Biochemie ZF VL 11 Teil 02 PDF

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Vorlesung....

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Allgemeines über Glycolyse und Gluconeogenese: • glykos = süß, lysis = Spaltung • in Muskelzellen gespeichertes ATP ist extrem schnell verbraucht (Sekunden) Glykolyse:

kein%O2%nöEg% (anaerob)%

Gesamtgleichung)(Glykolyse)) ) C6H12O6)+)2)NAD+)+)2)ADP)+)2)Pi))!)2)C3H4O3)+)2)NADH)+)2)H+)+)2)ATP)+)2)H2O)

OxidaEonsmixel%

• Warum ist Glucose der zentrale Baustein der Glykolyse?: • Glucose bildet sich spontan aus Formaldehyd in Wasser • Ringbildung der Glucose resultieren in wenigen/keine unspezifischen Reaktionen in Zellen → „ungefährlich“ für Zellen • Glykolyse benötigt keinen Sauerstoff • 2 ATP pro 1 Glucose entstehen!

Ablauf der Glykolyse, grober Überblick: Die%Glykolyse%verläuq%über%den%% %

EmbdenWMeyerhofWParnasWWeg% (EMPWWeg)% % 1940:% %

%Gustav%Embden,%Oxo%Meyerhof%und% %Jacob%Parnas%

10%ReakEonsschrixe%in%drei%Stufen:% Stufe)1:% %Bildung%von%1%mol%FructoseW1,6Wbisphosphat% % %(FW1,6WBP),%verbraucht%2%mol%ATP%(Energieverlust! Stufe)2: %Spaltung%von%1%mol%FW1,6WBP%in%2%mol% % % % %GlycerinaldehydW3Wphosphat%(GAP)% Stufe)3: %2%mol%GAP%werden%in%2%mol%Pyruvat%%% % % %%% % %umgewandelt,%erzeugt%4%mol%ATP%(Energiegewinn!)% % •  1%mol%Glucose%!%2%mol%Pyruvat% % % % %+%2%mol%ATP%und%2%mol%NADH% •  Weiterverarbeitung%von%NADH%und%Pyruvat% %aerob:% %CitratWZyklus%und%Atmungskexe% %anaerob: %Gärungen% 29

• Unterteilung der Glykolyse in 3 Phasen: • Energieverbrauch • Spaltung • Energiegewinn • durch die Spaltung der Glucose in 2 C3-Körper wird durch die Glykolyse 2 ATP gewonnen!

detaillierte Einzelschritte der Glykolyse:

alle%SFs%und%%% Enzyme%

• Reaktionen der 1. Stufe dienen lediglich zur Herstellung von Glycerinaldehyd-3-phosphat • Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase katalysiert die erste Gewinnbringende Reaktion → Bildung von NADH!

Einzelschritt Hexokinase: ΔG0’%=%W16,7%kJ/mol%

•  “fängt”%die%Glucose%in%der%Zelle%ein% •  stabilisiert%die%Glucose% •  Hexokinase%ist%von%M2+%abhängig%(M2+%z.B.%Mg2+% oder%Mn2+)% •  Induced%fit%durch%Bindung%von%Glucose%in% Hexokinase%!%Verengung%einer%Spalte%und% Wasserausschluß%

31

• Gleichgewicht liegt stark auf Seiten des Produkts • Glucose wird geladen → Phosphorylierung fängt die Glucose in der Zelle ein → kann nicht mehr aus der Zelle Diffundieren • Wasserausschluss durch Induced Fit (Konformationsänderung) ist unverzichtbar für den Ablauf dieser Reaktion!

Einzelschritt Glucose-6-phosphat-Isomerase: ΔG0’%=%+1,7%kJ/mol%

•  Umwandlung%einer%Aldose%in%eine%Ketose% •  Enzym%muss%die%Ringöffnung%katalysieren% •  Intermediäres%Endiolat%

• Aldehydgruppe wird in eine Ketogruppe umgewandelt • interne Redoxreaktion Einzelschritt Phosphofructokinase:! ΔG0’%=%W14,2%kJ/mol%

•  Zweite%Mg2+Wabhängige%Phosphorylierung% •  Allosterisches%Enzym%!%RegulaEon%der%Glykolyse%

“bisphosphat”%%%:%zwei%separate%Phosphorylgruppen%in%einem%Molekül% “diphosphat”%%%%%:%zwei%miteinander%verbundene%Phosphorylgruppen%in%einem%Molekül%

Einzeschritt Aldolase:

Einzelschrixe%–%Aldolase) ΔG0’%=%+23,8%kJ/mol%

deprotonierung damit die Spaltung vollzoger werden kann

•  Aldolase:%eine%Lyase,%benannt%nach%der%Aldolspaltung%% •  ReakEon%ist%reversibel:%AldoladdiEon%und%Aldolspaltung%

?%

Was%wäre%ohne%die% Isomerisierung%von%G6P%in% F6P%passiert?%

• wichtigster Schritt der Glykolyse • Lyase die eine Aldolspaltung katalysiert • Was wäre ohne die Isomerisierung von G6P in F6P passiert?: statt 2 C3 Verbindungen wäre ein C2 und C4 Körper entstanden → Carbonylgruppe definiert die Spaltungsstelle • Carbonylgruppe „schluckt“ die negative Ladung, damit die Spaltung ablaufen kann • durch die 2 (ineinander umwandelbare) C3-Körper kann ein vereinheitlicher Stoffwechselweg ablaufen!

Einzelschritt - Triosephosphat-Isomerase: 96%%

4%%

ΔG0’%=%+7,5%kJ/mol%

•  Eine%intramolekulare%RedoxreakEon% •  ReakEon%ist%extrem)schnell:%kcat%/%KM%~%2%x%108%MW1%sW1%(kineHsch%perfekt!)% ,%wenn%sich%Dihydroxyacetonphosphat%nicht%in% ?% Was%würde%passieren GlycerinaldehydW3Wphosphat%umwandeln%ließe?%

35

• Glycerinaldehyd-3-phosphat: Aldose • Dihydroxyacetonphosphat: Ketose • Dihydroxyacetonphosphat regiert nicht, liegt allerdings in großen Anteil vor (94%)→ kein Problem, da Glycerinaldehyd-3-phosphat sofort weiterreagiert und ständig Dihydroxyacetonphosphat in Glycerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt wird (kinetisch perfekt) • Was würde passieren, wenn sich Dihydroxyacetonphosphat nicht in Glycerinaldehyd-3-phosphat umwandeln ließe?: kein ATP Energiegewinn → nur 2 ATP pro 1 Glycerinaldehyd-3-phosphat → Stufe 1 kostet schon 2 ATP!

Struktur der Triosephosphat-Isomerase (TIM):

• Fassstruktur aus 8 Faltblättern und 8 Helices zur Stabilisierung • Helices und Faltblättern sind im Wechsel angeordnet • die eigentliche Funktion des Enzyms ist von der Stabilisierungsstruktur getrennt: Fassstruktur sorgt für Stabilität; oberer Teil bildet das eigentliche reaktive Zentrum!

Mechanismus der Triosephosphat-Isomerase:

Mechanismus%der% TriosephosphatWIsomerase)

Unerwünschte%NebenreakDon%

Ein%EndiolWZwischenprodukt% Schleife%über%dem%akEven%Zentrum:% •  Zurückhalten%des%Zwischenprodukts% •  Stereoelektronische%Kontrolle%

• • • •

wandelt Dihydroxyacetonphosphat in Glycerinaldehyd-3-phosphat um Reaktion: Verscheibungen von Wasserstoffen Zentrales Intermediat: Endiol (Keto-Enol-Tautomerie) Enzym bewirkt auch negative Katalyse → verhindert die im Bild dargestellte unerwünschte Nebenreaktion → verhindert die Abspaltung der Phosphatgruppe → stereoelektronische Kontrolle!

Einzelschritt Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH): ΔG0’%=%+6,3%kJ/mol%

•  Kopplung%einer%OxidaEonsreakEon%an%eine% Phosphorylierung% !  Energiegewinn!)

• Aldehyd wir zu einem gemischten Phosphosäureanhydrid umgewandelt • Bildung eines sehr energiereichen Produkts => hohes Phosphorylgruppenübertragunspotenzial OxidaEon% thermodynamisch günstig

ΔG0’%~%W50%kJ/mol%

ΔG0’%~%+56%kJ/mol% thermodynamisch ungünstig

Phosphorylierung%

?%

Könnten%beide%ReakEonen%getrennt%nacheinander%ablaufen?%

• Oxidation: von Aldehyd zur Säure • Phosphorylierung der Säure durch ein Phosphat

• Könnten beide Reaktionen getrennt nacheinander ablaufen? Nein, beide Reaktionen können nicht hintereinander ablaufen, da die Aktivierungsenergie viel zu hoch wäre → energiereiches Zwischenprodukt wird gebildet → Vermeidung der Überwindung einer hohen Aktivierungsenergie

GAPDH%koppelt%beide%ReakEonen%unter%Bildung%eines% ThioesterWZwischenproduktes%

Zwischenprodukt sehr Energiearm → Reaktion würde extrem langsam ablaufen

energiereiches Zwischenprodukt → hält die Energie im System → ermöglicht die Reaktion

!% %Ein%kovalentes)Zwischenprodukt)koppelt%beide%ReakEonen%und%erhält% dadurch%die%Energie%im%System!%

• das vom Enzym gebildete Thioesterzwischenprodukt koppelt beide Reaktionen aneinander!

Struktur der GAPDH:

• Aufnahme von Elektronen: NAD+ • Aufnahme von Protonen: Histedin • Cystein im aktiven Zentrum ist für die Bildung des Thioesters verantwortlich!

Mechanismus der GAPDH:

1.)%Nukleophiler%Angriff%von%Cys%%% !%Bildung%eines%Thiohalbacetals) 2.)%OxidaEon%und%HydridWTransfer% !%Bildung%eines%Thioesters) 3.)%Austausch%NADH/NAD+% 4.)%Orthophosphat%phosphoryliert%

• Reaktion: Kopplung einer Oxidation an eine Phosphorylierung durch Erzeugung eines reaktiven Zwischenprodukts • Schwefel greift Kohlenstoff an, Thiohalbacetal wird gebildet, NAD nimmt H+ auf • Thiohalbacetal wird oxidiert → Thioester wird aufgebaut • NAD+ bringt zusätzliche positive Ladung in das Aktive Zentrum ein • durch Phosphorylierung entsteht aus dem Thioester ein Anhydrid!

Einzelschritt Phosphoglycerat-Kinase (Erste ATP-bildende Reaktion der Glykolyse): ΔG0’%=%W18,8%kJ/mol%

•  Übertragung%einer%Phosphorylgruppe%mit%hohem%GruppenüberW tragungspotenEal%auf%NDP%% !  “Substratke]enphosphorylierung”% %

?%

Wie%sieht%unsere%ATPWBilanz%bis%zu%diesem%Schrix%aus?%

• ATP Bilanz bis zu diesem Schritt: 0 ATP (2 ATP gebildet, 2 ATP verbraucht) • Enzym ist KEINE Phosphatase, da kein freies Phosphat entsteht sondern ATP!

Dreischritt Phosphoglycerat-Mutase, Enolase und Pyruvat-Kinase (Zweite ATP-bildende Reaktion der Glykolyse):

•  3WPhosphoglycerat%isomerisiert%zu%2WPhosphoglycerat%(Mutasen%gehören%zur% Klasse%der%Isomerasen%und%katalysieren%den%intramolekularen%Transfer%einer% chemischen%Gruppe)% •  Abspaltung%von%Wasser%(Enolase%ist%eine%Dehydratase%und%gehört%zu%den% Lyasen)% •  Phosphorylgruppentransfer%von%PEP%auf%ADP% !  “Zweite)Substratke]enphosphorylierung”)katalysiert%von%der%PyruvatWKinase% %

Phosphoenolypyruvat – eine energiereiche Verbindung:

ΔG0’%=%W31,6%kJ/mol% Umlagerung der Doppelbindung

ΔG0’%=%+%14,4%kJ/mol%

ΔG0’%=%W%46%kJ/mol%

PEP%

?% Wozu%also%brauchten%wir%die%ReakEon%der%Enolase?% ?% Was%unterscheidet%PEP%von%1,3WBisphosphoglycerat?% • Wozu also brauchten wir die Reaktion der Enolase?: Abspaltung von Wassers (siehe oben) ermöglicht erst die Keto-Enol-Tautomerie • Was unterscheidet PEP von 1,3-Bisphosphoglycerat?: 1,3Bisphosphoglycerat ist ein Säureanhydrid, PEP hingegen ein Phosphoester • Wäre die Bildung von ATP ohne Wasserabspaltung möglich gewesen?: Nein, erst durch die Umlagerung der Doppelbindung wird die Phosphatgruppenübertragung möglich!

Wie kann das Redoxgleichgewicht aufrecht erhalten werden?:

Wie%kann%das%Redoxgleichgewicht% aufrechterhalten%werden?% Gesamtgleichung%(Glykolyse)% % C6H12O6%+%%2)NAD+%%%+%2%ADP%+%2%Pi%%!%2%C3H4O3%+%2)NADH%+%2%H+%+%2%ATP%+%2%H2O

Regeneration von NAD+

• NADH wird vorallem durch weiteroxidation mit Sauerstoff umgesetzt • NAD+ muss in einer Folgereaktion regeneriert werden:!

erste anoxische Variante; Bildung von Ethanol / alkoholische Gärung:

AkEves%Zentrum%der%Alkohol2Dehydrogenase) ein%ZinkWhalEges%Enzym%

47

• kommt z.B. in Bierhefe/Weinhefe vor (nicht beim Menschen) • Pyruvat wird Decarboxyliert = CO2 wird abgespalten • 2 Elektronen vom NADH machen aus dem Aldehyd ein Alkohol

Gesamtbilanz) % Glucose%+%2%H+%+%2%ADP%+%2%Pi%%!%% % 2%Ethanol%+%2%CO2%+%2%ATP%+%2%H2O%

Gärung:% %ATPWerzeugender%Prozess,%in%dem% organische%Verbindungen%sowohl%als% Elektronendonoren,%als%auch%als%–akzeptoren% fungieren.%Gärungen%können%anoxisch% ablaufen.%

Zweite anoxische Variante; Pyruvat Umwandlung zu Lactat:

Gesamtbilanz) % Glucose%+%2%ADP%+%2%Pi%%!%% % 2%Lactat%+%2%ATP%+%2%H2O%

•  Direkte%RegeneraEon%von%NAD+%

• Nachteil der alkoholischen Gärung / Milchsäuregärung: Energiepotenzial wird nicht vollständig ausgeschöpft!

Oxische Variante: Pyruvat → Acetyl-CoA → …:

Pyruvat%%+%%NAD+%%+%%CoA%%

%%%AcetylWCoA%%%+%%CO2%%+%NADH%

Citrat2Zyklus)

Atmungske]e) !%RedukEon%von%O2%

?% Wo%sind%die%Kohlenstoffatome% der%Glucose?% 50

• vollständige Oxidation der Glucose zu CO2 • Wo sind die Kohlenstoffatome der Glucose?: in der Kombination von Glykolyse + Citratzyklus wird die komplette Glucose als als CO2 abgeatmet!

Eintrittspunkte für Galactose und Fructose:

• Fructose wird zum kelinen Teil in Fructose-6-phosphat umgewandelt, jedoch zum größten Teil in der Leber direkt zu GAP umgewandelt • Galactose wird über 4 Schritte in die Glykolyse eingespeist!

Fructosestoffwechsel:

Aufnahme%der%Fructose%über%den% Fructose212phosphat)Weg% (in%der%Leber)% % !%Drei%zusätzliche%Enzyme%

• Fructose-1-phosphat wird zu Dihydroxyacetonphosphat • „Umwege“ können auch Vorteile bieten → Regulation des Stoffwechselweges!

Umwandlung von Galactose:

?% Was%unterscheidet%die%Galactose%von%der%Glucose?% 1.)%UMPWTransfer%von%UDPWGlucose% (wo%haben%wir%UDP2Glucose)schon%% gesehen?)% 2.)%Epimerisierung%von%UDPWGalactose% in%UDPWGlucose%

Gesamtbilanz) Galactose%%%+%%%%ATP%%%%%%%%!%% GlucoseW1Wphosphat%+%ADP%+%H+%

Vorteil%dieses% ? Was%könnte%der% komplexen%Weges%sein?%

• 4 Schritte notwendig • Was unterscheidet die G • Vorteil: UDP-Glucose, UDP-Galactose: sind Substrate für Glykosyltransferasen → zum Übertragen von Kohlenhydraten auf Proteine → dieser Umweg erzeugt Zwischenprodukte (ohne Zusätzliche Energie), die der Zelle bei anderen Reaktionen helfen

Regulation und Kontrolle der Glycolyse:

olyse%W%%RegulaEon%und%Kontrolle% Potenzielle)Kontrollpunkte% Weitgehend%irreversible%ReakEonen%

bezogen%auf%1%mol%Pyruvat% 1%mol%Glucose%!%W132%kJ/mol%

• alle stark exergone (-∆G → Reaktion läuft spontan ab) Reaktionen sind weitgehend irreversibel → „Kontrollpunkte“ • Phosphofructokinase stellt den Zentralen Kontrollpunkt dar • auch Pyruvatkinase stark exergon, da Phosphoenolpyruvat ein deutlich höheres Phosphorylgruppenübertragungspotenzial als ATP besitzt!

Regulation der Glykolyse im Muskel:

?

Warum%ist%die%Phosphofructokinase%und%nicht% die%Hexokinase%der%zentrale%Regulator?%

• Ruhe: • ATP wird kaum gebraucht → Glucose-6-phosphat reguliert • Phosphofructokinase wird gehemmt • Aktiv: • ATP wird benötigt → Phosphofructokinase wird aktiviert • Hexokinase wird durch die Menge des Produkts gehemmt → negative Rückkopplung bzw. Feedback-Regulation • hohe Konzentration von ATP verringert die Aktivität der Phosphofructokinase • Bildung von Fructose-1,6-bisphosphat führt zu einer Feed-ForwardStimulation der Pyruvatkinase • niedrige ATP-Konzentrationen erhöhen die Aktivität der Phosphofructokinase • Warum ist die Phosphofructokinase und nicht die Hexokinase den zentrale Regulator? Phosphofructokinase besitzt Schrittmmacherfunktion der Glykolyse → committed step!

Aktivität der Phosphofructokinase:

Erhöhen die Aktivität des Enzyms:

+%

•  AMP%(ADP)% •  FruW2,6Wbisphosph

Verringern die Aktivität des Enzyms:

W%

•  ATP% •  H+% •  Citrat%

F6P%akEviert%kooperaEv%

Wirksam:%[ATP]/[AMP]2QuoDent)

? Warum%AMP%und%nicht%ADP?% • bei geringen ATP-Konzentrationen → normale Michaelis-Menten-Kinetik • bei hohen ATP-Konzentrationen → sigmuidaler Kurvenverlauf • Faktoren, die die Aktivität des Enzyms erhöhen: • AMP (siehe unten) → signalisiert Energiemangel der Zelle • Fructose-2,6-bisphosphat → weiterer Aktivator, wird gleichzeitig bei der Bildung von Fructose-6-phosphat gebildet • Faktoren, die die Aktivität des Enzyms verringern: • hohe aktivität des Citratzyklus → bereits hohe Mengen an ATP vorhanden → Glykolyse nicht mehr notwendig • H+ führen zu einer Ansäuerung der Zelle → bei zu sauren Bedingungen wird der Stoffwechsel der Zelle herunter gefahren • Warum AMP und nicht ADP?: bei stakrem ATP Mangel reagiert ADP mit einem anderen ADP unter Bildung von 1ATP und 1AMP → AMP Indikator für ATP - Mangel Adenylat-Kinase

ADP%%+%%ADP%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%ATP%%+%%AMP%

Wirkung von Fructose-2,6-bisphosphat:

extreme Regulation durch ATP

in%der%Leber% 62

• kein Metabolit sondern starkes Signalmolekül, wird in der Leber gebildet • entsteht wenn die Glycolyse stark aktiv ist → viel Fructose-6-phosphat wird gebildet → gleichzeitig wird viel Furctose-2,6-bisphosphat gebildet → aktiviert zusätzlich die Phosphofructokinase → fördert die Umsatzmege der Glykolyse • grüne Kurve im rechten Diagramm: besitzt die Zelle bereits genügend ATP, es liegt jedoch genug Glucose vor, so wird trotzdem weiterhin ATP gebildet!

Kontrolle der Pyruvatkinase:

• L-Isoenzym kommt vorallem in der Leber vor • M-Isoenzym kommt vorallem im Muskel vor (von Fructose1,6-bisphosphat und ATP reguliert) • Alanin wird durch Pyruvat gebildet (sehr ähnliche chemische Struktur, kann leicht ineinander überführt werden) • NACHLESEN!

Familie der Glucosetransporter (Uniporter):

Familie%der% GlucoseW Transporter%

HIFW1:% %

%hypoxia%inducible%factor%1% %ein%TranskripEonsfaktor%

im%Tumor:%Lactatgärung% 64

• GLUT 2: vorallem im Pankreas und Leber • GLUT 1&3: Transportieren Glucuse meist mit konstanter Geschwindigkeit Zusammenfassung endet auf Folie 64...