Inhalt der Vorlesung bis Weihnachten...Inhalt der Vorlesung bis Weihnachten. 1. 1.Aminosäuren 2.Peptide und Proteine 3.Enzyme & Cofaktoren 4.Kohlenhydrate 5.Lipide 6.Nukleotide 7.Zellorganellen

Inhalt der Vorlesung bis Weihnachten

1

1.Aminosäuren2.Peptide und Proteine3.Enzyme & Cofaktoren4.Kohlenhydrate5.Lipide6.Nukleotide7.Zellorganellen8.Replikation und Transkription9.Translation, Proteinexpression, Gentechnik

1850 Louis Pasteur: Vitalismus 1860-1917 Eduard Buchner:zellfreie alkoholische Gärung

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Pioniere der Enzymologie2. Enzyme und Cofaktoren

1926 James Batcheller Sumner: UreaseEnzyme sind Proteine

John Burdon Sanderson Haldane:Konzept der enzymatischen Katalyse

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Pioniere der Enzymologie2. Enzyme und Cofaktoren

• Thermodynamik beschreibt die Energieverhältnisse einer Reaktion. • Kinetik beschäftigt sich mit mit der Frage, wie schnell eine Reaktion unter gegebenen Bedingungen abläuft

Enzyme ändern dieKinetik einer Reaktion,nicht aber die Energetik.

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Thermodynamik und Kinetik2. Enzyme und Cofaktoren

• Enzyme katalysieren eine Reaktion, indem sie den Überganszustand einer Reaktion begünstigen (die Aktivierungsenergie ΔG‡ erniedrigen).

• Bei der Katalyse bilden Enzym und Substrat einen Enzym-Substrat-Komplex aus, der dann zum Enzym das Produkt weiterreagieren kann:

E + S ES E + P

E + P

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Enzymkinetik2. Enzyme und Cofaktoren

Faustregeln: - alle 10°C Verdoppelung von v0- ∆G‡ um 6 kJ niedriger 10 × schnellere Reaktion

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Temperatur und Aktivierungsenergie2. Enzyme und Cofaktoren

Geschwindigkeitsgesetz: S → P

empirische Aktivierungsenergie(Arrhenius-Gleichung )

Reaktionskinetik – Einfluss von Temperatur und Aktivierungsenergie

freie Aktivierungsenthalpie(Theorie des Übergangszustandes, Eyring)

][d

][d SktSv =−=

RTEaeAk /−=

RTGeh

kTk /‡∆−=

RTGevv /maxo,o

‡∆−=

Massenwirkungsgesetz:∆G = – RT · lnKeqA + B → C + D

Keq =[C] [D][A] [B] ∆G = ∆G0‘+ RT· ln [C] · [D]

[A] · [B]

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Massenwirkungsgesetz2. Enzyme und Cofaktoren

Stoß-Theorie

Übergangszustand-Theorie

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Stoß-/Übergangszustand-Theorie2. Enzyme und Cofaktoren

1. Schlüssel-Schloss-Prinzip

2. Komplementarität zum Übergangszustand

4. Verlust an Entropie

5. Desolvatisierung, Induced fit

3. Bindungsenergie

6. Elementarschritte im katalytischen Zyklus

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Prinzip der enzymatischen Katalyse2. Enzyme und Cofaktoren

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Prinzip der enzymatischen Katalyse: 1. Schlüssel-Schloss-Prinzip2. Enzyme und Cofaktoren

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Prinzip der enzymatischen Katalyse: 2. Komplementarität zum Übergangszustand2. Enzyme und Cofaktoren

ΔG‡kat < ΔG‡

unkat

Das Substrat wird verändert und nimmt einen energetisch ungünstigen Übergangs-zustand ein. Die Aktivierungsenergie ist nun der Energiebetrag, der benötigt wird, umdas Substrat in den Übergangszustand zu zwingen. Hier setzt die katalytische Wirkungdes Enzyms an: Durch nicht-kovalente Wechselwirkungen mit dem Übergangs-zustand stabilisiert es diesen, so dass weniger Energie benötigt wird, um dasSubstrat in den Übergangszustand zu bringen.

Hinweise für die Komplementarität von Enzym und Übergangszustand:

1. Struktur/Aktivität: Einfluss funktioneller Gruppen auf Bindung des Substrates oder Aktivität

2. Übergangszustandanaloga:bessere Bindung als Substrat

3. Katalytische Antikörper (Abzyme)

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Prinzip der enzymatischen Katalyse: 2. Komplementarität zum Übergangszustand2. Enzyme und Cofaktoren

Wasserstoffbrückenbindung: 10-20 kJ mol-1

kovalente Bindung: >>100 kJ mol-1

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Prinzip der enzymatischen Katalyse: 3. Bindungswechselwirkungen, Bindungsenergie2. Enzyme und Cofaktoren

Polypeptidkette, N-,C-Terminus

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Prinzip der enzymatischen Katalyse: Aminosäuren mit Fähigkeit zu H-Brücken/ionischer Bindung2. Enzyme und Cofaktoren

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Prinzip der enzymatischen Katalyse: Aminosäuren mit Fähigkeit zu hydrophoben Wechselwirkungen

2. Enzyme und Cofaktoren

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Prinzip der enzymatischen Katalyse: 4. Senkung der Entropie2. Enzyme und Cofaktoren

Induced fit: H2O-Ausschluß

Hexokinase: Glucose + ATP Glc-6-P + ADP

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Prinzip der enzymatischen Katalyse: 5. Induced fit + Domänenbewegung2. Enzyme und Cofaktoren

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Prinzip der enzymatischen Katalyse: 6. Elementarschritte im katalytischen Zyklus2. Enzyme und Cofaktoren

Beschleunigungsrate einiger Enzyme: (‚Proficiency‘)

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Enzyme = Biokatalysatoren2. Enzyme und Cofaktoren

Unkatalysiert: 1 x 78 Mio Jahre, katalysiert: 1 x 18 ms

-

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Weltrekord an Enzymeffektivität: Orotidin-5-P Decarboxylase2. Enzyme und Cofaktoren

1. Allgemeine Säure/Base-Katalyse: Bsp. Hydrolasen

2. Kovalente Katalyse: Bsp. Transaminasen, Decarboxylasen, Carboxylasen

3. Katalyse an Metallionen: Carboanhydrase, Katalase, Proteasen

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Enzyme: einige Katalysemechanismen2. Enzyme und Cofaktoren

Aminosäurereste beispielsweise von Histidin reagieren als Säure oder Base, indem sie während einer Reaktion Protonen (H+-Ionen) aufnehmen oder abgeben.

Aminosäurereste oder Coenzyme gehen kovalente Bindungen mit einem Substrat ein und bilden ein kurzlebiges Zwischenprodukt. In der Regel sind bei solchen Reaktionen nukleophile Aminosäure-Seitenketten (beispielsweise Lysin-Seitenketten mit Aminogruppe) oder Coenzyme wie Pyridoxalphosphat beteiligt.

Metallionen können als strukturstabilisierende Koordinationszentren, Redox-Partner (oft Eisen- oder Kupfer-Ionen) oder als Lewis-Säuren (häufig Zink-Ionen) die Katalyse unterstützen. Sie können negative Ladungen stabilisieren bzw. abschirmen oder Wassermoleküle aktivieren.

Reaktionsgeschwindigkeit: schneller

Reaktionsbedingungen: milder, aber begrenzt auf wässriges Milieu

Spezifität: substrat- und stereoselektiv, kaum Nebenreaktionen

Regulation: vielfach

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Enzyme vs. chemische Katalysatoren2. Enzyme und Cofaktoren

1. Substratspezifität: Substrat- und stereospezifisch, Enzyme sind selbst chiral

Pyruvatprochiral

L-Milchsäure

D-Milchsäure

COOHCCH3

O

COOHCCH3

HO H

COOHCCH3

H OH

2 [H]

2 [H]

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Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren

2. Temperatur- und pH-Abhängigkeit

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3. Isoenzyme: Mehrere sehr ähnliche Enzyme → eine Reaktion

Bsp.: Lactat Dehydrogenasen

Funktion: Modulation der Aktivität in verschiedenen Geweben/Organellen

M-Typ H-Typ

- anaerobesGewebe

- aerobesGewebe

- Herzinfarkt-Diagnostik

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4. Domänenbewegung während der Katalyse

Induced fit: H2O-Ausschluß

Hexokinase: Glucose + ATP Glc-6-P

26


27


CTP, UTP

5. Allosterische Regulation

Bsp: Aspartat-Transcarbamoylase

28


29


Hill-Koeffizient (nH):

Mittel, um die Kooperativität der Substratbindung eines Enzyms zu messen

positve Kooperativität:

nH liegt zwischen 1 und der Anzahl der substratspezifischen Bindungsstellen(je größer nH, desto stärker die Kooperativität)

negative Kooperativität:

nH < 1

keine Kooperativität:

nH = 1

6. Coenzyme und prosthetische Gruppen

Coenzym: Bsp. NADH Prosthetische Gruppe: Bsp. FAD

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-katalysieren eine chemische Reaktion durch Erniedrigung der Aktivierungsenergie

-stabilisieren den Übergangszustand durch effektive Bindung

-sind substratspezifisch

-sind selbst chiral und stereospezifisch

-haben Temperatur- und pH-Optimum

-zeigen Domänenbewegung während der Katalyse

-besitzen häufig Coenzyme oder prosthetische Gruppen

-sind regulierbar (Hemmung/Aktivierung)

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Enzyme: Zusammenfassung2. Enzyme und Cofaktoren

Allgemeine Reaktionsordnungen:

1. Ordnung: A → P

v = d[P]dt

d[A]dt= - = k[A] k in s-1

2. Ordnung: 2A → P

d[A]dt= -v = k[A]2 k in s-1 M-1

2. Ordnung: A + B → P

d[A]dt= -v = k[A] [B] k in s-1 M-1

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Grundlagen der Enzymkinetik2. Enzyme und Cofaktoren

E + S ES E + Pk1 k2

k-1 k-2

Die Anfangsgeschwindigkeit ist unabhängig von der Rückreaktion,da hier noch kein (oder nur sehr wenig) Produkt hergestellt wurde.

33

Die Bestimmung der Anfangsgeschwindigkeit2. Enzyme und Cofaktoren

34

Die Michaelis-Menten-Kinetik2. Enzyme und Cofaktoren

1903 Victor Henri: bei einer enzymatischen Katalysation vorübergehend Enzym-Substrat-Komplex

1913 Maud Menten und Leonor Michaelis: Michaelis-Menten-Gleichung

Reaktionsgeschwindigkeit V0 = Anzahl der pro Sekunde entstehenden Mole Produkt-Reaktionsgeschwindigkeit steigt zunächst linear mit zunehmender Substrat-konzentration an

-bei hohen Substratkonzentrationen erreicht V0 ein Maximum

Eine solche Reaktionwird durch die Mechaelis-Menten-Kinetik beschrieben

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Umsetzung zum Produktsteigt linear mit der Zeit (Rückreaktion istvernachlässigbar)

Konz

entra

tion

E + S ES E + Pk1 k2

k-1 k-2

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Konzentrationsänderungen der Reaktanden am Anfang einer Reaktion (Produktkonz. sehr klein)


E + S ES E + Pk1 k2

k-1 k-2

Das Gleichgewicht ist eingestellt, es gibtkeine Nettoveränderung von Substrat undProdukt mehr!

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Konzentrationsänderungen der Reaktanden im Gleichgewicht2. Enzyme und Cofaktoren

Die MM-Kinetik formuliert einen Ausdruck, der die Katalyse-geschwindigkeit mit der Substrat- und Enzymkonzentration verbindet.

Das MM-Modell ist das einfachste, mit dem man die kinetischen Eigenschaften vieler enzymkatalysierter Reaktionen beschreiben kann.

Zentraler Punkt bei dieser Betrachtungsweise ist die Michealis-Menten Gleichung

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Was macht die Michaelis-Menten-Kinetik?2. Enzyme und Cofaktoren

E + S ES E + Pk1 k2k-1

V0 ist linear zu [S] wenn [S] klein und P noch nichtgebildet ist

Bei hohen [S] ist V0von [S] unabhängig(alle aktiven Zentrenbesetzt)

Rückreaktion ist vernachlässigbaram Anfang der Reaktion

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Voraussetzungen für eine Michaelis-Menten-Kinetik2. Enzyme und Cofaktoren

Katalysegeschwindigkeit V0 = k2 [ES](Vo ist Produkt aus Geschwindigkeitskonstante k2 und [ES])

ES lässt sich ausdrücken über zwei Größen:

Bildungsgeschwindigkeit für ES = k1[E][S]Zerfallsgeschwindigkeit für ES = (k-1+k2)[ES]daraus ergibt sich:

k1[E][S] = (k-1+k2)[ES] oder[E][S]/[ES] = (k-1+k2)/k1

40




[E][S]/[ES] = (k-1+k2)/k1 = KM

KM ist die Michaelis-Menten Konstante (hat Konzentrations-einheit).Diese Konstante ist ein wichtiges Charakteristikum für E-S-Wechselwirkungen und von der Konzentration dieser beidenunabhängig.

Umformen der obigen Gleichung ergibt:[E][S]/KM = [ES]

41



[E][S]/KM = [ES]

Annahme: [E] viel kleiner als [S] [S]ges. ist dann nahezu gleich mit ungebundenem [S]

Für die Enzymkonzentration gilt:[E] = [E]ges - [ES]

([E]ges.- [ES])[S] = [ES]KM

42



([E]ges.- [ES])[S] = [ES]KM

nach ES auflösen:

[ES] = [E]ges.[S]

[S]+KM

mit Katalysegeschwindigkeit V0 = k2 [ES]:

V0 = k2[E]ges.[S]

[S]+KM43



V0 = k2[E]ges.[S]

[S]+KM

Die Maximalgeschwindigkeit Vmax ist erreicht, wenn alle aktivenZentren besetzt sind, also [ES] = [E]ges. ist und demzufolge gilt:

Vmax = k2[E]ges.

V0 = Vmax[S]

[S]+KM

44


V0 =Vmax [S]KM + [S]

Die Michaelis-Menten Gleichung

45


-wenn [S] sehr klein ist wird ist V0 direkt Proportional zu [S]-wenn [S] sehr groß ist (viel größer als KM) ist V0=Vmax-wenn [S]=KM wird V0 = Vmax/2d.h. KM ist die Substratkonzentration,bei der die Reaktionsgeschwindigkeithalbmaximal ist!

▲

▲

▲

▲

▲▲

▲

▲ = gemessene Werte

46

Enzyme sind sättigbar: Bestimmung von Vmax und KM


▲▲▲

▲▲

47

Bestimmung von Vmax und KM: Lineweaver-Burk-Diagramm2. Enzyme und Cofaktoren

KM immer aus der Steigung bestimmen!

Ein Beispiel, wie sich unterschiedliche KM-Werte in biologischenSystemen auswirken können:Viele Asiaten vertragen keinen Alkohol. Dieser Effekt wird durch Acetaldehyd hervorgerufen, das durch die AD gebildet wird.

EtOH + NAD+ Acetaldehyd + NADH

Acetaldehyd wird durch eine weitere DH zu Acetat abgebaut. Hiervon hat der Mensch 2 Isozyme: Mitochondriale DH mit niedrigem KM, cytosolische DH mit hohem KM. Bei alkohol-empfindlichen Menschen ist die mitochondriale DH mutiert und daher inaktiv.Aufgrund des hohen KM der cytosolischen DH wird Acetaldehyd nur sehr ineffizient abgebaut und daher ins Blut abgegeben. Dies führt zu den physiologischen Effekten.

AD

48


49

Der KM-Wert ist für jedes Enzym charakteristisch2. Enzyme und Cofaktoren

Die Wechselzahl kcat ist die Anzahlvon Substratmolekülen, die beivollständiger Sättigung des Enzymsmit Substrat pro Zeiteinheit umge-setzt werden.

Für die meisten Reaktionen liegt kcatzwischen 1 und 10000/sec.

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Enzymkinetik: wichtige Definitionen2. Enzyme und Cofaktoren

1. Wechselzahl/turnover number: kcat =Vmax[E]T

in s-1

2. Katalytische Leistungsfähigkeit/katalytische Effizienz: = kcat/KM

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1. Wechselzahl/catalytic number: kcat =Vmax[E]T

in s-1

2. Katalytische Leistungsfähigkeit: = kcat/KM

3. Einheiten der Enzymaktivität:

- klassisch: 1 Enzymeinheit: 1 U = 1 µmol Substrat min-1

- seit 1972 SI-Einheit : 1 katal = 1 mol Substrat s-1

1 unit = 16,67 nkat

typische spezifische Aktivität: 5-100 Units (mg Enzym)-1

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1. Substrat-/Produkthemmung

3. Enzym instabil während Katalyse d[E]T/dt und d[ES]/dt nicht konstant2. Reaktionsgeschwindigkeit nicht linear zur Proteinkonzentration

4. Kooperativität

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Enzymkinetik: Abweichungen von der Michaelis-Menten-Kinetik2. Enzyme und Cofaktoren

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Reversible Enzymhemmung: Kompetitive Hemmung2. Enzyme und Cofaktoren

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2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Kompetitive Hemmung

Statine sind kompetitive Inhibitoren der Cholesterin-Synthese.56



58

Reversible Enzymhemmung: Unkompetitive Hemmung2. Enzyme und Cofaktoren

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2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Unkompetitive Hemmung

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2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Unkompetitive Hemmung

61

Reversible Enzymhemmung: Nicht-kompetitive Hemmung2. Enzyme und Cofaktoren

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2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Nicht-kompetitive Hemmung

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2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Nicht-kompetitive Hemmung

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Einfluss von Inhibitoren auf vmax und Km


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Irreversible Enzymhemmung2. Enzyme und Cofaktoren

Der Inhibitor bleibt „fest“ an der aktiven Stelle gebunden, d.h. eine Dissoziation des Enzym-Inhibitor-Komplexes in freies Enzym und Inhibitor ist nicht möglich. Das Enzym bleibt „vergiftet“. Es muss neues Enzym hergestellt werden.

Beispiele für irreversible Inhibition:

-Alkylphosphate (z.B. Sarin = Acetylcholinesterase-Hemmer)

-CN--Ionen (z.B. Zyankali = Hemmung der Cytochrom-c-Oxidase)

-Schwermetalle (z.B. As2+ = Hemmung der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase

Selbstmord-Substrate:

Pseudosubstrate, die Enzyme durch kovalente Bindung an das aktive Zentrum irreversibel hemmen und darunter selbst funktionsunfähig werden, z.B. Serinprotease-inhibitoren.

E.C. Nummern: A.X.Y.Z. Hauptklasse.Gruppe.Untergruppe.Seriennummer3.4.17.1 L-Aminosäurehydrolase

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Enzyme: die Hauptklassen2. Enzyme und Cofaktoren

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1. Oxidoreduktasen: Dehydrogenasen, Reduktasen, Oxidasen, Oxygenasen

katalysieren Redoxreaktionen

Häufige Cofaktoren: NADH, NADPH, FADH, FMNH

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2. Transferasen

übertragen Gruppen

Aminotransferasen, Kinasen70


3. Hydrolasen

hydrolysieren Bindungen:

Proteasen, RNasen, DNasen, Phosphatasen

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4. Lyasen/Synthasen

verknüpfen Segmente

Citrat Synthase:

Acetyl-CoA + Oxalacetat Citrat

übertragen/entfernen CO2, NH3, H2O:Decarboxylasen, Dehydratasen

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5. Isomerasen

epimerisieren oder isomerisieren: Epimerase, Mutase

Glucose-6-Phosphat-Isomerase (GPI)

Aldose Ketose

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6. Synthetasen/Ligasen

synthetisieren unter NTP-Verbrauch

DNA-Ligase

74


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Coenzyme und prosthetische Gruppen2. Enzyme und Cofaktoren

Cofaktoren

-kleine Moleküle

-„chemische Zähne“ der Enzyme

Metallionen

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

Coenzyme

kleine organische Moleküle

Cosubstrate

-leicht abdissoziierbar

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

Prosthetische Gruppen

-schwer oder nicht dissoziierbar

-z.B. Biotin, Flavine, Vit. B12

Früher: (Holo-)Enzym = Apoenzym + Coenzym

Cosubstrat: Bsp. NADH Prosthetische Gruppe: Bsp. FAD

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Coenzyme und prosthetische Gruppen2. Enzyme und Cofaktoren

Vitamine: organische Verbindungen, die vom Menschen nicht synthetisiert werden können, und mit der Nahrung aufgenommen werden müssen. Ein Mangel an Vitaminen führt zu Stoffwechselstörungen.

Vitamin Coenzym / prosthetische GruppeB1 Thiamin Thiamindiphosphat TPP

B2-Gruppe

-Riboflavin Flavinadenosin-Di-/Mono-phosphat FAD/FMN

-Nicotinsäureamid Nicotinamidadenin-Dinukleotid-(Phosphat) NAD(P)

´ -Folsäure Tetrahydrofolsäure THF

-Pantothensäure Coenzym A CoA

B6 Pyridoxin Pyridoxal-Phosphat PLP

B12 Cobalamin B12-Enzyme B12

H Biotin Biotin-Carboxylasen

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Coenzyme, prosthetische Gruppen und Vitamine2. Enzyme und Cofaktoren

Prinzip: Coenzyme können funktionelle Gruppen übertragen

Phosphoryl-Transfer: Glucose + ATP + H2O → Glucose-6-P + ADP

Acetyl-Transfer: Acetyl-Coenzym A + Glucosamin → N-Acetyl-Glucosamin + CoA

Methyl-Transfer: S-Adenosylmethionin + R → S-Adenosylhomocystein + R-CH3

Beispiele:

Coenzyme mit Gruppenübertragungspotential: ATP, CoA, THF, Biotin, PLP, TPP

78

Coenzyme und Gruppenübertragung2. Enzyme und Cofaktoren

MgATP + H2O → MgADP + Pi + H+ ∆G = -30,5 kJ mol-1

MgATP + H2O → MgAMP + PPi + H+ ∆G = -30,5 kJ mol-1

PPi → 2 Pi + H+ ∆G = -19,5 kJ mol-1 79

ATP und Phosphoryl-Gruppenübertragung2. Enzyme und Cofaktoren

Mg2+

ATP-Bindung in der Nitrogenase

80

MgATP-Komplexe2. Enzyme und Cofaktoren

MgATP + H2O → MgADP + Pi ∆G0‘ = -30,5 kJ mol-1

In der Zelle (aerob, Durchschnitt): [ATP]: 3 mM[ADP]: 0,8 mM[Pi]: 4 mMT = 37°C

[ATP], [ADP], [Pi]: je 1 M, 25°C

∆G = ∆G°‘ + RT ln ([ADP] [Pi] / [ATP])

∆G = -30,5 kJ mol-1 – 17,6 kJ mol-1 = ~ 50 kJ mol-1

81

Zelluläre und Standardenthalpie der ATP-Hydrolyse2. Enzyme und Cofaktoren

1. Elektrostatische Abstoßung

2. Solvatationsenergie

Unterschiede ATP und ADP + Pi

3. Entropie

4. Resonanzstabilisierung

5. Elektronenzug der P-Atome 82

Warum ist ATP eine energiereiche Verbindung?2. Enzyme und Cofaktoren

83

Vorteile von ATP2. Enzyme und Cofaktoren

Vorteil des ATP gegenüber Verbindungen mit anderen Säureanhydriden:

› Phosphoanhydridbindungen benötigen bei einer normalen Hydrolyse eine hohe Aktivierungsenergie

› bei enzymatischer Hydrolyse minimiert (ATP also energiereich im Sinne der Hydrolyse, nicht der Bindungsspaltung)

› ATP unter physiologischen Bedingungen sehr stabil

› in enzymatischen Reaktionen aber ein schneller Energielieferant

- Energieladung = Maßzahl für den Energiestatus einer Zelle

- beschreibt das Verhältnis aller Adenosylnukleotide

- Engergieladung = 1, wenn nur ATP vorliegt (hypothetischer Fall)

- Realität: Energieladung zwischen 0,7 und 0,95 -›reguliert durch Schlüsselenzyme des Stoffwechsels

(z.B. Phosphofructokinase)

Energieladung (energy charge)2. Enzyme und Cofaktoren

84

-> Bewertung von ADP als ½ ATP

Reaktion der Myokinase (Muskel):

Energieladung (energy charge)2. Enzyme und Cofaktoren

85

Phosphokreatin als Energiespeicher im Muskel!

86

Biologisch relevante energiereiche Phosphate2. Enzyme und Cofaktoren

87

Energiereiche und -arme Phosphatverbindungen2. Enzyme und Cofaktoren

88

Gruppenübertragungsreaktionen von ATP2. Enzyme und Cofaktoren

89

ATP als universelle Energiewährung2. Enzyme und Cofaktoren

(1) A + B C + D ∆G1

Gesetz der Additivität der freien Enthalpie!

(2) D + E F + G ∆G2

(1) + (2): A + B + E C + F + G ∆G3 = ∆G1 + ∆G2

Beispiel 1:

90

Kopplung von Reaktionen2. Enzyme und Cofaktoren

Beispiel 2:

91


Beispiel 3:

92


93

Coenzym A-Thioester als energiereiche Verbindung2. Enzyme und Cofaktoren

Möglichkeit der Bildung eines energiereichen Thioesters

Aktivierung einer Carbonsäure

Acyl-CoA ist energiereicher als ATP => PPi-Hydrolyse treibt Reaktion an

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Coenzym A-Thioester als energiereiche Verbindung2. Enzyme und Cofaktoren

Typische Reaktionen von Acetyl-CoA

1. Esterbildung (Acetylierungen)Glucosamin + Acetyl-CoA → N-Acetyl-Glucosamin + CoA

2. Kondensationen (CH-acide Methylgruppe)Bsp.: Fettsäurestoffwechsel, Citratsynthase

95

Die aktivierte Essigsäure2. Enzyme und Cofaktoren

1. Methylgruppentransfer:

1.1 S-Adenosylmethionin : aktive Methyl-Gruppe, als Kation übertragen

96

Coenzyme des C1-Stoffwechsels2. Enzyme und Cofaktoren


1.2 Tetrahydrofolat: Folsäure, Vitamin B2-Gruppe

97



1.2 Tetrahydrofolat

98


2. Carboxyltransfer:

Biotin: Harnstoffderivat mit ThiophanringKovalent an Enzym-Lys

Carboxylierungen sind endergon Kopplung an ATP-Hydrolyse

Carboxylierung von Nucleophilen

99


Knüpfung (Synthasen)/Spaltung (Lyasen) von Bindungen:

1. Thiamindiphosphat (TPP):

Besipiel: Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoAPyruvat + NAD+ + CoA → Acetyl-CoA + NADH + CO2

Aktivierter Aldehyd als Intermediat

100

Coenzyme von Lyasen2. Enzyme und Cofaktoren

Knüpfung (Synthasen)/Spaltung (Lyasen) von Bindungen:

2. Pyridoxal-Phosphat (PLP):

DAS Coenzym im Aminosäurestoffwechsel, kovalente Katalyse

Transaminierung

Decarboxylierung

Deaminierung

Umwandlung der Seitenkette 101

Coenzyme von Lyasen2. Enzyme und Cofaktoren

Bild

ung

eine

r Sch

iff‘s

chen

Bas

e (Im

in)

Kohlenstoffumlagerungen: Mutasen

Adenosyl-CobalminBeispiel: Abbau ungerader Fettsäuren

Corrinoid, metallorganische VerbindungFehlt in Pflanzen!

102

Coenzyme von Mutasen2. Enzyme und Cofaktoren

103

Coenzyme von Oxidoreduktasen: Redoxpotentiale2. Enzyme und Cofaktoren

Reduktion: Aufnahme von e- Oxidation: Entzug von e-

Elektroneutralität in den beiden Halbzellen wird durch Wanderung von Ionen über die elektrolythaltige Salzbrücke gewährleistet.

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Eh = Redoxpotential eines RedoxpaaresE0 = Redoxpotential eines Redoxpaares 1 M, pH 0E0‘ = Redoxpotential eines Redoxpaares 1 M, pH 7

Standardredoxpotentiale werden verwendet, um Elektronenaffinitäten zu vergleichen

Redoxpotentiale werden auf die Wasserstoffteilreaktion definiert, d.h. der Standardwasserstoffelektrode wird willkürlich ein Redoxpotential von 0 V zugewiesen:

2 H+ + 2 e- H2

Je positiver das Standardredoxpotential, desto höher die Elektronenaffinität der oxidierten Form. Daraus ergibt sich für die oxidierte Form eine umso größere Tendenz, Elektronen aufzunehmen und dadurch in die reduzierte Form über-zugehen.

Standardhalbzelle(Redox-Paar II)H+ + e- 1/2H2)

Redox-Paar I:X- X+e-

In der Biochemie: pH=7 (10-7M)

Eine Verbindung, die e- an H+ abgibt, hat ein negatives E0‘.Eine Verbindung, die e- von H2 aufnimmt, hat ein positives E0‘.


105

∆G°‘ = -nF∆E0‘

Anzahl der übertragenenElektronen

Faraday-Konstante(Proportionalitätskonst.)

Änderung der freien Standardenthalpie

Änderung desStandardredoxpotentials


106

Redoxpotentiale von Redox-Cofaktoren

107


NAD+ → NADH

NADH → NAD+

108

Coenzyme von Oxidoreduktasen: Redoxpotentiale biologisch relevanter Redoxpaare2. Enzyme und Cofaktoren

Merksatz:„negativ(er)“ reduziert „positiv(er)“

Hydrid-Transfer:

109

Coenzyme von Oxidoreduktasen: Nicotinamid-Nucleotide2. Enzyme und Cofaktoren

110

Coenzyme von Oxidoreduktasen: Messung NAD-abhängiger Enzyme2. Enzyme und Cofaktoren

E0‘= ~ -200 mV

111

Coenzyme von Oxidoreduktasen: Flavin-Nucleotide2. Enzyme und Cofaktoren

[2Fe-2S]+/2+ [4Fe-4S]+/2+

E0‘ = +300 mV bis -200 mV E0‘ = -100 mV bis -600 mV

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Coenzyme von Oxidoreduktasen: Eisen-Schwefel-Cluster2. Enzyme und Cofaktoren

E0‘ ~ +40 mV

113

Coenzyme von Oxidoreduktasen: Chinone2. Enzyme und Cofaktoren

lebenswichtige, organische Verbindungen, die der tierischeKörper nicht selbst aufbauen kann

häufig Vorstufen von Co-Enzymen, Signalstoffen Bedarf ist abhängig vom Alter, Spezies und von äußeren Faktoren Unterversorgung: Hypovitaminose: Mangelkrankheiten Überversorgung (A, D) Hypervitaminose

Wasserlösliche Fettlösliche

B1, B2, B6, B12, C,H A, D, E, K

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Vitamine2. Enzyme und Cofaktoren

Hypovitaminose: Beriberi, Kopfschmerzen, SchlafstörungenHypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt

Vorkommen pro 100 g:Reis 0,07 mg, Reiskleie 2,3 mg, Weizenkleie 1,2-7 mg

115

Vitamin B1: Thiamin2. Enzyme und Cofaktoren

Hypovitaminose: Pellagra-Krankheit, Störungen des ZNSHypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt

Vorkommen pro 100 g: Pilze 65 mg, Hefe 50 mg, Leber 20 mg

116

Vitamin B2-Gruppe: Nicotinamid2. Enzyme und Cofaktoren

Hypovitaminose: Sehschwäche, WachstumsstörungenHypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt

Vorkommen pro 100 g:Leber 3,5 mg, Niere 2 mg, Fisch 0,4 mg

117

Vitamin B2-Gruppe: Riboflavin2. Enzyme und Cofaktoren

Hypovitaminose: Mundfäule, AnämieHypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt

Vorkommen pro 100 g:Leber 25 mg, Hefe 80 mg

118

Vitamin B2-Gruppe: Folsäure2. Enzyme und Cofaktoren

Hypovitaminose: Störung der Nebennierenfunktion, Fortpflanzung und Embryonalentwicklung

Hypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt

Vorkommen pro 100 g:Leber 40 mg, Eigelb 10 mg, Bohnen 2 mg

119

Vitamin B2-Gruppe: Panthothensäure2. Enzyme und Cofaktoren

Hypovitaminose: Störungen des ProteinaufbausHypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt

Vorkommen pro 100 g: Leber 0,6 mg, Hefe 0,6 mgSalat 1mg, Paprika 0,7 mg

120

Vitamin B6: Pyridoxal, -ol, -amin2. Enzyme und Cofaktoren

Hypovitaminose: Wachstums- und KonzentrationsschwächeHypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt

Vorkommen pro 100 g:Eigelb 2 µg, Kalbsleber 60 µg

121

Vitamin B12: Cobalamin2. Enzyme und Cofaktoren

Hypovitaminose: Skorbut, Schwächung des ImmunsystemsHypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt

Vorkommen pro 100 g:Hagebutten 250-1000 mg, Cassis 120-250 mg, Orangen 50 mg

122

Vitamin C: Ascorbinsäure2. Enzyme und Cofaktoren

Hypovitaminose: multipler CarboxylasemangelHypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt

Vorkommen pro 100 g:Niere 0,2 µg, Eigelb 0,3 µg, Banane 0,01 µg

123

Vitamin H: Biotin2. Enzyme und Cofaktoren

Hypovitaminose: Nachtblindheit, Schwächung des ImmunsystemsFunktions- und Wachstumsstörungen

Hypervitaminose: Müdigkeit, Schwindel, Kopfschmerzen, Gelenk-schmerzen, Schlaflosigkeit

Vorkommen pro 100 g:Leber 8 mg, Karotten 5 mg, Butter 1 mg

124

Fettlösliches Vitamin A: Retinol2. Enzyme und Cofaktoren

Hypovitaminose: RachitisHypervitaminose: Ablagerung von Calciumphosphat in Organen (Calcinose)

Vorkommen pro 100 g:Sardine 1,3 mg, Lebertran 1, 2 mg, Eigelb 0,03 mg

125

Fettlösliches Vitamin D: Calciol2. Enzyme und Cofaktoren

Hypovitaminose: Müdigkeit, Reizbarkeit, schlecht heilende WundenHypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt

Vorkommen pro 100 g:Weizenkeimöl 260 mg, Leinöl 23 mg, Eigelb 3 mg

126

Fettlösliches Vitamin E: Tocopherole2. Enzyme und Cofaktoren

Hypovitaminose: wird von Bakterien der Darmflora gebildet, nicht bekanntHypervitaminose: wird ausgeschieden, nicht bekannt

Vorkommen pro 100 g:Blumenkohl 1,3 mg, Spinat 1,6 mg

127

Fettlösliches Vitamin K: Menachinon & Phyllochinon2. Enzyme und Cofaktoren

• Enzyme (fast immer Proteine) werden in sechs Klassen eingeteilt.

• Sie beschleunigen als Biokatalysatoren biochemische Reaktionen durch Herabsetzung der Aktivierungsenergie.

• Enzyme sind reaktions- und substratspezifisch.

• Sie haben ein Temperatur- und pH-Optimum.

• Ein Modell zur kinetischen Beschreibung einfacher Enzymreaktionen ist die Michaelis-Menten-Theorie.

• Einige Enzyme katalysieren Reaktionen mithilfe von Cofaktoren. Zu diesen gehören organische Coenzyme, von denen viele aus Vitaminen gebildet werden.

• Wichtige katalytische Mechanismen sind Säure/Base-Katalyse, kovalente Katalyse und Metallionenkatalyse.

• Ein besonders wichtiger Mechanismus der enzymvermittelten Katalyse ist die Stabilisierung des Übergangszustands.

• Enzyme sind hemmbar (reversibel oder irreversibel).128

Zusammenfassung2. Enzyme und Cofaktoren

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Inhalt der Vorlesung bis Weihnachten...Inhalt der Vorlesung bis Weihnachten. 1. 1.Aminosäuren 2.Peptide und Proteine 3.Enzyme & Cofaktoren 4.Kohlenhydrate 5.Lipide 6.Nukleotide 7.Zellorganellen