Molekulare Zellbiologie I (Schuler)

· Kohlenhydratanteil ist klein ( < 20 Gew.% )

· entweder über O-Atom von Serin oder Threonin (O-glykosidische Verbindung)

· oder über N-Atom von Asparagin* (N-glykosidische Verbindung)

  * stets mit einem Oligosaccharid verknüpft / Teil der Sequenz Asn-X-Ser bzw. Asn-X-Thr

· bekannte Funktionen sind:

  · Proteinorientierung in der Membran

  · Qualitätskontrolle in der Proteinfaltung

  · Sortierung von Proteinen in der Zelle (Targeting)

  · Interzelluläre Erkennung / Wechselwirkungen

· Beispiele:

  · Immunoglobuline / Proteine der Blutgerinnung / Blutgruppensubstanzen

  · einige Enzyme / Strukturproteine / Transportproteine / Hormone

· Bestanteile der ECM / Knorpelgewebe / schleimigen Körperflüssigkeiten

· können sehr viel Wasser binden

· Kohlenhydratanteil besteht meistens aus Glykosaminoglykanen (GAG / enthalten saure Gruppen)

· GAG kann mit Protein sowohl kovalent verknüpft als auch nicht-kovalent assoziiert sein

· bestehen aus langen Ketten von Disaccharidbausteinen

· die Zuckerbausteine enthalten saure Gruppen, weshalb die GAG auch Mucopolysaccharide genannt werden

· werden durch Glykosidasen abgebaut

· polare Lipide (Bestandteil der Lipiddoppelschicht)

· polare Kopfgruppe enthält einen (Cerebroside) oder mehrere (Ganglioside) Zucker

· Peptid + kurze Polysaccharide

· Bestandteile von Bakterienzellwänden (verleihen mechanische Festigkeit)

· Beispiel: Murein (in Zellwänden der Prokaryoten / Synthese wird durch Penicillin gehemmt)

· Gibbs-Enthalpie ΔG (Zustandsfunktion)

· ΔG ist das thermodynamische Potential eines Systems bei konstanter Temperatur und konstantem Druck

· auch Unterschiede von Wechselwirkungen beeinflussen ΔG

· ΔG < 0: spontane / exergone Reaktion (Betrag sagt jedoch nichts über die Geschwindigkeit aus)

· ΔG = 0: Reaktion befindet sich im Gleichgewicht

· ΔG > 0: endergone Reaktion / für spontanen Ablauf wird Kopplung mit einer stark exergonen Reaktion benötigt

· in einem geschlossenem System bleibt die Energie erhalten

· ein isoliertes System strebt einem Zustand maximaler Entropie zu

Chemie vs Biochemie:

· pH = 0 / 7

· T = 25° / 25°

· p = 1 bar / 1 bar

· [Edukte] = [Produkte] = 1 mol / L

Speziell für Biochemie (ΔG' und ΔG°'):

  · wässrige Lösung

  · nimmt Wasser an Reaktion teil, wird c(H₂O) auf 1 nominiert

  · nimmt H⁺ oder OH^- an Reaktion teil, wird [H⁺] auf 1 nominiert

Beispiel auf Seiten 112 / 113 im Skript

· \(ΔG = ΔG° + R · T ·ln{[C][D]\over [A][B]}\)

· R: universelle Gaskonstante

· T: absolute Temperatur

· im Gleichgewicht gilt: \(\Delta G° = -R·T·ln(K)\)

· eine Änderung von K um den Faktor 10 bewirkt eine Änderung von ΔG° um ±5.7 kJ/mol

· Abbau von Glucose zu 2 Molekülen Pyruvat

· viele Reaktionen des Stoffwechsels sind Redoxreaktionen

· \(\Delta G' = -n·F·\Delta E'\)

· n = Anzahl an der Redoxreaktion beteiligter Elektronen

· F = Faraday Konstante

· ΔE' = Potentialdifferenz ( E(Red) - E(Ox) )

· Kopplung einer Reaktion mit stark negativen ΔG mit einer Reaktion mit ΔG > 0

· Substrat der energieliefernden Reaktion nennt man eine energiereiche Verbindung

· Beispiel:

  ATP (wird intrazellulär gebildet und verbraucht / kann nicht gespeichert noch via Blutbahn transportiert werden)

  \(ATP \rightarrow ADP + P_a\)       (-30.5 kJ/mol)

· Enzym, das eine Phosphatgruppe von einem NTP (Nukleosidtriphosphat) auf einen Akzeptor überträgt

· das thermodynamische Gleichgewicht bezieht sich auf ein abgeschlossenes System

  → weil man in vivo nicht das ganze Universum, sondern nur den Organismus betrachtet, liegt kein abgeschlossenes System vor

· lebende Systeme befinden sich in einer Art Gleichgewicht (Fliessgleichgewicht / steady state)

  → der Fluss von Energie und Materie durch das System ist konstant (Zufluss = Abfluss)

· Gemeinsamkeiten mit thermodynamischem GG:

  · stabiler Zustand

  · Richtung der Reaktion aus ΔG ersichtlich

· Unterschiede:

  · Bei Fliessgleichgewichten sind alle ΔGs negativ

  · Bei thermodynamischen GG muss nur die Summe der ΔGs negativ sein

  → Beispiel Glykolyse: ΔG°' = -43.4 kJ/mol   vs   ΔG_{Fliessgleichgewicht} = -83 kJ/mol

· bestehen aus Proteinen (sehr selten auch aus Ribonukleinsäuren)

· wichtige Merkmale: Spezifität (Substrat- und Reaktionsspezifität) und Regulierbarkeit

· wirken als Katalysatoren (beschleunigen und regulieren Stoffwechselreaktionen, die unter physiologischen Bedingungen zu langsam ablaufen)

· jede Einzelreaktion des Stoffwechsels wird durch ein spezifisches Enzym katalysiert

· zum Substrat komplementäre Struktur des Enzyms

· Bindung des Substrats über nicht-kovalente Kräfte ( VdW / H-Brücken / ... )

· Ort der Katalyse des Enzymsubstratkomplexes

· oft fast identisch oder überlappend mit Substratbindungsstelle

· jedes Gewebe besitzt ein mehr oder weniger spezifisches Enzymmuster

  → bei Schädigung der Zellen können die entsprechenden Enzyme im Blut bestimmt werden

    → Hinweis auf die Art des geschädigten Gewebes (Beispiel: Herzinfarkt und Kreatinkinase)

Bild: Herzinfarkt (oben) und Hepatitis (unten / Leberentzündung, Gelbsucht)

Beispiele (Auswahl):

· Nahrungsmittelherstellung: Käseherstellung / Klären von Fruchtsäften

· Chemische Synthesen: stereospezifische Hydroxilierung von Steroiden

· Klinische Chemie: Färbung von Zellen und Gewebestrukturen in der Mikroskopie

· Gentechnologie: Schneiden von DNA

· Haushalt: bioaktive Waschmittel

· Oxidoreduktasen: Redoxreaktion (z.B. Alkoholydrogenase)

· Transferasen: Gruppenübertragung (z.B. Aspartat-Aminotransferase)

· Hydroxylasen: Hydrolysereaktion (Reaktion mit Wasser / z.B. Acetylcholinesterase)

· Lyasen: Hinzufügen / Entfernen von Gruppen zur Bildung von Doppelbindungen

· Isomerasen: Isomerisierung (intramolekulare Gruppenübertragung)

· Ligasen: Ligation (Verknüpfung) zweier Substrate auf Kosten von ATP-Hydrolyse

· Merkhilfe: Otto trifft heute Lydia in Liverpool / Over the HILL

· Enzyme mit unterschiedlicher AS-Sequenz, aber gleicher Funktion

· wichtig für individuelle, ortsunabhängige, gezielte Regulation

· Entstehungsmöglichkeiten:

  · Homologie: nur geringe Unterschiede / Abstammung von gemeinsamen Vorfahren

  · Oligomere Enzyme aus verschiedenen genetischen Varianten von Untereinheiten

  · genetisch voneinander unabhängige Enzyme

· jede Enzymreaktion kann als Kreisprozess beschrieben werden (s. Bild)

· es können mehrere Subtrate / Produkte / Cofaktoren vorkommen

· viele Enzyme benötigen ein Nichtprotein-Molekül (Cofaktor), um aktiv zu sein

· Apoenzym + Cofaktor = Holoenzym

· Einteilung der Cofaktoren:

  · Metallionen (werden über Nahrung aufgenommen)

  · kleine organische Moleküle (Coenzyme + Vitamine*)

* Vitamine sind Vorläufer für viele Coenzyme

· Cofaktoren, die für jede Enzymreaktion neu gebunden werden

· werden während der Katalyse verändert (verhalten sich wie Substrate und Produkte)

· Beispiel: NADH + NAD⁺

· Coenzyme / Cofaktoren, die sehr stark oder kovalent an ein Enzym / Protein gebunden sind

· k: Geschwindigkeitskonstante

· K: Gleichgewichtskonstante

· \(k = A · e^{-{\Delta G^ \neq \over RT}}\) (k wird grösser wenn, ΔG kleiner bzw. T grösser wird)

· RGT-Regel: pro 10° verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit (Bild)

  → ab einer gewissen Temperatur denaturiert das Protein!