U. Albrecht BC1

Einführung in den Stoffwechsel

1. Allgemeine Einführung

2. Energiereiche Verbindungen

3. Organische Reaktions - mechanismen

4. Experimentelle Ansätze zur Unter-suchung des Stoffwechsels

1. Allgemeine EinführungU. Albrecht BC1

Wie wird Leben aufrechterhalten?

Auf- und Abbau biologischer Moleküle.

Wie wird freie Enthalpie bei der Entstehung von zellulärem Material und der Erfüllung zellulärer Aufgaben verbraucht?

Wie wird freie Enthalpie aus organischen und anderen Quellen gewonnen?

Stoffwechsel = Vorgänge bei denen lebende Systeme freie Enthalpie benötigenund verbrauchen um verschiedene Funktionen auszuüben.

Katabolisumus = Abbau, Nahrungs- und Zellbestandteile werden in Grund-bausteine zerlegt und freie Entahlpie wird gebildet.

Anabolismus = Biosynthese, Biomoleküle werden aus einfachen Bausteinenaufgebaut.

Exergone und endergone Vorgänge = Energie wird frei bzw. VerbrauchtExergon -> oxidation von NährstoffenEndergon -> anabole Reaktionen, mechanischer Arbeit, Transport von Molekülen

Exergone und endergone Vorgänge sind über energiereiche Verbindungen wie ATP gekoppelt

Endergonic Reaction

Products store more free energy than reactants

Energetically uphill

Non-spontaneous

∆G is positive

+∆G is the minimum quantity of work required to drive reaction

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Exergonic Reaction

Products have less free energy than reactants

Energetically downhill

Spontaneous

∆G is negative

-∆G is maximum work the reaction can perform

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Prinzipien der Stoffwechselvorgänge in allen Organismen gleich- gemeinsamer evolutionärer Ursprung- gleiche Einschränkungen aufgrund der Gesetzmässigkeiten der Thermodynamik

Unterschiede ergeben sich aufgrund verschiedener Versorgungsquellen.

Einteilung nach Ernährungsstrategien:

Autotrophe Organismen (einige Prokaryonten): alle Zellbausteine aus einfachen Molekülen selbst aufbaubar.

Chemolithotrophe: Oxidation nicht organischer Substanzen NH3, H2S oder Fe2+Photoautotrophe: Freie Enthalpie aus Photosynthese. Lichtenergie

Heterotrophe Organismen: Oxidation organischer Substanzen -> abhängig von autotrophen Organismen

Einteilung anhand des Oxidationsmittels:

Obligate Aerobier: oxidationsmittel ist Sauerstoff O2

Anaerobier: oxidationsmittel ist Sulfat und Nitrat.Fakultativ Anaerobe: z.B E. coli, wachsen in Anwesenheit und in Abwesenheit von Sauerstoff.Obligate Anaerobe: wachsen nur in Abwesenheit von Sauerstoff (früheste Lebensformen).

A. Ernährungsstrategien

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Stoffwechselwege= Serie von verknüpften Enzymatischen Reaktionen zur Bildung Spezifischer Produkte.Ihre Reaktionspartner, Zwischenprodukte und Endprodukte = Metaboliten

Katabole und anabole Stoffwechselwege hängen zusammen:

oft Acetyl-CoA

Energiespeicher

Katabole Wege -> vielzahl verschiedenerSubstanzen (Kohlenhydrate, Fette, Proteine)werden zu wenigen gleichen Zwischen-produkten.

Anabole Wege -> aus wenigen Metabolitenviele verschiedene Produkte.

B. Stoffwechselwege

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Stoffwechselwege laufen an spezifischen Zellorten ab

Kompartimentierung in eukaryonten -> Mechanismen für den Transport vonStoffen zwischen Kompartimenten. Multizelluläre Organismen -> Gewebe

und Organe mit spez.Funktion.

Überblick zum Katabolismus

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Spezialisierung von Geweben und subzelluläre Kompartimenteführen zum Vorkommen von Isoenzymen.

Isoenzym = Enzyme die eine gleiche Reaktion katalysieren aber von ver-schiedenen Genen codiert werden und unterschiedlichekinetische und regulatorische Eigenschaften besitzen.

Beispiel: Lactat-Dehydrogenase (LDH)

M-Typ -> Gewebe mit anaeroben Bedingungen (Skeletmuskel, Leber)H-Typ -> Gewebe mit aeroben Bedingungen (Herzmuskel)

Pyruvat Lactat

Existenz von Isoenzymen ermöglicht es, diverse Krankheiten zu erkennenHerzinfarkt -> absterben von Muskelzellen -> H-Typ LDH gelangt ins Blut-> Bluttest der Vorhandensein von H-Typ LDH nachweist -> Diagnostikumfür Herzinfarkt.

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Freie Enthalpie

Reaktion nahe am Gleichgewicht -> ∆G ≈ 0 -> reversibelViele Stoffwechselreaktionen nahe am Gleichgewicht -> können einfach umgekehrt werden durch Veränderung des Produkt/Edukt VerhältnissesEnzyme die gleichgewichtsnahe Reaktionen katalysieren -> für schnelle Gleichgewichtseinstellung. Nettorate durch relative Konzentrationen bestimmt.

Reaktion weit weg vom Gleichgewicht -> ∆G gross -> irreversibelEdukte kumulieren in grossem Überschuss -> Substratkonzentration geringer Einfluss auf Nettorate.Enzym in gesättigtem Zustand -> nur Veränderung der Enzymaktivität kannReaktionrate beeiflussen. -> Enzymaktiviät kontrolliert Substratfluss.

C. Thermodynamische Betrachtungen

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Stoffwechselwege zusammengesetzt aus Reaktionen nahe am Gleichgewicht und solchenweit weg vom Gleichgewicht.Reaktionen weit weg vom Gleichgewicht bestimmen die Flussrate von Metaboliten innerhalbeines Stoffwechselweges.

1. Stoffwechselwege sind irreversibel

2. Jeder Stoffwechselweg hat einen erstenfestlegenden Schritt (commited step, meist frühin der Kaskade)

3. Katabole und anabole Stoffwechselwegeunterscheiden sich

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Lebende Organismen = thermodynamisch offene SystemeBefinden sich in einem Fliessgleichgewicht. Wenn im Gleichgewicht -> Organismus tot.

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Tonnen von Nahrungsmitteln

25�000 Liter

50 Jahre -> Gewicht verändert sichnicht signifikant

Fluss der Zwischenprodukte ist in einem Fliessgleichgewichtkonstant. Synthese und Abbau halten sich die Waage.

J = vf - vr

Metabolitenfluss Rate der Vorwärts- bzw. Rückwärts-reaktion

D. Kontrolle des Stoffwechselflusses

Fluss ist limitiert durch den geschwindigkeitsbestimenden Schritt

Langsamster Schritt -> Produktreagiert sofort weiter -> keinGleichgewicht kann sich einstellen

Geschwindigkeitsbest. Schrittweit weg vom Gleichgewicht undweist eine hohe negative freieEnthalpie auf.

-> Regulation von Stoffwechselwegam Geschw.best. Schritt.

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1. Allosterische Konrtolle: A B C P

negativer Feedback-Mechanismus

2. Kovalente Modifikation(Enzymumwandlung)

Phosphorylierungvon Enzymen beeinflusstderen Aktivität

3. Substratzyklen Vor- und Rückreaktionen können unabhängig voneinander verändertwerden.

4. Genetische Kontrolle

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Kontrollmechansimen am geschwindigkeitsbestimmenden Schrittku

rzfr

istig

lang

fris

tig

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Oxidation von Glucose: C6H12O6 + 6 O2 --> 6 CO2 + 6 H2O ∆G°�= -2850 kJ/mol

Oxidation von Palmitat: C6H32O2 + 23 O2 --> 16 CO2 + 16 H2O ∆G°�= -9781 kJ/mol

Grosse Energiebeträge werden frei -> schrittweise Freisetzung ->

�Energiepakete� werden als energiereiche Zwischenprodukte konserviert ->

können in Folgeschritten zu endergonen Vorgängen gebraucht werden ->

energiereiche Zwischenprodukte = Währung der freien Enthalpie

energiereicheZwischenprodukte

2. Energiereiche Verbindungen

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A. ATP und Phosphorylgruppenübertragungen

Eine der häufisten energiereichen �Währung� in der Zelle ist adenosintriphosphat (ATP)

Spaltung der Phosphoanhydridbindungen-> Energie wird freigesetzt.

Phosphorylgruppe auf anderes Molekül undADP entsteht

Oder

Nucleotidylgruppe (AMP) wird transferiert undPhosphat wird frei.

ATP + H2O <--> ADP + Pi

ATP + H2O <--> AMP + PPi

In biologischen Reaktionen anstelle von Wassermeist ein anderes Molekül.

PhosphorylgruppenübertragungspotentialeU. Albrecht BC1

Bezeichene Tendenz einerPhosphorylierten VerbindungIhre phospohrylgruppe auf Wasser zu übertragen.

Spontane Übertragung einer PhosphorylgruppeAuf ADP

ATP überträgt spontan eine Phosphorylgruppeauf Kohlenhydrate

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Warum diese 2 Bindungen Energiereich ?

1. Resonanzstabilisierung: Besser in Hydrolyse-produkt

2. Elektrostatische Abstossung der negativenLadungen

3. Solvatationsenergie

pH und Ionenstärke hat Einfluss auf ∆G

Begriff �Energie� in ATP

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1) A + B <---> C + D ∆G1 ∆G1 > 0 endergon

2) D + E <---> F + G ∆G2 ∆G2 ausreichend exergon damit

∆G1 + ∆G2 < 0

Reaktion 2 zieht das Gelichgewicht von Reaktion 1 nach rechts undtreibt somit Reaktion 1 an.

B. Gekoppelte Reaktionen

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Gekoppelte Reaktionen unter Beteiligung von ATP

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Phosphorsäureanhydridhydrolyse treibt viele biochemische Prozesse

Direkte ATP hydrolyse liefert Energie für: - Arbeit molekularer Chaperone

- Muskelkontraktion

- Transmembrantransport

Proteine binden ATP -> hydrolyse -> Konformationsänderung des Proteins

Hydrolyse von GTP Energie für: - Signaltransduktion

- Proteinbiosynthese

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Phosphorsäureanhydridbindungen hydrolysieren langsam

-> hohe freie Aktivierungsenthalpie

-> ATP Hydrolyse thermodynamisch begünstigt jedoch kinetisch gehemmt

Herabsetzen der Aktivierungsenthalpie -> Enzyme

Z. B. Hexokinase -> Glucose-6-P schneller gebildet als ATP hydrolysiert

-> Enzym setzt Aktivierungsenergie von Phosphatübertragung auf Glucose so stark runter, dass siekleiner wird als die Aktivierungsenergie für die ATP Hydrolyse.

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Pyrophosphatase katalysiert Spaltungen von Phophorsäureanhydridbindungen

ATP -> ADP + Pi = Orthophosphatspaltung

ATP -> AMP + PPi = Pyrophosphatspaltung

Hauptreaktionreversibel

Nebenreaktionirreversibel-> treibt Reaktionan

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C. Weitere phosphorylierte Verbindungen

Resonanz-stabilisierung-> P wird besser abge-geben.

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Phosphocreatin stellt einen energiereichen Speicher für die ATP-Bildung dar

ATP + Creatin <---> Phosphocreatin + ADP ∆G°�= + 12,6 kJ/mol

-> Reaktion endergon unter Standardbedingungen

In der Zelle sind Konzentrationen der Reaktanten und Produkte etwa im GleichgewichtD.h. ∆G is etwa 0.

-> in Geweben mit hohem ATP-Umsatz (Muskel, Nervenzellen) verschiebt sich bei Hoher Aktivität das Gleichgewicht nach linksIn Ruhe Gleichgewicht nach rechts

-> Phospohcreatin = ATP-�Puffer�

In invertebraten statt phosphocreatin -> phospohargininBeide werden als phosphagene bezeichnet.

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Synthese von Proteinen und Nucleinsäuren benötigen andere Nucleosidtriphosphate alsATP. Neben ATP, CTP, GTP und UTP (RNA) oder dATP, dCTP, dGTP, dTTP (DNA). Bezeichnung aller: NTP bzw. dNTP. Es können auch NDP gebildet werden. Umwandlung über Nucleosiddiphosphat-Kinase: ATP + NDP <---> ADP + NTP ∆G°�nahe 0-> Reaktion wird durch Verbrauch der NTP angetrieben.

Umwandllung von Nucleosidmonophosphaten in Diphosphate durch Adenlyat-Kinase:

AMP + ATP <----> 2 ADP

Das Enzym in allen Geweben ->hält gleichmässige Produktion allerNucleotide aufrecht.

ohne Substrat mit Substrat

Nucleosidtriphosphate sind frei ineinander umwandelbar

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Phosphat knapp in abiotischer Welt ->andere Molekularten müssen als energiereicheVerbindungen gedient haben.Kandidat für primitive energiereiche Verbindungist Thioesterbindung.Thioesterbidnung findet sich in Stoffwechselwegenals Zwischenprodukt und in Form von Acetyl-CoA.

Kohlenhydrat- Fettsäure-

Acetyl-CoA

Aminosäurestoffwechsel

Acetyl-CoA energiereich -> ∆G°�= -31.5 kJ/molvrgl. ATP -> -30.5 kJ/mol

In Citratzyklus gebraucht um aus GDP + Pi

GTP zu machen.

D. Thioester

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Stoffwechselwege = enzymatisch katalysierte organische Reaktionen

Säure-Base Katalysekovalente KatalyseMetallionen Katalyseelektrostatische KatalyseNachbargruppeneffekte

4 Kategorien von biochemischen Reaktionen:

1) Gruppenübertragungsreaktionen2) Oxidations- und Reduktionsreaktionen3) Eliminierungen, Isomerisierungen und Umlagerungen4) Lösen oder knüpfen von C-C Bindungen

3. Organische Reaktionsmechanismen

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A. Chemische Grundlagen

Möglichkeiten zur Spaltung einer C-H Bindung

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Nucleophile und elektorphile Gruppen in der Biochemie

Nucleophile Elektrophile

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In biochemischen Systemen ->Gruppenübertragungen = nucleophileSubstitutionen.

Acylgruppen

Phosphorylgruppen

Glycosylgruppen

B. Gruppenübertragungsreaktionen

C. Reduktions- und OxidationsmechanismenU. Albrecht BC1

Brenstoffe wie Zucker werden im Stoffwechsel oxidiert zu CO2 -> Elektronen werden auf Moleküleübertragen die als Träger fungieren -> Elektronenam Ende auf O2

= Elektronentransport-> Protonengradient in Mitochondrien-> ATP Synthese

In Lebewesen freie Enthalpie grösstenteils aus Redoxreaktionen.

Elektronenträgermoleküle:

Nicotinamidadenindinucleotid (NAD+)Flavinadenindinucleotid (FAD)

Hydridion -> gepaarte Elektronen

Gepaarte und ungepaarte Elektronenaufnahme

O2 kan nur ungepaarte Elektronen aufnehmen.

a) NAD+ und FAD

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Konjugiertes System

Reversible Elektronenübertragung

Flavinadenindinucleotid (FAD)

Mensch kann Falvin-Anteil nicht selberSynthetisieren -> Aufnahme durch NahrungVit B2

Mangel seltenSymptome: Dermatitis, Läsionen Mundschlieimhaut

entzündete Zunge.

U. Albrecht BC1b) Redoxpotentiale

Reduktion OxidationCu+ = ElektronendonatorFe 3+ = Elektronenakzeptor

konjugiertes Redoxpaar

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Elektronenfluss

Siehe später Elektronenüber-tragungskette in Mitochondrienzur Gewinnung von ATP

∆E = EAkzeptor - EDonator

∆E

∆E positiv -> ∆G negativ

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Eliminiert werden können z.B.:

H2ONH3

Alkohole (ROH)Primäre Amine (RNH2)

Stereochemie

D. Eliminierungen, Isomerisierungen und Umlagerungen

Eliminierungsreaktionen bilden C-C Doppelbindungen

Sequenz

U. Albrecht BC1Biochemische Isomerisierungen verlaufen unter intramolekularenWasserstoffatom-Verschiebungen

Aldose-Ketose Isomerisierung

Säure-Base katalysiert

Z.B Glucosephosphat-Isomerasekatalysiert eine solche Reaktion

Wenn mehrer chirale Zentren wiez.B Zucker wird eine solche Isomerisierung auch als Epimerisierung bezeichnet

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C-C Bindungen werde gelöstund neu gebildet.

Prosthetische Gruppe Vit-B12 Derivat

Umlagerungen ergeben veränderte Kohlenstoffgerüste

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E. Reaktionen unter Bruch und Bildung von C-C Bindungen

Stabilisierte Carbanionen müssen erzeugt werden

Enzyme die solche Reaktionen katalysieren:

AldolaseCitrat-SynthaseIsocitrat-DehydrogenaseFettsäure-Synthase

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4. Experimentelle Ansätze zur Untersuchungdes Stoffwechsels

Isotopenmarkierung und NMR-Spektroskopie

5� nach Verabreichung von(1-C13) Glucose

30� nach Verabreichung von(1-C13) Glucose

Isotopenmarkierung und Kinetik

U. Albrecht BC1Genetische Defekte und genet. Manipulation

Natürlich vorkommende StoffwechseldefekteIm Mensch -> Metaboliten untersuchen

Da Stoffwechselvorgänge in Tieren ähnlichWie iim Mensch -> Tiermodelle z.B. Ratte Oder Maus.

In Maus gezielte Mutagenesemöglich -> Untersuchen desdefektes -> Sequenzen vonbiologischen Abläufen könnenaufgedeckt werden.

Proteomik

2D-Gelelektrophoresis

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Transkriptomik

A

B

DNA-Microarray (DNA-Chip)