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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

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  • 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

    2

    Pioniere der Enzymologie2. Enzyme und Cofaktoren

  • 1926 James Batcheller Sumner: UreaseEnzyme sind Proteine

    John Burdon Sanderson Haldane:Konzept der enzymatischen Katalyse

    3

    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.

    4

    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

    5

    Enzymkinetik2. Enzyme und Cofaktoren

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

    6

    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]

    7

    Massenwirkungsgesetz2. Enzyme und Cofaktoren

  • Stoß-Theorie

    Übergangszustand-Theorie

    8

    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

    9

    Prinzip der enzymatischen Katalyse2. Enzyme und Cofaktoren

  • 10

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

  • 11

    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)

    12

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

  • Wasserstoffbrückenbindung: 10-20 kJ mol-1

    kovalente Bindung: >>100 kJ mol-1

    13

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

  • Polypeptidkette, N-,C-Terminus

    14

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

  • 15

    Prinzip der enzymatischen Katalyse: Aminosäuren mit Fähigkeit zu hydrophoben Wechselwirkungen

    2. Enzyme und Cofaktoren

  • 16

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

  • Induced fit: H2O-Ausschluß

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

    17

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

  • 18

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

  • Beschleunigungsrate einiger Enzyme: (‚Proficiency‘)

    19

    Enzyme = Biokatalysatoren2. Enzyme und Cofaktoren

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

    -

    20

    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

    21

    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

    22

    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]

    23

    Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren

  • 2. Temperatur- und pH-Abhängigkeit

    24

    Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren

  • 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

    25

    Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren

  • 4. Domänenbewegung während der Katalyse

    Induced fit: H2O-Ausschluß

    Hexokinase: Glucose + ATP Glc-6-P

    26

    Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren

  • 27

    Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren

    CTP, UTP

    5. Allosterische Regulation

    Bsp: Aspartat-Transcarbamoylase

  • 28

    Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren

  • 29

    Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren

    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

    30

    Enzyme: die wichtigsten Eigenschaften2. Enzyme und Cofaktoren

  • -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)

    31

    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

    32

    Grundlagen der Enzymkinetik2. Enzyme und Cofaktoren

  • E + S ES E + Pk1 k2k-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

    35

    Die Michaelis-Menten-Kinetik2. Enzyme und Cofaktoren

  • Umsetzung zum Produktsteigt linear mit der Zeit (Rückreaktion istvernachlässigbar)

    Konz

    entra

    tion

    E + S ES E + Pk1 k2k-1 k-2

    36

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

    2. Enzyme und Cofaktoren

  • E + S ES E + Pk1 k2k-1 k-2Das Gleichgewicht ist eingestellt, es gibtkeine Nettoveränderung von Substrat undProdukt mehr!

    37

    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

    38

    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

    39

    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

    Die Michaelis-Menten-Kinetik2. Enzyme und Cofaktoren

    E + S ES E + Pk1 k2k-1

  • E + S ES E + Pk1 k2k-1

    [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

    Die Michaelis-Menten-Kinetik2. Enzyme und Cofaktoren

  • E + S ES E + Pk1 k2k-1

    [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

    Die Michaelis-Menten-Kinetik2. Enzyme und Cofaktoren

  • E + S ES E + Pk1 k2k-1

    ([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

    Die Michaelis-Menten-Kinetik2. Enzyme und Cofaktoren

  • E + S ES E + Pk1 k2k-1

    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

    Die Michaelis-Menten-Kinetik2. Enzyme und Cofaktoren

  • V0 =Vmax [S]KM + [S]

    Die Michaelis-Menten Gleichung

    45

    Die Michaelis-Menten-Kinetik2. Enzyme und Cofaktoren

    -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 KM2. Enzyme und Cofaktoren

  • ▲▲▲

    ▲▲

    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

    Die Michaelis-Menten-Kinetik2. Enzyme und Cofaktoren

  • 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.

    50

    Enzymkinetik: wichtige Definitionen2. Enzyme und Cofaktoren

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

    in s-1

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

    51

    Enzymkinetik: wichtige Definitionen2. Enzyme und Cofaktoren

  • 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

    52

    Enzymkinetik: wichtige Definitionen2. Enzyme und Cofaktoren

  • 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

    53

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

  • 54

    Reversible Enzymhemmung: Kompetitive Hemmung2. Enzyme und Cofaktoren

  • 55

    2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Kompetitive Hemmung

  • Statine sind kompetitive Inhibitoren der Cholesterin-Synthese.56

    2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Kompetitive Hemmung

  • 2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Kompetitive Hemmung

  • 58

    Reversible Enzymhemmung: Unkompetitive Hemmung2. Enzyme und Cofaktoren

  • 59

    2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Unkompetitive Hemmung

  • 60

    2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Unkompetitive Hemmung

  • 61

    Reversible Enzymhemmung: Nicht-kompetitive Hemmung2. Enzyme und Cofaktoren

  • 62

    2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Nicht-kompetitive Hemmung

  • 63

    2. Enzyme und CofaktorenReversible Enzymhemmung: Nicht-kompetitive Hemmung

  • 64

    Einfluss von Inhibitoren auf vmax und Km2. Enzyme und Cofaktoren

  • 65

    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

    66

    Enzyme: die Hauptklassen2. Enzyme und Cofaktoren

  • 67

    Enzyme: die Hauptklassen2. Enzyme und Cofaktoren

  • 1. Oxidoreduktasen: Dehydrogenasen, Reduktasen, Oxidasen, Oxygenasen

    katalysieren Redoxreaktionen

    Häufige Cofaktoren: NADH, NADPH, FADH, FMNH

    68

    Enzyme: die Hauptklassen2. Enzyme und Cofaktoren

  • 69

    Enzyme: die Hauptklassen2. Enzyme und Cofaktoren

  • 2. Transferasen

    übertragen Gruppen

    Aminotransferasen, Kinasen70

    Enzyme: die Hauptklassen2. Enzyme und Cofaktoren

  • 3. Hydrolasen

    hydrolysieren Bindungen:

    Proteasen, RNasen, DNasen, Phosphatasen

    71

    Enzyme: die Hauptklassen2. Enzyme und Cofaktoren

  • 4. Lyasen/Synthasen

    verknüpfen Segmente

    Citrat Synthase:

    Acetyl-CoA + Oxalacetat Citrat

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

    72

    Enzyme: die Hauptklassen2. Enzyme und Cofaktoren

  • 5. Isomerasen

    epimerisieren oder isomerisieren: Epimerase, Mutase

    Glucose-6-Phosphat-Isomerase (GPI)

    Aldose Ketose

    73

    Enzyme: die Hauptklassen2. Enzyme und Cofaktoren

  • 6. Synthetasen/Ligasen

    synthetisieren unter NTP-Verbrauch

    DNA-Ligase

    74

    Enzyme: die Hauptklassen2. Enzyme und Cofaktoren

  • 75

    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

    76

    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 B12H Biotin Biotin-Carboxylasen

    77

    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

    Kopplung von Reaktionen2. Enzyme und Cofaktoren

  • Beispiel 3:

    92

    Kopplung von Reaktionen2. Enzyme und Cofaktoren

  • 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

    94

    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. Methylgruppentransfer:

    1.2 Tetrahydrofolat: Folsäure, Vitamin B2-Gruppe

    97

    Coenzyme des C1-Stoffwechsels2. Enzyme und Cofaktoren

  • 1. Methylgruppentransfer:

    1.2 Tetrahydrofolat

    98

    Coenzyme des C1-Stoffwechsels2. Enzyme und Cofaktoren

  • 2. Carboxyltransfer:

    Biotin: Harnstoffderivat mit ThiophanringKovalent an Enzym-Lys

    Carboxylierungen sind endergon Kopplung an ATP-Hydrolyse

    Carboxylierung von Nucleophilen

    99

    Coenzyme des C1-Stoffwechsels2. Enzyme und Cofaktoren

  • 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

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  • 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.

  • 104

    Coenzyme von Oxidoreduktasen: Redoxpotentiale2. Enzyme und Cofaktoren

    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‘.

    Coenzyme von Oxidoreduktasen: Redoxpotentiale2. Enzyme und Cofaktoren

    105

  • ∆G°‘ = -nF∆E0‘

    Anzahl der übertragenenElektronen

    Faraday-Konstante(Proportionalitätskonst.)

    Änderung der freien Standardenthalpie

    Änderung desStandardredoxpotentials

    Coenzyme von Oxidoreduktasen: Redoxpotentiale2. Enzyme und Cofaktoren

    106

  • Redoxpotentiale von Redox-Cofaktoren

    107

    Coenzyme von Oxidoreduktasen: Redoxpotentiale2. Enzyme und Cofaktoren

  • 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

    112

    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

    114

    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

    Foliennummer 1Foliennummer 2Foliennummer 3Foliennummer 4Foliennummer 5Foliennummer 6Foliennummer 7Foliennummer 8Foliennummer 9Foliennummer 10Foliennummer 11Foliennummer 12Foliennummer 13Foliennummer 14Foliennummer 15Foliennummer 16Foliennummer 17Foliennummer 18Foliennummer 19Foliennummer 20Foliennummer 21Foliennummer 22Foliennummer 23Foliennummer 24Foliennummer 25Foliennummer 26Foliennummer 27Foliennummer 28Foliennummer 29Foliennummer 30Foliennummer 31Foliennummer 32Foliennummer 33Foliennummer 34Foliennummer 35Foliennummer 36Foliennummer 37Foliennummer 38Foliennummer 39Foliennummer 40Foliennummer 41Foliennummer 42Foliennummer 43Foliennummer 44Foliennummer 45Foliennummer 46Foliennummer 47Foliennummer 48Foliennummer 49Foliennummer 50Foliennummer 51Foliennummer 52Foliennummer 53Foliennummer 54Foliennummer 55Foliennummer 56Foliennummer 57Foliennummer 58Foliennummer 59Foliennummer 60Foliennummer 61Foliennummer 62Foliennummer 63Foliennummer 64Foliennummer 65Foliennummer 66Foliennummer 67Foliennummer 68Foliennummer 69Foliennummer 70Foliennummer 71Foliennummer 72Foliennummer 73Foliennummer 74Foliennummer 75Foliennummer 76Foliennummer 77Foliennummer 78Foliennummer 79Foliennummer 80Foliennummer 81Foliennummer 82Foliennummer 83Foliennummer 84Foliennummer 85Foliennummer 86Foliennummer 87Foliennummer 88Foliennummer 89Foliennummer 90Foliennummer 91Foliennummer 92Foliennummer 93Foliennummer 94Foliennummer 95Foliennummer 96Foliennummer 97Foliennummer 98Foliennummer 99Foliennummer 100Foliennummer 101Foliennummer 102Foliennummer 103Foliennummer 104Foliennummer 105Foliennummer 106Foliennummer 107Foliennummer 108Foliennummer 109Foliennummer 110Foliennummer 111Foliennummer 112Foliennummer 113Foliennummer 114Foliennummer 115Foliennummer 116Foliennummer 117Foliennummer 118Foliennummer 119Foliennummer 120Foliennummer 121Foliennummer 122Foliennummer 123Foliennummer 124Foliennummer 125Foliennummer 126Foliennummer 127Foliennummer 128