11 MZB I - Jelezarow

Allosterie ist die Eigenschaft vieler aus mehreren Untereinheiten zusammengesetzter Proteine, ihreRaumstruktur unter der Beeinflussung des aktiven Bindungszentrums zu verändern. Proteine mit dieser Eigenschaft werden allosterische Proteine genannt. 

Effektormoleküle können die Enzymaktivität steigern oder verringern. Häufig wirken Metabolite und Coenzyme, die in einem Stoffwechselweg vorkommen, als allosterische Regulatoren von Enzymen in einem früheren oder späteren Schritt des gleichen Weges (feed-back oder feed-forward Mechanismen).

Seitenketten eines Enzyms können chemisch modifiziert werden. Dies führt zur Veränderung der Stereochemie oder der elektrostatischen Verhältnisse im aktiven Zentrum, oder zu weitgehenden Konformationsänderungen. Als Resultat wird die Aktivität des Enzyms moduliert

-> Die bei weitem häufigsten Modifikationen dieser Art sind Phosphorylierungen von Serin, Tyrosin und Threonin. Phosphorylierungen werden durch Proteinkinasen katalysiert
  -> Nach Bedarf werden die modifizierten Seitenketten durch Phosphoproteinphosphatasen dephosphoryliert

Einander entgegen gerichtete Wege enthalten zwei Metabolite, die von zwei unterschiedlichen Enzymen zyklisch ineinander umgewandelt werden.

Das Produkt der einen Reaktion ist Substrat der anderen und umgekehrt. Der Stofffluss von A nach D kann dramatisch erhöht werden, indem die Reaktion B → C beschleunigt und die Rückreaktion C → D verlangsamt werden

Transkriptionsfaktoren, im allgemeinen DNA-bindende Proteine (Protein-DNA-Interaktion), die positiv oder negativ regulierend auf die Transkription eines oder mehrerer Gene einwirken

ranskriptionsfaktoren sind Proteine, die durch Phosphorylierung/Dephosphorylierung (z. B. als Folge einer hormoninduzierten Signalkaskade) oder durch Bindung von spezifischen Liganden aktiviert werden. Sie befinden sich im Zellkern oder werden nach Aktivierung in den Zellkern importiert und binden dort spezifische DNA-Sequenzen, die sog. ResponseElemente, die in der Nähe des Genpromotors positioniert sind. Die Erkennung des Response-Elements und die Rekrutierung von zusätzlichen Proteinen bewirkt Aktivierung oder Deaktivierung des Gens oder einer ganzen Gruppe von Genen, was zu verstärkter oder verminderter Synthese von Enzymen führt

s.B.

In der Oxidationsrichtung wird formal Wasserstoff frei

Sie werden von Oxidoreduktasen katalysiert. Diese Enzyme haben oft Cofaktoren, die Elektronen übertragen, z.B. Hämgruppe oder Metallionen

Viele Oxidations-Reduktions-Reaktionen sind Dehydrogenierungen. Die katalysierenden Enzyme heissen Dehydrogenasen (eine Untergruppe der Oxidoreduktasen).

Transferasen katalysieren Gruppenübertragungen von einem Molekül auf ein anderes

Die Spaltung (Hydrolyse) einer Ester- oder Amidbindung mit Wasser wird von Hydrolasen katalysiert

Diese einfache Reaktionen sind meistens exergon und kommen z.B. beim Abbau von Proteinen (Proteasen und Peptidasen: Trypsin, Chymotrypsin, Carboxypeptidase), Stärke (Amylase) und Triglyceriden (Lipase) im Darm vor

Bei diesen von Lyasen katalysierten Reaktionen wird eine Gruppe unter Bildung einer Doppelbindung abgespalten resp. eine Gruppe an eine Doppelbindung addiert
-> Lyase-Reaktionen sind keine Redoxreaktionen!

Die Isomerasen bewirken eine einfache Umlagerung innerhalb eines Moleküls, z.B. die Verschiebung von Gruppen von einem C-Atom zum andern

Ligasen katalysieren Ligationen: die Entstehung einer Bindung unter Verbrauch von Energie aus ATP, wobei jedoch kein Phosphat aus ATP eingebaut wird (im Gegensatz zur Gruppenübertragung). Anders gesagt, die Hydrolyse von ATP treibt die Synthese einer Bindung, deren Bildung an sich energetisch ungünstig ist

Adenosintriphosphat

An einer Adenosineinheit ist eine Kette aus drei Phosphorylresten durch Phosphorsäureesterbindung verknüpft. Benachbarte Phosphorylgruppen sind durch Phosphorsäureanhydridbindungen gebunden. Die Spaltung der Phosphorsäureanhydridbindungen ist stark exergon (ca. 30 kJ mol1)

1. Die beiden Phosphorylgruppen im Phosphorsäureanhydrid sind stark elektronenanziehend und konkurrieren um die -Elektronen des überbrückenden O-Atoms. Daher haben die Hydrolyseprodukte mehr Resonanzformen als das Anhydrid; die Hydrolyse ist entropisch begünstigt.

2. ATP hat vier negative Ladungen und die gleich geladenen Gruppen des Anhydrids stossen sich elektrostatisch gegenseitig ab. Die elektrostatische Abstossung wird bei der Hydrolyse aufgehoben.

3. Die Hydrolyseprodukte sind viel besser solvatisiert als das Anhydrid. Die günstige Solvatationsenergie treibt die Hydrolyse an.

Häufig werden folgende Elemente übertragen: Elektronen bzw. Wasserstoff, Acetyl- und Acylgruppen, C1-Einheiten (z.B. Methylgruppen), Phosphat, Zucker und Nukleotide.

Die sogenannten Carrier-Moleküle (oder nur Carrier) bewerkstelligen die Übertragungen. Einige Carrier sind Cofaktoren von Enzymen.

NADox (statt NAD+)

NADred (statt NADH)

Coenzym A (CoA) ist der Überträger von Acylgruppen

Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA oder Ac-CoA) ist eine zentrale Verbindung im Stoffwechsel, die C2-Einheiten aus dem Abbau von Zuckern, Fettsäuren und einigen Aminosäuren zum Citratzyklus führt und C2-Einheiten für Biosynthesen zur Verfügung stellt
(-> Thioester sind energiereiche Verbindungen (ΔG’° für die Hydrolyse von Ac-CoA ist -31.5 kJ mo^-1).)

Uridindiphosphat-Monosaccharide übertragen Zucker. Uridindiphosphatglucose (UDP-Glucose) ist der Glucoseüberträger beim Aufbau von Glykogen in der Leber und im Muskel. Galactose wird als UDP-Galactose übertragen.

Im Stoffwechsel beteiligt sich SAM an sog. Transmethylierungen, bei denen eine Methylgruppe übertragen bzw. eingeführt wird

Biotin fungiert als prosthetische Gruppe mehrerer Carboxylasen, Enzyme, die eine Carboxylgruppe an einem Substrat addieren und eine wichtige Rolle im Protein-, Fett- und Kohlenhydratstoffwechsel erfüllen.

1) Ausnutzung der in einem elektrochemischen Gradienten gespeicherten Energie zur Bildung von ATP aus ADP und Phosphat (Photophosphorylierung und oxidative Phosphorylierung).
2) Übertragung von Phosphat-Resten auf ADP durch Metaboliten mit hohem Phosphorylgruppen-Übertragungspotential (Substratkettenphosphorylierung).

autotrophe Organismen, Organismen, die zu ihrer Ernährung keine organische Substanz benötigen, sondern selbst aus anorganischen Stoffen organische aufzubauen vermögen. Grundlage der Autotrophie ist bei den grünen Pflanzen diePhotosynthese

Heterotrophe Organismen gewinnen den weitaus grössten Teil der notwendigen chemischen Energie (und Wärme) aus der Oxidation, also aus der "Verbrennung" der Nahrung: (Kohlenhydrate, Fette und Proteine)

Reaktionen bei denen anorganisches Phosphat auf ADP bzw. GDP übertragen und so auf hohes Phosphorylgruppen-Übertragungspotential gebracht wird
-> Teilschritte von Stoffwechselwegen („Substratketten“) 

Substratkettenphosphorylierung kommt im tierischen Stoffwechsel an zwei Stellen der Glykolyse und an einer Stelle im Citratzyklus vor.

Die Kopplung der Oxidation von NADred mit der ATP-Bildung über einen Protonengradienten heisst oxidative Phosphorylierung

in der inneren Mitochondrienmembran

Hier ist der reduzierte Cofaktor NADred das aktivierte Überträgermolekül (Carrier) für Elektronen (formal „H2“). Die in NADred gespeicherte Energie wird bei der Oxidation von NADred mit O2 zu H2O frei:

die Energie der obigen Oxidationsreaktion in einen Protonengradienten über der inneren Mitochondrienmembran umgewandelt: hoher pH-Wert auf der Matrixseite, tiefer pH-Wert im Intermembranraum. Der Zerfall dieses pH-Gradienten treibt sodann die stark endergone ATPBildung

Eine Energieladung von 1 bedeutet, dass nur ATP vorhanden ist, eine Energieladung von 0, dass nur AMP vorkommt. Eine tiefe Energieladung aktiviert katabole Stoffwechselwege wie die Glykolyse und den Citratzyklus, eine hohe Energieladung aktiviert anabole Stoffwechselwege wie die Fettsäuresynthese oder die Gluconeogenese.

Die Energieladung der meisten Zellen liegt im Bereich 0.85 bis 0.95
-> Bei 0.9 sind die katabolen (ATP-Bildenden) Wege und die anabolen (ATP-verbauchenden) Wege im glechgewicht

Die Hauptenergiequellen der tierischen Nahrung sind Kohlenhydrate (vor allem Stärke), Fette (vor allem Triglyceride) und Proteine

Stufe I werden die grossen Biopolymere zu kleineren Bausteinen abgebaut: Monosaccharide, Fettsäuren, freie Aminosäuren. Dieser Abbau geschieht z. T. im Darm (Verdauung).
Stufe II werden die verschiedenen Bausteine zu Acetyl-CoA abgebaut, welches in
Stufe III zu CO2 und H2O oxidiert wird. Dabei wird der Grossteil an ATP gebildet

Als Glykolyse (griech. glykos, süss und lysis, Auflösung) bezeichnet man den Abbau von Glucose zu Pyruvat.

Embden-Meyerhof-Parnas Reaktionsweg

evolutionsgeschichtlich sehr alter, aus zehn Reaktionen bestehender Abbauweg, der in beinahe allen Zellen von fast allen Organismen vorkommt

Bei Sauerstoffmangel (anaerob) wird Pyruvat in Säugetieren zu Lactat vergärt (Milchsäuregärung), in der Hefe zu Ethylalkohol (Ethanolgärung). Ist genügend O2 vorhanden (aerob), wird Pyruvat via Citratzyklus und oxidative Phosphorylierung vollständig zu CO2 und H2O oxidiert.

s.B.

Glucose + 2 ADP + 2 Pa + 2 NADox --> 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADred + 2 H+ + 2 H2O

Glucosetransporter (abgekürzt bezeichnet als GLUT) sind eine Familie integraler Membranproteine. Die in der Familie konservierte Struktur besteht aus 12 Transmembranhelices sowie spezifischen zusätzlichen Proteinsequenzen (Schleifen) auf der extrazellulären und cytoplasmatischen Seite. Die Transmembranhelices bilden einen wassergefüllten Kanal, durch welchen die Glukosemoleküle in die Zelle gelangen. 

Man merke, dass Glucose den Kanal nicht passiv durchläuft
-> Der Transporter senkt die Aktivierungsenergie, indem es nichtkovalente, polare Wechselwirkungen mit dem dehydratisierten Stoff eingeht und einen polaren, energetisch günstigen Weg durch die Membran anbietet

Phosphorylierung von Glucose zu Glucose-6-phosphat

Die Phosphorylierung der Glucose in der ersten Reaktion begünstigt die Aufnahme von Glucose in die Zelle. Die Glucoseaufnahme in die Zelle ist energetisch begünstigt, weil Glucose, die über Glucosetransporter in die Zelle gelangt, sofort phosphoryliert wird und als negativ geladenes Zuckerderivat die Zellmembran nicht mehr passieren kann. Die Phosphorylierung destabilisiert die Glucose und macht sie für den weiteren Abbau bereit. Die Phosphatgruppe stammt aus ATP

Das Enzym Hexokinase (EC 2.7.1.1) überträgt die γ-Phosphatgruppe des ATP auf die OHGruppe am C6 der Glucose. Es ist eine Gruppenübertragungsreaktion.

Hexokinase und andere Kinasen (z.B. Adenylatkinase) sind Enzyme, welche ihre Konformation ändern, sobald sie das Substrat binden. Sie zeigen einen Induced Fit .

Die Konformationsänderung schliesst die Bindungsstelle für die Substrate Glucose und ATP, so dass Wasser keinen Zutritt hat. Würde Wasser die Stelle der OH-Gruppe am C6-Atom der Glucose einnehmen, so würde ATP hydrolysiert und die Energie ginge verloren, ohne Glucose zu phosphorylieren

Kinasen benötigen Mg2+, um die Ladungen von ATP zu komplexieren.

1) In der Leber kann G-6-P zu Glucose dephosphoryliert und ins Blut abgegeben werden.
2) In der Leber und im Muskel wird Glucose in Form von Glycogen gespeichert und nach Bedarf aus den Glycogendepots mobilisiert.
3) In allen Geweben wird die Glykolyse betrieben
4) Glucose-6-phosphat kann auch in den Pentosephosphatweg metabolisiert werden. Es entstehen NADPred