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Post on 21-Feb-2021
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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
U. Albrecht BC1
Exergonic Reaction
Products have less free energy than reactants
Energetically downhill
Spontaneous
∆G is negative
-∆G is maximum work the reaction can perform
U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
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.
U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
U. Albrecht BC1
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.
U. Albrecht BC1
U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
Gekoppelte Reaktionen unter Beteiligung von ATP
U. Albrecht BC1
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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U. Albrecht BC1
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.
U. Albrecht BC1
U. Albrecht BC1
Pyrophosphatase katalysiert Spaltungen von Phophorsäureanhydridbindungen
ATP -> ADP + Pi = Orthophosphatspaltung
ATP -> AMP + PPi = Pyrophosphatspaltung
Hauptreaktionreversibel
Nebenreaktionirreversibel-> treibt Reaktionan
U. Albrecht BC1
C. Weitere phosphorylierte Verbindungen
Resonanz-stabilisierung-> P wird besser abge-geben.
U. Albrecht BC1
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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U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
A. Chemische Grundlagen
Möglichkeiten zur Spaltung einer C-H Bindung
U. Albrecht BC1
Nucleophile und elektorphile Gruppen in der Biochemie
Nucleophile Elektrophile
U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
Elektronenfluss
Siehe später Elektronenüber-tragungskette in Mitochondrienzur Gewinnung von ATP
∆E = EAkzeptor - EDonator
∆E
∆E positiv -> ∆G negativ
U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
C-C Bindungen werde gelöstund neu gebildet.
Prosthetische Gruppe Vit-B12 Derivat
Umlagerungen ergeben veränderte Kohlenstoffgerüste
U. Albrecht BC1
E. Reaktionen unter Bruch und Bildung von C-C Bindungen
Stabilisierte Carbanionen müssen erzeugt werden
Enzyme die solche Reaktionen katalysieren:
AldolaseCitrat-SynthaseIsocitrat-DehydrogenaseFettsäure-Synthase
U. Albrecht BC1
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
U. Albrecht BC1
Transkriptomik
A
B
DNA-Microarray (DNA-Chip)
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