Hauptwege des Stoffwechsels · Enzymregulation transkriptionelleKontrolle: • verfügbare Menge...

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Hauptwege des Stoffwechsels

■ Kohlenhydrate

Auf- und Abbau der Stoffgruppen

2

CO2

O2

H2O

C6H12O6

+

+2

http://www.expasy.org/cgi-bin/search-biochem-index

Zuckerstoffwechsel

Glykolyse

Harnstoffzyklus

Aminosäurenstoffwechsel

-Oxidation

Hormonstoffwechsel

Porphyrin-stoffwechsel

Nukleinsäuren

Citratzyklus

Biochemical Pathways

3

4


Ausschnitt Citratzyklus

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Kurzinfo Succinat Dehydrogenase


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https://die-menschliche-zelle.de/login

Die menschliche Zelle

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Begriffe und DefinitionenMetabolismus Stoffwechsel

Katabolismus energieliefernde Abbau organischer Stoffe

Anabolismus energieverbrauchender Auf- und Umbau von Stoffen (Baustoffwechsel)

Energiestoffwechsel energieumwandelnde Reaktionen

Assimilation körperfremde Stoffe werden unter Energiezuführung schrittweise in körpereigene Verbindungen umgewandelt

Dissimilation angelegte Energiespeicher werden abgebaut und in nutzbar gemacht (ATP, Wärme)

Grundprinzipien des Stoffwechsels

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Grundprinzipien des Stoffwechsels

Energieüberträger Elektronenüberträger Aufbrechen und Knüpfen von C-C, C-H, C-O Bindungen

NAD(P)HFADH2ATP

katabolerStoffwechselenergieliefernde

Nährstoffe (z.B. Glucose)energiearme Endprodukte

(CO2 + H2O)oxidativO2

einfache Zellbausteine

komplexe BiomoleküleZellmasse

NAD(P)+

FAD+

ADP+Pi

anabolerStoffwechsel

reduktiv

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Enzyme

Hauptklassen

1

2

3

4

5

6

Enzyme

Enzyme erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit durch Stabilisierung des Übergangszustandes

1. Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit

ΔΔG‡kat = ΔG‡

unkat - ΔG‡kat

Erniedrigung um ΔΔG‡kat

Geschwindigkeitserhöhung um

Faktor eΔΔG‡kat /RT

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Enzymregulation

Möglichkeiten der Regulation:

über die Präsenz des Enzymes• Enzymmenge hängt ab von Synthese- und Degradationsrate

über Kontrolle der Enzymaktivität• allosterische Effektoren

(z.B. feedback Inhibition)• kovalente Modifikationen, reversibel

(z.B. Phosphorylierung / Dephosphorylierung)• proteolytische Spaltung, irreversibel

(inaktive Vorläufer aktives Enzym)

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Enzymregulation

transkriptionelle Kontrolle:• verfügbare Menge eines Enzyms wird über

Transkriptionsrate des zugrunde liegenden Gens reguliert

• zugehörige Substrate können die Transkriptionsrate steigern

Minuten bis Stunden

allosterische Regulation:• reversible Modulation von Enzymaktivitäten auf

Proteinebene (spezieller Fall: negative Rückkopplung)

Millisekunden

kovalente Modifikation:• reversible Interkonversion von Enzymen (z.B.

Phosphorylierung-Dephosphorylierung)Sekunden

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Enzymregulation

Allosterische Regulation

Aspartat‐Transcarbamoylase

Carbamoyl‐Phosphat

Aspartat

N‐Carbamoyl‐Aspartat

Erster Schritt der Pyrimidin Biosynthese (CTP, UTP)

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Enzymregulation

Prinzip der negativen Rückkopplung (Feedback-Hemmung):

Schrittmacherenzym

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Cofaktoren

Cofaktoren

„chemische Zähne“ der Enzyme

Metallionen

z.B. Cu2+, Fe3+ oder Zn2+

Coenzyme

kleine organische Moleküle

Cosubstrate

transient gebunden

z.B. NAD(P)H, Coenzym A

Prosthetische Gruppen

permanent gebunden

z.B. Flavine, Häme, Cobalamin

apo-Enzym + Cofaktor holo-Enzym

• Redoxreaktionen• Gruppenübertragungen

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Cofaktoren

Redox Cofaktoren

Lösliche Cofaktoren (Cosubstrate)• NAD+/NADH (Katabolismus)• NADP+/NADPH (Anabolismus)• Chinone / Coenzym Q

Prosthetische Gruppe• FAD/FADH•/FADH2• FMN/FMNH•/FMNH2 • Häme• Eisen-Schwefel-Cluster

Gruppenübertragende Cofaktoren

Lösliche Cofaktoren (Cosubstrate)• ATP• Coenzym A• Tetrahydrofolat• S-Adenosylmethionin (SAM)

Prosthetische Gruppe• Thiaminpyrophosphat (TPP)• Pyridoxalphosphat (PLP)• Biotin• Cobalamin• …………...

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Redox Cofaktoren

Lösliche Cofaktoren: NAD+/NADH und NADP+/NADPH

Hydrid-Ionen-Übertragung (nur Zwei-Elektronen-Prozesse)

UV-Spektra

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Lösliche Cofaktoren: ATP

ATP + H2O → ADP + Pi + H+ G0‘ = -30,5 kJ mol-1

ATP + H2O → AMP + PPi + H+ G0‘ = -30,5 kJ mol-1

PPi → 2 Pi + H+ G0‘ = -19,5 kJ mol-1

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Lösliche Cofaktoren: ATP

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Katabole und anabole Prozesse

Polymere

Proteine, Nucleinsäuren, Polysaccharide, Lipide

Monomere

Aminosäuren, Nucleotide, Monosaccharide,

Fettsäuren

Intermediate

z.B. Pyruvat, Acetyl-CoA, Glucose-6-P,…

‚Einfache Moleküle‘

CO2, NH3, H2O,…

Ana

bole

Pro

zess

e

Kat

abol

e Pr

ozes

se

Regulation !

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Übersicht über katabole Prozesse

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Kohlenhydrate

2

2 NAD+ 2 ADP 2 Pi

2 NADH + 2 H+

2 ATP 2 H2O

Geringe aber schnelle Energieausbeute(anaerober Muskel)

Umsatz im Cytosol: 200 g Glucose / Tag (Mensch) 4 x Kinasen

3 x Isomerase/Mutase (Aldose/Ketose, 2-P/3-P)Dehydrogenase, Aldolase, Dehydratase

G‘ ~ -100 kJ mol-1zelluläre Bedingungen

Glykolyse - Bilanz

-D Glucose Pyruvat(Anion der Benztraubensäure)

O

OH

OHOH

OH

OH

CH3

OCOO

-

Glykolyse – Prototyp eines Stoffwechselweges

CH3

OHCH2OPO3

2-H

Glycerinaldehyd-3-Phosphat

1. Phase‚Investitionsphase‘

2. PhaseGewinnung von ATP und NADH

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HOO

H

H

HO

H

HOOHH H

OH

H3CO

O

O

Glucose 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH

10 enzymatischeSchritte

Glykolyse

Glucose + 2 NAD+

+ 2 Pi + 2 ADP2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH+ 2 H2O + 2 H+

http://biotech.icmb.utexas.edu/glycolysis/pathway.html

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Glykolyse

27

Übersicht über dieGlykolyse

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‚Investitionsphase‘

1. Phosphorylierung

1. Isomerisierung

Spaltung C6 → 2 C3

2. Phosphorylierung

2. Isomerisierung


alternativ:Glycokinase in Leber und Pankreas

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Hexokinase1. Phosphorylierung

Gruppenübertragungsreaktion:Kinasen übertragen Phosphatgruppen

Mechanismus:

31

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SN2-Mechanismus Nachweis des Mechanismus

durch Isotopenmarkierung chirale -Phosphorylgruppe

ohne Glucose(PDB code=1hkg)

mit Glucose (PDB code=2yhx)

Hexokinase1. Phosphorylierung

Hexokinase

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Hexokinase: Bindung der Glucose

Mboc/kin12 oder Brandon/c6FldFlx/kin7

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2. Glucose-6-phosphat wird zu Fructose-6-phosphat isomerisiert

Enzym: Phosphoglucose-Isomerase (PGI)

Aldose Ketose

pgi

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Glucose-P-Isomerase (GPI)1. Isomerisierung

offenkettiges Intermediat Säure-Base Katalyse


Mechanismus: basenkatalysiert

HH

HH

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Mechanismus: basenkatalysiert

HH

HH

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Glucose-P-Isomerase (GPI)

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Enzym: Phosphoglucose-Isomerase (PGI)

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3. Fructose-6-phosphat wird zu Fructose-1,6-biphosphat (FBP)

Enzym: PhosphofructokinaseMechanismus analog zur Reaktionder Hexokinase• ATP-Verbrauch• Mg2+

ABER: Ansatzpunkt der Regulation der Glycolyse

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Phosphofructokinase2. Phosphorylierung

Zwei Untereinheitendes tetramerenEnzyms PFKaus Bacillus st.

Mg2+

ATP

F6P

pfkc6FldFlx/kin11voet/pfk

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Regulation der Glykolyse

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4. Fructose-1,6-biphosphat (FBP)wird zu Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) undDihydroxyacetonphosphat (DHAP)

Enzym: AldolaseSpaltung in zwei Triosen

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AldolaseSpaltung C6 → 2 C3


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Umkehr zur Aldolkondensation Kovalente Katalyse: Schiff-Basen Intermediat aus Ketose + Lys-Enz


AldolaseSpaltung C6 → 2 C3

• Bindung des Substrates• Reaktion der Carbonyl-

gruppe des FBP mit Lyszur protonierten Schiff-Base

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• Spaltung der C3-C4 Bindungunter Bildung eines Enaminsund Freisetzung von GAP

• Protonierung des Enamins zum Iminiumkation

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• Hydrolyse des Imins und Freisetzung von DHAP

• Freies Enzym

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5. Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) wird zu Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP)

Enzym: Triosephosphat Isomerase (TIM)

voet/tim

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Triose-Phosphat-Isomerase

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Gewinnung von ATP und NADH

Oxidation

3. Phosphorylierung ATP

3. Isomerisierung

4. Phosphorylierung ATP

Dehydratisierung


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6. Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) wird zu1,3-Bisphosphoglycerat (1,3BPG)

Enzym: Glyceraldehyd-3-phosphatDehydrogenase (GAPDH)

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Glycerinaldehyd-3-P-DehydrogenaseOxidation

Substratkettenphosphorylierung


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Mechanismus der Substratketten-phosphorylierung

7. 1,3-Bisphosphoglycerat wird zu 3-Phosphoglycerat (3PG) und ATP

Enzym: Phosphoglyceratkinase, Mg2+

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Phosphoglycerat-Kinase3. Phosphorylierung


8. 3-Phosphoglycerat wird zu 2-Phosphoglycerat (2PG)

Enzym: Phosphoglycerat-Mutase

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Phosphoglycerat-Mutase3. Isomerisierung

Phosphoglycerat-Mutase – aktives Zentrum

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9. 2-Phosphoglycerat (2PG) wird zu Phosphoenolpyruvat (PEP)

Enzym: Enolase, Mg2+, katalysiert Wasserabspaltung

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EnolaseDehydratisierung

10. Phosphoenolpyruvat (PEP) wird zu Pyruvat und ATP

Enzym: Pyruvatkinase, Mg2+

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Pyruvat-Kinase4. Phosphorylierung


Übersicht

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1. Phase‚Investitionsphase‘ oderVorbereitungsphase

2. PhaseGewinnung von ATP und NADH oderAmortisierungsphase

10 enzymatische Schritte

NAD+ muss nachgebildet werden

anaerob

alkoholische GärungEthanol, CO2

HomolactischeFermentationLactat

aerob

+ O2

Mitochondrien

Glykolyse

95

Glykolyse

Glucose Pyruvat

Hefe

O2

CO2, H2O

kein O2



Muskel96

97

Milchsäuregärung

Lactatdehydrogenase

100

Brandon/c6FldFlx/kin12

Nicotinamid

101

Warum haben Hähnchen weißes, Enten dunkles Brustfleisch?

103

Glykolyse

Glucose Pyruvat

Hefe

O2

CO2, H2O

kein O2



Muskel104

105

Alkoholische Gärung

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GlykolyseGlucose → 2 Pyruvat: G°‘ = ca. -200 kJ mol-1 2 ATP

MilchsäuregärungGlucose → 2 Lactat: G°‘ = ca. -200 kJ mol-1 2 ATP

Alkoholische GärungGlucose → 2 EtOH + 2 CO2 G°‘ = ca. -235 kJ mol-1 2 ATP

Aerobe AtmungGlucose + 6 O2 → 6 CO2 + 6H2O: G°‘ = ca. -3000 kJ mol-1 >30 ATP

Energetik: Gärungen vs Atmung

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