Stoffwechsel. Metabolismus (1)

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1 Vorlesung Zell- und Molekularbiologie Stoffwechsel Metabolismus (1) Zum Nachlesen Bücher Campbell: Kap Kap. 3 Kap > Teaching diese Folien, VL Physiologie der Mikroorganismen etc. 1

2 Grundlagen der Mikrobiologie Kap Bitte um Verbesserungsvorschläge bis Mitte Mai an: Was ist Stoffwechsel? Was ist Stoffwechsel Wechsel von Stoffen = chemische Reaktionen Stoffwechselwege = Reaktionsketten Primärstoffwechsel dient dem Wachstum der Zellen Anabolismus, Assimilation, Biosynthese Katabolismus, Dissimilation, Abbau zwecks Energiekonservierung Sekundärstoffwechsel produziert verschiedene Stoffe, ohne direkte Kopplung an Wachstum 2

3 Transportsysteme Cytoplasmaoder innere Mitochondrien- Membran Katabolismus Anabolismus Metabolismus Metabolismus eines organoheterotrophen Aerobiers => Substrat dient als Baustoff und Brennstoff Atmungskette => Oxidation zu CO 2 ohne Beteiligung von O 2 => Transportsysteme Wesentlich für Energiestoffwechsel => Anabolismus divergent Katabolismus konvergent Beteiligung von O 2 im letzten Schritt Metabolismus 2 Polymerisierung/Hydrolyse Glykolyse ATP-Nutzung für Biosynthese Regulation Stickstoffbedarf Acetyl-Coenzym A Citratcyclus Reduktionsequivalente Chemiosmotische Energiewandlung 3

4 Themen im einzelnen Themen Enzyme, Katalyse, Regulation Coenzyme, prosthetische Gruppen Reduktionsequivalente, Elektronenüberträger Bioenergetik, ATP Chemiosmotische Grundprinzipien Glykolyse, Tricarbonsäurecyclus 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 - Aktivierungsenergie z.b: Knallgas-Reaktion 2 H 2 + O 2 fi 2 H 2 O DG = -238 kj/mol katalysiert durch Hitze, Platin oder Enzyme 4

5 Enzyme Enzyme Proteine Meist mehrere Untereinheiten in Komplexen, z.b. α 2 β 2 γ 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 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 5

6 Klassifizierung von Prozessen Energetische Klassifizierung von Prozessen freie (nutzbare) Energie DG: G < 0: exergon, thermodynamisch spontan möglich G = 0: reversibel, thermodynamisch im Gleichgewicht G > 0: endergon, nicht spontan ablaufend DG bezieht sich auf den Energieinhalt der Reaktanten vor und nach der Reaktion. Nur exergone und reversible Prozesse laufen ab...!? Endergone werden durch Umwege und Kopplung an exergone Reaktionen möglich. 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). 6

7 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. K M -Wert K M -Wert Enzymkinetik nach Michaeils und Menten 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. 7

8 Michaelis-Menten 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 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. 8

9 Allosterische Enzyme Allosterische Enzyme Regulation der Enzymaktivität durch Bindung außerhalb des katalytischen Zentrums Effektor kann je nach Enzym Aktivator oder Inhibitor ('nichtkompetitiv') sein Auch Aktivierung oder Hemmung durch Übertragung von kovalent gebunden Gruppen (z.b. Methylgruppe) möglich 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. 9

10 Regulation der Enzymaktivität Regulation der Enzymaktivität Substratkonzentration Produkthemmung Feedback-Hemmung Isozyme Kovalente Modifikation K M -Wert Isosterische Hemmung durch Produkt im katalytischen Zentrum Allosterische Regulation Mehrere Enzyme für dieselbe Reaktion, mehrere Regulationsmöglichkeiten Vgl. Allosterische Regulation, stabiler, braucht weitere regulierte Enzyme Die Bedeutung irreversibler Schritte Irreversible Schritte Irreversible Schritte bedeuten Energieverlust legen Stoffwechselrichtung fest erfordern Umwege für Rückweg 10

11 Chemotaxis Chemotaxis Bakterium auf der Suche nach dem Schlaraffenland eine schlauer Mensch würde sich ähnlich verhalten! Regulation des Flagellenmotors Flagellenmotor 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 Situation ohne Lockstoff (Attractant) 11

12 Regulation des Flagellenmotors Flagellenmotor (2) Situation mit Lockstoff (Attractant) das einfachste verstandene Regulationssystem 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 12