FA: Grundlagen; Regelung, Enzyme, Energiegewinnung

Regulation:

• Aufrechterhaltung bestimmter Zustände von lebenden Systemen und Reaktion auf Veränderung

• charakterisiert durch negative Rückkopplung -> optimale Bedinungen für Lebensbedinungen bleiben konstant

• durch Regelung die Abweichungen von einem gegebenen Zustand kompensiert werden

  
  

Steuerung:

• einseitig gerichtete Beeinflussung eines Vorgangs

• quantitative Beeinflussung der Intensität oder Richtung von Vorgängen

keine Ahnung ich raffs auch nicht

• Effekt verstärkt sich selbst

• wenn sich ein Signal oder eine Größe verstärkend auf sich selbst auswirkt

• zB: Fischblase

  • Fisch taucht tiefer -> Luftblase wird komprimiert; Fisch sinkt

  • Fisch taucht hoher-> Luftblase erweitert sich, Fisch steigt auf

• Veränderung im System -> löst Wirkung aus bei der ursprüngliche Veränderung gehemmt wird oder ruckgängig gemacht wird

• Rückführung der Ausgangsgröße mit verstärkender Eigenschaft auf dessen Eingang, um dort dem Eingangssignal entgegenzuwirken

• Regulierung durch negative Rückkopplung die für die Aufrechterhaltung des Lebens erforderliche Homöostase

• komplexes Molekül, das Stoffwechselprozesse (biochemische Reaktionen) in Organismen beschleunigt

• dient als Katalysator, bleibt also unverändert, setzt Aktivierungsenegerie herab

• handelt meist um Proteine (nur Ribozyme aus RNA)

• Energie, die erforderlich ist, um ein Teilchen aus einem bestimmten Energieniveau in ein höheres Energieniveau zu überführen

E + S    ->   [ES]    ->      E + P                        

E = Enzym, S = Substrat, P = Produkt

• Binden von Enzym und Substrat (spezifisch zueinander); Substrat bindet an aktives Zentrum

• im aktiven Zentrum interagiert Sustrat mit katalytisch aktiven AS-Resten

• idR passt nur ein bestimmtes Substrat in Enzym (Schlüssel-Schloss-Prinzip)

  -> Bildung eines Komplex aus Enzym und Substrat (Enzym-Substrat-Komplex [ES])

• Ablaufen des spezifischen Reaktionsmechanismus für Enzym

• Freisetzung des Produkts

• Enzym kann direkt für die nächste Reaktion eingesetzt werden. Es verlässt die Reaktion unverändert

• eigentliche Ort, an dem das Substrat gebunden wird

• dort vorkommende Aminosäuren (meist Histidin)(=katalytische Gruppen) führendie katalytische Reaktion aus

• nach dem "Schlüssel-Schloss-Prinzip" vermitteln chemische Wechselwirkungen die spezifische Bindung zwischen dem aktiven Zentrum und dem Substrat

• Enzyme können nicht jedes beliebige Substrat umsetzten

• große Rolle dabei spiel Tertiätstruktur -> Einbuchtung in die Substrat passt (aktive Zentrum)

• Enzym und Substrat wirken nch Schlüssel-Schloss-Prinzip

  -> Substrat passt nicht in die Einbuchtung, keine Bindung und Umsetzung

• Enzyme können nur bestimmte Substrate umsetzten

• Eigenschaft der Substratspezifität

• dabei unterscheidet man zw Gruppenspezifität und absolute Spezifität

  • absolute Spezifität: nur ein bestimmtes Substrat kann umgesetzt werden

  • Gruppenspezifität: Substrate mit gleichen funktionellen Gruppen können umgesetzt werden

• Enzyme nicht nur substratspezifisch sondern auch wirkungsspezifisch

• d.h. ein Substrat kann nur auf eine ganz bestimmte Weise umgesetzt werden

  -> ein anderes Enzym kann Substrat auf eine ganz andere Weise umsetzten

• Enzymaktivität beschreibt, wie viele Substratmoleküle ein Enzym pro Minute umsetzt

• abhängig von verschiedenen Faktoren wie Substratkonzentration, Temperatur und pH-Wert

Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel

• mit steigender Temperatur arbeitet das Enzym zunächst schneller, zu hohe Temp. Denaturation

• erhöht man die Temperatur um 10°C, verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit des Enzyms

• Grund: Enzyme und Substrate bewegen sich schneller im Raum hin und her bei höheren Temperaturen -> höhere Wahrscheinlichkeit, dass sie zufällig auf einander treffen und Enzym-Substrat-Komplex bilden

• jedoch nur bis zum Temperaturoptimum, danach sinkt Enzymaktivität wieder (Enzym und Substrat zu schnell- keine Bindung mehr

• mit steigender Substratkonzentration steigt Umsatzgeschwindigkeit

• Grund: genügend Enzymmoleküle vorhanden um jedes Substratmolekül umzusetzten

  -> Umsatzgeschwindigkeit steigt zunächst proportional zur Substratkonzentration

  -> bei noch höherer steigt Umsatzgeschwindigkeit nur noch minimal, da freie Enzymmoleküle nun immer seltener werden

  -> dauert länger bis Substrat auf Enzym trifft

• irgendwann alle Enzyme besetzt und weitere Erhöhung der Umsatzgeschwindigkeit ist nicht mehr möglich

• zunächst bewirkt Temperaturerhöhung auch die Erhöhung der Umsatzgeschwindigkeit (Prinzip der RGT-Regel)

• Teilchen bewegen sich bei höheren Temperaturen mehr und ermöglicht schnellers Aufeinandertreffen der Teilchen

• weitere Temperaturerhöhung nach Optimum, resultiert in Hitzedenaturierung

• jedes Enzym gibt pH Wert bei dem am aktivsten (pH Optimum)

• Grund: Proteine enthalten verschiedene Gruppen, die bei pH-Wert-Änderungen protoniert oder deprotoniert werden

  ->zwischenmolekulare Wechselwirkungen fallen weg/ zusätzliche entstehen

  -> Veränderung der Tertiärstruktur

• unterstützen Enzyme bei Reaktion

• wirken als Elektronenakzeptoren/donatoren bei Redoxreaktionen; Übertragung von funktionellen Gruppen

• organische Verbindungen, welche die Wirkung von Enzymen erleichtern und sich vorübergehend oder dauerhaft an ein Enzym binden

• Coenzyme selbst sind auch in der Lage, Reaktionen zu katalysieren, aber nicht so effektiv wie in Verbindung mit einem Enzym

• Unterscheidung in Cosubstrate und prosthetische Gruppen

• kovalente Bindung an das Enzym

• Holoenzym: prosthetische Gruppe an Enzym gebunden

• Apoenzym: ohne prosthetische Gruppe

• Enzym kann ohne prosthetische Gruppe nicht an Enzym binden

• prosthetische Gruppen könne nach Reaktion verändert sein (werden im selben Reaktionszyklus wieder erneuert)

• Beispiel: FAD

• nicht kovalente Bindung an das Enzym

• Cosubstrat und Substrat binden zeitgleich an Enzym

• Cosubstrat kann dann Elektronen, Protonen oder funktionelle Gruppen aufnehmen/abgeben

  -> verändert sich während Reaktion (Erneuerung in nachgeschaltener Reaktion)

• verhält sich eher wie ein Substrat

• zB ATP

• Adenosintriphosphat = Coenzym/Cosubstrat

• Energielieferant aller Lebewesen

• geht nicht kovalente Bindung mit Enzym ein

• Abgabe einer Phosphatgruppe, bei Abspaltung wird Energie frei

Nikotinamid-Adenosin-Dinukleotid =Coenzym/Cosubstrat

• spielt wichtige Rolle bei Redoxreaktionen im Energiestoffwechsel

• bindet nicht kovalent an das Enzym

• nimmt bei Reaktion 2 Elektronen und 2 Protonen auf -> durch Aufnhame wird zu NADH/H+ reduziert

• Aufgabe: Abgabe der Protonen und Elektronen an Atmungskette

• 
  

• Enzyme dürfen nkcht permanent wirken, sonst alle biochem. Reaktionen gleichzeitig mit hoher Geschwindikeit ablaufen

• deshalb: Aktivität von Enzymen nach verschiedenen Mechanismen reguliert

• reversible und irreversible Hemmung durch Inhibitoren

• reversibel: kompetitive und nicht kompetive Mechanismen

=Hemmstoffe

• Substanzen, welche Enzymaktivität verringern

  -> Hemmung von Enzymen

= Verdrängungshemmung

• wenn zwei chemisch ähnliche Stoffe um das Bindungszentrum eines Enzyms konkurrieren

• -> Inhibitotor ähnliche Struktur wie das Substrat

• I. kann am aktiven Zentrum des Enzyms reversibel binden (Bildung Enzym-Inhibitor-Komplex)

• I. kann aber nicht von Enzym umgesetzt werden (~Hemmstoff) und blockiert das Enzym

• Hemmung verstärkt: Erhöhung der Inhibitorkonzentration

• Hemmung vermindert: Erhöhung der Substratkonzentration

= allosterische Hemmung

• Inhibitor hat keine Ähnlichkeit mit dem Substrat

• da Bindung erfolgt über allosterisches Zentrum

• durch Bindung von I. Veränderung der räumlichen Struktur -> Substrat kann nicht mehr am aktiven Zentrum binden

• kann nicht durch Erhöhung der Substratkonzentration aufgehoben werden

• durch Schwermetalleionen (Hg; Pb, Cu)

• binden irreversibel an aktives Zentrum (Seitengruppen) -> Veränderung der räumlichen Struktur

• so starke Bindung, sodass auch kein Verdrängen durch das eigentliche Substrat mehr möglich

C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O

Energie: 2ATP (Glykolyse); 2 GTP (Citratzyklus); 32 ATP (Atmungskette)

Gesamt: 36 ATP

• Spaltung von C6-Körper (Glukose) in zwei C3-Körper (2x Pyruvat), dabei werden 2 ATPverbraucht und entstehen 4 ATP + 2 NADH+/H+

• im Cytoplasma

C6H12O6 +2NAD+ +2ADP +2P —> 2C3H4O3 + 2NADH+/2H+ +2ATP

Glukose +2NAD +2ADP —> 2 Pyruvat + 2NADH/H + 2ATP

1. Glukose —(Hexokinase)-> Glucose-6-Phosphat

2. Fructose-6-phosphat —(Phosphofruktokinase-PFK)->Fructose-1,6-biphosphat

3. Phosphenolpyruvat—(Pyruvatkinase)-> Pyruvat

• Fähigkeit zur Neusynthese von Glucose aus organischen Nicht-Kohlenhydratvorstufen wie Pyruvat und Oxalacetat

• gleiche Enzyme wie bei Glycolyse, jedoch in umgekehrter Richtung

• AUßER: 3 irreversible Glykolysereaktionen müssen von anderen Enzymen katalysiert werden:

1. Oxalat —(Phosphenolpyruvat-Carboxylkinase/PEP-CK)-> Phosphenolpyruvat

2. Fructose1,6Bisphosphat —(Fructose1,6Bisphosphatase)-> Fructose-6-Phosphat

3. Glukose-6-Phosphat —(Glukose6Phosphatase)-> Glukose

Redoxreaktion:

• Abspaltung von CO2 aus Pyruvat (Brenztraubensäure) ~Decarboxylierung

• Übertragung von 2 H+ auf NAD+

• aus Pyruvat entstehende von Essigsäure (Acetat) wird an Coenzym A gebunden -> Acetyl-CoA

• in Mitochrondrien (Matrix)

C6H12O6 + 2ADP + 2Pi —(Alkoholhydrogenase)-> 2 C2H5OH + 2CO2 + 2ATP

Glukose -> 2 Ethanol + 2 CO2

2 C3H4O3 + 2 NAD+ + 2 CoA → 2 CH3CO-CoA + 2 CO2 + 2 NADH + 2 H+

2 Pyruvat + 2NAD +2CoA-> 2 Acetyl-CoA + CO2 +2NADH/H

• Umwandlung von Acetyl-CoA zu 2 Molekülen CO2 (wird abgeatmet)

• dabei entsthet 2 GTP, sowie Reaktionsäquivalente in Form von 6 NADH/H und 2 FADH2

• in Mitochondrien

• Kreislauf: dabei wir aus Acetyl-CoA (C2), Wasser und Oxalacetat (C4) -> Citrat (C6), Citrat reagiert unter 4 Teilreaktionen zu Succinat (C4), wird dann wieder zu Oxalacetat regeneriert, um mit dem nächsten Acetyl-CoA zu reagieren

C2H3O-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + P + 2 H2O → 2 CO2 + 3 NADH+/3H+ + FADH2 + GTP + 2H+ +CoA

-> Substratkettenphospholierung entsteht insgesamt 2 GTP

Acetyl-CoA + 3NAD + FAD + 2H2O-> 2CO2 +3NADH/H + FADH2+ 2H+ +CoA

• Überführung von Energie aus “Elektronencarriern” NADH/H und FADH2 in Form von ATP (28x)

• im Mitochrondrienmembran

• findet nur statt wenn O2 vorhanden

• Carrier (Transport von E-) wandern zur Mitochrondrienmembran und geben E- an die Atmungskette ab an (wechselwirkende Komplexe in Membran~ Elektronentransportkette)

• Reaktion: Reduktion von O2 zu H2O, Oxidation von Carriern zu FAD + NAD (bei Oxidation Freisetzung von ATP)

• Knallgasprobe: 2H2 + O2-> 2H2O

• Freisetzung von viel Energie auf einmal -> keine Speicherung durch die Zelle möglich

• deshalb: stufenweise Abgabe der Elektronen via Atmungskette

= Redoxsysteme, funktionelle Gruppen für E- Aufnahme (Reduktion) und Abgabe (Oxidation)

• 4 Komplexe; 3 integral, 1 periphere

• Komplex I: NADH+H Abgabe der Elektronen, Transfer zu Ubichinon (Lipidmolekül) -> durch freigesetzte Energie Protonenpumpen, pumpen Protonen in Intermembranraum

• Komplex II: FADH2 Abgabe der Elektronen, Transfer zu Ubichinon

• reduzierte Ubichinon: Abgabe der Elektronen an Komplex III

• Komplex III: Abgabe der Elektronen an Cytochrom C-> durch freigesetzte Energie Protonenpumpen, pumpen Protonen in Intermembranraum

• Cytochrom C: Abgabe der Elektronen an Komplex IV

• Komplex IV: Übertrag der Elektronen und Wasserstoff-Protonen auf Sauerstoff-> durch freigesetzte Energie Protonenpumpen, pumpen Protonen in Intermembranraum

• ATP-Synthase: viele Protonen in Membranzwischenraum -> Protonengradient -> Protonendiffusion durch ATP Synthase in Membraninnenraum; durch protonenmotorische Kraft Antrieb der ATP Synthese= insgesamt 28 ATP

• aktiver Transport von Wasserstoff-Protonen von der Mitochrondrienmatrix zum Intermembranraum

• dardurch entsteht ein Konzentrationsunterschied (Protonengradient)

• Konzentrationsausgleich erfolgt durch Kanalprotein ATP-Synthase -> Protonen wandern von Intermembranraum zurück zum Mitochrondrieninnenraum

• Kopplung Protonendiffusion mit ATP-Synthese -> Erzeugung von Energie (Verbindung aus Transportvorgängen und Stoffwechselprozessen= Chemiosmose)

• Mechanismus, bei dem Transportvorgänge an Biomembranen mit zentralen chemischen Stoffwechselprozessen gekoppelt

• zB: Kopplung Protonendiffusion mit ATP-Synthese -> Erzeugung von Energie

10 NADH+H+ + 2 FADH2 + 32 (ADP+ P) + 6 O2 → 10 NAD+ + 2 FAD + 12 H2O + 32 ATP

= Atmungskette + Chemiosmose

• überträgt ein phosphoryliertes Zwischenprodukt/Substrat seine Phosphatgruppe (organisch gebunden) auf ADP-> ATP

• während Glykoslyse:

  • 1,3-Bisphosphoglycerat + ADP → 3-Phosphoglycerat + ATP (Phosphoglyceratkinase)

  • Phosphoenolpyruvat + ADP → Pyruvat + ATP (Pyruvatkinase)

• während Citratzyklus:

  • Succinyl-CoA + GDP + Phosphat → Succinat + GTP + HS-CoA (Succinyl-CoA-Synthetase)

• um neues NAD+für Glycolyse zu gewinnen, muss gebildete NADH/H+ Wasserstoff abgeben

• indem eine organische Verbindung reduziert wird (Reduktion-> Aufnahme von Wasserstoff (bzw. Reduktionsäquivalenten))

• durch Alkoholdehydrogenase wird Acetaldehyd zu Ethanol umgewandelt

• dabei wird oxidierte NAD aus der Glykolyse zu NADH regeneriert

• damit erfüllt sich Hauptaufgabe der alkoholischen Gärung: Reduktionsäquivalent NAD für die Glykolyse wieder zur Verfügung zu stellen

C6H12O6 + 2ADP + 2Pi —(Lactatdehydrogenase-LDH)-> 2C3H5O3- + 2H+ +2ATP

Glukose -> Lactat + 2ATP