BIOCHEMIE des Stoffwechsels (3 Std., 772.113)

BIOCHEMIE des Stoffwechsels
Stryer Biochemie
(3 Std., 772.113)
J. M. Berg, J. L. Tymoczko, L. Stryer
6. Auflage (2007)
1. Einheit
Spektrum der Wissenschaft, ELSEVIER
Reaktionsmechanismen
Die Lebewesen der heutigen Welt kann man anhand ihrer
biochemischen Eigenschaften in drei große, als Domänen
bezeichnete Gruppen einteilen:
Eukarya (Eukaryoten)
Bacteria (früher Eubacteria genannt)
Archaea (die früheren Archaebakterien)
Die Vorlesung befasst sich mit den biochemischen Reaktionen und
den damit zusammenhängenden biologischen Makromolekülen
und Metaboliten in Eukarya mit Fokus auf dem humanen
Stoffwechsel.
Der mikrobielle Stoffwechsel wird in der VO Mikrobielle
Physiologie (Christina Schäffer, 2 Std.) behandelt.
Bacteria
Bacterial Cell Structure
Experimentelle Ansätze zur Untersuchung
des Stoffwechsels
Beispiel kataboler Stoffwechsel:
• Untersuchung der Reaktionsfolge (Überführung eines
bestimmten Nährstoffes in sein Folgeprodukt) und der
Energetik dieser Umwandlung
• Untersuchung des Mechanismus der einzelnen
Umwandlungschritte (Enzyme, Reaktionsmechanismus
 organische Chemie bzw. Bioorganische Chemie
bzw. Anorganische Biochemie)
• Untersuchung der Lokalisation, Regulation und der
Integration der Stoffwechselwege
Ziel der Vorlesung ist das
Glycolyse  Citrat-Cyclus 
Oxidative Phosphorylierierung
Verständnis der
 Reaktionsfolgen
 Energetik der Umwandlungen
 Reaktionsmechanismen
 Lokalisation (Zelle, Gewebe,
Organ)
 Regulation und
 Integration des jeweiligen
Stoffwechselweges in den
Gesamtstoffwechsel
Organische Reaktionsmechanismen
Rückführung der biochemischen Reaktionen auf
wenige Grundtypen:
A. Chemische Grundlagen
B. Reaktionsmechanismen
•
•
•
•
Die allermeisten biochemisch relevanten Reaktionen werden von Enzymen
katalysiert. Entsprechend den Regeln der internationalen Enzym
Kommission (Enzyme Commission, EC) werden Enzyme in 6 Klassen
eingeteilt, durch einen 4 Zahlen-Code eindeutig charakterisiert und durch
einen systematischen Namen (der auf der katalysierten Reaktion beruht)
benannt.
1. Klasse:
Oxidoreduktasen: Transfer von H-Atomen, O-Atomen
oder Elektronen zwischen Metaboliten
2. Klasse:
Transferasen: Transfer funktioneller Gruppen
3. Klasse:
Hydrolasen: Katalyse hydrolytischer Reaktionen
4. Klasse:
Lyasen: Gruppeneliminierungen unter Bildung von
Doppelbindungen oder Addition einer Gruppe an eine
Doppelbindung
5. Klasse:
Isomerasen: Intramolekulare Gruppenübertragungen
6. Klasse:
Ligasen: Knüpfung von kovalenten Bindungen unter
gleichzeitiger Spaltung von Nucleosidtriphosphaten
Gruppenübertragungsreaktionen
Oxidationen und Reduktionen
Eliminierungen, Isomerisierungen und
Umlagerungen
Reaktionen unter Bruch und Bildung von C-CBindungen
http://www.chem.qmw.ac.uk/iubmb/enzyme/
Enzyme werden gemäß der Natur der von ihnen katalysierten
chemischen Reaktionen klassifiziert und benannt. Der empfohlene
Name ist häufig der früher benutzte Trivialname. Der systematische
Name wird verwendet um Zweideutigkeiten zu vermeiden.
Beispiel:
Carboxypeptidase A
Systematischer Name:
Peptidyl-L-Aminosäurehydrolase
EC Nummer:
3.4.17.1
Enzymklasse 3:
Hydrolasen
Unterklasse 4:
Unter-Unterklasse 17:
Beispiel:
Alkoholdehydrogenase
CH3CH2OH + NAD+  CH3CHO + NADH + H+
Reaktion:
Systematischer Name:
NAD+-Oxidoreduktase
EC Nummer:
1.1.1.1.
Enzymklasse 1:
Oxidoreduktasen
Unterklasse 1:
Oxidation von –CH(OH)Gruppierungen
Peptidbindungen spaltende Hydrolasen
Unter-Unterklasse 1:
NAD(P)+ als Elektronenakzeptor
Metall-Carboxypeptidasen (Metall im
aktiven Zentrum für Enzymaktivität
essentiell; hier Zn2+)
Zugeteilte Seriennummer innerhalb der Unter-Unterklasse: 1
Zugeteilte Seriennummer innerhalb der Unter-Unterklasse: 1
A. Chemische Grundlagen
Bei der heterolytischen Bindungsspaltung bleibt das bindende
Elektronenpaar bei einem der Bindungspartner.
Bindungsspaltungen können homolytisch oder heterolytisch
ablaufen.
Bei der homolytischen Bindungsspaltung entstehen Radikale
(meist instabile Spezies mit einem ungepaartem Elektron)
C
H
C
+ H
Proton
Carbanion
C
H
C
+ H
Radikale
Homolytische Bindungsspaltungen sind relativ selten.
Der Verbleib des Elektronenpaares beim C-Atom unter
Ausbildung eines Carbanions ist häufiger, da Kohlenstoff
(EN = 2.5) elektronegativer als Wasserstoff (EN = 2.1) ist.
Im Zuge einer biochemischen Reaktion entstehende
Carbanionen werden meist durch Resonanz oder Metallionen
(z.B. Zink) stabilisiert (siehe unten).
Im Zuge von Redoxreaktionen kann das bindende
Elektronenpaar auch beim Wasserstoff unter Bildung eines
Hydrid-Ions verbleiben. Die Abstraktion eines Hydrid-Ions tritt
nur dann auf, wenn es direkt auf einen Akzeptor (z.B. NAD+
oder NADP+) übertragen wird.
C
H
+ H
C
Hydrid-Ion
Carbokation
oder
Carbenium-Ion
Nucleophile Form (konjugierte Base
schwacher Säuren)
RO
+H
RSH
RS
+H
RNH3
RNH2 + H
R
R
HN
HN
NH
NH2
Aminogruppe
N
Amin
R
R''
Aldehyd oder Keton
N
H
C
OH
R''
CarbinolaminZwischenprodukt
H+
R'
R
Imin
H
Protonen
Mn
Metall-Ionen
R
R'
R'
O
Elektrophiles Zentrum (elektronenarme Spezies)
C
O
C
NH
R
+H
Iminbildung aus Amin und Aldehyd (oder
Keton)
C
Biochemisch relevante ELEKTROPHILE GRUPPEN
Carbonylkohlenstoff: EN(C) = 2,5; EN(O) = 3,5
R'
Imidazolgruppe
+
Elektrophile Zentren
Sulfhydrylgruppe
R'
R
Elektronenreiche Verbindungen („kernliebend“). Entweder negativ
geladen oder im Besitz einsamer Elektronenpaare. Neigen zur
kovalenten Bindung mit elektronenarmen Zentren (Elektrophilen).
Biochemie: Amino-, Hydroxy-, Imidazol- und Sulfhydrylgruppen
Hydroxygruppe
Veranschaulichung von Reaktionen durch Verfolgung der
Wanderung von Elektronenpaaren
Beispiel:
Nucleophile Zentren
Positiv geladen oder unvollständig besetzte Valenzschale. Meist in
Nachbarschaft zu elektronegativem Atom.
Biochemie: Protonen, Metallionen, Kohlenstoffatome in
Carbonylgruppierungen, kationische Imine
Biochemisch relevante NUCLEOPHILE GRUPPEN
ROH
In Reaktionen mit heterolytischer Bindungsspaltung oder –bildung
sind typischerweise nucleophile und elektrophile Zentren in den
Metaboliten beteiligt:
N
C
H
R''
+ H+2H
O2O
Kohlenstoff in Iminen
(das Iminium-Ion ist stärker
elektronenziehend als das Sauerstoffatom
in Carbonygruppen!)
B. Organische Reaktionsmechanismen
• Gruppenübertragungsreaktionen
• Oxidationen und Reduktionen
• Eliminierungen, Isomerisierungen und
Umlagerungen
• Reaktionen unter Bruch und Bildung von
C-C-Bindungen
Gruppenübertragungsreaktionen
Acylgruppenübertragung
Übertragung einer elektrophilen Gruppe von einem Nucleophil auf
ein anderes Nucleophil (NUCLEOPHILE SUBSTITUTION)
Angriff eines Nucleophils (Y) am elektrophilen Kohlenstoff einer
Acylverbindung
O
R
+
Y
Nucleophil
A
X
Y
Elektrophil-Nucleophil
A
+
Nucleophil-Elektrophil
C
Y
X
X
O
Nucleophil
Häufigste biochemische Gruppenübertragungsreaktionen:
1. Acylgruppenübertragung
R
C
O
X
R
C
Y
X
Y
2. Phosphorylgruppenübertragung
Bildung eines tetraedrischen
Zwischenproduktes
3. Glycosylgruppenübertragung
Beispiel für enzymatische Acylgruppenübertragung:
Serin-Protease Chymotrypsin. Hydrolyse einer Peptidbindung
durch nucleophilen Angriff einer Aminosäure (Serin) des aktiven
Zentrums an den Carbonylkohlenstoff der Peptidbindung.
Mechanismus gilt auch für andere Serinproteasen (Trypsin,
Elastase, Thrombin usw.).
Die katalytische Triade einer Serinprotease besteht aus
Asp-His-Ser
His 57
H2C
102 Asp
O
H2C
C
N
H
Ser 195
N
O
CH2
H
Chymotrypsin
O
His 57
H2C
His 57
102 Asp
H2C
102 Asp
H2C
H
N
R'
H
O
N
C
H
H2C
O
C
H
O
C-Terminus des
Peptids
Tetraedrisches
Zwischenprodukt
(kovalente
Katalyse)
O
H2C
102 Asp
O
R
His 57
Nucleophiler
Angriff
NAmidbindungC
H
R'
O
R
CH2
N
CH2
H
Substrat: Polypeptid
Ser 195
N
Ser 195
N
O
N-Terminus des
Peptids
H
O
O
C
O
H2C C
Ser 195
N
CH2
N
R'
H
H
O
N
C
R
O
Acyl-EnzymZwischenprodukt
His 57
His 57
H2C
102 Asp
O
H2C
C
H
H2C
Ser 195
N
N
O
R'
R’NH2
H
O
N
C
H2C C
H2 O
O
H
H
Ser 195
N
Akzeptor der
Acylgruppe
ist H2O!
O
C
R
H
H
O
102 Asp
O
H2C
R
C
H
O
N
Ser 195
N
O
C
N
H 2N
X
P
P
O
O
O
Y
CH 2
N
O
N
N
O
O
OO
Angriff eines Nucleophils (Y) am elektrophilen Phosphoratom
einer tetraedischen Phosphorylgruppe
X
CH2
H
O
Phosphorylgruppenübertragung
O
O
H2C
CH2
N
O
O
H
His 57
H
Y
CH2
N
RCOOH
Ser 195
N
O
C
O
H2C
O
O
H2C
R
H
His 57
102 Asp
102 Asp
CH2
P
O-
O
O
O
O
P
P
O -O
O-
OH
HO
Trigonal
bipyramidales
Zwischenprodukt
ATP,
Adenosintriphosphat
O O
P
Eliminierung der
Abgangsgruppe unter
Inversion der Konfiguration
O
X
Y
Beispiel für enzymatische Phosphorylgruppenübertragung:
Beispiel DNA-Polymerasen
Glykolyse-Enzym Hexokinase
H OH
O-ADP
H O
HO
HO
H
H
OH
H
P
OH
17
O
Matrizenabhängiges
Enzym, das Primer
mit freier 3’-OH
Gruppe benötigt.
18
16
O
O
16
O
17
O
Inversion der
Konfiguration
18
O
16
O
P
P
17
Glucose
O-ADP
18
O
O
Glucose
Trigonal
bipyramidales
Zwischenprodukt
Nucleophiler Angriff
des 3’-OHPrimerendes auf
das innerste
Phosphoratom
des eintretenden
Desoxyribonucleosidtriphosphates.
Glycosylgruppenübertragung
Einfacher Verdrängungsmechanismus
Substitution einer nucleophilen Gruppe durch eine andere am C(1)
eines Zuckerringes (= zentrales C-Atom eines Acetals).
H
H
OH
+
Y
X
Einfacher Verdrängungsmechanismus unter Inversion der
Konfiguration (SN2-Reaktion).
H
Y
OH
+
X
H
H
+
H OH
H O
HO
HO
H
OH
H
HO
HO
HO
H OH
H
Bildung eines resonanzstabilisierten Carbokations (Oxonium-Ions) als
Zwischenprodukt. Anschließende Addition des angreifenden Nucleophils.
H
B. Organische Reaktionsmechanismen
H OH
H OH
H O
H
H
OH
H O
HO
HO
H
H
OH
H
H
H OH
HO
H
H
Y
H
Doppelter Verdrängungsmechanismus unter Erhaltung der
Konfiguration (SN1-Reaktion).
HO
HO
+
X
H OH
2 mögliche Mechanismen:
HO
HO
OH
H O
HO
HO
Doppelter Verdrängungsmechanismus
X
H
+
H
H
H
H O
HO
HO
H OH
H O
HO
HO
H OH
Y
H OH
Beispiel für enzymatische
Glycosylübertragung unter
• Gruppenübertragungsreaktionen
• Oxidationen und Reduktionen
• Eliminierungen, Isomerisierungen und
Umlagerungen
• Reaktionen unter Bruch und Bildung von
C-C-Bindungen
H Beibehaltung der Konfiguration ist
OH
Y
die Hydrolyse von Polysacchariden
der Bakterienzellwand durch
Lysozym
Oxidationen und Reduktionen
Redoxreaktionen:
Reaktion zwischen Elektronendonor und
Elektronenakzeptor. Abgabe und Aufnahme
von Elektronen.

Flavinmononukleotid (FMN bzw. FMNH2)
Flavinadenindinucleotid (FAD bzw. FADH2)
Biochemische Redoxreaktionen:

Häufig verbunden mit heterolytischer C-HBindungsspaltung. Dabei verliert das C-Atom verliert zwei
bindende Elektronen (es wird oxidiert).

Zur Katalyse von Redoxreaktionen sind oftmals Cofaktoren
nötig. Cofaktoren können Metall-Ionen sein (Fe3+/Fe2+,
Cu2+/Cu+) oder organische Moleküle (prosthetische Gruppen
oder Coenzyme). Prosthetische Gruppen sind dauerhaft mit
dem Enzym verbunden, während Coenzyme nur in der
Reaktionsphase mit dem Enzym verbunden sind.
Prosthetische Gruppen in Redoxreaktionen:
Proteine mit FMN oder FAD als prosthetische Gruppe
werden Flavoproteine (charakteristisches UV-VisSpektrum) genannt.

Coenzyme in Redoxreaktionen:
Nicotinamid-Coenzyme (oder Pyridin-Nucleotide)
dienen als intrazelluläre Überträger von
Reduktionsäquivalenten (Elektronen).
(NAD+, NADP+ bzw. NADH, NADPH)
Flavinmononukleotid (FMN)
Flavinadenindinukleotid (FAD)
NH2
O
D-Ribitol
CH2 O
P
H
C
OH
O
H
C
OH
C
H
N
O
O
D-Ribitol
OH
CH2 O
P
H
C
OH
O
H
C
OH
H
C
OH
CH2
H3C
H3C
N
O
1 2
3
4 N
H
5
N
H3C
O
N
P
O
CH2
O
H
H
OH
N
N
O
H
H
OH
Adenosin
-diphosphat
CH2
N
10
9
8
7 6
O
Isoalloxazinrest
H3C
N
N
5
12
4 3N
N
O
Isoalloxazinring
H
O
O
Viele Organismen können bestimmte Cofaktoren nicht selbst
vollständig synthetisieren. Diese Cofaktoren oder ihre Vorstufen
müssen aus der Nahrung aufgenommen werden.
Struktur von Nicotinamidadenindinucleotid (NAD+)
H
O
C
Der Mensch kann die Isoalloxazin-Komponente der Flavine nicht
synthetisieren. Muss in Form des Vitamins B2 (Riboflavin)
aufgenommen werden.
N
O
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
H
(stammt vom
Alkohol des
Zuckers DRibose)
N
H3C
N
N
Isoalloxazin
P
O
N
O
N
O
P
O
H
C
NH2
N
O
O
H
H
H
H
OH
OH
P
O
N
O
N
P
O
H
OH
O
O
P
O
H
O
OH
1
N
N
H
C
NH2
2
NAD
O
C
N
O
H
H
H
OH
O
O
O
OH
Nicotinamid (synonym Niacinamid)
oder das Carbonsäure-Analogon
Nicotinsäure (Niacin) sind
Vitaminvorstufen (Vitamin B3) für
das Coenzym NAD+ oder NADP+.
4
NH2
O
Struktur von
Nicotinamidadenindinucleotidphosphat (NADP+)
Adenosindiphosphat
N
O
H
O
O
N
O
“Flavin” ist
synonym mit
dem Isoalloxazinring)
H
H
D-Ribose
NH2
O
(Der Ausdruck
O
N
H
H
OH
OH
Riboflavin
CH2
H3C
O
D-Ribitol
CH2OH
Nicotinamid
(ein Pyridinderivat)
NH2
Die reaktive Gruppierung
(= C4-Position des
Nicotinamid) ist bei
NAD+ und NADP+ ident.
Nicotinamid
(Niacinamid)
N
Nicotinsäure
(Niacin)
Der Mensch kann Nicotinamid auch aus dem TryptophanAbbauprodukt Chinolinat synthetisieren. Bei Mangelernährung ist
dieser Weg aber nicht aktiv, weil Tryptophan in der
Proteinbiosynthese benötigt wird.
In aeroben Organismen (Mensch) werden die von den C-Atomen
der Metaboliten abgezogenen Elektronen kurzfristig in Form von
NADH gespeichert, landen letztendlich aber auf dem terminalen
Elektronenakzeptor Sauerstoff (O2).
C-H-Bindungsspaltungen bei Redoxreaktionen kann man sich als
Hydridübertragungen vorstellen (obwohl nicht immer geklärt ist,
ob diese Reaktionen unter heterolytischer oder homolytischer
Bindungsspaltung ablaufen).
Beispiel für eine biochemische Redox-Reaktion:
H
Ethanol-Oxidation zu Acetaldehyd durch das Enzym
Alkoholdehydrogenase (EC 1.1.1.1). Reaktion ist abolut
stereospezfisch.
R
H
B
CH3CH2OH + NAD+  CH3CHO + NADH + H+
Ethanol ist prochiral, d.h. die zwei Methylen-H-Atome im Ethanol
können unterschieden werden,
OH
wenn das Molekül im Raum
(= aktives Zentrum) fixiert ist:
C Hpro-R
pro-S H
O
C
H
C
4
NH2
H
R'
Allgemeine
Base
O
H
N
Alkohol
H
R
NAD+
CH3
H
R
B
H
O
H
O
C
B. Organische Reaktionsmechanismen
NH 2
C
R'
Allgemeine
Säure
H
H
N
Keton
H
R
H
NADH
O
H
C
NH2
CH3CD2OH +
H
H
N
D
R
H
H
O
C
NH2
O
H3C
CD
• Gruppenübertragungsreaktionen
• Oxidationen und Reduktionen
• Eliminierungen, Isomerisierungen und
Umlagerungen
• Reaktionen unter Bruch und Bildung von
C-C-Bindungen
H+
+
H
N
H
R
Eliminierungsreaktionen und Bildung von
C-C-Doppelbindungen
Konzertierte Reaktion:
Bildung einer Doppelbindung zwischen zwei zuvor einfach
gebundenen, gesättigten Zentren.
R
Eliminierung von H2O, NH3, ROH (Alkoholen) oder RNH2
(primären Aminen)
R
H
C
C
H
OH
H
R'
H
C
C
H
OH
R
R'
H
C
H+ + OH-
C
R'
H
Stufenweise über Carbokation (Säurekatalyse: Protonierung der
OH-Gruppe):
z.B. Dehydratation eines Alkohols:
H
H
R
C
C
R'
H
Bindungsbruch und -bildung: 3 mögliche Mechanismen
H2O
R
H
H
C
C
H
OH
R'
R
OH-
H
H
C
C
H
R
H
C
R'
H+
H
C
R'
Stufenweise über Carbanion (Basenkatalyse: Protonabstraktion)
R
H
H
C
C
H
OH
H
R'
R
H+
R
C
C
R'
H
OH
H
C
C
H
C
C
H
OH
R
R'
Meist wird das geladene Zwischenprodukt einer stufenweise
ablaufenden Reaktion durch entgegengesetzte Gruppen des
aktiven Zentrums stabilisiert.
H
C
C
R'
H
trans (anti)
H+ + OH-
R'
H
OH-
R
H
R
H
H
C
C
H
OH
Zwei Möglichkeiten für den stereochemischen Verlauf:
H
R'
H
C
H+ + OH-
R
C
cis (syn)
R'
•
trans (anti) Eliminierung. Dominiert in
biochemischen Reaktionen
Beispiele für biochemische Dehydratationsreaktionen:
•
cis (syn) Eliminierung
Enolase (Glykolyse) und Fumarase (Citronensäurezyklus)
Isomerisierungsreaktionen über intramolekulare
Wasserstoffatom -Verschiebungen
Enolase (Glykolyse)
O
O
Intramolekulare Verschiebung eines Wasserstoffatoms unter
Verschiebung der Lage einer Doppelbindung
O
O
C
C
H
C
OPO32-
H
C
OH
C
H
H
OPO32H2O
C
Häufigste Reaktion: Aldose-Ketose-Isomerisierung über
Endiolat-Zwischenstufen
H
Eine Racemisierung ist eine Isomerisierung, bei der ein
Wasserstoffatom seine stereochemische Position an dem einzigen
chiralen Zentrum eines Moleküls so ändert, dass dieses chirale
Zentrum invertiert wird. Bei einem Molekül mit mehreren
chiralen Zentren bezeichnet man eine solche Isomerisierung als
Epimerisierung.
Phosphoenolpyruvat (PEP)
2-Phosphoglycerat
Beispiel: Glucosephosphat-Isomerase (Glykolyse)
H
B
H
O
H
C
O
C
H
BH
H
H
B
C
OH
O
R
Ketose
BH
Glucose-6-Phosphat  Fructose-6-Phosphat
O
C
C
H
C
Glycolyse:
O
H
R
cis-Endiolat-Zwischenprodukt
R
Aldose
Basen-katalysierte Abspaltung eines Protons von einem C-Atom
und Anlagerung an ein anderes Atom
O
C
C
R
O
H
Glucose-6-Phosphat
Fructose-6-Phosphat
Umlagerung von Kohlenstoffgerüsten
Beispiel:
Lösung und Neuverknüpfung von C-C-Bindungen
Eher selten im Stoffwechsel.
 Oxidation von Fettsäuren mit ungerader Zahl
an C-Atomen
Beispiele:
Umwandlung von L-Methylmalonyl-CoA in Succinyl-CoA
durch das Enzym Methylmalonyl-CoA-Mutase (mit VitaminB12-Derivat als prosthetischer Gruppe): Oxidation von Fettsäuren
mit ungerader Zahl an Kohlenstoffatomen
H
COO-
C
C
H
H
C
SCoA
 Oxidation von Aminosäuren
H
C
C
C
C
C
C
C
H
COO-
H
C
C
CoAS
C
H
H
O
O
C
L-Methylmalonyl-CoA
Succinyl-CoA
Umlagerung des Kohlenstoffgerüsts
Reaktionen unter Bildung oder Bruch von C-CBindungen
B. Organische Reaktionsmechanismen
• Gruppenübertragungsreaktionen
• Oxidationen und Reduktionen
• Eliminierungen, Isomerisierungen und
Umlagerungen
• Reaktionen unter Bruch und Bildung von
C-C-Bindungen
Bruch oder Knüpfung von C-C-Bindungen ist die Grundlage des
katabolen (abbauenden) bzw. des anabolen (aufbauenden)
Stoffwechsels:

z.B. Abbau von Glucose zu CO2 umfaßt 5
Spaltungsreaktionen (Glykolyse, Citratzyklus)

z.B. Synthese von Citrat oder Fettsäuren
Reaktionsmechanismus: Angriff eines nucleophilen Carbanions
auf ein elektrophiles C-Atom (meist ein sp2-hybridisiertes
Carbonyl-C-Atom von Aldehyden, Ketonen, Estern oder CO2).
C
Vorraussetzung für derartige Reaktionen ist eine endliche
Lebenszeit für Carbanionen. Dies gelingt durch Stabilisierungen.
Die drei häufigsten biochemischen Mechanismen der Stabilisierung
sind:
1. Bildung von Enolaten
Resonanzstabilisierung
2. Bildung von Enaminen
3. Elektrostatische Stabilisierung
Ad 1. Stabilisierung von Carbanionen in Nachbarschaft zu
einer Carbonylgruppe durch Bildung von Enolaten:
O
O
C C
H
C C
H
Carbanion
Enolat
+
C O
C C OH
Beispiele für C-C-Bindungsspaltung bzw. -bildung über
resonanzstabilisierte Enolate:
a. Aldolkondensation
b. Claisen-Esterkondensation
c. Decarboxylierung einer -Ketocarbonsäure
a.
C-C-Bindungsbildung bzw. –spaltung durch
Aldolkondensation: Verknüpfung von zwei
Carbonylverbindungen (z.B. Aldehyd mit Keton) zu einem
Aldol (einer -Hydroxycarbonyl-Verbindung) bzw.
Spaltung der -Hydroxycarbonyl-Verbindung in Aldehyd
und Keton.
Keton
R'
B
R'
Beispiel aus der Glykolyse:
C O
Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat zu Glycerinaldehyd-3phosphat und Dihydroxyacetonphosphat durch eine Aldolase:
R C H
C
O
R C
H
B
H
H
C
O
HO
H
C
C
H
OH
H
C
OH
R'
Resonanzstabilisiertes
Carbanion (Enolat)
C O
R C H
R'
C O
R C H
H
B
H
H O
H OH
b.
HO
Aldolase
O
C
H
Dihydroxyacetonphosphat
O
H
C
Fructose-1,6-bisphosphat
C
H
Glycerinaldehyd-3phosphat
2. Keton
(elektrophiles
Zentrum)
C-C-Bindungsbildung bzw. –spaltung durch
Claisen-Esterkondensation
C
H
CH 2OPO 32-
R C C R'
R C C R'
CH2OPO 32-
CH 2OPO 32-
OH
CH 2OPO 32-
Beispiel:
Citrat-Synthase (ursprünglich condensing enzyme)
Oxalacetat + Acetyl-CoA +H2O  Citrat + HS-CoA + H+
H O
C C SCoA
H
H O
B + H C C SCoA
B
H +
H O
H
C C SCoA
H
Resonanzstabilisiertes
Enolat
Angriff an elektrophilem
Zentrum
(Ketogruppierung); siehe
Aldolkondensation
c.
Decarboxylierung einer -Ketocarbonsäure
O
R C CH2
O

Ketosäure
O
C
H
H2C
O
C
C
Oxalacetat
HO
Beispiel:
Acetyl-CoA
C
COO-
H2C
COO-
COOH
H
COO-
HS-CoA + H+
C
C
H
C
O
C
COO-
NAD+ NADH + H+
O
IsocitratDehydrogenase
H
H
C
H
H
C
C
C
O
O
C
O
COO-
Resonanzstabilisiertes
Enolat
-Ketoglutarat
O
O
Isocitrat
R C CH2
Angriff an
elektrophilem Zentrum
(Ketogruppierung oder
H +)
H2O
H
O
O
SCoA
COO-
C
CO2 +
H2C
COO-
HO
O
R C C C O
 H2
Citrat
H
H
C
H
H
C
H
C
O
C
O
O
CO2
O
H+
Zwischenstufe
Oxalsuccinat
(Ketosäure)
Ad 2. Stabilisierung von Carbanionen in Nachbarschaft zu
protonierten Iminen (Schiff-Basen) unter Bildung von
Enaminen
Acyl-Malonyl-ACP-kondensierendes Enzym
H3C
C
O
O
O
S
C
ACP
Acetyl-ACP
Fettsäuresynthese:
Kopplung der
Zwischenstufen über
Sulfhydrylgruppen an ACP
(Acyl-Carrier-Protein)
Fettsäureabbau: Kopplung
der Zwischensufen an CoA
O
C C
H2
S
ACP
Malonyl-ACP
HS-ACP +
CO2
O
H3C
C
O
NH
C C
H
C C
H
Carbanion-Form der
Schiff-Base (Imin)
Schiff-Base (Enamin)
C C
S ACP
H2
Acetoacetyl-ACP
Ad 3. Stabilisierung von Carbanionen durch elektrostatische
Stabilisierung mittels Metallionen
Zn2+
Zn2+
O
O
C C
H
C C
H
Carbanion
NH
Zn2+-stabilisiertes
Enolat
Biochemie des Stoffwechsels
1. Einheit:
Organische Reaktionsmechanismen
2. Einheit:
Grundlegende thermodynamische
Konzepte für biologische Systeme I
3. Einheit:
Grundlegende thermodynamische
Konzepte für biologische Systeme II