Stoffwechsel Metabolismus (1) - ICBM
Stoffwechsel Metabolismus (1) - ICBM
Stoffwechsel Metabolismus (1) - ICBM
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Vorlesung<br />
Zell- und Molekularbiologie<br />
<strong>Stoffwechsel</strong><br />
<strong>Metabolismus</strong><br />
(1)<br />
© H.Cypionka www.icbm.de/pmbio<br />
Zum Nachlesen<br />
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Kap. 13 - 14<br />
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diese Folien,<br />
VL Physiologie der Mikroorganismen<br />
etc.<br />
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1
Grundlagen der Mikrobiologie<br />
Kap. 9 - 11<br />
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Bitte um<br />
Verbesserungsvorschläge<br />
bis Mitte Mai an:<br />
Cypionka@icbm.de<br />
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Was ist <strong>Stoffwechsel</strong>?<br />
Was ist <strong>Stoffwechsel</strong><br />
• Wechsel von Stoffen = chemische Reaktionen<br />
• <strong>Stoffwechsel</strong>wege = Reaktionsketten<br />
• Primärstoffwechsel dient dem Wachstum der Zellen<br />
• Anabolismus, Assimilation, Biosynthese<br />
• Katabolismus, Dissimilation, Abbau zwecks<br />
Energiekonservierung<br />
• Sekundärstoffwechsel produziert verschiedene<br />
Stoffe, ohne direkte Kopplung an Wachstum<br />
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Transportsysteme<br />
Cytoplasmaoder<br />
innere<br />
Mitochondrien-<br />
Membran<br />
Katabolismus<br />
Anabolismus<br />
<strong>Metabolismus</strong><br />
<strong>Metabolismus</strong> eines<br />
organoheterotrophen<br />
Aerobiers<br />
=> Substrat dient als<br />
Baustoff und<br />
Brennstoff<br />
Atmungskette<br />
=> Oxidation zu CO 2 ohne<br />
Beteiligung von O 2<br />
=> Transportsysteme<br />
Wesentlich für<br />
Energiestoffwechsel<br />
=> Anabolismus divergent<br />
Katabolismus konvergent<br />
Beteiligung von O 2<br />
im letzten Schritt<br />
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<strong>Metabolismus</strong> 2<br />
• Polymerisierung/Hydrolyse<br />
• Glykolyse<br />
• ATP-Nutzung für Biosynthese<br />
• Regulation<br />
• Stickstoffbedarf<br />
• Acetyl-Coenzym A<br />
• Citratcyclus<br />
• Reduktionsequivalente<br />
• Chemiosmotische<br />
Energiewandlung<br />
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Themen im einzelnen<br />
Themen<br />
• Enzyme, Katalyse, Regulation<br />
• Coenzyme, prosthetische Gruppen<br />
• Reduktionsequivalente, Elektronenüberträger<br />
• Bioenergetik, ATP<br />
• Chemiosmotische Grundprinzipien<br />
• Glykolyse, Tricarbonsäurecyclus<br />
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Chemische Reaktion<br />
Reaktion<br />
A + B fi C<br />
Wovon hängt ab, ob die Reaktion abläuft?<br />
• Konzentrationen, Druck, Temperatur ...<br />
• 'Neigung' der Edukte zu reagieren<br />
- Energiebilanz der Reaktion, Reaktionsenthalpie<br />
- Aktivierungsenergie<br />
z.B: Knallgas-Reaktion<br />
2 H 2 + O 2 fi 2 H 2 O DG = -238 kJ/mol<br />
katalysiert durch Hitze, Platin oder Enzyme<br />
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Enzyme<br />
Enzyme<br />
• Proteine<br />
• Meist mehrere Untereinheiten in Komplexen, z.B. a 2 b 2 g<br />
• Aktives oder katalytisches Zentrum<br />
mit funktionalen Gruppen aus z.B.<br />
- Aminosäureresten (z.B Histidin-Reste)<br />
- Metallionen oder Spurenelement (z.B. Fe, Selenocystein)<br />
- fest gebundene = prosthetische Gruppe (z.B Häm)<br />
- Bindungsstelle für Coenzyme (kleinere funktionelle<br />
Moleküle z.B. NAD)<br />
• Oft allosterisches Zentrum, das Regulation erlaubt<br />
• Diverse Bindungstypen an Wechselwirkungen beteiligt:<br />
Ionenbindung, Wasserstoffbrücken, van-der-Waals-<br />
Kräfte, koordinative oder Komplexbindung an Metallionen<br />
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Katalyse<br />
Übergangszustand<br />
Katalyse<br />
• Reaktanten müssen<br />
Energieschwelle<br />
'Aktivierungsenergie'<br />
überwinden<br />
• Nur Reaktionen mit<br />
DG
Klassifizierung von Prozessen<br />
Energetische Klassifizierung von Prozessen<br />
freie (nutzbare) Energie DG:<br />
∆G < 0: exergon, thermodynamisch spontan möglich<br />
∆G = 0: reversibel, thermodynamisch im Gleichgewicht<br />
∆G > 0: endergon, nicht spontan ablaufend<br />
DG bezieht sich auf den Energieinhalt der Reaktanten vor und nach der Reaktion.<br />
Nur exergone und reversible Prozesse laufen ab ... !?<br />
Endergone werden durch Umwege und Kopplung an exergone<br />
Reaktionen möglich.<br />
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Wie bewirkt ein Enzym die Katalyse?<br />
Enzym-Katalyse<br />
wikipedia.de<br />
• Substrate binden spontan, aber spezifisch im<br />
katalytischen Zentrum zum Enzym-Substrat-Komplex<br />
• Durch Wechselwirkungen mit verschiedenen Gruppen im<br />
Enzym wird die Wahrscheinlichkeit des Eintritts des<br />
Übergangszustandes und damit der Reaktion erhöht.<br />
• Enzyme arbeiten reversibel. Aber nur Reaktionen mit<br />
DG
Enzym-Klassen nach Reaktionstyp<br />
Enzym-Klassen<br />
Sechs Klassen von Enzymen mit verschiedenen Funktionen:<br />
• Oxidoreduktasen, die Redoxreaktionen katalysieren.<br />
• Transferasen, die funktionelle Gruppen von einem Substrat auf<br />
ein anderes übertragen.<br />
• Hydrolasen, die Bindungen unter Einsatz von Wasser spalten.<br />
• Synthasen, auch Lyasen genannt, die die Synthese komplexerer<br />
Produkte aus einfachen Substraten katalysieren, allerdings ohne<br />
Spaltung von ATP.<br />
• Isomerasen, die die Umwandlung von chemischen Isomeren<br />
beschleunigen.<br />
• Synthetasen oder Ligasen, die die Bildung von Substanzen<br />
katalysieren, die chemisch komplexer sind als die benutzten<br />
Substrate, allerdings im Unterschied zu den Synthasen unter ATP-<br />
Spaltung, enzymatisch wirksam sind.<br />
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K M -Wert<br />
K M<br />
-Wert<br />
Enzymkinetik nach<br />
Michaeils und Menten<br />
• Die Umsatzrate von Enzymen ist meistens durch die niedrige<br />
Substratkonzentration begrenzt. Die Konzentration, bei der die Rate<br />
halbmaximal wird, heißt Halbsättigungskonstante oder K M -Wert.<br />
• Hohe Substratkonzentrationen hemmen oft die Umsatzsrate.<br />
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Michaelis-Menten<br />
Michaelis-Menten-Beziehung<br />
v max . [s]<br />
v = ⎯⎯⎯⎯<br />
K M + [s]<br />
v : Umsatzrate eines Enzyms (nmol s -1 )<br />
v max : ohne Substratlimitierung maximal erreichbare<br />
Umsatzrate des Enzyms<br />
[s] : Substratkonzentration<br />
K M : Halbsättigungskonstante, Konzentration mit<br />
halbmaximaler Umsatzrate<br />
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Kompetitive Hemmung<br />
Beispiel:<br />
Succinat Malonat<br />
COO -<br />
Kompetitive Hemmung<br />
COO -<br />
CH2 CH2<br />
CH2 COO -<br />
COO - hemmt Succinat-<br />
Dehydrogenase<br />
kompetitiv<br />
• Kompetivtive Hemmstoffe ähneln dem Substrat und<br />
konkurrieren mit ihm um die Substrat-Bindestelle im<br />
katalytischen Zentrum, werden aber nicht umgesetzt.<br />
• Die Hemmung ist reversibel und abhängig von den<br />
Konzentrationen von Substrat und Inhibitor.<br />
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Allosterische Enzyme<br />
Allosterische Enzyme<br />
• Regulation der Enzymaktivität durch Bindung außerhalb des<br />
katalytischen Zentrums<br />
• Effektor kann je nach Enzym Aktivator oder Inhibitor ('nichtkompetitiv')<br />
sein<br />
• Auch Aktivierung oder Hemmung durch Übertragung von kovalent<br />
gebunden Gruppen (z.B. Methylgruppe) möglich<br />
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Endprodukthemmung<br />
Endprodukthemmung<br />
Enzym 1 Enzym 2 Enzym 3 Enzym 4<br />
A → B → C →<br />
D → E<br />
• Oft wird der erste Schritt eines <strong>Stoffwechsel</strong>weges reguliert.<br />
• Bei der Endprodukthemmung, auch Feedback-Hemmung genannt,<br />
'meldet' das Endprodukt als Inhibitor dem ersten Enzym, dass<br />
genügend Produkt gebildet wurde und drosselt die weitere Produktion.<br />
• Regulation wird auch auf der Ebene der Enzymbildung (DNA, RNA...)<br />
bewirkt.<br />
• Katabolismus erfordert andere Regualtionsmuster als die der<br />
Biosynthesewege.<br />
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9
Regulation der Enzymaktivität<br />
Regulation der Enzymaktivität<br />
• Substratkonzentration<br />
• Produkthemmung<br />
• Feedback-Hemmung<br />
• Isozyme<br />
• Kovalente Modifikation<br />
K M -Wert<br />
Isosterische Hemmung durch Produkt<br />
im katalytischen Zentrum<br />
Allosterische Regulation<br />
Mehrere Enzyme für dieselbe Reaktion,<br />
mehrere Regulationsmöglichkeiten<br />
Vgl. Allosterische Regulation,<br />
stabiler, braucht weitere<br />
regulierte Enzyme<br />
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Die Bedeutung irreversibler Schritte<br />
Irreversible Schritte<br />
Irreversible Schritte<br />
• bedeuten Energieverlust<br />
• legen <strong>Stoffwechsel</strong>richtung fest<br />
• erfordern Umwege für Rückweg<br />
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Chemotaxis<br />
Chemotaxis<br />
Bakterium auf der Suche nach dem Schlaraffenland<br />
• eine schlauer Mensch würde sich ähnlich verhalten!<br />
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Regulation des Flagellenmotors<br />
Flagellenmotor<br />
o Y-P → CW und 'Tumble', Y → CCW und 'Run'<br />
o Z dephosphoryliert Y-P langsam<br />
o A erfährt Autophosphorylierung, überträgt P-Gruppe nach Y oder nach B<br />
o B-P demethyliert MCP (methyl-accepting chemotaxis protein), hält es so sensibel<br />
o R methyliert MCP langsam, macht es insensibel<br />
Situation ohne Lockstoff (Attractant)<br />
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Regulation des Flagellenmotors<br />
Flagellenmotor (2)<br />
Situation mit<br />
Lockstoff<br />
(Attractant)<br />
• das einfachste<br />
verstandene<br />
Regulationssystem<br />
o Y-P → CW und 'Tumble', Y → CCW und 'Run'<br />
o Z dephosphoryliert Y-P langsam<br />
o A erfährt Autophosphorylierung, überträgt P-Gruppe nach Y oder nach B<br />
o B demethyliert MCP(methyl-accepting chemotaxis protein), hält es so sensibel<br />
o R methyliert MCP langsam, macht es insensibel<br />
o Attractant verändert W, W unterbindet jetzt Autophosphorylierung<br />
und somit Bildung von Y-P und B-P<br />
o einerseits → Run, andererseits: MCP wird mit der Zeit insensibel → Tumble<br />
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