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http://www.expasy.org/cgi-bin/search-biochem-index
Zuckerstoffwechsel
Glykolyse
Harnstoffzyklus
Aminosäurenstoffwechsel
-Oxidation
Hormonstoffwechsel
Porphyrin-stoffwechsel
Nukleinsäuren
Citratzyklus
Biochemical Pathways
3
7
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
8
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
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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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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Gruppenübertragende Cofaktoren
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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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 !
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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‚Investitionsphase‘
1. Phosphorylierung
1. Isomerisierung
Spaltung C6 → 2 C3
2. Phosphorylierung
2. Isomerisierung
Glykolyse – Prototyp eines Stoffwechselweges
alternativ:Glycokinase in Leber und Pankreas
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Glykolyse – Prototyp eines Stoffwechselweges
SN2-Mechanismus Nachweis des Mechanismus
durch Isotopenmarkierung chirale -Phosphorylgruppe
ohne Glucose(PDB code=1hkg)
mit Glucose (PDB code=2yhx)
Hexokinase1. Phosphorylierung
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
Glykolyse – Prototyp eines Stoffwechselweges
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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Zwei Untereinheitendes tetramerenEnzyms PFKaus Bacillus st.
Mg2+
ATP
F6P
pfkc6FldFlx/kin11voet/pfk
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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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Umkehr zur Aldolkondensation Kovalente Katalyse: Schiff-Basen Intermediat aus Ketose + Lys-Enz
Glykolyse – Prototyp eines Stoffwechselweges
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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5. Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) wird zu Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP)
Enzym: Triosephosphat Isomerase (TIM)
voet/tim
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Gewinnung von ATP und NADH
Oxidation
3. Phosphorylierung ATP
3. Isomerisierung
4. Phosphorylierung ATP
Dehydratisierung
Glykolyse – Prototyp eines Stoffwechselweges
61
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
Glykolyse – Prototyp eines Stoffwechselweges
7. 1,3-Bisphosphoglycerat wird zu 3-Phosphoglycerat (3PG) und ATP
Enzym: Phosphoglyceratkinase, Mg2+
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9. 2-Phosphoglycerat (2PG) wird zu Phosphoenolpyruvat (PEP)
Enzym: Enolase, Mg2+, katalysiert Wasserabspaltung
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Glykolyse – Prototyp eines Stoffwechselweges
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
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Glykolyse
Glucose Pyruvat
Hefe
O2
CO2, H2O
kein O2
alkoholische GärungEthanol, CO2
HomolactischeFermentationLactat
Muskel96
Glykolyse
Glucose Pyruvat
Hefe
O2
CO2, H2O
kein O2
alkoholische GärungEthanol, CO2
HomolactischeFermentationLactat
Muskel104
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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