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 VL06 Enzyme 3 - Regulatorische Strategien und Informationsstoffwechsel der Signalübertragung 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
