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Klikovits Roman
Biochemie 07/08
Einleitung:
Erforscht die molekularen und chemischen Grundlagen des Lebens.
 alles Belebte setzt sich aus leblosen Molekülen zusammen.
 lebende Organismen besitzen außerordentliche Eigenschaften, die Ansammlungen
unbelebter Materie nicht aufweisen.
Kennzeichen des Lebens:
 Reizbarkeit
 Vermehrung und Merkmalausbildung = Reproduzierbarkeit
„Merkmal“ = alle morphologischen (Gestalt) und physiologischen (Funktion), als
Endprodukt der Genwirkung auftretenden Eigenschaften eines Organismus.
 Wachstum
 Bewegung nicht nur freie Ortsbewegung, sondern auch Bewegung von Strukturen
innerhalb der Zelle.
 Stoffwechsel = Metabolismus
Aufnahme von Stoffen aus der Umwelt zum Körperaufbau (Anabolismus) und zur
Energiegewinnung (Katabolismus)
Zusammenfassung:
Die lebende Zelle ist ein sich selbst aufbauendes, selbstregulierendes, selbstreplizierendes
isothermes offenes System von Organischen Molekülen, das nach dem Prinzip maximaler
Ökonomie in Bestandteilen und Reaktionsabläufen arbeitet. Es führt viele aufeinander
folgende, gekoppelte organische Reaktionen für den E-Transfer und die Synthese der
eigenen Bestandteile mit Hilfe selbst produzierter organischer Katalysatoren durch.
(Bild 1)
Eiweißstoffe
Alle Eiweißstoffe sind aus Aminosäuren aufgebaut, die über Peptidbindungen miteinander zu
kettenförmigen Molekülen verknüpft werden.
(Bild 2)
Sie werden Eingeteilt in:
Peptide:
 Oligopeptide (2-10 AS)
 Polypeptide (10-100 AS)
 Makropeptide = Protein
Proteine:
Über 100 AS, durchschnittlich 100-1000 AS, Molmassen von ca. 10.000 bis 300.000g/mol,
Kleberproteine bis zu 20.000.000g/mol [1mol = 20t]
 Skleroproteine: Strukturproteine, Faserproteine
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 Spheroproteine: globuläre Proteine, Enzyme
Proteine
Spielen in praktisch allen biologischen Prozessen eine entscheidende Rolle.
Die wesentlichen Funktionen von Proteinen:
 Enzymfunktionen:
z.B. werden fast alle Stoffwechselreaktionen und viele zellspezifische Reaktionen
(Proteinbiosynthese, DNA-Replikation) von Enzymen Katalysiert.
 Transport und Speicherung:
Viele kleinere Moleküle bzw. Ionen werden durch spezifische Proteine transportiert:
Hämoglobin (O2-Speicher in den Erythrozyten)
Myoglobin (O2-Speicher im Muskel)
Transferrin (Fe-Transport im Bultplasma)
Ferritin (Fe-Speicher in der Leber)
 Koordinierte Bewegung:
Proteine sind Hauptbestandteil des Muskelgewebes.
Muskelkontraktion erfolgt durch übereinander gleitende Bewegung zweier Arten von
Proteinfilamenten.
 Mechanische Stützfunktion:
Kollagen (langkettiges, faserbildendes Protein) bewirkt die hohe Zugfestigkeit von
Haut und Knochen.
 Immunschutz:
Antikörper sind hochspezifische Proteine, die Fremdsubstanzen von anderen
Organismen erkennen und binden können.
 Erzeugung und Übertragung von Nervenimpulsen:
Die Antwort von Nervenzellen auf spezifische Reize erfolgen durch
Rezeptorproteine (z.B. Rhodopsin, das Photorezeptorprotein in den Stäbchen der
Retina)
 Kontrolle von Wachstum und Differenzierung:
Die Kontrolle und Regelung der Genexpression (Kontrolle der Expression von
genetischer Information) ist eine unabdingbare Voraussetzung für ein
ordnungsgemäßes Wachstum von Zellen.
Aminosäuren
Die elementaren Struktureinheiten der Proteine.
 Die meisten Proteine sind aus α-L-Aminosäuren aufgebaut.
 α-D-Aminosäuren finden sich in der Bakterienzellwand, in einigen bakteriellen
Produkten und in einigen Antibiotika.
Die L- und D-Form von Verbindungen mit einem asymmetrischen C-Atom sind
Spiegelbilder.
 β-Aminosäuren kommen in der Natur nicht frei vor, mit einer Ausnahme: β-Alanin
β-Alanin ist ein Baustein des Vitamins Pantothensäure:
Pantothensäure ist ein Baustein des Coenzym A (notwendig zur Aktivierung von
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Carbonsäuren, Bildung von Acetyl-CoA). Die höchsten Konzentrationen von Pantothensäure
finden sich in Leber, Niere und Herz.
Dissoziation von AS und Isoelektrischer Punkt (IEP):
AS liegen in neutraler Lösung als dipolare Ionen (Zwitterionen) vor.
Der Dissoziationsgrad ändert sich mit dem pH-Wert:
 Saurer Bereich: AS positiv geladen  Kationen
 Basischer Bereich: AS negativ geladen  Anionen
Der pH-Wert, an dem die AS nach außen als ungeladen (ladungsneutral) erscheint, heißt
Isoelektrischer Punkt.
Auch Peptide und Proteine, die aus AS aufgebaut sind, sind in gleicher Weise pH-abhängig
und besitzen einen IEP. (Die Ladungen stammen aus AS mit geladenen Seitenketten –
„bifunktionale AS“.
Die Einteilung der Aminosäuren erfolgt nach der Art des Kettenrestes:
AS mit unpolarer, aliphatischer Seitenketten:
Gly, Ala, Val, Leu, Met, Ile
Eigenschaften:
Unpolar, in wässrigen Lösungen ungeladen (IEP im Neutralbereich), starke hydrophobe
Wechselwirkungen untereinander (außer bei Glycin, da zu klein).
Vorkommen:
Bevorzugt im inneren Proteinbereich (Wassermoleküle werden durch hydrophobe WW aus
diesen Bereichen herausgedrängt).
Aus Valin, Leucin und Isoleucin entsteht bei der alkoholischen Gärung als Nebenprodukt die
so genannten „Fuselalkohole“.
 Aus Valin entsteht Isobutanol
 Aus Leucin entsteht Isoamylalkohol
 Aus Isoleucin entsteht D-Amylakohol
AS mit polaren ungeladenen Seitenketten:
Ser, Thr, Cys, Pro, Asn, Gln
Eigenschaften:
Polar, in wässrigen Lösungen ungeladen, mit deutlich hydrophilem Charakter.
Sie dienen der Stabilisierung von Proteinstrukturen durch:
 Ausbildung von intermolekularen (zw. 2 Polypeptidketten) und intramolekularen
(innerhalb einer Peptidkette)
Wasserstoffbrückenverbindungen
 Ausbildung von inter- und intramolekularen Disulfidbrückenbindungen durch Cystein
Weitere Besonderheiten:
Threonin, beim erhitzen erfolgt Teilhydrolyse zur α-Oxobuttersäure.
Ergibt bouillonartiges Aroma beim Kochen von Fleischhaltigen Suppen.
Asparagin wurde erstmals aus Spargelsaft extrahiert
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AS mit aromatischen Seitenketten:
Tyrosin:
Wird beim Erhitzen in einer mehrstufigen enzymkatalysierten Reaktion in Melanin
umgewandelt
 Bräunung der Haut
 Haarpigment
 Verfärbung von Lebensmitteln beim Kochen
Saure AS:
Asp, Glu
Eigenschaften:
Seitenketten polar und im neutralen wässrigen Milieu negativ geladen.
IEP im stark sauren Bereich (Asp: 2,77; Glu: 3,22)
Stark hydrophiler Charakter, daher Vorkommen an der Außenseite der Proteine.
Verleihen dem Proteinmolekül negative Ladung.
Na-Glutamat:
Wichtigster Geschmacksverstärker (in geringen Konzentrationen)
In höheren Konzentrationen Fleischsuppengeschmack (Suppenwürfel).
Basische AS:
Arg, Lys, His
Eigenschaften:
Seitenketten polar und Positiv geladen (2.Amino- oder Iminogruppe).
IEP im stark basischen Bereich.
Stark hydrophiler Charakter, daher Vorkommen an der Außenseite von Proteinen.
Verleihen dem Proteinmolekül positive Ladung.
Lysin:
Die ε-Aminogruppe des Lysins ist sehr reaktiv  hohe Lysin Verluste bei der Zubereitung
von Lebensmitteln.
Die Biologische Wertigkeit eines Proteins
gebildetes Körperprotein/100g aufgenommenes Nahrungsprotein= zw 0 und 1
Sie wird bestimmt durch den absoluten Gehalt an essentiellen AS.
Sie wird limitiert durch die AS (Lys, Met, Tre, Thr)
„limitierend“ heißt:
In der verhältnismäßig geringsten Menge vorhanden.
(hier fehlt was)
Peptidhormone
a. Proteinbiosynthese  Bildung der Vorstufe
b. Aktivierung  Abspaltung von Peptidketten
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Biosynthese von Insulin:
1. Präproinsulin (114 AS)
2. Durch Abspaltung eines terminalen Peptids entstehen Proinsulin (84 AS)
3. Abspaltung des Verbindungspeptids
(C-Peptid, connecting peptide)
4. dadurch erfolgt die Freisetzung des aktiven Insulins
(zwei Ketten, durch -S-S- Brücken verbunden)
Reduktive Lösung der Disulfidbrücken  Inaktivierung von Insulin.
Neben der proteolytischen Spaltung existiert noch ein zweites biosynthetisches
Bildungsprinzip.
Aufbau von Di- und Tripeptiden durch enzymatische Verknüpfing aktivierter AS-Derivate.
Gluthathion:
Auffällig:
Glutaminsäure wird mit ihrer γ-Carboxylgruppe verknüpft.
Aufgabe von Glutathion:
Schutz der Erythrocyten vor Oxidationsschäden.
Penicillin:
(Bild)
Einteilung der Proteine
Skleroproteine (Faserproteine)



In Wasser unlöslich
Dienen als Gerüst und Stützsubstanz
Beispiele: Kollagen, α-Keratin, β-Seidenfibroin
Sphäroproteine (Globuläre Proteine)




löslich in Wasser und verdünnten Salzlösungen
(physiol. Kochsalzlösung = 0,9% NaCl)
Moleküle sind sphärisch, unregelmäßig (Knäul)
Besitzen wichtige Funktionen in der Zelle
(Enzyme, Transport, Immunsystem)
Beispiele: Enzyme, Hämoglobin, Antikörper
Konjugierte Proteine


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besitzen einen Protein und einen Nichtprotein Anteil (eine „prosthetische Gruppe“)
Beispiele: Glycoproteine, Lipoproteine, Metalloproteine
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Konformation der Proteine
4 Strukturebenen:
1.
2.
3.
4.
Primärstruktur
Sekundärstruktur
Tertiärstruktur
Quartästruktur
Primärstruktur (= Abfolge der AS)
Die Primärstruktur ist durch die Mesomerie der Peptidbindungen stabilisiert.
Mesomerie Stabilisierung:
Durch Ausbildung einer partiellen Doppelbindung ist keine freie Drehbarkeit möglich  die
Peptidbindung ist starr und planar (2-dimensional)
Sekundärstruktur (= Anordnung der AS-Kette)
Ausbildung einer α-Helix oder einer β-Faltblattstruktur aufgrund sterischer Eigenschaften der
AS. Beide Strukturen werden durch intramolekulare H-Brücken stabilisiert.
Strukturbildner sind die AS:
Von der Struktur der Seitenkette einer AS hängt es ab, ob in der Peptidbindung bevorzugt
Helix oder Faltblattstrukturen ausgebildet oder gebrochen werden:
Helix-Bildner: Glu, Ala, Leu, Met
Helix-Brecher: Gly, Pro
Faltblatt Bildner: Tyr, Val, Ile
Faltblatt-Brecher: Glu, Pro, Asp
Tertiärstruktur (= Räumliche Anordnung (Erscheinungsbild) der gesamten Peptidkette)
Nur globuläre Proteine besitzen eine Tertiärstruktur


Reguläre Abschnitte (Helix und Faltblatt) wechseln mit irregulären (random coiled).
Die Stabilisierung erfolgt durch intramolekulare H und Disulfidbrücken.
Quartärstruktur (= Anordnung mehrerer Untereinheiten (Peptidketten) eines Moleküls)
Viele globuläre Proteine (z.B. regulatorische Proteine, Transprotproteine wie Hämoglobin,
allosterische Proteine) bestehen in ihrer aktiven Form aus zwei oder mehr Untereinheiten.


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Für gewöhnlich besitzt jede Untereinheit ein aktives Zentrum.
Die Peptidketten sind untereinander durch intermolekulare H und Disulfidbrücken
verbunden
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Supersekundärstruktur
Liegt vor, wenn in einer Polypeptidkette bestimmte Elemente der der Sekundärstruktur
vorherrschen.
1.
2.
3.
4.
Proteine mit überwiegender α-Struktur z.B. Myoglobin (Bild).
Proteine mit überwiegender β-Struktur z.B. Immunglobuline (Bild)
Proteine mit großräumigen Helix- und Faltblattbereichen z.B. Lysozym (Bild)
Proteine mit regelmäßig abwechselnden Helix- und Faltblattbereichen z.B.
Dehydrogenasen (Bild)
Domäne:
Eine bestimmte, räumlich abgegrenzte, Zone in einem Protein mit einer speziellen Aufgabe.
Beispiel: Die verschiedenen GTP/GDP-bindenden Proteine besitzen alle die gleiche
Polypeptidstruktur im Bereich des aktiven Zentrums, die G-Domäne.
Raumstruktur der Skleroproteine
Faserproteine besitzen keine echte Tertiärstruktur, da sie zum überwiegenden Teil aus einem
bestimmten Element der Sekundärstruktur bestehen.
Beispiele für solche „Reinstruktur-Proteine“ sind Kollagen. α-Keratin und β-Seidenfibrion
α-Helix-Struktur: α-Kreatin das Protein der Haare
 Zwei α-Helices werden zu einer zweikettigen superspiralisierten Doppelhelix verdrillt.
 Diese bilden höher geordnete Strukturen: Diese sind in eine Proteinmatrix mit hohem
S-Gehalt eingebettet.
 Etwa 4-Protofibrillien (32 α-Helices) ergeben ein Intermediärfiliament (IF).
 Mehrere IF füllen die Zelle in Längsrichtung aus.
 Mehrere Zellen bilden ein Haar.
β-Faltblatt-Struktur: β-Seidenfibroin
Das Protein der Seide ist aus mehreren antiparallel verlaufenden β-Ketten aufgebaut, die reich
an Alanin- und Glycinresten sind. (Bild)
Warum Sequenzanalyse von Proteinen?
Ermittlung der Aminosäureabfolge eines Proteins.
1. Aufklärung der molekularen Basis der biologischen Aktivität eines Proteins.
2. Zur Ableitung von Gesetzmäßigkeiten, wie und warum sich Polypeptidketten zu
dreidimensionalen Strukturen falten.
3. Erkennung von Krankheiten, die aus einer Änderung der Aminosäurensequenz
entstehen (z.B. Sichelzellenanämie)
4. Evolutionsforschung:
Proteine, die einen gemeinsamen Vorfahren haben, ähneln einander in ihrer ASSequenz.
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Experimentelle Methoden der AS-Sequenzbestimmung
1. Bestimmung der AS-Zusammensetzung:
a. Hydrolytische Spaltung mit 6M HCl
b. Chromatographische Trennung (HPLC-Ionentauscher)
2. Bestimmung des aminoterminalen Endes:
a. Methode nach Sanger
3. Abbau nach Edman
4. Bei Proteinen:
Zerlegen in kleinere Einheiten mit proteinspaltenden Enzymen („Prinzip der
überlappenden Spaltung“), erst dann Analyse.
„Prinzip der überlappenden Spaltung“
Zerlegung der Polypeptidketten in definierte Bruchstücke durch Einsatz spezifischer
Proteasen:
Trypsin:
Spaltet Peptidbindungen an der Carboxy-Gruppe der basischen AS (Arg, Lys).
 kurze Peptide mit dem Carboxy-Ende Arg oder Lys.
Chymotrypsin:
Spaltet Peptidbindungen auf der Carboxy-Seite von aromatischen Resten (Trp, Tyr, Phe)
Trennung der tryptschen und der chymotryptschen Peptide durch Säulenchromatographie
AS-Sequenzermittlung nach Edman.
Ermittlung der Reihenfolger der Peptidketten (Vergleich der überlappenden Enden)
Beispiel:
1. Durch Trypsin gespaltene Peptide:
Ala-Ala-Trp-Gly-Lys
Thr-Asn-Val-Lys
2. Durch Chymotrypsin gespaltenes Peptid:
Val-Lys-Ala-Ala-Trp
3. Durch Vergleich der überlappenden Enden ergibt sich folgende Sequenz:
Thr-Asn-Val-Lys Ala-Ala-Trp-Gly-Lys
Val-Lys-Ala-Ala-Trp
Die AS-Sequenz lautet also:
Thr-Asn-Val-Lys-Ala-Ala-Trp-Gly-Lys
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Hämoglobin







ist der Sauerstofftransporter im Blut.
transportiert auch CO2 und H+.
ist ein allosterisches Protein.
ist in Erythrocyten lokalisiert.
ist kein Enzym
besteht aus vier Untereinheiten.
Jede Untereinheit besitzt eine O2-Bindungsstelle, das Häm (prosthetische Gruppe).
(Bild)
Raummodell des Hämoglobins
Quartärstruktur:



4 Untereinheiten (α1, α2, β1, β2)
Zusammenhalt durch nicht kovalente Kräfte.
Die vier Häm-Gruppen („aktive Zentren“) befinden sich im Außenbereich des
Moleküls, sind daher weit voneinander entfernt.
Myoglobin



nur eine einzelne Kette
speichert O2
erleichtert den O2 Transport in den Muskeln
Die β-Ketten des Hämoglobins sind dem Myoglobin sehr ähnlich.
OXY-Hämoglobin und DESOXY-Hämoglobin
Die Quartärstruktur des Hämoglobins ändert sich bei Oxygenierung; das oxygenierte Molekül
(R-Form) ist kompakter:
 bei O2-Bindung verringert sich die Distanz zwischen den Fe-Atomen der β-Ketten um
0,7 nm.
 Ein Paar von αβ-Untereinheiten verschiebt sich gegenüber dem anderen durch eine
Rotation um 15° und Translation um 0,08 nm.
T-Form (tensed), Desoxyhämoglobin


Die endständigen Reste der 4 Ketten sind durch acht Salzbindungen (elektrostatische
WW) fest verankert.
Die Affinität zum Substrat (O2) ist niedrig.
R-Form (relaxed), Oxyhämoglobin


die endständigen Ketten Reste aller 4 Ketten haben fast vollständige Rotationsfreiheit.
Die Affinität zum Substrat (O2) ist hoch.
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Das HÄM
Ist die prothetische Gruppe des Hämoglobins,
 Bindet O2 reversibel.
 Besteht aus einem organischen Teil und einem Eisenatom.
Der organische Teil
Ist ein Porphyrinring, besteht aus 4 Pyrrolgruppen, die durch Methinbrücken miteinander
verbunden sind.
An das Ringsystem sind verschiedene Substituenten (4 Methyl-, 2 Venyl- und 2 PropionatSeitenketten) angeknüpft.
Chlorophyll a


besitzt ein ähnliches Porphyrinringsystem,
Zentralatom ist aber Mg.
Das zentrale Eisenatom









besitzt 6 Koordinationsstellen.
4 Stellen werden von den 4 N-Atomen im Zentrum des Porphyrinringes besetzt.
Die 5. und 6. Stelle stehen senkrecht zur Häm-Ebene.
Die 5. Stelle ist an einen Histidin-Rest des Proteins gebunden.
die 6. Stelle bindet O2 reversibel.
Das Fe-Atom kann O2 nur in der Oxidationsstufe II (Fe2+, Ferro-Form) reversibel
binden.
In der Oxidationsstufen III (Fe3+, Ferri-Form) kann das Eisenatom keinen Sauerstoff
binden.
Fe2+ wird nur deshalb nicht zu Fe3+ oxidiert, da die Umgebung der Häm-Gruppe
unpolar ist. In polarer Umgebung (z.B. Wasser) würde das Ferro-Häm sehr rasch in
die Ferri-Form oxidiert werden.
Der Kern des Hämoglobins ist (wie bei allen globulären Proteinen) unpolar, außer
zwei Histidinresten, die zur O2-Bindung benötigt werden.
Allosterie und Kooperativität
Wechselwirkungen zwischen Untereinheiten mit und ohne aktiven Zentrum beeinflussen die
Affinität der aktiven Untereinheiten zum Substrat.
Allosterie:
Wird ein Ligand an eine Stelle außerhalb des aktiven Zentrums gebunden und verändert die
dadurch hervorgerufene Konformationsänderung indirekt die Eigenschaften des aktiven
Zentrums, so spricht man von einem allosterischen Effekt.
(Bild)
1) Ein Ligand bindet an das Enzym
2) dies ruft eine Konformationsänderung hervor
3) das aktive Zentrum verändert sich so, dass
4) das Substrat gebunden werden kann.
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Diese Definition schließt ein:
Die Bindung eines Substrates
 an das aktive Zentrum einer Untereinheit
 kann die Eigenschaften des aktiven Zentrums
einer anderen Untereinheit Beeinflussen.
(Bild)
Eine Konformationsänderung kann also eine Veränderung der Bindungsaffinität eines
Proteins zu seinem Substrat bewirken.
Kooperativität:
 Untereinheiten können einander in ihrem Verhalten gegenüber Liganden (= auch
Substrate) beeinflussen.
 Durch die Bindung von Liganden an Untereinheiten wird die Bindung weiterer
Liganden im selben Molekül
o erleichtert (positive Kooperativität)
o erschwert (negative Kooperativität)
(Bild)
Sigmoider Kurvenverlauf zeigt an, dass Kooperativität vorherrscht.
Allosterie des Hämoglobins
Hämoglobin transportiert neben O2 auch H+ und CO2.
H+, CO2 und organ. Phosphor-Verbindungen sind für die O2-Bindung durch Hämoglobin
regulatorisch wirksam, obwohl sie an Stellen des Proteins gebunden werden, die vom Häm
weit entfernt sind.
Charakteristische Eigenschaften des Hämoglobins
a) Die Bindung von O2 an Hämoglobin erfolgt kooperativ:
Die Bindung zweier Moleküle O2 an eine Hämgruppe erleichtert die Bindung von
weiteren O2-Molekülen an anderen Häm-Gruppen im selben Molekül.
Die Sauerstoffsättigungskurve zeigt sigmoiden Verlauf
pO2 in den Kappilaren aktiver Muskel = 20Torr
pO2 in den alveolen der Lunge = 100Torr
1) Zunächst liegt das Hämoglobin in einer Konformation mit niedriger O2-Affinität vor.
2) Die Bindung der ersten beiden O2-Moleküle (an die α-Ketten) bewirkt eine
Konformationsänderung  hohe O2-Affinität.
3) die letzten beiden O2-Moleküle werden sehr rasch aufgenommen.
Auslöser der Konformationsänderung ist das zentrale Fe-Atom
(Bild)
 Es rutscht bei Oxygenierung in die Häm-Ebene und zieht dabei das an der 5.
Koordinationsstelle gebundene Histidin F8 mit.
 Diese strukturelle Veränderung pflanzt sich bis zu den Berührungsstellen der
Untereinheiten fort  Informationsweitergabe an die anderen Untereinheiten!
(Bild)
b) 2,3-Bisphosphoglycerat (ein allosterischer Effektor) erniedrigt die O2-Affinität.
BPG bindet speziefisch an Desoxyhämoglobin (1 BPG pro Hämoglobin-Tetramer) im
Zentrum des Hämoglobins (inmitten alles vier Untereinheiten).
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Durch diese Bindung werden die β-Ketten vernetzt, und dadurch wird die
Tertiärstruktur des Deasoxyhämoglobins stabilisiert.
Wirkungsweise des BPG:
 BPG ist negativ geladen, tritt in WW mit den positiv geladenen Gruppen des
Lys und His und verkürzt dadurch deren Abstand voneinander.
 Die damit verbundene Struckturänderung senkt die O2-Affinität.
 Bei Oxygenierung wird BPG abgegeben, weil es bei Sauerstoffbindung zu
einer Konformationsänderung kommt, die bewirkt, dass der Raum im Zentrum
für das BPG zu klein wird.
 Durch die BPG-Abgabe vergrößert sich wiederum der Abstand zwischen
den Lys und His Resten!
 Physiologische Bedeutung des BPG:
BPG bewirkt ausreichende O2-Abgabe an die Gewebskapillaren!
Enzyme





Enzyme sind Biokatalysatoren.
(Katalyse biochemischer Reaktionen in Zellen)
Substrate sind jene Stoffe, die von Enzymen umgesetzt werden.
katalytisch wirksame Stelle: „aktives Zentrum“
(spezielle Faltung der Polypeptidkette)
Denaturierung:
o Zerstörung der Konformation.
o Verlust der biologischen Aktivität
o Aminosäuresequenz bleibt erhalten
(Denaturierung ≠ Zerstörung)
Viele Enzyme besitzen Cofakoren:
Cofaktoren sind Heterobestandteile („Nichtproteinanteil“) die für die Aktivität eines
Enzyms erforderlich sind.
o Prosthetische Gruppen:
Sind kovalent an die Peptidkette gebunden
o Cosubstrate (früher „Coenzyme“)
Sind reversibel an die Peptidkette gebunden.
o Metallionen
Funktionen der Cofaktoren
Cosubstrate und prosthetische Gruppen:
Sind meist Träger von funktionellen Gruppen, speziellen Atomen oder e-, die während der
Enzymreaktion übertragen werden.
Metallionen:
1. im katalytischen Zentrum an der Katalyse beteiligt.
2. Brückenglieder (Bindung Substrat-Enzym)
3. Stabilisierung der Konformation der aktiven Proteine
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Metallionen
Mg2+, Ca2+, Zn2+
Mg2+ Cofaktor bei Phosphatasen und Kinasen:
Glucose + ATP  G-6-P + ADP (mit Hexokinase)
Mg2+-Ionen polarisieren als elektrophile Lewis-Säure die P-O Bindung im Phosphatrest des
Cosubstrates und erleichtert dadurch den Angriff des Nucleophils (H2O bei Hydrolase und ROH bei Kinasen)
Ca2+ Cofaktor bei Amylasen und Lipasen:


Stabilisiert durch Ionenbeziehung mit negativ geladenen AS-Resten die Konformation
von Enzymen.
Ist an der Substratbindung beteiligt.
Zn2+ Cofaktor bei Alkoholdehydrogenase:
Polarisiert die C=O Bindung des Substrates und begünstigt den Transfer des Hydrid-Ions vom
Substrat.
Weiter Metallionen:
Fe3+/Fe2+:
Bei den Cytochromen in der Atmungskette.
Cu2+/Cu+:
Einige Oxidasen in Lebensmitteln enthalten nur dieses Redoxsystem als prosthetische
Gruppe; z.B. Phenoloxidase und Ascorbinsäureoxidase
Mo4+/Mo6+:


FeMo-Cofaktor bei Nitrogenase.
Bei Xanthin-Oxidase.
Cosubstrate
Früher „Coenzyme

Reagieren im Stoffwechsel mit mindestens zwei Enzymen, Sie übertragen dabei H2, eoder funktionelle Gruppen (diese werden vom Cosubstrat in energiereicher Bindung
aufgenommen): „Transportmetabolite“
Beispiele: NAD+/NADH, NADP+/NADPH, ATP, CoA
Prosthetische Gruppen

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Sind fest an das Enzym gebunden;
dieses reagiert nacheinander mit zwei verschiedenen Substraten:
o Enzymatische Katalyse
o Regenerieren der prosthetischen Gruppe
Beispiele: FAD, FMN, Liponsäure, Biotin, TTP
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Prosthetische Gruppen und Cofaktoren sind meist Gruppenübertragende Molekühle:
Transportmolekül
(Cofaktor)
ATP
NADH und NADPH
FADH2
Coenzym A
Liponsäureamid
TPP
Biotin
Tetrahydrofolsäure
aktivierte Gruppe
(übertragene Gruppe)
Phosphatgruppen
e- und H+
e- und H+
Acylgruppen
Acylgruppen
Aldehydgruppen
CO2
Formylgruppen
Vitamine

Dienen häufig dazu, dem Organismus die Grundstoffe für prosthetische Gruppen und
Cosubstrate zuzuführen.
Vitamin
Cofaktor
Thiamin (B1)
TPP
Riboflavin (B2)
FAD, FMN
Nicotinsäure
NAD
Pyridoxal (B6)
Pyridoxalphosphat
Panthothensäure
Coenzym A
Biotin
wird kovalent an Carboxylasen gebunden
Folsäure
Tetrahydrofolsäure (THF)
Vitamin B12
Cobalamin-Coenzym
Einteilung der Enzyme


Erfolg nach den Regeln der I.U.P.A.C. und der I.U.B.
Die Regeln für Bezeichnung und Klassifizierung von Enzymen basieren auf deren
Wirkungsspezifität:
danach unterscheidet man 6 Enzymklassen
o
o
o
o
o
o
Oxidoreduktase
Transferasen
Hydrolasen
Lyasen
Isomerasen
Ligasen
Jede Klasse wird weiter in Unterklassen und Sub-Unterklassen unterteilt.
Systemnummer: EC 1.10.3.3
 EC…..Enzyme Commission
 1…….Oxidoreduktase
 10…...Unterklsse der Oxidoreduktase
 3…….Subunterklasse
 3…….Seriennummer des Enzyms
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Oxidoreduktasen
Katalysieren Redoxreaktionen, z.B. Lactat-Dehydrogenase (LDH) mit NAD+ als Akzeptor
oder Glucose-Oxidase (GOD) mit O2 als Acceptor.
Tranferasen
Sind Gruppenübertragende Enzyme, z.B. Methyltransferasen, Aminotransferasen,
Phosphatgruppenübertragende Enzyme (OH-Gruppe als Acceptor).
Hydrolasen
Katalysieren hydrolytische Spaltungen; z.B. Esterbindungen oder Glycoside spaltend
(Phosphatasen, Amylasen) oder Peptidbindungen spaltend (Chymotrypsin).
Lyasen
Katalysieren Additionen an Doppelbindungen und umgekehrt (also Eliminierung unter
Ausbildung einer Doppelbindung).
Isomerase
Katalysieren Umlagerungen innerhalb eines Moleküls
Ligasen
Knüpfen Bindungen unter gleichzeitiger Spaltung von ATP
Aktivierungsenergie
Damit eine chemische Reaktion ablaufen kann, ist Aktivierungsenergie erforderlich.
 Enzyme setzten die Aktivierungsenergie herab und beschleunigen damit die
Gleichgewichtseinstellung:
E + S  [ES]  [EP]  E + P


Es erfolgt keine Verschiebung des Gleichgewichtes!
Jede enzymkatalysierte Reaktion läuft so lange ab, bis der Gleichgewichtszustand
erreicht ist
Enzyme beschleunigen Reaktionen um einen Faktor von etwa 106.



Im Stoffwechsel sind meist viele enzymatisch katalysierte Reaktionen
hintereinander geschaltet; daher die Reaktionsprodukte werden durch ihre
Weiterreaktion laufend dem Gleichgewicht entzogen.
Damit ein System Arbeit leisten kann, darf es nicht im Gleichgewicht sein,
sondern muss auf ein solches hinstreben.
Lebende Organismen sind offene Systeme.
Unter Fließgleichgewicht versteht man einen stationären Zustand, bei dem dauernd Substrate
einströmen und Reaktionsprodukte ausgeschleust werden.

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Es laufen also kontinuierlich Reaktionen ab, die auf ein Gleichgewicht hinstreben.
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Enzymaktivität
Die Aktivität eines Enzyms ist definiert durch die Mange an Substrat, die pro Zeiteinheit
umgesetzt wird. Sie wird in Katal oder Units (= Internationalen Einheiten) angegeben.
1kat = 1mol/s
Immer noch üblich:
1U 0 1µmol/min
„Ein Unit ist jene Ezymmenge, die in der Lage ist, ein µmol Substrat pro Minute
umzusetzten“
Umrechnen der Einheiten:
1kat = 6*107U
1U = 16, 67nkat

Zur Ermittlung der Enzymaktivität (Anzahl der Enzymeinheiten einer Lösung)
bestimmt man die Geschwindigkeit des Substratumsatzes pro mL (U/mL bzw.
kat/mL).

In manchen Fällen ist die Abnahme der Substratkonzentration nicht messbar, wohl
aber die Zunahme der Produktkonzentration:
Definition der Enzymaktivität über die Produktzunahme; dann ist 1U jene
Enzymmenge, die in der Lage ist, 1µmol Produkt/min zu bilden.

Spezifische Aktivität:
kat/mg oder U/mg Proteingemisch
(Ermittelung der Proteinkonzentration (mg/mL) erforderlich)
Wechselzahl (turnover number):
Anzahl der Substratmoleküle die pro Minute (bzw. Sekunde) vom aktiven Zentrum eines
Enzymmoleküls in Produkt umgesetzt werden:
µmol Substrat/µmol Enzym = „molare Aktivität“
Die Wechselzahl entspricht der kinetischen Konstanten k3 (Zerfallsreaktion des ESKomplexes).
Faktoren, die die Enzymaktivität beeinflussen:
1. pH-Wert:
Die meisten Enzyme zeigen bei einem bestimmten pH-Optimum ihre maximale
Aktivität. Der Bereich des Aktivitätsoptimums ist bei allen Enzymen verschieden
(Werte von 0,5 bis mehrere pH-Einheiten).
2. Temperatur:
Die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion nimmt mit steigender Temperatur
zu – allerdings nur in jenem Bereich, in dem das Enzym stabil ist. Oberhalb dieser
Temperatur tritt meist Denaturierung ein. Die Denaturierungstemperaturen sind bei
allen Enzymen verschieden (Werte von ca. 35°C bis ca. 100°C).
RGT-Regel: Erhöhung der Temperatur um 10°C bewirkt Verdoppelung bis
Verdreifachung der Reaktionsgeschwindigkeit.
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Bic-Mitschrift
Klikovits Roman
Michaelis-Mentel-Modell
1913, Leonor Michaelis und Maud Menten.
 Allgemeine Theorie der Enzymwirkung und Enzymkinetik
 Auch heute noch Grundlage aller analytischen Aspekte der Enzymkinetik und
Enzymhemmung.
 Annahmen:
o Bildung eines [ES] Komplexes aus E und S und anschließend Zerfall in E und
P. Beide Reaktionen sind prinzipiell reversibel.
o Der Zerfall [ES]  E + P ist:
 Der Geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Er läuft langsamer als die
Bildung von [ES] aus E und S; daher ist k1>k2
 Praktisch irreversibel; daher die Rückreaktion ist vernachlässigbar
klein: k2>>k-2
o Die Reaktion verläuft in einem Fleißgleichgewicht („steady state“); daher die
Konzentration des Intermädiärproduktes [ES] bleibt konstant, es ändert sich
nur die Konzentration von S und P.
o Die Geschwindigkeit der Gesamtreaktion ist proportional der [ES]Konzentration.
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