Biochemie 2

Enzyme (Biokatalysatoren) beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit, nicht aber das chemische GGW => sie erniedrigen die Aktivierungsenergie des Uebergangszustandes durch selektive Bindung des Übergangszustands und dessen Stabilisierung, werden aber selber nicht aufgebraucht.  

Bei Reaktionen erster Ordnung hängt die Reaktionsgeschwindigkeit linear von der Konzentration eines Reaktanden A ab. Dies ist der Fall, wenn der Gesamtprozess lediglich eine unimolekulare Zerfallsreaktion umfasst. Hier handelt es sich um katalytische oder radioaktive Zerfallsprozesse. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist nur von der Konzentration des zerfallenden Stoffes abhängig.

Zweiter Ordnung sind Elementarreaktionen, die auf bimolekularen Stößen beruhen. Beispiele hierfür sind nukleophile Substitutionen nach dem S_N2-Mechanismus sowie Eliminierungen nach dem E2-Mechanismus. In diesem Falle reagieren zwei Edukte zu einem oder mehreren Produkten (Edukte und Produkte werden gemeinsam als Reaktanden bezeichnet). Die Reaktionsgeschwindigkeit ist abhängig von den Konzentrationen der Ausgangsstoffe.

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Michaelis Menten Konstante entspricht der Susbtratkonzentration, bei der die Hälfte der Enzyme mit einem Substrat besetzt sind. Anhand des K_M-Werts  kann man herausfinden, wie „gerne“ sich ein Enzym mit dem passenden Substrat verbindet (Enzymaffinität). Ein niedriger K_M-Wert bedeutet, dass die Affinität zwischen Enzym und Substrat hoch ist. Aus einem hohen K_M-Wert kann man schlussfolgern, dass die Affinität zwischen Enzym und Substrat niedrig ist.

k_kat (Wechselzahl) ist die katalytische Konstante und gibt die Zahl der Umsetzungen an, die jedes aktive Zentrum eines Enzyms pro Zeiteinheit katalysiert.

Die meisten Enzyme arbeiten nicht unter Substratsättigung, oft ist die Substratkonzentration viel niedriger als Michaelis-Konstante. Somit ist die Reaktionsgeschwindigkeit weit unter k_kat, da die meisten aktiven Zentren unbesetzt sind.  

Bei Substratkonzentrationen weit unter dem K_M-Wert hängt die enzymatische Umsatzgeschwindigkeit also vom Quotienten k_kat/K_M (Katalytische Effizienz) ab: Je höher die Wechselzahl und je höher die Affinität (d. h. je kleiner der Km-Wert) eines Enzyms für sein Substrat ist, desto größer ist seine katalytische Effizienz.

• Irreversible Hemmung
• Reversible Hemmung:

Kompetitive Hemmung: Ein kompetitiver Inhibitor verringert die Katalysegeschwindigkeit, indem er die Anzahl der ES-Komplexe verringert. Die maximale Reaktionsgeschwindigkeit bleibt gleich, da die kompetitive Hemmung durch Erhöhung der Substratkonzentration aufgehoben werden kann => damit wird kompetitive Inhibitor aus der Bindungstasche verdrängt. K_M nimmt aber in Anwesenheit der Inhibitor zu.

Nicht-kompetitive Hemmung: Maximale Geschwindigkeit verringert sich, K_M bleibt jedoch gleich.  Da in diesem Fall der Inhibitor nicht durch das Substrat vom Enzym verdrängt werden kann, wird selbst bei sehr hohen Substratkonzentrationen die Maximalgeschwindigkeitdes Enzyms nicht erreicht.

• Gemischte Hemmung: V_max und K_M wird reduziert.

\(\Delta G\)... Aenderung der freien Enthalpie (der Reaktion)

\(\Delta G^{\ddagger}\)... Aktivierungsenergie  (Freie Enthalpie des Uebergangzustands)

\(v = v_{max} \cdot \frac{[S]}{[S]+K_{M}}\)

Wenn [S] >> K_M, dann v = v_max

Wenn [S] = K_M, dann v = v_max/2

Wenn [S] << K_M, dann v = v_max * [S]/K_M

Phosphorsäureester: Ester der Orthophosphorsäure

Phosphorsäureanhydrid: Sie entstehen formal durch Abspaltung von Wasser (Dehydratisierung) aus einer Säure.

• H_a und H_b sind stereochemisch verschieden. Abhaengig von Enzym wird immer nur H_a oder H_b aufgenommen bzw. abgegeben.

FAD kann 2 Elektronen aufnehmen (wie NAD+). FAD ist der Elektronenakzeptor bei der Dehydrierung unpolarer Gruppen, z.B. von Kohlenwasserstoff-Segmenten. 

Reaktiver Teil des FADs ist Isoalloxazinring. 

FAD ist der Elektronenakzeptor bei der Dehydrierung unpolarer Gruppen, z.B. von Kohlenwasserstoff-Segmenten. 

NAD ist der Elektronenakzeptor bei der Dehydrierung polarer Gruppen, z.B. von Alkoholen durch ADH. 

Phosphofructokinase: 

Es katalysiert die Umwandlung von Fructose-6-phosphat zu Fructose-1,6-bisphosphat unter ATP-Verbrauch. 

Kinasen sind für die Gruppenübertragungsreaktionen zuständig (2-Transferasen). 

Metabolismus:= alle chemischen Umwandlungen von Stoffen im Körper von Lebewesen, bsp. die Umwandlung von Nahrungsmitteln in Zwischenprodukte (Metaboliten) und Endprodukte. Diese biochemischen Vorgänge dienen dem Aufbau, Abbau und Ersatz bzw. Erhalt der Körpersubstanz sowie der Energiegewinnung für energieverbrauchende Aktivitäten und damit der Aufrechterhaltung der Körperfunktionen.

Anabolismus:= die Reaktionen des Stoffwechsels, die dem Aufbau von chemischen Verbindungen dienen. Dabei werden über die Nahrung aufgenommene Fremdstoffe abgebaut und ihre Bestandteile zum Aufbau körpereigener Substanzen benutzt.

Katabolismus:= der Abbau von Stoffwechselprodukten von komplexen zu einfachen Molekülen zur Entgiftung des Organismus und zur Energiegewinnung. 

• Die Reaktion findet unter ATP-Verbrauch statt => thermodynamisch ungünstig, deswegen wird Energie benötigt, um die Reaktion durchführen zu können. 
• Diese Energie wird aus der Spaltung von ATP gewonnen => thermodynamisch günstig und es wird dabei Energie frei, die man für die Glykolysereaktion verwenden kann. 

Die Glykolyse umfasst eine Reihe von Reaktionen, die Energie aus der Glukose gewinnen, indem sie sie in zwei Moleküle mit jeweils drei Kohlenstoffatomen, die Pyruvate, spalten.

Die Phosphorylierung der F6P zur F-1,6-BP katalysiert die Phosphofructokinase (PFK), ein alosterisches Enzym, dessen Aktivität allosterisch durch ATP und andere Metaboliten reguliert wird, und bestimmt die Geschwindigkeit der Glykolyse. 

• Phosphorylierung von Glycerinaldeyhd-3-phosphat zur 1,3-Biphosphoglycerat unter Bildung von NADH+H 
• Bei dem Bild ist der Mechanismus mit den Aldehydrest der GA-3-P zu sehen
• GADPH: Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase
• Energie aus der Oxidation mit NAD+ ist in dem aktiven Thioester als Zwischenprodukt gespeichert; Beispiel für die Energiekopplung zweier Reaktionen mittels eines an das Enzym kovalent gebundenen Zwischenprodukts

AsO₄^3- kann PO₄^3- beim Angriff auf die energiereiche Thioesterbindung ersetzen. Dabei wird aus Glycerinaldehyd-3-Phosphat somit 1-Arseno-3-phosphoglycerat gebildet. Im Gegensatz zu 1,3-Bisphosphoglycerat ist diese Arsenatverbindung wie jedes andere Acylarsenat sehr instabil, es zerfällt zu 3-Phosphoglycerat. Infolgedessen kann die Energie der Oxidation nicht mehr durch Substratkettenphosphorylierung nutzbar gemacht werden (Phosphorylgruppentransfer von 1,3-Biphoshoglycerat auf ADP).

Da Arsenat nicht verbraucht wird, wirkt es bereits in katalytischen Mengen. 

(a) Glucose + 2 P_i + 2 ADP + 2 NAD⁺ → 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2H⁺ + 2H₂O

(b) Glucose  + 2 P_i + 2 ADP + 2 NAD⁺ → 2 Pyruvat + 2 NADH + 2H⁺ + 2H₂O?

(c) Arsenat ist giftig, weil es auch bei anderen Phosphoryl-Transferreaktionen Phosphat ersetzen kann. 

Phosphoenolpyruvat (PEP) + ADP → Pyruvat + ATP 

K = \(\frac{[PV] \cdot [ATP]}{[PEP] \cdot [ADP]} = \frac{[PV]}{[PEP]} \cdot 10\)

K = \(10^{-\frac{\Delta G ^{\circ}}{5,7 kJ/mol}}\)

K = 316 * 10³

\(10 \cdot \frac{[PV]}{[PEP]}\) = 3,16 * 10 ⁵

\(\frac{[PV]}{[PEP]}\) = 3,16 * 10⁴

\(\frac{[PEP]}{[PV]} \)= 3,16 * 10^-5 

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(a) Anaerobier müssen in der Lage sein, Intermediate des Citratcyclus wie Citrat und Succinyl-CoA zu synthetisieren, da diese Vorstufen für die Biosynthese anderer Verbindungen sind.

(b) Diese Organismen benötigen keinen vollständigen Citratcyclus. Er würde reduzierte Coenzyme liefern, die reoxidiert werden müssten.

(a) Der markierte Kohlenstoff wird zu C4 des Succinylanteils von Succinyl-CoA. Da Succinat ein symmetrisches Molekül ist, erscheint im Succinat die Markierung sowohl an C1 als auch an C4. Wenn das resultierende Oxalacetat in die zweite Runde geht, treten markierte Kohlenstoffe als ¹⁴CO₂ in der Reaktionen der Isocitrat-Dehydrogenase und der alpha-ketoglutarat-DH auf.

(b) Der markierte Kohlenstoff wird zu C3 im Succinylanteil von Succinyl-CoA und erscheint folglich als C2 oder C3 von Succinat, Fumarat, Malat und Oxalacetat. In der zweiten Runde des Cyclus werden weder C2 noch C3 des Oxalacetats als CO2 freigesetzt. Die ¹⁴C-Markierung erscheint jedoch in der zweiten Runde in C1 oder C2 des Succinylanteils von Succinyl-CoA und folglich an allen vier Positionen des daraus entstehenden Oxalacetats. Schliesslich wird ¹⁴C in der dritten Runde als ¹⁴CO₂ freigesetzt.

Fe-S-Cluster in Eisen-Schwefel-Proteinen (die man auch als Nicht-Häm-Eisenproteine bezeichnet) spielen bei vielen Reduktionsreaktionen in biologischen Systemen eine entscheidende Role.Von diesen Fe-S-Clustern sind verschiedene Typen bekannt. Beim einfachsten Typ ist ein einziges Eisenion tetraedrisch mit den Sulhydrylgruppen von vier Cysteinresten des Proteins koordiniert.

1. Fe(Cys)₄ → einfachste Form

2. "2Fe-2S" (+ 4 Cys)

3. "4Fe-4S" (+ 4 Cys)