Stoffwechsel Metabolismus (1)
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Vorlesung Zell- und Molekularbiologie Stoffwechsel Metabolismus (1) © H.Cypionka Zum Nachlesen www.icbm.de/pmbio Bücher Campbell: Kap. 6 Kap. 3 59.95 € Kap. 13 - 14 29.95 € www.icbm.de/pmbio - - - > Teaching diese Folien, VL Physiologie der Mikroorganismen etc. © H.Cypionka www.icbm.de/pmbio 1 Grundlagen der Mikrobiologie Kap. 9 - 11 19.95 € www.grundlagen-der-mikrobiologie.de Bitte um Verbesserungsvorschläge bis Mitte Mai an: [email protected] © H.Cypionka www.icbm.de/pmbio Was ist Stoffwechsel Was ist Stoffwechsel? • Wechsel von Stoffen = chemische Reaktionen • Stoffwechselwege = Reaktionsketten • Primärstoffwechsel dient dem Wachstum der Zellen • Anabolismus, Assimilation, Biosynthese • Katabolismus, Dissimilation, Abbau zwecks Energiekonservierung • Sekundärstoffwechsel produziert verschiedene Stoffe, ohne direkte Kopplung an Wachstum © H.Cypionka www.icbm.de/pmbio 2 Cytoplasmaoder innere MitochondrienMembran Transportsysteme Metabolismus Metabolismus eines organoheterotrophen Aerobiers Katabolismus Anabolismus => Substrat dient als Baustoff und Brennstoff => Oxidation zu CO2 ohne Beteiligung von O2 Atmungskette => Transportsysteme Wesentlich für Energiestoffwechsel => Anabolismus divergent Katabolismus konvergent Beteiligung von O2 im letzten Schritt © H.Cypionka www.icbm.de/pmbio Metabolismus 2 • Polymerisierung/Hydrolyse • Glykolyse • ATP-Nutzung für Biosynthese • Regulation • Stickstoffbedarf • Acetyl-Coenzym A • Citratcyclus • Reduktionsequivalente • Chemiosmotische Energiewandlung © H.Cypionka www.icbm.de/pmbio 3 Themen Themen im einzelnen • Enzyme, Katalyse, Regulation • Coenzyme, prosthetische Gruppen • Reduktionsequivalente, Elektronenüberträger • Bioenergetik, ATP • Chemiosmotische Grundprinzipien • Glykolyse, Tricarbonsäurecyclus © H.Cypionka www.icbm.de/pmbio 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 - Aktivierungsenergie z.B: Knallgas-Reaktion 2 H2 + O2 → 2 H2O ∆G = -238 kJ/mol katalysiert durch Hitze, Platin oder Enzyme © H.Cypionka www.icbm.de/pmbio 4 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 © H.Cypionka Katalyse www.icbm.de/pmbio Katalyse Übergangszustand • Reaktanten müssen Energieschwelle 'Aktivierungsenergie' überwinden • Nur Reaktionen mit ∆G <= 0 laufen spontan ab • Katalysator verringert Aktivierungenergie, beschleunigt Reaktion, ändert nicht ∆G • Katalysator bleibt am Ende unverändert © H.Cypionka www.icbm.de/pmbio 5 Klassifizierung von Prozessen Energetische Klassifizierung von Prozessen freie (nutzbare) Energie ∆G: ∆G < 0: exergon, thermodynamisch spontan möglich ∆G = 0: reversibel, thermodynamisch im Gleichgewicht ∆G > 0: endergon, nicht spontan ablaufend ∆G bezieht sich auf den Energieinhalt der Reaktanten vor und nach der Reaktion. Nur exergone und reversible Prozesse laufen ab ... !? Endergone werden durch Umwege und Kopplung an exergone Reaktionen möglich. © H.Cypionka www.icbm.de/pmbio Wie bewirkt ein Enzym die Katalyse? wikipedia.de Enzym-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). © H.Cypionka www.icbm.de/pmbio 6 Enzym-Klassen nach Reaktionstyp Enzym-Klassen 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. © H.Cypionka KM-Wert www.icbm.de/pmbio KM-Wert Enzymkinetik nach Michaeils und Menten • 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. © H.Cypionka www.icbm.de/pmbio 7 Michaelis-Menten 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 © H.Cypionka Kompetitive Hemmung www.icbm.de/pmbio 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. © H.Cypionka www.icbm.de/pmbio 8 Allosterische Enzyme Allosterische Enzyme • Regulation der Enzymaktivität durch Bindung außerhalb des katalytischen Zentrums • Effektor kann je nach Enzym Aktivator oder Inhibitor ('nichtkompetitiv') sein • Auch Aktivierung oder Hemmung durch Übertragung von kovalent gebunden Gruppen (z.B. Methylgruppe) möglich © H.Cypionka Endprodukthemmung Enzym 1 Enzym 2 www.icbm.de/pmbio Endprodukthemmung 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. © H.Cypionka www.icbm.de/pmbio 9 Regulation der Enzymaktivität • Substratkonzentration • Produkthemmung • Feedback-Hemmung • Isozyme • Kovalente Modifikation Regulation der Enzymaktivität KM-Wert Isosterische Hemmung durch Produkt im katalytischen Zentrum Allosterische Regulation Mehrere Enzyme für dieselbe Reaktion, mehrere Regulationsmöglichkeiten Vgl. Allosterische Regulation, stabiler, braucht weitere regulierte Enzyme © H.Cypionka Die Bedeutung irreversibler Schritte www.icbm.de/pmbio Irreversible Schritte Irreversible Schritte • bedeuten Energieverlust • legen Stoffwechselrichtung fest • erfordern Umwege für Rückweg © H.Cypionka www.icbm.de/pmbio 10 Chemotaxis Chemotaxis Bakterium auf der Suche nach dem Schlaraffenland • eine schlauer Mensch würde sich ähnlich verhalten! © H.Cypionka Regulation des Flagellenmotors www.icbm.de/pmbio Flagellenmotor 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 Situation ohne Lockstoff (Attractant) © H.Cypionka www.icbm.de/pmbio 11 Regulation des Flagellenmotors Flagellenmotor (2) Situation mit Lockstoff (Attractant) • das einfachste verstandene Regulationssystem 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 © H.Cypionka www.icbm.de/pmbio 12
