Grundlagen der Physiologie

Transkript

1 Grundlagen der Physiologie Regulation Mensch und Affe Was unterscheidet uns vom Affen? 5 %? 1

2 Nachbar Was unterscheidet Sie von Ihrem Nachbarn? Was unterscheidet uns vom Affen? Was unterscheidet Sie von Ihrem Nachbarn? Regulation ist die Antwort. Regulation 2

3 Einige Regulationsmechanismen DNA mrna Enzym A Transkription Translation Katalyse B Regulatorprotein Chemische Reaktion Reaktion A + B fi C Wovon hängt ab, ob die Reaktion abläuft? Konzentrationen, Druck, Temperatur... 'Neigung' der Edukte zu reagieren - Energiebilanz der Reaktion, Reaktionsenthalpie - Entropie - Aktivierungsenergie 3

4 Die Bedeutung irreversibler Schritte bedeuten Energieverlust legen Stoffwechselrichtung fest erfordern Umwege für Rückweg Katalyse Übergangszustand Katalyse Reaktanten müssen Energieschwelle 'Aktivierungsenergie' überwinden Nur Reaktionen mit DG <= 0 laufen spontan ab Katalysator verringert Aktivierungenergie, beschleunigt Reaktion, ändert nicht DG Katalysator bleibt am Ende unverändert 4

5 Enzyme Enzyme Proteine Meist mehrere Untereinheiten in Komplexen, z.b. a 2 b 2 g Aktives oder katalytisches Zentrum mit funktionalen Gruppen aus z.b. - Aminosäureresten (z.b Histidin-Reste) - Metallionen oder Spurenelement (z.b. Fe, Selenocystein) - fest gebundene = prosthetische Gruppe (z.b Häm) - Bindungsstelle für Coenzyme (kleinere funktionelle Moleküle z.b. NAD) Oft allosterisches Zentrum, das Regulation erlaubt Diverse Bindungstypen an Wechselwirkungen beteiligt: Ionenbindung, Wasserstoffbrücken, van-der-waals- Kräfte, koordinative oder Komplexbindung an Metallionen Enzym-Klassen nach Reaktionstyp Enzym-Klassen Sechs Klassen von Enzymen mit verschiedenen Funktionen: Oxidoreduktasen, die Redoxreaktionen katalysieren. Transferasen, die funktionelle Gruppen von einem Substrat auf ein anderes übertragen. Hydrolasen, die Bindungen unter Einsatz von Wasser spalten. Synthasen, auch Lyasen genannt, die die Synthese komplexerer Produkte aus einfachen Substraten katalysieren, allerdings ohne Spaltung von ATP. Isomerasen, die die Umwandlung von chemischen Isomeren beschleunigen. Synthetasen oder Ligasen, die die Bildung von Substanzen katalysieren, die chemisch komplexer sind als die benutzten Substrate, allerdings im Unterschied zu den Synthasen unter ATP- Spaltung, enzymatisch wirksam sind. 5

6 Wie bewirkt ein Enzym die Katalyse? Enzym-Katalyse wikipedia.de Substrate binden spontan, aber spezifisch im katalytischen Zentrum zum Enzym-Substrat-Komplex Durch Wechselwirkungen mit verschiedenen Gruppen im Enzym wird die Wahrscheinlichkeit des Eintritts des Übergangszustandes und damit der Reaktion erhöht. Enzyme arbeiten reversibel. Aber nur Reaktionen mit DG<=0 werden rückwärts laufen! Von zwei Substraten mit unterschiedlichen Massen (Isotopen) werden die leichteren Formen etwas bevorzugt umgesetzt (fi Isotopenfraktionierung). Regulation der Enzymaktivität Substratkonzentration Produkthemmung Feedback-Hemmung Isozyme Kovalente Modifikation K M -Wert Irreversible Schritte Reversibilität der Enzymkatalyse, Rückreaktion 1. Schritt eines Wegs Allosterisches Zentrum Mehrere Enzyme, mehrere Regulationsmöglichkeiten Vgl. Allosterische Regulation, stabiler, braucht weitere regulierte Enzyme 6

7 Abhängigkeit der Umsatzrate eines Enzyms von der Substratkonzentration Die Umsatzrate von Enzymen ist meistens durch die niedrige Substratkonzentration begrenzt. Die Konzentration, bei der die Rate halbmaximal wird, heißt Halbsättigungskonstante oder K M -Wert. Hohe Substratkonzentrationen hemmen oft die Umsatzsrate. Michaelis-Menten-Beziehung v max. [s] v = K M + [s] v : Umsatzrate eines Enzyms (nmol s -1 ) v max : ohne Substratlimitierung maximal erreichbare Umsatzrate des Enzyms [s] : Substratkonzentration K M : Halbsättigungskonstante, Konzentration mit halbmaximaler Umsatzrate 7

8 Kompetitive Hemmung Beispiel: Succinat Malonat COO - CH2 CH2 COO - Kompetitive Hemmung COO - CH2 COO - hemmt Succinat- Dehydrogenase kompetitiv Kompetivtive Hemmstoffe ähneln dem Substrat und konkurrieren mit ihm um die Substrat-Bindestelle im katalytischen Zentrum, werden aber nicht umgesetzt. Die Hemmung ist reversibel und abhängig von den Konzentrationen von Substrat und Inhibitor. Auch hohe Produktkonzentrationen hemmen die Katalyse. Allosterische Enzyme Allosterische Enzyme Regulation der Enzymaktivität durch Bindung außerhalb des katalytischen Zentrums Effektor kann je nach Enzym Aktivator oder Inhibitor ('nicht-kompetitiv') sein Auch Aktivierung oder Hemmung durch Übertragung von kovalent gebunden Gruppen (z.b. Methylgruppe) möglich 8

9 Endprodukthemmung Endprodukthemmung Enzym 1 Enzym 2 Enzym 3 Enzym 4 A B C D E Oft wird der erste Schritt eines Stoffwechselweges reguliert. Bei der Endprodukthemmung, auch Feedback-Hemmung genannt, 'meldet' das Endprodukt als Inhibitor dem ersten Enzym, dass genügend Produkt gebildet wurde und drosselt die weitere Produktion. Regulation wird auch auf der Ebene der Enzymbildung (DNA, RNA...) bewirkt. Katabolismus erfordert andere Regualtionsmuster als die der Biosynthesewege. Pasteur-Effekt o Gärung anaerob (Glucose 2 Ethanol + 2 CO 2 ) o Hefe wächst aber bevorzugt aerob o dennoch: Belüftung verlangsamt Glucose-Umsatz drastisch o macht Sinn, da durch aerobe Atmung 20 Mal mehr ATP gebildet werden kann o Mechanismus: allosterische Hemmung eines Enzyms der Glykolyse (Phosphofructokinase) durch ATP, das bei aerobem Glucose-Umsatz reichlich zur Verfügung steht 9

10 Bakterium auf der Suche nach dem Schlaraffenland Bandenbildung sulfatreduzerierender Bakterien in zwei verschiedenen Konzentrationen in Gegenwart von Sulfat oder Thiosulfat und ohne Schwefelverbindung Vgl. Kaffee mit Milch, mit Milch + Zucker oder schwarz 10

11 o Y-P CW und 'Tumble', Y CCW und 'Run' o Z dephosphoryliert Y-P langsam o A erfährt Autophosphorylierung, überträgt P-Gruppe nach Y oder nach B o B-P demethyliert MCP (methyl-accepting chemotaxis protein), hält es so sensibel o R methyliert MCP langsam, macht es insensibel Regulation des Flagellenmotors o Y-P CW und 'Tumble', Y CCW und 'Run' o Z dephosphoryliert Y-P langsam o A erfährt Autophosphorylierung, überträgt P-Gruppe nach Y oder nach B o B demethyliert MCP(methyl-accepting chemotaxis protein), hält es so sensibel o R methyliert MCP langsam, macht es insensibel o Attractant verändert W, W unterbindet jetzt Autophosphorylierung und somit Bildung von Y-P und B-P o einerseits Run, andererseits: MCP wird mit der Zeit insensibel Tumble 11

12 Regelung auf der Ebene der Genexpression o Repression (typisch für Biosynthesewege) o Induktion (= Derepression, typisch für Abbauwege) o langsam aber nachhaltig wirkend o Operon: Promotor + Operator + Strukturgene o Regulatorische Wechselwirkung von DNA und Regulatorproteinen (manchmal RNA und DNA) o sowie von Regulatorproteinen und div. Effektoren Wechselwirkungen o Aktivator-Proteine erleichtern Bindung der RNA-Polymerase o Repressor-Proteine regulieren Ablesestart o Attenuation (bei Prokryoten) basiert auf der Wechselwirkung von mrna und DNA o Katabolit-Repression (Katabolismus eines bevorzugten Substrats) o Endprodukt-Repression (vgl. Endprodukt- Hemmung!) bei anabolischen Prozessen 12

13 Das lac-operon von E. coli Regulon: Gruppe von Operons, die durch denselben Regulator reguliert werden, bei globalen Regulatoren (wie z.b. Hunger): Modulon... Regulation der Tryptophan-Synthese (A) Endprodukt-Repression: In Gegenwart von Tryptophan wird die Transkription durch einen Tryptophanbindenden Repressor verhindert. (B) Attenuation: Vor den Strukturgenen liegt die Nukleotidsequenz für ein Tryptophan-haltiges Leitpeptid. Wenn in Gegenwart von Tryptophan dieses bereits während der Transkription durch ein Ribosom gebildet wird, kommt es zur Termination der weiteren Transkription durch Haarnadelstrukturen in der mrna 13

14 14