Grundlagen der Physiologie 5 %?

Grundlagen der
Physiologie
Regulation
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Mensch und Affe
Was unterscheidet
uns vom
Affen?
5 %?
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Nachbar
Was unterscheidet
Sie von
Ihrem
Nachbarn?
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Regulation
Was unterscheidet
uns vom
Affen?
Was unterscheidet
Sie von
Ihrem
Nachbarn?
Regulation
ist die
Antwort.
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Einige Regulationsmechanismen
mRNA
DNA
Enzym
A
Transkription
Translation
Katalyse
B
Regulatorprotein
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Reaktion
Chemische Reaktion
A + B → C
Wovon hängt ab, ob die Reaktion abläuft?
• Konzentrationen, Druck, Temperatur ...
• 'Neigung' der Edukte zu reagieren
- Energiebilanz der Reaktion, Reaktionsenthalpie
- Entropie
- Aktivierungsenergie
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Die Bedeutung irreversibler Schritte
• bedeuten Energieverlust
• legen Stoffwechselrichtung fest
• erfordern Umwege für Rückweg
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Katalyse
Katalyse
Übergangszustand
• Reaktanten müssen
Energieschwelle
'Aktivierungsenergie'
überwinden
• Nur Reaktionen mit
DG <= 0
laufen spontan ab
• Katalysator verringert
Aktivierungenergie,
beschleunigt Reaktion,
ändert nicht DG
• Katalysator bleibt
am Ende unverändert
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Enzyme
Enzyme
• Proteine
• Meist mehrere Untereinheiten in Komplexen, z.B. a2b2g
• Aktives oder katalytisches Zentrum
mit funktionalen Gruppen aus z.B.
- Aminosäureresten (z.B Histidin-Reste)
- Metallionen oder Spurenelement (z.B. Fe, Selenocystein)
- fest gebundene = prosthetische Gruppe (z.B Häm)
- Bindungsstelle für Coenzyme (kleinere funktionelle
Moleküle z.B. NAD)
• Oft allosterisches Zentrum, das Regulation erlaubt
• Diverse Bindungstypen an Wechselwirkungen beteiligt:
Ionenbindung, Wasserstoffbrücken, van-der-WaalsKräfte, koordinative oder Komplexbindung an Metallionen
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Enzym-Klassen
Enzym-Klassen nach Reaktionstyp
Sechs Klassen von Enzymen mit verschiedenen Funktionen:
• Oxidoreduktasen, die Redoxreaktionen katalysieren.
• Transferasen, die funktionelle Gruppen von einem Substrat auf ein
anderes übertragen.
• Hydrolasen, die Bindungen unter Einsatz von Wasser spalten.
• Synthasen, auch Lyasen genannt, die die Synthese komplexerer
Produkte aus einfachen Substraten katalysieren, allerdings ohne
Spaltung von ATP.
• Isomerasen, die die Umwandlung von chemischen Isomeren
beschleunigen.
• Synthetasen oder Ligasen, die die Bildung von Substanzen
katalysieren, die chemisch komplexer sind als die benutzten
Substrate, allerdings im Unterschied zu den Synthasen unter ATPSpaltung, enzymatisch wirksam sind.
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Enzym-Katalyse
wikipedia.de
Wie bewirkt ein Enzym die Katalyse?
• Substrate binden spontan, aber spezifisch im katalytischen
Zentrum zum Enzym-Substrat-Komplex
• Durch Wechselwirkungen mit verschiedenen Gruppen im
Enzym wird die Wahrscheinlichkeit des Eintritts des
Übergangszustandes und damit der Reaktion erhöht.
• Enzyme arbeiten reversibel. Aber nur Reaktionen mit
∆G<=0 werden rückwärts laufen!
• Von zwei Substraten mit unterschiedlichen Massen (Isotopen)
werden die leichteren Formen etwas bevorzugt umgesetzt (→
Isotopenfraktionierung).
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Regulation der Enzymaktivität
• Substratkonzentration
KM-Wert
Irreversible Schritte
• Produkthemmung
Reversibilität der Enzymkatalyse,
Rückreaktion
• Feedback-Hemmung
1. Schritt eines Wegs
Allosterisches Zentrum
• Isozyme
Mehrere Enzyme, mehrere
Regulationsmöglichkeiten
• Kovalente Modifikation
Vgl. Allosterische Regulation,
stabiler, braucht weitere
regulierte Enzyme
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Abhängigkeit der
Umsatzrate eines
Enzyms von der
Substratkonzentration
• Die Umsatzrate von
Enzymen ist meistens durch
die niedrige
Substratkonzentration
begrenzt. Die Konzentration,
bei der die Rate halbmaximal
wird, heißt
Halbsättigungskonstante oder
KM-Wert.
• Hohe Substratkonzentrationen
hemmen oft die Umsatzsrate.
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Michaelis-Menten-Beziehung
vmax . [s]
v = 
KM + [s]
v : Umsatzrate eines Enzyms (nmol s-1)
vmax : ohne Substratlimitierung maximal erreichbare
Umsatzrate des Enzyms
[s] : Substratkonzentration
KM : Halbsättigungskonstante, Konzentration mit
halbmaximaler Umsatzrate
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Kompetitive Hemmung
Kompetitive Hemmung
Beispiel:
Succinat Malonat
COO-
COO-
CH2
CH2
CH2
COO-
COO-
hemmt SuccinatDehydrogenase
kompetitiv
• Kompetivtive Hemmstoffe ähneln dem Substrat und
konkurrieren mit ihm um die Substrat-Bindestelle im
katalytischen Zentrum, werden aber nicht umgesetzt.
• Die Hemmung ist reversibel und abhängig von den
Konzentrationen von Substrat und Inhibitor.
• Auch hohe Produktkonzentrationen hemmen die Katalyse.
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Allosterische Enzyme
Allosterische Enzyme
• Regulation der Enzymaktivität durch Bindung außerhalb des
katalytischen Zentrums
• Effektor kann je nach Enzym Aktivator oder Inhibitor ('nicht-kompetitiv')
sein
• Auch Aktivierung oder Hemmung durch Übertragung von kovalent
gebunden Gruppen (z.B. Methylgruppe) möglich
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Endprodukthemmung
Endprodukthemmung
Enzym 1
Enzym 2
Enzym 3
Enzym 4
A → B → C → D → E
• Oft wird der erste Schritt eines Stoffwechselweges reguliert.
• Bei der Endprodukthemmung, auch Feedback-Hemmung genannt,
'meldet' das Endprodukt als Inhibitor dem ersten Enzym, dass genügend
Produkt gebildet wurde und drosselt die weitere Produktion.
• Regulation wird auch auf der Ebene der Enzymbildung (DNA, RNA...)
bewirkt.
• Katabolismus erfordert andere Regualtionsmuster als die der
Biosynthesewege.
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Pasteur-Effekt
o Gärung anaerob (Glucose → 2 Ethanol + 2 CO2)
o Hefe wächst aber bevorzugt aerob
o dennoch: Belüftung verlangsamt Glucose-Umsatz drastisch
o macht Sinn, da durch aerobe Atmung ≈20 Mal mehr ATP
gebildet werden kann
o Mechanismus: allosterische Hemmung eines Enzyms der
Glykolyse (Phosphofructokinase) durch ATP, das bei
aerobem Glucose-Umsatz reichlich zur Verfügung steht
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Bakterium auf der Suche nach
dem Schlaraffenland
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Bandenbildung sulfatreduzerierender Bakterien in zwei
verschiedenen Konzentrationen in Gegenwart von Sulfat
oder Thiosulfat und ohne Schwefelverbindung
Vgl. Kaffee mit Milch, mit Milch + Zucker oder schwarz
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o Y-P → CW und 'Tumble', Y → CCW und 'Run'
o Z dephosphoryliert Y-P langsam
o A erfährt Autophosphorylierung, überträgt P-Gruppe nach Y oder nach B
o B-P demethyliert MCP (methyl-accepting chemotaxis protein), hält es so sensibel
o R methyliert MCP langsam, macht es insensibel
Regulation des Flagellenmotors
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o Y-P → CW und 'Tumble', Y → CCW und 'Run'
o Z dephosphoryliert Y-P langsam
o A erfährt Autophosphorylierung, überträgt P-Gruppe nach Y oder nach B
o B demethyliert MCP(methyl-accepting chemotaxis protein), hält es so sensibel
o R methyliert MCP langsam, macht es insensibel
o Attractant verändert W, W unterbindet jetzt Autophosphorylierung
und somit Bildung von Y-P und B-P
o einerseits → Run, andererseits: MCP wird mit der Zeit insensibel
→ Tumble
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Regelung auf der Ebene der Genexpression
o Repression (typisch für Biosynthesewege)
o Induktion (= Derepression, typisch für Abbauwege)
o langsam aber nachhaltig wirkend
o Operon: Promotor + Operator + Strukturgene
o Regulatorische Wechselwirkung von DNA und
Regulatorproteinen (manchmal RNA und DNA)
o sowie von Regulatorproteinen und div. Effektoren
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Wechselwirkungen
o Aktivator-Proteine erleichtern Bindung der
RNA-Polymerase
o Repressor-Proteine regulieren Ablesestart
o Attenuation (bei Prokryoten) basiert auf der
Wechselwirkung von mRNA und DNA
o Katabolit-Repression (Katabolismus eines
bevorzugten Substrats)
o Endprodukt-Repression (vgl. EndproduktHemmung!) bei anabolischen Prozessen
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Das lac-Operon
von E. coli
Regulon: Gruppe
von Operons, die
durch denselben
Regulator reguliert
werden, bei
globalen
Regulatoren (wie
z.B. Hunger):
Modulon
...
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Regulation der
Tryptophan-Synthese
(A) Endprodukt-Repression: In
Gegenwart von Tryptophan wird die
Transkription durch einen Tryptophanbindenden Repressor verhindert.
(B) Attenuation: Vor den Strukturgenen
liegt die Nukleotidsequenz für ein
Tryptophan-haltiges Leitpeptid. Wenn in
Gegenwart von Tryptophan dieses
bereits während der Transkription durch
ein Ribosom gebildet wird, kommt es zur
Termination der weiteren Transkription
durch Haarnadelstrukturen in der mRNA
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