Zusammenfassung Biochemie WS 2003/04

BIOCHEMIE
Zusammenfassung von Ana Sesartic
WS 2003/04
Die Zusammenfassung ist gegliedert nach Kapiteln der 5. deutschen Ausgabe des Buches Biochemie von J.M.Berg,
J.L.Tymoczko und L.Stryer, Spektrum Verlag, 2003. Auf diese Ausgabe beziehen sich auch alle genannten
Seitenzahlen und Kapitelnummern. Es werden nur die Kapitel und Themen berücksichtigt, die explizit als
Prüfungsstoff angegeben wurden.
Die Biochemie und die Revolution der Genomforschung (Kapitel 1, Seiten 3-18)...... 2
Struktur und Funktion der Proteine (Kapitel 3, Seiten 45-81) ..................................... 5
Erforschung der Proteine (Kapitel 4, Seiten 77-104) ................................................ 11
Enzyme: Grundlegende Konzepte und Kinetik (Kapitel 8, Seiten 210-241).............. 15
Katalytische Strategien (Kapitel 9, Seiten 249-268).................................................. 20
Lipide und Zellmembranen (Kapitel 12, Seiten 349-374).......................................... 23
Der Stoffwechsel: Konzepte und Grundmuster (Kapitel 14, Seiten 407-427) ........... 27
Kohlenhydrate (Kapitel 11, Seiten 323-334) ............................................................. 30
Glykolyse und Gluconeogenese (Kapitel 16, Seiten 465-491).................................. 33
Der Citratzyklus (Kapitel 17, Seiten 509-531) ........................................................... 38
Die oxidative Phosphorylierung (Kapitel 18, Seiten 535-570)................................... 43
© 2004 Ana Sesartic
1
Prolog: Die Biochemie und die Revolution der
Genomforschung (Kapitel 1, Seiten 3-18)
1.1 DNA = DesoxyriboNucleicAcid
Enger Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion. DNA ist ein höchst
wirksamer und robuster Informationsspeicher.
1.1.1
DNA ist ein lineares Polymer aus vier verschiedenen Monomeren (= ZuckerPhosphat-Einheit mit einer der 4 Basen am Zuckerbestandteil angehängt).
Die Basen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) können
entlang eines DNA-Stranges beliebig angeordnet sein. Die Basensequenz
eines DNA-Stranges stellt die genetische Information dar.
1.1.2
Das DNA-Molekül ist eine Doppelhelix mit Zucker-Phosphat-Rückgrat aussen
und Basenpaaren (AT bzw. GC) innen. Die Basen werden durch
Wasserstoffbrücken zusammengehalten. Aufgrund der Basenpaarung legt die
Sequenz in einem Strang die Sequenz des anderen genau fest. Bei der DNAReplikation kann jeder Strang als Matrize für die Neubildung des
Partnerstrangs dienen.
1.1.3
RNA = RiboNucleicAcid
RNA liegt meist als Einzelstrang vor. Als Zucker hat sie Ribose und anstelle
von Thymin hat sie die Base Uracil (U).
Aufgaben:
Zwischenstufe im Informationsfluss von der DNA zu den Proteinen
(Transkription von DNA in mRNA)
Übersetzen der Information von mRNA Sequenz in Informationen,
welche die Sequenz der Proteinbausteine bestimmt (Translation von
mRNA in ein Protein)
Funktioneller Bestandteil der Ribosomen (Translationsmaschinen)
Transkription der DNA durch mRNA und anschliessende Translation der
mRNA in Proteine durch Ribosomen.
© 2004 Ana Sesartic
2
1.1.4
Wichtige Aufgabe der DNA-Sequenzen ist die Sequenzen der Proteine
festzulegen.
Genetischer Code: 3 Basen in der DNA Kette legen genau
eine Aminosäure fest.
Proteine sind lineare polymere die aus 20 verschiedenen Aminosäuren
bestehen. Sie falten sich von selbst in eine genau definierte, vielgestaltige
Raumstruktur, die ausschliesslich durch die Sequenz ihrer Aminosäuren
festgelegt wird.
1.2 Alle Organismen bedienen sich der DNA und des gleichen genetischen Codes.
Unter molekularen Gesichtspunkten sind die Lebewesen bemerkenswert
einheitlich
Alle stammen von einem gemeinsamen Vorfahren ab. Die Vielfalt
entstand v.a. durch Anpassung vorhandener Biochemischer Komponenten an
neue Aufgaben
Eukarya: Eukaryonten (mit Zellkern)
Bacteria: Prokaryonten (ohne Zellkern)
Archaea: (Bakterienähnlich, aber deutlich verschieden)
1.3 Kovalente Bindungen: benachbarte Atome teilen sich ein Elektronenpaar.
Um die Bindung aufzulösen braucht es viel Energie, wobei Mehrfachbindungen
(z.B. C=O hat 732 kJ/mol) noch stärker sind als Einfachbindungen.
Name of bond
Covalent bond (C-C)
Hydrogen bond
Electrostatic interaction
Van der Waals interaction
Distance (Å)
1.54
1.5-2.6
3
1.5-3
Bond energy (kJ/mol)
356
4-13
6
2-4
Resonanzstrukturen: gleichbedeutende Strukturen (Mesomere)
das man Resonanzstrukturen schreiben kann ist stabiler!
Molekül für
Reversible Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen werden durch drei Arten
nicht-kovalenter Bindungen vermittelt:
Elektrostatische Bindungen
Wasserstoffbrücken
Van der Waals-Bindungen
o Unspezifische, dipolinduzierte Wechselwirkungen
o Grössenordnung: ca. 4 kJ/mol
o Zum Vergleich: thermische Energie von Molekülen: ca. 2.5 kJ/mol
1.3.1
Elektrostatische Wechselwirkungen: Anziehungskräfte entgegengesetzt
geladener Atome. Im Wasser haben sie Energiegehalt von 5.9 kJ/mol
Wasserstoffbrücken: 2 Elektronegative Atome wie N oder O teilen sich ein
Wasserstoffatom. Donorgruppe: H und Atom das H stark an sich bindet,
Akzeptorgruppe: H weniger stark daran gebunden.
© 2004 Ana Sesartic
3
Van-der-Waals-Wechselwirkungen: Verteilung der Elektronenladung um
einen Atomkern ändert sich im Laufe der Zeit. Diese vorübergehende
Asymmetrie der Elektronenladung führt zu VdW-Kräften. Bei Kontaktdistanz
sind Energieverhältnisse am günstigsten.
1.3.2
Wasser ist ein polares Molekül, ist geknickt und hat deshalb asymmetrische
Ladungsverteilung.
Wasser ist wegen Wasserstoffbrücken sehr kohäsiv, und neigt zu
Interaktionen. Wasser ist für polare Moleküle ein hervorragendes
Lösungsmittel. Es schwächt die elektrostatischen Wechselwirkungen
zwischen Ionen beträchtlich ab (Dielektrizitätskonstante = 80) durch Bildung
einer gerichteten Hülle (Aquakomplex). Wechselwirkungen zwischen polaren
Molekülen werden ebenfalls geschwächt, was aber in biologischen Systemen
mit wasserfreien Mikroumgebungen umgangen wird.
1.3.3
1. Hauptsatz der Thermodynamik: Gesamtenergie eines Systems und
seiner Umgebung ist konstant. Das Universum hat stets den gleichen
Energieinhalt. Energie kann weder erschaffen noch zerstört werden, sie kann
aber verschiedene Formen annehmen.
Kinetische Energie: zufällige Molekülbewegung, Wärme
Potentielle Energie: Wahrscheinlichkeit, dass Atome miteinander
reagieren
2. Hauptsatz der Thermodynamik: Die Gesamtentropie eines Systems und
seiner Umgebung nimmt bei spontan ablaufenden Prozessen stets zu.
Enthalpie: Wärmegehalt eines Systems.
Entropie: Mass für die Zufälligkeit oder Unordnung in einem System.
Entropie nimmt nur dann zu, wenn:
∆G = ∆HSystem - T ∆SSystem < 0
Damit eine Reaktion spontan ablaufen kann, muss die Veränderung der freien
Enthalpie negativ sein.
© 2004 Ana Sesartic
4
1.3.4
Hydrophobe Wechselwirkung (a.k.a. Hydrophober Effekt):
Wenn unpolare Moleküle sich in Wasser zusammenlagern, nimmt die
Entropie zu, weil Wassermoleküle in die Hauptmenge des Wassers
abgedrängt werden.
Proteinfaltung: unpolare Aminosäuren neigen stark dazu, sich im Inneren
eines gefalteten Proteinmoleküls aneinander zu lagern. Die daraus
entstandene Entropiezunahme des Wassers, gleicht den Entropieverlust aus,
der mit dem Faltungsprozess verbunden ist.
Bei der Proteinfaltung bilden sich auch viele schwache Bindungen aus,
wodurch Wärme an die Umgebung abgegeben wird.
Struktur und Funktion der Proteine (Kapitel 3, Seiten
45-81)
3
Proteine sind lineare Polymere, die aus mesomeren Untereinheiten, den
Aminosäuren, zusammengesetzt sind. Proteine enthalten eine grosse Vielfalt an
funktionellen Gruppen, deren Reaktivität bedeutend ist für die Funktion von
Enzymen (= Katalysatoren). Proteine können miteinander und mit anderen
biologischen Makromolekülen interagieren und komplexe Zusammenschlüsse
bilden. Manche Proteine sind relativ starr, während andere über eine begrenzte
Flexibilität verfügen.
3.1 Eine α-Aminosäure besteht aus einem
zentralen α-Kohlenstoff, an den eine
Aminogruppe, eine Carboxylgruppe, ein
Wasserstoffatom und ein charakteristischer
"Rest" R (= Seitenkette) gebunden sind.
Aminosäuren sind chiral (D und L Isomere).
[Achirale Ausnahme: Glycin mit H als Rest]
Nur L-Aminosäuren (fast alle mit SKonfiguration) sind Bestandteile von
Proteinen. In neutraler Lösung liegen
Aminosäuren als dipolare Ionen
(Zwitterionen) vor, wobei die Aminogruppe
© 2004 Ana Sesartic
5
protoniert und die Carboxylgruppe dissoziiert (pH-abhängig veränderbar). Die 20
Arten von Aminosäurenseitenketten unterscheiden sich in Grösse, Gestalt,
Ladung, Fähigkeit zur Ausbildung von H-Brücken, hydrophobem Charakter und
chemischer Reaktivität. Längere aliphatische Seitenketten sind hydrophob und
stabilisieren dadurch die 3D Struktur wasserlöslicher Proteine.
Aminosäuren mit aliphatischer Seitenkette
Glycin (Gly, G)
Abb.S.49
o R=H
o Achiral (Ausnahme)
Alanin (Ala, A)
Abb.S.49
o R = CH3 (Methylgruppe)
Valin (Val, V)
Abb.S.49
Leucin (Leu, L)
Abb.S.49
Isoleucin (Ile, I)
Abb.S.49
o Zusätzliches Chiralitätszentrum
Methionin (Met, M)
Abb.S.49
o Thioethergruppe (-S-)
o R = CH2CH2SCH3
Prolin (Pro, P)
Abb.S.50
o Zyklische Struktur (beeinflusst stark den Aufbau eines Proteins)
o Seitenkette bindet an α-Kohlenstoff und Aminogruppe
Aminosäuren mit aromatischer Seitenkette
Phenylalanin (Phe, F)
Abb.S.50
o R = Phenylring
o Leicht hydrophob
Tyrosin (Tyr, Y)
Abb.S.50
o Aromatischer Ring enthält reaktionsfreudige Hydroxylgruppe und
kann wegen delokalisierten π–Elektronen sehr stark UV-Licht
absorbieren
o Weniger hydrophob
Tryptophan (Trp, W)
Abb.S.50
o Aromatischer Ring enthält reaktionsfreudige Hydroxylgruppe und
kann wegen delokalisierten π–Elektronen sehr stark UV-Licht
absorbieren
o Weniger hydrophob
Aminosäuren mit Hydroxylgruppen enthaltenden aliphatischen Seitenketten
Serin (Ser, S)
Abb.S.52
o Wegen Hydroxylgruppe hydrophiler und reaktiver als Ala und Val
Threonin (Thr, T)
Abb.S.52
o Wegen Hydroxylgruppe hydrophiler und reaktiver als Ala und Val
o Zusätzliches Chiralitätszentrum
Cystein (Cys, C)
Abb.S.52
Enthält Sulfhydryl- (sehr reaktionsfreudig) oder Thiol-Gruppe (-SH-). Je 2
dieser Gruppen können sich zu einer Disulfidbrücke (= Oxidation der
freien Schwefelgruppe; kovalente Bindung) vereinigen, welche eine
wichtige Rolle bei der Stabilisierung von Proteinen spielt.
Aminosäuren mit basischen Seitenketten
Lysin (Lys, K)
Abb.S.53
o Seitenkette sehr polar und somit hydrophil
© 2004 Ana Sesartic
6
Endgruppe (primäre Aminogruppe) bei neutralem pH positiv
geladen
Arginin (Arg, R)
Abb.S.53
o Seitenkette sehr polar und somit hydrophil
o Endgruppe (Guanidiniumgruppe) bei neutralem pH positiv geladen
Histidin (His, H)
Abb.S.53
o Häufig im aktiven Zentrum eines Proteins, wo der Imidazolring im
Verlauf enzymatischer Reaktionen Protonen je nach Bedarf
binden oder freisetzen kann
o
Aminosäuren mit sauren Seitenketten
Asparaginsäure (= Aspartat)
Abb.S.54
Glutaminsäure (= Glutamat)
Abb.S.54
Aminosäuren mit carboxamidhaltige Seitenketten
Asparagin (Asn, N)
Abb.S.54
o Ungeladenes Derivat von Aspartat
Glutamin (Gln, Q)
Abb.S.54
o Ungeladenes Derivat von Glutamat
Sieben Aminosäuren haben leicht ionisierbare Seitenketten und sind in der Lage,
Protonen abzugeben oder aufzunehmen, um Reaktionen zu ermöglichen oder
Ionenverbindungen einzugehen.
© 2004 Ana Sesartic
7
3.2 Proteine sind lineare Polymere (50-200 Aminosäuren lang), bei denen die αCarboxylgruppe einer Aminosäure mit der α-Aminogruppe einer zweiten
Aminosäure über eine Peptidbindung verknüpft ist.
Die Biosynthese von Peptidbindungen benötigt Energie. Peptidbindungen sind
kinetisch stabil.
Polypeptidkette: Reihe von über Peptidbindungen verknüpfter Aminosäuren (=
Peptide; haben geringe Anzahl Aminosäuren). Polar. Das Aminoende ist der
Beginn der Polypeptidkette (immer links !).
Hauptkette sind die sich regelmässig wiederholenden Einheiten des Polypeptids,
welche über hohes Potential zur Ausbildung von H-Brücken verfügen.
Seitenketten sind variabel.
Molekulargewicht der meisten Polypeptidketten liegt zwischen 5.5-220 kd (Kilo
Dalton).
Disulfidbrücken: entsteht durch Oxidation von zwei Cysteinresten. Solche
Quervernetzungen findet man v.a. in extrazellulären Proteinen.
© 2004 Ana Sesartic
8
3.2.1 Primärstruktur: Genetisch festgelegte Sequenz der Aminosäuren eines
Proteins.
Nucleotidsequenz der DNA spezifiziert eine komplementäre Nucleotidsequenz der RNA, welche die Aminosäuresequenz im Protein bestimmt,
welche wiederum die 3D Struktur bestimmt.
3.2.2
Peptidbindung: (= C-N Bindung) ist im Prinzip planar und starr, weil ihr
Doppelbindungscharakter die Rotation verhindert. Die anderen Bindungen
sind drehbar und dadurch kommt die 3D Struktur zustande.
Die Peptidbindung ist ungeladen und ermöglicht den verknüpften
Aminosäurepolymeren sich zu dicht gepackten globulären Strukturen
zusammenzulagern. Nahezu alle Peptidbindungen sind in trans-Konfiguration
(α-C auf entgegengesetzten Seiten der Peptidbindung) geknüpft. CisVerknüpfung wäre durch sterische Kollisionen zwischen den Gruppen am α-C
Atom gestört. Die Rotationsfreiheit um zwei der Bindungen jeder Aminosäure
erlauben es Proteinen, sich auf verschiedene Weise zu falten. Die Starrheit
der Peptideinheit und sterischer Platzmangel schränkt die Zahl der ihr
möglichen Strukturen hinreichend ein, um die Proteinfaltung zu ermöglichen.
3.3
Polypeptidketten können sich zu regelmässigen Strukturen wie α-Helix, βFaltblatt, Kehren (β-turn) und Schleifen (Ω-loop) falten.
3.3.1
Wasserstoffbrücken der α-Helix: Die CO-Gruppe einer Aminosäure i bildet
innerhalb der α-Helix eine H-Brücke mit der NH-Gruppe der Aminosäure i+4.
Wasserstoffbrücken stabilisieren die Helix.
Drehsinn einer Helix kann nach rechts oder
links weisen. Grundsätzlich sind aber alle in
Proteinen anzutreffenden α-Helices
rechtsgewunden, da energetisch günstiger
(weniger sterische Kollisionen). Zwei oder
mehr Helices können sich zu einer
Superhelix (coiled coil) umeinander-winden;
einer sehr stabilen Struktur die sich u.a. in
Myosin, Fibrin und Keratin findet.
© 2004 Ana Sesartic
9
3.3.2
Die β-Faltblatt Struktur wird von H-Brücken zwischen den Strängen
stabilisiert
Paralleles β-Faltblatt: benachbarte Stränge verlaufen in gleiche
Richtung
Antiparalleles β-Faltblatt: Laufrichtung benachbarter β-Stränge ist
entgegengesetzt
β-Faltblatt ist vor allem in fettsäurebindenden Proteinen bedeutend.
3.3.3
Polypeptidketten können ihre Richtung umkehren, indem sie Kehren und
Schleifen ausbilden. Kehren (Abb.S.66) und Schleifen liegen stets an der
Oberfläche eines Proteins.
Sekundärstrukturen
Parallele und antiparallele β-Faltblatt-Struktur, wird von
Wasserstoffbrücken zwischen den Strängen stabilisiert.
α-Helices
Biegungen (Kehren und Schleifen)
Verteilung von α-Helices, β-Faltblatt, Kehren und Schleifen entlang einer
Proteinkette. ≈ räumliche Anordnung von Aminosäureresten.
3.4
Tertiärstruktur: 3D Struktur einer ganzen Polypeptidkette. Wasserlösliche
Proteine falten sich zu kompakten Strukturen mit einem unpolaren Kern.
≈ räumliche Beziehung von Aminosäureresten. Muster der Disulfidbrücken.
Polypeptidkette faltet sich spontan so, dass die hydrophoben Seitenketten im
Inneren verborgen sind und die polaren, geladenen Reste an der Oberfläche
liegen (= ist thermodynamisch stabiler).
amphipatisch: hydrophob im
Inneren des Moleküls, polar auf der Oberfläche.
"Ausnahme" Porin: Aussenseite hydrophob, Zentrum des Moleküls polar,
bildet wassergefüllten Kanal.
Domäne: kompakte globuläre Einheit, 30-400 Aminosäuren lang.
3.5
Quartärstruktur: räumliche Anordnung von Untereinheiten (einzelnen
Polypeptidketten) und die Art ihrer Wechselwirkungen miteinander.
3.6
Aminosäuresequenz eines Proteins legt dessen 3D Struktur fest.
Sequenz
Konformation
© 2004 Ana Sesartic
10
3.6.1
Aminosäuren zeigen unterschiedliche Neigungen zur Ausbildung von αHelices, β-Faltblatt und Kehren. Oftmals entscheidet das Umfeld über die
endgültige Konformation.
α-Helices: Glutamat, Alanin, Leucin
β-Faltblatt: Valin und Isoleucin
Kehren: Glycin, Asparagin, Prolin
3.6.2
Die Faltung von Proteinen ist ein hochkooperativer Vorgang. Proteine
lassen sich durch Hitze oder chemische Substanzen denaturieren. Die
Faltung / Entfaltung von Proteinen folgt einem Alles-oder-nichts Prinzip.
Bedingungen, die nur einen Teil des Proteins in seiner Integrität stören,
wirken sich mit grosser Wahrscheinlichkeit auf das gesamte Protein aus. Eine
kooperative Faltung stellt sicher, dass sich teilweise gefaltete Strukturen, die
mit Vorgängen innerhalb der Zelle wechselwirken könnten, nicht ansammeln
können.
3.6.3
Die Proteinfaltung verläuft über eine fortschreitende Stabilisierung von
Zwischenprodukten und nicht durch zufälliges Ausprobieren. Da die
Stabilisierung relativ schwach ist, können korrekte Zwischenprodukte verloren
gehen, v.a. solche die früh im Faltungsprozess entstehen.
3.6.4
Die Vorhersage der 3D Struktur aus den Aminosäuren ist sehr schwierig.
3.6.5
Durch Modifikation und Spaltung erhalten Proteine neue Eigenschaften. Das
Anfügen von Zuckerresten macht ein Protein hydrophiler, das Anfügen einer
Fettsäure an eine α-Aminogruppe oder eine Cysteinsulfhydrylgruppe macht
ein Protein hydrophober.
Ein Gen bestimmt eine Polypeptidkette (Protein)
Erforschung der Proteine (Kapitel 4, Seiten 77-104)
4.0.1
Proteom: funktionelle Expression von Information des Genoms. Art, Funktion
und Interaktion von Proteinen die zu einer funktionellen Einheit gehören.
4.1
Die Aufreinigung eines Proteins ist der erste Schritt zum Verständnis seiner
Funktion.
4.1.1
Assay: Test auf irgendeine besondere Eigenschaft des Proteins, die hilft das
zu suchende Protein zu erkennen.
Spezifische Aktivität: Verhältnis der Enzymaktivität zur Proteinmenge im
Enzymassay. Ziel der Aufreinigung ist die Maximierung der spezifischen
Aktivität.
4.1.2
Damit ein Protein aufgereinigt werden kann, muss es aus der Zelle freigesetzt
werden. Homogenisat (aufgebrochene Zellen)
Differenzierte Zentrifugation (ergibt Fraktionen abnehmender Dichte)
© 2004 Ana Sesartic
11
4.1.3
Proteine lassen sich entsprechend ihrer Grösse, Löslichkeit, Ladung und
Bindungsaffinität aufreinigen.
Aussalzen: Löslichkeit der meisten Proteine wird durch hohe
Salzkonzentrationen herabgesetzt.
Dialyse: Trennung der Proteine von kleinen Molekülen durch
semipermeable Membran.
Gelfiltrationschromatographie: Auftrennung nach Grösse. Grosse
Moleküle passieren die Säule schneller und verlassen sie zuerst, weil
ihnen nur ein kleineres Volumen zugänglich ist.
Ionenaustauschchromatographie: Trennung aufgrund der Nettoladung.
Affinitätschromatographie: Affinität der Proteine zu bestimmten
chemischen Gruppen. Isolierung von Transkriptionsfaktoren.
Hochdruckflüssigkeitschromatographie: Grösseres
Auflösungsvermögen und schnelle Auftrennung.
4.1.4
Gelelektrophorese: Molekül mit einer Nettoladung wandert in einem
elektrischen Feld. Proteine werden getrennt und anschliessend sichtbar
gemacht. Kleine Proteine wandern rasch durchs Gel, Grosse bleiben oben,
nahe der Probenauftragsstelle.
Isoelektrische Fokussierung: Trennung aufgrund des relativen Gehalts an
sauren und basischen Resten. Isoelektrische Punkt (pI) = pH bei dem
Nettoladung eines Proteins null beträgt.
Zweidimensionale Gelelektrophorese: Kombination aus isoelektrischer
Fokussierung und SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese.
4.1.5
Quantitative Auswertung der Aufreinigung:
Gesamtprotein
Gesamtaktivität
Spezifische Aktivität
Ausbeute
Reinheitsgrad
4.1.6
Die Ultrazentrifugation eignet sich zur Trennung von Biomolekülen und zur
Bestimmung des Molekulargewichts. Der Sedimentationskoeffizient
beschreibt Verhalten des Teilchens unter Einfluss der Zentrifugalkraft.
Sedimentationsgeschwindigkeit ist bestimmt durch Masse, Form, Dichte des
Teilchens und Dichte der Lösung.
Zonen-, Banden-, bzw. Dichtegradientzentrifugation: Auftrennen von
Proteinen mit unterschiedlichen Sedimentationskoeffizienten.
Sedimentationsgleichgewichtszentrifugation: Bestimmung von Molekulargewichten unter nicht-denaturierenden Bedingungen, bei denen die Quartärstruktur erhalten bleibt.
4.1.7
Die Masse eines Proteins kann durch Massenspektrometrie präzise
bestimmt werden. Die Proteinprobe wird durch einen Laserstrahl ionisiert. Ein
elektrisches Feld beschleunigt die gebildeten Ionen Richtung Detektor. Die
leichtesten Ionen erreichen den Detektor zuerst. Ausserdem wird die Flugzeit
gemessen.
© 2004 Ana Sesartic
12
4.2
Der Abbau von Proteinen
nach Edman: Markierung
des N-Terminus mit
einem chemischen Agens.
Danach Entfernung einer
Aminosäure nach der
anderen. Somit Ermittlung
der Aminosäuresequenz.
Wenn die Sequenz bekannt
ist, kann man nach dem
Gen suchen, welches das
Protein kodiert hat. Man
kann Proteine spezifisch in
kleine Peptide zerlegen, um
die Analyse zu erleichtern.
Denn die Reaktionen des
Edman-Abbaus, v.a. der
Abspaltungsschritt laufen
nicht zu 100% ab. Somit
setzen pro Reaktionsschritt
nicht alle Peptide im
Reaktionsgemisch das
Aminosäurederivat frei.
Diagonale Elektrophorese: Über Disulfidbrücken verknüpfte Peptide werden
in horizontale Richtung elektrophoretisch aufgetrennt und anschliessend mit
Perameisensäure behandelt. Dann folgt eine Elektrophorese in vertikaler
Richtung. Somit wird die ursprüngliche Position der Disulfidbrücken bestimmt.
4.2.1
Die Sequenz eines bestimmten Proteins kann mit allen anderen bekannten
Sequenzen verglichen werden, um mögliche wichtige Ähnlichkeiten
aufzuspüren.
Der Vergleich von Sequenzen des gleichen Proteins in verschiedenen Arten
liefert Informationen über Evolutionswege.
Aminosäureanalysen können sich wiederholende Sequenzen aufspüren.
Viele Proteine enthalten Aminosäuresequenzen, die als Signale wirken und
den Bestimmungsort eines Proteins festlegen oder seine Prozessierung
steuern.
Sequenzdaten liefern die Grundlage für die Erzeugung spezifischer
Antikörper gegen ein bestimmtes Protein.
Aminosäuresequenzen sind wertvoll zur Herstellung von spezifischen DNASonden, die das Gen erkennen, welches das entsprechende Protein kodiert.
4.2.2
Genom- und Proteomanalyse sind komplementäre Ansätze, um die
strukturelle Grundlage der Proteinfunktion aufzudecken.
4.3
Die Immunologie liefert wichtige Methoden zur Untersuchung von Proteinen.
4.3.1
Gegen ein Protein lassen sich spezifische Antikörper (Immunoglobuline)
herstellen. Ein Antikörper erkennt auf einem grossen Molekül eine spezielle
Gruppe von Aminosäuren, die antigene Determinante (= Epitop). Zellen
produzieren viele verschiedene Antikörper, die jeweils ein anderes
Oberflächenmerkmal desselben Antigens (fremdes Protein, Polysaccharid
oder Nucleinsäure) erkennen (polyklonale Antikörper).
© 2004 Ana Sesartic
13
4.3.2
Monoklonale Antikörper sind identisch und werden von Klonen produziert,
die jeweils aus einer antikörperproduzierenden Zelle hervorgehen. Sie
erkennen nur ein einzelnes Epitop und sind leicht herzustellen, wenn man
kurzlebige antikörperproduzierende Zellen mit unsterblichen Myelomzellen
fusioniert. Monoklonale Antikörper werden auch in vielen Assays verwendet
(z.B. Nachweis von Isoenzymen im Blut nach Herzinfarkt oder Untersuchung
von Bluttransfusionen auf AIDS).
4.3.3
Mithilfe eines enzymgekoppelten immunoassays (ELISA) lassen sich
Proteine nachweisen und quantifizieren. Dabei wird ein Enzym, dass ein
farbloses Substrat in ein farbiges Produkt umsetzt, an einen spezifischen
Antikörper gekoppelt, der an das gesuchte Protein bindet.
Indirekter ELISA: Intensität der Farbentwicklung als Mass für Menge an
Antikörpern
Nachweis für Vorhandensein von Antikörpern
"Sandwich"-ELISA: Farbreaktion proportional zur Menge des Antigens
Nachweis und Quantifizierung von Antigenen.
4.3.4
Western-Blotting erlaubt den Nachweis von per Gelelektrophorese
aufgetrennten Proteinen. Proteine werden von Gel auf Polymerschicht
übertragen und mit einem radioaktiven Antikörper markiert. Auf dem
Autoradiogramm erscheint dann eine Bande, die dem gesuchten Protein
entspricht.
4.3.5
Mit Fluoreszenzstoffen lassen sich Proteine in Zellen sichtbar machen.
Somit kann man die Lokalisation eines Proteins in der Zelle aufzeigen. Ein
grün fluoreszierendes Protein GFP wird aus einer Qualle gewonnen.
© 2004 Ana Sesartic
14
Enzyme: Grundlegende Konzepte und Kinetik (Kapitel
8, Seiten 210-241)
8.1
Enzyme sind leistungsstarke und hochspezifische (bezüglich Reaktion und
Reaktand) Katalysatoren. Sie beschleunigen Reaktionen ums Millionenfache.
Proteolytische Enzyme katalysieren die Hydrolyse von Peptidbindungen
(und Esterbindungen).
Spezifität eines Enzyms hängt von der Wechselwirkung des Substrats mit
dem Enzym ab. Dies resultiert aus der 3D Struktur des Enzymproteins
8.1.1
Viele Enzyme benötigen für Ihre Aktivität Cofaktoren.
Apoenzym + Cofaktor = Holoenzym
Cofaktoren sind Metalle oder kleine organische Moleküle, welche sich oft von
Vitaminen ableiten. Wenn fest gebunden, nennt man sie prosthetische
Gruppe.
8.1.2
Enzyme können verschiedene Energieformen ineinander umwandeln. Z.B.
bei der Photosynthese
8.1.3
Enzyme klassifiziert man anhand der Rektionstypen die sie katalysieren.
Oxidoreduktasen
Oxidation-Reduktion
Transferasen
Gruppenübertragung
Hydrolasen
Hydrolysereaktion (Übertragung funktioneller Gruppen auf
Wasser) Peptidbindung!
Lyasen
Hinzufügen / Entfernen von Gruppen zur Bildung von
Doppelbindungen
Isomerasen
Isomerisierung (intramolekulare Gruppenübertragung)
Ligasen
Ligation zweier Substrate auf Kosten der ATP-Hydrolyse
8.2
Die freie Enthalpie ist eine wichtige thermodynamische Funktion zum
Verständnis von Enzymen.
8.2.1
Die Änderung der freien Enthalpie liefert Informationen über die
Spontaneität einer Reaktion, aber nicht über ihre Geschwindigkeit.
∆G < 0
spontan
∆G = 0
Gleichgewicht
∆G > 0
NICHT spontan
∆G ist vom Weg (molekularem Mechanismus) der Umwandlung unabhängig.
Es sagt nichts über die Geschwindigkeit der Reaktion aus.
© 2004 Ana Sesartic
15
8.2.2
Änderung der freien Enthalpie
∆G = ∆G° + RT ln
[C ][ D]
[ A][ B]
wenn A + B R C + D
∆G hängt von der Art der Reaktionspartner und ihren Konzentrationen ab.
∆G°': Änderung der freien Standardenthalpie bei pH7.
∆G° ' = − RT ln K ' = −2.303RT log K '
−∆G
K ' = 10 5.71
8.2.3
Enzyme können nur die Reaktionsgeschwindigkeit, aber nicht das
Reaktionsgleichgewicht verschieben. Einstellung des Gleichgewichts hängt
nur vom Unterschied zwischen der freien Enthalpie der Edukte und Produkte
ab.
8.3
Enzyme beschleunigen Reaktionen
durch Erleichterung der Bildung von
Übergangszuständen (senken der
Aktivierungsenergie).
Übergangszustand hat höhere freie
Enthalpie als Substrat oder Produkt.
Aktivierungsenergie ist Differenz
zwischen der freien Enthalpie des
Übergangszustands und der des
Substrats. Geschwindigkeit der
Reaktion ist proportional zur
Konzentration des Substrats im
Übergangszustand. Das Wesen der
Katalyse besteht in der spezifischen
Bindung des Übergangs-zustandes.
Enzyme stabilisieren den Übergangszustand durch selektive Bindung.
Dadurch senken sie die Aktivierungsenergie für eine Reaktion.
8.3.1
Die Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes (ES-Komplex) ist der erste
Schritt bei der enzymatischen Katalyse.
Aktives Zentrum: Region des Enzyms an das die Substrate gebunden
werden.
Beweise für Existenz von ES-Komplexen
Enzymkatalysierte Reaktionen erreichen eine Maximalgeschwindigkeit
Hinweis auf Bildung definierter ES-Komplexe
Röntgenstrukturanalysen aktiver Zentren
Spektroskopische Eigenschaften der ES-Komplexe im Unterschied zu
Enzymen und Substraten
8.3.2
Gemeinsame Eigenschaften der aktiven Zentren:
Das aktive Zentrum (AZ) ist eine 3D Spalte, die von vielen Gruppen
aus verschiedenen Abschnitten der Aminosäuresequenz gebildet wird.
Das AZ stellt nur einen relativ kleinen Teil des Gesamtenzyms dar.
Aktive Zentren sind höhlen- oder spaltenförmig
Substrate werden durch viele schwache Kräfte an das Enzym
gebunden
Die Bindungsspezifität ist von der definierten Anordnung der Atome im
aktiven Zentrum abhängig.
© 2004 Ana Sesartic
16
Induced Fit: Die aktiven Zentren einiger Enzyme haben erst nach der
Bindung des Substrats eine dazu komplementäre Form.
Katalytische Gruppen: Aminosäurereste die direkt am Trennen / Bilden von
Bindungen teilnehmen.
8.4
Michaelis-Menten-Modell ist nur auf Steady State (Fliessgleichgewicht)
anzuwenden. Bei vielen Enzymen variiert die Katalysegeschwindigkeit V0
(welche als Anzahl pro Sekunde entstehenden Mole des Produkts definiert
ist) mit der Substratkonzentration. Bei der Katalyse muss ein spezifischer ESKomplex als Zwischenprodukt auftreten.
k1
k2
E + S R ES → E + P
k−1
Annahme eines Steady State: V0 = Vmax
Bei [ S ] = K m ist V0 =
Vmax
2
[S ]
[S ] + Km
;
Km =
k−1 + k2
k1
. Km entspricht also der Substratkonzentration, bei
der die Reaktionsgeschwindigkeit die Hälfte ihres Maximalwerts erreicht.
8.4.1 Die Bedeutung der Km und Vmax Werte
Km: Dissoziationskonstante des ES-Komplexes, wenn k2 sehr klein gegenüber
k-1 ist.
Mass für die Stabilität des ES-Komplexes ≈ Substratkonzentration in
der Zelle. KM = Vmax/2
Vmax: Anzahl von Substratmolekülen, die – bei vollständiger Sättigung des
Enzyms mit Substrat – pro Zeiteinheit in das Produkt umgewandelt werden.
Nie real messbar. Reaktion 1. Ordnung bei tiefer Konzentration. Wenn alle
aktiven Zentren gebunden sind, ist Vmax erreicht (konstant)
Reaktion 0.
Ordnung.
8.4.2
Das kinetische Optimum der enzymatischen Katalyse: Kkat/KM-Kriterium =
Mass katalytischer Effizienz. Geschwindigkeitskonstante für Wechselwirkung.
kkat
[ E ][ S ]
Km
Wenn [ S ] K m , hängt die enzymatische Geschwindigkeit von den Werten
V0 =
für Kkat/KM, [S] und [E]T ab.
kkat
kkat
k1 < k1
=
K m kkat + k−1
Die Bildungsgeschwindigkeit des ES-Komplexes kann nicht grösser werden
als die Geschwindigkeit der diffusionskontrollierten Begegnung von Enzym
und Substrat.
Kinetische Perfektion: Katalysegeschwindigkeit wird nur durch die
Geschwindigkeit beschränkt, mit der sie in der Lösung ihrem Substrat
begegnen. (Z.B. Cholinesterase; Reaktion nur diffusionslimitiert)
kkat
Km
= 108 bis 109 = obere Limite der diffusionslimitierten Geschwindigkeit.
Circe-Effekt: Nutzung von Anziehungskräften, um ein Substrat in ein
Zentrum zu dirigieren, in dem es eine Strukturumwandlung erfährt.
8.4.3
Die meisten biochemischen Reaktionen beinhalten mehrere Substrate.
Sequenzielle Verdrängung: zuerst binden alle Substrate an das Enzym, ehe
das Produkt gebildet wird. Es bildet sich ein ternärer Komplex des Enzyms
© 2004 Ana Sesartic
17
und beider Substrate, welcher nach der Katalyse aus dem Enzym und den
Produkten besteht.
Viele Enzyme, die NAD+ oder NADH als Substrat haben reagieren nach dem
geordneten sequenziellen Mechanismus, ein Beispiel für zufälligen
sequenziellen Mechanismus ist die Bildung von Keratinphosphat.
Doppelte Verdrängung (Pingpong – Reaktion): Produkt(e) werden
freigesetzt noch bevor alle Substrate an das Enzym gebunden sind.
substituiertes Enzym-Zwischenprodukt in dem das Enzym zeitweilig
modifiziert ist. Bsp. Reaktion: Austausch von Aminogruppen zwischen
Aminosäuren und α-Ketosäuren.
8.4.4
8.5
Allosterische Enzyme gehorchen nicht der Michaelis-Menten-Kinetik. Sie
können ihre katalytischen Eigenschaften anpassen und haben eine sigmoide
Kurve (= S-Kurve)
kooperative Substratbindung: Bindung des Substrats an
ein aktives Zentrum des Enzyms erleichtert die Substratbindung an die
anderen aktiven Zentren.
Enzyme können durch spezifische Moleküle gehemmt werden.
Irreversibler Inhibitor: fest gebunden,
dissoziiert nur sehr langsam vom Enzym
weg. Z.B. Aspirin, Penicillin
Reversibler Inhibitor: schnelle
Dissoziation des Enzym-InhibitorKomplexes
Kompetitive Hemmung: kompetitiver
Inhibitor vermindert die Katalysegeschwindigkeit indem er den Anteil der
Enzymmoleküle mit gebundenem
Substrat verringert; KM grösser. Enzym
kann entweder Substrat oder Inhibitor
binden, aber nicht beide. Kann durch
genug hohe Substratkonzentration
überwunden werden. [Abb.8.17 S.232]
Nichtkompetitive Hemmung:
Reversibel. Inhibitor und Substrat können
gleichzeitig an unterschiedlichen
Bindungsstellen von demselben
Enzymmolekül gebunden werden, aber
Enzym funktioniert nicht, da durch
Inhibitorbindung Enzymform verändert
wird.
Erniedrigung der Wechselzahl
eines Enzyms. Lässt sich nicht durch Erhöhung der Substratkonzentration
aufheben. [Abb.8.18 S.232]
Gemischte Hemmung: Inhibitor beeinträchtigt Substratbindung und
Wechselzahl eines Enzyms.
8.5.1
Kompetitive und nichtkompetititve Hemmung lassen sich kinetisch
Unterscheiden.
Kompetitiv: kann durch ausreichend hohe Substratkonzentration
überwunden werden.
Nicht-Kompetitiv: lässt sich nicht durch Erhöhung der Substratkonzentration
ausschalten.
8.5.2
Irreversible Inhibitoren können zur Untersuchung des aktiven Zentrums
verwendet werden. Drei Kategorien von Irreversiblen Inhibitoren sind:
© 2004 Ana Sesartic
18
Gruppenspezifische Reagenzien: reagieren mit spezifischen R-Gruppen
von Aminosäuren.
Substratanaloga / Affinitätsmarker: Moleküle, die dem Substrat des
Enzyms strukturell ähnlich sind. Ahmt das normale Substrat nach, indem es
sich ans AZ bindet und modifiziert das Enzym kovalent, sodass das Enzym
irreversibel inhibitiert wird.
Selbstmordinhibitoren / mechanismusbasierte Inhibitoren: modifizierte
Substrate, mit denen sich ein aktives Zentrum eines Enzyms am
spezifischsten modifizieren lässt. Zwischenprodukt inaktiviert das Enzym
durch kovalente Modifikation.
8.5.3
Analoga des Übergangszustands sind starke Enzyminhibitoren. Z.B. die
Racemisierung von Prolin verläuft über einen Übergangszustand, in dem der
tetraedrische α-Kohlenstoff durch den Verlust eines Protons trigonal-planar
wird. Der α-Kohlenstoff dieses Inhibitors ist trigonal-planar, genau wie der des
Übergangszustands.
Selektive Bindung des Übergangszustands
(Übergangszustand wird stabilisiert)!
8.5.4
Katalytische Antikörper (Abzyme) demonstrieren die Wichtigkeit der
selektiven Bindung des Übergangszustands für die Enzymaktivität. Es sind
Antikörper, die Übergangszustände (als Antigen) erkennen, und als
Katalysatoren fungieren. Abzyme stabilisieren den Übergangszustand und
sind dadurch katalytisch wirksam.
Bedeutung der Übergangszustandsanaloga:
Vermitteln Einblicke in den Katalysemechanismus
Wirkungsvolle und spezifische Enzyminhibitoren
Immunogene, die neuartige Katalysatoren erzeugen
8.5.5
Penicillin hemmt irreversibel die Transpeptidase, ein Schlüsselenzym der
Zellwandsynthese in Bakterien. Das reaktive Zentrum des Penicillins ist die
Peptidbindung in seinem β-Lactamring. Das Penicillin hemmt die
quervernetzende Transpeptidase indem es mit ihr reagiert und einen stabilen
inaktiven Komplex bildet. Diese Penicilloyl-Enzym-Komplex reagiert nicht
weiter.
8.6
Vitamine sind organische Moleküle, die in kleinen Mengen in der Nahrung
einiger höherer Tiere vorkommen müssen.
Ihre biosynthetischen Reaktionswege sind komplex. Es ist darum effizienter
sie zu sich zu nehmen, als Enzyme zu synthetisieren, die zu ihrem Aufbau
nötig sind.
© 2004 Ana Sesartic
19
8.6.1
Wasserlösliche Vitamine fungieren als Coenzyme, so z.B. Ascorbinsäure
(Vitamin C) und Vitamin-B-Komplex. Die B-Vitamine sind Bestandteile von
Coenzymen. Alle Vitamine (ausser C) müssen modifiziert werden, ehe sie
ihre Funktion erfüllen können.
Kollagen, das in Abwesenheit von Ascorbat synthetisiert wird, ist weniger
stabil als das normale Protein. Die durch ungenügende Hydroxylierung des
Kollagens gebildeten abnormalen Fasern tragen zu Hautläsionen und der
Brüchigkeit der Blutgefässe bei, die man bei Skorbut beobachtet. Vitamin C
Mangel führt also zu Skorbut.
8.6.2
Fettlösliche Vitamine sind an so unterschiedlichen Prozessen wie der
Blutgerinnung und dem Sehvorgang beteiligt.
Vitamin K: Blutgerinnung
Vitamin A: Sehpigmente, Wachstum
Vitamin D: Knochenbildung
Vitamin E: Fruchtbarkeit
Katalytische Strategien (Kapitel 9, Seiten 249-268)
9
Serinprotease: (Bsp.Chymotrypsin) führen Reaktion durch, die bei neutralem
pH und ohne Katalysator unmessbar langsam abläuft.
Carboanhydrasen: müssen hohe absolute Reaktionsgeschwindigkeit
erzielen, um mit anderen schnellen physiologischen Prozessen Schritt halten
zu können.
Restriktionsendonucleasen: (Bsp.EcoRV) hohe Spezifizität.
Nucleosidmonophosphat-Kinasen (NMP-Kinasen): übertragen eine
Phosphorylgruppe vom ATP auf ein Nucleotid.
9.0.1
Einige grundlegende katalytische Mechanismen sind vielen Enzymen
gemeinsam:
Kovalente Katalyse: das aktive Zentrum enthält eine reaktive
Gruppe, die im Verlauf der Katalyse kovalent verändert wird. (Bsp.
Chymotrypsin)
© 2004 Ana Sesartic
20
Allgemeine Säure-Base-Katalyse: ein anderes Molekül als Wasser
ist Protonendonor/-akzeptor.
Metallionenkatalyse: Metallion als elektrophiler Katalysator, Erzeuger
nucleophiler Gruppe, Erhöher der Bindungsenergie durch Bindung ans
Substrat (Bsp. NMP-Kinase)
Katalyse durch Annäherung: zwei Substrate auf einer Bindungsoberfläche des Enzyms und dadurch Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit.
9.1
Proteasen ermöglichen eine schwer durchführbare Reaktion. Sie spalten
Proteine durch eine Hydrolysereaktion (= Addition eines Wassermoleküls an
eine Peptidbindung). Resonanzstruktur verleiht der Peptidbindung
Doppelbindungs-charakter. Enzym, dass die Bindung spalten will, muss also
nucleophilen Angriff auf die Carbonylgruppe ermöglichen.
9.1.1
Chymotrypsin besitzt einen hochreaktiven Serinrest. Es spaltet Peptidbindungen an der Carboxylseite von Aminosäuren mit aromatischen oder
grossvolumigen hydrophoben Seitenketten.
9.1.2 Die Chymotrypsinreaktion (Hydrolyse durch Chymotrypsin) erfolgt in zwei
Schritten, die über ein kovalent gebundenes Zwischenprodukt miteinander
verknüpft sind.
1) Phase des schnellen Anstiegs (burst) vor Erreichen des Gleichgewichts
Acylierung
Acyl-Enzym-Zwischenprodukt
2) Gleichgewichtsphase:
Deacylierung
freies Enzym
9.1.3
Serin ist Teil einer katalytischen Triade mit Histidin und Aspartat. Über
Aufbau von H-Brücken durch Histidin und Aspartat wird Reaktivität des Serins
erhöht. Sie wandelt Serin in eine starke nucleophile Gruppe um, machen es
also viel saurer. Histidin positioniert Serinkette und polarisiert deren
Hydroxygruppe. Dadurch wirkt der Rest als Basenkatalysator (Akzeptor für HIonen). Der Aspartatrest stützt die Orientierung des Histidins und macht es zu
besseren Protonenakzeptor.
© 2004 Ana Sesartic
21
Peptidhydrolyse durch Chymotrypsin:
1) Substratbindung
2) Nucleophiler Angriff verändert Geometrie in Umgebung des C-Atoms.
Tetraedrisches Zwischenprodukt entstanden. Ladung stabilisiert durch
Oxyaniontasche
3) Zwischenprodukt zerfällt und Acyl-Enzym entsteht
4) Aminogruppe löst sich vom Enzym.
5) Wasser ersetzt Aminogruppe
6) Estergruppe des Acyl-Enzyms wird hydrolysiert
7) Carbonsäureprodukt bildet sich und wird freigesetzt
Oxyaniontasche stabilisiert das tetraedrische
Zwischenprodukt durch Stabilisierung der negativen
Ladung im Enzym. H-brücken verknüpfen Peptid-NHGruppen mit dem negativ geladenen Sauerstoffatom.
Hydrophobe Tasche von Chymotrypsin (S1-Tasche) ist verantwortlich für die
Substratspezifizität. Die Bindung einer geeigneten Seitenkette in diese
Tasche positioniert die daran anschliessende Peptidbindung im aktiven
Zentrum für die Spaltung.
9.1.4
Katalytische Triaden kommen auch bei anderen hydrolytischen Enzymen vor.
Trypsin: spaltet Peptidbindungen nach Aminosäuren mit langen, positiv
geladenen Seitenketten (Arginin und Lysin).
Elastase: spaltet Peptidbindungen nach Aminosäuren mit kleinen
Seitenketten.
9.1.5
Die katalytische Triade wurde mithilfe ortspezifischer Mutagenese genau
untersucht.
9.1.6
Cystein-, Aspartat- und Metalloproteasen sind weitere wichtige Klassen von
peptidspaltenden Enzymen. Bei jeder dieser drei Enzymklassen besitzt das
aktive Zentrum Merkmale, welche die Aktivierung von Wasser oder einer
anderen nucleophilen Gruppe sowie die Polarisierung der Peptidcarbonylgruppe und die anschliessende Stabilisierung eines tetraedrischen
Zwischenprodukts ermöglichen.
Cysteinproteasen: Cystinrest, der von einem Histidinrest aktiviert wird,
übernimmt die Funktion der nucleophilen Gruppe
Aspartatproteasen: Paar von Asparaginsäureresten im aktiven Zentrum
wirken zusammen und ermöglichen es einem Wassermolekül eine
Peptidbindung anzugreifen.
Metalloproteasen: Aktives Zentrum enthält eine gebundenes Metallion.
9.1.7
Proteaseinhibitoren sind wichtige Medikamente. Z.B. bei der Behandlung
von Bluthochdruck, AIDS, etc.
9.2 Carboanhydrasen machen schnelle Reaktionen noch schneller. Z.B.
Beschleunigen die CO2-Hydratisierung und helfen das CO2 leichter und
schneller in der Lunge aus der gelösten Form im Blut ins Gas umzuwandeln
und auszuatmen.
9.2.1
Carboanhydrasen enthalten ein gebundenes Zink-Ion, das für die
katalytische Aktivität essenziell ist. Metallionen sind reaktiv weil: positiv
geladen, verschiedene stabile Oxidationszustände, Bildung von starken aber
kinetisch instabilen Bindungen.
© 2004 Ana Sesartic
22
9.2.2
Bei der Katalyse kommt es zur
Aktivierung eines Wassermoleküls
durch Zink. Wasser wird dabei
reaktiver (saurer) gemacht, da es an
Zn2+ Zentrum gebunden ist. Die
Bindung eines Wassermoleküls an
Zink begünstigt die Bildung eines
Übergangszustands, dabei kommt es
durch die Freisetzung des Protons und
durch Zusammenbringen der beiden
Reaktanden zur Bildung von
Hydrogencarbonat.
9.2.3
Ein Protonen-Shuttle ermöglicht die schnelle Regeneration der aktiven
Enzymform. Histidin zieht von dem zinkgebundenen Wassermolekül ein
Proton ab. Dadurch entsteht ein nucleophiles Hydroxyion und ein protoniertes
Histidin. Der Puffer entfernt aus dem Histidinrest ein Proton, sodass wieder
die deprotonierte Form entsteht.
9.2.4
Durch konvergente Evolution sind bei verschiedenen Carboanhydrasen aktive
Zentren auf der Basis von Zink entstanden.
α-Carboanhydrasen: zu menschlichen Enzymen homolog; bei Tieren,
einigen Bakterien und Algen; drei Histidinreste
β-Carboanhydrasen: bei höheren Pflanzen und zahlreichen Bakterien.
Ein Histidinrest
γ-Carboanhydrasen: bei Archaea; mit linksgängiger β-Helix
Lipide und Zellmembranen (Kapitel 12, Seiten 349-374)
12
Biologische Membran definiert die innere und äussere Seite einer Zelle. Es
ist eine dynamische Struktur, in der Proteine (Transportsystem, verleiht
selektive Permeabilität) in einem Meer von Lipiden (Permeabilitätsschranke)
schwimmen. Beim Metabolismus baut die Zelle einen Protonengradienten
über die Membran auf. Ionengradienten sind eine Form der Energiekonservierung. Membranen schützen die Zelle und sorgen für
Komparmentierung und Aufbau eines Ionengradienten.
12.1
Gemeinsame Merkmale der Membranen
Blattartige, 2 Moleküle dicke Strukturen, die geschlossene Grenzen
bilden.
Bestehen hauptsächlich aus Lipiden und Proteinen, enthalten auch
Kohlenhydrate.
Membranlipide haben hydrophilen und hydrophoben Anteil.
Lipiddoppelschichten sind Barrieren für die Passage polarer Moleküle.
Spezifische Proteine vermitteln spezielle Membranfunktionen: Pumpen,
Kanäle, Rezeptoren, Energieüberträger und Enzyme.
Sind nicht-kovalente Molekülanordnungen.
Sind asymmetrisch (Innen- und Aussenseiten unterscheiden sich).
© 2004 Ana Sesartic
23
Sind flüssige Strukturen ("2D Lösungen gerichteter Proteine und Lipide")
Meist elektrisch polarisiert (Innenseite negativ, -60mV)
12.2
Fettsäuren sind die Hauptbestandteile der Lipide und zuständig für ihr
hydrophobes Verhalten.
12.2.1 Fettsäuren: Kohlenwasserstoffketten (KW-Ketten), die mit einer
Carboxylgruppe enden.
ω-Kohlenstoffatom: Kohlenstoff der Methylgruppe am äusseren Ende der
Kette
12.2.2 Fettsäuren variieren in Kettenlänge und Sättigungsgrad. Am häufigsten
sind Fettsäuren mit 16 und 18 C-Atomen. Ungesättigte Fettsäuren besitzen
Doppelbindungen und haben einen niedrigeren Schmelzpunkt als gesättigte.
Kurze Ketten und Doppelbindungen erhöhen die Fluidität der Fettsäuren und
ihrer Derivate.
12.3
Lipide sind wasserunlösliche Biomoleküle, die in organischen Lösungsmitteln
wie Chloroform sehr gut löslich sind. Sie dienen als Brennstoffmoleküle,
hochangereicherte Energiespeicher, Signalmoleküle und Membrankomponenten. Die drei Hauptgruppen von Membranlipiden sind: Phospholipide,
Glykolipide und Cholesterin.
12.3.1 Phospholipide stellen den grössten Anteil der Membranlipide.
Phosphoglyceride: Glycerinskelett an das 2 Fettsäureketten und ein
phosphoryliertes Alkohol gebunden sind. Die wichtigsten Phosphoglyceride
entstehen aus Phosphatidat durch Bildung einer Esterbindung zwischen der
Phosphatgruppe des Phosphatidats und der Hydroxylgruppe eines von
mehreren Alkoholen. [Abb.12.4 und 12.5 S.353f.]
Sphingomyelin: Hat Sphingosinskelett. Von ihm leiten sich kohlenhydrathaltige Glykolipide ab.
12.3.2 Die Membranen der Archaea enthalten Etherlipide mit verzweigten
Alkylketten. Diese Verbindungen sind viel stabiler, was den Archaea u.a.
erlaubt in extremen Bedingungen zu überleben.
12.3.3 Glykolipide enthalten Kohlenhydrateinheiten, die sich immer auf der
extrazellulären Seite der Membran befinden. In tierische Zellen leiten sie sich
von Sphingosin ab. [Abb.S.355]
12.3.4 Cholesterin ist ein Lipid mit einem Steroidgerüst (4 verbundene KW-Ringe).
Es beeinflusst die Fluidität der Membranen.
12.3.5 Ein Membranlipid ist ein amphiphatisches
Molekül mit einem hydrophilen und einem
hydrophobem Anteil.
© 2004 Ana Sesartic
24
12.4 Phospholipide und Glykolipide bilden in wässrigen Medien leicht bimolekulare
Schichten. Die Membranbildung ist eine Konsequenz der amphipathischen
Natur dieser Moleküle. Die bevorzugte Struktur der meisten Phospho- und
Glykolipide in wässrigen Medien ist nicht die Micelle, sondern die
Lipiddoppelschicht. Dies ist ein Prozess der Selbstaggregation (selfassembly). V.a. hydrophobe Kräfte sind für die Bildung von
Lipiddoppelschichten verantwortlich. Van-der-Waals Kräfte zwischen den KWSchwänzen begünstigen eine enge Packung der Ketten. Es bilden sich auch
elektrostatische Bindungen und Wasserstoffbrücken zwischen den polaren
Köpfen und den Wassermolekülen der Umgebung aus.
Micelle (20nm)
Doppelmembran (3nm)
Liposom (50nm)
Lipiddoppelschichten sind kooperative Strukturen:
Bestrebt sich auszubreiten
Neigen zum Zusammenschluss mit sich selbst
Sind selbstreparierend
12.4.1 Aus Phospholipiden können Lipidvesikel (= Liposomen) entstehen,
wässrige Kompartimente, die von einer Lipiddoppelschicht umgeben sind.
Ionen oder Moleküle können im wässrigen Inneren von Liposomen
eingeschlossen werden und in der Form in Zellen eingeschleust werden. Dies
bietet eine Möglichkeit zur medizinischen Anwendung von Liposomen.
12.4.2 Lipiddoppelschichten sind für Ionen und die meisten polaren Moleküle nicht
permeabel. Ausnahme: Wasser kann Membran durchqueren. Die Permeabilitätskoeffizienten (Fähigkeit, die Lipiddoppelschicht zu durchqueren)
kleiner Moleküle stehen mit dem Verhältnis ihrer Löslichkeit in unpolaren
Lösungsmitteln zu der in Wasser in Beziehung.
12.5
Proteine bewerkstelligen die meisten Prozesse an Membranen. Allgemein
enthalten Membranen mit verschiedenen Funktionen unterschiedliche
Proteine. Proteinkomponenten von Membranen lassen sich durch SDSPolyacrylamidgelelektrophorese identifizieren. Austauschprozesse werden
durch Membranproteine vermittelt. Diese müssen auf der Aussenseite apolar
(hydrophob) sein, um sich in der Membran einzunisten.
12.5.1 Proteine sind in der Lipiddoppelschicht unterschiedlich angeordnet.
Integrale Membranproteine stehen in intensiver Wechselwirkung mit dem
KW-Bereich der Lipiddoppelschicht.
Periphere Membranproteine binden an die Oberfläche integraler Membranproteine, bzw. treten in Wechselwirkung mit den polaren Kopfgruppen der
Lipide.
© 2004 Ana Sesartic
25
12.5.2 Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Membranen
Proteine können die Membran mit (apolaren) α-Helices durchziehen
(am häufigsten)
Ein Kanalprotein kann aus β-Strängen gebildet werden (z.B. ein
Porin). Innenseite hydrophil
wässriger Kanal
Eine teilweise Einbettung eines Proteins in die Membran kann zu
seiner Bindung an die Membranoberfläche führen.
12.5.3 Kovalent gebundene hydrophobe Gruppen (Palmitoylgruppe, Farnesylgruppe, Glykosylphosphatidylinositol-(GPI-)Anker) verbinden Proteine mit
Membranen.
12.5.4 Transmembranhelices können aus Aminosäuresequenzen exakt
vorausgesagt werden.
12.6
Lipide und viele Membranproteine diffundieren schnell in der Membranebene.
Ein Lipidmolekül kann so z.B. in einer Sekunde von einem Ende eines
Bakteriums zum anderen gelangen. Einige Proteine sind fast so beweglich
wie Lipide, andere sind praktisch immobil.
12.6.1 Flüssigmosaikmodell erlaubt laterale Bewegung in der Membran, aber
keinen Wechsel der Membranseite. Membranen sind 2D Lösungen
gerichteter Lipide und globulärer Proteine.
Proteine machen keine Flip-Flops! Daher kann die Membranasymmetrie über
lange Zeiträume erhalten bleiben.
Laterale Diffusion: Bewegung entlang der Membranebene. Ist wesentlich
schneller als die transversale (Flip-Flop).
Transversale Diffusion (Flip-Flop): Wanderung eines Moleküls von einer
Membranoberfläche zur anderen.
12.6.2 Fluidität der Membran wird durch Fettsäurezusammensetzung und Cholesteringehalt geregelt. Kurze Ketten und Doppelbindungen (ungesättigte
Fettsäuren) erhöhen die Fluidität (senken den Schmelzpunkt).
Übergangstemperatur fest
flüssig (Tm) hängt von der Länge der Fettsäureketten und ihrem Sättigungsgrad ab. Tm sinkt, wenn eine cis-Doppelbindung
einen Knick in der KW-Kette verursacht. Bakterien regulieren die Fluidität
ihrer Membranen durch Variation der Doppelbindungszahl und der Länge der
Fettsäureketten. Bei Tieren ist Cholesterin der Hauptregulator der Membranfluidität.
12.6.3 Alle biologischen Membranen sind asymmetrisch (innere und äussere
Ober-flächen haben unterschiedliche Bestandteile und Enzymaktivitäten).
© 2004 Ana Sesartic
26
Bsp.: Na+-K+-Pumpe. Membranen werden stets durch Erweiterung bereits
vorhandener Membranen synthetisiert.
12.7
Eukaryontenzellen enthalten Kompartimente, die von inneren Membranen
umgeben sind. Periplasma: Region zwischen zwei Membranen (enthält die
Zellwand). Eukaryontenzellen (mit Ausnahme von Pflanzenzellen) besitzen
keine Zellwände, ihre Zellmembranen bestehen aus einer einzigen Lipiddoppelschicht. In Eukaryontenzellen finden sich Doppelmembranen bei
folgenden Organellen: ER, Mitochondrien, Zellkern.
Bei Bakterien mit zwei Membranen enthält die äussere Porine, die für alle frei
diffundierbar sind. Die Innere Membran enthält selektive Membranproteine.
12.7.1 Proteine werden durch Signalsequenzen zu spezifischen Kompartimenten
gelenkt.
12.7.2 Membranknospung (budding) und –fusion bestimmen viele wichtige
biologische Prozesse. Dadurch können z.B. einige Kompartimente Material
austauschen:
Rezeptorvermittelte Endocytose ist wichtig beim Cholesterinstoffwechsel
o LDL bindet an Rezeptor
o Einstülpung des Komplexes
Vesikel
o Vesikel verschmilzt mit Lysosom, dass den Abbau des LDL und
die Freisetzung des Cholesterins bewirkt.
Neurotransmitterfreisetzung: Synaptische Vesikel verschmelzen mit
Plasmamembran und setzen Neurotransmitter in den Spalt frei.
Der Stoffwechsel: Konzepte und Grundmuster (Kapitel
14, Seiten 407-427)
14.0.1 Zellen wandeln verschiedene Formen von Energie ineinander um.
Energie dient zur:
Ausführung mechanischer Arbeit
Aktiven Transport von Molekülen
Synthese von Makromolekülen und anderen Biomolekülen aus
einfachen Vorstufen
Phototrophe Organismen wandeln Lichtenergie in chemische Energie um.
Chemotrophe Organismen erhalten chemische Energie (welche in
mechanische Energie umgewandelt werden kann) durch Oxidation von
Nährstoffen, die durch phototrophe erzeugt wurden.
14.1
Der Metabolismus = Stoffwechsel = Umwandlung von Molekülen, besteht
aus vielen gekoppelten Reaktionen.
Katabolismus: Umwandlung von Brennstoffen in zelluläre Energie.
Brennstoffe (Kohlenhydrate, Fette)
© 2004 Ana Sesartic
Katabolismus
→
CO2 + H 2O + nutzbare Energie
27
Anabolismus: Synthese; benötigt Energie
Nutzbare Energie + kleine Moleküle
Anabolismus
→
komplexe Moleküle
Amphibolisch: Stoffwechselwege, die je nach Energiebedingungen in der
Zelle anabolisch oder katabolisch sein können.
14.1.1 Eine thermodynamisch ungünstige Reaktion kann durch eine günstige
Reaktion, die mit ihr gekoppelt ist, angetrieben werden. Die Gesamtänderung der freien Enthalpie einer chemisch gekoppelten Serie von
Reaktionen entspricht der Summe der Änderungen der freien Enthalpie der
Einzelschritte. Metabolische Stoffwechselwege entstehen durch enzymatisch
katalysierte Reaktionen, die derart gekoppelt sind, dass die freie Enthalpie
des Stoffwechselweges insgesamt negativ ist.
14.1.2 Adenosintriphosphat (ATP)
ist ein Energiereiches Molekül,
weil seine Triphosphat-Einheit
zwei PhosphorsäureanhydridBindungen enthält. Der ATPADP-Zyklus ist der
fundamentale Mechanismus
des Energieaus-tausches in
biologischen Systemen. Zwei
wichtige Elektronenüberträger, NAD+ und FAD, sind Derivate des ATP.
14.1.3 Die ATP-Hydrolyse treibt den Metabolismus indem sie das Gleichgewicht
gekoppelter Reaktionen verschiebt. Die Hydrolyse von n ATP-Molekülen
ändert das Gleichgewichtsverhältnis einer gekoppelten Reaktion (oder
Reaktionsfolge) um einen Faktor von 108n. Eine thermodynamisch ungünstige
Reaktionsfolge kann also durch Kopplung mit der Hydrolyse einer
ausreichenden Anzahl ATP-Moleküle in eine thermodynamisch günstige
umgewandelt werden.
14.1.4 Die strukturelle Grundlage für das hohe Phosphorylgruppenübertragungspotenzial des ATP:
Resonanzstabilisierung
Elektrostatische Abstossung (bei Hydrolyse des ATP vermindert)
Stabilisierung aufgrund Hydratation
Aus diesen drei Gründen entsteht bei der Hydrolyse der Phosphorylsäureanhydridbindungen viel freie Enthalpie.
14.1.5 Das Phosphorylgruppenübertragungspotenzial ist eine wichtige Form der
Energieumwandlung in der Zelle.
Kreatinphosphat + ADP + H+
14.2
Kreatin − Kinase
U
ATP + Kreatin
Die Oxidation von Kohlenstoffverbindungen ist für die Zelle
eine wichtige Energiequelle. ATP dient als unmittelbarer
Donor freier Enthalpie.
© 2004 Ana Sesartic
28
14.2.1 Verbindungen mit hohem Phosphorylgruppenübertragungspotenzial können
die Kohlenstoffoxidation an die ATP-Synthese koppeln. Die Oxidationsenergie wird anfänglich in einer energiereichen Phosphatverbindung eingefangen
und dann zur Bildung von ATP genutzt.
14.2.2 Ionengradienten über eine Membran sind eine
wichtige Form zellulärer Energie, die an die ATPSynthese gekoppelt werden kann.
Protonengradienten, aufgebaut aus Energie aus
Oxidation von Brennstoffen, können die ATPSynthese antreiben. (= oxidative
Phosphorylierung).
14.2.3 Die einzelnen Abschnitte der Energiegewinnung aus Nahrungsstoffen:
1) Abbau grosser Moleküle (Polymer) zu kleineren Einheiten (Monomer)
2) Abbau kleiner Moleküle (Monomer) zu einfachen Einheiten (Oxidation zu
Acetyl-CoA), die zentrale Rolle im Stoffwechsel spielen.
3) ATP entsteht aus der vollständigen Oxidation der Acetylgruppe des
Acetyl-CoA.
14.3.1 Aktivierte Carrier sind charakteristisch für den modularen Aufbau und die
Wirtschaftlichkeit des Stoffwechsels. ATP ist ein aktivierter Carrier von
Phosphorylgruppen, da die Phosphorylgruppenübertragung von ATP
exergonisch ist.
1) Aktivierte Elektronen-Carrier für die Brennstoffoxidation
Pyridinnucleotide oder Flavine. Bei der Oxidation eines Substrats nimmt
der Nicotinamidring des NAD+ ein Wasserstoffion und zwei Elektronen
auf, was einem Hydridion entspricht. Flavinadeninnucleotid (FAD) nimmt
zwei Protonen und zwei Elektronen auf.
2) Ein aktivierter Elektronen-Carrier für reduktive Biosynthesen
NADPH wird fast ausschliesslich für reduktive Biosynthesen verwendet,
NADH dagegen in erster Linie zur Erzeugung von ATP.
3) Ein aktivierter Carrier von C2-Fragmenten
Coenzym A (CoA) überträgt Acylgruppen. Acetyl-CoA hat ein hohes
Acetylgruppenübertragungspotenzial, da der Transfer der Acetylgruppe
exergonisch ist.
Die kinetische Stabilität der Carrier in Abwesenheit von spezifischen Katalysatoren ist eine Voraussetzung für ihre biologische Funktion, da sie Enzymen
ermöglicht, den Fluss von freier Enthalpie und Reduktionsäquivalenten zu
kontrollieren.
14.3.2 Schlüsselreaktionen wiederholen sich im Stoffwechsel.
1) Redox
Elektronenübertragung
2) Ligation (mit ATP Spaltung)
Bildung kovalenter Bindungen (z.B. C-C)
3) Isomerisierung
Umordnung von Atomen zur Isomerbildung
4) Gruppentransfer
Übertragung einer funktionellen Gruppe von einem
Molekül auf ein anderes
5) Hydrolyse
Bindungsspaltung durch Addition von Wasser. Z.B. Verdauung von Proteinen = Hydrolyse der Peptidbindung
6) Addition oder Abspaltung funktioneller Gruppen
an bzw. zur Ausbildung
von Doppelbindungen; katalysiert durch Lyasen. Z.B. ein Schritt der
Glykolyse
© 2004 Ana Sesartic
29
Wichtige Reaktionen des Stoffwechsels:
Citratzyklus
Fettsäureabbau
Fettsäuresynthese
Lysinabbau
14.3.3 Stoffwechselprozesse werden reguliert durch:
1) Enzymmenge (durch Transkriptionsrate der Gene angepasst)
2) Enzymaktivität (durch reversible allosterische Kontrolle
(Rückkopplungshemmung) und reversible kovalente Modifikation;
Hormone koordinieren metabolische Beziehungen)
3) Verfügbarkeit von Substraten (Kontrolle des Substratflusses)
a. Aufbauende und abbauende Stoffwechselwege sind fast immer
getrennt
b. Kompartimentierung trennt entgegengesetzte Reaktionen
voneinander
4) Energiezustand
a. Hohe ATP Konzentration hemmt ATP-erzeugende (katabole)
Stoffwechselwege und fördert ATP-verbrauchende (anabole)
Stoffwechselwege
b. Die Energieladung einer Zelle ist gepuffert
1
[ ATP ] + [ ADP ]
2
Energieladung =
[ ATP ] + [ ADP ] + [ AMP]
[ ATP ]
Phosphorylierungspotenzial =
[ ADP][ Pi ]
14.3.4 ADP ist ein entwicklungsgeschichtlich altes Stoffwechselmolekül. Es findet
sich wieder als Baustein in ATP, NADH, FAD und CoA.
Kohlenhydrate (Kapitel 11, Seiten 323-334)
11
Hauptfunktionen der Kohlenhydrate
Energiespeicher, Brennstoffe und Metaboliten
Teile des Grundgerüsts von RNA und DNA (Ribose / Desoxyribose)
Strukturelemente in Zellwänden von Bakterien und Pflanzen
(Polysaccharide
Cellulose, Chitin)
Mit Proteinen und Lipiden verbunden (Glykoproteine)
11.1
Monosaccharide sind Aldehyde oder Ketone mit vielen Hydroxylgruppen
(C-H2O)n ; Aldose (ROCH = Aldehyd), Ketose (ROCR' = Keton)
D-Zucker: letztes OH zeigt nach rechts
L-Zucker: letztes OH zeigt nach links
© 2004 Ana Sesartic
30
Diastereomere: Isomere, die nicht wie Enantiomere Bild und Spiegelbild
zueinander sind.
Epimere: Kohlenhydrate, deren Konfiguration sich nur an einem
asymmetrischen Zentrum unterscheidet.
[Chiral: 4 verschiedene Substituenten]
Ketosen haben ein asymmetrisches Zentrum weniger als Aldosen mit der
gleichen Anzahl C-Atome.
11.1.1 Pentosen und Hexosen zyklisieren zu Furanose- und Pyranoseringen. Beim
Ringschluss gibt es bei beiden ein chirales Zentrum mehr.
Halbacetal = Aldehyd + Alkohol
Halbketal = Keton + Alkohol
Bildung der Pyranoseformen:
D-Glucose in Kettenform zyklisiert, wenn C-5-Hydroxylgruppe die C-1Aldehydgruppe unter Bildung eines intramolekularen Halbacetals angreift.
Dabei können α- und β-Anomere entstehen.
Bildung der Furanoseformen:
Offenkettige Fructose zyklisiert, wenn die C-5-Hydroxylgruppe die C-2Ketogruppe unter Bildung eines intramolekularen Halbketals angreift. Dabei
können α- und β-Anomere (hemiacetal) entstehen.
α: Hydroxylgruppe am C-1 unterhalb der Ringebene
β: Hydroxylgruppe am C-1 oberhalb der Ringebene
© 2004 Ana Sesartic
31
11.1.2 Axial: Bindung senkrecht zur Ringebene
Substituenten behindern sich gegenseitig
Äquatorial: Bindung parallel zur Ringebene
Substituenten haben Platz
Sesselkonformation der β-D-Glucopyranose ist stabiler als die Wannenform,
da die sterische Hinderung geringer
ist, wenn die axialen Positionen von HAtomen besetzt sind. Furanose Ringe
könne sich zur Briefumschlag
(envelope) Konfiguration falten.
11.1.3 Kohlenhydrate sind mit Alkoholen und Aminen durch glykosidische
Bindungen zwischen anomerem C-Atom der Glucose und dem O-Atom der
Hydroxylgruppe verknüpft. Es gibt O- und N-Glykosidische Bindungen. Der
Ersatz von Hydroxylgruppen durch andere Substituenten führt zu
modifizierten Monosacchariden. Man findet sie häufig auf Zelloberflächen.
Lösungen mit Kupferionen (Fehling'sche Lösung) sind Nachweis für Glucose.
11.2
Komplexe Kohlenhydrate entstehen durch
Verknüpfung von Monosacchariden.
Oligosaccharide: entstehen durch Verknüpfung von
mehreren Monosacchariden über O-Glykosidische
Bindungen.
11.2.1 Disaccharide
Saccharose: Rohrzucker, besteht aus Glucose und Fructose
Lactose: Milchzucker, besteht aus Galactose und Glucose
Maltose: zwei Glucosen mit α-1,4-glykosidische Bindung
Enzyme Saccharase, Lactase und Maltase befinden sich auf der äusseren
Oberfläche der Epithelzellen des Dünndarms
11.2.2 Polysaccharide: grosse polymere Oligosaccharide. Man nennt sie
Homopolymere, wenn sie aus gleichen Monosaccharideinheiten bestehen.
Glykogen ist die Speicherform der Glucose und das häufigsten Homopolymer
tierischer Zellen. Glykogen und Stärke sind mobilisierbare Glucosespeicher.
Stärke ist der Nährstoffreservoir der Pflanzen, ein Glucose Polymer
bestehend aus aneinander gehängter Maltose (α-1,4). Hydrolysiert durch αAmylase, das von den Speichelzellen und vom Pankreas sezerniert wird.
Amylose: unverzweigt, α-1,4-Bindung
Amylopektin: verzweigt, eine α-1,6 auf 30 α-1,4-Bindungen
[Dextran ist ein Glucosepolymer. Ein mikrobielles Polysaccharid, das von
einigen Bakterien durch das Enzym Dextransaccharase mit Saccharose als
Ausgangsmaterial synthetisiert wird.]
[Chitin ist ein N-Acetylglucosaminpolymer (β-1,4-). Pilze haben es in ihren
Zellwänden, bei Insekten bildet es das Exoskelett und bei Pflanzen ist es in
Blättern und Samen vorhanden.]
11.2.3 Cellulose, das wichtigste strukturbildende Polymer der Pflanzen und die am
häufigsten auftretende organische Verbindung in der Biosphäre, besteht aus
linearen Ketten von Glucoseeinheiten, verknüpft durch β-1,4-Bindungen,
welche die Bildung sehr langer gerader Ketten ermöglichen. Ketten sind
durch H-Brücken stabilisiert.
© 2004 Ana Sesartic
32
11.2.4 Glykosaminoglykane sind anionische Polysaccharidketten aus repetitiven
Disaccharideinheiten, die ein Derivat eines Aminozuckers enthalten.
Mindestens ein Kohlehydrat im Disaccharid besitzt eine negativ geladene
Carboxylat- oder Sulfatgruppe. Sie sind gewöhnlich an Proteine gebunden
und bilden Proteoglykane, welche als Gleitmittel dienen, Strukturbestandteile
des Bindegewebes sind, Adhäsion von Zellen vermitteln und Zellproliferation
stimulieren.
11.2.5 Für die Oligosaccharidsynthese sind Glykosyltransferasen verantwortlich.
Sie katalysieren die Bildung der glykosidischen Bindungen. Monosaccharidnucleotide sind häufig Zwischenprodukte. Das anzufügende Kohlenhydrat
stammt von einem Monosaccharidnucleotid.
Beispiel für Sinn der Glykosyltransferasen: AB0-Blutgruppensystem,
abhängig davon, was für ein Zucker an Erythrocyten-Oberfläche hängt.
0-Antigen: inaktive Glykosyltransferase
A-Antigen: N-Acetylgalactosamin angehängt
B-Antigen: Galactose angehängt
Glykolyse und Gluconeogenese (Kapitel 16, Seiten 465491)
16
Glykolyse: Folge von anaeroben Reaktionen, in denen ein Molekül Glucose
zu 2 Molekülen Pyruvat umgewandelt wird und gleichzeitig 2 Moleküle ATP
entstehen.
Gluconeogenese: Synthetisierung von Glucose aus Vorstufen, die keine
Kohlenhydrate sind.
16.0.1 Glucose ist für die meisten Organismen ein wichtiger Brennstoff.
16.0.2 Gärung (Fermentation) erzeugt ATP in Abwesenheit von Sauerstoff.
Organische Verbindungen fungieren sowohl als e—Donoren als auch als
Akzeptoren. NADH muss wieder in NAD+ umgewandelt werden. Darum wird
Pyruvat weiterverarbeitet. Ein Teil der Glucose oxidiert, danach gibt es eine
Reduktion. Erzeugt nur geringe Energiemengen. Skelettmuskel erzeugt
Milchsäure, wenn der Energiebedarf den Sauerstofftransport übersteigt.
Obligate Anaerobier: können bei Anwesenheit des hochreaktiven O2 nicht
überleben. (z.B. einige Bakterien
Clostridium tetani)
© 2004 Ana Sesartic
33
Fakultative Anaerobier: können mit und ohne O2 leben. Z.B. Bewohner der
Gezeitenzone (Muschel Mytilus) zeigen lebensraumabhängige Anaerobiose.
16.1
Stufen der Glykolyse. Glykolyse findet im Cytosol statt.
1) Glucose
(Phosphorylierung, Isomerisierung, Phosphorylierung)
Fructose-1,6-Biphosphat. Glucose wird in Zelle eingefangen und in eine
Verbindung überführt, die sich leicht in phosphorylierte C3-Einheiten
spalten lässt.
2) Fructose-1,6-Biphosphat (C6-Kohlenhydrat) wird von Aldolase in zwei C3Fragmente gespalten, die leicht ineinander umwandelbar sind.
3) ATP wird erzeugt wenn die C3-Fragmente zu Pyruvat oxidiert werden.
1) Glucose wird eingefangen und destabilisiert
2) Durch Spaltung der C6-Einheit Fructose werden ineinander umwandelbare
C3-Moleküle erzeugt
3) ATP wird erzeugt
© 2004 Ana Sesartic
34
16.1.1 Die Hexokinase fängt Glucose in der Zelle ein und beginnt die Glykolyse.
Stufe 1: Phosphorylierung der Glucose durch Hexonkinase
Hexokinase – und alle anderen Kinasen – ist nur aktiv, wenn Mg2+ Ionen
vorhanden sind. Das divalente Metallion bildet einen Komplex mit dem ATP.
Induced Fit
Die Substratinduzierte Schliessung einer Spalte ist eine
allgemeine Eigenschaft von Kinasen.
16.1.2 Bildung von Fructose-1,6-Biphosphat aus Glucose-6-Phosphat durch
Isomerisierung und Phosphorylierung.
G-6-P → F-6-P : Isomerisierung; Umwandlung einer Aldose in eine Ketose
ATP
F-6-P → F-1,6-BP : Phosphorylierung; Katalysiert durch
Phosphofructokinase (PFK)
16.1.3 Stufe 2: Die Aldolase spaltet das C6-Kohlenhydrat in zwei C3-Fragmente.
16.1.4 Die Triosephosphat-Isomerase (TIM) gewinnt ein C3-Fragment zurück.
Isomerisierung einer Ketose zu einer Aldose verläuft über ein EndiolZwischenprodukt. TIM ist ein Beispiel für ein kinetisch perfektes Enzym. Der
geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist die diffusionskontrollierte
Begegnung zwischen Enzym und Substrat.
Katalytischer Mechanismus der TIM:
Glutamat 165 überträgt mithilfe von Histidin 95 ein Proton zwischen CAtomen. Histidin wechselt dabei zwischen der neutralen und der relativ
seltenen negativ geladenen Form. Die letztere wird durch Wechselwirkungen
mit anderen Teilen des Enzyms stabilisiert.
16.1.5 Energieumwandlung: Über ein Thioester-Zwischenprodukt (kovalent ans
Enzym gebunden) sind Phosphorylierung und Oxidation des Glycerinaldehyd3-Phosphats miteinander gekoppelt.
Oxidation einer Aldehyd- zu einer Carboxylgruppe durch NAD+
(begünstigt)
Phosphorylierung: Vereinigung einer Carboxylgruppe mit
Orthophosphat zu einem Acylphosphat (ungünstig)
16.1.6 Stufe 3: Die Bildung von ATP aus 1,3-Biphosphatglycerat.
1) Ein Aldehyd wird zu einer Carbonsäure oxidiert
2) NAD+ wird zu NADH reduziert
3) ATP entsteht aus Pi und ADP auf Kosten der C-Oxidation
16.1.7 Die Erzeugung eines weiteren ATP und die Bildung von Pyruvat:
1) Umlagerung durch Phosphoglycerat-Mutase
Mutase: ein Enzym, das den intramolekularen Transfer einer chemischen
Gruppe katalysiert.
2) Bildung eines Enol
Das hohe Phosphorylgruppen-Übertragungspotenzial des Phosphoenolpyruvats beruht auf der treibenden Kraft der nachfolgenden Enol-KetonUmwandlung
© 2004 Ana Sesartic
35
16.1.8 Der Energiegewinn aus der Umwandlung von Glucose in Pyruvat: Bei der
Überführung von Glucose in zwei Moleküle Pyruvat werden zwei Moleküle
ATP gewonnen.
Glukose + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD + → 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H 2O
16.1.9 Die Aufrechterhaltung des Redoxgleichgewichts: Die unterschiedliche
Verwertung des Pyruvats.
In Reaktionen, an denen NADH beteiligt ist, können Ethanol oder Lactat
entstehen. Alternativ kann eine C2-Einheit aus dem Pyruvat an das CoA
gebunden werden, wobei Acetyl-CoA entsteht. [siehe S.479]
1) In der Hefe entsteht aus Pyruvat Ethanol
I Decarboxylierung des Pyruvats
II Acetaldehyd durch NADH zu Ethanol reduziert. Dieser Prozess
regeneriert NAD+.
Alkoholische Gärung: Umwandlung von Glucose in Ethanol.
Keine Netto-Oxidations-Reduktions-Reaktion.
2) Milchsäuregärung = Lactat entsteht in verschiedenen Mikroorganismen
aus Pyruvat
Die Regenerierung des NAD+ bei der Reduktion von Pyruvat zu Lactat
oder Ethanol hält den kontinuierlichen Ablauf der Glykolyse unter
anaeroben Bedingungen aufrecht. Dabei wird nur ein kleiner Teil der in
Glucose enthaltenen Energie gewonnen.
3) Acetyl-CoA entsteht in den Mitochondrien durch oxidative
Decarboxylierung aus Pyruvat. Bei aeroben Bedingungen entsteht über
den Citratzyklus und die Atmungskette am meisten Energie.
16.1.10
Die NAD+-Bindungsstelle ist bei vielen Dehydrogenasen sehr
ähnlich.
Rossmann-Falte, gebildet durch die nicotinamid- und adeninbindende Hälften. Das NAD+-Molekül lagert sich in ausgestreckter
Konformation an.
© 2004 Ana Sesartic
36
16.1.11
Ein grossteil der aufgenommenen Fructose wird in der Leber über
den Fructose-1-Phosphat Weg metabolisiert. Da Leber und Muskulatur mehr
Glucose als Fructose phosphorylieren, erhält das Fettgewebe mehr Fructose
als Glucose.
Für die Galactose gibt es keine katabolen Stoffwechselwege, sie wird
deshalb in einen Metaboliten der Glucose umgewandelt. Die Umwandlung
von UDP-Glucose in UDP-Galactose ist zur Synthese der Galactoseeinheiten
in komplexen Polysacchariden und Glykoproteinen notwendig, wenn der
Anteil der Galactose in der Nahrung für diesen Bedarf nicht ausreicht.
16.1.12
Viele Erwachsene vertragen keine Milch, weil ihnen die Lactase fehlt.
Weil sie Lactose nicht abbauen können, vergären Mikroorganismen im
Dickdarm diese und erzeugen dabei auch Methan und H2-£Gas, was zu
Blähungen führt. Die ausserdem entstehende Milchsäure ist osmotisch aktiv
und führt (wie auch die unverdaute Lactose) zum Wassereinstrom in den
Darm, was Durchfall als Folge hat.
Lactoseintoleranz
16.1.13
Wenn die Transferase fehlt (Galactosämie) ist Galactose stark
toxisch. Z.B. Katarakte (Trübung der Augenlinse = "grauer Star") entstehen,
wenn die Transferase in der Augenlinse nicht aktiv ist.
16.2
Die Glykolyse wird streng kontrolliert. Im Stoffwechsel stellen Enzyme, die
weitgehend irreversible Reaktionen katalysieren, potenzielle Kontrollpunkte
dar.
16.2.1 Die Phosphofructokinase (PFK) ist das Schlüsselenzym bei der Kontrolle
der Glykolyse in Säugetieren. Die Aktivität des Enzyms steigt an (Glykolyse
wird angeregt), wenn der ATP/AMP-Quotient kleiner wird (die Energieladung
der Zelle sinkt). PFK wird von Citrat gehemmt, denn hoher Citratspiegel
bedeutet genügend Biosynthesevorstufen sind vorhanden und keine weitere
Glucose muss abgebaut werden. Fructose-2,6-biphosphat (F-2,6-BP) ist ein
allosterischer Aktivator der PFK, der das Konformationsgleichgewicht dieses
tetrameren Enzyms von der T- zur R-Form verschiebt.
16.2.2 Ein reguliertes bifunktionelles Enzym (PFK2 und FBPase2) synthetisiert F2,6-BP und baut es ab. Dieses bifunktionelle Enzym besteht aus einer Nterminalen regulatorischen Domäne, gefolgt von einer Kinase- und einer
Phosphatasedomäne.
Feedforward-Stimulierung: Der Überschuss an F-6-P führt zu höheren
Konzentrationen von F-2,6-BP, was wiederum die PFK stimuliert. Aktivitäten
von PFK2 oder FBPase2 werden durch Phosphorylierung eines einzigen
Serinrestes reziprok kontrolliert.
© 2004 Ana Sesartic
37
16.2.3 Hexokinase und Pyruvat-Kinase bestimmen ebenfalls die Geschwindigkeit
der Glykolyse.
Hexokinase wird von Glucose-6-Phosphat gehemmt, das sich anhäuft, wenn
die PFK inaktiv ist.
Schrittmacherreaktion (Commited Step): Phosphorylierung ovn F-6-P zu
F-1,6-BP.
PFK ist der wichtigste Kontrollpunkt der Glykolyse.
Allgemein ist dasjenige Enzym, das die Schrittmacherreaktion einer Reaktionsfolge katalysiert, das wichtigste Kontrollelement dieses
Stoffwechselweges.
Pyruvat-Kinase wird von ATP und Alanin allosterisch gehemmt und von
F-1,6-BP aktiviert, hat also ihre maximale Aktivität, wenn die Energieladung
niedrig ist und sich Glykolyse-Zwischenprodukte anhäufen.
Die hormongesteuerte Phosphorylierung hat die gleiche Funktion wie bei
dem bifunktionellem Enzym das den F-2,6-BP Spiegel kontrolliert: die Leber
am Glucoseverbrauch zu hindern, wenn Gehirn und Muskel die Glucose
dringender benötigen.
16.2.4 Eine Familie von Transportproteinen (GLUT1 bis GLUT5) ermöglicht es der
Glucose in tierische Zellen zu gelangen, oder sie zu verlassen. Die Glucosetransporter sind Mitglied der major faciliator-(MF-)Superfamilie.
16.2.5 Krebs und Glykolyse: Die hypoxischen Bedingungen innerhalb eines
soliden Tumors führen zur Aktivierung des hypoxie-induzierenden
Transkriptions-faktors (HIF-1), der eine Anpassung des Stoffwechsels
induziert (Vermehrung der Glykolyseenzyme) und angiogene Faktoren
aktiviert, die das Wachstum neuer Blutgefässe stimulieren.
Der Citratzyklus (Kapitel 17, Seiten 509-531)
17 Citratzyklus: Oxidation von Glucosederivaten (C2 Einheit) zu Kohlendioxid.
Dadurch werden energiereiche Elektronen gewonnen in Form von reduzierten
Cofaktoren NADH und FADH2. Sie übertragen Energie auf O2.
Bereitstellung von Bausteinen (Ausgangsverbindungen) für Biosynthese.
17.0.1 Citratzyklus im Überblick: Gewinnung von Elektronen hoher Energie in Form
von reduzierte Cofaktoren NADH und FADH2 aus Brennstoffen.
© 2004 Ana Sesartic
38
Zellatmung: Citratzyklus ist 1.Stufe der Zellatmung, in der e- hoher Energie
aus dem als Brennstoff zugeführtem Kohlenstoff abgetrennt werden. Diese ereduzieren O2 und erzeugen einen Protonengradienten (erzeugt durch Fluss
der e- durch eine Reihe von Membran-Proteinen), der zur ATP-Synthese
verwendet wird. Die Reduktion des O2 und die ATP Synthese stellen die
oxidative Phosphorylierung dar. Oxidation von Substrat ist entkoppelt von der
Energiegewinnung durch oxidative Phosphorylierung (Atmungskette).
Die meisten Brennstoffmoleküle werden als Acetyl-CoA in den Zyklus
eingeschleust. Glykolyse und Citratzyklus sind durch die oxidative
Decarboxylierung von Pyruvat unter der Bildung von Acetyl-CoA miteinander
verbunden. Diese Reaktion sowie die Reaktionen des Citratzyklus laufen bei
Eukaryonten innerhalb der Mitochondrien ab, im Gegensatz zur Glykolyse,
die im Cytosol stattfindet.
17.1
Der Citratzyklus oxidiert Einheiten aus zwei
Kohlenstoffatomen. Acetyl-CoA ist der Brennstoff
für den Citratzyklus. Es entsteht beim Abbau von
Glykogen, Fetten und vielen Aminosäuren.
17.1.1 Die Entstehung des Acetyl-CoA aus Pyruvat.
Das in der Glykolyse produzierte Pyruvat wird in
Acetyl-CoA umgewandelt, den Brennstoff des
Citratzyklus. In der mitochondrialen Matrix wird das
Pyruvat durch den Pyruvat-DehydrogenaseKomplex (multienzym Komplex aus 3 Enzymen) unter Bildung von AcetylCoA oxidativ decarboxyliert. (irreversible Reaktion)
Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA:
1) Decarboxylierung
2) Oxidation
3) Übertragung der entstandenen Acetylgruppe auf CoA
gekoppelte Reaktionen
17.1.2 Durch flexible Bindungen kann sich das Liponamid zwischen verschiedenen
Zentren bewegen. Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex: Die strukturelle
Integration dreier verschiedener Enzyme ermöglicht die koordinierte Katalyse
einer komplexen Reaktion. Die Nähe der einzelnen Enzyme erhöht die
Gesamtgeschwindigkeit und vermindert Nebenreaktionen.
17.1.3 Die Citrat-Synthase bildet Citrat aus Oxalacetat und Acetyl-CoA.
Kondensation von Oxalacetat (C4) und Acetyl-CoA (C2) unter Bildung von
Citrat (C6), das zu Isozitrat (C6) isomerisiert wird. (Aldolkondensation: C4 + C2
= C6) Oxalacetat induziert eine grosse Strukturveränderung der CitratSynthase, und schafft so eine Bindungsstelle für das Acetyl-CoA. Dieses
induced fit verhindert unerwünschte Nebenreaktionen.
© 2004 Ana Sesartic
39
17.1.4 Citrat wird zu Isocitrat isomerisiert, durch eine Dehydratisierung und
anschliessende Hydratisierung.
17.1.5 Isocitrat wird durch Oxidation und Decarboxylierung in α-Ketoglutarat
überführt. Die Geschwindigkeit der α-Ketoglutarat-Bildung ist mit
entscheidend für die Gesamtgeschwindigkeit des Zyklus.
17.1.6 Succinyl-CoA entsteht durch oxidative Decarboxylierung von α-Ketoglutarat,
wobei das zweite CO2 Molekül entsteht.
17.1.7 Die Thioesterbindung im Succinyl-CoA wird durch anorganisches Phosphat
unter Bildung von Succinat gespalten, wobei gleichzeitig eine Verbindung mit
hohem Phosphorylgruppen-Übertragungspotenzial in Form eines GTP
entsteht.
17.1.8 Regenerierung von Oxalacetat durch Oxidation von Succinat. Das Succinat
wird zu Fumarat (C4) oxidiert, das dann zu Malat (C4) hydratisiert wird.
Schliesslich wird das Malat oxidiert, um Oxalacetat (C4) zu regenerieren.
Succinat-Dehydrogenase ist direkt mit der Atmungskette verbunden, dem
Bindeglied zwischen Citratzyklus und ATP-Synthese.
17.1.9 Stöchiometrie des Citratzyklus
Acetyl − CoA + 3 NAD + + FAD + GDP + Pi + 2 H 2O → 2CO2 + 3 NADH + FADH 2 + GTP + 2 H + + CoA
1) 2 C-Atome treten aus dem Acetyl-CoA in den Kreislauf ein und 2 C-Atome
verlassen ihn in Form von CO2. Die aufeinanderfolgenden Decarboxylierungen werden durch die Isocitrat-Dehydrogenase und die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase katalysiert.
2) In den vier Redox-Reaktionen des Zyklus werden 3 Elektronenpaare auf
NAD+ und ein Paar auf FAD übertragen. Diese reduziertren e- Carrier
werden in der Atmungskette unter Bildung von ca. 9 Molekülen ATP
oxidiert.
3) Ein Molekül mit hohem Phosphorylgruppen-Übertragungspotenzial (GTP)
entsteht bei der Spaltung der energiereichen Thioesterbindung im
Succinyl-CoA. Daher entstehen insgesamt 10 Moleküle mit hohem
Phosphorylgruppen-Übertragungspotenzial aus jeder C2 Einheit, die
vollständig zu H2O und CO2 oxidiert wird.
4) 2 Moleküle Wasser werden verbraucht (1 bei Synthese des Citrats, 1 bei
Hydratisierung des Fumarats).
© 2004 Ana Sesartic
40
Molekularer Sauerstoff ist nicht direkt am Citratzyklus beteiligt, er verläuft
aber nur unter aeroben Bedingungen, da NAD+ und FAD in den
Mitochondrien nur durch e- Übertragung auf molekularen Sauerstoff
regeneriert werden können. Im Gegensatz dazu kann die Glykolyse sowohl
unter aeroben als auch unter anaeroben Bedingungen stattfinden.
17.2.1 Die Regulation des Pryuvat-Dehydrogenase-Komplexes
erfolgt allo-sterisch und durch reversible Phosphorylierung.
Die irreversible Entstehung von Acetyl-CoA aus Pyruvat
ist ein wichtiger Kontrollpunkt für den Eintritt des aus der
Glucose stammenden Pyruvats in den Citratzyklus. Die
Aktivität des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes wird durch
reversible Phosphory-lierung gesteuert. Die e- Akzeptoren
werden regeneriert, wenn NADH und FADH2 in der
Atmungskette ihre Elektronen auf O2 übertragen, wobei ATP
entsteht. Eine hohe Energieladung und grosse Mengen von
Biosynthese-zwischen-produkten führen zur Abschaltung der
Pyruvat-Dehydrogenase.
© 2004 Ana Sesartic
41
17.2.2 Der Citratzyklus wird an verschiedenen Stellen kontrolliert.
17.2.3 Eine hohe Energieladung vermindert die Aktivitäten der IsocitratDehydrogenase und der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase. Diese Mechanismen
ergänzen einander und führen zu einer verlangsamten Acetyl-CoA-Bildung
wenn die Energieladung der Zelle hoch ist und genügend Biosynthesevorstufen vorliegen.
In vielen Bakterien ist auch die Synthese von Citrat aus Oxalacetat ein
wichtiger Kontrollpunkt.
17.3 Der Citratzyklus liefert zahlreiche Biosynthesevorstufen, wie Nucleotidbasen,
Protein und Hämgruppen.
© 2004 Ana Sesartic
42
17.3.1 Wenn die Zwischenprodukte für Biosynthese abgezweigt werden, müssen sie
wieder aufgefüllt werden durch anapletorische Reaktionen. Ein Beispiel
einer solchen Reaktion wäre die Synthese des Oxalacetats durch
Carboxylierung von Pyruvat.
Pyruvat + CO2 + ATP + H 2O → Oxalacetat + ADP + Pi + 2 H +
17.3.2 Die Entgleisung des Pyruvatstoffwechsels ist die Ursache von Beriberi
(Vitaminmangel [B1=Thiamin] Krankheit), sowie von Quecksilber- und
Arsenitvergiftungen.
17.4
Der Glyoxylatzyklus ermöglicht es Pflanzen und Bakterien, mit Acetat zu
wachsen (metabolitische Vielseitigkeit). Er umgeht die beiden Decarboxylierungsschritte des Citratzyklus, ausserdem werden 2 Moleküle Acetyl-CoA
pro Durchgang in den Glyoxylatzyklus eingeschleust. In Pflanzen findet er in
den Glykosomen statt.
Problem: wenn man sich nur aus Substraten ernährt welche nur Acetyl-CoA
ergeben (z.B. Fette): Kreislauf kann nicht aufgefüllt werden. Man kann keine
Biosynthese machen, sondern nur Energie gewinnen.
Lösung: (bei Pflanzen) Der Glykoxylatzyklus füllt die Zwischenprodukte
wieder auf.
Die oxidative Phosphorylierung (Kapitel 18, Seiten 535570)
18
Oxidative Phosphorylierung: Bei der Übertragung von e- von NADH und
FADH2 über eine Reihe von e—Carriern auf O2 entsteht ATP, wenn Protonen
durch einen Enzymkomplex in die Mitochondrienmatrix zurückfliessen. Die
Oxidation von Brennstoffen und die Phosphorylierung von ADP sind durch
eine Protonengradienten an der Inneren Mitochondrienmembran gekoppelt.
18.1.1 Die oxidative Phosphorylierung findet bei Eukaryonten in den Mitochondrien
(inneren Mitochondrienmembran) statt.
18.1.1 Mitochondrien sind von einer Doppelmembran umschlossen. Oxidative
Phosphorylierung findet in der inneren Mitochondrienmembran statt. Die
meisten Reaktionen des Citratzyklus und der Fettsäureoxidation laufen in der
Matrix ab. Äussere Membran enthält Mitochondrienporine, ein VDAC (voltage
dependent anion channel).
© 2004 Ana Sesartic
43
Bei Prokaryonten sind die Protonenpumpen und der Komplex zur ATPSynthese in der Cytoplasmamembran lokalisiert.
18.1.2 Mitochondrien sind das Resultat eines endosymbiotischen Ereignisses. Sie
stammen von freilebenden Bakterien ab, die eine Symbiose mit einer anderen
Zelle eingingen.
18.2
Die oxidative Phosphorylierung hängt vom Elektronentransfer ab.
18.2.1 Bei der oxidativen Phosphorylierung wird das Elektronenübertragungspotenzial des NADH oder des FADH2 in das Phosphorylgruppenübertragungspotenzial des ATP umgewandelt. Ein starkes Reduktionsmittel
(NADH) gibt leicht e- ab und besitzt daher ein negatives Reduktionspotenzial
während ein starkes Oxidationsmittel (O2) e- aufnimmt und ein positives
Reduktions-potenzial besitzt.
18.2.2 Eine Potenzialdifferenz von 1,14V zwischen NADH und O2 treibt die Elektronentransportkette an und begünstigt die Bildung eines Protonengradienten.
18.2.3 Elektronen können zwischen Gruppen übertragen werden, die nicht in
Kontakt stehen. Mithilfe einer aus Proteinen bestehenden Umgebung nimmt
Geschwindigkeit des Elektronentransfers zu. Die e- -Transfer Geschwindigkeit
nimmt bei höherer Antriebskraft der Reaktion zu, erreicht Maximus und
vermindert sich dann.
Elektronen-Carrier in den Proteinen der Elektronentransportkette sind
Flavine, Eisen-Schwefel-Cluster, Chinone, Hämgruppen und Kupferionen. Bei
Chinonen sind Elektronen-Transfer-Reaktionen mit der Protonenbindung und
–freisetzung gekoppelt.
18.3
Die Atmungskette besteht aus vier Komplexen: drei
Protonenpumpen und einer direkten Verbindung zum
Citratzyklus. Der Elektronenfluss innerhalb der
Transmembrankomplexe (NADH-Q-Oxioreduktase,
Succinat-Q-Reduktase, Q-Cytochrom-c-Oxioreduktase,
Cytochrom-c-Oxidase) bewirkt einen Protonentransport
durch die innere Mitochondrienmembran.
18.3.1 Am Anfang der Atmungskette werden e- mit hohem
Potenzial vom NADH auf die NADH-Q-Oxioreduktase
übertragen. Diese Oxioreduktase enthält auch Fe-SZentren. Die e- tauchen dann wieder im QH2 auf, der
reduzierten Form des Ubiquinons (Q). Durch den Fluss
von 2e- durch die NADH-Q-Oxioreduktase vom NADH
zum QH2 werden vier Protonen aus der Matrix des
Mitochondriums gepumpt. Die Reduktion von Q zu QH2
führt zur Aufnahme von 2 Protonen aus der Matrix.
(Siehe auch Abb.18.14, S.546)
18.3.2 Über Ubichinol treten e- vom FADH2 der Flavoproteine in die Atmungskette
ein. Die Succinat-Dehydrogenase des Citratzyklus ist ein Teil des Succinat-QReduktase-Komplexes, der e- vom FADH2 auf Q unter Bildung von QH2
überträgt. Enzyme die e- vom FADH2 auf Q übertragen sind keine Protonenpumpen; deshalb wird bei der Oxidation von FADH2 weniger ATP gebildet.
© 2004 Ana Sesartic
44
18.3.3 Die e- fliessen vom Ubichinol über die Q-Cytochrom-c-Oxioreduktase zum
Cytochrom c. Cytochrom c ist ein beweglicher e- Carrier und überträgt die eauf die Cytochrom-c-Oxidase.
Die Aufgabe der Q-Cytochrom-c-Oxidoreduktase besteht darin, die
Elektronenübertragung von QH2 auf das oxidierte Cytochrom-c, ein wasserlösliches Protein, zu katalysieren und gleichzeitig Protonen aus der Mitochondrienmatrix zu pumpen. Ausserdem beinhaltet sie ein Rieske-Zentrum: 2Fe2S-Zentrum; eines der beiden Eisenionen ist mit zwei Histidinresten
koordiniert. Diese Koordination stabilisiert das Zentrum in seiner reduzierten
Form und erhöht sein Reduktionspotenzial.
18.3.4 Transmembrantransport von Protonen – der Q-Zyklus:
Von den 2e- eines gebundenen QH2 wird eines auf Cytochrom c und das
andere auf ein gebundenes Q unter Bildung des Semichinonradikalions Qübertragen. Das neu entstandene Q dissoziiert und wird durch ein zweites
QH2 ersetzt, das ebenfalls seine e- abgibt: ein e- an ein zweites Cytochrom c,
das andere an Q- zur Reduktion zu QH2. Dieser zweite e- Transfer führt zur
Aufnahme von zwei Protonen aus der Matrix. Die prosthetischen Gruppen
sind in ihrer oxidierten Form blau, in ihrer reduzierten Form rot dargestellt.
18.3.5 Die Cytochrom-c-Oxidase enthält die Cytochrome a und a3 sowie zwei
Kupferionen und katalysiert die Reduktion von molekularem Sauerstoff zu
Wasser.
© 2004 Ana Sesartic
45
Ein Hämeisen und ein Kupferion in dieser Oxidase übertragen die e- dann auf
O2, den letzten Akzeptor, wobei Wasser entsteht. Zusammen bilden Häm a3
und CuB das aktive Zentrum, in dem O2 zu H2O
reduziert wird.
Cytochrom-c-Oxidase pumpt im Verlauf eines jeden
Reaktionszyklus weitere 4 Protonen aus der Matrix zur
cytoplasmatischen Seite der Membran, sodass
insgesamt 8 Protonen aus der Matrix entfernt werden.
Der Katalysator darf keine tw. Reduzierten
Zwischenprodukte freisetzen, denn die Übertragung
eines e- auf O2 führt zu einem Superoxidanion, die
Übertragung von 2e- zu Peroxid; beides für die Zelle
toxische Verbindungen.
18.3.6 Das Superoxidradikal und andere toxische
Derivate des O2 werden durch Schutzenzyme
abgefangen. Superoxid-Dimutase fängt
Superoxidradikale ab, indem es die
Umwandlung zweier dieser Radikale in ein
Wasserstoff-peroxid und molekularen
Sauerstoff katalysiert. Das von der SuperoxidDimutase und bei anderen Prozessen gebildete
Wasserstoffperoxid wird von der Katalase
vernichtet.
18.3.7 Die Konformation des Cytochrom c blieb im wesentlichen mehr als 1 Mrd.
Jahre konstant.
18.4 Ein Protonengradient treibt die ATP-Synthese an. Chemiosmotische
Hypothese: Beim e- Transfer durch die Atmungskette werden Protonen aus
der Matrix auf die Cytosolseite der inneren Mitochondrienmembran gepumpt.
Der pH Gradient und das Membranpotenzial erzeugen eine protonenmotorische Kraft, die zum Antrieb der ATP-Synthese dient.
18.4.1 Die ATP-Synthase besteht aus einer
protonenleitenden und einer katalytischen
Einheit.
Die γ-Untereinheit unterbricht die Symmetrie des
α3 β3 – Hexamers: die 3 β-Untereinheiten
unterscheiden sich aufgrund ihrer
Wechselwirkung mit einer jeweils anderen
Oberfläche von γ. F0 enthält den Protonenkanal
des Komplexes.
Rotor: beweglich, besteht aus c-Ring und γε-Stiel
Stator: fester Rest des Moleküls
Die Rotation der γ-Untereinheit induziert Strukturveränderungen in der β-Untereinheit, die zur
Synthese und Freisetzung des ATP durch das
Enzym führen. Der Protonenfluss durch die ATPSynthase liefert die Kraft für die Rotation.
Protonenmotorische Kraft: pH Gradient (Matrixseite basisch) und Membranpotenzial (Matrixseite
negativ). Protonenfluss zurück zur Matrixseite
durch die ATP-Synthase treibt die ATP-Synthese
an.
© 2004 Ana Sesartic
46
18.4.2 Der Protonenfluss durch die ATP-Synthase führt zur Freisetzung von fest
gebundenem ATP: der Mechanismus des Bindungswechsels. Die Rotation
der γ-Untereinheit kann die 3 β-Untereinheiten umwandeln. Die Untereinheit
in der T-Form (tight; fest) enthält neu synthetisiertes ATP, das aber nicht
abgegeben werden kann. Die T-Form wird in eine O-Form (offen)
umgewandelt, die ATP freisetzen kann. Sie bindet dann ADP und Pi und ein
neuer Zyklus beginnt.
Enzym gebundenes ATP bildet sich schnell auch in Abwesenheit einer
protonenmotorischen Kraft.
18.4.3 Der kleinste molekulare Motor der Welt: die Rotationskatalyse. Die γUntereinheit rotiert in 120° Schritten, wobei jeder Schritt der Hydrolyse eines
ATP-Moleküls entspricht, die die Rotation antreibt.
18.4.4 Der Protonenfluss rund um den c-Ring treibt die ATP-Synthese an. Die
Protonenbewegung durch die Membran treibt die Rotation des c-Ringes an.
Ein Proton tritt vom Intermembranraum in den cytosolischen Halbkanal ein
und neutralisiert die Ladung eines Aspartatrestes in einer c-Untereinheit.
Damit kann sich der c-Ring im Uhrzeigersinn um eine c-Einheit weiterdrehen
und bewegt dabei einen Asparaginsäurerest aus der Membran in den Matrixhalbkanal. Dieses Proton kann sich in die Matrix bewegen und versetzt das
System in den ursprünglichen Zustand.
© 2004 Ana Sesartic
47
18.4.5 ATP-Synthase und G-Proteine besitzen mehrere gemeinsame Eigenschaften.
18.5 Viele Shuttle-Systeme ermöglichen den Transport durch mitochondriale
Membranen.
18.5.1 Die e- des cytosolischen NADH gelangen durch Shuttle-Systeme in die
Mitochondrien. Glycerin-3-Phosphat-Shuttle: e- des NADH gelangen in die
mitochondriale e- Transportkette, wenn sie zur Reduktion von Dihydroxyacetonphosphat zu Glycerin-3-Phosphat verwendet werden. Das G-3-P wird
durch einen e- Transfer zur prosthetischen FAD-Gruppe in der
membrangebundenen Glycerin-3-Phosphat-Dehydrogenase reoxidiert. Die
folgende e- Übertragung auf FQ, wobei QH2 entsteht, ermöglicht diesen eden Eintritt in die Atmungskette.
Im Herz und in der Leber gelangen die e- des cytosolischen NADH über den
Malat-Aspartat-Shuttle zu dem 2 Membran-Carrier und 4 Enzyme gehören,
in die Mitochondrien. Dieser Shuttle ist im Gegensatz zum G-3-P Shuttle
leicht reversibel. NADH kann nur dann über den Malat-Aspartat-Shuttle in die
Mitochondrien gelangen, wenn das NADH/NAD+ Verhältnis im Cytosol höher
ist als in der mitochondrialen Matrix.
18.5.2 Der Eintritt von ADP in die Mitochondrien ist mit dem Austritt von ATP durch
eine ATP-ADP-Translokase gekoppelt, welche den Molekülen ermöglicht,
die Permeabilitätsschranke zu überwinden. ADP gelangt nur in die
mitochondriale Matrix, wenn ATP austritt, und umgekehrt. Bei einem positiven
© 2004 Ana Sesartic
48
Membranpotenzial (Betrieb der Atmungskette) erfolgt die Umstülpung des
Bindungszentrums von der Matrix- zur Cytosolseite schneller für ATP als für
ADP, da ATP eine negative Ladung mehr besitzt. Das Membranpotenzial und
daher auch die protonenmotorische Kraft wird beim Austausch von ATP
gegen ADP vermindert, woraus sich ein Nettotransfer einer negativen Ladung
aus der Matrix ergibt.
18.5.3 Die mitochondrialen Transporter für Metaboliten:
Phosphat Carrier
Dicarboxylat Carrier
Tricarboxylat Carrier
Pyruvat Carrier
18.6 Die Regulation der oxidativen Phosphorylierung wird hauptsächlich durch den
ATP-Bedarf bestimmt.
18.6.1 Die vollständige Oxidation der Glucose zu CO2 ergibt etwa 30 ATP.
© 2004 Ana Sesartic
49
18.6.2 Die Geschwindigkeit der oxidativen Phosphorylierung wird durch den
ATP-Bedarf bestimmt. Normalerweise fliessen keine e- durch die e- Transportkette zum O2, wenn nicht gleichzeitig ADP zu ATP phosphoryliert wird.
Atmungskontrolle: Regulation der Geschwindigkeit der oxidativen
Phosphorylierung durch den ADP-Spiegel. e- fliessen von Brennstoffmolekülen zum O2 nur wenn ATP Bedarf vorliegt. NADH und FADH2 werden nur
oxidiert, wenn gleichzeitig ADP zu ATP phosphoryliert wird.
18.6.3 Die oxidative Phosphorylierung kann an vielen
Stellen gehemmt werden. Rotenon und Amytal
blockieren die e- Übertragung innerhalb der NADHQ-Oxidoreduktase. Antimycin A blockiert den eFluss am Cytochrom bH in der Q-Cytochrom-cOxidase. Cyanid, Azid und Kohlenmonoxid
blockieren e- Transfer in der Cytochrom-c-Oxidase.
Die ATP-Synthase kann ebenfalls gehemmt
werden.
18.6.4 Ein Kurzschluss im Protonengradient erzeugt
Wärme. Das Entkopplungsprotein-1 (UCP-1)
erzeugt Wärme, indem es den Fluss der Protonen
in die Mitochondrien ohne ATP-Synthese vermittelt.
Diese Methode der Wärmeerzeugung nützen
winterschlafende Tiere, neugeborene Tiere (auch
menschliche Babys) sowie kälteangepasste Tiere.
18.6.5 Mitochondrienkrankheiten: Leber'sche Optikusneuropathie (Form der
Erblindung, die im mittleren Lebensalter auftritt).
Die Häufung von Mutationen im Mitochondriengenom über Jahrzehnte
hinweg können zum Altern, zu degenerativen Erkrankungen und zu Krebs
beitragen. Da die mütterlich ererbten Mitochondrien in grosser Zahl
vorhanden sind, gibt es viele Mutationsmöglichkeiten. Es gibt grosse
Variationen in Art und Schwere der Krankheitssymptome, sowie ihrem
Einsetzen. Defekte in der Zellatmung sind doppelt gefährlich:
Energieerzeugung vermindert sich und die Wahrscheinlichkeit, dass reaktive
Sauerstoffmoleküle anfallen steigt.
18.6.6 Mitochondrien spielen bei der Apoptose (programmierter Zelltod) eine
Schlüsselrolle. In geschädigten Mitochondrien bildet sich die mitochondriale
Permeabilitätstransitionspore. Cytochrom c aktiviert im Cytosol eine Kaskade
von proteolytischen Enzymen (Caspasen), mit je besonderen Zielen
"death
by a thousand tiny cuts".
© 2004 Ana Sesartic
50
18.6.7 Energieübertragung durch Protonengradienten: ein zentrales Prinzip der
Bioenergetik. Protonengradienten sind eine zentrale, unwandelbare Form
freier Enthalpie in biologischen Systemen.
Aktiver Transport
Elektronenpotenzial
NADPH-Synthese
ATP ~P
Wärmeerzeugung
Flagellenrotation
© 2004 Ana Sesartic
51
ANHANG
Allgemeines Schema für den Abbau von organischen Molekülen.
© 2004 Ana Sesartic
52
Fruktose-1,6-diphosphat-Weg des Abbaus von Glukose
(Glykolyse)
© 2004 Ana Sesartic
53