BIOCHEMIE des Stoffwechsels ( )

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1 BIEMIE des Stoffwechsels ( ) 4. Einheit Glycolyse (1)

2 Wie werden nun Moleküle in der lebenden Zelle synthetisiert und abgebaut? Wie funktioniert der Intermediärstoffwechsel? Der Intermediärstoffwechsel hat zwei Aufgaben: A. Energiegewinnung für die Synthese von Makromolekülen und anderen energieabhängigen Prozessen. B. Versorgung dieser Prozesse mit den notwendigen Ausgangsstoffen: Aminosäuren (Protein-Biosynthese), Fettsäuren (Lipid-Biosynthese), Nucleosidtriphosphate (Nucleinsäure-Synthese) und Zucker (Polysaccharid- Synthese) Der Bedarf an Energie und Ausgangsstoffen variiert bei den verschiedenen biologischen Prozessen beträchtlich. Lebewesen halten ein Fließgleichgewicht aufrecht. Die Konzentration an Schlüsselmetaboliten ist innerhalb verschiedener Zellkompartimente bemerkenswert stabil (omöostase).

3 Die Bedürfnisse der verschiedenen Lebensformen sind zwar ähnlich. Sie benötigen Energie (ATP), Reduktionsäquivalente (z.b. NADP) und Bausteine ( Kohlenstoff-Quellen ) für Biosynthesen. Die Anforderungen erfüllen die verschiedenen Lebewesen aber auf sehr unterschiedliche Weise. Prinzipiell unterscheidet man (A) AUTTRPE RGANISMEN: Sie nutzen ihre anorganische Umwelt ohne Rückgriff auf Verbindungen, die von anderen rganismen stammen. Sie bauen ihre Kohlenstoffverbindungen aus 2 oder arbonat auf. hemoautotrophe rganismen gewinnen ATP und Reduktionsäquivalente aus der xidation anorganischer Materialen wie Wasserstoff ( 2 ) oder reduzierten Schwefel- ( 2 S) oder Stickstoffverbindungen (N 4+, N 2- ) oder Metall-Ionen (Fe 2+, Mn 2+ ). Dazu gehören nitrifizierende Bakterien und Wasserstoff-, Schwefel- oder Eisenbakterien. Photoautotrophe rganismen

4 A) AUTTRPE RGANISMEN hemoautotrophe rganismen Photoautotrophe rganismen erhalten ihr ATP aus einer Phosphorylierung durch photochemisch getriebenen (cyclischen) Elektronentransport. xygene photoautotrophe rganismen (Pflanzen, yanobakterien) nutzen die Energie des Sonnenlichts um aus Wasser ( 2 ) Elektronen zu entziehen und setzen bei diesem Prozeß molekularen Sauerstoff frei. Andere photoautotrophe rganismen entziehen die Elektronen aus 2 S oder anderen anorganischen Verbindungen (anoxygene phototrophe Bakterien). Immer ist Sonnenlicht die Energiequelle, wodurch diese rganismen unabhängig von allen Kohlenstoff- (außer 2 ) und Elektronenquellen sind (außer 2 oder 2 S usw.)

5 (B) ETERTRPE RGANISMEN sind abhängig von vorhandenen organischen Verbindungen für alle primären Erfordernisse. Die heterotrophe Zelle lebt auf Kosten von Verbindungen, die von anderen Zellen gebildet werden; sie ist zu keinem NETTEINBAU von Kohlendioxid in organische Verbindungen in der Lage. Als Kohlenstoffquelle dienen organische Verbindungen der Nahrung. hemoheterotrophe rganismen (Mensch, Tiere, viele Mikroorganismen und nicht photosynthetisch aktives pflanzliches Gewebe). Sowohl ATP als auch NADP werden durch xidation von organischen Verbindungen gewonnen. Photoheterotrophe rganismen können ATP photochemisch regenerieren, aber sie können photochemisch keine Elektronen auf NADP + übertragen. NADP wird durch xidation von organischen Verbindungen gewonnen.

6 rganismen- Quelle Quelle Quelle Beispiele Typ von ATP des NADP des Kohlenstoff EM- xidation v. xidation v. 2 Wasserstoff, AUTTRP anorganischen anorganischen Schwefel, Verbindungen Verbindungen Eisen und denitrifizierende Bakterien PT- Sonnenlicht 2, 2 S 2 öhere AUTTRP Pflanzen, yanobakt., Schwefelpurpurbakt. PT- Sonnenlicht xidation v. rganische Nicht- ETERTRP organischen Verbindungen Schwefel- Verbindungen purpurbakt. EM- xidation v. xidation v. rganische Mensch, ETER- organischen organischen Verbindungen höhere Tiere, TRP Verbindungen Verbindungen nicht-photosynthet. Pflanzenzellen

7 Nahrungsstoffe ADP ATP 2 Kataboler Stoffwechsel Abbau NADP + NADP Anaboler Stoffwechsel Biosynthese 2 Ausgangsstoffe Stoffwechsel eines aerob-chemoheterotrophen rganismus (z.b. Mensch) Erhaltung- und Wachstum

8 Tierische Zelle

9 Kompartimentierung/Stoffwechselfunktion tierischer rganellen Kompartiment Mitochondrium ytosol Lysosomen Funktion itronensäure-yclus, oxidative Phosphorylierung, Fettsäureoxidation, Aminosäureabbau Glycolyse, Pentosephosphatweg, Fettsäurebiosynthese, viele Reaktionen der Gluconeogenese, Glycogenstoffwechsel Enzymatische Verdauung von Zellkomponenten und aufgenommenen Stoffen

10 Zellkern Golgi-Apparat Rauhes Endoplasmatisches Retikulum Glattes Endoplasmatisches Retikulum Peroxisomen (bei Pflanzen Glyoxisomen) DNA-Replikation und Transkription, RNA-Processing Posttranslationale Modifikation von Membran- und sekretorischen Proteinen; Bildung von Plasmamembranen und sekretorischen Vesikeln Synthese von membrangebundenen und sekretorischen Proteinen Lipid- und Steroidbiosynthese Aminosäure-Abbau und Fettsäure-xidation (bei Pflanzen Reaktionen des Glyoxylatzyklus)

11 istorische Perspektive Louis Pasteur: Die enzymatische Umsetzung von Glucose zu Ethanol wird durch Mikroorganismen verursacht ( ). Eduard Buchner: Umsetzung erfolgt auch in zellfreien Extrakten (1897). Louis Pasteur Arthur arden und William Young: Im Jahre 1905 beobachteten A. ARDEN und W. YUNG, dass der Glucoseabbau zum Erliegen kommt, sofern nicht ausreichende Mengen an anorganischem Phosphat angeboten werden. Es wird letztlich dazu benötigt, Zucker zu phosphorylieren. Sie isolierten ein exosebisphosphat, das später als Fructose-1,6-bisphosphat identifiziert wurde, und zeigten, dass es sich dabei um ein Zwischenprodukt des Glucoseabbaus handelt.

12 Arthur arden und William Young: Ein zellfreier Extrakt kann durch Dialyse in zwei Fraktionen zerlegt werden: Nicht dialysierbare, wärmelabile Fraktion ( Zymase, später Enzyme genannt) und dialysierbare, wärmestabile Fraktion ( ozymase, später oenzyme oder ofaktoren genannt) (1910). 1940: Der gesamte Stoffwechselweg der Glycolyse (griech.:, glykos, süß; lysis, Auflösung) ist aufgeklärt. Gustav Embden, tto Meyerhof, Jacob Parnas (EMBDEN- MEYERF-PARNAS-WEG), arl ori, Gerti ori, arl Neuberg, Robert Robinson und tto Warburg. Die Reaktionsfolge der Umsetzung von Glucose in Pyruvat (= Glycolyse oder Fructose-1,6-bisphosphat-Weg) ist in allen Lebewesen sehr ähnlich. Der Prozeß ist evolutionsgeschichtlich sehr alt und wahrscheinlich in anaerober Umgebung entstanden. Keiner der Reaktionsschritte benötigt Sauerstoff.

13 Glycolyse ist ein prinzipiell anaerober Vorgang (keiner der 10 Reaktionsschritte ist auf die Anwesenheit von 2 angewiesen) P.A.L 1,0 P.A.L = present atmospheric level of 2 0,1 0,01 Prokaryoten Berkner-Marshall-Punkt Eukaryoten Pasteur-Punkt 0,001 Milliarden Jahre

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15 Sämtliche glycolytischen Enzyme sind im ytosol lokalisiert. Alle sind lösliche Enzyme. Die Zwischenprodukte gelangen durch freie Diffusion zum Folgeenzym. efezellen

16 Glucose + 2 NAD ADP + 2 P i 2 NAD + 2 Pyruvat + 2 ATP hemische Strategie: 1. Addition von Phosphorylgruppen an Glucose 2. hemische Umwandlung der phosphorylierten Zwischenprodukte in Verbindungen mit hohen Gruppenübertragungspotentialen 3. hemische Kopplung der ydrolyse von Intermediaten mit hohem Phosphorylierungspotential an die ATP- Synthese (Substratkettenphosphorylierung)

17 Glucose + 2 NAD ADP + 2 P i 2 NAD + 2 Pyruvat + 2 ATP Reaktionen: Reaktion 1-5: Reaktion 6-10: Vorbereitende Phase. Überführung von Glucose in zwei Moleküle Glycerinaldehyd- 3-Phosphat. Investition von Energie (Verbrauch von 2 ATP-Molekülen pro Glucose) Überführung der 2 Glycerinaldehyd-3- Phosphat-Moleküle in Pyruvat (Bildung von 4 ATP Molekülen pro Glucose). Umwandlung von Glucose ( 6 -Körper) in zwei Pyruvat ( 3 -Körper) mit niedrigerer Freier Enthalpie. Nettogewinn von 2 ATP pro Glucose

18 GLUSE 2 ADP + 2 P i 2 NAD + Fructose-1,6-bisphosphat 2 ATP 2 NAD 2 Pyruvat Anaerobe homolactische Fermentation Aerobe xidation (Mitochondrien) Anaerobe alkoholische Gärung

19 2 Pyruvat Anaerobe homolactische Fermentation 2 NAD 2 NAD + 2 Acetyl-oA Anaerobe alkohol. Gärung itronensäure- yclus 2 NAD NAD 2 NAD + 2 Lactat xidative Phosphorylierung Ethanol 2 NAD

20 Regeneration des NAD + NAD + ist das auptoxidationsmittel der Glycolyse. Das gebildete NAD muss kontinuierlich reoxidiert werden. 3 Wege: 1. Muskel: Regeneration von NAD + unter anaeroben Bedingungen. Reduktion von Pyruvat zu Lactat durch NAD. MLATISE GÄRUNG 2. efe: Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetaldehyd unter anaeroben Bedingungen. Reduktion von Acetaldehyd zu Ethanol durch NAD. ALKLISE GÄRUNG 3. Mitochondrien: Unter aeroben Bedingungen erfolgt die xidation von NAD in der Atmungskette unter Bildung von 2,5 bis 3 ATP pro NAD XIDATIVE PSPRYLIERUNG

21 Inhaltsverzeichnis Glycolyse 1. Glucosetransport 2. Abfolge der chemischen Umwandlungen der Glucose in Pyruvat (10 Reaktionen) 3. Mechanismen der einzelnen Reaktionen 4. Thermodynamik und Regulation 5. Anaerobe homolactische Fermentation und anaerobe alkoholische Gärung 6. Einschleusen von Galactose, Mannose, Fructose und Glycerin in die Glykolyse

22 Inhaltsverzeichnis Glycolyse 1. Glucosetransport Warum ist Glucose ein wichtiger und weit verbreiteter Brennstoff? In Säugern ist Glucose der einzige Brennstoff für das Gehirn (abgesehen vom ungerzustand) und von Erythrocyten. Gründe? Glucose kann unter präbiotischen Bedingungen aus Formaldehyd entstehen. ohe Stabilität: alle ydroxylgruppen in der Ringkonformation der -D-Glucose liegen äquatorial. Glucose hat geringe Tendenz Proteine zu glycosylieren und reagiert nicht mit Aminogruppen von Proteinen, da Ringbildung dominiert.

23 Die meisten eukaryotischen Zellen nehmen D- Glucose schnell, L-Glucose jedoch überhaupt nicht auf (hohe Spezifität biologischer Transportsysteme). Der Glucosetransport über die Plasmamembran wird durch erleichterte Diffusion mit einem speziellen Transportsystem katalysiert. Bei erleichterter Diffusion folgt der Nettofluss prinzipiell dem Konzentrationsgradienten. Muskelzellen übernehmen Glucose dennoch ständig aus dem Blut, weil die von der Zelle aufgenommene Glucose in einer schnellen Stoffwechselreaktion (1. Reaktion der Glycolyse) sofort in nicht mehr permeables Glucose-6-Phosphat (G6P) umgewandelt wird. Dadurch wird erreicht, dass 1. die geladene Form in der Zelle bleibt (Membran impermeabel für G6P) und die 2. intrazelluläre Konzentration von Glucose gering ist und dadurch die Diffusion in die Zelle begünstigt wird

24 Allgemein gilt, dass bei einem ungeladenen Stoff die Änderung der Freien Enthalpie bei der Bewegung dieses Moleküls vom Kompartiment 1, indem es in der Konzentration c 1 vorliegt, in ein Kompartiment mit der Konzentration c 2 folgendermaßen ist: G 1 2 = RTln (c 2 /c 1 ) = 2,3RTlog(c 2 /c 1 ) Der Nettofluss endet, wenn c 2 = c 1. D-Glucose Extrazellulär ytoplasma D-Glucose (ungeladen) ATP ADP Glucose-6-Phosphat (geladen)

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26 Die thermodynamisch begünstigte Bewegung von Glucose durch die Plasmamembran tierischer Zellen wird durch mehrere Glucosetransportproteine vermittelt. Bezeichnung der Mitglieder dieser Proteinfamilie mit GLUT1, GLUT2, GLUT3, GLUT4 und GLUT5..GLUT10 (Isoformen mit funktioneller Spezialisierung). Typisches Strukturmotif: Integrale Membranproteine mit zwölf Transmembransegmenten ( -elices). Transport des Zuckermolelüls durch Konformationsänderung innerhalb des Transportproteins. Noch keine 3-D-Struktur bekannt. Die verschiedenen Mitglieder unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Lokalisation (Gewebe, rgan), der Kinetik des Glucose-Transports (K M ), der Regulation, und des Expressionsmusters.

27 Muckler et al. (1985) Science 229, 941 Asn45 Modell eines GLUT-Proteins aus Säugetieren + 3 N - Glucosetransporter gehören zur major facilitator-(mf-)superfamilie: Vorkommen in unterschiedlichsten rganismen, z.b. auch E. coli

28 Typischer Serumglucosespiegel: 4-8 mmol/l Dünndarm: Resorption von Glucose aus dem Darm durch Symport: Na + -Glucose Symporter. Pumpt Glucose aus dem Dünndarm in die Darmepithelzellen. GLUT5: Expression in Dünndarm und Niere. Entläßt Glucose aus den Darmepithelzellen in den Blutstrom durch erleichterte Diffusion. Auch Fructosetransporter. GLUT1 und GLUT3 werden in Erythrocyten, Gehirn und Plazenta exprimiert und stellen in diesen rganen die Grundversorgung mit Glucose sicher. Transportieren ständig Glucose mit mehr oder weniger konstanter Geschwindigkeit. K M -Wert: 1 mmol/l. Transport durch erleichterte Diffusion. GLUT4: Expression in Skelettmuskel, Fettzellen und erz. K M -Wert: 5 mmol/l. Durch Insulin wird die Expression und Einbau von GLUT4-Transportern in der Plasmamembran begünstigt. Insulin fördert also die Aufnahme von Glucose in Muskel und Fettgewebe.

29 GLUT4 vermittelt Eintritt von Glucose in Fett- und Muskelzellen. K M -Wert: 5 mmol/l. Durch Insulin wird die Expression von GLUT4- Transportern in der Plasmamembran begünstigt. Insulin fördert also die Aufnahme von Glucose in Muskel und Fettgewebe. Insulin, ein Polypeptidhormon GLUT2 ist in Leber und pankreatischen -Zellen lokalisiert. K M -Wert: mmol/l. Die Eintrittsgeschwindigkeit von Glucose in diese Gewebe ist daher zum Blutglucosespiegel proportional. Die Bauspeicheldrüse ist daher in der Lage, den Glucosespiegel zu messen und die Geschwindigkeit der Insulinsekretion entsprechend anzupassen. Die Leber nimmt Glucose nur in Zeiten des Überflusses auf. Bei niedrigem Glucose- Spiegel gelangt Glucose bevorzugt ins Gehirn und andere Gewebe!

30 Diese Tabelle soll nur die Komplexität bezüglich Verteilung und Funktionalität von Isoformen von Proteinen in höheren rganismen unterstreichen.

31 Inhaltsverzeichnis Glycolyse 1. Glucosetransport 2. Abfolge der chemischen Umwandlungen der Glucose in Pyruvat (10 Reaktionen)

32 Reaktionen und Thermodynamik der Glycolyse Reaktion Enzym G K eq G kj/mol 25 kj/mol -D-Glucose + ATP 4- Glucose-6-Phosphat + ADP exokinase -16, ,9 Glucose-6-Phosphat Glucosephosphat Fructose-6-Phosphat Isomerase +1,67 0,51-2,92 Fructose-6-Phosphat + ATP 4- Phosphofructo- Fructose-1,6-Bisphosphat + ADP kinase -14, ,8 Fructose-1,6-bisphosphat Dihydroxyacetonphosphat + Glycerinaldehyd-3-P Aldolase +23,9 6, ,23

33 Reaktion Enzym G K eq G kj/mol kj/mol Dihydroxyacetonphosphat Triosephosphat- Glycerinaldehyd-3-P Isomerase 7,56 0,0472 2,41 Glycerinaldehyd-3-P + P i + Glycerinaldehyd-3-P- NAD + 1,3- Bisphosphoglycerat Dehydrogenase + NAD ,3 0,0786-1,29 1,3-Bisphosphoglycerat + ADP 3 Phosphoglycerat- - 3-Phosphoglycerat + ATP 4- Kinase -18, ,1 2-Phosphoglycerat Phosphoenolpyruvat + 2 Enolase +1,8 0,483 +1,1 3-Phosphoglycerat Phosphoglycerat- 2-Phosphoglycerat Mutase +4,4 0,169 +0,83 Phosphoenolpyruvat + ADP Pyruvat- Pyruvat + ATP 4- kinase -31,7 3, Pyruvat + NAD + + Lactat- Lactat + NAD + Dehydrogenase -25,2 2, ,8

34 Typische Konzentrationen von Intermediaten der Glycolyse in Erythrocyten Metabolit mm Glucose-6-phosphat 0,083 Fructose-6-phosphat 0,014 Fructose-1,6-bisphosphat 0,031 Dihydroxyacetonphosphat 0,14 Glycerinaldehyd-3-phosphat 0,019 1,3-Bisphosphoglycerat 0,001 2,3-Bisphosphoglycerat 4,0 3-Phosphoglycerat 0,12 2-Phosphoglycerat 0,030 Phosphoenolpyruvat 0,023 Pyruvat 0,051 Lactat 2,9 ATP 1,85 ADP 0,14 P i 1,0

35 Energetik der Umwandlung von Glucose in Lactat: G = -183,6 kj/mol Es findet keine Netto-xidation oder -Reduktion bei der Umwandlung von Glucose in Lactat statt (d.h. xidations- und Reduktionsreaktionen kompensieren sich). Bindungen lagern sich um, jedoch werden Elektronen weder gewonnen noch gehen sie verloren. Nur ein Teil der Energie, die in Glucose steckt, wird in Form von 2 ATP gewonnen: 2 ADP + 2 P i 2 ATP G = kj/mol = 61 kj/mol Glycolyse = Kopplung der Reaktionen: Glucose + 2 ADP + 2 P i 2 Lactat + 2 ATP G = -183, = -122,6 kj/mol (33% Wirkungsgrad; Realität: 50%)

36 Inhaltsverzeichnis Glycolyse 1. Glucosetransport 2. Abfolge der chemischen Umwandlungen der Glucose in Pyruvat (10 Reaktionen) 3. Mechanismen der einzelnen Reaktionen

37 Glycolyse 1. Reaktion: exokinase, Glucokinase Glucose + ATP Glucose-6-Phosphat + ADP + + Enzyme: D-exose-6-Phosphotransferase (E ) exokinase Glucokinase ofaktoren: Magnesiumionen (Mg 2+ ) Glucose-6-Phosphat Glucose-6-Phosphat

38 -D-Glucose + ATP 4- -D-Glucose-6-Phosphat + ADP Phosphorylierung von Glucose: ydrolyse von ATP: + 13,8 kj/mol - 30,5 kj/mol Realität (Erythrocyten): G = -16,7 kj/mol (K eq = 850) Standardbedingungen (Konzentrationen = 1 mol/l) [Glu] = 5 mm, [ATP] = 1,85 mm, [G-6-P] = 0,083 mm, [ADP] = 0,14 mm. G = G + RT ln {[G-6-P][ADP]/[Glu][ATP]} = G = - 16,7 kj/mol + (8,314 J/mol.K)(310K) ln {[0,083][0,14] /[5,0][1,85]} G = -33,9 kj/mol

39 D-Glucose wird also im ytoplasma phosphoryliert, wobei die Phosphorylgruppe aus ATP stammt. Enzyme, die Phosphorylgruppen übertragen heißen Kinasen. Im enzymatischen Namen scheint auch das Akzeptormolekül auf. Im Menschen sind zwei Enzyme für die Umwandlung von Glucose in Glucose-6- Phosphat zuständig: exokinase: Überträgt Phosphorylgruppe auf exosen, ist also unspezifisch hinsichtlich des Akzeptors. Substrate sind D-Glucose, D-Mannose und D-Fructose. K M (Glucose) = 0,1 mm; Vorkommen: ubiquitär; verschiedene gewebsspezifische Isoenzyme mit unterschiedl. kinetischen Eigenschaften. umane exokinase ist Monomer mit etwa 100 kda. Regulation: Allosterische emmung durch Glucose-6-Phosphat (G6P) (Produkthemmung)

40 Glucokinase: Überträgt Phosphorylgruppe spezifisch nur auf D-Glucose. K M (Glucose) = 10 mm; Vorkommen: nur in der Leber umane Glucokinase ist Monomer mit etwa 50 kda. Glucokinase wird im Gegensatz zur exokinase nicht durch das Reaktionsprodukt G6P inhibiert. Seine Expression wird jedoch durch Insulin induziert. Glucokinase ist an der Regulation des Blutglucose-Spiegels beteiligt. Die Aufgabe der Glucokinase besteht darin, Glucose-6-Phosphat für die Synthese von Glycogen (Glucose-Speicherform) in der Leber zu liefern. Der hohe K M -Wert der Glucokinase garantiert die Glucose-Grundversorgung des Gehirns und der Muskulatur.

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42 PDB-code

43 Programme zur Visualisierung: RASML PDB-VIEWER:

44 PDB-ode: 1K Recombinant uman exokinase Type I omplexed With Glucose and Phosphate Authors: A. E. Aleshin, R. B. onzatko Exp. Method: X-ray Diffraction lassification: Phosphotransferase E Number: Source: omo sapiens Primary itation: J. Mol. Biol. (1998) 282, pp. 345

45 Phosphorylgruppenübertragung Angriff eines Nucleophils (Y) am elektrophilen Phosphoratom einer tetraedischen Phosphorylgruppe Y X P X P Y Trigonal bipyramidales Zwischenprodukt Eliminierung der Abgangsgruppe unter Inversion der Konfiguration P Y X

46 - 2 N P N N 2 P P - - N N - ATP, Adenosintriphosphat

47 Beispiel für enzymatische Phosphorylgruppenübertragung: Glykolyseenzym exokinase 17 P 16 -ADP P Inversion der Konfiguration 16 Glucose 16 -ADP P Glucose Trigonal bipyramidales Zwischenprodukt

48 exokinase und Glucokinase sind nur aktiv, wenn Mg 2+ -Ionen (oder andere zweiwertige Ionen wie z.b. Mn 2+ ) vorhanden sind. Gilt für alle Kinasen. Das divalente Metallion bildet einen Komplex mit dem ATP und erleichtert dadurch den nucleophilen Angriff durch Abschirmung der negativ geladenen Gruppen. Nichtkomplexiertes ATP hemmt die exokinase! N 2 Elektrophiles Phosphoratom N N N N P P P 2 Mg 2+

49 Frage: Warum überträgt die Kinase die Phosphorylgruppe so spezifisch auf Glucose und nicht auf Wasser (unter Bildung von ADP und P i ; ATPase-Aktivität)? Realität: Wasserkonzentration: 55 mol/l. Wasser klein genug für Bindungsstelle der Kinase Phosphorylgruppenübertragung des ATP auf Wasser ist stärker exergonisch als Übertragung auf Glucose. Die exokinase katalysiert die Übertragung auf Glucose mal schneller als auf Wasser Ursache: Reaktionsmechanismus: Random-Bi-Bi- Mechanismus mit tiefgreifender Konformationsänderung

50 exokinase (Mensch) Spalt: Aktives Zentrum Binden von Glucose: tiefgreifende Konformationsänderung. Die beiden Lappen bewegen sich bis zu 8 Å aufeinander zu und umschließen das Substrat Glucose (induced fit).

51 exokinase exokinase- Glucosekomplex Glucose Katalyse durch Annäherungseffekte. Binden von Glucose bewirkt Schließung der Enzymlappen und bringt die 5-ydroxymethylgruppe der D-Glucose in unmittelbare Nachbarschaft von bereits gebundenem ATP-Mg 2+. Substratinduzierte Konformationsänderung des Enzyms. Ausschluß von Wasser: Reduktion der Polarität des aktiven Zentrums, nucleophiler Reaktionsprozeß wird beschleunigt.

52 Beweis des Reaktionsmechanismus: Reaktion mit Pseudosubstrat -D-Xylose. Die -D-Xylose unterscheidet sich von der D-Glucose durch das Fehlen der 5-ydroxymethylgruppe. exokinase bindet -D-Xylose; es wird die idente Konformationsänderung durchgeführt (induced fit), jedoch überwiegt die ATPase-Aktivität der exokinase. Ursache: In der fehlenden 5-ydroxymethylgruppen-Position ist Platz für ein Wassermolekül, das nun als Akzeptor der Phosphorylgruppe fungiert. D-Xylose Induced fit durch Xylose

53 Glucose xidativer Pentose- phosphat- Weg Glucose-6-Phosphat Fructose-6-Phosphat Glycolyse Glycogen- Biosynthese Pyruvat

54 Glycolyse 2. Reaktion: Glucosephosphat-Isomerase Glucose-6-Phosphat Fructose-6-Phosphat Enzym: Isomerase (E x) Glucosephosphat-Isomerase (Phosphoglucoisomerase) Dimer, 2 61 kda (Kaninchenmuskel) Glucose-6-Phosphat Fructose-6-Phosphat

55 Glucose-6-Phosphat Fructose-6-Phosphat Mechanismus: p-abhängigkeit: Ringöffnung, Isomerisierung, Ringschluß Glockenförmige p-abhängigkeit der Katalysegeschwindigkeit (Maximum um p 8). Beteiligung von Aminosäuren mit pk a = 6.7 und 9.3 (inweis auf istidinund Lysinrest im aktiven Zentrum)

56 Glucosephosphat-Isomerase B B R Aldose R cis-endiolat-zwischenprodukt B B R R Ketose

57 3 P 2 B + B

58 3 P 2 B + Ringöffnung B

59 3 P 2 B Base (istidin) spaltet das saure Proton vom (2) ab. B + - Austausch mit dem Medium cis-endiolat-intermediat

60 B 3 P 2 Proton wird an (1) gebunden B

61 B + Ringschluß + 3 P 2 Reaktion absolut stereospezifisch B

62 Nichtenzymatische, durch Basen katalysierte Isomerisierung von Glucose, Fructose und Mannose: Glucose cis-endiolat Mannose

63 Glucose Mannose 2 2 cis-endiolat- Intermediat Fructose

64 Glycolyse 3. Reaktion: Phosphofructokinase Fructose-6-Phosphat + ATP Fructose-1,6-bisphosphat + ADP + + Enzym: Phosphotransferase Phosphofructokinase (E ) Tetramer 4 78 kda (Kaninchenmuskel) Fructose-6-Phosphat Fructose-1,6-bisphosphat

65 Fructose-6-Phosphat Fructose-1,6-bisphosphat PFK, Mg 2+ Mechanismus: ATP ADP + + Wie bei der exokinase-reaktion. Nucleophiler Angriff der (1)- -Gruppe von Fructose-6-Phosphat am elektrophilen -Phosphoratom des Mg 2+ -ATP-Komplexes. Katalyse durch Annäherungseffekte. Substratinduzierte Konformationsänderung des Enzyms (induced fit).

66 - P P 2 P - PFK, Mg ADP ATP + Fructose-6-P Fructose-1,6-bisphosphat + ADP + + Gekoppelte Reaktion: Fructose-6-P + P i Fructose-1,6-bisphosphat G = 16,3 KJ/mol ydrolyse von ATP Gekoppelte Reaktion G = - 30,5 kj/mol G = - 14,2 kj/mol

67 Glycolyse 4. Reaktion: Aldolase Fructose-1,6-bisphosphat Glycerinaldehyd-3-P + Dihydroxyacetonphosphat Enzym: Lyase Aldolase (E ) Tetramer 4 40 kda (Kaninchenmuskel) Fructose-1,6-bisphosphat Dihydroxyacetonphosphat, Glycerinaldehyd-3-P

68 Fructose-1,6-bisphosphat Aldolase Glycerinaldehyd-3-Phosphat Dihydroxyacetonphosphat

69 R 2 R 1 R 1 R 4 Aldolase Aldolase (Tetramer) Aldolkondensation ist die Verknüpfung von zwei arbonylverbindungen (z.b. Aldehyd mit Keton) zu einem Aldol (= -ydroxycarbonylverbindung). R 2 R 1 R 1 R 4

70 2 P P 3 2- Fructose-1,6- bisphosphat-aldolase 2-2 P P 3 K eq = 0,0001; G = +23,9 kj/mol Erythrocyt: G = -0,23 kj/mol

71 R R' B B R' R R' R Resonanzstabilisiertes arbanion (Enolat) R R' R' R R' R B Keton 2. Keton (elektrophiles Zentrum)

72 Nach der Art des Reaktionsmechanismus werden 2 Klassen von Aldolasen unterschieden: Klasse-I-Aldolasen: Bildung einer Schiff schen Base zwischen einem Lysinrest im aktiven Zentrum und der arbonylgruppe des Substrates. Inhibierung durch NaB 4, aber nicht durch EDTA (kein divalentes Kation im aktiven Zentrum). Pflanzen, Tiere, Mensch. Klasse-II-Aldolasen: Metalloproteine: meist Zn 2+ im aktiven Zentrum. Durch EDTA inhibierbar. Nicht durch NaB 4 inhibierbar. Pilze, Bakterien

73 G3P FBP Klasse-II-Aldolasen: Pilze, Bakterien 2-2 P P 3 E Zn 2+ - Zn 2+ E Stabilisierung des Enolat-Zwischenproduktes durch die Lewis-Säure Zn 2+ unter gleichzeitiger Polarisierung der arbonylgruppe

74 Klasse-I-Aldolasen: Mensch Lysin 2 N 2 ( 2 ) 3 - S 2 ystein N N istidin

75 Klasse-I-Aldolasen: Mensch 2 P 3 2- Lysin 2 N 2 ( 2 ) 3 FBP Binden des Substrates Reaktion der FBP- arbonylgruppe mit der -Aminogruppe des Lys 2-2 P 3 N N istidin - S 2 ystein

76 Klasse-I-Aldolasen: Mensch 2 N P Bildung einer protonierten Schiff- Base Substrat kovalent gebunden 2-2 P 3 N N - S 2

77 Klasse-I-Aldolasen: Mensch Enamin- Intermediat Aldolspaltung, dann Protonierung 2 N N R P S 2 Glycerinaldehyd- 3-phosphat N

78 Klasse-I-Aldolasen: Mensch 2 P 3 2- N pror 2 2 pros Tautomerisierung S 2 Iminium-Kation (protonierte Schiff- Base): ydrolyselabil N N

79 Klasse-I-Aldolasen: Mensch Lysin 2 N 2 ( 2 ) 3 ydrolyse der Schiff-Base - S 2 ystein 2 Dihydroxyacetonphosphat N N istidin

80 Beweis des Reaktionsmechanismus: Inaktivierung des Enzyms durch NaB 4 nur in Gegenwart von F-1,6-BP. Transfer eines ydrid- Ions ( - ) zum Imin- Kohlenstoff unter Ausbildung des ydrolyse-stabilen sekundären Amins. Beweis durch radioaktive Markierung (*) und anschließender Protein-ydrolyse. P i 2 * N 2 P Enzym NaB 4 -Reduktion ydrolyse 2 - * N N N 6 - -Glyceryllysin

81 Aldolasereaktion ist hoch stereoselektiv: es entsteht aus DA und GAP nur ein Produkt (FBP) Nichtenzymatisch: 4 Produkte, abhängig davon, ob der pro-roder pro-s-wasserstoff am (3) des DAP abgespalten wird und das gebildete arbanion GAP auf der re- oder der si-seite angreift. D-Fructose-1,6- Bisphosphat 2 P P 3 2 P P 3 D-Tagatose -1,6-Bisphosphat D-Psicose-1,6- Bisphosphat 2 P P 3 2 P P 3 D-Sorbose-1,6- Bisphosphat

82 Glycolyse 5. Reaktion: Triosephosphat-Isomerase Dihydroxyacetonphosphat Glycerinaldehyd-3-P Enzym: Isomerase Triosephosphat-Isomerase (E.. E ) Dimer 2 27 kda (ühnermuskel) Dihydroxyacetonphosphat Glycerinaldehyd-3-P

83 (1), (2) und (3) der Glucose werden äquivalent zu (4), (5) und (6). DAP 2 P 3 2- Triosephosphat- Isomerase K eq = [GAP]/[DAP] = 4,73 x 10-2 Gleichgewicht: [DAP] >> [GAP] Jedoch wird GAP bei der anschließenden Reaktion der Glycolyse verbraucht, sodass trotzdem permanent Dihydroxyacetonphosphat (DAP) in GAP umgewandelt wird. 2-2 P 3 Glycerinaldehyd- 3-phosphat, GAP

84 PDB-ode 7tim Typische 3D- Struktur der Triose- Isomerase: TIM-barrel

85 PDB-ode 7tim Triosephosphat-Isomerase (TIM) ist ein perfektes Enzym: Die Geschwindigkeir der bimolekularen Assoziation des Enzyms mit dem Substrat ist diffusionskontrolliert! Aufgrund seiner Struktur ist TIM ein / -Barrel- Protein Viele Proteine (mit oft ganz anderen katalytischen Eigenschaften) haben diese Struktur: oft als TIM-Barrel bezeichnet: Acht parallele Faltblätter werden durch acht -elices verbunden. Das Faßinnere ist hydrophob, am Fassboden sitzen die für die jeweilige enzymatische Aktivität notwendigen Reste.

86 Substrate Triosephosphatisomerase aus efe (Dimer) -Faltblätter: gelb; -elices: orange Fassstruktur (TIM-barrel) aus 8 - Faltblätter/ -elices

87 Glu165 is95 Lys12 Substrat Konservierte Reste des aktiven Zentrums

88 Blick durch den Substratkanal hne Loops Mit Loops

89 Enzymkinetik der Triose-Isomerase: Glockenförmige p- Abhängigkeit mit pk a -Werten von 6,5 und 9,5. Was ist die Natur der sauren Gruppe (pk a = 6,5)? Markierung durch Affinitätsreagenzien (Bromhydroxyacetonphosphat oder Glycidolphosphat): Inaktivierung von TIM durch Ausbildung von Estern mit Glutaminsäure. Freie Glutaminsäure (wässriges Medium): pk a = 4,1 Aktives Zentrum (hydrophober Faßboden ): pk a = 6,5!! 2 P P Br Bromhydroxyacetonphosphat 2 Glycidolphosphat

90 Reaktionsmechanismus über Endiolat-Zwischenprodukt? Beweis durch Pseudosubstrate (meist Inhibitoren), die eine hohe Affinität zur Geometrie des Übergangszustandes haben. Phosphoglycohydroxamat bindet 155mal besser an TIM als GAP oder DAP) N P 3 Phosphoglycohydroxamat P 3 Postuliertes Endiolat- Zwischenprodukt der Isomerase-Reaktion

91 Reaktionsmechanismus Glu DAP - B Enzym 2 P 3 2- Glu B Enzym p-abhängigkeit: glockenförmige Kurve: pk a -Werte bei p 6,5 (Glu) und 9,5 (is) (vgl. Glucose-Phosphat- Isomerase) Glu - 2 P P 3 2- Endiol- Intermediat GAP

92 Pseudosubstrat PGP (2- Phosphoglycolat) P 3 2- Glu165: Abstraktion von + von (1) u. Donor für (2) is195: Säure: Protonierung von = von (2) Base: Abstraktion von + von an (1) des Endiolat- ZWP.

93 Induced fit nach Substratbindung: Deckel verschließt Fass Freies Enzym Enzym-Substratkomplex Kanal Deckel

94 Glycolyse 6. Reaktion: Glycerinaldehyd-3- phosphat-dehydrogenase Glycerinaldehyd-3-P + NAD + + P i 1,3-Bisphosphoglycerat + NAD + + Enzym: xidoreductase Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (E ) Tetramer 4 37 kda (Kaninchenmuskel) Glycerinaldehyd-3-P 1,3-Bisphosphoglycerat