Biochemie 2

• E₀^´ = 0,816 V bei NAD⁺ + H + 2 e^- → NADH (a)
• E₀^´ = - 0,320 V bei 1/2 O₂ + 2H + 2 e → H2O (d)

Einige Organismen besitzen die Fähigkeit die oxidative Phosphorylierung von der ATP-Synthese abzukoppeln, um Wärme zu erzeugen (um z.B. Körpertemperatur aufrechtzuerhalten). 

Bei Tieren findet die Entkopplung im braunen Fettgewebe statt. Diese enthält besonders viele Mitochondrien. Die innere Membran dieser Mitochondrien enthält zahlreiche Entkopplungsproteine (Thermogenin/UC-P-1). 

UCP-1 bildet ein Nebenweg für den Protonenfluss von Cytoplasma zur Matrix. Die Energie des Protonengradienten, die normalerweise in ATP gespeichert wird, wird als Wärme frei. 

2,4-Dinitrophenol (DNP) entkoppelt auch die Phosphorylierung von Elektronentransport. Es befördert die Protonen durch die innere Mitochondrienmembran, in Richtung ihres Konzentrationsgradienten. Dabei läuft der Elektronentransport normal, die mitochondriale ATP-Synthase erzeugt jedoch kein ATP, weil der protonenmotorische Kraft an der inneren Mitochondrienmembran zerstört wird. Dabei wird die Energie in Form von Wärme freigesetzt. 

30-60º Knick in der Kohlenwasserstoffkette bei den ungesättigten Fetsäuren, dadurch

• ungünstigere Packung im Kristall 
• verminderte Van-der-Waals-WW

 → sinkender Schmelzpunkt → Einfluss auf die Membranfluidität 

Unpolare Kohlenwasserstoffkette bedingt schlechte Wasserlöslichkeit. 

Vergleich der Löslichkeit in Wasser (bei ähnlicher Molmasse): 

• Laurinsäure: 63 µg/g 
• Glucos: 1,1 g/g 

In Bakterien gibt es zusätlich verzweigte Fettsäuren (hydroxyliert oder mit Cyclopropanringen), welche eine ähnlicher sterischer Effekt wie eine cis-Doppelbindung erzeugt. 

Beispiel: cis-9,10--Methylenhexadecansäure (E. coli) 

• gemischte Triacylglycerin 
• R1: Stearinsäure CH₃-(CH₂)₁₆-COOH
• R2: Linolsäure CH₃-(CH₂)₄-CH=CH-CH₂-CH=CH-(CH₂)₇-COOH
• R3: Palmitoleinsäure CH₃-(CH₂)₅-CH=CH-(CH₂)₇-COOH

Da:

• niedrigere Oxidationsstufe für C
• kein Hydratwasser (Glycogen bindet 2fache seiner Molmasse)

• wichtiger Lipidbestandteil biologischer Membranen

Grundkörper: L-Glycerin-3-Phosphat, verestert an C1 und C2 mit Fettsäuren und am Phosphat mit polarem Alkohol X

?

• Hauptbestandteil der Membran 

Grundkörper: Sphingosin (grün)

Sphingosin + Fettsäure → Ceramid 

Sphingosin + Fettsäure + Phosphocholin → Sphingomyelin 

Der hydrophobe Effekt bezeichnet die Zusammenlagerung von unpolaren Molekülen im polaren Medium ⇒ Minimierung der dem Wasser ausgesetzten apolaren Moleküloberfläche. 

Dies führt zur Phasentrennung und Bildung von Aggregaten oberhalb der kritischen Micellenkonzentration (CMC), welche die Konzentration eines Tensids beschreibt. ab der sich Mizellen bilden. 

Bei amphipatischen (polar & apolare Anteile) gibt es unt. Typen der Aggregaten abhängig von der Geometrie der  Lipidmoleküle: 

• Mizellen → hydrophobe Schwanzgruppen innen & polare Kopfgruppen außen
• Lipid-Doppelschicht (Bilayer) → Grundgerüst d. biologischen Membran 
• Vesikel, Liposom → zur Hohlkugel geschlossene Lipiddoppelschicht 

Flüssig-Mosaik-Modell: Nach dem Modell ist die Doppellipidschicht eine zweidimensionale Lösung gerichteter Lipide und globulärer Proteine. Lipide und integrale Membranproteone können lateral ungehindert in der Lipidmatrix diffunderen, sofern dies nicht durch spez. WW unterbunden wird. Phospholipide können auch noch transversale Diffusion ausführen, welcher aber viel langsamer erfolgt. 

Regulation der Fluidität: 

• Cholesterin 

Falls in großen Mengen am Membranaufbau beteiligt, erhöht es die Viskosität der Membran. 

• Doppelbindungszahl 
• Länge der Fettsäurereste 

In Membrandoppelschichten könen Fettsäureketten in einem geordneten, starren Zustand oder in einem relativ ungeordneten, flüssigen Zustand vorliegen. Der Übergang vom starren zum flüssigen Zustand erfolgt schnell, wenn man die Temperatur über Tm (Schmelztemperatur anhebt. Diese Übergangstemperatur hängt von der Länge der Fettsäureketten und ihrem Sättigungsgrad ab (je kürzere Kettenlängen und je mehr Doppelbindungen desto niedriger ist Tm). 

Der starre Zustand wird durch die Gegenwart gesättigter Fettsäuren begünstigt, weil deren Kohlenwasserstoffketten sehr gut miteinander in WW treten können (im Ggs. zu ungesättigten).  

Cholesterin senkt einerseits oberhalb der Tm die Fluidität aufgrund seines starren Steroidringsystems und verbreitet andererseits den Schmeltemperaturbereich, imdem es die Kristallisation behindert. 

Vor der Eintritt ins mitochondriale Matrix wird die Fettsäure zunächst durch Bildung einer Thioesterbildung mit Conezym A aktiviert. 

Fettsäuren werden an der äußeren Mitochondrienmembran aktiviert, aber in der Matrix oxidiert. Damit die langkettigen Acetyl-CoA-Moleküle (aktivierte Fettsäure) die innere Mitochondrienmembran überwinden können, werden sie mit Carnitin konjugiert.

Katalysiert wird dies Reaktion durch die Carnitin-Acetyltransferase I. 

Das Acetylcarnin wird dann von einer Translokase durch die innere Mitochondrienmembran geschleust. Die Acylgruppe wird auf der Matrixseite wieder auf Coenzym A übertragen (Rückreaktion). 

Das durch Lipolyse entstandene Glycerin wird von der Leber absorbiert, phosphoryliert und zu DHAP oxidiert, das anschlißend zu Gleycerinaldehyd-3-Phosphat isomerisiert wird (Zwischenprodukt der Glykolyse od. Gluconeogenese). 

Das Glyceri kann also in der Leber, welche die entsp. Enzyme enthält, entweder in Pyruvat oder in Glucose umgewandelt werden. 

• Das gleiche wie bei C16, nur 2C mehr → 1 Zyklus mehr 

Das Acetyl-CoA, das bei der Fettsäureoxidation entsteht, tritt nur dann in den Citrtzyklus ein, wenn Fett- und Kohlenhydratabbau zueinander im ausgewogenen Verhältnis stehen. 

Acetyl-CoA muss Oxalacetat binden, um in den Citratzyklus eintreten zu können. Ob Oxalacetat verfügbar ist, hängt jedoch von einer ausreichenden Kohlenhydratzufuhr ab (Oxalacetat entsteht normalerweise aus Pyruvat, dem Produkt des Glucoseabbaus in der Glykolyse). Wenn Kohlenhydrate nicht verfügbar sind, sinkt die Oxalacetatkonzentration und Acetyl-CoA kann nicht in den Citratzyklus eingeschleust werden. 

Im Hungerzustand oder bei Diabetes wird Oxalacetat verwendet, um über die Gluconeogenese Glucose zu synthetisieren und steht daher nicht zur Verfügung. 

Unter diesen Bedingungen wird das Acetyl-CoA zur Bildung von Acetacetat, D-3-Hydroxybutyrat und Aceton umgeleitet. Diese drei Verbindungen werden als Ketonkörper bezeichnet. 

Fettsäure-Synthese: 

• erfolgt im Cytoplasma
• Zwischenprodukte sind kovalent mit der Sulfhydrylgruppe eines Acyl-Carrier-Proteins (ACP) verknüpft
• Enzyme der Fettsäuresynthese sind bei höheren Organismen in einer einzigen Polypeptidkette zusammengefasst → Fettsäure-Synthase
• NADPH tritt dabei als Reduktionsmittel auf
• Synthese endet bei Palmilat, spezielle Enzyme zur weitere Verlängerung und Einführung von Doppelbindungen

Fettsäure-Abbau:

• erfolgt in der mitochondrialen Matrix
• Zwischenprodukte der Fettsäureabbau werden kovalent an die Sulfhydrylgruppe von Coenzym A gebunden
• Abbauenzyme sind nicht assoziiert wie die Fettsäure-Synthase
• NAD+ und FAD fungieren als Oxidationsmittel

Fettsäuresynthese beginnt mit der Carboxylierung von Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA. Diese irreversible Reaktion ist die Schrittmacherreaktion ("committed step") in der Fettsäuresynthese. 

Die Snythese des Malonyl-CoA wird von der Acetyl-CoA-Carboxylase, die ein Biotin als prosthetische Gruppe enthält, katalysiert. Die Carboxylgruppe (R-COOH) des Biotins wird wie bei der Pyruvat-Carboxylase kovalent an die \(\epsilon\)-Aminogruppe eines Lysinrestes des Enzyms gebunden. Dabei wird auf Kosten der ATP-Hydrolyse ein Carboxybiotin-Zwischenprodukt gebildet. Die aktivierte CO2-Gruppe des Zwischenprodukts wird dann auf Acetyl-CoA übertragen, wobei Malonyl-CoA entsteht. 

• Fettsäuresynthese besteht aus einer Abfolge von Kondensations-, Reduktions-, Dehydratisierungs- und Reduktionsreaktionen. 
• De Abfolge wird wiederholt bis Palmitat snythethisiert wird. 
• Beim Vorlesung war die Acetyl-ACP als Acetyl-CE angegeben (Cys anstatt ACP beim Formel).

Halbacetal: organische Verbingungen mit einer Alkoxygruppe (-OR) und eine Hydroxygruppe (-OH), die ans selbe Kohlenstoffatom verbunden sind (Zwischenstufe bei der Acetalbildung). 

Vollacetal: ist ein Kondensationsprodukt aus einem Aldehyd und einem Alkohol (⇒ org. Verbindung mit 2 Alkoxygruppen und 1 Restgruppe am selben Kohlenstoffatom). 

Halbketal: org. Verbindung mit einer Alkoxygruppe und eine Hydroxygruppe am selben Kohlenstoffatom, wobei es 2 R trägt (Zwischenstufe bei der Ketalbildung aus Keton). 

Vollketal: ein Kondensationsprodukt aus einem Keton und einem Alkohol ⇒ org. Verbindung mit 2 Alkoxygruppen und 2 Restgruppen.

Aldose: Kohlenhydrate aus der Gruppe der Monosaccharide. Sie enthalten eine Aldehydgruppe (-COH), z.B. D-Glucose.

Ketose: Kohlenhydrate aus der Gruppe der Monosaccharide. Sie enthalten eine Ketogruppe (-CO), z.B. D-Fructose.

Spiegelbild: Bild, das ein Spiegel wiedergibt. 

Harwoth-Projektion: Darstellungsweise für ringförmige fünf- und sechsgliedrige Moleküle, z.B. Glucose und Fructose in ihrer cyclischen Form. 

Pyranose: Lactole von Monosacchariden, die einen Sechsring aus 5 Kohlenstoff- und einem Sauerstoffatom sowie an einem der C-Atome, die den ringbildenden Sauerstoff binden, eine Hydroxygruppe enthalten (Es liegt also ein Halbacetal oder Halbketal vor), z.B. \(\alpha\)-D-Glucopyranose.

Furanose: Lactole, die einen Fünfring aus vier Kohlenstoff- und einem Sauerstoffatom swoie an einem der Sauerstoffbrücke benachbarten C-Atom eine Hydroxgruppe enthalten, z.B. \(\alpha\)-D-Altrofuranose (weniger stabil). 

Anomere: jene Epimere, die bei der Bildung eines ringförmigen Halbacetals von Kohlenhydraten (Aldosen und Ketosen) neu entstehen. Das anomere Zentrum ist das Chiralitätszentrum. Dabei änderst sich die Konfiguration am anomeren C-Atom (Mutarotation), z.B. \(\alpha\)-D-Glucopyranose & ß-D-Glucopyranose

Stereoisomer: Moleküle, die gleiche Struktur (Konstitution und damit gleiche Summenformel) haben, sich aber durch die räumliche Anordnung (Konfiguration) der Atome unterscheiden. 

Epimer: besondere Stereoisomere mit mindestens zwei Stereozentren, die sich in der Konfiguration an nur einem Stereozentrum unterscheiden. Alle nderen Stereozentren sind jeweils gleich.

Mutarotation: die spontane Änderung des Drehwinkels einer Lösung eines optisch aktiven Stoffes (Kohlenhydrate sid optisch aktiv → sie drehen linear polarisiertes Licht um einen für jede Struktur spz. Drehwinkel) vom Zeitpunkt des Ansetzns der Lösung bis zum Erreichen eines festen Wertes. Ursache dafür ist die Epimerisierung. 

• Cyclohexne können oft in unt. Konformationen vorkommen, die durch eine Energiebarriere voneinander getrennt sind, z.B. Wannen- oder Sesselkonformation

Bei der Sesselkonformation;

• Substituenten an den Kohlenstoffatomen des Rings können in 2  verschiedenen Positionen vorliegen: axial oder äquatorial
• Axiale Substituenten behindern sich gegenseitig, wenn sie auf der gleichen Seite des Ringes stehen. Im Ggs. dazu haben äquatoriale Substituenten viel mehr Platz zur Verfügung. 
• Die Sesselkonformation der ß-D-Glucose ist begünstigt, da alle axialen Positionen durch Wasserstoffatome besetzt sind. 
• Die größeren OH- und CH2OH--Gruppen liegen an der Peropherie und behindern sich sterisch nur wenig. 

Saccharose (Zucker) ist ein Disaccharid (\(\alpha\)-D-Glucose + ß-D-Fructose) und Kohlenhydrat. 

Zuckerderivate sind modifizierte Monosaccharide. In Zuckerderivaten, die Monosaccharidmoleküle, die mit anderen Substituenten als Hydroxylgruppen wie Aminogruppen, Säuregruppen, Phosphatgruppen, Acetatgruppen usw. modifiziert wurden. Natürliche Zuckerderivate haben wichtige biologische Funktionen.

• Beim Trehalose-Typ werden beide anomerer C-Atome bei der Bildung von Disaccharid beteiligt und somit verlieren sie ihre Reduktionseigenschaften. 
• Beim Maltose-Typ wird nur ein anomerer C-Atom bei der Bildung beteiligt, somit kann der andere anomere C-Atom immer noch z.B. Kupferionen reduzieren. 

Cellulose:

• lineares Polymer
• bis zu 15.000 Glucose-Monomere, welche ß-1,4-vernküpft sind
• gestreckte Konformation der Kette 
• über H-Brücken vielfach quervernetzt
• starre Zellwand bei Pflanzenzellen => mechn. Stabilität

Stärke: unlösliche Granula aus

• \(\alpha\)-Amylose

lineares Polymer aus mehreren 1000 Glc-Monomeren, \(\alpha\)-1,4-vernküpft

• Amylopektin

lineare Grundstruktur wie Amylose, aber Verzweigungspunkte an jedem 24. bis 30. Monomer mit \(\alpha\)-1,6-verknüpft

Glycogen:

• ähnlich dem Amylopectin, jedoch stärker verzweigt (jedes 8. bis 12. Monomer)
• leicht mobilisierbare Speicherform der Glucose (Glucosvorrat)
• verzweigtes Polymer der Glucose => hautpsächlich \(\alpha\)-1,4-verknüpft, bei ca. jeder 10. Glucoseeinheit Verzweigung durch \(\alpha\)-1,6-glycosidische Bindung

Synthese von Glukogen: 

• Bildung von Glucose-6-Phosphat aus Glucose mittels Hexokinase
• Isomerisierung von G6P zur Glucose-1-Phospaht mittels Phosphoglucomutase
• Aktivierung von G1P durch UTP, wobei an die Phosphatgruppe der Glucose ein Teilstück des UTP verknpüft wird 
• Es entsteht UDP-Glucose
• UDP-Glucose wird durch die Glykogen-Synthase auf ein bestehendes Glykogenmolekül übertragen und UDP wird abgespalten
• Das 1,4-\(\alpha\)-Glucan-verzweigende Enzym (branching enzyme) dient zur Erzeugung von Verzweigungen in die lineare Kette → schneidet alle 7 bis 12 Glucoseeinheiten und fügt das abgeschnitte Stück alpha-1,6-glykosidisch als seitliche Verzeigung an die Kette wieder an 

Abbau von Glukogen:

• Mittels Phosphroylase an der nicht-reduzierenden Enden (Enden mit einer freien OH-Gruppe am C4) 
• Phosphorylase stoppt an endständigen Resten 4 Einheiten vor einer Verzweigung 
• Transferase überträgt Glucoseblock (3 Einheiten) von einem Zweig auf den anderen 
• Debraching Enzyme (\(\alpha\)-1,6-Glucosidase) entfernt den einzelnen verzweigten Glucoserest durch Hydrolyse
• Resultat: Linearisierung der verzweigten Kohlenhydratstruktur → Lineare Kette kann durch Phosphroylase weiter abgebaut werden

Glykogenin überträgt ein erstest Glucosemolekül von UDP-Glucose au einen Tyrosylrest seiner Polypeptidkette. Glykogenin fügt selbst weitere Glucosereste in alpha-1,4-glykosidischer Bindung an, bis eine Starterkette ("Primer") von etwa 8 Glc-Resten vorliegt. Weitere Glucoseeinheiten werden von der Glykogem-Synthase, die mit Glykogenin einen Komplex bildet, auf das nichtreduzierende Ende (C4) der Starterkette übertragen. 

Sobald die Glykogenkette eine kritische Größe erreicht hat, dissoziiert dieser Komplex, da Glykogenin im Kern des Glykogenpartikels zunehmden unzügägnlich fürs Enzym wird. 

Über die Zahl der verfügbarer Glykogeninmoleküle reguliert die Zelle die Menge ihrer Glykogenpartikel. 

Glykogenphosphorylase hat 2 Formen: 

• a - aktiv, phosphoryliert an Ser14 (durch ATP)
• b - inaktiv, dephosphoryliert → durch ATP und Glucose-6-Phosphat wird es allosterisch runterreguliert

Jede dieser beiden Formen leigt im GGW zw. einem aktiven, entspannten (R, relaxed) und einem viel weniger aktiven, gespannten (T, tense) Zustand vor. Das GGW für die Phosphorylase a begünstigt den aktiven R-Zustand, während das GGW für Phosphorylase b den weniger aktiven T-Zustand begünstigt. 

Der Grundzustand der Phosphroylase im Muskel ist die b-Form. Es gibt keinen Bedarf für die Freisetzung von Glucose, so lange der Muskel nicht aktiv ist. Die Phosphorylase b im Muskel wird durch hohe Konzentrationen von AMP aktiviert, das an eine Nukleotidbindungsstelle bindet und die Konformation der Phosphorylase b im aktiven R-Zustand stabilisiert. Wenn der Muskel kontrahiert, wird ATP in AMP umgewandelt. das der Phosphorylase das Signal für den Abbau von Glykogen gibt. ATP wirkt als negativer allosterischer Faktor, indem es mit AMP konkurriert. 

Auch Glucose-6-Phosphat bindet an den weniger aktiven T-Zustand der Phosphorylase b und stabilisiert ihn. Unter den meisten physiologischen Bedingungen ist die b-Form aufgrund der Hemmefekte von ATP und G6P inaktiv. 

Dagegen ist a-Form unabhängig von den Konzentration an AMP, ATP oder G6P voll aktiv. 

Der Anstieg von Hormonkonzentration und die elektrische Stimulation des Muskels führen zur Phosphorylierung des Enzyms zur Phosphorylase a. 

Grundzustand der Phosphorylase im Leber (zuständig für die Glykogenabbau) ist die a-Form. Glucose wird solange produziert, bis das Enzym ein anderes Signal erhält. Das Enzym nimmt den weniger aktiven T-Zustand, wenn die Anwesenheit einer ausreichenden Glucosemenge signalisiert wird (inaktiviert durch Glucose). 

Im Grundzustand liegt die Glykogen-Synthase in der a-Form vor (voll aktiv).

Im Leber löst ein fallender Blutglucosespiegel löst eine Aktivierung von Proteinkinase A aus, die daraufhin Glykogen-Synthase phosphoryliert. 

Im Muskel hat Adrenalin den gleichen Effekt. 

Die dabei entstehende b-Form der Synthase wird mit zunehmendem Phosphorylierungsgrad mehr und mehr inaktiviert. Steigt der Blutglucosespiegel hingegen, so dephosphoryliert die insulinaktivierte Proteinphosphatase die b-Form der Glykogensynthase und konvertiert sie zur aktiven a-Form. Dadurch wird der Einbau von Glucose in Glckogen forciert. 

G6P und ATP stimulieren die inaktivierte b-Form der Glykogen-Synthase, während AMP sie weiter hemmt.