Foliensammlung

Allgemeine Biologie III: Biochemische Grundlagen
WS 2007/2008
Scheer
15.10. - 12.11.07
Einführung Stoffwechsel
Bioenergetik
Glycolyse
Nickelsen
19.11. - 17.12.07
Energiestoffwechsel im Mitochondrium
Citratcyclus
Atmungskette
Fettsäureabbau
17.12.08
1. Klausur: Teile Scheer/Nickelsen
Soll
7.1. -
Photosynthese
Gluconeogenese
4.2.08
4.2.08
2. Klausur: Teil Soll
Klausuren – Regelung
Die Abschlussklausur umfasst drei Teile zu jeweils ca. 35 Punkten
(je 45 Minuten)
Zwei davon werden am 17.12.07 geschrieben (Teile Scheer, Nickelsen),
der dritte am 4.2.07 (Teil Soll).
Eine Teilklausur ist bestanden, wenn mindestens 50% der
maximalen Punkte erreicht wurden.
Die Gesamtklausur ist bestanden, wenn mindestens 50% der
maximalen Punktzahl aller drei Teile erreicht sind.
Nicht bestandene Teile können nachgeschrieben werden. Die
Nachklausuren für alle drei Teile finden voraussichtlich
am 29.2.07 statt (bitte auf Änderungen achten).
Eine weitere Nachklausur gibt es bei Bedarf Anfang SS 2008.
Literatur
Grundlagen
Campbell: Biologie
Kap. 2,6,8-10
Horton et al.: Principles of Biochemistry
Richter: Biochemie der Pflanzen
Kap. 1,2,4,9,14
Strasburger: Lehrbuch derBotanik
Teil 2.1
Zur Vertiefung
Heldt: Pflanzenbiochemie
Lehninger: Biochemie
Metzler: Biochemie 1 und 2
Stryer: Biochemie
Voet/Voet: Lehrbuch der Biochemie
Stryer Biochemie Spiel
Biochemical Pathways
Atmungskette
http://www.expasy.ch/cgi-bin/search-biochem-index
The Biochemists Songbook
Vorlesungsfolien und andere Materialien im Internet
.http://www.botanik.biologie.uni-muenchen.de/scheer
→ Ergänzendes Material
→ Allgemeine Biologie
Begleitblätter im Netz
Vorlesungsteil I „Übersicht, Thermodynamik und Glykolyse“
• 29 MB Power-Point Datei (.ppt), mit Animationen
Rechtsclick und speichern als .ppt-Datei,
• 6 MB Hypertext Datei (.htm), ohne Animationen
Anclicken (ohne Animationen)
• 4 MB AdobeWriter Datei (.pdf), ohne Animationen
Rechtsclick und speichern als .pdf-Datei
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Eigenschaften lebender
Systeme
Inhalt
Energieversorgung
Bioenergetik
Glykolyse
Enzyme
Regulation der Glykolyse
Bildung von Acetyl-CoA
Oxidativer Pentosephosphat-Weg
Abbau von Fetten
Glukoneogenese
• Klausurfragen: Beispiele
Homöostase
Entwicklung
Reproduktion
Kristalle
sind
a) beständig,
b) wachsen, und
c) können aus
Bruchstücken
neue
Kristalle bilden
Fließgleichgewicht
Fremyella
diplosiphon
t
o
R
t
h
lic
Gr
ün
lic
ht
Adaptationen
Evolution
Cys-260
Cys-20
Nach Lamparter, 2004
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Eigenschaften lebender
Systeme
Inhalt
Energieversorgung
Bioenergetik
Glykolyse
Enzyme
Regulation der Glykolyse
Bildung von Acetyl-CoA
Oxidativer Pentosephosphat-Weg
Abbau von Fetten
Glukoneogenese
• Klausurfragen: Beispiele
Heterotrophie
(Cytoplasma)
(Mitochondrium-Matrix)
(MitochondriumMembran)
Energiereiche Verbindungen
Fette
Fettsäure -Triglyceride (Öle), –Ether (Wachse)
Kohlehydrate Zucker, Stärke, Glykogen, Zellulose
Proteine
Muskelproteine, Speicherproteine
ATP
NAD(P)H
Adenosintriphosphat
Nicotinamid-Adenosin-Dinucleotid, reduziert
Autotrophie
Licht
Chemoautotrophe Synthese
Beispiel: S0 + Fdox → SO4-- + Fdred
Sonnenenergie
erhält
Biosystem
Erde
Solarkonstante
1,5 kW/qm
Sonnenlyrik
Franz von Assisi
Ingeborg Bachmann
Echnaton
Medium für Cyanobakterium (Anabaena PCC 7120)
Photoautotrophie
Chemoautotrophie
Medium für Purpurbakterium (Rhodobacter spheroides)
Photoheterotrophie
Medium für Desulfobacter sp.
Auxotrophie
C – Kreislauf (bei Raten alle Werte pro Jahr)
Heterotrophie
Eintrag: 5 Gt
Austrag: 1 Gt
Photoautotrophie
Atmosphäre: 721 Gt
Verbrennung fossiler Res. 5 Gt
Dissimilation: 56 Gt
Assimilation: 113 Gt
(- 210)
Pflanzen: 560 Gt
Dissimilation: 56 Gt
Streu: 56 Gt
Boden: 1120 Gt
1 Gt
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Eigenschaften lebender
Systeme
Inhalt
Energieversorgung
Bioenergetik
Glykolyse
Enzyme
Regulation der Glykolyse
Bildung von Acetyl-CoA
Oxidativer Pentosephosphat-Weg
Abbau von Fetten
Glukoneogenese
• Klausurfragen: Beispiele
C – Kreislauf: Energiebilanz (alle Werte pro Jahr)
Heterotrophie
Verluste: >99 % Photoautotrophie
Atmosphäre: 721 Gt
Verbrennung fossiler Res. 5 Gt 2 • 1017 kJ
Dissimilation: 56 Gt 2,23 • 1018 kJ
Assimilation: 113 Gt
4,5 • 1020 kJ
Pflanzen: 560 Gt
Dissimilation: 56 Gt
Streu: 56 Gt
2,23 • 1018 kJ
2,23 • 1018 kJ
Boden: 1120 Gt
1 Gt 4 • 1016 kJ
Energetik des C-Cyclus
Heterotrophe Organismen
ΔG = ΔH - T ΔS
Freie
ReaktionsEnthalpie
(maximal
verfügbare
Energie)
ReaktionsEnthalpie
(Wärmetönung)
ReaktionsEntropie
(Ordnungsänderung)
ΔG°´
Freie Standard-Reaktionsenthalpie
ΔG°´ = - RT • ln K
Standardbedingungen
T = 25°C = 298 K
p = 1 atm
c = 1 M aber cWasser = 55 M
pH = 7
Temperatur in K
Gaskonstante
8,31 J • grad -1 • Mol-1
Gleichgewichtskonstante
K = Π cend / Π cAusgang im Gleichgewicht
Gleichgewichte
Statisches Gleichgewicht
(Ruhend, im Energieminimum)
•
•
•
•
•
Kugel in ruhender Schale
Kristall bei tiefer Temperatur
Meeresstille
Toter Organismus
ΔG = 0
Dynamisches Gleichgewicht
(Reversible Auslenkungen um
Energieminimum)
•
•
•
•
Kugel in vibrierender Schale
Proteinmolekül
Bewegte See
ΔG = 0
Fließgleichgewicht
(ausgeglichener Zu- und Abfluss
von Materie, weit v. statischen
/dynamischen Gleichgewicht,
ständig Bedarf an freier Energie,
Umkehrung erfordert Energie)
•
•
•
•
Wasserfall
Wasserkraftwerk
Lebender Organismus
ΔG < 0
ΔG
Freie Reaktionsenthalpie unter
Nicht-Standard Bedingungen
ΔG = ΔG°´ + RT • ln (Πcend / ΠcAusgang)
Konzentrationsarbeit
Energiereiche Verbindungen: Energetik
Verbrennung (Redox – Energie)
Fette
ΔG°´Oxidation = - 39 kJ/g (-11.000 kJ•Mol-1) Palmitat
Zucker
ΔG°´Oxidation = - 17 kJ/g (- 2.870 kJ•Mol-1) Glucose
Proteine
ΔG°´Oxidation = - 23 kJ/g (- 2.300 kJ•Mol –1 pro AS)
ΔG°´part. Oxid = - 17 kJ/g (- 1.700 kJ•Mol –1 pro AS)
NADH + ½ O2 →NAD + H2O
ΔG°´ = - 218 kJ•Mol -1
Hydrolyse von Energiereichen Bindungen
(Säure – Anhydride, Thioester)
ATP
Adenosintriphosphat
ΔG°´ ≈ -32 kJ•Mol -1
ATP → ADP + Pi
ADP → AMP + Pi ΔG°´ ≈ -32 kJ•Mol -1
ATP → AMP + PPi ΔG°´ ≈ -32 kJ•Mol -1
PPi → 2 Pi
ΔG°´ ≈ -32 kJ•Mol -1
Acyl-CoA
Acetyl-CoA → Acetat + CoA-SH
ΔG°´≈ -32 kJ•Mol-1
NH2
ΔG°´Hydrolyse ≈ -32 kJ/Mol
ATP
O
O
N
N
O
-O P O P O P O
OO
O-
OH
ΔG°´Oxidation m. Sauerstoff ≈ -218 kJ/Mol
NADH
O
H H
N
N
O
OH
NH2
N
N
NH2
O
N
O
OH
O
O P O P O
O
OOH
N
N
O
OH
OH
-Statisches Gleichgewicht:
Kugel am Tiefpunkt
in ruhender Schale
Wiederholung
1. Tag
-Dynamische Gleichgewicht:Kugel nahe Tiefpunkt in vibrierender Schale
-Fließgleichgewicht:
Stabiler Zustand entfernt vom statischen
oder dynamischen Gleichgewicht,stabilisiert
durch ständige Zufuhr von freier Energie
-Einige Charakteristika des Lebens:
Homöostase, Entwicklung, Vermehrung, Anpassungen, Evolution
Deckung freier Energie bei:
durch:
-Heterotrophie:
Energiereiche organische Nahrung
-Autotrophie:
Licht oder anorganische Redoxchemie
-Auxotrophie:
Bedarf spezifischer organischer Zusatzstoffe
Thermodynamik
−ΔH
Änderung der inneren Energie (Wärmetönung)
−ΔS
Änderung der Entropie (Ordnungsgrad)
−ΔG
Änderung der freien (= nutzbaren) Energie
ΔG = ΔH - T•ΔS
ΔG°´ = -R•T•lnK
oder
ΔG°´ = -n•F• ΔE°´
ΔG = ΔG°´ + RT • ln (Π cend / Π cAusgang)
Energetische Kopplung
Glc + ATP → Gcl-6-P + ADP
Glc-6-P
→ Glc + Pi .
ATP
→ ADP + Pi
ΔG°´ = -18,4 kJ • Mol-1
ΔG°´ = - 13,6 kJ • Mol-1
ΔG°´ = - 32 kJ • Mol-1
Phosphatgruppen –
ΔG°´Übertragung A→B = ΔG°´Hydrolyse A - ΔG°´Hydrolyse B
Übertragungspotential
ΔG°´Hydrolyse [kJ/Mol]
Reaktion
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯
PEP
→
Pyruvat + Pi
- 61
P2GS
→
3-PGS + Pi
- 54
Kreatin + Pi
- 43
Kreatin-P→
ATP
→
AMP + PPi
-33
- 37
ADP
→
AMP + Pi
- 36
ATP
→
ADP + Pi
- 34
PPi
→
2 Pi
- 33
Glc-1-P →
Glc + Pi
- 21
Glc-6-P →
Glc + Pi
- 14
Beispiele:
PEP + ATP
→ Pyruvat + ATP
Glc-1-P + ADP → Glc + ATP
ΔG°´ = -61 + 34 = -27 kJ/Mol
ΔG°´ = -21 + 34 = +13 kJ/Mol
Energetische Kopplung: P-Übertragung
ΔG°´total = Σ ΔG°´Einzelreaktionen
.
ΔG°´ = - 32 kJ • Mol-1
ΔG°´ = + 14 kJ • Mol-1
Glc + ATP → Gcl-6-P + ADP
ΔG°´ = - 18 kJ • Mol-1
ATP
Glc + Pi
ATP
GDP + Pi
→ ADP + Pi
→ Glc-6-P
→ ADP + Pi
→ GTP
ATP + GDP → ADP + GTP
ΔG°´ = - 32 kJ • Mol-1
ΔG°´ = + 32 kJ • Mol-1
ΔG°´ =
0 kJ • Mol-1
Wichtige Redoxreagentien
Elektronen – Übertragungspotential (Redoxpotential)
ΔG°´
Freie Standard-Reaktionsenthalpie
ΔG°´ = - nF ΔEo´
Differenz der
Standard-Redoxpotentiale
Faraday Konstante
F = 9,65 kJ • V-1 • e-1 • Mol-1
Zahl der übertragenen
Elektronen
Energetische Kopplung: e- - Übertragung
ΔG°´total = Σ ΔG°´Einzelreaktionen
NADH + ½ O2
Fumarat + H2O
→ NAD + H2O
ΔG°´ = - 218 kJ • Mol-1
→ Succinat + ½ O2 ΔG°´ = +152 kJ • Mol-1
NADH + Fumarat → NAD + Succinat ΔG°´ =
-66 kJ • Mol-1
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Eigenschaften lebender
Systeme
Inhalt
Energieversorgung
Bioenergetik
Glykolyse
Enzyme
Regulation der Glykolyse
Bildung von Acetyl-CoA
Oxidativer Pentosephosphat-Weg
Abbau von Fetten
Glukoneogenese
• Klausurfragen: Beispiele
Übersicht Abbaureaktionen
Polysaccharide
Hydrolyse
Monosaccharide
NADH + ATP
Glycolyse
Fette
Polypeptide
Hydrolyse
Hydrolyse
Glycerin + Fettsäuren
Aminosäuren
NADH + ATP
Transaminierung
ß-Oxidation
NADH + ATP
Pyruvat
Gärungen (anaerob)
- NADH
Acetyl-CoA
Carbonsäuren
Citratcyclus
NADH + ATP + CO2
Atmungskette (aerob)
Ethanol + CO2 Laktat
O2
ATP +H2O + NAD+
Systematik für Stoffwechselreaktionen
Glucose-6-phosphat
Mg2+ oder Mn2+
Phosphoglucoisomerase
Fructose-6-phosphat
ATP
+
Phosphofructokinase
ADP
Fructose-1,6-bisphosphat
ATP
ADP, AMP, Fructose-2,6-bisphosphat
ATP, Citrat
Edukte und Produkte
ATP
Enzyme
Cofaktoren, Cosubstrate
Positive
+
Regulatoren
Negative
Glucose
H-C=O
1
H-C-OH
* 2
HO-C-H
* 3
H-C-OH
* 4
H-C-OH
* 5
CH2OH
6
CH2OH
6
H2O
*5
4
O
* OH
HO *
3
1
2
*
*
OH
OH
Glucose: Stereochemie
HO
HO
*
*
HO
*
O
Cellulose: ß-1,4
* OH ß
*
OH
OH
α
Stärke:
α-1,4
(+ α-1,6)
Glykogen: α-1,4
Cellulose
H
H
H
HOCH2
H
H
H
HOCH2
O
HO
HO
Stärke
OH
OH
O
HO
HO
H
H
H
H
OH
OH
α-1,4
ß-1,4
Monomer
Amylose
Amylopektin
Stärke
Pi
Amylasen
Phosphorylasen
Maltose
Glc-1-P
P-Glucomutase
Maltase
ATP ADP
Glc
ATP ADP
Glc-6-P
Hexokinase
Fru-6-P
P-Hexose-Isomerase
Fru-1,6-P
P-Fructokinase
Aldolase
2 x 2-PGS
2 x 3-PGS
P-Glyceromutase
Enolase
2 x P2-GS
PGS-Kinase
GAP
GAP-Dehydrogenase
2 Pi
2 ATP
2 NAD
2 PEP
Pyruvat-Kinase
2 NADH
2 ATP
2 Pyruvat
Glykolyse
DHAP
Triose-P-Isomerase
IN PRAISE OF
E.M.P.
(Tune: "The
Brifish
Grenadiers")
Some pathways lead to glory, like Hatch and Slack and Knoop,
Utter, Calvin, Cori-a most distinguished group,
But of all of nature's pathways, we sing the praise today
Of Parnas, Embden, Meyerhof-the glycolytic way.
Glucose, by hexokinase is turned to G6P
(You might use glucokinase, you must use ATP)
And, note, glycogenolysis (when stores are in the cell)
Gives GIP which then mutates to G6P as well.
The moiety of glucose, in the succeeding phase
1s transferred to a ketose by an isomerase
Phosphofructokinase now, acts on that F6P;
Fructose 1-6 bisphosphate is the product that's set free.
The kinase is effected quite complicatedly
And as you'll have suspected it uses ATP;
FDP by aldolase is split reversibly
To phosphoglyceraldehyde, also DHAP.
The former and the latter can each equilibrateIt really doesn't matter for metabolic fateSo follow PG aldehyde and double what you see,
You'll get the total balance sheet for a hexose moiety.
Wiederholung
- Zwei energiereiche Verbindungen:
ATP
Adenosintriphosphat***
NADH Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid
2. Tag
Hydrolyse Säureanhydrid
Reduktionsenergie
- Phosphatgruppen-Übertragungspotential
Steigt mit Oxidationsgrad: Anhydrid > Halbacetal > Ester
C-P-Anhydrid > P-P-Anhydrid
- Elektronenübertragungspotential
Wasserstoffelektrode Bezugspunkt (E°´= 0 V)
Ferredoxin > NADH > H2 >Fe++
- Abbau schrittweise:
1) Poly- oder Oligomere > Monomere
2) Monomere > Fragmentierung bis hin zu CO2 und H2O
- Glykolyse
1) Stereochemie der Verknüpfung
2) Stärke, Glykogen > Glc
2) Aktivierung durch doppelte Phosophorylierung
3) Spaltung in Triosephosphate
4) Oxidation + interne Umlagerungen > 2 ATP und 2 NADH/Glc
NH2
ΔG°´Hydrolyse ≈ -32 kJ/Mol
ATP
O
O
N
N
O
-O P O P O P O
OO
O-
OH
ΔG°´Oxidation m. Sauerstoff ≈ -218 kJ/Mol
NADH
O
H H
N
N
O
OH
NH2
N
N
NH2
O
N
O
OH
O
O P O P O
O
OOH
N
N
O
OH
OH
Stärke
Pi
Amylasen
Phosphorylasen
Maltose
Glc-1-P
P-Glucomutase
Maltase
ATP ADP
Glc
ATP ADP
Glc-6-P
Hexokinase
Fru-6-P
P-Hexose-Isomerase
Fru-1,6-P
P-Fructokinase
Aldolase
2 x 2-PGS
2 x 3-PGS
P-Glyceromutase
Enolase
2 x P2-GS
PGS-Kinase
GAP
GAP-Dehydrogenase
2 Pi
2 ATP
2 NAD
2 PEP
Pyruvat-Kinase
2 NADH
2 ATP
2 Pyruvat
Glykolyse
DHAP
Triose-P-Isomerase
ΔG°´ [kJ/Mol]
Glykolyse: Energetik
Standardenergien (aus
Moran et al., Biochemistry)
ΔG [kJ/Mol]
Hexokinase
Phosphofructokinase
Pyruvatkinase
Glykolyse
Intermediate
Konzentrationen
in menschlichen
Erythrocyten
(aus Lehninger,
Biochemistry)
ΔG°´ [kJ/Mol]
Glykolyse: Energetik
Standard- (oben)
und
ΔG [kJ/Mol]
Hexokinase
tatsächliche (unten)
Phosphofructokinase
freie Energien der
Pyruvatkinase Glykolyse-Intermediate
in menschlichen
Erythrocyten
(aus Moran et al.,
Biochemistry)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Eigenschaften lebender
Systeme
Inhalt
Energieversorgung
Bioenergetik
Glykolyse
Enzyme
Regulation der Glykolyse
Bildung von Acetyl-CoA
Oxidativer Pentosephosphat-Weg
Abbau von Fetten
Glukoneogenese
• Klausurfragen: Beispiele
Stärke
Pi
Amylasen
Phosphorylasen
Maltose
Glc-1-P
P-Glucomutase
Maltase
ATP ADP
Glc
ATP ADP
Glc-6-P
Hexokinase
Fru-6-P
P-Hexose-Isomerase
Fru-1,6-P
P-Fructokinase
Aldolase
2 x 2-PGS
2 x 3-PGS
P-Glyceromutase
Enolase
2 x P2-GS
PGS-Kinase
GAP
GAP-Dehydrogenase
2 Pi
2 ATP
2 NAD
2 PEP
Pyruvat-Kinase
2 NADH
2 ATP
2 Pyruvat
Glykolyse
DHAP
Triose-P-Isomerase
Enzyme
- sind biologische Katalysatoren
- sind meist Proteine (Ausnahme: Ribozyme)
Aliphatisch:
Glycin (Gly, G)
Alanin (Ala, A)
Valin (Val, V)
Leucin (Leu, L)
Isoleucin (Ile, I)
Prolin (Pro, P)
Sauer:
Aminosäuren
Aromatisch:
Phenylalanin (Phe, F))
Tryptophan (Trp, W)
Alkohole: Tyrosin (Tyr, Y)
Serin (Ser, S)
Threonin (Thr, T)
Amide:
Asparagin (Asn, N)
Glutamin (Gln, Q)
Prolin (Pro, P)
Aspartat (Asp, D)
Glutamat (Glu, E)
Tyrosin (Tyr, Y)
Basisch:
Histidin (His, H)
Lysin (Lys, K)
Schwefel-haltige:
Arginin (Arg, R)
Cystein/Cystin (Cys, C)
Methionin (Met, M)
α-Helix
Phe (F)
Gly (G)
Asp (D)
Arg (R)
Tyr (Y)
Val (V)
Thr (T)
Ile (I)
Lys (K)
http://www.rcsb.org/pdb/
(1IJD, chain B)
Viewer: Rasmol oder SPV
Download unter: http://us.expasy.org/spdbv/text/download.htm 2.6
β-Faltblatt
(4BCL)
Loop
Proline (Pro, P)
(1IG8)
Tertiärstruktur
Enzyme
-
sind biologische Katalysatoren
sind meist Proteine (Ausnahme: Ribozyme)
sind häufig modifiziert und/oder enthalten Kofaktoren
sind spezifisch für das/die Substrate
ändern bei Substratbindung ihre Konformation
Cys - Thioether
Cytochrome c (1C52)
Ferredoxin (1A70)
Fe
Cys
Hexokinase
ohne Glc (1IG8)
mit Glc (1BDG)
Loop
β-Faltblatt
Glc
α-Helix
Enzyme
-
sind biologische Katalysatoren
sind meist Proteine (Ausnahme: Ribozyme)
sind häufig modifiziert und/oder enthalten Kofaktoren
sind spezifisch für das/die Substrate
ändern bei Substratbindung ihre Konformation
können bei Katalyse vorübergehend chemisch reagieren
sind spezifisch für die katalysierte Reaktion
Enzymtypen
Oxidoreduktasen
GAP-Dehydrogenase
GAP-NADH-Oxidoreduktase
Transferasen
Hexokinase
ATP-Glucose-Phosphotransferase
Hydrolasen
Amylase
Amylose – Hydrolase
Lyasen
Aldolase
Fructosebisphosphat-GAP-Lyase
Isomerase
Triosephosphat-Isomerase
GAP – DHAP – Isomerase
Ligase
Aminoacyl - tRNA – Ligase
Schwierig einzuordnen Chaperone
Ionenkanäle
Enzyme
-
sind biologische Katalysatoren
sind meist Proteine (Ausnahme: Ribozyme)
sind häufig modifiziert und/oder enthalten Kofaktoren
sind spezifisch für das/die Substrate
ändern bei Substratbindung ihre Konformation
können bei Katalyse vorübergehend chemisch reagieren
sind spezifisch für die katalysierte Reaktion
sind „Antikörper“ gegen den Übergangsgszustand
können reguliert werden
Phosphofructokinase (1PFK)
Allosterisches ADP
Fru-1,6-P2
Produkt ADP
Wiederholung 3. Tag
- DG‘ (reale Bedingungen) kann sehr von DG°‘ abweichen
- Für meiste Reaktionen der Glykolyse ist DG‘ ≈ 0, d.h. sie sind reversibel
Ausnahmen:
Glc + ATP
→ Glc-6-P + ADP
(Hexokinase)
(Phosophofructokinase)
Fru-6-P + ATP → Fru-1,6-P2 + ADP
→ Pyruvat + ATP
(Pyruvat Kinase)
PEP + ADP
-
Enzyme
sind biologische Katalysatoren, d.h sie reduzieren die
Aktivierungsenergie, aber verschieben nicht das Gleichgewicht.
sind meist Proteine (Ausnahme: Ribozyme)
sind häufig modifiziert und/oder enthalten Kofaktoren
sind spezifisch für das/die Substrate
ändern bei Substratbindung ihre Konformation
können bei Katalyse vorübergehend chemisch reagieren
sind spezifisch für die katalysierte Reaktion
sind „Antikörper“ gegen den Übergangszustand
können reguliert werden
Songbook:
Michaelis Anthem
Melodie:
O Tannenbaum ....
© 1982 Harold Braun,
ISBN 0-08-027370-X,
Pergamon Press
Enzyme
-
sind biologische Katalysatoren
sind meist Proteine (Ausnahme: Ribozyme)
sind häufig modifiziert und/oder enthalten Kofaktoren
sind spezifisch für das/die Substrate
ändern bei Substratbindung ihre Konformation
können bei Katalyse vorübergehend chemisch reagieren
sind spezifisch für die katalysierte Reaktion
sind „Antikörper“ gegen den Übergangsgszustand
können reguliert werden
lassen sich quantitativ nach Michaelis/Menten beschreiben
Affinität KM (Michaelis-Menten-Konstante)
Umsatzgeschwindigkeit vmax
Auftragung nach Michaelis-Menten
Auftragung nach Lineweaver-Burke
Hemmtypen
Beschleunigung durch Enzyme
Enzym
Geschwindigkeit
ohne Enzym
[s-1]
Geschwindigkeit
mit Enzym
[M.1 s-1]
Beschleunigung
10-1
7 x 106
Triosephosphat
Isomerase
4 x 10-6
4 x 108
1014
ß-Amylase
7 x 10-14
107
1020
Carbonic Anhydrase
7 x 107
Aus: Horton / Moran / Scrimgeour / Perry / Rawn: Principles of Biochemistry
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Eigenschaften lebender
Systeme
Inhalt
Energieversorgung
Bioenergetik
Glykolyse
Enzyme
Regulation der Glykolyse
Bildung von Acetyl-CoA
Oxidativer Pentosephosphat-Weg
Abbau von Fetten
Glukoneogenese
• Klausurfragen: Beispiele
ΔG°´ [kJ/Mol]
Glykolyse: Energetik
Standard- (oben)
und
ΔG [kJ/Mol]
Hexokinase
tatsächliche (unten)
Phosphofructokinase
freie Energie der
Pyruvatkinase Glykolyse-Intermediate
in menschlichen
Erythrocyten
(aus Moran et al.,
Biochemistry)
Stärke
Pi
Amylasen
Phosphorylasen
Maltose
Glc-1-P
Maltase
P-Glucomutase
ATP ADP
Glc
ATP ADP
Glc-6-P
Hexokinase
Fru-6-P
P-Hexose-Isomerase
Fru-1,6-P
P-Fructokinase
Aldolase
2 x 2-PGS
2 x 3-PGS
P-Glyceromutase
Enolase
2 x P2-GS
PGS-Kinase
GAP
GAP-Dehydrogenase
2 Pi
2 ATP
2 NAD
2 PEP
Pyruvat-Kinase
2 NADH
2 ATP
2 Pyruvat
Glykolyse
DHAP
Triose-P-Isomerase
Regulation der Glykolyse
.
Stärke
+Amylasen
Glucagon, Epinephrin (extracellulär)
Phosphorylasen
+
+
ATP
GA3
cAMP
+
Proteinkinase Aa
Glc
Glc-6-P
Hexokinase
+
Fru-2,6-P2
Citrat
Proteinkinase Ai
+
Fru-6-P
P-Phosphorylase-Kinasea
Phosphorylase-Kinasei
ATP
+ P-Fructokinase +
ADP
Fru-1,6-P2
PEP
Pyruvat-Kinase
2 ATP
Pyruvat
.
Phosphofructokinase (1PFK)
Allosterisches ADP
Fru-1,6-P2
Produkt ADP
Songbook: Glycolysis
© 1982 Harold Braun,
ISBN 0-08-027370-X,
Pergamon Press
Anaerob: Regeneration des NAD
NAD
NADH
CO2
H
C
COOH
C
NADH
NAD
Pyruvat
Decarboxylase
O
CH2OH
Acetaldehyd
Dehydrogenase CH3
CH3
Alkoholische Gärung
O
CH3
COOH
NADH
NAD
H
NADH
NAD
Laktat
Dehydrogenase
C
OH
CH3
Milchsäure-Gärung
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Eigenschaften lebender
Systeme
Inhalt
Energieversorgung
Bioenergetik
Glykolyse
Enzyme
Regulation der Glykolyse
Bildung von Acetyl-CoA
Oxidativer Pentosephosphat-Weg
Abbau von Fetten
Glukoneogenese
• Klausurfragen: Beispiele
Aerob: Oxidative Decarboxylierung
CO2
COOH
O
S-CoA
O
Pyr
Acetyl-CoA
NAD
NADH
Pyruvat - Dehydrogenase
CoA-SH
Kofaktoren
- TPP
- Liponsäure
- FAD
- NAD
- CoA-SH
Inhibitor: ATP (Phosphorylierung der Pyr-Dehydrogenase)
O
NH2
O
P
OPO3-
O
+
N
N
C
N
S
H
H+
Thiamin-Pyrophosphat
(Vitamin B1)
+
N
C
-
....verschiebt
C=O – Gruppe
um ein C - Atom
S
R1
O
R2
+
N
R1
HO
R2
C
S
Beispiele:
Pyruvat – Decarboxylase
(R1 = COOH, R2 = CH3)
Transketolase
(R1 = CH2OH, R2 = CHOH...
α-Ketosäure-Dehydrogenase
TPP
H+
+
N
NAD
NADH2
FADH2
FAD
-
C
S
R
O
HOOC
+
N
R
C
S
HO
-
E
E
OOC
CO2
S
+
HO
C
-
E
SH
SH
N
R
SH
S
S
TPP
S
O
CoA S C R
O
R
CoA-SH
Coenzym A
.
O
HS
O
N
O
N
OH
Ser-36
O P O
O
NH2
Acyl Carrier Protein (ACP)
N
N
O
HS
O
N
O
N
Panthotensäure (Vit B3)
OH
O
O P O P O
O
O-
Coenzym A (CoASH)
N
N
O
O
OH
PO3-O
CoASH + HOOC
R
CoAS
+ H2 O
R
ΔG°' = + 36 kJ/Mol
.
Pyruvat
Dehydrogenase
(eukaryotisch)
Grün: Liponsäure - Acyltransferase
Rot:
Liponsäure - Dehydrogenase
Gelb: Pyruvat - Dehydrogenase
g
g
Regeneration von NAD unter anaeroben Bedingungen
a) Milchsäure-Gärung (Pyruvat → Laktat)
b) Alkoholische Gärung (Pyruvat → Ethanol + CO2), Cofaktor Thiamin
Oxidative Decarboxylierung von Pyruvat unter aeroben Bedingungen
Bildung von Acetyl-CoA, NADH und CO2
Grundlagen der Enzymkinetik: E + S ' ES → EP → E + P
(Konzentration von ES ist geschwindigkeitsbestimmend)
vmax [S]
1
KM
1
1
v = ————
—— = —— * —— + ——
KM + [S]
v
vmax [S]
vmax
Michaelis-Menten (hyperbolisch) / Lineweaver-Burke-Auftragung (linear)
Hemmungarten
- kompetitiv (KM verringert, vmax konstant)
- nicht kompetitiv (KM konstant, vmax verringert)
- gemischte Formen
- kooperativ
positiv: KM steigt nach Bindung von 1. Substrat
negativ: KM sinkt nach Bindung von 1. Substrat
Der Pentosephosphatweg liefert:
- NADPH für Synthesen
- C5 - Zucker für Nucleotide, Nucleinsäuren, Cofaktoren, etc.
- C4 – Zucker für aromatische Aminosäuren, Flavonoide, Lignin, etc
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Eigenschaften lebender
Systeme
Inhalt
Energieversorgung
Bioenergetik
Glykolyse
Enzyme
Regulation der Glykolyse
Bildung von Acetyl-CoA
Oxidativer Pentosephosphat-Weg
Abbau von Fetten
Glukoneogenese
• Klausurfragen: Beispiele
Pentosephosphatweg (oxidativ)
PO
PO
COOH
-
O
OH
HO
O
OH
OH NADP
OH
O
HO-C-H
HO
NADPH
CH2-OH
H-C-OH
H-C-OH
OH
O
NADP
H-C-OH
CH2OP
Glc-6-P
6-P-Gluconolacton
Glc-6-P-Dehydrogenase
Netto: C6 + 2 NADP
H-C-OH
NADPH H-C-OH
CH2OP
6-P-Gluconat
Lactonase
Rub-5-P
6-P-Gluconat-Dehydrogenase
C5 + CO2 + 2 NADPH
Optional: C5 >> C4 >>> Phe, Tyr, Trp, Flavonoide, Lignin
C5 >>> Nucleinsäuren, Nucleotide
C5 >>> C6, C3 (Glykolyse)
CH2OH
CH2OH
C=O
C=O
O
H
HO-C-H
C
H
H-C-OH
H-C-OH
O
C
HO-C-H
H-C-OH
H-C-OH
CH2O-P
H-C-OH
GAP
CH2O-P
HO-C-H
CH2O-P
Ery-4-P
Seduheptulose-7-P
H-C-OH
H-C-OH
CH2O-P
Transaldolase
Fru-6-P
CnP+CmP↔Cn-3P+Cm+3P
CH2OH
C=O
O
H
HO-C-H
C
H
H-C-OH
H-C-OH
CH2O-P
Fru-6-P
CH2OH
C=O
O
C
HO-C-H
CH2O-P
GAP
HO-C-H
H-C-OH
CH2O-P
Ery-4-P
HO-C-H
Transketolase
H-C-OH
CH2O-P
Rub-5-P
CnP+CmP↔Cn-2P+Cm+2P
Songbook: Pentosphosphate
© 1982 Harold Braun, ISBN 0-08-027370-X, Pergamon Press
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Eigenschaften lebender
Systeme
Inhalt
Energieversorgung
Bioenergetik
Glykolyse
Enzyme
Regulation der Glykolyse
Bildung von Acetyl-CoA
Oxidativer Pentosephosphat-Weg
Abbau von Fetten
Glukoneogenese
• Klausurfragen: Beispiele
Polysaccharid-Abbau Übersicht
Stärke, Glykogen
Glucose
NADP
alternativ
NADPH
Pentosephosphatweg
ATP
ADP
Glykolyse
Fru-1,6-P2
GAP
ADP
ATP
NADH
Acetyl-CoA
(aerob)
Pyruvat
NADH
NAD
(anaerob)
Laktat oder Ethanol + CO2
Fettabbau:
Übersicht
Triglycerid
Oleasom
Fettsäuren + Glycerin
CoASH
Hydrolyse
Glykolyse
ATP
AMP
Acyl-CoA
Aktivierung
Cytoplasma
Transport
Mitochondrium
n/2 Acetyl-CoA+NADH + FADH2
Abbau
O
OO
O
16:0
O
18:0
Triglycerid
O
18:1
Lipase
Glycerin
HOOC
R
(3 x)
ATP
2 Pi
PPi
O
Acyl-CoA-Synthetase
AMP
R
CoASH
AMP
O
CoAS
R
Aktivierung
.
O
CoAS
FAD
Acyl-CoA-Dehydrogenase
FADH2
O
CoAS
H 2O
Enoyl-CoA-Hydratase
Mehrfache Wiederholung
bis Acetyl-CoA im letzten Durchlauf
O
OH
CoAS
Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase
O
NAD
NADH
O
CoAS
CoASH
Thiolase
O
CoAS
O
ß – Oxidation zu Acetyl-CoA
CoAS
.
Rückblick
Triglycerid
Oleasom
Stärke, Glykogen
Fettsäuren + Glycerin
Glucose
CoASH
Glykolyse NADP
ATP
NADPH
AMP
Pentosephosphatweg
Acyl-CoA
alternativ
Cytoplasma
ATP
ADP
Glykolyse
Fru-1,6-P2
GAP
ADP
Mitochondrium
n/2 Acetyl-CoA+NADH + FADH2
ATP
NADH
(aerob)
Pyruvat
NADH
NAD
(anaerob)
Laktat oder Ethanol + CO2
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Eigenschaften lebender
Systeme
Inhalt
Energieversorgung
Bioenergetik
Glykolyse
Enzyme
Regulation der Glykolyse
Bildung von Acetyl-CoA
Oxidativer Pentosephosphat-Weg
Abbau von Fetten
Glukoneogenese
• Klausurfragen: Beispiele
Stärke
Glykolyse:
Pi
Amylasen
Phosphorylasen
Reversible
Maltose
Glc-1-P
Maltase
Reaktionen
P-Glucomutase
ATP ADP
Glc
ATP ADP
Glc-6-P
Hexokinase
Fru-6-P
P-Hexose-Isomerase
Fru-1,6-P
P-Fructokinase
Aldolase
2 x 2-PGS
2 x 3-PGS
P-Glyceromutase
Enolase
2 x P2-GS
PGS-Kinase
GAP
GAP-Dehydrogenase
2 Pi
2 ATP
2 NAD
2 PEP
Pyruvat-Kinase
2 ATP
2 Pyruvat
2 NADH
DHAP
Triose-P-Isomerase
Synthese von PEP
PEP
A/GDP
CO2
A/GTP
Pyruvat-Dikinase
Pyruvat-Kinase
2 ATP
-: ATP, Kinase
+: Fru-1,6-P2
ATP
PEP-Carboxykinase
se
a
l
xy
o
rb
a
ATP
C
at
v
ru
y
HCO3
P
Pyruvat
ADP + Pi
Oxalacetat
Acetyl-CoA
Citratcyclus
+: Acetyl-CoA
Kinase – Phosphorylase - Wechselspiel
- : ATP, Citrat
+: AMP, Fru-2,6-P2
-: Glc-6-P
Hexokinase
P-Fructokinase
ATP ADP
ATP ADP
Glc
Glc-6-P
Fru-6-P
Fru-1,6-P
P-Hexose-Isomerase
Pi
Glu-6-P - Phosphatase
Pi
Fru-1,6-P2 - Phosphatase
-: AMP, Fru-2,6-P2
Biosynthese von Speicher-Polysacchariden
Stärke / Glykogen
Pi
Stärke-Synthetase(n)
Glykogen-Synthetase(n)
Phosphorylasen
Amylasen
ADP
ADP-Glc
ATP
UDP-Glc
UTP
UDP
Maltose
Maltase
2 Pi
Hexokinase
PPi
Pyrophosphatase
ATP ADP
Glc
Glc-1-P
PPi
2 Pi
Pyrophosphatase
P-Glucomutase
Glc-6-P
Abbau
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Eigenschaften lebender
Systeme
Inhalt
Energieversorgung
Bioenergetik
Glykolyse
Enzyme
Regulation der Glykolyse
Bildung von Acetyl-CoA
Oxidativer Pentosephosphat-Weg
Abbau von Fetten
Glukoneogenese
• Klausurfragen: Beispiele
Beispielfragen I
Beispielfragen II
Ende des ersten Teils
Demnächst in diesem Theater:
Citratcyclus
Atmungskette
mit
Jörg Nickelsen