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Biochemie

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by

Philip Neill

on 26 September 2013

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Transcript of Biochemie

Strategy Recommendation

Define the objective
What if we do nothing?
Idea 1
Idea 2
Citratzyklus
Describe the desired state
Describe the idea you think is best
Glykolyse
Explain your expectations
Explain new strategies
Summarize your recommendation
Get your audience excited
Show how things would improve
How problems can be resolved
Pro
Con
Pro
Con
Pro
Con
Pro
Con
Based on Jim Harvey's speech structures
2 Stufen der Glykolyse:
1) Investitionsphase: Glukose zu GAP und DHAP gespalten (1.-5.) - 2 ATP investiert
2) Ertragsphase: 2 Moleküle GAP zu 2 Molekülen Pyruvat (6.-10.) - 4 ATP & 2 NADH (Rein = 2 ATP)

Glukose = guter Brennstoff, da:
1) Glukose unter präbiotischen Bed. aus Formaldehyd gewonnen werden kann
2) Glukose einen stabilen 6er Ring hat

Glykolyse urspr. Stoffwechselweg:
1) damalige Atmosphäre kein O2, Energie musste anaerob gewonnen werden - Glykolyse braucht kein O2
2) = der am weitest verbreitete Stoffwechselweg - findet im Cytosol statt und ist nicht Organell-gebunden

Nervenzellen, Nebennierenmark, best. weiße Muskelfasern (Iiv), Erythrozyten, best. Retinazellen verwenden Glukose als hauptsächliche bzw. einzige Energiequelle

Glukose gelangt aus dem Blut in die Zellen durch membranständige Transporter. Familie aus mind. 7 Transportern (GLUT 1,…). Unterscheiden sich in Transportcharakteristika.

Andere Wege der Glukose:
1) Umbau zu Glykogen, Stärke, Sucrose als Speicher
2) Oxidation via Penthosephosphatweg zu Ribose-5-Phosphat (Gewinn. v. NADPH + Pentosen zur Nucleotidsynthese)
3) Oxidation via Glykolyse zu Pyruvat (zur Energiegewinnung ATP)

Zwischenprodukte der Glykolyse sind phosphoryliert, weil:
1) Zellmembran für phosphorylierte Zucker undurchlässig - hohe intrazelluläre conc. möglich
2) geladene Phosphatgruppen fördern die Bindung ans Enzym
3) einige d. phosphorylierten Zwischenprodukte hohes neg. delta G - ermöglichen ATP-Synthese aus ADP - konservieren so einen Teil der freiwerdenden chem. Energie

Warburg-Effekt = deregulierte Glykolyse der Krebszellen (Glykolyse in fast allen Tumortypen auf höherem Niveau als in gesundem Gewebe); Grund:
1) Tumore wachsen schneller als Blutgefäße - nicht genug O2 im Gewebe
2) Tumore haben weniger Mitochondrien -> ATP-Produktion hängt stark von Glykolyse ab
3) Transkriptionsfaktor HIF (verstärkt Expression von Glykolyseenzymen und Glucosetransportern)All
Glukose zu Glukose-6-Phosphat phosphoryliert

irreversibel

Hexokinase (2, Mg2+):
In Abwesenheit von Glucose befinden sich Wassermoleküle im aktiven Zentrum der Hexokinase. Diese würden wie das freie Elektronenpaar des Sauerstoffs am C6 Atom der Glucose das Cosubstrat der Hexokinase, ATP-Mg2+, hydrolysieren. Um dem zu entgehen ändert die Hexokinase ihre Konformation sobald Glucose bindet (induced fit), so dass H2o Moleküle aus dem aktiven Zentrum verdrängt werden. Zusätzlich kommt dadurch das freie Elektronenpaar des Sauerstoffs nahe genug an das elektrophile γ-Phosphat des ATP, um mittels nukleophiler Substitution die Phosphorylgruppe auf die Glucose übertragen zu können (Proximity Effekt)
Das Mg2+ Ion schirmt die negativen Ladungen des ATP soweit ab, dass das γ-Phosphoratom für die nukleophilen Substitution des Sauerstoffs am C6 Atoms der Glucose zugänglich wird.
Xylose ist eine Pentose, hat also ein C- Atom weniger als die Glucose. Die Hexokinase kann Xylose zwar binden, aufgrund der geringeren Größe passt jedoch zusätzlich ein H2O Molekül ins aktive Zentrum der Hexokinase auf welches die terminale Phosphorylgruppe dann übertragen wird. Die Xylose verlässt das Enzym unmodifiziert.

1
2
Glucose-6-Phosphat zu Fructose-6-Phosphat isomerisiert

Phosphohexose-Isomerase (5, Mg2+):
Die Reaktion von Glucose-6-Phosphat zu Fructose-6-Phosphat hat ein geringes ΔG°′ und ist daher reversibel. Die Isomerase wandelt die Aldose bei der Reaktion in eine Ketose um, das am C1 entstehende primäre OH ist im nächsten Schritt leichter zu phosphorylieren als das ursprünglich vorliegende Halbacetal-OH. Zusätzlich wird das C3 Atom für eine Spaltung mittels der Aldolase aktiviert (Aldolase Reaktion=retro-Aldolkondensation)

Hexokinase

Kommt in allen Zellen vor, besitzt eine höhere Affinität zu D- Glucose (und daher eine niedrigere Km) als die Glucokinase und wird vom Endprodukt G6Phosphat inhibiert.

Glukokinase

Kommt nur in der Leber vor; lässt sich durch G6P nicht inhibieren und bindet mit geringerer Affinität an D- Glucose als Hexokinase. 
Sie weist eine sigmoide Aktivitätskurve auf, was u. a. bedeutet, dass bei hohen Blutzuckerkonzentrationen proportional mehr Glucose umgewandelt wird als bei niedrigen. Dadurch wandelt das Enzym direkt nach der Nahrungsaufnahme viel Glucose um, kompetitiert aber bei niedrigeren Glucosekonzentrationen nicht mit anderen Geweben wie Muskeln und Gehirn.
3
Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6-Bisphosphat phosphoryliert

irreversibel!

geschwindigkeits- und wichtigster Kontrollschritt der Glykolyse!

Phosphofructokinase 1 (2, Mg2+):
. Bei höheren ATP Konzentrationen in der Zelle bindet ATP an die PFK-1 und wirkt als allosterischer Inhibitor. Das gilt ebenso für Citrat oder NADH+.
Die PFK-2 katalysiert die Umwandlung von Fructose -6-Phosphat zu Fructose-2,6-bisphosphat, welches ein wichtiger allosterischer Aktivator der PFK-1 ist. F2-6 Bisphosphat führt zu einem Ablösen der Inhibitoren ATP bzw. Citrat. Weiters unterdrückt F2-6-Bisphosphat Reaktionen der Gluconeogenese, um einen parallelen Ablauf beider Stoffwechselwege zu verhindern.

4
Fructose-1,6-Bisphosphat zu GAP und DHAP gespalten

stark positives deltaG, aber Produkte werden in nachfolgenden Reaktionen schnell entfernt, läuft deswegen aufgrund des Massenwirkungsgesetzes (Prinzip von Le Chartelier) nach rechts ab
= Reverse Aldolkondensation, namensgebend für gesamten Stoffwechselweg

Aldolase (4.):

Die Aldolase ist eine Lyase, die über eine reverse Aldolkondensation die Spaltung von Fructose 1-6-Bisphosphat katalysiert. Die beiden Produkte sind aufgrund der Größe für die Zelle einfacher in der Handhabung und lassen sich schnell in einander überführen.
Voraussetzung zur Spaltung der C-C Bindung ist ein ß- OH, benachbart zur Carbonylgruppe. Deshalb liefert nur die Spaltung des F-1-6-Bisphosphat 2 gleichwertige Triosen.


5
Gegenseitige Umwandlung der Triosephosphate (DHAP -> GAP)

relax. hoch + -> Gleichgewicht auf linker Seite (DHAP) (Verschiebund nach rechts, wegen Weiterverwendung von GAP… le chartelier)

Triosephoshphat-Isomerase (5):

. Die Triosephosphatisomerase (TIM) bildet ein αβ-barell Protein aus. Das aktive Zentrum des Enzyms enthält AS- Reste für die Substrat Bindung und die Säure- Base Katalyse.
Das Enzym wird als perfektes Enzym bezeichnet da jedes Zusammentreffen zwischen Substrat und Enzym sofort zur Umwandlung führt. Veränderungen am Enzym können keine Umsatzsteigerungen mehr herbeiführen.

6
GAP zu 1,3-Bisphosphoglycerat oxidiert

Ertrag: NADH

Orthophosphat stammt aus Medium, nicht aus ATP-Hydrolyse

GAP-Dehydrogenase (1, NAD+ ess. Cofaktor):

. Das Enzym oxidiert GA3P zunächst indem es H+ und Elektronen auf NAD+ überträgt (essentieller Cofaktor der Reaktion), wobei NADH entsteht. Diese Reaktion ist stark exergonisch; die Energie wird benutzt um eine Phosphatgruppe an GA3P anzuheften, wodurch eine Verbindung mit hoher potentieller Energie entsteht. 
Thioester: Ein Cystein im aktiven Zentrum von GAPDH bindet die Aldehydgruppe von G3P, wodurch sich ein Thiohalbcetal ausbildet. Durch die anschließende Oxidation von G3P bildet sich ein energiereicher Thioester und NADH in welchen die Oxidationsenergie vorübergehend gespeichert wird. Durch einen nukleophilen Angriff des Thioesters durch ein Phosphats im Medium entsteht 1,3 Bisphosphoglycerat. (gemischtes Säureanhydrid)..

7
Phosphorylgruppentransfer von 1,3-Bisphosphoglycerat auf ADP -> 3-Phosphoglycerat

stark neg. deltaG - treibt vorangegangen endergone Reaktionen an

Phosphoglycerat-Kinase (2, Mg2+):

. 1,3 Bisphosphoglycerat (gemischtes Säureanhydrid) hat ein hohes Gruppenübertragungspotential, da das Produkt der Hydrolyse und Ionisierung, 3- Phosphoglycerat, resonanzstabilisiert ist.

8
3-Phosphoglycerat zu 2-Phosphoglycerat umgewandelt

(Phosphoglycerat-) Mutase (5, Mg2+):

. Im aktiven Zentrum der Mutase ist ein Histidin mit Phosphorylrest gebunden. Nach der Bindung von 3- Phosphoglycerat bildet sich ein Enzym- Substrat Komplex, bei dem die Phosphorylgruppe des Histidins auf das C- 2 Atom des 3- Phosphoglycerat übertragen wird wodurch als Zwischenprodukt 2,3-Bisphosphoglycerat entsteht. In einem weiteren Schritt wird dann die Phosphorylgruppe des C-3 Atoms an das Histidin übergeben und 2-Phosphoglycerat wird freigesetzt.
Im Citratzyklus kommen bspw. ebenfalls Mutasen vor.


9
2-Phosphoglycerat zu Phosphoenolpyruvat dehydratisiert

Enolase (4, 2 Mg2+):

2-Phosphoglycerat und Phosphoenolpyruvat (PEP)haben etwa denselben Energiegehalt. Aufgrund der Form des PEPs kann jedoch bei der Hydrolyse des Phosphorylrests im nächsten Schritt mehr Energie freigesetzt werden. Die Enolase benötigt 2 Mg2+Ionen, um einerseits die neg. Ladung der Carboxylgruppe abzuziehen und andererseits für die direkte Katalyse.

10
Phosphorylgruppentransfer von PEP auf ADP -> Pyruvat

stark exergon!

Pyruvat-Kinase (2, Mg2+, K+):

Aus PEP bildet sich nach der Hydrolyse Pyruvat, welches durch die Abwesenheit der Phosphorylgruppe tautomerisiert. Die Ketoform, die so eingenommen wird kann ist weitaus stabiler als die Enolform.
Das Gruppenübertragungspotential von PEP beträgt ΔG0’ = 62,2 KJ/mol, im Vergleich dazu ATP: ΔG0’ = 32,3 kJ/mol.

Regulierung:

Reguliert werden Enzyme, die irreversible Reaktionen katalysieren und daher langsam arbeiten. In der Glykolyse sind dies nur Hexokinase, Phosphofructokinase und Pyruvatkinase. Diese Enzyme werden allosterisch reguliert (PK der Leber zusätzlich phosphoryliert).
Glucose-6-phosphat kann auch für andere Stoffwechselwege (Pentosephosphatweg) verwendet werden. PFK 1 ist der erste commited step-1,6-FBP ist das erste Molekül, das ausschließlich für die Glykolyse hergestellt wird.

PFK 1:

Allosterische Inhibitoren: 
ATP-Zeigt an, dass Zelle genug ATP hat
Citrat- Zeigt an, dass der Citratzyklus langsam ist, d.h. Zelle hat genug Energie Allosterische Aktivatoren:
ADP, AMP-Zeigen an, dass Zelle zu wenig ATP hat
Fructose 2,6-bisphosphat-signalisiert hohen Blutzucker-hormonell reguliert
geringe Konz. von ATP --> ATP bindet stark im aktiven Zentrum der t-und r-form--Cosubstrat
hohe ATP-Konz. --> ATP bindet zusätzlich als Inhibitor an die allosterische Stelle des T-Zustandes-->Gleichgewicht zugunsten t-zustand-->verringert Affinität von PFK für F6P.

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