransferasen, Kinasen70



3. Hydrolasen

hydrolysieren Bindungen:

Proteasen, RNasen, DNasen, Phosphatasen

71



4. Lyasen/Synthasen

verknüpfen Segmente

Citrat Synthase:

Acetyl-CoA + Oxalacetat Citrat

übertragen/entfernen CO2, NH3, H2O:

Decarboxylasen, Dehydratasen

72



5. Isomerasen

epimerisieren oder isomerisieren: Epimerase, Mutase

Glucose-6-Phosphat-Isomerase (GPI)

Aldose Ketose

73



6. Synthetasen/Ligasen

synthetisieren unter NTP-Verbrauch

DNA-Ligase

74



75

Coenzyme und prosthetische Gruppen


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


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


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


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


Mg2+

ATP-Bindung in der

Nitrogenase

80

MgATP-Komplexe


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


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?


83

Vorteile von ATP


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)


84

-> Bewertung von ADP als ½ ATP

Reaktion der Myokinase (Muskel):

Energieladung (energy charge)


85

Phosphokreatin als Energiespeicher im Muskel!

86

Biologisch relevante energiereiche Phosphate


87

Energiereiche und -arme Phosphatverbindungen


88

Gruppenübertragungsreaktionen von ATP


89

ATP als universelle Energiewährung


(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


Beispiel 2:

91



Beispiel 3:

92



93

Coenzym A-Thioester als energiereiche Verbindung


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


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


1. Methylgruppentransfer:

1.1 S-Adenosylmethionin: aktive Methyl-Gruppe, als Kation übertragen

96

Coenzyme des C1-Stoffwechsels



1.2 Tetrahydrofolat: Folsäure, Vitamin B2-Gruppe

97




1.2 Tetrahydrofolat

98



2. Carboxyltransfer:

Biotin:

Harnstoffderivat mit Thiophanring

Kovalent an Enzym-Lys

Carboxylierungen sind endergon

Kopplung an ATP-Hydrolyse

Carboxylierung von Nucleophilen

99



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


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


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


103

Coenzyme von Oxidoreduktasen: Redoxpotentiale


Reduktion: Aufnahme von e- Oxidation: Entzug von e-

Elektroneutralität in den beiden Halbzellen wird durch Wanderung

von Ionen über die elektrolythaltige Salzbrücke gewährleistet.

104



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‘.



105

DG°‘ = -nFDE0‘

Anzahl der übertragenen

Elektronen

Faraday-Konstante

(Proportionalitätskonst.)Änderung der

freien Standardenthalpie

Änderung des

Standardredoxpotentials



106

Redoxpotentiale von Redox-Cofaktoren

107



NAD+ → NADH

NADH → NAD+

108

Coenzyme von Oxidoreduktasen: Redoxpotentiale biologisch relevanter Redoxpaare


Merksatz:

„negativ(er)“

reduziert

„positiv(er)“

Hydrid-Transfer:

109

Coenzyme von Oxidoreduktasen: Nicotinamid-Nucleotide


110

Coenzyme von Oxidoreduktasen: Messung NAD-abhängiger Enzyme


E0‘= ~ -200 mV

111

Coenzyme von Oxidoreduktasen: Flavin-Nucleotide


[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


E0‘ ~ +40 mV

113

Coenzyme von Oxidoreduktasen: Chinone


❖ 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


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


Hypovitaminose: Pellagra-Krankheit, Störungen des ZNS



Pilze 65 mg, Hefe 50 mg,

Leber 20 mg

116

Vitamin B2-Gruppe: Nicotinamid


Hypovitaminose: Sehschwäche, Wachstumsstörungen



Leber 3,5 mg, Niere 2 mg, Fisch 0,4 mg

117

Vitamin B2-Gruppe: Riboflavin


Hypovitaminose: Mundfäule, Anämie



Leber 25 mg, Hefe 80 mg

118

Vitamin B2-Gruppe: Folsäure


Hypovitaminose: Störung der Nebennierenfunktion,

Fortpflanzung und Embryonalentwicklung



Leber 40 mg, Eigelb 10 mg, Bohnen 2 mg

119

Vitamin B2-Gruppe: Panthothensäure


Hypovitaminose: Störungen des Proteinaufbaus



Leber 0,6 mg, Hefe 0,6 mg

Salat 1mg, Paprika 0,7 mg

120

Vitamin B6: Pyridoxal, -ol, -amin


Hypovitaminose: Wachstums- und Konzentrationsschwäche



Eigelb 2 mg, Kalbsleber 60 mg

121

Vitamin B12: Cobalamin


Hypovitaminose: Skorbut, Schwächung des Immunsystems



Hagebutten 250-1000 mg, Cassis 120-250 mg, Orangen 50 mg

122

Vitamin C: Ascorbinsäure


Hypovitaminose: multipler Carboxylasemangel



Niere 0,2 mg, Eigelb 0,3 mg, Banane 0,01 mg

123

Vitamin H: Biotin


Hypovitaminose: Nachtblindheit, Schwächung des Immunsystems

Funktions- und Wachstumsstörungen

Hypervitaminose: Müdigkeit, Schwindel, Kopfschmerzen, Gelenk-

schmerzen, Schlaflosigkeit


Leber 8 mg, Karotten 5 mg, Butter 1 mg

124

Fettlösliches Vitamin A: Retinol


Hypovitaminose: Rachitis

Hypervitaminose: Ablagerung von Calciumphosphat in Organen (Calcinose)


Sardine 1,3 mg, Lebertran 1, 2 mg, Eigelb 0,03 mg

125

Fettlösliches Vitamin D: Calciol


Hypovitaminose: Müdigkeit, Reizbarkeit, schlecht heilende Wunden



Weizenkeimöl 260 mg, Leinöl 23 mg, Eigelb 3 mg

126

Fettlösliches Vitamin E: Tocopherole


Hypovitaminose: wird von Bakterien der Darmflora gebildet, nicht bekannt



Blumenkohl 1,3 mg, Spinat 1,6 mg

127

Fettlösliches Vitamin K: Menachinon & Phyllochinon


• 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

inhalt der vorlesung filestoffwechsel: 1. grundprinzipien des metabolismus 2. enzyme &...

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