Stoffwechsel

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U. Albrecht BC1
Einführung in den Stoffwechsel
1. Allgemeine Einführung
2. Energiereiche Verbindungen
3. Organische Reaktions - mechanismen
4. Experimentelle Ansätze zur Untersuchung des Stoffwechsels
U. Albrecht BC1
1. Allgemeine Einführung
Wie wird Leben aufrechterhalten?
Auf- und Abbau biologischer Moleküle.
Wie wird freie Enthalpie bei der Entstehung von zellulärem Material und der
Erfüllung zellulärer Aufgaben verbraucht?
Wie wird freie Enthalpie aus organischen und anderen Quellen gewonnen?
Stoffwechsel = Vorgänge bei denen lebende Systeme freie Enthalpie benötigen
und verbrauchen um verschiedene Funktionen auszuüben.
Katabolisumus = Abbau, Nahrungs- und Zellbestandteile werden in Grundbausteine zerlegt und freie Entahlpie wird gebildet.
Anabolismus = Biosynthese, Biomoleküle werden aus einfachen Bausteinen
aufgebaut.
Exergone und endergone Vorgänge = Energie wird frei bzw. Verbraucht
Exergon -> oxidation von Nährstoffen
Endergon -> anabole Reaktionen, mechanischer Arbeit, Transport von Molekülen
Exergone und endergone Vorgänge sind über energiereiche Verbindungen wie ATP gekoppelt
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Exergonic Reaction
Endergonic Reaction
Products have less
free energy than
reactants
Products store more
free energy than
reactants
Energetically downhill
Energetically uphill
Spontaneous
Non-spontaneous
∆G is negative
∆G is positive
-∆G is maximum
work the reaction
can perform
+∆G is the minimum
quantity of work
required to drive
reaction
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A. Ernährungsstrategien
Prinzipien der Stoffwechselvorgänge in allen Organismen gleich
- gemeinsamer evolutionärer Ursprung
- gleiche Einschränkungen aufgrund der Gesetzmässigkeiten der Thermodynamik
Unterschiede ergeben sich aufgrund verschiedener Versorgungsquellen.
Einteilung nach Ernährungsstrategien:
Autotrophe Organismen (einige Prokaryonten): alle Zellbausteine aus einfachen Molekülen selbst
aufbaubar.
Chemolithotrophe: Oxidation nicht organischer Substanzen NH3, H2S oder Fe2+
Photoautotrophe: Freie Enthalpie aus Photosynthese. Lichtenergie
Heterotrophe Organismen: Oxidation organischer Substanzen -> abhängig von autotrophen Organismen
Einteilung anhand des Oxidationsmittels:
Obligate Aerobier:
oxidationsmittel ist Sauerstoff O2
Anaerobier:
oxidationsmittel ist Sulfat und Nitrat.
Fakultativ Anaerobe: z.B E. coli, wachsen in Anwesenheit und in Abwesenheit von Sauerstoff.
Obligate Anaerobe: wachsen nur in Abwesenheit von Sauerstoff (früheste Lebensformen).
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B. Stoffwechselwege
Stoffwechselwege= Serie von verknüpften Enzymatischen Reaktionen zur Bildung Spezifischer Produkte.
Ihre Reaktionspartner, Zwischenprodukte und Endprodukte = Metaboliten
Katabole und anabole Stoffwechselwege hängen zusammen:
Katabole Wege -> vielzahl verschiedener
Substanzen (Kohlenhydrate, Fette, Proteine)
werden zu wenigen gleichen Zwischenprodukten.
Energiespeicher
oft Acetyl-CoA
Anabole Wege -> aus wenigen Metaboliten
viele verschiedene Produkte.
Überblick zum Katabolismus
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Stoffwechselwege laufen an spezifischen Zellorten ab
Kompartimentierung in eukaryonten -> Mechanismen für den Transport von
Stoffen zwischen Kompartimenten. Multizelluläre Organismen -> Gewebe
und Organe mit spez.Funktion.
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Spezialisierung von Geweben und subzelluläre Kompartimente
führen zum Vorkommen von Isoenzymen.
Isoenzym = Enzyme die eine gleiche Reaktion katalysieren aber von verschiedenen Genen codiert werden und unterschiedliche
kinetische und regulatorische Eigenschaften besitzen.
Beispiel: Lactat-Dehydrogenase (LDH)
M-Typ -> Gewebe mit anaeroben Bedingungen (Skeletmuskel, Leber)
H-Typ -> Gewebe mit aeroben Bedingungen (Herzmuskel)
Pyruvat
Lactat
Existenz von Isoenzymen ermöglicht es, diverse Krankheiten zu erkennen
Herzinfarkt -> absterben von Muskelzellen -> H-Typ LDH gelangt ins Blut
-> Bluttest der Vorhandensein von H-Typ LDH nachweist -> Diagnostikum
für Herzinfarkt.
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C. Thermodynamische Betrachtungen
Freie Enthalpie
Reaktion nahe am Gleichgewicht -> ∆G ≈ 0 -> reversibel
Viele Stoffwechselreaktionen nahe am Gleichgewicht -> können einfach
umgekehrt werden durch Veränderung des Produkt/Edukt Verhältnisses
Enzyme die gleichgewichtsnahe Reaktionen katalysieren -> für schnelle
Gleichgewichtseinstellung. Nettorate durch relative Konzentrationen bestimmt.
Reaktion weit weg vom Gleichgewicht -> ∆G gross -> irreversibel
Edukte kumulieren in grossem Überschuss -> Substratkonzentration geringer
Einfluss auf Nettorate.
Enzym in gesättigtem Zustand -> nur Veränderung der Enzymaktivität kann
Reaktionrate beeiflussen. -> Enzymaktiviät kontrolliert Substratfluss.
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Stoffwechselwege zusammengesetzt aus Reaktionen nahe am Gleichgewicht und solchen
weit weg vom Gleichgewicht.
Reaktionen weit weg vom Gleichgewicht bestimmen die Flussrate von Metaboliten innerhalb
eines Stoffwechselweges.
1. Stoffwechselwege sind irreversibel
2. Jeder Stoffwechselweg hat einen ersten
festlegenden Schritt (commited step, meist früh
in der Kaskade)
3. Katabole und anabole Stoffwechselwege
unterscheiden sich
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D. Kontrolle des Stoffwechselflusses
Lebende Organismen = thermodynamisch offene Systeme
Befinden sich in einem Fliessgleichgewicht. Wenn im Gleichgewicht -> Organismus tot.
Fluss der Zwischenprodukte ist in einem Fliessgleichgewicht
konstant. Synthese und Abbau halten sich die Waage.
J = vf - vr
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Tonnen von Nahrungsmitteln
25‘000 Liter
50 Jahre -> Gewicht verändert sich
nicht signifikant
Metabolitenfluss
Rate der Vorwärts- bzw. Rückwärtsreaktion
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Fluss ist limitiert durch den geschwindigkeitsbestimenden Schritt
Langsamster Schritt -> Produkt
reagiert sofort weiter -> kein
Gleichgewicht kann sich einstellen
Geschwindigkeitsbest. Schritt
weit weg vom Gleichgewicht und
weist eine hohe negative freie
Enthalpie auf.
-> Regulation von Stoffwechselweg
am Geschw.best. Schritt.
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Kontrollmechansimen am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt
1. Allosterische Konrtolle:
A
B
C
P
kurzfristig
negativer Feedback-Mechanismus
2. Kovalente Modifikation
(Enzymumwandlung)
langfristig
3. Substratzyklen
Phosphorylierung
von Enzymen beeinflusst
deren Aktivität
Vor- und Rückreaktionen können
unabhängig voneinander verändert
werden.
4. Genetische Kontrolle
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2. Energiereiche Verbindungen
Oxidation von Glucose:
C6H12O6 + 6 O2 --> 6 CO2 + 6 H2O
∆G°‘= -2850 kJ/mol
Oxidation von Palmitat:
C6H32O2 + 23 O2 --> 16 CO2 + 16 H2O
∆G°‘= -9781 kJ/mol
energiereiche
Zwischenprodukte
Grosse Energiebeträge werden frei -> schrittweise Freisetzung ->
„Energiepakete“ werden als energiereiche Zwischenprodukte konserviert ->
können in Folgeschritten zu endergonen Vorgängen gebraucht werden ->
energiereiche Zwischenprodukte = Währung der freien Enthalpie
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A. ATP und Phosphorylgruppenübertragungen
Eine der häufisten energiereichen „Währung“ in der Zelle ist adenosintriphosphat (ATP)
Spaltung der Phosphoanhydridbindungen
-> Energie wird freigesetzt.
Phosphorylgruppe auf anderes Molekül und
ADP entsteht
Oder
Nucleotidylgruppe (AMP) wird transferiert und
Phosphat wird frei.
ATP + H2O <-->
ATP + H2O <-->
ADP + Pi
AMP + PPi
In biologischen Reaktionen anstelle von Wasser
meist ein anderes Molekül.
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Phosphorylgruppenübertragungspotentiale
Bezeichene Tendenz einer
Phosphorylierten Verbindung
Ihre phospohrylgruppe auf
Wasser zu übertragen.
Spontane Übertragung einer Phosphorylgruppe
Auf ADP
ATP überträgt spontan eine Phosphorylgruppe
auf Kohlenhydrate
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Begriff „Energie“ in ATP
Warum diese 2 Bindungen Energiereich ?
1. Resonanzstabilisierung: Besser in Hydrolyseprodukt
2. Elektrostatische Abstossung der negativen
Ladungen
3. Solvatationsenergie
pH und Ionenstärke hat Einfluss auf ∆G
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B. Gekoppelte Reaktionen
1) A + B <---> C + D
∆G1
∆G1 > 0 endergon
2) D + E <---> F + G
∆G2
∆G2 ausreichend exergon damit
∆G1 + ∆G2 < 0
Reaktion 2 zieht das Gelichgewicht von Reaktion 1 nach rechts und
treibt somit Reaktion 1 an.
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Gekoppelte Reaktionen unter Beteiligung von ATP
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Phosphorsäureanhydridhydrolyse treibt viele biochemische Prozesse
Direkte ATP hydrolyse liefert Energie für: - Arbeit molekularer Chaperone
- Muskelkontraktion
- Transmembrantransport
Proteine binden ATP -> hydrolyse -> Konformationsänderung des Proteins
Hydrolyse von GTP Energie für: - Signaltransduktion
- Proteinbiosynthese
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Phosphorsäureanhydridbindungen hydrolysieren langsam
-> hohe freie Aktivierungsenthalpie
-> ATP Hydrolyse thermodynamisch begünstigt jedoch kinetisch gehemmt
Herabsetzen der Aktivierungsenthalpie -> Enzyme
Z. B. Hexokinase -> Glucose-6-P schneller gebildet als ATP hydrolysiert
-> Enzym setzt Aktivierungsenergie von Phosphat
übertragung auf Glucose so stark runter, dass sie
kleiner wird als die Aktivierungsenergie für die ATP
Hydrolyse.
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Pyrophosphatase katalysiert Spaltungen von Phophorsäureanhydridbindungen
ATP -> ADP + Pi
= Orthophosphatspaltung
ATP -> AMP + PPi = Pyrophosphatspaltung
Hauptreaktion
reversibel
Nebenreaktion
irreversibel
-> treibt Reaktion
an
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C. Weitere phosphorylierte Verbindungen
Resonanzstabilisierung
-> P wird
besser abgegeben.
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Phosphocreatin stellt einen energiereichen Speicher für die ATP-Bildung dar
ATP + Creatin
<--->
Phosphocreatin + ADP
∆G°‘= + 12,6 kJ/mol
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-> Reaktion endergon unter Standardbedingungen
In der Zelle sind Konzentrationen der Reaktanten und Produkte etwa im Gleichgewicht
D.h. ∆G is etwa 0.
-> in Geweben mit hohem ATP-Umsatz (Muskel, Nervenzellen) verschiebt sich bei
Hoher Aktivität das Gleichgewicht nach links
In Ruhe Gleichgewicht nach rechts
-> Phospohcreatin = ATP-“Puffer“
In invertebraten statt phosphocreatin -> phospoharginin
Beide werden als phosphagene bezeichnet.
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Nucleosidtriphosphate sind frei ineinander umwandelbar
Synthese von Proteinen und Nucleinsäuren benötigen andere Nucleosidtriphosphate als
ATP. Neben ATP, CTP, GTP und UTP (RNA) oder dATP, dCTP, dGTP, dTTP (DNA).
Bezeichnung aller: NTP bzw. dNTP. Es können auch NDP gebildet werden.
Umwandlung über Nucleosiddiphosphat-Kinase: ATP + NDP <---> ADP + NTP ∆G°‘nahe 0
-> Reaktion wird durch Verbrauch der NTP angetrieben.
Umwandllung von Nucleosidmonophosphaten in
Diphosphate durch Adenlyat-Kinase:
AMP + ATP <----> 2 ADP
Das Enzym in allen Geweben ->
hält gleichmässige Produktion aller
Nucleotide aufrecht.
ohne Substrat
mit Substrat
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D. Thioester
Phosphat knapp in abiotischer Welt ->
andere Molekularten müssen als energiereiche
Verbindungen gedient haben.
Kandidat für primitive energiereiche Verbindung
ist Thioesterbindung.
Thioesterbidnung findet sich in Stoffwechselwegen
als Zwischenprodukt und in Form von Acetyl-CoA.
Kohlenhydrat-
Fettsäure-
Acetyl-CoA
Aminosäurestoffwechsel
Acetyl-CoA energiereich -> ∆G°‘= -31.5 kJ/mol
vrgl. ATP
->
-30.5 kJ/mol
In Citratzyklus gebraucht um aus GDP + Pi
GTP zu machen.
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3. Organische Reaktionsmechanismen
Stoffwechselwege = enzymatisch katalysierte organische Reaktionen
Säure-Base Katalyse
kovalente Katalyse
Metallionen Katalyse
elektrostatische Katalyse
Nachbargruppeneffekte
4 Kategorien von biochemischen Reaktionen:
1) Gruppenübertragungsreaktionen
2) Oxidations- und Reduktionsreaktionen
3) Eliminierungen, Isomerisierungen und Umlagerungen
4) Lösen oder knüpfen von C-C Bindungen
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A. Chemische Grundlagen
Möglichkeiten zur Spaltung einer C-H Bindung
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Nucleophile und elektorphile Gruppen in der Biochemie
Nucleophile
Elektrophile
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B. Gruppenübertragungsreaktionen
In biochemischen Systemen ->
Gruppenübertragungen = nucleophile
Substitutionen.
Acylgruppen
Phosphorylgruppen
Glycosylgruppen
C. Reduktions- und Oxidationsmechanismen
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a) NAD+ und FAD
Brenstoffe wie Zucker werden im Stoffwechsel
oxidiert zu CO2 -> Elektronen werden auf Moleküle
übertragen die als Träger fungieren -> Elektronen
am Ende auf O2
= Elektronentransport
-> Protonengradient in Mitochondrien
-> ATP Synthese
In Lebewesen freie Enthalpie grösstenteils aus
Redoxreaktionen.
Elektronenträgermoleküle:
Nicotinamidadenindinucleotid (NAD+)
Flavinadenindinucleotid (FAD)
Hydridion -> gepaarte Elektronen
Gepaarte und ungepaarte Elektronenaufnahme
O2 kan nur ungepaarte Elektronen aufnehmen.
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Flavinadenindinucleotid (FAD)
Konjugiertes System
Mensch kann Falvin-Anteil nicht selber
Synthetisieren -> Aufnahme durch Nahrung
Vit B2
Mangel selten
Symptome: Dermatitis, Läsionen Mundschlieimhaut
entzündete Zunge.
Reversible Elektronenübertragung
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b) Redoxpotentiale
Oxidation
Reduktion
Fe 3+ = Elektronenakzeptor
Cu+ = Elektronendonator
konjugiertes Redoxpaar
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∆E = EAkzeptor - EDonator
∆E positiv -> ∆G negativ
∆E
Elektronenfluss
Siehe später Elektronenübertragungskette in Mitochondrien
zur Gewinnung von ATP
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D. Eliminierungen, Isomerisierungen und Umlagerungen
Eliminierungsreaktionen bilden C-C Doppelbindungen
Eliminiert werden können z.B.:
H2O
NH3
Alkohole (ROH)
Primäre Amine (RNH2)
Sequenz
Stereochemie
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Biochemische Isomerisierungen verlaufen unter intramolekularen
Wasserstoffatom-Verschiebungen
Aldose-Ketose Isomerisierung
Säure-Base katalysiert
Z.B Glucosephosphat-Isomerase
katalysiert eine solche Reaktion
Wenn mehrer chirale Zentren wie
z.B Zucker wird eine solche
Isomerisierung auch als
Epimerisierung bezeichnet
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Umlagerungen ergeben veränderte Kohlenstoffgerüste
C-C Bindungen werde gelöst
und neu gebildet.
Prosthetische Gruppe Vit-B12 Derivat
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E. Reaktionen unter Bruch und Bildung von C-C Bindungen
Stabilisierte Carbanionen müssen erzeugt werden
Enzyme die solche Reaktionen katalysieren:
Aldolase
Citrat-Synthase
Isocitrat-Dehydrogenase
Fettsäure-Synthase
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4. Experimentelle Ansätze zur Untersuchung
des Stoffwechsels
Isotopenmarkierung und NMR-Spektroskopie
5‘ nach Verabreichung von
(1-C13) Glucose
30‘ nach Verabreichung von
(1-C13) Glucose
Isotopenmarkierung und Kinetik
Genetische Defekte und genet. Manipulation
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Natürlich vorkommende Stoffwechseldefekte
Im Mensch -> Metaboliten untersuchen
Da Stoffwechselvorgänge in Tieren ähnlich
Wie iim Mensch -> Tiermodelle z.B. Ratte
Oder Maus.
In Maus gezielte Mutagenese
möglich -> Untersuchen des
defektes -> Sequenzen von
biologischen Abläufen können
aufgedeckt werden.
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Transkriptomik
Proteomik
A
B
DNA-Microarray (DNA-Chip)
2D-Gelelektrophoresis
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