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VL06 Enzyme

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Vorlesung Biochemie/Molekularbiologie für Studierende der
Human- und Zahnmedizin im Modellstudiengang
Abschnitt 1 „Aminosäuren – Proteine – Enzyme
(7.10.- 1.11.2019)
M. Gaestel, Biochemie / Institut für Zellbiochemie, MHH
VL06: Enzyme 3
Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der
Signalübertragung
1
Quellen
L/P
St
ECB
LK
BB
ME
VL04 Proteinchemie
2
Regulatorische Strategien
1. Regulatorproteine
(Calmodulin, cAMP-Bindeproteine, Trypsininhibitor,
Antitrypsin)
2. Kovalente Modifikation
(Phosphorylierung, ADP-Ribosylierungen)
3. Proteolytische Aktivierung
(Zymogene, Gerinnung)
4. Allosterische Kontrolle
(Aspartat-Transcarbamylase)
5. Generelle Kontrolle durch gemeinsame
Kofaktoren
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
3
BB
Sekundäre Botenstoffe
Ca2+
cAMP
DAG
NO
Quelle: Wikipedia
IP3
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
5
Regulatorproteine (1)
cAMP-bindende Proteine
Adenylatzyklase
ATP
Phosphodiesterase
5 AMP
L/P
cAMP – second messenger
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
6
Regulatorproteine (1)
cAMP-bindende Proteine
Proteinkinase A
C – catalytic
R – regulatory
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
St
7
Regulatorproteine (2): Calmodulin
Calcium als
„Second messenger
St
ECB
CaM-Kinase
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
8
Zymogene
LK
Zymogenaktivierung ist irreversibel
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
9
Regulatorproteine (3):
Trypsininhibitor und a1-Antitrypsin
(Anti-Elastase)
•Aktivierung von Proteasen durch proteolytische Spaltung
von Zymogenen ist irreversibel
=> Deshalb zur Regulation der Proteaseaktivität:
Proteaseinhibitoren
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
10
Serinproteasen
Y (Tyrosin)
W (Tryptophan)
F (Phenylalanin)
M (Methionin)
K (Lysin)
R (Arginin)
G (Glycin)
A (Alanin)
etc
2004
St
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
11
Regulatorproteine (3) –
Trypsininhibitor
Pankreas –
Trypsininhibitor:
•6 kD Protein
•Feste Bindung an
Trypsin
•Kd etwa 10-13
•DG0 –75 kJ/mol
St
Trypsins
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
12
Regulatorproteine (3) –
a1-Antitrypsin (Anti-elastase)
a1-Antitrypsin (Anti-elastase)
•53 kDa Protein, Inhibitor der Elastase
•Elastase: Sekretprotein von neutrophilen Granulozyten,
Immunabwehr
•Sekretprotein von Leberzellen
•Mutation K53E verlangsamt Sekretion -> Serumspiegel nur 15%
=> Elastase zerstört Alveolarwände der Lunge durch Verdauung
des Bindegewebes -> chronisch destruierendes
Lungenemphysem
•Raucher: höhere Emphysemhäufigkeit weil M358 des Inhibitors
oxidiert
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
13
Regulatorproteine (3) –
a1-Antitrypsin (Anti-elastase)
Methionin 358
ME
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
14
2003
Regulatorische Strategien
1. Regulatorproteine
(Calmodulin, cAMP-Bindeproteine, Trypsininhibitor,
Antitrypsin)
2. Kovalente Modifikation
(Phosphorylierung, ADP-Ribosylierungen)
3. Proteolytische Aktivierung
(Zymogene, Gerinnung)
4. Allosterische Kontrolle
(Aspartat-Transcarbamylase)
5. Generelle Kontrolle durch gemeinsame
Kofaktoren
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
15
Kovalente Modifikation - Proteinphosphorylierung
L/P
Mensch: 518 Proteinkinasen, 30-50 % aller Proteine phosphoryliert
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
16
Kovalente Modifikation - Proteinphosphorylierung
L/P
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
17
Kovalente Modifikation - Proteinphosphorylierung
Hormon der
Nebenniere –
bei körperlicher
und psychischer
Belastung
Receptor
Adenylatzyklase
Hormon der
cAMP
a-Zellen der
Langerhansschen
Inseln des
PKA
Pankreas –
bei Abfall der
der GlukoseSt
konzentration
im Blut
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
18
Trimere G-Protein gekoppelte Rezeptoren
Alberts et al., Mol. Biol. of the Cell, Norton & Company 2002
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19
Enzyme des
Glykogenmetabolismus:
•Gykogensynthase
•Phosphorylase Kinase
•Proteinphosphatase 1Inhibitor 1
Alberts et al., Mol. Biol. of the Cell, Norton & Company 2002
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
20
Kovalente Modifikation - Proteinphosphorylierung
Glykogen –
Glukosespeicher
in der Leber
St
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
21
Kovalente Modifikation - Proteinphosphorylierung
Zusammenwirken signalgesteuerter
Proteinkinasen und
Proteinphosphatasen
bei der Regulation der
Glucosespeicherung in der Leber
St
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
22
BB
Kovalente Modifikation – ADP - Ribosylierung
Argininrest
L/P
Choleratoxin
Pertussistoxin
St
Vibrio cholerae
Bordetella pertussis
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
24
Trimere G-Protein gekoppelte Rezeptoren
Alberts et al., Mol. Biol. of the Cell, Norton & Company 2002
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
25
Kovalente Modifikation – ADP - Ribosylierung
Diphthamide (Histidin)-Rest
L/P
Diphtherietoxin
Corynebacterium diphtheriae
St
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
26
Kovalente Modifikation – ADP - Ribosylierung
Toxin
Target-Protein
Funktion
Diphtherie
ElongationsFaktor 2
Proteinsynthese
blockiert
Cholera
GTP-bindendes
Signalprotein
Pertussis
GTP-bindendes
Signalprotein
Adenylatcyclase
ständig aktiviert,
Ionenpumpen
Signalübertragung
deaktiviert
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
27
Welche Aussage zur Regulation von Enzymen durch
kovalente Modifikation mittels Interkonversion
(Phosphorylierung, Dephosphorylierung) ist falsch:
a) Phosphatasen dephosphorylieren
Enzyme.
b) Kinasen phosphorylieren Enzyme.
c) Phosphorylierte Enzyme sind immer
aktiv.
d) Dephosphorylierte Enzyme können
sowohl aktiv als auch inaktiv sein.
e) Die Interkonversion ist ein reversibler
Prozess.
Welche Antwort ist falsch: ADP-Ribosylierung ist …
a) eine kovalente Proteinmodifikation.
b) wird durch bakterielle Enzyme katalysiert.
c) erfolgt an Proteinkinasen und
Phosphoproteinphosphatasen.
d) ist die Ursache für die Symptome der Cholera.
e) erfolgt unter Verwendung von NAD als CoSubstrat.
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
29
Regulatorische Strategien
1. Regulatorproteine
(Calmodulin, cAMP-Bindeproteine, Trypsininhibitor,
Antitrypsin)
2. Kovalente Modifikation
(Phosphorylierung, ADP-Ribosylierungen)
3. Proteolytische Aktivierung
(Zymogene, Gerinnung)
4. Allosterische Kontrolle
(Aspartat-Transcarbamylase)
5. Generelle Kontrolle durch gemeinsame
Kofaktoren
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
30
Proteolytische Aktivierung
•
•
•
•
•
Verdauungsenzyme
Blutgerinnung
(Insulin)
(Kollagen)
Caspasen (Apoptose, Zelltod)
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
31
2003
Proteolytische Aktivierung - Zymogene
Zymogen (Proenzym) -> Aktives Enzym
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
St
32
Proteolytische Aktivierung - Zymogene
St
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
33
Proteolytische Aktivierung - Zymogene
St
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
34
BB
Proteolytische Aktivierung - Gerinnung
Intravaskuläres System
Extravaskuläres System
Kaskade von
Zymogenaktivierungen
• intravasculär
• extravasculär
• viele Serinproteasen
Zymogen – rot
Aktive Form - gelb
St
Fibringerinnsel
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
36
Proteolytische Aktivierung - Gerinnung
Fibrinmonomer
St
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
37
Proteolytische Aktivierung - Gerinnung
Fibringerinnsel: A + g, B + b
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
St
38
Proteolytische Aktivierung - Gerinnung
(Faktor XIIIa)
Stabilisierung von Blutgerinnseln durch Quervernetzung
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
St
39
Proteolytische Aktivierung - Gerinnung
Intravaskuläres System
Extravaskuläres System
Kaskade von
Zymogenaktivierungen
• intravasculär
• extravasculär
• viele Serinproteasen
Zymogen – rot
Aktive Form - gelb
St
Fibringerinnsel
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
40
Proteolytische Aktivierung - Gerinnung
Thrombinaktivierung aus Prothrombin durch Xa
• erfolgt an Lipidmembranen
• erfordert Ca2+-Bindung an
Prothrombin
• diese wiederum erfordert
kovalente Modifikation
von Glutamatseitenkette, welche
durch eine Carboxylase Vitamin
K-abhängig erfolgt
•Wirkung von Vitamin KAntagonisten als
Antikoagulantien
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
St
41
Proteolytische Aktivierung - Gerinnung
Wirkung von Vitamin
K-Antagonisten als
Antikoagulantien
Sadler 2004, Nature 427, 493
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
42
Proteolytische Aktivierung - Gerinnung
Thrombinaktivierung aus Prothrombin
Blutungen
bei verdorbenem
Klee (Rinder)
Dwight D. Eisenhower 1890-1969
1955, Rattengift
Wirkung von Vitamin K-Antagonisten
als Antikoagulantien
LK
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
43
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
44
Proteolytische Aktivierung - Gerinnung
Intravaskuläres System
Extravaskuläres System
Kaskade von
Zymogenaktivierungen
• intravasculär
• extravasculär
• viele Serinproteasen
Zymogen – rot
Aktive Form - gelb
St
Fibringerinnsel
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
45
Proteolytische Aktivierung - Gerinnung
Faktor VIII – antihämophiler Faktor
Bluterkrankheit (Hämophilie A) – X-Chromosomal rezessiv
Krankheit der Könige
+
St
Quelle: Wikipedia
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
46
Proteolytische Aktivierung - Gerinnung
Intravaskuläres System
Regulation des
Gerinnungsprozesses:
• feedback-Kontrolle über
Protein C (Serinprotease)
• Antithrombin III (ähnlich
Antitrypsin)
• Heparin verstärkt
Thrombin-Antithrombin
III-Komplexbildung
Zymogen – rot
Aktive Form - gelb
Extravaskuläres System
Protein C
St
Fibringerinnsel
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
47
BB
Proteolytische Aktivierung - Gerinnung
Hämostase -> Auflösung von Blutgerinnseln:
Plasmin – Serinprotease, tissue specific PA -Actilyse R
St
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
49
2003
Regulatorische Strategien
1. Regulatorproteine
(Calmodulin, cAMP-Bindeproteine, Trypsininhibitor,
Antitrypsin)
2. Kovalente Modifikation
(Phosphorylierung, ADP-Ribosylierungen)
3. Proteolytische Aktivierung
(Zymogene, Gerinnung)
4. Allosterische Kontrolle
(Aspartat-Transcarbamylase)
5. Generelle Kontrolle durch gemeinsame
Kofaktoren
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
50
Allosterische Kontrolle
Erinnerung: Allosterie beim Hämoglobin
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
L/P
51
Allosterische Kontrolle
T-Form (tense)
R-Form (relaxed)
ME
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
52
Allosterische Kontrolle - Aspartat-Transcarbamylase
Aspartat-Transcarbamylase (ATC) – Schrittmacherenzym
der Pyrimidinbiosynthese bei E. coli
St
Pyrimidine sind die Basen der Nukleotidtriphosphate
CTP, TTP, UTP: Cytosin, Thymin, Uracil
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
53
Allosterische Kontrolle - Aspartat-Transcarbamylase
St
12 Untereinheiten: 2 x 3 katalytisch + 3 x 2 regulatorisch)
• Feedback-Hemmung durch Produkt CTP
• Aktivierung durch ATP
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
54
Allosterische Kontrolle - Aspartat-Transcarbamylase
T-Form (tense)
R-Form (relaxed)
L/P
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
55
Allosterische Kontrolle - Aspartat-Transcarbamylase
2004
ATP
CTP
L/P
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
56
2003
Regulatorische Strategien
1. Regulatorproteine
(Calmodulin, cAMP-Bindeproteine, Trypsininhibitor,
Antitrypsin)
2. Kovalente Modifikation
(Phosphorylierung, ADP-Ribosylierungen)
3. Proteolytische Aktivierung
(Zymogene, Gerinnung)
4. Allosterische Kontrolle
(Aspartat-Transcarbamylase)
5. Generelle Kontrolle durch gemeinsame
Kofaktoren
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
57
Koenzyme koordinieren die Homöostase des Stoffwechsels
ECB
Karlson et al., Biochemie, Thieme, 2005
VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung
58
Welche Aussage zur Beeinflussung der
Enzymaktivität trifft nicht zu?
a) Phosphorylierungen/Dephosphorylierungen
können Enzyme aktivieren/deaktivieren.
b) Durch Abspaltung von Peptiden können
inaktive Enzyme aktiviert werden.
c) Die Bindung von Effektoren außerhalb des
aktiven Zentrums führt bei monomeren
Enzymen zu kooperativen Effekten.
d) Über Regulatorproteine wie Calmodulin kann
die Aktivität von Proteinen gesteuert werden.
e) Eine generelle Kontrolle von Enzymen ist über
die Nutzung gemeinsamer Kofaktoren
möglich.
VL06: Enzyme 3
Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der
Signalübertragung
1. Regulatorproteine
(Calmodulin, cAMP-Bindeproteine, Trypsininhibitor,
Antitrypsin)
2. Kovalente Modifikation
(Phosphorylierung, ADP-Ribosylierungen)
3. Proteolytische Aktivierung
(Zymogene, Gerinnung)
4. Allosterische Kontrolle
(Aspartat-Transcarbamylase)
Zentrum Biochemie
Vorlesung Biochemie / Molekularbiologie für Studierende
der Human- und Zahnmedizin
WS 2019/2020
Zeit:
Dienstag
Donnerstag
Freitag
9.15 - 11 Uhr
9.15 - 11 Uhr
9.15 - 11 Uhr
Ort:
07.10.19 – 10.02.20
Hörsaal D
Zeitraum
Thema
Std.
Dozent
07.10.2019
Einführung in die Biochemie und
Biochemie-Ausbildung für Mediziner
2
Meyer
10.10. - 11.10.19
Aminosäuren, Peptide und Proteine
4
Meyer
15.10. - 18.10.19
Enzyme
6
Gaestel
22.10. - 25.10.19
Proteinabbau und
Aminosäurestoffwechsel
6
Binz, Shcherbata
29.10. - 01.11.19
Aminosäuren und Funktion
6
Binz, Gaestel
05.11. - 22.11.19
Nukleinsäuren
18
Alves
26.11. - 06.12.19
Lipide
12
Manstein
10.12.19 - 13.12.19
Vitamine
6
Tümmler
07.01. - 17.01.20
Kohlenhydrate
12
Gerardy-Schahn
21.01. - 31.02.20
Biologische Oxidation
12
Gerardy-Schahn
03.02. - 06.02.20
Hormone
8
Gerardy-Schahn
07.02. - 10.02.20
Immunologische Biochemie
4
Koch
Wegen eventueller Änderungen auf Aushänge am „Schwarzen Brett“ achten!
Zellbiochemie
1.11. KRSD
Biophys. Chemie
Klinische Bioch.
Zellbiochemie
61
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