Coenzymeundprosthetische Gruppen Metabolismus(2) Stoffwechsel VorlesungZell-und Molekularbiologie

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Stoffwechsel

Vorlesung

Zell- und Molekularbiologie

Metabolismus (2)

Coenzyme

prosthetische Gruppen und

© H.Cypionka www.icbm.de/pmbio Coenzyme

Apoenzym + Coenzym

→ funktionsfähiges Holoenzym

• Das Coenzym kann nach der Reaktion verändert sein, das Enzym verlassen und mit einem anderen Enzym reagieren.

NAD FAD

NAD und FAD

• sind die wichtigsten Elektronenüberträger.

• NADP meist bei anabolischen, NAD in katabolischen Reaktionen

• FMN ist oft fest gebundene prosthetische Gruppe von Redox- Enzymen.

• Redoxpotential von NAD/NADH

: -320 mV

• Redoxpotential von FAD/FADH

: ≈ -200 mV

© H.Cypionka www.icbm.de/pmbio Prostethische Gruppen

Eisen-Schwefel- Zentren und Porphyrine sind wichtige prosthetische Gruppen (fest gebundene Coenzyme).

Porphyrine treten auch als

Bestandteile von Coenzymen auf.

Prosthetische Gruppen

Elektronen

Was sind Reduktionsequivalente?

• e

?

• H ?

• H

?

• H

?

• H

+ e

?

• [H] ?

← Keine freien Elektronen (Elektronenstrahl) in der Zelle!

← Wasserstoffatome ??

← Protonen ganz ohne Elektronen??

← Molekularer gasförmiger Wasserstoff??

← Das ist gemeint, manchmal zu verwenden, siehe aber erste Zeile!

← Das ist es!

• [H] beschreibt Reduktionsequivalente ohne Rücksicht auf die

beteiligten Überträger. Energetische Berechnungen sind damit nicht

möglich.

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ATP

Adenin

ATP

Adenosin

N-glykosidische Bindung

Adenosinmonophosphat Adenosindiphosphat Adenosintriphosphat

AMP ADP ATP

Nukleotide Nukleosid Ester

Anhydrid

Weshalb steckt in ATP Energie? ^ATP

• Zahlreiche O-Atome und negative Ladungen stoßen sich ab

• Phosphatgrupppen meist nicht abgespalten sondern übertragen

Wieviel Energie steckt in ATP?

ATP + H

O → ADP + P

∆ G°' = -31.8 kJ/mol (-7.6 kcal/mol)

• Hydrolyse, Wasser oft nicht aufgeschrieben

• ° bezeichnet Standard-Bedingungen (manchmal auch °):

- alle Konzentrationen 1 mol/l, Wasser 1, Gase 1 atm - Temperatur 25 °C = 298 K

• ' bedeutet [H

] = 10

mol/l, d.h. pH = 7 wg. Milieu biologischer Systeme

~ ~

• Oft Mg

zur Kompensation benötigt

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Wieviel Energie steckt im ATP? ATP

Freie Energie ∆G

’ einiger Reaktionen von ATP kJ/mol

ATP + H

O → ADP + P

-31.8 ATP + H

O → AMP + PP

-41.7 ATP + AMP → 2 ADP 0 PP

+ H

O → 2 P

-21.9

Die Adenylatkinase ist eines der aktivsten Enzyme:

ATP + AMP ↔ 2 ADP

~ ~

A-R-P-P-P + P-R-A ↔ A-R-P-P + P-P-R-A

*)

PP

= Pyrophosphat, Abspaltung bei besonders wichtigen Reaktionen, z.B.

Protein- oder DNA- Synthese

Achtung: Werte gelten nur unter Standardbedingungen bei pH = 7

Wieviel ATP ist in der Zelle? ATP

Energieladungszustand (energy charge, EC) der Zelle

EC = [ATP] + 0.5 [ADP]

[ATP] + [ADP] + [AMP] > 0.8

z.B. [ATP] ≈ 10 mM, ADP ≈ 1 mM, AMP ≈ 1 mM

EC = 10.5/12 = 0.875

D.h. die Zelle ist normalerweise immer energetisch

aufgeladen.

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Wieviel ist ATP in der Zelle wert? ATP

• In der Zelle: [ATP]≈0.01 M, [H

O]='1', ADP≈0.001 M, [P

] ≈0.01 M Produkt-Edukt-Verhältnis wird (0.001*0.01)/(0.01 * 1) = 0.001

∆G

= ∆G

' + RT ln 0.001 = ∆G

' -17 = -49 kJ/mol

∆G

= -50 kJ/mol

Berücksichtigung von Konzentrationen für energetische Berechnungen:

∆G = ∆G _° + RT ln(c _Produkt /c _Edukt )

In der Zelle ist ATP mehr wert als unter Standard- bedingungen und auch nicht so leicht zu regenerieren.

• Chemiebuch (Standardbedingungen)

ATP + H

O → ADP + P

∆G

' = -32 kJ/mol

• Für Regenerierung aufgewendet: meist etwa 75 kJ/mol ATP

bei mehreren Edukten und/oder Produkten wird multipliziert:

∆G = ∆G

+ RT ln(C

Cp

/ C

C

)

Aber (a)

X + ATP → X-P

+ ADP ∆G ≤ 0 (möglich) Mechanismen der ATP-Nutzung

Typische anabole Reaktionen sind endergon und nicht spontan ablaufend:

X → Y ∆G > 0

(b)

X-P

→ Y + P

∆G ≤ 0 (möglich)

________________________________________________________

Summe (a + b)

X + ATP → Y + ADP + Pi ∆G ≤ 0 (möglich)

Reaktionsgleichungen und ∆G-Werte dürfen addiert und substrahiert werden.

Für mindestens eine der Reaktionen a und b muss ∆G < 0 sein.

ATP-Nutzung

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Mechanismen der ATP-Regenerierung Es gibt nur zwei Möglichkeiten.

• Ionentransport-Phosphorylierung (H

oder Na

)

(membrangebunden, getrieben durch elektrisches Membranpotential + chemischen Gradienten)

• Substrat-Phosphorylierung

(b + a rückwärts, gekoppelt an gleichzeitige exergone Reaktionen, z.B. Redoxreaktion)

? Substratketten-Phosphorylierung, engl. substrate level phosphorylation

!? Es gibt keine oxidative Phosphorylierung oder Elektronentransport- getriebene Phosphorylierung, und auch keine Photophosphorylierung

Lassen Sie sich durch veraltete Begriffe nicht verdummen!

Energiegewinn? 'Energie-Konservierung', 'ATP-Gewinn' Begriffe:

ATP-Regenerierung

Haupsätze

Thermodynamik - Wärmelehre 1. Haupsatz:

Die Energie eines abgeschlossenen Systems bleibt unverändert.

Verschiedene Energieformen können sich ineinander umwandeln.

2. Haupsatz:

Es gibt eine extensive Zustandsgröße Entropie S, die in einem abgeschlossenen System niemals abnimmt.

3. Haupsatz:

Beim absoluten Temperatur-Nullpunkt wird die Entropie eines idealen Kristalls 0.

Energieerhaltungssatz: Es gibt kein perpetuum mobile 1. Art.

Es gibt kein perpetuum mobile 2. Art.

© H.Cypionka www.icbm.de/pmbio Entropie

Entropie

Solange Teilchen bei einer Temperatur >0 K sind, enthalten sie Energie, die Entropie (Energie pro Temperatur). Diese kann (bei konstantem Druck und Temperatur) nicht für Arbeit genutzt werden.

Weshalb fliegen Gasmoleküle mit ≈1000 km/h durch die Luft?

Woher weiß ich, dass die Teilchen sich nach rechts oben bewegen werden?

Energie/Entropie

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Die Wahrscheinlichkeit, dass sich Teilchen von rechts oben nach links unten bewegen, ist momentan Null.

Energie/Entropie

Weshalb steckt in einem Gradienten Energie?

Energie hängt ab von Information

Der Dämon lässt nur heiße Teilchen von links nach rechts.

Warum soll es ihne kann es ihn nicht geben können?

Maxwell‘s Dämon

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Weshalb steckt in einem Gradienten Energie?

Ohne Energie lässt sich kein Gradient herzaubern. Energie in Gradienten lässt sich aber nutzen.

Die drehbaren Dreiecke lassen impulsreiche (heiße) Teilchen in eine Richtung durch.

Leider verlieren die Teilchen bei der Wechselwirkung mit der Patentmembran Energie.

Patent-Membran

Wieviel Energie steckt in einem Gradienten?

C

C

∆G = (-)RT ^. ln(c ₁ /c ₂ )

Dieselbe Formel wie bei der Berechnung der Konzentrationsabhängigkeit

chemischer Reaktionen!

Merken!

Energie/Entropie

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Beispiel Transportenergie:

Aufnahme ungeladener Teilchen über eine Membran entlang einem Gradienten

c _außen und c _innen seien 100 und 1 mM Es gilt (pro Mol):

∆G = -RT ln(c _a /c _i ) ln(100) = 4.605

RT = 8.314 J mol ^-1 K ^{-1 .} 298 K = 2478 J mol ^-1

∆G = -11.4 kJ mol ^-1

Transport

o in Reaktionsmöglichkeiten, nicht in Verbindungen!

o auch Licht sofort in chemische Energie umgewandelt

o Die freie Energie ∆G entscheidet, ob eine Reaktion abläuft

Chemische Energie Chemische Energie

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∆G = ∆H - T ^. ∆S (Gibbs-Helmholtz-Gleichung) G : freie Energie [J] (nutzbar bei T, P = const.) H : Reaktions-Enthalpie (Bestreben der

Reaktanten) [J]

T : absolute Temperatur [K]

S : Entropie (Energie pro Temperatur, J K ^-1 )

Freie Energie chemischer Reaktionen

Das ∆G chemischer Reaktionen setzt sich aus dem Bestreben zu reagieren (Enthalpie) und der Änderung der Entropie (bei Raumtemperatur meist ±10 %) zusammen.

chem. Reaktionen

∆G chemischer Reaktionen kann leicht aus den tabellierten Bildungsenthalpien ∆G

'(f)

berechnet werden:

∆G = Σ ∆G _f (Produkte) - Σ ∆G _f (Edukte)

∆

G berechnen

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Beispiel Glucose-Oxidation mit Sauerstoff

C

H

O

+ 6 O

→ 6 CO

+ 6 H

O

Bildungsenthalpien ∆G

'(f) laut Tabelle unter Standardbedingungen ([

]: 25°C, je 1 mol/l in Wasser [Gas 1atm], [']: bei pH=7) in kJ/mol

C

H

O

: -917.2 (Edukt: x -1) +917.2 O

: 0 (Edukt: x -6) 0 CO

: -394.4 (Produkt: x 6) -2366.4 H

O : -237.2 (Produkt: x 6) -1423.2

Summe: ∆G

'= -2872.4 kJ mol

Dass Sauerstoff nicht direkt mit Glucose reagiert, spielt in der Thermodynamik keine Rolle, nur die Differenz zwischen Anfangs- und Endzustand.

Glucose-Oxidation

Energie von Redoxreaktionen

∆G = -n F

∆E

R T c

∆E = ∆E

- 

ln  (Nernstsche Gleichung) n F c

∆E

: Redoxpotential unter Standardbedingungen n : Zahl der Ladungen oder Elektronen pro

Reaktion

F : Faradaykonstante (Energie pro mol Ladungen und Volt) 96.5 kJ mol

V

Die Faraday-Konstante erlaubt die einfache Umrechnung von

Redoxreaktionen

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Beispiel Knallgasreaktion

H

+ ½ O

→ H

O

Standard-Redoxpotenziale E

' (V) 2 H

/H

-0.413

½ O

+ 2 H

/H

O +0.814

∆G = -n F

∆E

∆G

' = -2

96.5 kJ mol

V

1.23 V = -238 kJ/mol

Knallgasreaktion

Beispiel Knallgasreaktion

H

+ ½ O

→ H

O

Bildungsenthalpien ∆G

'(f) laut Tabelle unter in kJ/mol H

: 0 (Edukt: x -1) 0 O

: 0 (Edukt: x -0.5) 0 H

O : -238 (Produkt: x 1) -238

Summe: -238 kJ/mol

Knallgasreaktion

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E = h ^. ν

E : Energie in kJ/mol

h : Planck'sches Wirkungsquantum (6.626

10

Js)

ν : Frequenz (Lichtgeschwindigkeit (≈1 sec zum Mond) [300

10

m/s]/Wellenlänge [nm])

Beispiel grünes Licht mit 546 nm: 220 kJ mol

Photonen zum Vergleich: E = m . c ² (Kernreaktionen!)

Lichtenergie Lichtenergie