Biochemie I

1. Das Molekül ist kompakt (keine Zwischenräume im Innern).

2. Die Hauptkette besitzt zu 75% die Konformation der α-Helix. Es gibt im Molekül 8 Helixabschnitte, die mit A bis H  bezeichnet werden.

3. Eine Furche im Myoglobin bildet die Hämtasche.

4. Das sogenannte proximale His der F-Helix besetzt die 5. Koordinationsstelle des Eisens (Fe2+).
Der Sauerstoff bindet auf der entgegengesetzten Seite der Häm-Ebene, das heisst an der 6.
Koordinationsstelle des Eisens. Das O2-Molekül befindet sich zwischen Fe2+ und einem His der E-Helix, welches als distales His bezeichnet wird.
---> Oxymyoglobin und Desoxymyoglobin unterscheiden sich praktisch gar nicht in ihrer Struktur
 

* sind recht schwache Kräfte zwischen Atomen und Molekülen

* wirken umso stärker, je grösser die Moleküle sind

1. Die Faltung der Polypeptidkette ist meist hochgradig aperiodisch und entbehrt jeglicher Symmetrie.

2. Die experimentell bestimmten dreidimensionalen Strukturen liefern nicht nur den Beweis für die Existenz der postulierten Sekundärstrukturen, sondern auch dafür, dass die jeweils verwirklichte Tertiärstruktur eindeutig durch die Art und Sequenz der Seitenketten bedingt ist. Der Abbruch von Sekundärstrukturen wird durch Seitenketten  erzwungen. Unter den As gibt es «Helix-Bildner» und «Helix-Brecher», bzw. «Faltblatt-Bildner» und «Faltblatt- Brecher».
Beispiel: Einfluss von Prolin auf die Kettenkonformation.
Im Prolin besteht eine Ringbildung zwischen der Seitenkette und der Hauptkette.
• Die Drehbarkeit um die N-αC-Bindung ist aufgehoben.
• Das N-Atom kann keine H-Bindung eingehen.
Konsequenzen: Prolin ist ein «Helix- und Faltblatt-Brecher».
Das Auftreten von Prolin ist eine ausreichende aber nicht notwendige Voraussetzung für den Abbruch einer regelmässigen Struktur. Tatsächlich findet man in der Tertiärstruktur von Myoglobin am Ende von vier Helixabschnitten einen Prolinrest.

3. Die dreidimensionale Struktur liefert auch den Beweis für die postulierten Sekundärbindungen zwischen den Seitenketten verschiedener Kettenabschnitte

4. Die Tertiärstrukturen von globulären Proteinen lassen eine Innen- und Aussenseite unterscheiden. (siehe andere Karte)

Die Tertiärstrukturen von globulären Proteinen lassen eine Innen- und Aussenseite unterscheiden.
Aussenseite:
Die polaren As-Reste haben die Tendenz, den höchstmöglichen Kontakt mit dem Lösungsmittel Wasser zu suchen.
Innenseite:
Die apolaren As-Reste hingegen zeigen die Tendenz, diesen Kontakt nach Möglichkeit zu vermeiden (hydrophober Effekt).

Die ausgebildete Struktur ist der Kompromiss beider Tendenzen und führt dazu, dass Proteinmoleküle eine mizelläre Struktur haben.

1. Die hydrophoben Wechselwirkungen, die durch das Wasser erzwungen werden, sind als ungerichtete «Kräfte» die wichtigsten strukturstabilisierenden Faktoren.

2. Die H-Bindungen, welche in ihrer maximal möglichen Anzahl vorkommen, sind als gerichtete Kräfte  strukturbestimmend und verantwortlich für die innere Ordnung im Molekül.

Aus der Fixierung des Verlaufs der Hauptkette und der Lage der Seitenketten untereinander im Innern eines Proteins resultiert eine ebenso eindeutige Fixierung der äusseren Form.

Die vorwiegend polaren äusseren As-Reste stehen in Kontakt mit dem Lösungsmittel Wasser und sind verantwortlich für:
1. die im Allgemeinen gute Wasserlöslichkeit der Proteine
2. die Elektrolyteigenschaften durch die geladenen Gruppen an der Oberfläche der Proteine
3. die biologische Spezifität der Proteine.

Proteinmoleküle unterscheiden sich untereinander aufgrund ihrer verschiedenen Oberflächenbeschaffenheit sehr scharf in ihrer Wechselwirkung mit anderen Molekülen. Ein gegebenes Protein bindet sehr selektiv nur gewisse andere Moleküle. Diese biologische Spezifität wird durch räumliche Komplementarität verwirklicht:
Proteinmoleküle gehen mit anderen Molekülen nur dann spezifische Wechselwirkungen ein, wenn das Protein und das Molekül  räumlich komplementär strukturiert sind.

Die strukturelle Komplementarität ist ein fundamentales Prinzip der Organisation der lebenden Materie.

Beispiele:
• Die Basenpaarung bei den Nucleinsäuren beruht auf einer zweidimensionalen Komplementarität, welche die exakte Weitergabe der Information sichert.
• Bei den Proteinen handelt es sich um eine dreidimensionale Komplementarität, welche durch die fixierte räumliche Struktur und Oberfläche der Proteine ermöglicht wird.

Die strukturelle Komplementarität führt zu Spezifität, weil die intermolekularen Kräfte schwach und von geringer Reichweite sind.

Sie ist die Voraussetzung aller spezifischen Wechselwirkungen von Proteinen, wie zum Beispiel:
• Proteine lagern sich in supramolekulare Strukturen ein (Morphogenese von Zellmembranen, Viren, Nucleoproteinen durch Selbstorganisation).
• Proteinuntereinheiten bilden Quartärstrukturen (Beispiel: Hämoglobin).
• Substratmoleküle werden an Enzyme gebunden.
• Hormone gehen eine Bindung mit spezifischen Rezeptoren ein.
• Antigene bilden einen Komplex mit Antikörpern.

Auf struktureller Komplementarität beruht die molekulare Arbeitsteilung und Spezialisierung. Sie
ist damit auch die Grundlage für die supramolekulare und zelluläre Spezialisierung und Differenzierung.

Die Bindung von Häm in der Hämtasche von Myoglobin.
Die Hämtasche ist vorwiegend mit apolaren Resten ausgekleidet und ermöglicht so eine optimale Bindung der  ebenfalls apolaren Hämgruppe.
Die Bindung zwischen Häm und Globin wird stark durch die kooperative Wirkung an sich schwacher hydrophober Effekte.

Wenn eine spezifische Gestalt eine spezifische Funktion bedingt und bewirkt, müssen sich die Tertiärstrukturen von verschiedenen Proteinen stark unterscheiden. Tatsächlich kann man von einer Individualität der Tertiärstrukturen sprechen.

Hat diese Individualität von Form und Funktion eines Proteins in der Evolution einmal ihren Ausdruck gefunden, wird sie mit erstaunlicher Zähigkeit festgehalten.
Dieses Beibehalten von Form und Funktion während der Evolution beruht auf der Invarianz gewisser Aminosäuren in einem Protein. Die invarianten As-Reste, die sich oft im Innern des Moleküls befinden, sind demnach die form- und funktionsbestimmenden As-Reste.

Die meisten Proteine kommen in aggregierter Form vor, bestehen aus mehreren Untereinheiten (Polypeptidketten) und weisen demnach eine Quartärstruktur auf.
Man unterscheidet zwei Typen von solchen Aggregaten:
• Fibrilläre Proteine, polymere Aggregate (wasserunlöslich). Diese bestehen aus vielen Ketten und bilden ein «offenes» Aggregat (Beispiel: α-Keratin).
• Globuläre Proteine, oligomere Aggregate (wasserlöslich). Diese bestehen aus wenigen Ketten (Beispiel: Dimer, Tetramer), welche man als Untereinheiten bezeichnet und die ein «geschlossenes» Aggregat bilden.

Quartärstruktur von Hämoglobin als oligomeres Aggregat:
Das Hämoglobin ist ein Tetramer von zwei Paaren von Untereinheiten ähnlicher Tertiärstruktur: Geschlossenes oligomeres Aggregat (α β) 2

1. Für den Zusammenhalt der Ketten müssen die Kontaktflächen eine räumliche komplementäre Struktur haben.

2. Quartärstrukturen entstehen spontan durch Selbstorganisation; zum Beispiel bei Hämoglobin lagern sich α-Ketten spontan mit β-Ketten zusammen, aber mit keinem anderen Protein, welches gleichzeitig in der gleichen Lösung vorhanden ist.

3. Bei einem oligomeren («geschlossenen») Aggregat müssen die komplementären Kontaktflächen abgesättigt sein.

4. Zusammenhalt der Untereinheiten durch Sekundärbindungen:
  • Hydrophobe Effekte
  • Polare Bindungen: H-Bindungen, elektrostatische Wechselwirkungen
  • Disulfidbindungen
--> Am wichtigsten sind dabei die hydrophoben Effekte, vor allem infolge der Kooperation zahlreicher Kontakte. Sind die Kontaktflächen nicht hydrophob, bildet sich keine Quartärstruktur.
(Dies zeigt ein Oberflächenvergleich von Myoglobin und Hämoglobin.)

Die Funktion eines Proteins wird durch den Bau des Moleküls bestimmt. Das Hämoglobinmolekül muss eine ganz bestimmte Struktur und Form haben, um O2 zu binden und wieder abzugeben.
Ein Enzym muss an seiner Oberfläche fixierte Gruppen besitzen, die räumlich komplementär zu seinem spezifischen Substrat strukturiert sind. Nur so kann das Enzym seine spezifische katalytische Funktion erfüllen.

Die Struktur bestimmt die Funktion. In vielen Fällen jedoch kann man beobachten, dass sich die Struktur des Proteins bei der Erfüllung von dessen Funktion innerhalb gewisser, genau festgelegter Grenzen ändert.
Das Protein geht dabei von einer definierten Struktur in eine andere definierte Struktur über.
--> Konformationsänderungen (Änderung der Struktur durch Drehung bestimmter Gruppen um Bindungsachsen ohne Änderung der kovalenten Struktur) sind die Grundlage für die Regulation der biologischen Aktivität der Proteine  (Beispiel: Kooperativität zwischen verschiedenen Untereinheiten oligomerer Proteine
und Allosterie) und sind auch an der katalytischen Wirkung von Enzymen beteiligt.

Von diesen funktionsgebundenen Konformationsänderungen sind weitergehende Strukturänderungen zu unterscheiden, welche durch äussere Einflüsse hervorgerufen werden und zum Verlust der nativen Konformation und damit zum Verlust der biologischen Aktivität führen.

Die Denaturierung ist der Übergang von einem geordneten, biologisch aktiven Faltungsmodus zu einem weniger geordneten, biologisch nicht aktiven Faltungsmodus, ohne dass es dabei zu einer Änderung der kovalenten Struktur der Polypeptidkette kommt.

Das Protein wird denaturiert, sobald es unter Bedingungen vorliegt, bei denen die native Konformation nicht mehr die stabilste ist.

--> das denatuierte Protein ist genau dasselbe wie vorhin, besitzt nun aber eine andere Struktur und verliert deshalb seine Funktion oder verändert diese

Form:
Native Form: eine Form; eindeutig festgelegte räumliche Struktur
Denatuierte Formen: viele Formen; weniger geordnete Strukturen mit teilweisem oder vollständigem Verlust von Quartär-, Tertiär- und Sekundärstruktur
Wasserlöslichkeit:
Nat.Form: gut wasserlöslich
Denat.Form: weniger gut wasserlöslich (hydrophobe Gruppen werden durch Strukturänderung exponiert)
Verhalten gegenüber Proteasen:
Nat.Form: oft resistent gegen die Einwirkung von Proteasen
Denat.Form: leicht spaltbar durch Proteasen; Reaktionsfähigkeit mit chemischen Reagentien
Biol.Aktivität:
Nat.Form: biologisch aktiv
Denat.Form: biologisch nicht aktiv infolge Verlust der nativen Oberflächenstruktur

Das Ausmass der Strukturänderung zeigt grosse Variationen je nach Protein und Bedingungen der Denaturierung.
Im Extremfall kommt es zur totalen Entfaltung der Kette (zum Beispiel in hochkonzentrierter Harnstofflösung). Wenn ein Protein keine fixe strukturelle Organisation mehr aufweist, spricht man von einem Zufallsknäuel (statistisches Knäuel), welches eine unendliche Anzahl isomerer Formen aufweist.

Die Denaturierung ist oft reversibel. Die native Struktur bildet sich spontan zurück, sobald die Bedingungen wiederhergestellt sind, unter denen die native Form die stabilste ist.
Beispiel: Reversible Denaturierung von Myoglobin in 8 M Harnstoff.
(Bei Hämoglobin bildet sich nach Denaturierung mit 8 M Harnstoff auch die Quartärstruktur spontan zurück.)

1. Proteine in denaturiertem Zustand sind viel anfälliger gegen proteolytische Enzyme (proteinspaltende Enzyme) als in ihrer nativen Form. Die Labilität von Proteinen ist wichtig für deren Stoffwechsel, denn deren Abbau und Eliminierung ist entscheidend für die Anpassung des Organismus an neue Stoffwechselsituationen.

2. Die Denaturierung ist ferner wichtig für die Verdauung von Nahrungsproteinen. Diese Denaturierung wird erreicht durch Kochen oder Braten der Nahrung sowie durch die Salzsäure im Magensaft

3. Bei der Sterilisation von Textilien und Geräten wie auch bei der Desinfektion werden Mikroorganismen abgetötet durch Zerstörung von Membranen und durch Denaturierung der Proteine.

Enzyme sind Biokatalysatoren. Sie beschleunigen den Ablauf einer Reaktion, indem sie deren Aktivierungsenergie ΔG* senken. Auf die Gleichgewichtslage der Reaktion haben sie keinen Einfluss. Sie bewirken also lediglich, dass sich ein Gleichgewicht in vernünftiger Zeit einstellt.

Die Aktivierungsenergie Barriere ist wie eine Wand zwischen zwei Teilen eines Teiches. Wenn ein Enzym die Wand senkt, haben mehr Frösche im Teich genügend grosse Sprungenergie, um auf die abgetrennte Seite des Teiches zu gelangen.

Die Enzyme spielen die zentrale Rolle im Stoffwechsel aller lebenden Organismen.

Fehler in Enzymen können fatale Folgen habe. Manche Enzymdefekte werden genetisch vererbt.

Reversible Reaktionen laufen in beiden Richtungen ab mit Einstellung eines Gleichgewichtes. Die Gleichgewichtslage ist allein abhängig vom Energieunterschied ΔG zwischen Ausgangssubstanz und Produkt.
Irreversible Reaktionen verlaufen nur in einer Richtung; im Grunde sind sie ein Grenzfall der reversiblen Reaktion, bei der das Gleichgewicht ganz auf der Seite des Produktes liegt, das heisst, bei der ΔG extrem hoch ist. Da ΔG durch das Enzym nicht beeinflusst wird, hat das Enzym auch keinen Einfluss auf die Lage des Gleichgewichts.

Analogiebeispiel:
Vergleichen Sie den Aufwand einer Gleichgewichtsreaktion beim Seilhüpfen im Vergleich zu einem  Fallschirmabsprung.

Der Chemiker kann eine Reaktion auch ohne Katalysator beschleunigen, indem er die notwendige Aktivierungsenergie durch Erhöhung der Temperatur zuführt.
Dies ist in der belebten Natur nicht (Warmblüter) oder nur sehr beschränkt (wechselwarme Tiere) möglich, da viele  biologische Substanzen solche Temperaturen nicht aushalten würden (zum Beispiel Proteindenaturierung). Deswegen
sind sämtliche Organismen auf Katalysatoren angewiesen.

Die Einführung eigener Katalysatoren für jeden Stoffwechselschritt erlaubt auch die gezielte Steuerung einzelner Stoffwechselwege .

Unter dem Substrat versteht man denjenigen Stoff, der durch ein Enzym umgewandelt wird.
Es gibt Enzyme mit hoher Substratspezifität (das heisst sie wirken nur auf ein einziges Substrat) und solche mit geringerer Substratspezifität (das heisst sie wirken auf mehrere Substrate).
In Fällen mit geringerer Substratspezifität weisen aber alle Substrate eine strukturelle Gemeinsamkeit auf, das heisst alle Substrate sind zum Beispiel Peptide oder Nucleinsäuren, oder sie weisen eine bestimmte chemische Gruppierung auf; sie sind zum Beispiel Ester oder Amide.

Bei allen Enzymen besteht eine hochgradige Wirkungsspezifität, das heisst die Katalyse beschränkt sich auf einen einzigen Reaktionstyp.
Ein Enzym, das auf ein bestimmtes Substrat wirkt, wird dieses immer in derselben Weise verändern. Für jede andere mögliche Umwandlung des gleichen Substrats wird ein eigenes Enzym gebraucht.

Ein Enzym wird zum Beispiel immer hydrolysieren, ein anderes Aminogruppen übertragen, ein drittes oxidieren oder ein viertes polymerisieren.

Man unterscheidet zwischen Trivialnamen und systematischen Namen.
Trivialnamen werden nur noch gebraucht, wo sie sich durch langjährigen Gebrauch eingebürgert haben, zum Beispiel die Proteasen (= proteinabbauende Enzyme), Pepsin, Trypsin und Chymotrypsin.
Die systematischen Namen setzen sich zusammen aus dem Namen für das Substrat und dem Namen für den Reaktionstyp, gefolgt von der Endung -ase.
Beispiele:
* Laktatdehydrogenase: Enzym, das Laktat (Milchsäure) dehydrogeniert (H2 abspaltet).
* Fettsäuresynthetase: Enzym, das Fettsäure synthetisiert.
* DNA-Polymerase: Enzym, das DNA polymerisiert.
* Pyruvatdekarboxylase: Enzym, das Pyruvat dekarboxyliert (CO2 abspaltet).

In der biochemischen Literatur müssen alle Enzyme zudem mit einer Nummer versehen werden, die den verschiedenen Enzymen durch die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) zugeteilt wurde. Der Nummer geht die Bezeichnung EC (Enzyme Commission) voraus, zum Beispiel EC 1.1.1.27 Laktatdehydrogenase.

Die Enzyme werden in folgende sechs Klassen eingeteilt:
1. Oxido-Reduktasen (Oxidation-Reduktion)
2. Transferasen (Gruppenübertragung zum Beispiel Methylgruppen, Aminogruppen, aktivierte Nucleinsäurebausteine)
3. Hydrolasen (Hydrolyse)
4. Lyasen (C-C, C-O, C-N spaltende Enzyme)
5. Isomerasen (Isomerisierung)
6. Ligasen (Knüpfungen von Bindungen unter Energieaufwand durch Spaltung von ATP)

Es gibt einige Ribonucleinsäuren (RNA), welche ähnlich wie Enzyme katalytische Eigenschaften besitzen. Zur Abgrenzung gegenüber den echten Enzymen nennt man sie Ribozyme.
Die Substrate aller bis jetzt bekannten Ribozyme sind Ribonucleinsäuren.
An diesen werden zum Beispiel Spleiss- und Spaltreaktionen ausgeführt.

Alle Enzyme sind Proteine. Ein Enzym kann aus einer oder mehreren Proteinketten aufgebaut sein. Im ersten Fall spricht man von einem monomeren, im zweiten Fall von einem oligomeren Protein. Die einzelne Proteinkette eines  oligomeren Proteins heisst Untereinheit oder Protomer.

Den kompliziertesten Bau weisen sogenannte Multienzymkomplexe auf.

Sie bestehen aus einer supramolekularen Ansammlung verschiedener Enzyme, von denen jedes einen Teilschritt einer komplexen Reaktion katalysiert.

(Zum Beispiel besteht der Pyruvatdehydrogenasekomplex des Rindes aus 120 Proteinketten des Typs E1, 60 Proteinketten des Typs E2, 12 Proteinketten des Typs E3, 2-3 Proteinketten des Typs PK und 5 Proteinketten des Typs PP. Der Komplex hat ein Molekulargewicht von 8,5 Millionen. Er katalysiert die Umwandlung von Pyruvat zu Azetyl-Koenzym A, wobei eine Oxidation, eine CO2-Abspaltung und eine Kondensation mit Koenzym A stattfinden.)

Pyruvate (Substrat/Edukt)  --Enzym1--> Oxidation --Enzym2--> CO₂-Abspaltung --Enzym3--> Kondesation ---> Azetyl-Koenzym A (Produkt)
Die Anordnung zu einem supramolekularen Komplex garantiert den koordinierten Ablauf dieser 3 Enzymreaktionen.

Wir unterscheiden 2 Typen von Enzymen:
a. solche, die auschliesslich aus Proteinen bestehen,
b. solche, die neben einem Proteinanteil (dem Apoenzym) eine nicht proteinartige Komponente, das Koenzym (auch prosthetische Gruppe genannt), enthalten.    --> Apoenzym + Koenzym = Holoenzym.

Nur das Holoenzym ist wirksam. Die Bindung des Koenzyms an das Apoenzym ist unterschiedlich stark. Bei einzelnen Enzymen ist die Bindung so schwach, dass das Koenzym leicht abdiffundiert (zum Beispiel NAD+ von Dehydrogenasen), bei anderen besteht eine recht stabile nicht-kovalente Bindung, die erst bei Denaturierung des Proteins gespalten wird (zum Beispiel FAD von Dehydrogenasen).
Die stärksten Bindungen haben kovalenten Charakter (zum Beispiel Häm in Cytochrom c) und können nur durch ganz drastische chemische Massnahmen gesprengt werden.

Der Begriff Holoenzym wird auch verwendet, wenn mehrere Polypeptide zusammen ein aktives Enzym bilden:
Core Enzym + ein oder mehrere Polypeptide = Holoenzym.

Viele Koenzyme leiten sich von Vitaminen ab. Alle wasserlöslichen Vitamine mit Ausnahme von Vitamin C sind Vorstufen von Koenzymen. Auf diesem Wege greifen diese Vitamine in den Stoffwechsel der tierischen Zelle ein.

Koenzyme = organische Substanzen --> Vitamine oder Vitamin-Derivate (z.B. NAD+, NADP+, FAD+) oder Polypetide

Kofaktoren = anorganische Matallionen (z.B. Eisen, Magnesium oder Zink)
Andere Kofaktoren
Die folgenden Metallionen kommen als Bestandteile von Enzymen vor:
Zink, Magnesium, Mangan, Eisen, Kupfer, Kalzium. Magnesium allein wurde bisher bei etwa 200 Enzymen nachgewiesen.

Man muss sich ein Enzym als globuläres Protein vorstellen, das heisst, die Proteinkette(n) ist (sind) so gefaltet, dass sie in der Gesamtheit eine geschlossene Kugel bildet (bilden).
In die Oberfläche dieser Kugel eingelassen, findet sich eine rinnenartige Vertiefung, die zur Aufnahme des Substrats vorgesehen ist. Dies ist die aktive Stelle (englisch: active site) des Enzyms, wo auch die Substratumwandlung stattfindet.
Wenn am Aufbau des Enzyms ein Koenzym beteiligt ist, befindet sich dieses in der aktiven Stelle.

aktive Stelle: Interaktion zwischen Enzym und Substrat