Grundlagen der Physiologie

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Grundlagen der Physiologie

www.icbm.de/pmbio

Regulation

Was unter- scheidet uns vom Affen?

Mensch und Affe

5 %?

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Nachbar

Was unter- scheidet Sie von Ihrem Nachbarn?

Regulation

Regulation ist die Antwort.

Was unter- scheidet uns vom Affen?

Was unter-

scheidet

Sie von

Ihrem

Nachbarn?

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A

B

DNA mRNA Enzym

Transkription Translation Katalyse

Regulator- protein

Einige Regulationsmechanismen

Reaktion

Wovon hängt ab, ob die Reaktion abläuft?

A + B → C

• Konzentrationen, Druck, Temperatur ...

Chemische Reaktion

• 'Neigung' der Edukte zu reagieren

- Energiebilanz der Reaktion, Reaktionsenthalpie - Entropie

- Aktivierungsenergie

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Die Bedeutung irreversibler Schritte

•

bedeuten Energieverlust

•

legen Stoffwechselrichtung fest

•

erfordern Umwege für Rückweg

Katalyse

• Nur Reaktionen mit DG <= 0

laufen spontan ab

• Reaktanten müssen Energieschwelle 'Aktivierungsenergie' überwinden

Katalyse

• Katalysator verringert Aktivierungenergie, beschleunigt Reaktion, ändert nicht DG

• Katalysator bleibt am Ende unverändert

Übergangszustand

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Enzyme

• Meist mehrere Untereinheiten in Komplexen, z.B. a₂b₂g

• Proteine

• 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

Enzyme

• Diverse Bindungstypen an Wechselwirkungen beteiligt:

Ionenbindung, Wasserstoffbrücken, van-der-Waals- Kräfte, koordinative oder Komplexbindung an Metallionen

Enzym-Klassen

Enzym-Klassen nach Reaktionstyp

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.

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Enzym-Katalyse

Wie bewirkt ein Enzym die 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

∆G<=0 werden rückwärts laufen!

• Von zwei Substraten mit unterschiedlichen Massen (Isotopen) werden die leichteren Formen etwas bevorzugt umgesetzt (→

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

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Abhängigkeit der Umsatzrate eines Enzyms von der Substratkonzen- tration

• 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.

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

Michaelis-Menten-Beziehung

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Kompetitive Hemmung

Kompetitive Hemmung

• 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.

COO^- CH2 CH2 COO^-

COO^- CH2 COO^- Beispiel:

Succinat Malonat

hemmt Succinat- Dehydrogenase kompetitiv

• Auch hohe Produktkonzentrationen hemmen die Katalyse.

Allosterische Enzyme

Allosterische Enzyme

• Effektor kann je nach Enzym Aktivator oder Inhibitor ('nicht-kompetitiv') sein

• Regulation der Enzymaktivität durch Bindung außerhalb des katalytischen Zentrums

• Auch Aktivierung oder Hemmung durch Übertragung von kovalent gebunden Gruppen (z.B. Methylgruppe) möglich

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Endprodukthemmung

• Oft wird der erste Schritt eines Stoffwechselweges reguliert.

A → B → C → D → E

• 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.

Enzym 1 Enzym 2 Enzym 3 Enzym 4

• Katabolismus erfordert andere Regualtionsmuster als die der Biosynthesewege.

o Gärung anaerob (Glucose →2 Ethanol + 2 CO₂)

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: allosterischeHemmung eines Enzyms der Glykolyse (Phosphofructokinase) durch ATP, das bei aerobem Glucose-Umsatz reichlich zur Verfügung steht

Pasteur-Effekt

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Bakterium auf der Suche nach dem Schlaraffenland

Vgl. Kaffee mit Milch, mit Milch + Zucker oder schwarz

Bandenbildung sulfatreduzerierender Bakterien in zwei verschiedenen Konzentrationen in Gegenwart von Sulfat oder Thiosulfat und ohne Schwefelverbindung

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o Y-P→CW und 'Tumble', Y→ CCW und 'Run' o Zdephosphoryliert Y-P langsam

o Aerfährt Autophosphorylierung, überträgt P-Gruppe nach Y oder nach B o B-Pdemethyliert MCP (methyl-accepting chemotaxis protein), hält es so sensibel o Rmethyliert MCP langsam, macht es insensibel

Regulation des Flagellenmotors

o Y-P→CW und 'Tumble', Y → CCW und 'Run' o Zdephosphoryliert Y-P langsam

o Aerfährt Autophosphorylierung, überträgt P-Gruppe nach Y oder nach B o Bdemethyliert MCP(methyl-accepting chemotaxis protein), hält es so sensibel o R methyliert MCP langsam, macht es insensibel

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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

Regelung auf der Ebene der Genexpression

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

Wechselwirkungen

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Das lac-Operon von E. coli

Regulon: Gruppe von Operons, die durch denselben Regulator reguliert werden, bei globalen

Regulatoren (wie z.B. Hunger):

Modulon ...

(A) Endprodukt-Repression: In Gegenwart von Tryptophan wird die Transkription durch einen Tryptophan- bindenden 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

Regulation der

Tryptophan-Synthese

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