Biochemie

COOH I

~H~ 1-0--t- ~

0

I

Abb. 9: Übersicht über die pK-Werte ausgewählter funktioneller Gruppen

5

www.medi-learn.de

Cl)

6

I Aminosäuren tren von Enzymen (s. S. 28). Im Gegensatz dazu liegen die funk ti onellen Gruppen der anderen Aminosäuren im physiologischen pH-Bereich entweder protoniert (= basische Aminosäuren) oder deprotoniert (= saure Aminosäuren) vor und können nur bei pH-Änderungen Wasserstoff aufnehmen oder abgeben.

Beispiel: Berechnung des isoelektrischen Punktes von Glycin: pK 1 (COO')

= 2,35

pK 2 (N H3•) = 9 ,78 Ip =

. .

2,35 + 9,78 =

2

6 •065

Ü br i gen s ...

Abb. 11: isoelektrischer Punkt von Glycin

Auch Peptide und Proteine besitzen einen isoelektri sche n Punkt. Er ber echnet sich aus den fun ktionellen Gruppen aller Aminosäuren, die im Peptid / Protein vorkommen. Da jedoch beim Einbau vo n Aminosäuren in Proteine die Am ino- und die Carboxylgruppe an der Peptidbindung teilnehmen, haben diese beiden keinen Einfluss mehr auf den I.P. Der I.P. von Peptiden wird daher nur durch die pK-Werte der Aminosäure-Seitenketten bestimmt.

Etwas komplizierter wird es, wenn man den I.P. von Aminosäuren berechnen will, die mehr als eine Carboxylgru ppe (= COOH) oder mehr als eine Aminogru ppe besitzen. Als Faustregel kann man sagen, dass sich ihr I.P. aus dem Mittelwert der beiden pK-Werte ergibt, die am nächsten beieinander liegen: Für saure AS gilt:

I p = pK (C0 0 -)1 + pK (COO'h . . 2

1.3 Strukturformeln Bei einigen Fragen im Physikum bekommt man die Strukturformel einer Aminosäure vorgelegt und soll dann sagen, um welche Aminosäure es sich d abei handelt. Aus di esem Grund ist es leider wichtig, einige besonders oft vorkommende Aminosäuren auswendig zu wissen. Besond eres Augenmerk ist dabei auf die proteinogenen Aminosäuren zu legen. Welche davon im Einzelnen wich ti g sind, ist am Ende d ieses Abschnitts noch einmal zusammengefasst.

Beispiel: Berechnung des isoelektrischen Punktes von Lysin: coo· I

H3 N•

-y- H CH ? I

-

pK1 (C oo·)

= 2,2

pK2(N H3+) = 9 ,0 pK3(NH 3 •) = 10,4

CH 2 I

CH ? I

-

I.P. =

9,0

+

10,4

2

=9,7

CH 2

1 .3 .1 N ichtproteinegene Aminosäuren Aminosäuren, die sich nicht in der Sequenz von Proteinen wiederfinden, heißen nichtproteinogene Aminosäu ren . Sie spielen bei folgenden Stoffwechselvorgängen eine bedeutende Rolle: • bei der Biosynthese von Harnstoff, • als Zwischenprodukte im Stoffwechsel der proteinogenen Aminosäuren und • als Vorstufen niedermolekularer Verbindungen(= Pigmente, biogene Amine).

I

NH 3• Abb. 12: isoelektrischer Punkt von Lysin

In Tabelle 1 auf Seite 8 dieses Skriptes sind die pK-Werte der 20 proteinogenen Aminosäu ren aufgeliste t. Auch sie muss nicht auswendig gelernt werden. Wissen sollte man allerdings, dass Histidin mit ihrem I.P. von 7,6 die einzige Aminosäure ist, deren I.P. nahe am physiologischen pH-Wert unseres Körpers (ungefähr 7,4) liegt und dadurch sowohl Protonen aufnehmen als auch abgeben kann, ohne dass sich dafür der pHWert verändern muss. Aus diesem Grund ist Histidin häufig Bestandteil der katalytischen Zen-

6

Strukturformeln

coo· I

H N' - C - H I

CH , I

I

1.3.2 Proteinegene Aminosäuren Alle Aminosäuren, d ie durch die Translation in die Primärstruktur von Proteinen (= Sequenz) eingebaut werden, heißen proteinogen. Zur Zeit sind 20 proteinogene Aminosäuren bekannt. In Tabelle 1 auf Seite 8 sind die proteinogenen Aminosäuren mit ihren Eigenschaften und ihrer Bedeutung zusammengefasst. Oie Tabelle soll aber vorwiegend zum Nachschlagen dienen. Die für das Physikum wichtigen Stoffwechselwege werden in KapitelLS, ab Seite 12 noch genau besprochen. Dagegen sollte man sämtliche Strukturformeln und Namen der Aminosäuren kennen, da sie sehr wahrscheinlich im Physikum auftauchen.

Ornithin entsteht durch Abspaltung der Guanidinogruppe (= Harnstoffgruppe) von Arginin, z. B. im Harnstoffzyklus (s. 1.5.5, ab S. 17).

3

I7 r

-

CH 2 I

CH 2 - NH 2 Abb. 13: Strukturformel von Ornithin

Citrullin entsteht ebenfalls im Harnstoffzyklus und zwar durch die Verknüpfung von Ornithin mit Carbamoylphosphat mittels der OrnithinCarbamoyl phosphat-Transferase.

Zur besseren Übersicht teilt man Aminosäuren nach unterschiedlichen Gesichtspunkten ein: • Nach ihrem isoelektrischen Punkt in - sauer, - neutral, - basisch, • oder nach dem Verhalten ihrer Seitenketten in - hydrophil = wasserliebend und - hydrophob = wasserfeindlich.

Abb. 14: Strukturformel von Citrullin

Hornocystein entsteht durch Abspaltung der Methylgruppe von Methionin und ist Zwischenp rodukt des Methioninstoffwechsels.

Saure Aminosäuren Saure Aminosäuren besitzen mehr als eine Carboxylgruppe. Auf der rechten Seite stehen ihre Amide, die ebenfalls eine wichtige Rolle im Stoffwechsel spielen und in der Sequenz von Proteinen zu finden sind.

coo· I

H N+- C - H 3

I

CH 2 I

CH o I

Übrigens ...

-

SH

Die Amide der sauren Aminosäuren (=Asparagin und Glutamin) gehören zu den neutralen Aminosäuren. Sie sind an dieser Stelle nur aufgeführt, weil sie im Stoffwechsel eine enge Beziehung zu ih ren Säu ren haben und in einander umgewandelt werden.

Abb. 15: Strukturformel von Homocystein

GABA entsteht durch Abspaltung der a-Carboxylgruppe von GlutarTtat und is t ein Neurotransmitter(= Überträgerstoff) im Gehirn. H3 W - CH 2 I

CH , I

-

CH 2 I

COO" Abb. 16: Strukturformel von GABA

www.medi-Iearn.de 7

Ci)

Aminosäuren

lf} •

••

.............

I~

-- - -

I

I~

~I

-

ll=!U

Asp

Aspartat

sauer

2 ,85

spielt eine wichtige Rolle im Harnstoffzyklus

Glu

Glutamat

sauer

3,15

Rea kt ionsfolge a-Keto glutarat -7 Glu -7 Gin, ermöglicht Bindung des Zellgifts Ammoniak

Cys

Cystein

hydrophil

5 ,05

spielt eine wichtige Rolle bei der Ausbildung von Disulfiden, z. B. im Glutathion

Asn

Asparag in

hydrophil

5,41

Phe

Phenylalan in

hydrophob

5,49

Thr

Threonin

hydrophil

5,60

Tyr

Tyrosin

hydrophil

5,64

im Protein phosporylierbar (Substrat von Tyr-Kinasen)

Gin

Glutamin

hydrophil

5,65

universeller NH2 -Donor im Stoffwechsel

Ser

Serin

hydrophil

5 ,68

im Protein phosporylierbar (Kinasesu bstrat]

Met

Methionin

hydrophob

5,74

Trp

Tryptophan

hydrophob

5,89

Val

Valin

hydr ophob

6,00

-

Leu

Leuein

hydrophob

6,01

-

lle

Isoleuein

hydrophob

6,05

-

Gly

Glycin

hydrophil

6.06

einzige achirale AS durch zwei Wasserstoffatome am a-C-Atom

Al a

Alanin

hydrophob

6.11

entsteht aus Pyruvat durch Transam inierung

Pro

Prolin

hydrophob

6,30

kann Prote instrukturen wie a-Helices oder f3 -Faltblätter unterbrechen, als Hydroxyp rolin in hoher Konzentration im Kollagen enthalten

His

Histidin

basisch

7,60

pK-Wert im Neutralbereich; ermöglicht Säure j Basen-Katalyse; häufig an enzymatischen Reaktionen beteiligt

Lys

Lysin

basisch

9,60

als Hydroxylysin im Kollagen enthalten

Arg

Arginin

basisch

10,76

Metabolit im Harnstoffzyklus: Spaltung in Ornithin und Harnstoff. Kann aufgrund seiner positiven Ladung negativ gelade ne Gruppen fixieren

-

wichtig im Rahmen des Krankheitsbildes der Phenylketonurie

-

-

Vorstufe von Serotonin, Melatonin und Niacin

Tabelle 1: Die 20 proteineogenen Aminosäuren und ihre Eigenschaften

8

Strukturformeln

zugehöriges, neutrales Amid

saure Aminosäure

cooH3W - c - H

l

I

H3 N• - c - H

l

H3N• - c - H

I

I

I

-

-

I

CH 2

CH 2

CH 2

CH 2

CH 2

CH 2

I

I

c ~o

coo-

l

H3 N• - c - H

I

CH ?

CH ?

coo-

l

coo-

cooI

Basische Aminosäuren

I

I

I

NH 2

I

H - N - C ~ NH /

CH 2

I

Asparagin

Aspartat

Arginin

Lysin

Abb. 19: Strukturformeln der basischen Aminosäuren

coo-

coo-

l

l

H3 W - C - H

Hw- e- H I

M ERKE:

I

CH 2

CH 2

CH ?

CH 2

coo-

c ~o

Alle basischen Amino säuren sind im physiologischen pH-Bereich positiv geladen und können daher negativ geladene Gruppen binden.

I

I I

NH 3•

zugehöriges, neutrales Amid

saure Am inosäure

3

I

NH 2

I

-

I

NH 2

Glutamat

Schwefelhaltige Aminosäuren

Glutamin

coo·

cool

Abb. 17: Strukturformeln der sauren Aminosäuren und

H3 W - C - H

I

H3 W - C - H I

I

ihrer neutralen Amide

CH 2

CH 2

SH

CH 2

I

I

I

Neutrale Aminosäuren Cystein

coo-

Methionin

sI CH 3

l

H3 W - C - H I

Abb. 20: Strukturformeln der schwefelhaltigen

CH 3 Alanin

Glycin

coo·

coo-

Sonderfall Selenocystein Aus dem Serin (NICHT dem Cystein) leitet sich die 21. proteinogene Aminosäure ab, das Selenocystein. Zu einem Sonderfall w ird Selenocystein nicht nur, weil es erst unmittelbar bei der Translation durch die Selenocystein-Synthase durch Modifikation von an tRNA-gebw1denem Serin entsteht, sondern auch weil auf Genebene ein UGA-Codon für es codiert, das ja in den m eisten Fällen als StopCodon fw1giert. Folgen auf die Sequenz UGA jedoch bestimmte Nukleotide, führt dies zum Einbau von Selenocystein. Strukturell ähnelt Selenocystein sehr dem Cystein. Einziger Unterschied: Statt des Schwefelatoms enthält Selenocystein ein Selenatom, wodurch es noch redoxreaktiver ist als Cystein. Aus diesem Grw1d finde t sich Selenocystein im aktiven Zentrum einiger Enzyme, wie z.B. der Glutathion-Peroxidase.

H3 W - C - H

l

H 3W - ~ - H

I

H - C - OH

H - C - OH

I

CH 3

I

H Serin

Aminosäuren

coo·

Threonin

I

H3 W - C - H I

H - C - CH 3 I

CH 3

coo-

Valin

l

H3 W - C - H I

H - C - CH 3 I

CH 2 I

CH 3 Isoleuein

Leuein

Abb. 18: Strukturformeln der neutralen Aminosäuren

9

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10

I

Aminosäuren

Unter den h eterozyklischen Aminosäuren fällt Prolin etwas aus der Reihe, da sein Aminostickstoff an zwei C-Atome gebnnden ist. Formal ist Prolin dadurch keine Aminosäure, sondern eine Iminosäure. Wird Prolin in eine AminosäuresequellZ eingebau t, kommt es zum Abknicken der Polypeptidkette (s. 3.2.2, S. 38), eine Tatsache die bislang immer wieder '"--tr~GL gerne im Physikum gefragt wurde __ _

coo· I HN · - c - H 3

I

CH 2

I Se H

Abb. 21 : Strukturformel von Selenocystein

Aromatische Aminosäuren

Abb. 22: Strukturformeln der aromatischen Aminosäuren

Eine weitere Besonderheit w1ter den heterozyklischen Aminosäuren stellt das Histidin dar, dessen Heterozyklus ein Imidazolring ist. Da der pK-Wert der Seitenkette des Histidins mit 6,04 arn ehesten dem physiologischen pH-Bereich entsprid1t, kann es in EI1Zymen sowohl Protonendonator als aud1 Protonenakzeptor sein. Aus diesem GfUJld ist Histidin oft Bestandteil des aktiven Zentrums (s. S. 43), z.B. von Serinproteasen (= Enzyme mit der Aminosä ure Serin im aktiven Zentrum). Beispiele sind Enzyme der Blutgerirmnng wie Plasmin tmd Thrombin (s. Skript Biochemie 6) aber auch Verdaunngsenzyme wie das Trypsin.

Heterozyklische Aminosäuren Heterozyklisch bedeutet, dass diese Aminosäuren eine gemischte (= hetero-) Ringstruktur (= -zyklisch) besitzen, an deren Bildung neben Kohlenstoff auch Stickstoff beteiligt ist

Essenzielle Aminosäuren Von den 20 proteinogenen Aminosäuren sind 8 essenzieU, d.h. der Körper karm sie NICHT selbst synthetisieren, sondern sie müssen von außen mit der Nahrung aufgenommen werden.

coo-

cool

NH 3· - c - H I

6 Phenylala nin

l

NH 3•- ? - H

0 OH

Tyrosin

coocool

NH 3+- C - H I

CH 2

~N N___j I

Übrigens ...

l

NH 3•- c - H

• Ih r solltet mindestens die Namen aller esse nziellen Aminosäuren kennen.

I

CH 2

j=:JO

MERKE Merkspruch für die essenziellen Aminosäuren: Phänomenale lsolde trübt mitunter Leutnant Valentins liebliche Träume. Für: Phenylalanin, lsoleucin, Tryptophan, Methionin, Leucin, Valin, Lysin und Threonin.

I

H

H Histidin

Tryptophan

1.3.3 Wie soll man sich diese Strukturformeln nur merken? Auf den ersten Blick scheint es unmöglich, sich die Formeln für alle 20 Aminosäuren zu merken. Im Prinzip ist das auch nicht unbedingt notwendig. Viele Aminosäuren entstehen aus Produkten, die im Körper bei and eren Stoffwechselschritten anfallen. So entsteht: • Aspartat aus Oxalacetat durch Transaminierung (= GOT),

Prolin Abb. 23: Strukturformeln der heterozyklischen Aminosäuren

10

Das bringt Punkte

I 11

• Alanin aus Pyruvat durch Transaminierung (= Werte, die am nächsten beieinander liegen. GPT), • Jede Aminosäure hat genau EINEN isoelektrischen ~~ ·( Punkt, der für diese Am inosäure charakteristisch ist. • Serin aus Threonin oder Glycin, • Tyrosin aus Phenylalanin durch • Alle für den Körper nutzbaren Aminosäuren sind Hydroxylierung, L-Aminosäuren. • Oie essenziellen Aminosäuren sind: • Glutamat aus cx-Ketoglutarat durch Aminierung und Phenylalanin, lsoleucin, Tryptophan. Methionin. Leucin, Valin, Lysin und Threonin. • Glutamin aus Glutamat durch Transaminierung. Von diesen Aminosäuren sollte man die Strukturformeln kennen: Folgende Aminosäuren sollte man sich aber • Glycin mindestens merken, da sie entweder oft gefragt • Serin werden oder ab er an besonders wichtigen Stoff• Alanin wechselprozessen teilnehm en: • Asparat mit dem Amid Asparagin • Glycin ist relativ leicht zu merken, da es die einfachste Aminosäure ist, • Glutamat mit dem Amid Glutamin • Alanin ist abzul eiten aus Pyruvat, • Phenylalanin • Serin ist wie Threonin eine Aminosäure mit einer OH-Gruppe, • Glutamat ist wichtig, da es an vielen Reaktionen teilnimmt (= GOT, GPT); am besten auch gleich die Strukturformel des Glutamins mitlernen, Wozu benötigt der Körper Aminosäuren? • Aspartat ist wichtig, da es im Harnstoffzyklus Aminosäuren erfüllen im Körper fünf wichtige Funkvorkommt, • Cystein ist wichtig als Bestandteil von Glutationen : • Sie werden zur Energiegewinnung genutzt. thion (s. S. 32), • Phenylalanin ist entscheidend für das Krank• Bei Überschuss werden aus ihnen Energiereserheitsbild der Phenylketonurie und ven (= Fettdepots] angelegt. • Aus ihnen kan n in der Glucanengenese Glucose ge• Tyrosin entsteht durch Hydroxylierung aus Phenylalanin und ist Vorstufe der Katecholabildet werden. • Zur Synthese von Enzymen in der Translation wermine Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin. den Aminosäuren benötigt. • Sie dienen dem Aufbau von körpereigenen Proteinen z.B. für Muskeln . Welche Art von Aminosäuren werden verstoffwechselt und wie unterscheiden sie sich? Der Körper ist nur in der Lage L-Aminosäu ren zu verstoffwechseln. Für 0-Aminosäuren besitzt er keine passenden Enzyme. Der Unterschied zwischen diesen beiden Formen ist, dass bei der L-Form die Aminogruppe links steht, bei der 0-Form rechts.

Zu den allgemeinen. chemischen Eigenschaften und den Strukturformeln von Aminosäuren wurden bisher im Physikum vorwiegend Fragen zum isoelektrischen Punkt gestellt. Außerdem sollte man die wichtigsten Aminosäuren an ihrer Strukturformel erkennen. Mit folgenden Fakten lässt sich besonders gut punkten: • Der pH-Wert, an dem eine Aminosäure genauso viele positive wie negative Ladungen besitzt, heißt isoelektrischer Punkt (I.P.). • Der I.P. errechnet sich aus dem Mittelwert der beiden pK-Werte. Bei Aminosäuren mit mehr als einer funktionellen Gruppe sind das die beiden pK-

Was bedeutet .. isoelektrischer Punkt von Aminosäuren "? Wie wird er berechnet? Der isoelektrische Punkt von Aminosäuren ist der pH-Wert, an dem eine Aminosäure genauso viele positive wie negative Ladungen besitzt. Er berechnet sich nach der Formel (pks1 + pks 2]/ 2. Jede Aminosäure hat genau EINEN isoelektrischen Punkt. der für sie charakteristisch ist.

www.medi-learn.de 11

®

I

12j Aminosäuren

Welche Aminosäure ist achiral? Welche besitzt ein Chiralitätszentrum? Welche zwei? Die einzige achirale Am inosäure ist Glycin. Alle anderen Aminosäuren besitzen mindestens ein Chiralitätszentrum, Threonin und Isoleuein sogar zwei. Was bedeutet der Begriff "essenzielle Aminosäuren" und wie heißen sie? Essenzielle Aminosäuren sind die acht Aminosäuren, die vom Körper nicht selbst synthetisiert werden können. Sie müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Im Einzelnen sind das: Phenylalanin, lsoleucin. Tryptophan, Methionin, Leucin, Valin, Lysin und Threonin.

Die Strukturformel von PALP muss übrigens nicht auswendig gelernt werden und ist nur der Vollständigkeit halber aufgeführt. Die Reaktionen, an denen PALP beteiligt ist, lassen sich auf diese drei Bereiche einschränken: • Transaminierungen(= Bildung von Aminosäuren, s. 1.5.2, S. 14), • Decarboxylierungen (= Bildung von biogenen Aminen, s. 1.5.3, S. 14), • b- Aminolävulinsäure-Synthase (= Hämsynthese s. Skript Biochemie 6).

Übrigens ... ß~\()R ~

\()R

LAIJT~R

An dieser Stelle noch ein kleiner Ausflug zu den Vitam inen: Bei Carboxylierungen und Decarboxylierungen sind jeweils Vitamine als Coenzyme beteiligt, nämlich das Biotin und das Pyridoxalphosph at. Dabei ist das Coenzym mit weniger Buchstaben auch an der Reaktion mit weniger Buchstaben beteiligt, also das Biotin an Carboxylierungen und das Pyridoxalphosphat an Decarboxylierungen.

srRw_'T\JR-

fOR!\~L~ "J~1Lf G,L~IU! t>~R 'K.tff "DAI"PF'T, KÜMLf IH~ 2.\J.JkSUI~Nt>I.JR.UI WPiHR~~"D t>~R PAIJS~ rAL Aß ...

1.4 Pyridoxalphosphat (= PALP] Pyridoxalphosphat gehört zu den Coenzymen. Obwohl die Coenzyme erst Thema von Kapitel 5 ab Seite 60 sind, taucht Pyridoxalphosphat bereits hier auf, da es an fast allen Reaktionen beteiligt ist an denen Aminosäuren teilnehmen, und die im folgenden Kapitel besprochen werden. Das Pyridoxalphosphat (= PALP) leitet sich vom Vitamin B6 ab, das in drei Zustandsformen vorkommt: • als Pyridoxol (= Alkohol), • als Pyridoxamin (=Amin) und • als Pyridoxal (=Aldehyd). Die biologisch aktive Form ist PALP. Man kann PALP als DAS Coenzym des Aminosäurestoffwechsels bezeichnen, weswegen es auch im Physikum ständig wieder auftaucht

1.5 Aminosäure-Stoffwechsel In allen Geweben des Körpers werden Aminosäuren verstoffwechselt Das Kohlenstoffgerüst wird dabei - je nach Art der Aminosäure - im Glucosestoffwechsel (= glucoplastische Aminosäuren s. 1.5.4, ab S. 14) oder im Fett- und Ketonkörperstoffwechsel verwendet. Hierzu muss zunächst die Aminogruppe vom Kohlenstoffskelett abgetrennt werden. Daneben nehmen Aminosäuren aber auch in Form von biogenen Aminen am Aufbau von Transmittern teil (s. 1.5.3, S. 14). Die Verstoffwechslung von Aminosäuren erfolgt über • Desaminierung, - oxidativ - eliminierend • Transaminierung und • Decarboxylierung.

Abb. 24: Strukturformel PALP

12

Aminosäure-Stoffwechsel

1.5.1 Desaminierung Ob eine Aminosäure oxidativ oder eliminierend desaminiert wird, hängt von der Art der Aminosäure ab. Oxidat ive Desaminierung

coo-

coo- HP

2H

._ ~ ~ - I H3 N C H o XI·dat1on . HN - C1 1

~

coo-

Hydrolyse

O=C 1

R

R

AS

Iminesäure

a -Ketosä ure

Übrigens ... Die Glutamat-Oehydrogenase ist in hoher Konzentration in der Mitochondrienmembran der Leber lokalisiert und bei Leberschädigung - z.B. durch Hepatitis erhöht im Blutplasma nachweisbar.

MERKE:

+ NH3

R

I 1:

(2 -0xosii ure)

Abb. 25: Oxidative Oesaminierung

• Oxidativ desaminiert wird Glutamat zu a-Ketoglutarat in der GLDH Reaktion . • Die oxidative Desaminierung [s. Abb . 26] benötigt als einziger Reaktionstypus der Aminosauren KEIN Pyridoxalphosphat (= PALP).

Hier wird die Aminosäure zunächst dehydriert (= oxidiert), wobei der frei werdende Wasserstoff auf NAD• oder auf NADP~ übertragen wird. Als Zwischenprodukt entsteht so eine Iminosäure, also eine Aminosäure, deren Stickstoff zweimal an Kohlenstoff gebunden ist (vgl. Prolin S. 29). Unter Einlagerung von H 20 (= Hydrolyse) wird dann die Iminogruppe abgetrennt. Es entsteht eine cx-Ketosäure und Ammoniak. Der Verbleib des Wassers ist zur Verdeutlichung in der Graphik hervorgehoben. Die Reaktionsabfolge der oxidativen Desaminierung besteht also aus einer Oxidation und einer Hydrolyse.

Eliminierende Desaminierung Bei der eliminierenden Desaminierung wird der a -Aminostickstoff durch Abspaltung von Wasser (= Dehydratisierung) entfernt. Bei schwefelhaltigen Aminosäuren (= Methionin und Cystein) wird anstelle des Wassers H 2S abgespalten. Diese Reaktion ist pyridoxalphosphat- (PALP-)abhängig. Die entstandene cx-Iminosäure wird weiter zur a -Ketosäure und Ammoniak hydrolysiert. Die Reaktionsfolge der eliminierenden Desaminierung besteht also aus einer Dehydratisierung und einer Hydrolyse.

Glutamat-Oehydrogenase-Reaktion (= GLDH) In diesem Zusammenhang ist die oxidative Desaminierung von Glutamat durch die GLDH besonders wichtig. Das entstehende cx-Ketoglutarat ist bedeutender Reaktionspartner von Transaminierungen (s. 1.5.2, S. 14), bei denen erneut Glutamat entsteht. Als Coenzym der Glutamat-Oehydrogenase-Reaktion wird N AD• benötigt.

Eliminierend desaminiert werden: • Glycin. • die beiden schwefelhaltigen Aminosauren Methionin und Cystein, • die beiden neutralen OH-haltigen Aminosäuren Serin und Th reonin.

MERKE:

coo, H) 't

C H I

Pyruvat

Glutamat

~

H- C- OH

Alanin

I

H

\

l H , N ~ ·- C -· II

CH,

l

H20

Dehydratisierung

Serin

Glu7e hyd~se · r.1. -Ketoglutarat + NH 3

NAD•

coo-

P~LP

_Ser1n-D_ell ycl ra tase

NADH + H•

coo-

coo-

l H 2 N~ = C I

l

O= C

HP

I

CH 3 Abb. 26: GLDH- Reaktion

Pyruvat

CH 3 Hydrolyse

Abb. 27: Eliminierende Desaminierung

13

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er

14j Aminosäuren

1 .5.2 Transaminierung Unter Transaminierung versteht man di e reversible Übertragung der Aminogruppe von einer Aminosäure A auf eine Ketosäure B. Bei der Reaktion entstehen eine neu e Ketosäure A w1d eine neue Aminosäure B. Auf diesem Weg kann der Körper nicht- essenzielle Aminosäuren aufbauen.

coo·

coo·

I

I

H3N· - c - H + O = C I

I

R1

R2

AS I

Ketosäure II

coo·

(PALP)

coo·

I

O= C

Transaminase

I

Die Bildung der biogenen Amine ist relativ einfach. Durch eine PALP-abhängige Decarboxylase wird die a-Carboxylgruppe der Am inosäure unter Bildung von C02 abgetrennt. Produkt dieser Reaktion ist bereits das biogene Am in. Die Inaktivierung der biogenen Amine erfolgt analog zur oxida tiven Desaminierung (s. S. 13) durch Monoaminooxidasen, wenn die betreffend e Aminosäure nur eine Aminogruppe trägt oder entsprechend durch Dioxidasen bei Aminosäuren mit zwei Aminogruppen. Als Zwischenprodukt entsteh t - wie bei der oxidative n Desaminierung auch - ei n Imin, das durch Hydrolyse zum Aldehyd und Ammoniak umgewandelt wird.

+ H3N• - c - H I

I

R,

R2

Ketosäure I

AS II

Abb. 28: Transaminierung

Das Coenzym dieses Reaktionstyps ist erneut Pyridoxalphosphat. Die zwei wichtigen Transaminierungsreaktionen sind • Glutamat-Pyruvat-Transaminase-Reaktion = GPT (ALT) und • Glutamat-Oxalacetat-Transaminase-Reaktion =GOT (AST). Beide werden in Abschnitt 1.5.5, ab Seite 17 besprochen.

1.5.4 Abbau des Koh lenstoffgerüsts Je nachdem, welche Produkte am Ende des Aminosäureabbaus entstehen, unterscheidet man zwischen • glucoplastischen (= können au ch zur Gluconeogenese verwendet werden), • ketoplastischen Aminosäuren(= aus ihnen können Ketonkörper synthe ti siert werden) sowie • gluco- und ketoplastischen Aminosäuren.

1.5.3 Decarboxylierung/Bildung biogener Amine Durch PALP-abhängige Decarboxylierung von Aminosäuren entstehen biogene Amine. Biogene Amine besitzen ein Kohlenstoffatom weniger als di e zugehörige Aminosäure. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Signalübertragung, z.B. als Hormon (= Adrenalin, Histamin) oder Neurotra nsmitter(= Noradrenalin, Serotonin). Bildung biogener Amine

Aminosa ure

Abbau biogener Amine

biogenes Amin

Imin

Aldehyd + A mmoniak

Abb. 29: Bildung und Abbau biogener Amine

14

Aminosäure-Stoffwechsel

Serin Alanin Cystein Glycin Threo nin

Gluco- und ketoplastische Aminosä uren werden an unterschiedlicher Stelle in den Citratzyklus eingeschleust. Einen Überblick darüber gibt folgende Abbildung:

Acel-CoA

CJ

glucoplastisch

CJ

gluco- und ketoplastisch

c=::>

ketoplastisch

1

~ 1T'}'ptoph'" 1:

~'""'' ~ ca

l

I Aspartat 1-------7

A<etyi-CoA '

Oxalace~

/ Acetoacetat

i Phenylalanin Tyrosin

j1s

Citrat

Malat

\

l

Isocitrat

Fu\t

)

Succinat

~

[ Isoleuein J

a-Ketoglutara t Succinyi-CoA /

Prolin Glutamat Histidin Arginin

Abb. 30: Einschleusung der Aminosäuren in den Citratzyklus

Glucoplastische Aminosäuren

Beim Abbau von glucop lastischen Aminosä uren entstehen Produkte, die sich in die Gluconeogenese einschleusen lassen, aus denen also Glucose aufge baut werden kann. Bei diesen Produkten hand elt es sich meist um Substra te des Citratzyklus wi e • Pyruvat, • Succinyi-CoA, • a-Ketoglutarat oder • Oxalacetat.

www.medi-learn.de 15

(?\? \V

16j Aminosäuren

Hier mal alles Wissenswerte zu den glucoplastischen Aminosäuren auf einen Blick: I

8 I .,

•

I

I

•

bis auf Leuein sind alle neutralen Aminosäuren 1 - - - - - -- - - - - - + - - - - - - - - - - - 1 glucoplastisch; eine Zwischenrolle spielt lsoleucin, das gluco- und ketoplastisch ist

Tabelle 3: Glucoplastische Aminosäuren

Ketoplastische Aminosäuren

Da - wie aus dem Fettstoffwechsel bekannt - Acetyl-CoA NICHT zur Gluconeogenese verwendet werden kann, werden alle Aminosäuren, die beim Abbau ihres Kohlens toffgerüsts Acetyl-CoA liefern, als ketoplastisch (= ketogen) bezeichnet. Das Acetyl-CoA wird entweder in den Citratzyklus eingeschleust und verstoffwechselt, oder es dient zur Synthese von Fettsäuren und Ketonkörpern .

0

Aceton

ß-Hydroxybuttersäure Hier kommt das Wissenswerte zu den ketoplastischen Aminosäuren:

Leuein

0 II

/ C - C H 2 - C - CH 3

Abb. 31: Ketonkörper

Acetyi·CoA; Acetoseetat

die beiden Aminosäuren, 1 - - - - - - + - - - - - - - l f - - - - - -- -""' die mit "L" Acetyi-CoA anfangen sind rein ketogen. Tabelle 4: Ketoplastische Aminosäuren

16

HO Acetoacetat

Aminosäure-Stoffwechsel

Gluco- und ketoplastische Aminosäuren Beim Abbau einiger Aminosäuren entstehen sowohl Produkte, die zur Gluconeogenese, als auch solche, die zur Synth ese von Ketonkörper verwendet werden können. Diese Aminosäuren ne1mt man folglich gluco- u nd ketoplastisch:

Isoleuein

Succinyi-CoA; Acetyi-CoA

Phenyl alanin

Fumarat; Acetoacetat

Tyrosin

Fumarat; Acetoacetat

Trypto phan

Pyruvat; Acetyi-CoA

beide aromatischen Aminosäuren sind glucound ketoplastisch

Tabelle 5: Gluco- und kataplastische Aminosäuren

Bildung und Transport des Ammoniaks Aminosäuren werden in allen Geweben durch die Mechanismen der Transaminierung, Desaminierung und Decarboxylierung (s. 1.5.1. bis 1.5.3, ab S. 13) ab-/umgebaut. Der vor allem bei der Desaminierung freiwerdende Ammoniak ist ein hoch toxisches Zellgift, das besonders die Nervenreizleitung stört. Der Körper muss daher den anfallenden Ammoniak so schnell wie möglich entgiften. Die Enzyme zur Entgiftung des Ammoniaks sind allerdings nur in der Leber lokalisiert, weswegen der Körper einen Transportmechanismus für Ammoniak von den peripheren Geweben (z.B. dem Muskel) über das Blut zur Leber benötigt. Dabei spielen drei Transport-Aminosäuren eine wichtige Rolle: • Glutamat aus a-Ketoglutarat, • Alanin aus Pyruvat und • Aspartat aus Oxalacetat. Für den Transport von Stickstoff sind d iese drei deshalb so gut geeignet, da ihr Kohlenstoffgerüst ständig bei anderen Stoffwechselschritten anfällt und sie durch einfache Transaminierung synthetisiert werden können .

Glutamat: Eine Schlüsselrolle bei diesen Transaminierungen spielt das G lutama t. Es entsteht direkt durch die Bindung freien Ammoniaks an a-Ketoglutarat durch die Glutamat-Dehydrogenase.

Ü bri gen s ... Dass die aromatischen Aminosäuren beide gluco- und ketoplastisch si nd, macht auch Sinn, wenn man bedenkt, dass aus Phenylalanin durch Hydroxylierung[ = Anhängen ein er OH-Gru ppe] Tyrosin entstehen kann . Der Abbau beider Am inosäuren ist eben falls identisch.

coo· I

1.5 .5 Entgiftung des Ammon iaks Ein sehr dankbares Thema in der Biochemie sind die großen Stoffwechselwege. Beim Fettsäureabbau ist das die ß-Oxidation, beim YffiU 1J Glucoseabbau die Glykolyse. Auch \ ·· der Am inosäureabbau besitzt einen entsprechenden, gerne gefragten Stoffwechselprozess, den Harnstoff-

zyklus. Im Harnstoffzyklus wird der neurotoxische Ammoniak der Aminogruppe von Aminosäuren in wen iger gifti gen Harnstoff umgewandelt. Wie Ammon iak entsteht und wie es zur Leber transportiert wird, um dort entgiftet zu werden, ist Thema d ieses Abschnitts.

17

O=C I

CH 2 I

CH , I

-

coo· u -Ketoglutarat +Ammoniak

----~

Glutamat

Abb. 32: Bindung von freiem Ammoniak

Glu tamat ist in sehr hohen Konzentrationen im Körper vorhanden und steht so für diverse Transaminierungen zur Verfügung. In diesem Zusammenhang sehr wichtige Reaktionen sind:

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(

1aj

Aminosäuren

1 GPT: Bildung von Alanin aus Pyruvat durch die Glutarnat-Pyruvat-Transaminase (= GPT). Eine andere, neuere Bezeichnung für die GPT ist ALT (=Alanin-Arninotransferase).

coo· I

coo·

coo·

I

H3 N+- CH

+ O= C

1

I

CH 2

PALP

I

O= C

+ H 3 W - CH

I

CH 3

I

coo·

I

~

I

CH 2

CH 3

I

CH 2

CH 2

coo·

coo·

I

Übrigens ... • Das bei beiden Reaktionen - der GPT und der GOT - wieder freigesetzte a-Ketoglutarat wird erneut durch Bindung von freiem Ammoniak zu Glutamat umgewandelt. • Glutamat kann noch ein e zweite Ammoniakgruppe am y -C·Atom binden . Diese Reaktion wird durch die Glutamin-Synthetase katalysiert und ist ATP-abhängig. Im Gegensatz zu Synthasen verbrauchen Synthetasen bei der Li gation ATP. Das dabei entstehende Glutamin ist wie Alanin ein Stickstofftransporter im Blut plasma . gelangt allerdings nicht - wie das Alanin - zur Leber, sondern ist vorwiegend Stickstofflieferant für die Nieren. Dort angekommen . wird ein Ammoniumion abgespalten und in den Urin abgegeben, wo es u.a. zur Neutralisation von Säuren im Harn beiträgt. Das Kohlenstoffgerüst des Glutamins wird für die Gluconeogenese verwendet.

I

Glutamat + Pyruvat

a -Ketoglutarat + Alanin

Abb. 33: GPT-Reaktion Transaminierung Pyruvat

~

Alanin

2 GOT: Bildung von Aspartat durch die Glutarnat-Oxalacetat-Transarninase(=GOT). Eine andere, neuere Bezeichnung für die GOT ist AST (= Aspartat-Aminotransferase).

cooGlutamin-Synthease

7 "\ )

AT P

coo· I

H3W - CH

coo· I

+ O=C

I

I

~

I

CH 2

CH 2

CH 2

coo·

I

coo· PALP

I

I

I

+HzO

CH 2 I

I

I

NH 2

I

CH 2

CH 2

coo·

G lutamin

Glutamat + Ammoniak

I

I

I

O= C

coo· -----7

CH 2

H3 N+- CH

CH 2

I

ADP+P

coo·

I

coo· Glutamat + Oxalacetat

+

O=C

l

H3 W - CH

Abb. 35: Fixierung einer zweiten Ammoniakgruppe an Glutamat

a- Ketoglutarat + Aspartat

Abb. 34: GOT-Reaktion Oxalacetat

~

Alaninzyklus Die in der GPT-Reaktion au s Pyruvat und Amm oniak gebildete Aminosäure Alanin ist an einem recht einfachen, aber für den Ammoniaktransport sehr bedeutenden Kreislauf beteiligt:

Aspartat

Blut Glucose ~---- Glucose

0

Harnstoffzyklus

Leber

Blut Abb. 36: Alaninzyklus

18

Ami nosäu re-Stoffwec hsel

1 Alanin wird vom Gewebe ins Blutplasma abgegeben. 2 Von den Hepa tozyten der Leber wird Alanin aufgenommen und durch Transaminierung in Pyruvat umgewandelt, wobei die Aminogruppe auf Oxalacetat übertragen wird. 3 und 4 Während das Pyruvat der Gluconeogenese zugeführt werden kann, spielt das entstandene Aspartat eine bedeutende Rolle bei der Harnstoffsynthese (= Hamstoffzyklus, s. u.). 5 Die produzierte Glucose wird von der Leber an das Blut abgegeben und zurück zum Muskel transportiert. 6 und 7 Im Muskel entsteht in der Glykolyse wieder Pyruvat, das in der GPT durch Transaminierung erneut Alanin liefert, womit sid1 der Zyklus sduießt. M ERKE:

Der Transport von Ammoniak vom Gewebe zur Leber und die Einschleusung in den Harnstoffzyklus erfolgt folgendermaßen: • Dur ch Desaminierung aus Aminosäuren freigesetztes Ammoniak wi r d an a-Ketoglutarat gebunden, wodurch Glutamat entsteht. • Glutamat überträgt den Stickstoff in der GPTReaktion auf Pyruvat, wodurch Alanin entsteht. • Alanin wird im Blutplasma zur Leber transportiert. • in der Leber wird der Stickstoff vom Alanin unter erneuter Bildung von Pyruvat auf Oxalacetat übertragen, wodurch Aspartat entsteht. • Aspartat wird in den Harnstoffzyklus eingeschleust.

Harnstoffzyklus Im Harnstoffzyklus (s. Abb. 37, S. 20) bildet der Körper - vereinfacht gesagt - aus einem Molekül Ammoniak, der Aminogruppe vonAspartatund C02 unter ATPVerbrauch ein Molekül Harnstoff. Diesen viel Energie verbrauchenden Prozess leistet sich der Körper, um das giftige Ammoniak ausscheidbar zu machen. 1 Im ersten Schritt des Harnstoffzyklus reagiert Ammoniak mit HC03· unter Verbrauch von zwei ATP zu Carbamoylphosphat. Dies ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt des Hamstoffzyklus. Das katalys ierende Enzym dieser Reaktion ist die Carbamoylphosphat-Synthetase I. Als Cofaktor wird N-Acetylglutamat benötigt. Carbarnoylphosphat ist stark polar und kann die Mitochondrienmembran NICHT überwind en.

19

2 Als nächstes wird der Carbamoylrest auf die nichtproteinogene Aminosäure Ornithin übertragen. Das Phosphat wird abgespalten. Das Enzym, das d iese Reaktion katalysiert ist die Ornithin-Carbamoyl-Transferase. Das entstandene Citrullin, ebenfalls eine nichtproteinogene Aminosäure, wird durch die Mitochondrienmembran ins Zytosol transportiert. 3 Jetzt bindet d ie Aminogruppe von Aspartat an Citrullin. Dabei entsteht Argininosuccinat. Auch diese Reaktion benötigt ein ATP, das dabei zu AMP und PP (= Pyrophosphat) gespalten wird. Insgesamt werden hier also ein ATP, aber zwei seiner energiereichen Bindungen verbraucht. Das Enzym dieser Reaktion ist die Argininosuccinat-Synthetase. 4 Ansd1ließend wird Argininosuccinat durch die Argininosuccinat-Lyase in die proteinogene Aminosäure Arginin und Fumarat gespalten. Fumarat kann entweder über Zwischenschritte zu Oxalacetat umgewandelt werden, aus dem durch Tran saminierung Aspartat regeneriert wird, oder direkt in den Citratzyklus wandern. 5 Der Harnstoffzyklus schließt sich durch die hydrolytische (= Einlagerung von H 20) Abspaltung der Harnstoffgruppe (= Guanidinogruppe) von Arginin durch die Arginase. Es entstehen Harnstoff und Ornithin, das zurück durch die Mitochondrienmembran transportiert wird und für einen weiteren Zyklus bereitsteht. Pro Molekül gebildeten Harnstoff werden im Harnstoffzyklus vier energiereiche Bindungen gespalten (3 ATP ~ 2ADP + 2P; + AMP + PP). Da aber bei der Umwandlung des ebenfalls gebildeten Fumarats in Oxalacetat NADH + H+entsteht, das in der Atmungskette wieder 3ATP liefert, beträgt der Gesamtenergieverbrauch nur 1 ATP. MERKE:

• Am Harnstoffzyklus sind zwei Kompartimente beteiligt. Die ersten beiden Schritte erfolgen im Mitochondrium , die übrigen im Zytosol. • Im Harnstoffzyklus werd en vier energiereiche Bindungen gespalten.

Der gebildete Harnstoff h·itt ins Blut über und wird von den Nieren mit dem Urin ausgeschieden.

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C

20

I

Aminosäuren

NH 3 + HCO~

0 I H 3N-CH

Carbamoyl2ATP~ d) phosphat-

coo 8

I

I

I I

CH 2 -

I

II

~H 2

.

I

I

coo 0

I ArgininosuccinatSynthetase

Oxalacetat

l

/ /

CH 2

I

CH 2

/

I

/ r - - - ---, Zytosol

I

coo 0 I

I

CH 2

I

HO -

CH

I

I

NH 2 Orn ithin

CH 2

ATP

1

I

I Mitochondrium I

.

Citrullin

0 I H3 N - CH

I

Aspartat

I

H2N-C - O - P

coo 8 I o= c

GOT

coo 8

C= O

coo 8

I CH 2

I

NH

0

Omithincarbamoy/Transferase

CH

I

CH 2

Carbamoylphosphat

I

0 H3N -

I

CH 2

Synthetase I

2 ADP + Pi

I

coo 8

CH 2

I

coo 0

I

Malat

- --

0

II

H

/ c,

H2 N

NH 2

Arginin

'c

coo 8 /

II

c

Harnstoff

8

ooc/

Abb. 37 : Harnstoffzyklus

'

H

Fumarat

Übr i gens ... • Bei der Pyrimidinbiosynthese wird ebenfa lls Carbamoylphosphat gebildet. Der Unterschied zum ersten Schritt des Harn stoffzyklu s ist. da ss die Reaktion bei der Pyrimidinsynthese im Zytosol stattfindet und der Stickstoff vom Glutamin und nicht aus freiem Ammoniak stammt. Katalysierendes Enzym ist die CarbamoylphosphatSynthetase II. • Bei ein em Mangel ei nes der Enzyme des Harnstoffzyklus tritt Ammoniak in erhöhter Konzentration im Blutplasma auf. Dies kann zu Nervenschädigungen führen. • Eine andere Reaktion , an der Arginin und Citrullin beteiligt sind, ist die Synt hese des Vasodilatators NO[= Stickstoffmonoxid = EDRF = Endeth elium derived r elaxing factor). Zu diesem Schritt sind auch andere Organe fähig, wie z.B. die Blutgefäße; er hat also nichts mit dem Harn stoffzyklus zu tun, der nur in der Leber lokalisiert ist.

coo· I

H3 W - CH I

+NO

[CH 2h I

CH 2- ,NH I

c H2 N/ Arginin Abb. 38: ND-Synthese

20

Citrullin

"0 +NO

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Basics Mündliche \ ·

Ausscheidung von Harnstoff

Harnstoff ist das Hauptprodukt für die Ausscheidung des beim Aminosäurestoffwechsels anfallenden Zellgifts Ammoniak (= NH). Es wird in der Leber produziert und ist gut wasserlöslich. Von der Leber wird Harnstoff ins Blutplasma abgegeben und vor allem durch die Nieren ausgeschieden. Harnstoff wird in den Glomerula der Nieren frei filtriert und in den Tubuli rückresorbiert Die Konzentration im Blutplasma hängt ab von der • täglichen Eiweißzufuhr, • der Funktion der Leber und • der Funktion der Ausscheidung über die Nieren. Vor allem bei einer Nierenunterfunktion steigt daher die Konzentration des Harnstoffs im Blut an.

Auch beim Stoffwechsel der Aminosäuren gibt es einige Fakten, die das Punkten während des Physikums erleichtern. Man sollte sich vor allem merken, an welchen Reaktionen Pyridoxalphosphat (= PALP] beteiligt ist: • Transaminierungen, • Decarboxylierungen, • o-Aminolävulinsäu re-Synthese. Die wichtigen Transaminierungsreaktionen sind die • GPT: in ihr entsteht Alanin durch Transam inierung aus Pyruvat, • GOT: in ihr entsteht Aspartat durch Transaminierung aus Oxalacetat. Freies Ammoniak kann in der Glutamat-Oehydrogenase-Reaktion direkt gebunden werden bei der Bildung von Glutamat aus a-Ketoglutarat. Für den Harnstoffzyklus ist wichtig sich zu merken, dass • die eine Aminogruppe des Harnstoffs aus freiem Ammoniak stammt (im Unterschied zur Pyrimidinsynthese, s. Skript Biochemie 4], die andere aus Aspartat. • der Harnstoffzyklus im Mitochondrium und im Zy-

23

tosol der Leber stattfindet und dass die beiden nichtproteinogenen Aminosäuren Ornithin und Citrul lin während des Harnstoffzyklus die Mitochondrienmembran überqueren.

An welchen Reaktionen ist PALP beteiligt? PALP ist ein Coenzym und an • Decarboxylierungen, • Transaminierungen und der • o-Am inolävulinsäure-Synthese beteiligt. Was versteht man unter Transaminierung? Welchen Zweck erfüllt sie? Welche beiden wichtigen Transami nierungsreaktionen kennen Sie? Transaminierung ist die reversible Übertragung der a-Aminogruppe von einer Aminosäure A auf eine a-Ketosäure B. Bei der Reaktion entstehen eine neue a-Ketosäure A und eine neue Aminosäure B. Auf diesem Weg kann der Körper neue, nichtessenzielle Aminosäuren aufbauen . Oie beiden wichtigsten Tra nsam inierungen sind die GPT: Glutamat-Pyruvat-Transaminase-Reaktion zur Bildung von Alanin und die GOT: Glutamat-Oxalacetat-Transaminase-Reaktion zur Bildung von Aspartat. ln welchen Kompartimenten der Zelle findet der Harnstoffzyklus statt und welche Molekü le überqueren die Membran? Die ersten beiden Schritte des Harnstoffzyklus finden im Mitochondrium statt, die restl ichen im Zytoso l. Als Shuttle über die Mitochondrienmembran dienen die beiden nichtproteinogenen Aminosäuren Citrullin und Drnithin. Aus welchen Molekülen stammt der Stickstoff im Harnstoffzyklus? Stickstofflieferanten im Harnstoffzyklus sind: • freies Ammoniak und • die Aminogruppe von Aspartat.

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(I

24j

Aminosäuren

1.6 Stoffwechsel spezieller Aminosäuren

Fumarat kann über Malat in Oxalacetat verwandelt werden w1d so zur Gluconeogenese dienen. Acetoacetat ist ein Ketonkörper und Phenylalanin daher eine gluco- und ketoplastische Aminosäure.

Im schriftlichen Physikum kamen bislang immer wieder Fragen zum Stoffwechsel bestimmter Aminosäuren. Zumeist wird dabei Y~NII nach den Aminosäuren gefragt, die \ ·· . ( 9 Synthesevorstufen von Neurotransti mitlern oder Hormonen sind. Die Kenntnis dieses Abschnitts ist also ein sicherer Punktlieferant. Im einzelnen werden hier die relevanten Fakten zu den Aminosäuren • Phenylalanin • Tyrosin • Tryptophan • Histidin • Glutamat/ Glutamin • Aspartat und • Prolin/Lysin vorgestellt.

coo· I

H- C II

~

)I

Tyrosin

l CD

l Phenylbren ztraubensäure

Malat

""""\:

NADH+W

O=C I

CH 2 I

COOH Oxalacetat

Abb. 40: Umwandlung von Fumarat zu Oxalacetat

Immer wieder wurden bislang folgende Krankheitsbilder im Zusammenhang mit dem Phenylalanin-Stoffwechsel gefragt: • Phenylketonurie, • Albinismus und • Alkaptonurie. Der Phenylketonurie (= PKU, Häufigkeit 1:10.000) liegt ein Mangel des Enzyms Phenylalaninhydroxylase zugrunde (s. Schritt 1), das Phenylalanin in Tyrosin umwandelt. Durch verminderte Hydroxylierung des Phenylalanins zu Tyrosin kommt es zu einem Anstieg der Phenylalani n-Plasmakonzentration . Unter diesen Umständen wird ein Stoffwechselweg beschritten, der beim gesunden Menschen so gut wie gar nicht abläuft: Phenylalanin wird vermehrt zu Phenylbrenztraubensäure (= Phenylpyruvat) und anderen zytotoxischen Metaboliten umgewandelt. --~Melanin

®~

+

Dopa

l l

bei

I

COOH

I

)

Ty®ase

CD

/1

I

CH 2

I

Dopachinon

Phenylalanin

HO - C - H

COOH Fumarat

coo·

I

CH

1.6.1 Phenylalanin Phenylalanin ist eine essenzielle Aminosäure, sie muss also mit der Nahrung aufgenommen wer.,. den. Beim Abbau von Phenylalanin (= dicke Pfeile) entsteht durch Hydroxylierung am Benzolring Tyrosin und schließlich als Endprodukte (auch des Tyrosinabbaus) Fumarat und Acetoacetat.

Phenylalanin hydroxylase

coo·

H?O

Homogentisinsäure

A

f,;\

7 \ll0 Fumarat

Acetoacetat

Abb. 39: Phenylalanin/Tyrosin Stoffwechsel

24

Dopamin

--~

Katecholamin

Stoffwechsel spezieller Aminosäuren

Die Erkrankten weisen eine verminderte Intelligenz auf und neigen zu Krampfanfällen. Die Phenylpyruvat-Ausscheidung im Urin ist erhöht. Aufgrund der Häufigkeit der PKU wird bei Neugeborenen am 4.-5. Lebenstag der Guthrie-Test durchgeführt, mit dem zu hohe Plasma-Phenylalaninspiegel nachweisbar sind. Die Therapie der Phenylketonurie besteht in phenylalaninarmer Diät, wodurch der Ausbruch der Krankheit verhindert werden kann.

I·

Eindruck der "roten Augen" entsteht durd1 die Reflektion des Lid1ts an der rötlichen Netzhaut, da die Iris ja kaum pigmentiert ist. Je nachdem, ob die Tyrosinase-Aktivität nur eingesdvänkt oder völlig fehlend ist, tritt die Krankheit in unterschiedlichen Schweregraden auf. Eine Möglichkeit der kausalen Therapie besteht nicht. Übrig en s .. . Die Katecholamin-Biosynthese ist bei diesen Patienten nicht gestört, da der Schritt Tyrosin zu Dopa außerhalb von Melanozyten durch ein anderes Enzym = die Tyrosinhydroxylase, katalysiert wird.

Ü brige n s ... Bei Vorliegen einer Phenylketonurie darf der Süßstoff Aspartam nicht verzehrt werden, da Aspartam ein Dipeptid aus Asparginsäure und Phenylalanin ist.

Bei der Alkaptonurie (= Schwarzharn) liegt ein Mangel des Enzyms Homogentisinat-1,2Dioxygenase vor, das Homogentisinsäure zu Fumarat und Acetoacetat abbaut (s. Schritt 3). Dadurch reichert sieb Homogentisinsäure im Plasma und somit auch im Urin an, der sich bei längerem Stehenlassen schwarz färbt. Im Verlauf der Krankheit kann es zu schwarzen Einlagerungen in wenig versorgtem (= bradytrophem) Gewebe wie Knorpel von Ohr und Nase kommen (= Ochronose). Diese Einlagerungen im Knorpel können im Alter frühzeitig zu Arthrosen und Bewegungseinschränkungen der Gelenke führen. Insgesamt ist die Alkaptonurie jedoch eine sehr seltene Krankheit. Eine Therapie, mit der die Krankheit geheilt werden kann, existiert z.Zt. noch nicht.

MERKE:

Bei einem Mangel an Phenylalaninhydroxylase wird Tyrosin zu einer essenziellen Aminosäure, da sie nicht mehr endogen aus Phenyla lanin produziert werden kann.

Beim Albinismus liegt eine Mutation der melanozytären (Melanozyten = Pigmentzellen der Haut) Tyrosinase vor. Die Tyrosinase katalysiert die Reaktion von Tyrosin zu Dopa und von Dopa zu Dopachinon (s. Sdvitt 2). Da die Melaninbiosynthese über diesen Stoffwechselweg erfolgt, kann bei einem Ausfall der Tyrosinase in den Mela:n.ozyten der Haut, der Haarfollikel und der Augen kein Melanin melv gebildet werden und es kommt zum klinisd'len Bild des Albinismus: Die Patienten weisen eine sehr helle und lid'ltempfindlid<e Haut, sowie weiße Haare auf. Der weitläufigen Meinung widersprechend, ist die Iris der Betroffenen jedod1 meist blau oder grün. Der

1.6.'2 Tyrosin Tyrosin ist eine proteinogene Aminosäure und kann beim Gesunden durch das Enzym Phenylalaninhydroxylase aus Phenylalanin syntheti/

Tyrosin

Thyronin (T3 )/Thyroxin (T4 )

~coo· I

H?N - C - H -

H?N - CH ? -

I

I

-

HO OH

Dopa

I

Dopachinon -

Abb. 41: Katecholaminsynthese

25

OH

Dopamin

OH

Noradrenalin

OH

Adrenalin

Melanin

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(j

26j

Aminosäuren

Übrigen s ...

siert werden. Bei der Phenylketonurie (s. 1.6.1, S. 24) ist dieser Schritt gestört. Als Folge wird Tyrosin zu einer essenziellen Aminosäure. Tyrosin ist Synthesevorstufe der biogenen Amine Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin, aber auch von Melanin und dem Schilddrüsenhormon Thyroxin.

• Im Schriftlichen wird versucht, euch Melanin mit Melatonin [s. 1.6 .3) verwechseln zu lassen. Hier ist daher besondere Vorsicht geboten. • Ein Mangel an Dopamin führt zur ParkinsonKrankheit.

Durch erneute - Vitamin C-abhängige - Hydroxylierung des Dopamins gelangt man zum Noradrenalin (= Norepinephrin), Methylierung des Noradrenalins führt zum Adrenalin. Methylgruppendonator der letzten Reaktion ist das S-Adenosylmethionin, das dadurch zu S-Adenosylhomocystein umgewandelt wird.

Zur Synthese der biogenen Amine wird Tyrosin am Benzolring zunächst hydroxyliert wodurch Dopa entsteht. Durch Pyridoxalphosphat-abhängige Decarboxylierung entsteht dann das biogene Amin Doparnin, das besonders in der Substantia nigra des ZNS vorkommt.

Der Abbau des Noradrenalins und des Adrenalins erfolgt über die COMT (= Catecholamin-0Methyl-Transferase) und die MAO (= Monoaminooxidase) zu Vanillinmandelsäure, die mit dem Urin ausgeschieden wird.

cool H3 N+-CH

I CH 2

I

CH 2 HO

I

OH

SH

H

Homocystein + Adenosin

I

H2N -~- H

S-Adenosylmethionin

HO ~ C ~H

~

CH3

I

HN - ?H 2

HO~C ~ H

___)

00~ ---..:=-.-~)HO~ OH

OH

Adrena lin

Noradrenalin

Abb. 42: Synthese von Adrenalin aus Noradrenalin

1.6.3 Tr ypt ophan Tryptophan ist eine essenzielle Aminosäure und Synthesevorstufe von • Serotonin, einem biogenen Amin, • Melatonin, einem Hormon der Epiphyse und • Nicotinsäure, enthalten z.B. im NAD.

26

Stoffwechsel spezieller Aminosäuren

Melatonin

coo · I

H3 N• - CH I

CH 2

cI ----{ II

HC

~ N H

Tryptophan

Kynureni n

,Y 0~ I II

c

H,N-

·ooc

"'

PALP

~

N Nicotinsäureamid

N

Nicotinsäure

Abb. 43: Tryptophanstoffwechsel

Es bewirkt • eine Relaxation der glatten Muskulatur im Gastrointestinaltrakt und in d en Gefäßen (Au snahme sind die kranialen Gefäße, dort führt es zur Kontra ktion) . • eine Plättch enaggrega tion. • Übelkeit und Erbrechen durch Bindung an seinen Rezeptor in der Area postrema im ZNS . Der Abbau von Serotonin zu 5-Hydroxyindolaceta t (-essigsäu re) erfolgt d urch eine M onoamin ooxid ase (= MAO).

M ERKE:

Das Vitamin Nicotin säuream id kann aus der essenzi ellen Aminosäure Tryptophan gebildet werden.

Seroton in Aus Try ptophan entsteht durch Hyd roxylierung und Decarboxylierung Serotonin . Diese Reaktion entspricht der Katecholaminsynthese au s Tyrosin (die au ch eine H yd roxylierung und eine Decarboxylierun g enthält) und erfol g t du rch eine mischfunktionelle Oxygenase (= H ydroxylie rung) sowie durch eine PALP-abhängige Decarboxylase (s. Abb. 44). Serotonin kommt in den enternchromaffinen Zellen des Darms, in den dichten Granula von Thrombozyten und im ZNS (=Hypothalamus, Area postrema) vor. H

H

C

H

J e,

I

HO - C~

He""" ' c - - c - cH?- c - coo· I HC~

II

II

/ c, / CH

C

H

-

NH

N

H

Tryptophan

3

+

____"

I

HC~

Übrig e n s .. . Bei serotoni nproduzierenden Tum oren - den Karzinoiden - ist die 5-Hydroxyindolessi gsäureAu sscheidung im Urin erh öht.

H

, co2 e - - C- CH 2- C- coo- _____L__, 1 II

/ c,

C H

I

I

/ CH

N H

NH3

5-Hydroxytryptophan

+

PALP

H

J e,

HO - C~

I

HC~

H

1 C- - C- CH 2- CH I II

C H

/ c,

II

/ C

N H

NH

+

3

Seroton in

Abb. 44: Serotoninsynthese

27

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(

28j Aminosäuren

Melatonin Melatonin wird in der Epiphyse (= Glandula pinealis) des ZNS aus Tryptophan über das Zwischenprodukt Serotonin synthetisiert. Seine Sekretion unterliegt starken circadianen (= tageszeitlichen) Schwankungen, wobei die Plasmakonzentration des Melatonins tagsüber niedrig ist und abends ansteigt. Unabhängig davon, ob man schläft oder nicht, erreicht es sein Konzentrationsmaximum gegen Mitternacht. Melatonin wird für den Schlaf-Wachrhythmusdes Körpers (= circadiane Rhythmik) verantwortlich gemacht. Durch Reisen in andere Zeitzonen kann dieser Rhythmus durcheinander gebracht werden (= Jet-Lag). Niacin [= Nicotinsäure und Nicotinamid) Niacin ist der Oberbegriff für zwei ähnliche Verbindungen mit Vitaminwirkung: Nicotinsäure und Nicotin(säure)amid, die im Körperineinanderumgewandelt werden können. Zusanunen mit Riboflavin, Folsäure und Pantothensäure ist Niacin Bestandteil des wasserlöslichen Vitamin B-Komplexes. In Verbindung mit Adenin spielt Niacin in Form von NAD (= Nicotin-Adenin-Dinukleotid) und NADP (NAD + Phosphat) eine wichtige Rolle im Kohlenhydrat-, Fettsäure- rmd Eiweißstoffwechsel. Ein Mangel an Niacin verursacht Pellagra (=saure Haut), gekennzeichnet durch • Dermatitis (= Hautveränderung), • Durchfall und • Demenz.

Histamin spielt eine bedeutende Rolle bei der allergischen Reaktion. Im menschlichen Körper findet sich Histamin in vielen Geweben, z.B. der Haut, der Lunge und im Darm. Die Freisetzung von Histamin führt zu • Vasodilatation, • Erhöhung der Gefäßpermeabilitat, • Kontraktion der glatten Bronchialmuskulatur (z.B. beim allergischen Asthma) und • allergischer Reaktion vom Soforttyp. Bei der allergischen Reaktion kommt es durch den Kontakt mit dem Allergen zur vermehrten Freisetzung von Histamin aus Mastzellen mit den typischen Folgen. Die Erhöhung der Gefäßpermeabilität führt zur Bildung von Ödemen in den Bereichen der Haut und der Schleimhäute (z.B. Quaddel nach Mückenstich). Im Extremfall bewirkt Histamin durch Vasedilatation einen starken Blutdruckabfall, was zum allergischen Schock führen kann . 1 .6. 5 Glutamat Neben der herausragenden Rolle, die Glutamat als Aminogruppendonator und -akzeptor bei Transaminierungen spielt (s. 1.5.2, S. 14 und 1.5.5, S. 17), dient es sowohl als Neurotransmitter, als auch als Synthesevorstufe eines Neurotransmitters imZNS:

cooI

H3 N+- CH I

CH 2

co 2 ~ PALP

I

Übrigens ...

1.6.4 Histidin Durch PALP-abhängige Decarboxylierung von Histidin entsteht das Gewebshormon Histamin.

I

3

CH 2 I

CH 2 I

CH 2

CH 2

coo-

coo-

Glutamat

GABA

I

• Man kann sich die Folgen eines Nieeinmangels gut anhand der drei D · s merken. • Das Vitamin Nicotinsäureamid kann aus der essenziellen Aminosäure Tryptophan gebildet werden. Allerdings nur mit geringer Ausbeute.

NH +

I

Abb. 46: GABA-Synthese

Das biogene Aminy-Aminobuttersäure (= GABA) wird aus Glutamat durch die Glutamat-Decarboxylase (= PALP-abhängig) synthetisiert. GABA ist neben Glycin der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im zentralen Nervensystem. Übrigens .. .

Histidin

Die Bindung von GABA an seine Rezeptoren induziert die Öffnung eines Chlorid-Kanals. Der Einstrom von Cl- in die Zelle führt zu einer Hyperpolarisierung (=vertieftes Ruhepotenzial) und damit zur verminderten Erregungsleitung.

Histamin

Abb. 45: Histaminsynthese

28

Stoffwechsel spezieller Aminosäuren

1.6.6 Aspartat Aspartat ist eine saure Aminosäure, d.h. sie besitzt mehr COOH-Gruppen, als NH 2-Gruppen. Aspartat kann vom Körper durch Transaminierung aus Oxalacetat synthetisiert werden (s. GOT, S. 18) und schleust den aufgenommenen Stickstoff in den Harnstoffzyklus ein (s. 1.5.5, S. 17). Da Aspartat im Stoffwechsel bei vielen Reaktionen als Stickstoffdonator oder Akzeptor mitwirkt, ist es sinnvoll, sich die Reaktionskette aus Abb. 47 einzuprägen.

I 2~

coo· I

H3N' - ? - H

coo· I

CH 2

CH- CH 2

I

CH ? I

-

H - C - OH I

HN~

I

CH 2- CH- OH

CH 2 I

NH 3+

Hydroxylysin

Hydroxyprolin

Abb. 48: Hydroxylysin und Hydroxyprolin

Übr i g e ns ... 1.6.7 Lysin/Protin Die basische Aminosäure Lysin und die heterozyklische Aminosäure Prolin werden hier noch einmal erwähnt, da diese in hydroxylierter Form im Kollagen vorkommen (s. 3.2.2, ab S. 38) und in diesem Zusammenhang auch gerne gefragt werden. Dabei stellt Hydroxyprolin etwa 1/3 der im Kollagen vorkommenden Aminosäuren, ein weiteres Drittel bildet Glycin (s. a. 3.2.2, S. 38).

Die Hydroxylierung erfolgt posttranslational . also in der fertigen Peptidkette und ist Vitam in-eabhängig .

1 .6.8 Cystein Cystein ist eine schwefelhaftige Aminosäure. Durch oxidative Decarboxylierung entsteht aus Cystein Cysteamin, das- zusammen mit ß-Aianin und Pantothensäure - Bestandteil von Coenzym A ist.

coo ·

H

I

NH

+

3

- C- H I CH 2 I SH

PALP

I NH + - C - H 3 I CH 2

I

SH

Cysteamin

Cystein Abb. 49: Synthese von Cysteamin

Transaminierung

cooI H2c - coo-

+H N - CH 3

GOT

o=c - cool H2 C - coooxalacetat

Aspartat

He Harnstoffzyklus

II

coo-

HO - HC-

l

-ooc - eH

H2C -

coocoo-

Malat

Fumarat

Abb. 47: Aspartatstoffwechsel

29

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Cl)

30

I Aminosäuren 1.6.9 Leucin, Isoleuein und Va lin Die Physikumsfragen zu diesen Aminosäuren betreffen die Ahornsirup-Krankheit Dabei handelt es sich um eine autosomal-rezessiv vererbte Erkrankw1g (Häufigkeit ca. 1:200000), bei der ein Protein des 2-Ketosäuren-DehydrogenaseKomplexes vermindert synthetisiert wird. Dadurch wird der Abbau dieser verzweigtkettigen Aminosäuren behindert, und es kommt zur Anreicherung von Leucin, Isoleuein und Valin. Die Symptome dieser Erkrankung zeigen sich bereits in den ersten Lebenstagen: Der Säugling verweigert die Nahrungsaufnahme, ist teilnahmslos, es kommt zu Hypoglykäm ien, Krampfanfällen und Koma mit schweren bleibenden Himschäden. Der NameAhornsirup-Krankheit stammt von dem typischerweise nach Ahornsirup oder verbranntem Zucker riechenden Urin. Die Akuttherapie besteht in komplett eiweißfreier EmährwLg rmd Dialyse, um die giftigen Substanzen aus dem Körper zu eliminieren. Die Langzeittherapie besteht in der Vermeidung von Nahrungsmittelnmitverzweigtkettigen Aminosäuren. Unbehandelt verläuft die Erkrankung tödlich.

Die Bildung biogener Amine aus Aminosäuren ist sehr wichtig und fast unter Garantie mindestens eine Frage im schriftlichen Physikum. Darum an dieser Stelle eine kleine Zusammenstellung der Aminosäuren, aus denen biogene Amine gebildet werden:

-

,~.11111111-"t:lllt:~

Phenyla lanin

......

Tyrosin .J,

Dopa

..

a111 1 •

-~

• Dopamin • Noradrenalin • Adrenalin

Glutamat

GABA

Histidin

Histamin

Tryptophan

Hydr oxytryptophan

Seroton in

Tyrosin

Tyramin (bei Bakterien]

Cystein

Cysteamin

Tabelle 5 : biogene Amine

ln der Tabelle sind bei Phenylalanin und Tryptophan noch die Zwischenstufen auf dem Weg zum biog enen Amin mit aufgeführt, denn hier lauern im schriftlichen Physikum Gefahren. • Z.B. wird hin und wieder behauptet, dass Dopamin direkt durch Decarboxylierung aus Tyrosin entstünde, was natürlich nicht stimmt, denn es entsteht über die Zwischstufe Oopa. • Weiterhin sollte man wissen , dass Serotonin in den enterochromaffinen Zellen des Darms, in den dichten Granula von Thrombozyten und im ZNS [= Hypothalamus, Area postrema) vorkommt. Da die Phenylketonur ie häufig im Physikum auftaucht, sind hier noch einmal die wesentlichen Fakten zu diesem Krankheitsbild zusammengefasst: • Anstieg der Phenylalanin-Piasmakonzentration . • erhöhte Ausscheidung von Phenylpyruvat im Urin, • verminderte Aktivität der Phenylalanin-Hydroxylase, • Tyrosin wird essenziell = Tyrosin muss mit der Nahrung zugeführt werden, • Folgen der PKU sind geistige Retardierung und Neigung zu Krampfanfällen und • Therapie ist die phenylalaninarme Ernährung .

Aus welchen Aminosäuren entstehen welche biogenen Amine? Über welche Zwischenstufen geschieht dies? s. Tabelle 5. Wann kommt es zu r Phenylketonurie? Welche Laborparameter sind im Serum und Urin erhöht? Wie ist die Therapie der PKU? Der Phenylketonurie liegt ein Mangel des Enzyms Phenylalaninhydroxylase zugrunde. das Phenylalanin in Tyrosin umwandelt. Durch verminderte Hydroxylierung des Phenylalanins zu Tyrosin kommt es zu einem Anstieg der Ph enyla lanin-Plasmakonzentration und Phenylalanin wird vermehrt zu Phenylbren ztraubensäure [= Phenylpyruvat) und anderen zytotoxischen Metaboliten umgewandelt. Außerdem ist die Phenylpyruvat-Ausscheidung im Urin erhöht. Oie Therapie der Phenylketon urie besteht in phenylalaninarmer Diät, wodurch der Ausbruch der Krankheit verhindert werden kann.

30

}

I

Peptidbindung

50. 'Jt-1'2.1 \51 t-5 Aßt.R (,t.Nl6

2.1

t'111 Dt.N AY!INOSA\.IR.t.N l.JND

Reagieren die Aminogruppe einer Aminosäure und di e Carboxylgruppe einer anderen Aminosäure unter Abspaltung von Wasser miteinander, entsteht eine Peptidbindung. Das Reaktionsgleichgewicht liegt dabei auf der linken Seite (=Seite der Edukte), sodass der Aufbau der Peptidbindung - z.B. in der Translation - nur unter Energieaufwand möglich ist. Die hydrolytische Spaltung der Peptidbindung läuft dagegen freiwillig ab (enzymkatalysiert).

1\AL WI~Dt.R 2t.l1 FÜR ~IN~ PAI.)SM

2

Peptide

Peptide entstehen durch Knüpfung von Peptidbindungen zwischen Aminosäuren. Sind auf diese Weise bis zu zehn Aminosäuren miteinander verbunden, spricht man von Oligopeptiden, zwischen 10 und 100 Aminosäuren von Polypeptiden und ab 100 Aminosäuren von Proteinen. Während die Proteine und Enzyme in den Kapiteln 3 und 4 besprochen werden, befasst sich dieser Abschnitt also mit der Struktur und Funktion der prüfungsrelevanten kleineren Peptide.

I 31

Peptidbindung

C-terminales Ende

0

H

coo-

o

H

II

coo-

l

I

l!

I

I

C -H

C-N-C-H

c-o1

... H3 N -

C- H

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I

H

I

I

I

•H3 N- C -

R2

I

H

R

2

I

R,

R, N-terminales Ende

AS 1

AS 2

Peptid

OH

Abb. 50: Peptidbindung

I

~

Üb r igens .. . Die durch Peptidbindungen miteinander verknüpften a-C-Atome bilden das Rückg rat des Proteins, aus dem die Seitenketten wie kl eine Ästchen hervorstehen und dem Pr otein seine charakteristischen Eigenschaften verleihen.

l/J I

0

CH 2

C

CH

I

H2N

0

I

0

II

NH

C

II

CH

NH

C - OH

\/\1\/\/\1 \ 1\/ CH

I

CH 3

NH

C

CH

I

I

0

CH 2

NH

C

I

0

I

SH

}'\

Alanin N-termina les Ende

Tyros in

I

CH 2

I

C

o

CH

o·

Asparal

Glyci n

Cystein C-terrninales Ende

Abb. 51 : Peptidbindungen im Oligopeptid

31

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Ci)

32j Peptide

In dieser Abfolge von Aminosäuren (=Sequenz= Primärstruktur, s.a. 3.2.1, S. 37), die durch Peptidbindungen miteinander verknüpft sind, verfügt die erste Aminosäure der Polypeptidkette noch über ihre vollständige Aminogruppe (= NH2), da diese ja nicht an einer Peptidbindung beteiligt ist. Man bezeichnet dieses Ende der Kette als das N-terminale Ende. Analog dazu besitzt die letzte Aminosäure noch die vollständige Carboxylgruppe(= COOH). Dieses Ende heißt deshalb C-terminales Ende. Durch Spaltung unter Wasseraufnahme (= Hydrolyse) lässt sich die Peptidbindung zwischen den Aminosäuren (durch Peptidasen) wieder spalten.

y

0

H

H

0

II

I

I

II

H 2C - e - -. N - C - C I

I

H?CP

H -

I

N - CH 2 - COo·

CH 2

- I

I

H - C ~ NH • I

SH

J

coo· 'I -Glutaminsäure

Cystein

Glycin

Abb. 53: Glutathion

Übrigens ... Die Besonderheit an der Peptidbindung zwischen Glutamat und Cystein ist. dass das Glutamat mit der y·COOH-Gruppe beteiligt ist und nicht wie normalerweise mit dem a -C-Atom.

Übrigens ...

Glutathion besitzt durch das Cystein eine freie Thiolgruppe (= SH-Gruppe). Durch Reaktion der Thiolgruppen zweier Glutathionmoleküle kann aufgrund der Reaktionsfreudigkeit dieser Gruppen sehr leicht ein Disulfid entstehen. Bei der Reaktion werden zwei Elektronen und Wasserstoff auf z.B. Wasserstoffperoxid (= H 20 2) übertragen(= Elektronenakzeptor) w1d es entstehen zwei Moleküle Wasser(= Hp).

Da die Atome, die an der Peptidbindung beteiligt sind, in einer Ebene liegen, ist die Peptidbindung NICHT frei drehbar. Ursache hierfür ist eine Elektronenverschiebung: Die Elektronen wan· dern vom Stickstoff weg und zur C-N-Bindung hin, wodurch die Peptidbindung den Charakter einer partiellen Doppelbindung erhä lt. Durch die· se zweite Bindung wird die Verbindung zwischen dem Kohlenstoff und dem Stickstoff stabilisiert und eine fre ie Drehung ist nicht mehr möglich.

2 Glutathion-SH

H20 2

Ox1dat1on R

. . + Glutathlond1sulfld + 2e + 2H (bzw. H>) edukt1on ~ -

+

2H

~

2HP

---->

2 Wasser

(giftig)

Wasserstoffperoxid

Abb. 52: Mesomerie der Peptidbindung Abb. 54: Glutathiondisulfid

Wasserstoffperoxid würde ohne die reduzierenden Eigenschaften des Glutathions mit anderen Zellstrukturen reagieren und z.B. an der DNA oder an Enzymen erheblichen Schaden anrichten. Da der Sauerstoffpartialdruck in Erythrozyten sehr hoch ist, und so H 20 2 leicht entsteht, kommt Glutathion dort in besonders hoher Konzentration vor.

2.2 Glutathion Ein immer wieder im Physikum auftauchendes Oligopeptid ist das Glutathion. Es besteht aus den drei Aminosäuren • Glutamat(= Glu), • Cystein (= Cys) und • Glycin (= Gly).

Üb r i gens ... • Für die Synthese von Glutathion wird ATP benö· tigt (mehr dazu s. Skript Biochemie 6). • Gekoppelt an Ara chidonsäure ist Glutathion Bestandteil von Leukotrien C4.

32

Bindungstypen

2.3 Hormone Auch einige Hormone im Körper sind aus Aminosäuren aufgebaut. Diese Peptidhormone weisen alle Charakteristika von normalen Peptiden auf, sind abe r m eist wesentlich kleiner. Die prüfungsrelevanten Vertreter von ihnen sind • Oxytocin mit 9 AS, • Vasopressin mit 9 AS, • ACTH mit 39 AS, • Insulin mit 51 AS und • Glukagon mit 29 AS. Übrigens ... Bei manchen Erkrankungen wird im Rahmen der Diagnostik die Molekülmasse von Polypeptiden z.B. im Urin bestimmt. Dazu dient die SDSPolyacrylamid-Gelele ktrophorese [ = SOS-PAGE]. Hierbei werden Proteine in einem Acryl amid-Gel der Größe nach aufgetrennt und mit einem standardisierten M arker verglichen. Auf di ese W eise kann z.B. eine vermehrte ImmunglobulinSynthese nachgewiesen und damit der Verdacht auf ein Plasmozytom bestätigt werden.

3

Proteine

Kommen wu nun also zu den größeren, aus Aminosäuren besteh enden Molekülen, nämlich den Proteinen. Auf die ebenfa lls großen Enzy me müsst ihr leider noch bis Kapitel 4 warten. Zwischen diesen beiden Substanzklassen g ibt es einen wesentlich en Unterschied, weswegen sie auch in zwei unterschiedlichen Kapiteln abgehandelt werden: Ihre Funktion. Proteine werden unterteilt in Strukturproteine und Funktionsproteine. Die Enzyme gehören zu den Funktionsproteinen. Das Proteinkapitel behandelt nur die Strukturproteine. Doch bevor wir uns diesen widmen können, kommen zunäd1st wieder einige trockene aber wichtige chemische Grundlagen.

I 33

die Bretter miteinander zu verbinden; ob mit Nägeln, Schrauben und Ähnlichem, damit das Produkt auch aussieht w ie ein Tisch und nicht auseinander fällt. Aus diesem Grund ist es für Medizinstudenten leider auch notwendig, die - zugegebenermaßen eher langweiligen - chemischen Bindungstypen innerhalb eines Proteins und zwischen d en Proteinen zu kennen, um zu verstehen, warum und wie ein Protein funktioniert. Besonders w ichtig ist dieses Verständnis nämlich gerade dann, wenn ein Enzym nicht mehr funktioniert, also im KrankheitsfalL Dieses Kapitel beschäftigt sich daher (so kurz wie möglich, aber so lang w ie nötig) mit den intra- und intermolekularen Anziehungskräften von Proteinen. Im Einzelnen sind d ies die • Wassers toffbrückenbindungen, • hydrophoben Bindungen, • van-der- Waals-Kräfte, • Disulfidbindungen und • Ionenbeziehungen . 3.1.1 Wasserstoffbrückenbindungen Wasserstoffbrückenbindungen gehören zu den häufigsten Bindungen in der Natur. Um diesen Bindungstyp zu verstehen, muss zunä ch st der Begriff der Elektronegativität klar sein : M ERKE: Die Elektronegativität beschreibt das Maß des Bestrebens eines Atoms , in einem Molekül die

Bindungse lektronen an sich zu ziehen.

Stark elektronegative Elemente haben die Tendenz zur Aufnahme von Elektronen (= hohe Elektronenaffinität), Atome mit sehr niedriger Elektronegativität geben Elektronen relativ leicht ab (= niedrige Elektron enaffinität). Je höher der Unterschied in der Elek tronegativität der gebundenen Elemente, desto polarer ist die Bindung zwischen ilmen. M ERKE: • Die Elektronegativität nim mt innerhalb einer Period e von links nach rechts zu.

• Die El ektronegativität nimmt innerhalb der Hauptgruppen von oben nach unten ab.

3.1 Bindungstypen Wenn man einen Tisch b auen will, ist es w ichtig zu wissen, welche Möglichkeiten es gibt,

Wasserstoffbrückenbindungen treten immer d ort auf, wo ein Wasserstoffa tom (= niedrige Elektronega ti vität) an ein stark elektronegatives

33

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Cl)

34j Proteine

Atom (meist Stickstoff oder Sauerstoff) kovalent gebunden ist (= -OH oder -NH). Dadurch bekommt das Wasserstoffatom eine positive Teilladung. Nähert sich nun ein weiteres elektronegatives Atom (z. B. = 0), kommt es zu Wechselwirkungen zwischen dem positiven Wasserstoff und dem zweiten negativen Atom. -

N- C -

s·~ ~ s oo

H s·

II

-

I

C- N-

Abb. 55: Wasserstoffbrückenbindung

M ERKE

Die Wasserstoffbindung ist keine .. echte"

[= kovalente] Bindung. sondern beruht auf leichten Anziehungskräften zwischen einem positiven [z.B. Wasserstoff) und negativen [z.B. Sauerstoff) Bindungspartner.

Übrigens ... Zum Vergleich(= muss NICHT auswendig gelernt werden): zur Spaltung einer Wasserstoffbrückenbindung benötigtman etwa 21-42 kJj mol (= Bindungsenergie] , wogegen die Bindungsenergie einer echten, kovalenten Einfachbind ung 210-420 kJj mol beträgt, also 1 0-mal größer ist. Da aber Proteine sehr viele Wasserstoffbrückenbindungen besitzen, ist dieser Bindungstyp einer der w ichtigsten in biologischen Systemen (d ie Menge macht es]. Der Vorteil dieser leichten Spaltbarkeit der Wasserstoffbrückenbindungen ist, dass das Protein seine Flexibilität behält, was zu Regulationszwecken ausgenutzt wird: durch Konformationsänderung kann z.B. die Aktivität eines Proteins beeinflusst werden [s. Beeinfl ussung der Enzymaktivität 4 .7 5, S. 53).

3.1.2 Hydrophobe Bindungenf Wechselwirkungen Elementare Grundlage zum Verständnis d er hydrophoben Bindungen ist die bekannte Faustregel: Gleiches löst sich in Gleichem, umgangssprachlich auch bekannt unter Gleich und Gleich gesellt sich gern ... Dieser Regel entsprechend, lösen sich polare Gruppen gut in dem ebenfalls polaren Lösungsmittel Wasser. Sie werden daher als hydrophil (= wasserliebend; -phil =liebend) bezeichnet. Im Gegensatz da zu lösen sich Moleküle, die zu einem Großteil aus unpolaren C-H- Gruppen bestehen, sehr schlecht in Wasser und werden als hydrophob (= wasserabweisend; Phobie = Angst) oder als lipophil (= fettliebend) bezeichnet. Wird nun eine hydrophobe Substanz (z.B. Öl) mit einem hydrophi len Lösungsmittel (z.B. Wasser) "gemischt", lagern sich die hydrophoben Teilchen zusammen(= Öltropfen), um so - durch die Verringerung ihrer Oberfläche - einen möglichst geringen Kontakt zum Lösungsmittel herzustellen; die Substanz hat eben wirklich Angst vor dem Wasser.

Wie in Kapitell.3.2 (ab S. 7) bereits erwähnt, unterscheidet man auch bei den Aminosäuren zwischen polaren (= hydrophilen) und unpolaren (=hydrophoben) Vertretern.

0

o0° 0

Oo",.l/o

0 00

0

0 0

os§fo-

o/7\oo /0\ 0 0 0

0

0

0

0 0 Öltröpfchen

Abb. 56: hydrophobe Wechselwirkungen

34

Bindungstypen

Diese Phospholipide sind eine besondere Form von Lipiden, die einen polaren hydrophilen Kopfteil (= wasseranziehend) und einen - aus 2 langen hydrophoben Fettsäureketten bestehenden- apolaren(= wasserabweisenden) Schwanzteil besitzen. Die Phospholipid-Moleküle sind damit amphiphil, d.h. sie haben an ihren beiden Molekülenden entgegengesetzte Eigenschaften. Die Frage, die sich einem hierbei aufdrängt ist: warum so kompliziert? Könnte man die Membran nicht ei nfach aus gleichen Bestandteilen, z.B. nur hydrophilen oder nur hydrophoben Bausteinen zusammensetzten? Die Antwort ergibt sich, wenn man sich eine Membran aus nur hydrophilen Molekülen vorstellt, z .B. eine Zellmembran aus Zucker. In Verbindung mit Wasser, würde sie sich einfach auflösen. Ähnlich unpraktisch wäre eine Zellmembran komplett aus hydrophoben Molekülen (z.B. Fett). Sie würde sich in Wasser, wie oben bereits für Öl beschrieben, zu einem großen Tropfen zusammenlagern. Eine Zellmembran, deren Moleküle jedoch sowoh l au s einem h ydrophilen, als auch einem hydrophoben Teil bestehen, kann sich im Wasser so zusammenlagern, dass die wasserliebenden Enden der Moleküle na ch außen zum Wasser zeigen, die fettliebenden Enden jedoch nach irmen. Aufgrund der Tatsache, dass die hydrophoben Abschnitte auf keinen Fall mit Wasser in Berührung kommen "wollen", ergibt sich ihre hohe Stabil ität.

MERKE:

Da die Zelle zu einem großen Teil aus Wasser besteht, lagern sich die unpolaren Gruppen von Aminosäuren nach dem Einbau in ein Protein möglichst weit vom Wasser entfernt zusammen, nämlich in der Mitte des Proteins. Dadurch kommen die hydrophilen Aminosaurereste nach außen zu liegen. Sie haben direkten Kontakt mit dem Wasser und vermitteln so die Löslichkeit von Proteinen.

000000000000000000000 AS-Sequenz

Protein

0

=hydrophile AS

0

=hydrophobe AS

Abb. 57 : hydrophobe Wechselwirkung in der Peptidkette

Die große Bedeutung hydrophober Wechselwirkungen wird einem klar, wenn n\an die Lipide der biologischen Zellmembran betrachtet. polar, hydrophil

I 35

unpolar, hydrophob

3.1.3 Van-der-Waals-Kräfte Van-der-Waals-Kräfte sind im Vergleich zu kovalenten Bindung ebenfalls eher schwache Bindungen. Dieser Bindungstyp tritt zwischen Molekülen auf, die kein Dipolmoment besitzen. Zur Erk lärung der Van-der-Waals-Kräfte ist das Verständnis der Elektronenbewegungen um den Atomkern wichtig, die wohl am besten mit der Bewegung der Planeten um die Sonne zu vergleichen sind: Norm alerweise wandern die Planeten unseres Sonnensystems (= negativ geladene Elektron en) auf regelmaßigen Bahnen um die Sonne (= positiv geladener Atomkern) herum. Abb. 58: Bausteine der Biomembran

35

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Cl)

)I

Proteine

Abb. 59: Elektronenmodell ungeladen

Jetzt kann es aber sein, dass von den neun Planeten(= negative Elektronen) zu irgendeinem Zeitpunkt (= Sonnenfinsternis) mehr als die Hälfte auf der gleichen Seite der Sonne (=des positiven Atomkerns) sind.

Abb. 60: Elektronenmodell geladen

Zu diesem - sehr kurzen - Zeitpunkt hat also das Sonnensystem (= unser Atom) auf der rechten Seite einen Planetenüberschuss (= Elektronenüberschuss = negative Teilladung), obwohl es sonst gleichmäßig von Planeten umgeben ist (=Atom ist sonst ungeladen) . Diese zeit- clich begrenzte Teilladung reicht aller- --"~ " ' dings aus, um ein in der Nähe befindliches Sonnensystem (= anderes Atom) anzuziehen und kurz z u binden. Zum Glück sind die Planeten in Wirklichkeit ja aber keine Elektron en ... Also zurück zu den Verhältnissen innerhalb der Moleküle und hin zu den Van-der-Waals-Kräften : Durch die Elektronenbewegun gen um den Atomkern komm t es zu einem Zeitpunkt zufällig zu einer ungleichmäßigen Verteilung der zugeh örigen Elektronen. Befinden sich so mehr Elektronen, und damit meh r negative Ladung auf einer Seite des Atoms, wird dieses kurzfristig zu einem Dipol (=temporärer Dipol), da die gegenüberliegende Seite des Atoms in dieser Zeit einen Elektronenmangel (= positive Teilladung) hat.

Kommen sich nun zwei Atome/Moleküle in dieser Zeit nahe genug, ziehen sich die temporären Dipole gegenseitig mithilfe der Van-der-WaalsKräfte an:

• Abb. 61: Anziehung temporärer Dipole

Trifft ein temporärer Dipol auf ein Molekül, das

keine Teilladung besitzt, kann der Dipol in dem Nichtdipol-Molekül einen zu seiner Teilladung entgegengesetzten Dipol induzieren (= hervorrufen), wodurch zwischen den beiden ebenfalls wieder Van-der-Waals-Kräfte wirken, mit denen sie sich anziehen:

Abb. 62: Induktion eines Dipols

36

Struktur der Proteine

In beiden Fällen ist die Voraussetzung für eine Van-der-Waals-Bindung, dass sich zwei Atome/ Moleküle sehr nahe kommen. Das ist umso unwahrscheinlicher, je schneller sich die Moleküle bewegen, je höher also ihre kinetische Energie ist. Da die kinetische Energie proportional der Temperatur ansteigt nehmen die Van-der-WaalsKräfte mit steigender Temperatur ab, was u .a. zur Folge hat, dass ein Festkörper bei steigender Temperatur flüssig wird. 3.1 .4 Disulfidbindungen DisuJfidbindungen sind die wichtigsten echten (= kovalenten) Bindungen zwischen den Seitenketten von Aminosäuren. Sie leisten einen entscheidenden Beitrag zur Stabilisierung der Tertiärstruktur von Proteinen und entstehen durch Oxidation zweier Cysteinreste (s. 1.3.2, S. 8 und 9), d ie entweder zu zwei verschiedenen oder zu derselben Aminosäurenkette gehören können: Cys - S- S-Cys. 3.1 .5 IonenbeziehungenI Ionenbin dungen Oft wird die Konformation des Proteins auch durch Ionenbeziehungen zwischen unterschiedlich geladenen Gruppen von Aminosäuren stabilisiert. Zu den negativ-geladenen Gruppen, die an solchen Ionenbindungen teilnehmen gehört z.B. die y-Carboxylgruppe von Glutamat, zu den positiv-geladenen Gruppen z.B. die zweite Aminogruppe der basischen Aminosäuren Arginin und Lysin.

j

3

3.2 Struktur der Proteine Die chemischen Formeln sind damit erledigt und ihr dürft euch endlich den Proteinen zuwenden. Proteine bestehen aus vielen Aminosäuren und jedes Protein besitzt eine charakteristische Struktur, seine Konformation. Bei der Ausbildung der folgenden Konformationen finden alle eben besprochenen Bindungstypen ihre Anwendung. Man gliedert die Konformationen in: • Primärstruktur (= Aminosäuresequenz), • Sekundärstruktur (= dreidimensionale Anordnung der Primärstruktur a ls cx-Helix oder ß-Faltblatt), • Tertiärstruktur (= dreidimensionale Faltung der Sekundärstrukturen), • Quartärstruktur (dreidimensionale Anordnung mindestens zweier Tertiärstrukturen). 3 .2 .1 Primärstrukt ur Unter der Primärstruktur eines Proteins versteht man seine Aminosäuresequenz. Man katm sie mit der Anordnung der einzelnen Perlen in einer Kette vergleichen. M ERKE: Die Primärstruktur wird bei der Trans lation festgelegt und bestimmt die weitere Ausbildung aller übrigen Strukturen höherer Ordnung

[= Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur).

I

- CH I

CH 2

6; (NH~"l ~

'

(C H2)4 I

- CH I

Abb. 64: Pr im ärstruktu r

Abb. 6 3 : Ionenbindung

Übr igens ... Da sich mit dem pH-Wert die Ladung der Carboxyl- und Aminogruppen ändert. sind Ionenbeziehungen durch eine starke pH-Abhängigkeit gekennzeichnet.

37

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(!)

381 Proteine

3.2.2 Sekundärstruktur Die Sekundärstruktur ist die - nach der Primärstruktur - nächsthöhere Organisationsform von Proteinen. Sie entsteht dadurch, dass Wasserstoffbrückenbindungen zwischen -C = 0- (= Carbonyl-) und -NH2 -(= Amid-)Gruppen der Hauptkette ausgebildet werden. Die Aminosäuresequenz verläuft hier immer noch gestreckt, hat aber eine größere räumliche Ausdehnung. Dabei entstehen die beiden in der Sekundärstruktur vorkommenden Konformationen • a-Helix und • ß-Faltblatt.

Übrigens ... • Bestimmte Aminosäuren stören die Ausbildung einer a-Helix-Struktur. Besondere Bedeutung hierbei hat die heterozyklische Aminosäure Prolin. da deren Aminostickstoff Teil eines Ringes ist, und sie so keine Wasserstoffatome zur Ausbildung einer Peptidbindung besitzt [s. heterozyclische Aminosäuren, S. 1 0). Beim Einbau von Prolin in eine Aminosäuren-Sequenz kommt es daher zum Abknicken der Peptid-Kette. • Die a-Helix kommt in fast allen Proteinen mit unterschiedlichen Anteilen vor. Besonders ausgeprägt findet sich die a-Helix in Haut, Haaren, Nägeln und Wolle. • Die a-Helices. die vorwiegend aus hydrophoben Aminosäuren bestehen , spielen eine bedeutende Rolle bei der Veran kerung von Proteinen in Biomembranen.

Kollagen: Eine besondere Helixform findet man im wichtigsten fibrillären Protein des Bindegewebes, dem Kollagen. Anders als im übrigen Körper, in dem die Helices meist rechtsgängig sind, besteht das Kollagen aus drei linksgängigen a-Helices, die zu einer rechtsgängigen Superhelix umeinander verdreht sind. Die Aminosäuren-Zusammensetzung der a-Helices des Kollagens ist recht eintönig und besteht ZU

• 1/3 aus Glycin, • 1/3 aus Prolin und Hydroxyprolin, • 1/3 aus anderen Aminosäuren, unter anderem Hydroxylysin (s. 1.6.7, S. 29).

Abb. 65a: a-Helix

Übrigens ... • Ob sich a·Helix- oder [3-Faltblatt-Strukturen ausbilden, wird durch die Rei henfolge der Aminosäuren in der Sequenz (= Primärstruktur] bereits vorgegeben. • Das .. a-" bzw ... [3-" bezieht sich auf die Reihenfolge der Entdeckung dieser Sekundärstrukturen.

a-Helix Für die Ausbildung der a-Helix sind Wasserstoffbrücken essenziell. Sie bilden sich innerhalb eines Proteins zwischen dem Wasserstoff der a-Aminogruppe einer Aminosäure und der Carbonylgruppe der vierten darauf folgenden Aminosäure aus. Die Seitenketten der Aminosäuren ragen nach außen. An einer 360°-Wendung sind dabei klassischerweise 3,6 Aminosäurereste beteiligt.

38

Struktur der Proteine

ß-Faltblatt Beim ß-Faltblatt führt die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen zwei verschiedenen Polypeptidketten (= Primärstruktu ren) oder zwischen verschiedenen Abschnitten iimerhalb einer Polypeptidkette zu einer Zickzackform. Die Seitenketten ragen beim ß-Faltblatt - genau wie bei der a -Helix- nach außen.

I 39

Übrigens ... • Wenn die beiden an der Fa ltblattst ruktur beteiligten Peptidketten dieselbe Richtung bezogen auf das Am ino- (= N-Term inus) und Carboxylende {= C-Ter m inus) haben. spricht man von paralle lem. bei entgegengesetzter Richtung von antiparal lelem Faltblatt. • Ein en besonders hohen Anteil an ß-FaltblattSträngen besitzt die kon stant e Domäne der lgG-Antikörper. Daneben kommt das ß-Faltblatt vor allem auch im ß-Keratin und in der Seide vor.

antiparallel

parallel Abb. 65b: ß·Faltblatt

3.2.3 Tertiärstruktur Die Terti ärstruktur ist die endgülti ge, typisch e Form eines Proteins und entsteht durch dreidimensionale Anordnung d er Sekundärstrukturen (= a-Helix und ß-Faltblatt).

Diese Faltung kommt dadurch zustande, dass sich die hydrophoben Reste einer Aminosäuresequ enz im Zentrum des Proteins zusammenlagem (s. h ydrophobe Wechselwirkungen, S. 34), um einen stabi leren Zustand zu erreichen. Gleichzeitig gelangen die hydrophilen AminosäureSeitenketten durch die Fal tung an die Oberfläche des Proteins un d vermitteln so di e Löslichkeit in Wasser. Eine Verbesserung der Stabilität der Tertiärstruktur kommt dadurch zu stan de, dass sich zwischen zwei nahe beieinander gelegenen Cysteinresten eine kovalente Disulfidbrücke bilden kann.

39

Abb. 66: Tertiärstruktur

Übrigens ... • Am besten ist die Tertiärstruktur mit einem Wollknauel zu vergleichen. • Globu la re Pr oteine, die aus mehr als 150 Aminosä uren bestehen, können meist in unterschiedliche Bereiche ein getei lt werden. die man Domänen nennt.

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Ci)

)I

Proteine

MERKE:

• ln einem Protein befinden sich die hydrophoben Aminosäurereste im Zentrum, die hydrophilen an der Oberfläche. • Domänen eines Proteins sind die Abschnitte der Polypeptidkette mit einer eigenen Tertiärstruktur, die sich weitgehend unabhängig von den anderen Abschnitten ausbildet. Sie können auf unterschiedlichen Exons codiert sein . die aber auf ein em Chromosom liegen.

3 .2.4 Quartärstruktur Treten mehrere Proteine mit eigener Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur zu einer großen Funktionseinheit zusammen, so nennt man dies Quartärstruktur.

Die Anzahl der Untereinheiten kann von wenigen (z.B. 4 im Hämoglobin) bis zu einigen Tausen d reichen. Die Stabilisierung der Quartärstruktur erfolgt durch schwache, nichtkovalente Wechselwirkungen (=hydrophobe Wechselwirkungen, van-der-WaalsKräfte und Wasserstoffbrückenbindungen). Durch Veränderung der Lage der einzelnen Untereinheiten zueinander kann die Funktion eines Proteins reguliert werden (s. allosterische Regulation, S. 57).

Abb. 67: Quartärstruktur

Im schriftlichen Physikum wurde bisher vorwiegend nach den Proteinstrukturen und den dari n ent haltenen Bindungstypen gefr agt. Merken so lltet ihr euch deshalb die Inhalte folgender Tabel le:

...

I •

Primärstruktur

Aminosäuresequenz

Peptidbindung

• a- Helix

• Peptidbindung • Wasserstoffbrückenbindung

Sekundärstruktur

- - ..o;-""'

......!.",

• ß- Fa ltblatt

• I •

I

-~r:

• •

Tertiärstruktur

dreidimensionale Faltung der Sekundärstru kturen

• • • • • •

Quartärstruktur

Zusammenlagerung mehre rer Tertiärstrukturen

wie bei Tertiä rstruktur

Tabelle 6 : Proteinstrukturen und deren Bindungstypen

40

• ';111

Peptidbindung Wasserstoffbrückenbindung hydrophobe Bindung Van-der-Waals-Bindung Ionenbindung Disulfidbindung

Basics Mündliche

Zum Thema Peptide und den Bindungen wurde häufig gefragt, dass • die Peptidbindung durch Verknüpfung der Carboxylgruppe einer Aminosäure mit der Aminogruppe der zweiten Aminosäure entsteht, • die Peptidbindung nicht frei drehbar ist, • Glutathion ein Tripeptid bestehend aus Glu - Cys - Gly ist und • Gluthation in hoher Konzentration im Erythrozyten vorkommt.

I 4·

Was versteht man unter den Domänen eines Proteins und wie kommen sie zustande? Domänen sind Abschn itte einer Polypeptidkette mit einer eigenen Tertiärstruktur. Die Faltung dieser Abschnitte erfolgt unabhängig voneinander und sie sind strukturell voneinander getrennt.

Außerdem ist noch wichtig, dass • Domänen eines Proteins Abschnitte einer Polypeptidkette mit einer eigenen Tertiärstr uktur sind, die sich weitgehend unabhängig von den anderen Abschnitten ausbildet. Sie können auf unterschiedlichen Exons EINES Chrom osoms codiert sein.

Aus welchen Am inosäuren besteht Glutathion? Was versteht man in diesem Zusammenhang unter atypischer Peptidbindung? Glutathion ist ein Tripeptid bestehend aus den Aminosäuren Glutamat, Cystein und Glycin. Das besondere an der Peptidbindung zwischen Glutamat und Cystein ist, dass das Glutamat hier mit seiner y-Carboxylgruppe beteiligt ist(= atypische Peptidbindung] .

ßiNDllN& ~IN ONt> .SIRU\'TUR H~ NAUI K.OR2f-R PAOSf. &f-#f.S ~llf-f-f-f-R ...

Welche Bindungstypen spielen in Proteinen eine Rolle? • Peptidbindungen (=Säure-Amid Bindungen), • Wasserstoffbrückenbindungen , • hydrophobe Bindungen, • Van-der-Waals-Kräfte, • Disulfidbindungen und • lonenbe~ehungen .

4

Enzyme

Unter Verwendung der bereits im Proteinkapitel besprochenen Bindungstypen (s. 3.1, ab S. 33) baut unser Körper auch ganz besondere Proteine zusammen: die Enzyme. Der große Unterschied zu den in Kapitel 3 behandelten Strukturproteinen liegt in der Funktion der Enzyme. Sie leisten durch Katalyse von Reaktionen einen, wenn nicht sogar DEN entscheidenden Beitrag für die Überlebensfähigkeit unseres Körpers. Enzyme kommen in jedem Stoffwechselweg vor, sei es der Aminosäure-, der Fettsäure-, der Kohlenhydratstoffwechsel oder auch die Vorgänge in d e r ' .i f 11 Molekularbiologie. Die Inhalte dieses Kapitels erleichtern daher das Verständnis sämtlicher Gebiete der Bioehernie erheblich. Aus diesem Grund geht das folgende Kapitel ausführlich auf die katalytischen Funktionen von Enzymen sowie auf deren Beeinflussung ein. Bevor ihr euch jedoch gleich mit den Reaktionen beschäftigen dürft, an denen Enzyme beteiligt

Wie heißen die unterschiedlichen Strukturen von Proteinen und woraus bestehen sie? Proteine werden nach ihrem unterschiedlichen Aufbau mehreren Strukturen zugeteilt. Die Primärstruktur besteht aus der Aminosäuresequenz, unter Sekundärstruktur fasst man a-Helix und ß-Faltblatt zusammen. Di e Tertiärstruktur bildet die räumliche Faltung der Sekundärstrukturen. Die Quartärstruktur entsteht durch Zusammenlagerung mehrerer Tertiärstrukturen. Wie entsteht eine Peptidbindung, was wissen Sie über deren Drehbarkeit? Die Peptidbindung entsteht bei der Reaktion der o:-Aminogruppe einer Aminosäure mit der o:-Carboxlygruppe einer zweiten Aminosäure. Sie besitzt partiellen Doppelbindung scharakte r, d.h. sie ist nicht frei drehbar.

41

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®

42j Enzyme

sind, zeigt das hier beschriebene Reaktionsmodell zunächst die Situation, wie Reaktionen ohne Katalysatoren ablaufen.

4.1

Reaktionsmodell

Reagieren zwei Substanzen in Abwesenheit von Katalysatoren miteinander, so gesch ieht dies - nach der Kollisionstheorie - durch das Zusammenstoßen der beteiligten Moleküle. Dabei ist die Stärke der Kollision abhängig von der Geschwindigkeit der beiden Reaktionspartner. Je nachdem wie "kompliziert" diese Reaktion ist, müssen diese mehr oder weniger stark aufeinanderprallen.

Molekül A + Molekül B

~

Molekül C

4.2 Katalysatoren Viele der lebenswichtigen Stoffwechselreaktionen im Körper würden unter den dort h errschenden Bedingungen nur sehr langsam ablaufen. Aus diesem Grund besteht die Notwendigkeit, sie zu beschleunigen, denn wer will schon CfZ~~~~~ Jahre darauf warten, um nach einer Feier wieder nüchtern zu werden? Die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt zwar mit Erhöhung der Temperatur zu (s. 4.1 und 4.7.1, S. 46), doch dieses Mittel ist für unseren Körper ungeeignet, da ab ungefähr 42°C unsere Proteine denaturieren und daher Lebensgefahr besteht. Die Lösung dieses Problems sind die Enzyme. Als Biokatalysatoren erhöhen sie die Geschwindigkeit der Stoffwechselreaktionen (um das 108 bis 1020fache ... ), indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen. Eine Temperaturerhöhung ist somit nicht notwendig.

Abb. 6B: Reaktionsmodell MERKE:

Die Zuführung von Energie, z.B. durch Temperaturerhöhung, erhöht die Teilchengeschwindigkeit und damit die Reaktionswahrscheinlichkeit. Bei niedrigen Temperaturen werden also nur wenige Moleküle A mit B reagieren und die Reaktion zu C verläuft daher sehr langsam. Mit steigender Temperatur bewegen sich die Moleküle schneller, wodurch A und B auch öfter zusammenstoßen und so vermehrt zu C reagieren. Damit die Reaktion A + B -7 C auch unter der vergleichsweise niedrigen Körpertemperatur ablaufen kann, wird die Hilfe von Enzymen (=Biokatalysatoren) benötigt.

Beispiel: Eine Reaktion ohne Katalysator könnte man mit einem Gang (= Reaktion) zum nächsten Supermarkt vergleichen (z.B. um wieder etwas Nervennahrung zu erstehen). Je nach Entfernung dauert das so seine Zeit (= Aktivierungsenergie). Viel schneller würde diese Reaktion ablaufen, wenn ein hilfsbereiter Mensch (= Enzym) einen mit dem Auto mitnimmt. Auf diese Weise kann man auch schneller wieder zurück an den Schreibtisch.. .

Enzyme sind Biokatalysatoren , die die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen erhöhen, ohne dabei selbst verändert zu werden und ohne die Gleichgewichtslage zu ändern.

4.3 Aktives Zentrum Die Funktion von Enzymen beschränkt sich aber nicht nur auf die Erniedrigung der Aktivierungsenergie. Oft ist es noch wichtig, dass die beiden Moleküle mit der richtigen Stelle zusammentreffen. Eine weitere Funktion von Enzymen besteht daher darin, die miteinander reagierenden Moleküle in die richtige Position zueinander zu bringen. Dies geschieht durch die Fixierung des Substrats in einer Vertiefung an der Enzymoberfläche, dem aktiven Zentrum.

42

Spezifität

D

I 43

[>

Enzym + Substrat

------7

Enzym-SubstratKomplex

------7

Enzym-Produkt- ------7 Komplex

Enzym + Produ kt

Abb. 69: Aktives Zentrum

4.4 Spezifität Enzyme sind zwar hochw irksame Ka talysatoren, sie sind aber in ihrem Wirkungsspektrum stark eingeschränkt. Man könnte sie als Fachidioten bezeichnen, die sich auf eine ei nzige Art von Reaktion spezialisiert haben. Diese Spezifität unterscheidet die biologischen Katalysatoren grundlegend von d en chemischen Katalysatoren (wie z.B. Platin). Bei d en Spezifitäten unterscheidet man im Einzelnen die • Gruppenspezifität, • Substratspezifität, • optische Spezifität und • Wirkungsspezifität.

CH 2 - 0 - ®

CHpH

.- f-0

V

HO OH

'\I

/ oH

Glucokinase

/ '\1 ) AT P

ADP

OH Glucose

HO~OH OH

Glucose-6-®

Abb. 70: Glucokinase-Reaktion

Die Glucokinase findet sich unter anderem in den Hepatozyten. Sie katalysiert dort den ersten Schritt der Glykolyse, die ATP-abhängige Phosphorylierung von Glucose zu Glucose-6-Phospha t. Anders als d ie Hexokinase, die dieselbe Reaktion in allen anderen Geweben katalysie rt, ist die Glucokinase spezifisch für das Substrat Glucose; die H exakinase phosphoryliert auch andere Hexosen. Beide Enzym e sind Phosphotransferasen (=übertragen Phosphat).

4.4.1 Gruppenspezifität

Von Gruppenspezifität spricht man, wenn ein Enzym auf eine bestimmte chemische Gruppe reagiert, ohne dass dabei das Molekül, an dem diese Gruppe häng t, eine Roll e spiel t. Von Enzymen mit Gruppenspezifität werd en also unterschiedliche Substrate umgesetzt, die allerdings eine Gemeinsamkeit- z. B. bei d en Alkoholdehydrogenasen eine Hydroxylgruppe(= -OH)- besitzen müssen.

Übrigens ... Der KM-Wert der Glucokinase ist zwanzig ma l so hoch wie der KM-W ert der Hexakinase ( = die Affi nität der Gluco kinase zu Glucose ist niedriger, s. Michaelis-Menten-Konstante, ab S. 49]. Ein weiterer Unterschied zwischen den beiden Enzymen ist, dass die Glu cokinase im Gegensatz zur Hexakinase durch ihr Produkt(= Glucose-6Phosphat] NICHT gehemmt wird.

4.4.2 Substratspezifität Substratspezifi tät bezeichnet die Eigenschaft von Enzymen, nur ein einziges Zwischenprodukt d es Stoffwechsels umzusetzen. Ein Beispiel hierfür ist das in der Leber vorkommende GlykolyseEn zym Glucokinase:

4.4.3 Optische Spezifität/Stereospezifität

Auch in Bezug auf das Aussehen ihres Substrats weisen Enzyme eine h ohe Spezifität auf. So wird z.B. eine Substanz X umgesetzt, ihr Spiegelbild dagegen nicht. Bezogen au f die Aminosäuren heißt das, der Körper verarbeitet nur L-Amino-

43

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(!)

Enzyme

säuren, jedoch keine 0-Aminosäuren, da diese nicht in das aktive Zentrum des entsprechenden Enzyms hineinpassen: Eine rechte Hand (= Substrat) passt eben nicht in einen linken Handschuh(= Enzym).

Übrigens ... Al le Enzyme sind wirkungsspezifisch, ega l welche andere Spezifität sie noch besitzen.

4.5 Isoenzyme Übrigens ... Eine Ausnahme bilden die Epimerasen (= Racemasen], die optisch isome re Moleküle ineinander überführen. Ein Beispiel für eine Racemase ist die Methylma lonyi-CoA-Racemase. Sie wandelt das beim Abbau ungradzahliger Fettsäuren entstehende 0-Methylmalonyi-CoA zu L-Methylmalonyi-CoA um, bevor aus diesem Cobalamin-abhängig Succinyi-CoA wird.

4.4.4 Wirkungsspezifität Unter Wirkungsspezifität versteht man, dass Enzyme nur eine Stoffwechselreaktion katalysieren, also aus einem Substrat S immer nur ein bestimmtes Produkt P bilden können und nicht mehrere unterschiedliche Produkte P1 oder P 2 oder P 3 u sw. 4.4.5 Zusammenfassung Folgendes Beispiel soll die verschiedenen Spezifitäten noch einmal verdeutlichen: Einigen Leuten ist es völlig egal, welches Fahrzeug sie fahren, Hauptsache es ist ein PKW. Das könnte man als Gruppenspezifität bezeichnen, d enn von allen Fahrzeugen (z.B. Motorrädern, LKWs, Fahrrädern usw.) werden eben nur die PKWs genommen. Wieder anderen reicht es aber nicht, irgendeinen PKW zu fahren. Sie möchten ein Auto von einer bestimmten Marke (z.B. VW, BMW, Mercedes usw.) und sind daher substratspezifisch. Bei den optisch spezifischen Menschen könnte aber auch ein Auto einer bestimmten Marke vor der Haustür stehen, es würde dennoch abgelehnt werden, wenn z. B. das Lenkrad auf der falschen Seite ist. Die Wirkungsspezifität ist etwas schwierig in dieses Beispiel einzufügen . Man kann vielleicht sagen, dass man - egal mit welchem - Auto eben nur fahren kann und nicht fliegen ...

Als Isoenzyme bezeichnet man Proteine, die die gleiche chemische Reaktion katalysieren, deren Struktur (= Aminosäuresequenz) jed och unterschiedlich ist. Die Umsetzung des gleichen Substrats erfolgtdabei mitunterschiedlicher Aktivität (= Schnelligkeit, s. Michaelis-Menten-Konstante ab S. 49) . Auch ihre Ansprechbarkeit auf unterschiedliche Effektoren kann verschieden sein (s. Beeinflussung der Enzymaktivität, ab S. 53). Im folgenden Beispiel setzt Enzym A mehr Substrat um als sein Isoenzym A. Daher ist auch die Aktivität von Enzym A höher als die seines Isoenzyms. Enzym A


HO OH

OH

1

Hexakinase I -1 ATP I

OH

OH

Glucose

I

Glucose-6-Phosphat

-t1

Phosphohexose-lsomerase

I

-r--- ---- --I

®- o - c~ H2 o CHPH

f;'\ \.:_)

HO OH

-

®-o-CH 2 o

(7

~-

~

HO ATP

H2C- o - ®

V~~ ·~OH

-=--=:--->->

HO

I 1

ADP

Fructose-6-Phosphat

1 I Phosphofructokinase 1-1ATP

Fructose-1,6-Bisphosphat

I 1 Aldolase

I I

1

Triosephosphat-lsomerase

I Di hydroxyaceton -Phosphat

Glycerinaldehyd-3-Phosphat

I 3-Phosphog/ycerina/dehyd1 dehydrogenase I + 2x 1 NAOH+H+

- -- ADP

-1---- - - - - - -

ATP

(~ _})

coo-

I

l

HC - OH I

H2C- o - ®

3-Phosphog/ycerat-Kinase I + 2x 1 ATP I

I 1,3-Bisphosphoglycerat

8

---

3-Phosphoglycerat 1 Phosphoglycerat-Mutase

---

-'---------

coo-

8

coo-

I

l (

HC- o - ®

c - o -®

I

II

H2 C- OH

CH 2

I Enolase I

I Phosphoenolpyruvat

2-Phosphoglycerat

cool

C= O I

-~ --

/ 1 -~-

- --

-I-

I ADP

I Pyruvat-Kinase I + 2x 1 ATP

ATP

I

CH 3 Pyruvat

Abb . 44: Glykolyse

31

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Ci)

·21

Abbau & Aufbau von Glucose

8.

Das 3-Phosphoglyccrat erfährt daru1 einige Umwand-

ltmgen, deren Ziel es ist, den energiearmen Phosph atrest a m C-3-Atom i.n eine energiereiche Stel lung zu bringe n. Zunächst wird dazu das 3-Phosphoglycerat durch die Phosphoglyceratmutase zu 2-Phosphoglyce rat umgewandelt. Der Phosphatrest steh t jetzt also am C-Atom 2. Die Phosphog lyceratmu ta e benötigt 2,3-Bisphosphoglycerat als Cofa ktor. 9/10 Unter Wasserabspaltung durch die Enolase e ntsteht

schließlich der sehr energiereiche Eno les ter Phosph oenolpyruvat, der den jetzt aktivierten Phosphatrest auf ADP übertragen kann. Hierbei entstehen ATP und Pyruvat. Ka-

3 .1.2 HexokinasejGiucokinase Der erste Schritt der Glykolyse - von Glucose zu Glucose-6-Phosphat - kann durch zwei unter- ,\ schiedliche Enzyme katalysiert wer) ? den: entweder durch die Hexokinase ) oder durch deren lsoenzym, die Glucokinase. Das ist dann aber auch schon die einzige Gemeinsamkeit, die diese beiden Enzyme aufweisen. In den Physika wurden bislang h äufig die Unterschiede zwischen diesen beiden Enzymen gefragt:

talysierend es Enzy m dieser zweiten Substratkettenph osln,oo.

phorylierung is t die Pyruvatkinase. Die Pyruvatkinase-

.-

1 lj;l~:ce

•

.

""""

........

l llilllltt•

.-

Reakbon ist aud1 die dritte und damit letzte irreversible

Reaktion

Glucose ---> Glucose-6-P

Glucose ---> G\ucose-6-P

Substrate

alle Hexosen

Glucose

Affinität

hoch[=KM niedrig]

niedrig( = KM hoch)

Hemmung

durch Glucose6-P

Vorkommen

in allen Zellen

Reaktion der Glykolyse.

3 .1 .1 Substr atkett enphosphorylierung Von Substratkettenphosphorylierung spricht man immer dann, wenn innerhalb eines Stoffwechselwegs (= Substratkette) frei werdende Energie in Form von ATP/GTP gespeichert wird. Die drei Beispiele für eine Substratkettenphosphorylierung in unserem Körper sind • die 3-Phosphoglyceratkinase-Reaktion (= Glykolyse), • die Pyruvatkinase-Reaktion (=Glykolyse) und • die Succinatthiokinase-Reaktion (= Citratzyklus).

I in Leber und Pankrea s

Tabel \e.1: Gegenüberstellung der Isoenzyme Hexakinase und Glucokinase

Während die Hexokinase in der Lage ist, alle Hexosen zu phosphorylieren, ist die Glucokinase für Glucose spezifisch (daher auch ihr Name). Auch die Affinität(= das Bindungsbestreben) der beiden Isoenzyme zu ihrem jeweiligen Substrat ist verschieden: Die Hexokinase hat ein sehr hohes Bindungsbestreben und daher einen niedrigen KM- Wert zu ihren Substraten. Dies bedingt, dass sie in der gleichen Zeit mehr Substrate umsetzt als ihr Isoenzym, die Glucokinase, die einen hohen KM-Wert und damit eine niedrige Affinität hat. Auch in der Art der Regulation unterscheiden sich die Hexokinase und die Glucokinase: Die Hexakinase wird durch ihr Reaktionsprodukt Glucose-6-Phosphat gehemmt, die Glucokinase nicht.

32

Glykolyse

I 33

3.1.3 Aerobe/ anaer obe Glykolyse Die Glykolyse kann sowohl in Anwesenheit (= aerob) als auch in Abwesenheit von Sauerstoff(= anaerob) ablaufen. Bei beiden Prozessen si nd die unter 3.1 besprochenen Vorgänge identisch. Der Unterschied zwischen aerober und anaerober Glykolyse liegt lediglich im weiteren Schicksal des entstandenen Pyruvats und des in der 3-Phosphoglycerinaldehyd-DehydrogenaseReaktion entstandenen NADH/H+. In Anwesenheit von Sauerstoff- also unter aeroben Bedingungen - wird Pyruvat über den mitochond rialen Pyruvatdeh ydrogenase-Komplex (= PDH) in den Citratzyklus eingeschleust, unter anaeroben Bedingungen wird Pyruvat durch die Lactatdehydrogenase (= LOH) zu Lactat reduziert.

Die Hexakinase ist also vereinfacht betrachtet effektiver als die Glucokinase. Sie kann alle Hexosen phosphorylieren und das auch noch ziemlich schnell, während die Glucokinase ein langsamer Fachidiot ist der nur eine Art von Hexosen umsetzt und das auch noch langsam. Dafür ist sie allerdings sehr emsig und immer am Arbeiten (=wird nicht gehemmt). Diese sehr prüfungsrelevanten Unterschiede werden besser verständlich, wenn man sich die unterschiedliche Funktion der beiden Enzyme vor Augen hält: • Die Hexakinase kommt in allen Geweben vor und katalysiert dort den ersten Schritt der Glykolyse= die Phosphorylierung der Glucose zu Glucose-6-Phosphat. • Die Glucokinase ist nur in der Leber und den ßZellen des Pankreas vorhanden und ihre Genexpression wird durch Insulin induziert, was bedeutet, dass sie nur bei hohen Blutglucosekonzentrationen aktiv wird (da nur dann auch vermehrt Insulin ausgeschüttet wird).

Glucose anaerob

aerob

- 2ATP

C3

C3

Lactat

+ 2ATP

+ 2ATP

I NAD+ 1~H 2 Lactatdahydrogenase

~

NADH+H': _) Atmungs-

INADH+H+

Pyruval

Pyruvat

Pyruvat

! I

kette

+

l 0

+ 2.5 ATP

0 I

+ 7ATP

+ 2ATP

Abb. 45: Vergleich aerobe und anaerobe Glykolyse

33

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(!)

341

Abbau & Aufbau von Glucose

MERKE:

Die Pyruvatdehydrogenase. die Pyruvat zu AcetyiCoA abbaut bitte NIE mit der Lactatdehydrogenase verwechseln, die aus Pyr uvat unter anaeroben Bedingungen Lactat herstellt .

Übr ige n s ... Eine andere Mög lichkeit der Weiterverarbeitung von Pyruvat ist dessen Transamin ierung zur Aminosäure Al an in in der Glutamat-Pyruvat-Transaminase-Reaktion (= GPT].

Aerobe Glykolyse Voraussetzungen für die aerobe Glykolyse sind • die Anwesenheit von Sauerstoff und • das Vorhandensein von Mitochondrien (=Lokalisation der Atmungskette) .

coo-

coo-

I

C=O

+

+

I

CH 3

I

3

I

CH 3

CH 2 I

+

I

C=O I

CH 2 I

CH 2

CH 2

c oo-

c oo-

I

I

Pyruvat

c oo-

I

HN+- c - H

H3N - C - H

I

c oo-

GPT

Alanin

Glutamat

a-Ketog lutarat

Abb. 46: Glutamat-Pyruvat-Transaminase

Energiebilanz der aeroben Glykolyse:

Sind cliese beiden Bedingungen erfüllt können die Wasserstoffionen des in der 3-Phosphoglycerinaldehyd-Dehyd rogenase-Reaktion gebildeten NADH/H+ in der Atmungskette (im Mitochondrium) auf Sauerstoff übertragen werden.

Reaktion

Glykolyse

Hexakinase

-1 ATP

Phosphofruktokinase

-1 ATP

Atmu ngskette

3-Phosphoglyceratkinase +2ATP Pyruvatkinase

I Atm ungskette I NADH/W + 0 2•

+2ATP

3-Phosphoglycerinaldehyd- +2NADH/ H'-4 2x 2,5ATP = 5 ATP

NAD+ + Hp 2: = 2 ,5ATP

Dehydrogenase

r Chem isch gesehen, handelt es sich hierbei um die Knallgas-Reaktion, deren frei werdende Energie in Form von ATP gespeichert wird. So kommen - zusätzlich zu d en 2ATP, die direkt in der Glykolyse entstehen - pro Molekül NADH/H+ noch 2,5ATP hinzu. Da die aerobe Glykolyse insgesamt zwei Moleküle NADH/H+Ueder C3-Körper eines) liefert, sieht ihre Energiebilanz so aus:

= 7 ATP

Diese 7ATP sind die maximal mögliche Energieausbeute der aeroben Glykolyse. Nachdem im ersten Teil der Glykolyse durch die HexakinaseReaktion und die Phosphofructokinase-Reaktion jeweils lATP verbraucht wurden (= insgesamt also 2), liefert der zweite Teil der Glykolyse pro entstehendem Pyruvat durch Substratketten-

34

Glykolyse

phosphorylierung 2ATP (= insgesamt also 4), was bis hierher ein Plus von 2 ATP ergibt. Bis zu diesem Punkt unterscheidet sich die aerobe noch nicht von der anaeroben Glykolyse. Der Unterschied ergibt sich erst jetzt, in Form der Weiterverarbeitung des ebenfalls in der Glykolyse entstehenden NADH/H•. Dieses wird im zweiten Teil der Glykolyse durch die 3-Phosphoglycerinaldehyd-Dehydrogenase-Reaktion gebildet. Unter aeroben Bedingungen kann NADH/H+ in der Atmungskette oxidiert werden, wobei pro Molekül NADH/H• noch einmal 2,5ATP entstehen, was insgesamt SATP ergibt. Zusätzlich zu den 2 bereits vorhanden, entstehen so pro Molekül Glucose unter aeroben Bedingungen 7 Moleküle ATP. Übrigens .. . Hierbei nicht berücksichtigt ist die Energie, die noch im Pyruvat steckt. Diese wird unter aeroben Bedingungen aber erst im Citratzyklus frei und sollte daher streng (v.a. im Examen ] von der Glyko lyse getrennt werden.

Gesamtsummengleichung der aeroben Glykolyse: Im Physikwn und gelegentlich auch in der mÜJ.1.dlichen Prüfung wird gerne nach der Gesamt- A summengleichung von Stoffwech) > seiwegen gefragt. Um solcherlei Fragen zu beantworten, muss man wissen, was für den Stoffwed1Selweg benötigt wird und was am Ende dabei entsteht. Am Beispiel Glykolyse sieht das so aus:

I 35

In die Glykolyse fließen ein: 1 Glucose+ 2 ATP + 2 NAD• + 4 ADP + 4 P In der Glykolyse entstehen: 2 Pyruvat + 2 ADP + 2 P + 2 NADH/H• + 4 ATP Die Gesamtsummengleichung der Glykolyse lautet nach Kürzen: 1 Glucose+ 2 NAD• + 2 ADP + 2 P ~ 2 Pyruvat + 2 NADH/H• + 2 ATP Malat-Aspartat-Shuttle. Um das NADHIH• in der Atmungskette oxidieren zu können, muss es aus dem Zytosol (= Lokalisation der Glykolyse) in die Mitochondrien (= Lokalisation der Atmungskette) transportiert werden. Mitochondrien haben jedoch keinen Transporter für NADH/H•, und "einfach so" kann NADH/H+ die Mitod1ondrienmembran auch nicht überqueren. Die Lösung dieses Problems ist eine Umgehungsreaktion, der Malat-AspartatShuttle, aud1 Malat-Aspartat-Cyclus genannt:

Zuerst werden die Wasserstoffatome von zy tosolischem NADH/ H ' aufüxa lace tat übertragen. Das hierbei entstehende Malat wird ins Mitochondrium transporti ert. 2 Im Mitod1ondrium ve rläuft diese Rea ktion in umgekehrter Richtun g: Malat gibt die Wasserstoffatom e an mitoch on driales NA D' ab, und es entsteht Oxalacetat + NADH/I-1 '. 3 D a auch Oxalacetat die Mitochondr ienmembran NICHT e infach überqu eren karm (s. a. Gluconcogcnese 3.2, ab 5. 42), mu ss e · dafür in eine trans portfähige Form um gewandelt we rd en. Die geschieht in eine r T ransaminierungsreaktion (= COT, s. Biochemi e 2) zu Aspartal. 4 Aspartat w ir·d dann vom Mi tochondrium in das Zytosol transportiert und dort wieder zu Oxalacetat transa minierl, sodass Oxalacetat für einen e rneuten Transportzyklus zur Verfügung steht. Mitochondrium

Zytoso/

Aspartat

NADH+H+

<E---+-+-

X1

Oxalacetat

NAD+

· Malat

-

Aspartat

Dxatacetat

--t-t---7

CD

Malat

X @

NADH+H+

NAD+

Abb. 47 : Malat-Aspartat-Shuttle

35

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(!)

361 Abbau & Aufbau von Glucose

Anaerobe Glykolyse Bei der anaeroben Glykolyse ist nicht das Pyruvat, sondern das- in einer zu sätzlichen 11. Reaktion- durch die Lactatdehydrogenase entstehende Lactat das Endprodukt

coo-

l C=O I CH 3

Lactat

coo-

rylierung ATP. Die beiden Wasserstoffatome des NADHjH• würden unter aeroben Bedingungen mit dem Sauerstoff aus dem Blut in der Atmungskette zu Hp reagieren (s. S. 34). Wenn jedoch kein Sauerstoff vorhanden ist, muss die Zelle das entstandene NADH/H+ irgendwie anders zurück zu NAD+ verwandeln, da die Glykolyse sonst zum Erliegen käme (es wäre irgendwann kein NAD• mehr da). Und gena u dafür sorgt die schon angesprochene 11. Reaktion der Lactatdehydrogenase, die aus Pyruvat Lactat macht w1d damit auch aus NADH/H• wieder NAD•. Diese anaerobe Notlösung bringt allerdings wesentlich weniger Energie, als die aerobe Variante: M ERKE:

l HC - OH

Durch die anaerobe Glykolyse ist der Körper in der Lage, auch ohne Sauerstoff eine minima le Energieproduktion von 2ATP/ Molekü l Glucose aufrecht zu erha lten.

I

CH 3

anaerob

aerob

Abb. 48: Sch icksal des Pyruvats

Dieser Schritt ist notwendig, um das in der 3-Phosphogl ycerinaldeh yd-Deh yd rogenase-Reaktion entstandene NADH/H• zu NAD· zu regenerieren und damit einsatzfähig zu erhalten. Aber alles der Reihe nach: 3-Phosphog/ycerina/dehyddehydrogenase Glycerinaldehyd3-phosphat

(

)

3-PhosphoglyceratKinase 1,3-Bisphospho- <Exo>phal

\ I I

'' Glycerinaldehyd-3-Phosphat

---

~

Dihydroxyacetonphosphat

~

Glycerinalhehyd3-Phosphat

~ ~ ~

------ -- -- ---

Abb. 63: Fructosestoffwechsel

Lactat

~

Pyruvat

~

Zunächst wird Fructose durch die Fructokinase zu Fructose-1-phosphat phosphoryliert. 2

Fructose-1-Phosphat wird dann durch die Fructose-

1-Phosphat-Aidolase (= Aldolase B ) in Glycerinaldehyd

Fetlsä"""

Citratzyklus

und Dihydroxyacetonphosphat- einem Zwischenprodukt der Glykolyse- gespalten. 3

Auch das Glycerinaldehyd kann in die Glykolyse und /

oder Gluconeogenese eingeschleust werden. Dafür muss es nur durch die Triokinase zu Glycerinaldehyd-3-Phosphat umgewandelt werden.

H I C=O I H- C- OH I HO - C- H I H- C- OH I H- C- OH I CH 20H 0 -Giucose

H I

NAOPH/ W

NADP•

(~z) Aldosered uktase

HHO HH-

CH 20H I C - OH I C- H I C- OH I C- OH I CH 2 0H Sorbitol

Abb. 64: Umwandlung von Glucose zu Fructose im Polyolweg

60

NAo• NAOH/H'

(~/\ Ketosereduktase (Sorbitoi -Dehyd rogenase)

H- C- OH I C=O I HO - C- H I H- C- OH I H- C- OH I CH 2 0H 0-Fructose

Basics Mündliche \61

Je nach Stoffwechsellage werden Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd-3-Phosphat in die Glykolyse eingeschleust (= anabole Stoffwechsellage) oder zur Gluconeogenese verwendet(= katabole Stoffwechsellage). Übr igens ... • Bei der Fructoseintoleranz (H äufigkeit 1:130.000] kommt in der Leber und in den Nieren statt der Aldolase B, die Aldolase A vor. Wird mit der Nahrung Fructose aufgenommen (z.B durch den Genuss von Früchten], reichert sich Fructose-1-Phosphat in den Zellen an, da die Aldolase A das in der Fructokinasereaktion entstehende Fructose-1-Phosphat (fast] nicht abbauen kann. Da Fructose-1-Phosphat aber die Gluconeogenese hemmt, kommt es nach Fructose-.. Genuss" zu Hypoglykämien. • Freie Fructose kommt be im Menschen in der Spermaflüssigkeit vor. Hier ist bei der Synthese von Fructose aus Glucose das Sorbitol ein Zwischenprodukt (s. Abb. 64, S. 60 ). • Beim Diabetes mellitus spielt der Polyolweg eine wichtige Rolle: Bei hohen Blutzucker-Konzentrationen entstehen darüber unphysiologische Mengen an Sorbit und Fructose. Beide können die Zellen nicht mehr verlassen und führen über Osmose zur Zellschwellung. Auf diesen Mechanismus werden Spätfolgen wir grauer Star aber auch Mikroangiopathie und Neuropathie zurückgeführt.

Wo ist der Galaktosestoffwechsel lokalisiert? Der Galaktosestoffwechsellauft vor allem im Zytosol der Leber ab. Wie heißen die für den Galaktosestoffwechsel wichtigen Enzyme? Aus der Galaktose entsteht UDP-Giucose über • Galaktokinase. • Galaktose-1-P-UDP-T ransferase und • Galaktose-4 -Epimerase. Wie heißen die wichtigen Enzyme des FructoseStoffwechsels? Die wichtigen Enzyme des Fructose-Stoffwechse ls sind: • Fructokinase, • Fructose-1 -Phosphat-Aidolase [ = Aldolase B) und • Triokinase. Über welche Substanzen mündet der Fructose-Stoffwechsel in die Glykolyse? Fructose wird zu Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd-3-Phosphat abgebaut. die in die Glykolyse eingeschleust werden können.

Zum Stoffwechsel spezieller Hexosen wurden bislang im Physikum nur wenige Fragen gestellt. Letztendlich münden sie ja auch alle an irgendeiner Stelle in den GlucosestoffwechseL Gut vorbereitet seid ihr, wenn ihr zur Galaktose wisst, dass sie durch • Galaktokinase, • Galaktose-1-P-UDP-Transferase und • Galaktose-4-Epimerase in UDP-Giucose umgewandelt wird. Zur Fructose solltet ihr euch merken, dass sie über • Fructokinase, • Fructose-1-Phosphat-Aidolase ( = Aldol ase B] und • Triokinase zu Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd-3Phosphat abgebaut und so in die Glykolyse/ Giuconeogenese eingeschleust werden kan n.

61

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Ci)

62j Index

Index Symbole 1,3-Bisphosphoglycerat 30 1 .6-Giucosidase 50 2-Phosphoglycerat 32 3-Phospho-Giycerinaldehyd 57 3-Phosphoglyceratkinase 30, 32 3-Phosphoglycerinaldehyd-Dehydrogenase 30 a-Amylase 2 5 a-0-Giucose 7 ß-0-Giucose 7

A Adenylatcyclase 38 Aldehydgruppe 1, 9 Aldohexosen 9 Aldolase A 30 Aldolase B 59 Aldosen 9 Alkoholdehydrogenase 36 Alkoholgruppen 1 Amylo-[1.4- 1 ,6)-Transglykosylase 49 Amylopektin 1 7, 1 8 Amylose 17 Anomere 8, 1 0 äquatoriale OH-Gruppe 6 Aspartat 35 axiale OH-Gruppe 6

8 Ballaststoff 18 branching enzyme 49

c Cellulose 18 Chiralitätszentren 2, 6 , 9 Chondroitinsulfat C 1 9 Core-Protein 20 Cortisol 46

D 0-Fructose 60 0-Giucose 60 0-Ribose 3

Dermatansulfat 20 Diastereomere 8 , 9, 1 0 Dihydroxyacetonphosphat 30 Disaccharidasen 26 Disaccharide 15

E Enantiomere 8, 9 Enolase 32 Epimer 4, 8, 1 0 erleichterte Diffusion 27, 28

F Favismus 57 Fischer-Projektion 5 Fructokinase 59 Fructose 4, 9 Fructose-1 ,6-Bisphosphat 30 Fructose-1 ,6-Bisphosphatase 43 Fructose-1-Phosphat-Aidolase 59 Fructose-2,6-Bisphosphat 37 , 38 Fructose-6-Phosphat 30 Furanase 5, 6

G Galaktokinase 58 Galaktose 4 Galaktose-1-Phosphat-UDP-Transferase 58 Galaktoserezeptoren 21 Gesamtsummengleichung aerobe Glykolyse 35 Glucantransferase 50 Glucocorticoide 46 Glucokinase 32 Gluconeogenese 42 Glucose 4 , 9 Glucose-6-Phosphat 30 Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase 56 Glucose-6-Phosphat-lsomerase 30 Glucose-6-Phosphatase 43 Glucoseresorption 28 Glucosesensor 28 Glucosetransporter 28 Glukagon 38 Glutathion 57 GLUTs 28 GLUT 1 28 GLUT 2 28 GLUT 3 28

62

Index \ 63

GLUT 4 28 Glycerinaldehyd-3-Phosphat 30 Glykogen 4, 18, 28, 48 Glykogen-Phosphorylase-Kinase 52 Glykogenin 50 Glykogenolyse 50 Glykogenase 51 Glykogenphosphorylase 50, 52 Glykogensynthase 49, 53 Glykogensynthese 48 Glykogenverdauung 26 Glykolyse 30, 34, 36 -aerobe 34 - anaerobe 36 Glykoprotein 19, 20 Glykosaminoglykane 19 glykosidische Bindung 1 2 - N-glykosidische Bindung 15 - 0-glykosidische Bindung 13 - a-(1 ,4)-glykosidische Bindung 13 - a-[1-6)-glykosidische Bindung 14 - ß-[1 ,4)-glykosidische Bindung 13

H Haworth-Projektion 5 Heparin 20 Heteroglykane 17, 19 Hexakinase 30, 32 Hexosemonophosphatweg 55 Hexosen 2, 3 Homoglykane 17 Hyaluronsaure 19

Interkonversion 37 Isomaltose 16, 25

K Keratansulfat 20 Ketogruppe 1, 9 Ketohexosen 9 Ketosen 9 Konfigurationsisomere 8 , 9 Konformere 9 Konstitutionsisomere 8, 9

L Lactase 26 Lactat 36 Lactatdehydrogenase 33, 36 Lactose 4, 1 5 , 16

M Malat 35 Malat-Aspartat-Shuttle 35 M altase 26 Maltose 15, 16, 25 Milchzucker 4 Mucopolysaccharide 19

N N-Acetylneuraminsäure 20 N-glykosidische Bindung 12 Na-Symport 27 NANA 21 Neuraminidasen 21 nicht-reduzierende Zucker 1 5, 16

0 0-glykosidische Bindung 12 Oligosaccharide 1 7 Oxalacetat 35 Oxogruppe 4

p Pentosen 2 , 3 Pentosephosphatweg 55 - oxidativer Teil 56 -regenerativer Teil 56 PFK1 37 PFK2 37 Phospho-Giuconat-Dehydrogenase 56 Phosphoenolpyruvat 32 Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase 43 Phosphofructokinase 30, 37 Phosphofructokinase 2 37 Phosphoglucomutase 49, 50 Phosphoglyceratmutase 32 Polyalkohole 1 Polyolweg 60 Polysaccharide 17 primär aktiver Tra nsport 26 Propionyi-CoA 43

63

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Cl)

64j Index

Proteinkinase A 38 Proteoglykane 19, 20 Pyruvat 32 Pyruvat-Carboxylase 43 Pyruvatkinase 32

R reduzierende Zucker 16 Ringbildung 6

s Saccharase 26 Saccharose 15 Schrittmacherenzym 30 Sechserring 6 sekundär aktiver Transport 26 Sessel-/Wanne-Projektion 5 Sorbitol 60 Speicherkohlenhydrat 4 , 17, 18 Stärke 17 Starkeverdauung 26 Stereoisomere 8, 9 Strukturisomere 5, 9 Strukturkohlenhydrat 18 Substratkettenphosphorylierung 30, 32 Succinatthiokinase 32

~~p~~~ ,, foSf f?l.AA'1AAfiO~ ·· ti~ ~IRE~

._,

i~ ll€R. ~fAU.t'\e:DtZIN

/

T Transaldolase 56 Transketolase 56 Triokinase 59 Triosen 2 Triosephosphat- Isomerase 30

u UOP-Galaktose-4-Epimerase 58 , 59 UOP-Giucose 49

V v. Gierke 51 Diese und über 600 weitere Cartoons gibt es in unseren Galerien unter:

www. Ri ppenspreizer. com

64

Biochemie Band 4 Molekulargenetik, Binde- und Stützgewebe 4., komplett überarbeitete Auflage

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(!)

Autor: Sebastian Fehlberg

Herausgeber: MEDI-LEARN Verlag GbR Elisabethstraße 9, 35037 Marburg/ Lahn

Herstellung: MEDI-LEARN Kiel Dorfstraße 57 , 24 1 07 Ottendorf Tel: 0431 /78025-0. Fax: 0431 /78025-262 E-Mail: redaktion@medi-learn .de, www.medi-learn .de Ver lagsredaktion: Or. Waltraud Ha berb erger, J ens Plasger, Christian W eier, Tobias Hap p Fachlicher Beirat: Timo Brandenburg er Lektorat: Eva Drude Grafiker: lrina Kart, Dr. Günter Körtner. Alexander Dospil, Christine M arx Layout und Satz: Fritz Ramcke. Kristin a Junghans Illust r ation: Daniel Lüdeling , Rippenspreizer.com Druck: Druckerei Wenzel, Marburg 4. Auflage 2011 Teil 4 des Biochemiepaketes, nur im Paket erhältlich ISBN-13: 978-3-938802-78-6

© 2011 MEDI-LEARN Verla g GbR , Marburg Das vorliegende Werk ist in all seinen Teilen urheberrechtlich geschützt Alle Rechte sin d vorbeha lten, ins-

1

besondere das Recht der Übersetzung, des Vortrags, der Reproduktion, der Vervielfältigung auf fotom echanischen oder anderen Wegen und Speicheru ng in elektronische n Medi en. Ung eachtet der Sorgfalt, die auf die Erstellung von Texten und Abbildungen verwendet wurde , können weder Verlag noch Autor oder Herausgeber für mögliche Fehler und deren Folgen eine juristische Vera ntwortu ng oder irgendeine Haftung übernehmen.

Wichtiger Hinweis für alle Leser Die Medizin ist als Naturwissenschaft ständigen Veränderungen und Neuerungen unterworfen. Sowohl die Forsch ung als auch klinische Erfahrung en sorgen dafür, dass der Wissensstand ständig erweitert wird. Dies gilt insbesondere für medikamentöse Therapie und andere Behandlungen. Alle Dosierungen oder Angaben in diesem Buch unterliegen diesen Veränderungen. Darüber hinaus hat das Team von MEDI-LEARN zwar die größte Sorgfalt in Bezug auf die Angabe von Dosierungen oder Applikationen walten lassen, kann jedoch keine Gewähr dafür übernehmen. Jeder Leser ist angehalten. durch genaue Lektüre der Beipackzettel oder Rücksprache mit einem Spezialisten zu überprüfen. ob die Dosierung oder die Applikationsdauer oder -menge zutrifft. Jede Dosierung oder Applikation erfolgt auf eigene Gefahr des Benutzers. Sollten Fehler auffallen, bitten wir dringend darum, uns darüber in Kenntnis zu setzen.

Vorwort I 111

Vorwort Liebe Leserinnen und Leser, da ihr euch entschlossen habt, den steinigen Weg zum Medicus zu beschreiten, müsst ihr euch früher oder später sowohl gedanklich als auch praktisch mit den wirklich üblen Begleiterscheinungen dieses ansonsten spannenden Studiums auseinander setzen, z.B. dem Physikum. Mit einer Durchfallquote von ca. 25% ist das Physikum die unangefochtene Nummer eins in der Hitliste der zahlreichen Selektionsmechanismen. Grund genug für uns, euch durch die vorliegende Skriptenreihe mit insgesamt 32 Bänden fach lich und lernstrategisch unter die Arme zu greifen. Die 31 Fachbänd e beschäftigen sich mit den Fächern Physik, Physiologie, Chemie, Biochemie, Biologie, Mathe, Histologie, Anatomie und Psychologie/ Soziologie. Ein gesonderter Band der MEDI-LEARN Skripte nreihe widmet sich ausführli ch den Themen Lernstrategien, MC-Techniken und Prüfungsrhetorik. Aus unserer langjährigen Arbeit im Bereich professioneller Prüfu ngsvorbereitung sind uns die Probleme der Studenten im Vorfeld des Physikums bestens bekannt. Angesichts des enormen Lernstoffs ist klar. dass nicht 1 00% jedes Prüfungsfachs gelernt werden können. Weit weniger klar ist dagegen, wie eine Minimierung der Fa kte nflut bei gleichzeitiger Maximierung der Bestehenschancen zu bewerkstelligen ist. Mit der MEDI-LEARN Skriptenreihe zur Vorbereitung auf das Physikum haben wir dieses Problem für euch gelöst. Unsere Autoren haben durch die Analyse der bisherigen Examina den examensrelevanten Stoff für jedes Prüfungsfach herausgefiltert Auf diese Weise sind Skripte entstanden, die eine kurze und prägnante Darstellung des Prüfungsstoffs liefern. Um auch den mündlichen Teil der Physikumsprüfung nicht aus dem Auge zu verlieren, wurden die Bände jeweils um Themen ergänzt, die für die mündliche Prüfung von Bedeutung sind. Zusammenfassend können wir feststellen , dass die Kenntnis der in den Bänden gesammelten Fachinformationen genügt, um das Examen gut zu bestehen. Grundsätzlich empfehlen wir, die Examensvorbereitung in drei Phasen zu gliedern. Dies setzt voraus, dass man mit der Vorbereitung schon zu Semesterbeginn [z.B. im Ap ril für das August-Examen bzw. im Oktober für das März-Examen) startet. Wenn nur die Semesterferien für die Examensvorbereitung zur Verfügung stehen, sollte direkt wie unten beschrieben mit Phase 2 begonnen werden . • Phase 1: Die erste Phase der Examensvorbereitung ist der Erarbeitung des Lernstoffs gewidmet. Wer zu Semesterbeginn anfängt zu lernen, hat bis zur schriftlichen Prüfung je drei Tage für die Erarbeitung jedes Skriptes zur Verfügung. Möglicherweise werden einze ln e Skripte in weniger Zeit zu bewältigen sein, dafür bleibt dann mehr Zeit für andere Themen oder Fächer. Während der Erarbeitungsphase ist es sinnvoll, einzelne Sachverhalte durch die punktuelle Lektüre eines Lehrbuchs zu ergänzen. Allerdings sollte sich diese punktuelle Lektüre an den in den Skripten dargestellten Th emen orientieren! Zur Festigung des Gelernten empfehlen wir, bereits in dieser ersten Lernphase themenweise zu kreuzen. Während der Arbeit mit dem Skript Biochemie sollen z.B. beim Thema "Gentechnologie" auch schon Prüfungsfragen zu diesem Thema bearbeitet werden . Als Fragensamm lung empfehlen wir in dieser Phase die "Schwarzen Reihen". Die jüngsten drei Examina sollten dabei jedoch ausgelassen und für den Endspurt (=Pha se 3) aufgehoben werden. • Phase 2: Die zwe ite Pha se setzt mit Beginn der Semesterferien ein . Zur Festigung und Vertiefung des Gelernten empfehlen wir, täglich ein Skript zu wiederholen und paralle l examensweise das betreffende Fach zu kreuzen. Während der Bearbeitung der Biochemie (hierfür sind sieben bis acht Tage vorgesehen] empfehlen wir, pro Tag jeweils ALLE Biochemiefragen eines Altexamens zu kreuzen. Bitte hebt euch auch hier di e drei aktuellste n Examina für Phase 3 auf. Durch dieses Verfa hren wird der Lernzuwachs von Tag zu Tag deutlicher erkennbar. Natürlich wird man zu Beginn der Arbeit im Fach Biochemie durch die tägliche Bearbeitung eines kompletten Examens mit Themen konfrontiert, die möglicherweise erst in den kommenden Tagen wiederholt werden. Dennoch ist diese Vorgehensweise sinnvol l, da die Vorab-Beschäftigung mit noch zu wiederholenden Themen deren Ve rarbeitungstiefe fördert.

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CI)

IV

I

Vorwort

• Phase 3: ln der dritten und letzten Lernphase sollten die aktuellsten drei Examina tageweise gekreuzt werden. Praktisch bedeut et dies, dass im tageweisen Wechsel Tag 1 und Tag 2 der aktuellsten Examina bearbeitet werden sollen. Im Bedarfsfall können einzelne Prüfungsinhalte in den Skripten nachgeschlagen werden.

• Als Vorbereitung auf die mündliche Prüfung können die in den Skripten enthaltenen "Basics fürs Mündliche" wiederholt werden. Wir wünschen allen Leserinnen und Lesern eine erfolgreiche Prüfungsvorbereitung und viel Glück für das bevorstehende Examen! Euer MEOI-LEARN-Team

Online-Service zur Skriptenreihe Die mehrbändige MEDI-LEARN Skriptenreihe zum Physikum ist eine wertvolle fachliche und lernstrategische Hilfestellung, um die berüchtigte erste Prüfungshürde im Medizinstudium sicher zu nehmen. Um die Arbeit mit den Skripten noch angenehmer zu gestalten, bietet ein spezieller Online-Bereich auf den MEDI-LEARN Webseiten ab sofort einen erweiterten Service. Welche erweiterten Funktionen ihr dort findet und wie ihr damit zusätzlichen Nutzen aus den Skripten ziehen könnt, möchten wir euch im Folgenden kurz erläutern. Volltext-Suche über alle Skripte Sämtliche Bände der Skriptenreihe sind in eine Volltext-Suche integriert und bequem online recherchierbar. Ganz gleich, ob ihr fächerübergreifende Themen noch einmal Revue passieren lassen oder einzelne Themen punktgenau nachschlagen möchtet: Mit der Volltext-Suche bieten wir euch ein Too l m it hohem Funktionsumfang, das Recherche und Rekapitulation wesentlich erleichtert. Digitales Bildarchiv Sämtliche Abbildungen der Skriptenreihe stehen euch auch als hochauflösende Grafiken zum kostenlosen Download zur Verfügung. Das Bildmaterialliegt in höchster Qualität zum großformatigen Ausdruck bereit. So könnt ihr die Abbildungen zusätzlich beschriften , farblieh markieren oder mit Anmerkungen versehen. Ebenso wie der Volltext sind auch die Abbildungen über die Suchfunktion recherchierbar. Ergänzungen aus den aktuellen Examina Oie Bände der Skriptenreihe werden in regelmäßigen Abständen von den Autoren online aktualisiert. Die Einarbeitung von Fakten und Informationen aus den aktuellen Fragen sorgt dafUr, dass die Skriptenreihe immer auf dem neuesten Stand bleibt. Auf diese Weise könnt ihr eure Lernarbeit stets an den aktuellsten Erkenntnissen und Fragentendenzen orientieren. Errata-Liste Sollte unstrotzeines mehrstufigen Systems zur Sicherung der inhaltlichen Qualität unserer Skripte ein Fehler unterlaufen sein, wird dieser unmittelbar nach seinem Bekanntwerden im Internet veröffentlicht. Auf diese Weise ist sicher gestellt, dass unsere Skripte nur fachlich korrekte Aussagen enthalten , auf die ihr in der Prüfung verlässlich Bezug nehmen könnt. Den Onlinebereich zur Skriptenreihe findet ihr unter www.medi-learn.dejskripte

Inhaltsverzeichnis

1 Speicherung, Übertragung und Expression genetischer Information

1

1.1

Grundlagen

1

1.2

Nucleotide

1

1.3

1.4

1.2.1

Struktur der Nucleotide ............................................................................ ....................................... ... 1

1.2.2

Zucker der Nucleotide ........................ . ....... .. ..................................... ............................. ............... ....... 2

1.2.3

Basen der Nucleotide .......... .................................... .. ....................... ...................................................... 2

1 .2.4

Biosynthese der Nucleotide ...................................................................................... ...........................3

1 .2.5

Abbau der Nucleotide ......... ......................................................... .................... ................ ...................... 9

1 .2.6

Synthese der Desoxyribosen ........................................................................................................... 1 0

Nucleinsäuren

13

1.3.1

Struktur der Nucleinsäuren ....................................... .................................................................. 13

1.3.2

Einteilung der Nucleinsäuren .......................................................................................................... 14

Chromatin

IV

14

1 .4.1

Histone ......................... ...................... ........................................................... .......................................... 15

1.4.2

Nucleosomen ........ ............................................... ............................ .... .................................................. 15

1.5

Zellzyklus und Apoptose

17

1.6

Replikation der DNA

21

1.6.1

Mechanismus der Replikation ..................................................................... ... ............................ 21

1 .6.2

Te lomere und Telomerase ......... ................................................................ ............................. 23

1.6.3

Hemmstoffe der Replikation .. .................. ............... ...... ........ ......... ............................................ ... 23

1 .7

Schäden und Reparaturmechanismen der DNA

24

1 .8

Transkription

26

1 .8.1

Mechan ismus der Transkription .................... ................................... ............................................ 26

1 .8.2

Processing der hnRNA ...................................................................................................................... 27

1 .8.3

RNA-Polymerasen ............................................................................................... ................... .............. 28

1.8.4 Transkriptionskontrolle ............ ..................................... .......... .................................. ........................ 29 1.8.5

1.9

Hemmstoffe der Transkription .. ................ .. ..... ........................................................................... 33

Translation

34

1 .9.1

genetischer Code .................................. ........................................................................................... 34

1.9.2

tRNA .............. .... .............................. ... .................. .... ............................ ............................... ...... .. ............... 36

1.9.3

Ribosomen ..... ................. .............. ............................................ .................... .. ............ .. ........ ... ....... ... ...... 37

1.9.4

Mechanismus der Translation ............................... ........................ ........ ................. .................. 37

1.9.5

Posttranslationale Modifikationen ........ .......... ........... ............ ....... ................................................ 40

1.9.6

Hemmstoffe der Translation ........................................................................................................... 41

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CI)

VI j Inhaltsverzeichnis

1.1 0 Gentechnologie

43

1.1 0.1 Grundlagen .............................................................................................................................................. 43 1.1 0.2 Restriktionsendonukleasen ............................................................................ ............... .......... ......... 43 1.1 0.3 PCR (= polymerase chain reaction) ............................................................................................. 43 1.1 0.4 Plasmide ................................................................................................................................................... 44 1.1 0.5 Gelelektrophorese ................................................................................................................................ 44

1.11 Retroviren

45

1.11 .1 reverse Transkriptase ............................................................... .. .. .......... ......................................... 45 1.11. 2 Protoonkogene und virale Onkogene ................................................................................... ...... 45

2 Binde- und Stützgewebe

48

2.1

48

extrazelluläre Matrix 2 .1. 1

Kollagen .............................................................. ...................................................................................... 48

2.1.2

Elastin ............................................................. ................ ............................................................................ 51

2.1.3

Keratin ....................................................................................................................................................... 51

2.1.4

Proteoglykane und Glycosaminoglykane .................................................................................... 52

2 .2

Knorpelgewebe

52

2.3

Knochengewebe

52

Index

55

Grundlagen

1

I1

die DNA verdoppelt(= repliziert) w1d gleichmäßig auf die neu entstehenden Zellen verteilt. Die Abfolge der Nucleotide in einem DNAStrang codiert für Aminosäureketten, wobei je drei Nucleotide für eine Aminosäure codieren. Im menschlichen Körper gibt es 21 proteinogene Aminosäuren, die zum Teil mehrere Kodierungsmöglichkeiten pro Aminosäure besitzen (s.l.9.1, S. 34). Die Gesamtheit der Kodierungsmöglichkeiten für Aminosäuren nennt man den genetischen Code. Um Proteine herzustellen, muss als erstes die Speicherform der Erbinformation- die DNA- in die Transportform die RNA (= Ribonucleinsäure)- umgeschrieben werden. Dazu wird im Zellkern durch Tran skription der DNA die mRNA (= messenger RNA) synthetisiert und zur Proteinsynthese an Ribosomen- der Translationin das Zytoplasma transferiert. Um diese Vorgänge zu verstehen, sollte man sich als erstes mit den Bestandteilen der DNA vertraut machen: Wie ist sie strukturiert? Wie wird sie synthetisiert? Und wie erfüllt sie ihre FunktiOil.en? Erst nachdem diese Fragen beantwortet sind, werden hier die Replikation, Transkription und Translation vorgestellt.

Speicherung, Übertragung und Expression genetischer Information

Die Molekulargenetik ist sicherlich eines der spannendsten Gebiete der Biochemie. Sie beschäftigt sich mit der Speicherung, Übertragung und Expression genetischer Information und ist gerade in den letzten Jahren zunehmend in das Bewusstsein einer breiten Öffentbchkeit gerückt. Das Klonschaf Dolly, der genetische Fingerabdruck und die Gentherapie sind nur einige Schlagwörter, die die Vielfalt dieses Stoffgebiets vor Augen führen. Die strikte Ausrichtung dieser Reihe auf die Physikums-Relevanz lässt jedoch glücklicherweise die manchmal endlos ersd1einenden Synthesewege auf einige wenige Fakten zusammenschrumpfen. "·( Fakten, die dann aber mit großer Regel~näßigkeit gefragt werden und deren Lernen, Verstehen und Anwenden im Physikum mit Punkten belohnt wird. Im ersten Kapitel wird euch das für die Prüfung wesentliche Wissen über die Erbinformation des Menschen vorgestellt. Im Einzelnen geht es um ihren Aufbau, wie sie für Aminosäuren codiert, sieh für die Zell teil u ng verdoppelt (= repliziert), in RNA umgeschrieben (= transkribiert) und schließlich in Proteine übersetzt (= translatiert) wird. Der darauf folgende Abschnitt befasst sich mi t den prüfungsrelevanten Fakten z u gentechnischen Methoden und Viren . Das zwei te Kapitel hat das Thema Binde- und Stützgewebe, wobei hier der Schwerpunkt auf der Synthese des Kollagens liegt. Komplettiert wird dieses Skript durch einen Exkurs zum Vitamin Folsäure, das z.B. für die Synthese der Nucleotide benötigt wird und durch einen Exkurs zum Vitamin C, das unter anderem fü r die Biosynth ese des Kollagens unerlässlich ist.

1.2 Nucleotide Sieht man sich den menschlichen Stoffwechsel etwas genau er an, kann man feststellen, dass Nucleotide in fast allen Stoffwechselwegen vertreten sind und dort wichtige Funktionen übernehmen. Sie si nd zum Beispiel: • aktivierte Vorstufen der DNA- und RNA-Synthese, • Zwischenprodukte bei vielen anderen Synthesen (= z.B. UDP-Glucose, CDP-Diacylglycerin, S-Adenosylmethionin), • wichtige Energiequellen (= ATP und GTP), • wichtige Coenzyme als Adeninnucleotide (= NAD+, NADP•, FAD und Coenzym A) und • wichtige Komponenten der Signalübertragung in Körperzellen (=cAMP und cGMP).

1.1 Grundlagen

1 .2 .1 Struktur der Nucleotide Nucleotide sind aufgebaut aus einer Base, einem Z ucker und einem Phosphat-Rest. Ist nur die Base an einen Zucker geb unden, so liegt ein Nucleosid vor, das dann durch Anknüpfung eines Phosphat-Rests zu m Nucleotid wird.

Die DNA (= Desoxyribonucleinsäure) ist die Speicherform der Erbinformation. Sie besteht aus einer Doppelkette von vier verschiedenen Nucleotiden und wird im Zellkern gelagert. Um die Erbinformation bei einer Zellteilung von einer Zellgeneration auf die nächste zu übertragen, wird

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Ci)

2 / Speicherung, Übertragung und Expression genetischer Information

Sehr gerne wird im Physikum nach den Bindungen im Nucleotid-Molekül gefragt: • Die Base ist über eine N-glykosidische Bindung an das erste Kohlenstoff-Atom (= ClAtom) des Zuckers gebunden. • Die Bindung zwischen dem fünften Kohlenstoffatomdes Zuckers und dem Phosphat-Rest ist eine Esterbindung. • Zwischen den Phosphat-Resten befinden sich energiereiche Phosphorsäureanhydrid-Bindungen, deren Spaltung Energie für andere Reaktionen liefert.

OH

'ctYH O H OH

D-Ribose

OH

•C ÖH

~ase

/o'

/o'

/o' \

"/

_1_ 1_1_02 -

II

-

II

-

1

II

-

5

Ql_ \ Qi_

Ql_

0

4

PhosphorsaureanhydridBind ungen

3

HO

OH

H

2-Desoxy-D-Ri bose Abb. 2: Ribose und Desoxyribose

N

~

_0 - P - 0 - P - 0 - P - 0 - CH

Bestandteil von Desoxyribosiden, Monodesoxyribonucleotiden , Polydesoxyribonucleotiden (Desoxyribonucleinsäu ren , DNA)

I

N-glykosidische Bindung

Esterbindung

Bestandteil von Ribosiden , Monoribonucleotiden , Polyribonucleotiden (Ribonucleinsäuren, RNA)

I

1

2

(O)H

Nucleosid

Trinucleotid (Nucleosidtriphosphat) Abb. 1: Struktur der Nucleotide

zen. Es lohnt sich, hier etwas zu verweilen und ein Augenmerk auf die Pyrimidin- und Purin-Derivate zu richten, da in den Physikumsfragen sehr gern die einzelnen Basen vertauscht werden und die richtige Zuordnnng erkannt werden muss. Merke: • Pyrimidinderivate sind über ihr N-Atom 1, Purinderivate über ihr N-Atom 9 mit dem C-Atom 1 der Ribose verknüpft. • Die Summenformel der Purin-Base Adenin entspricht 5 Molekülen Cyanwasserstoff, also H-C==N.

M ERKE:

• Eine Esterbindung wird aus einer Alkohol-Gruppe [= OH-Gruppe] und einer Säure-Gruppe gebildet und ist (relativ) energiearm . • Eine Säureanhydridbindung wird aus zwei SäureGruppen gebildet und ist energiereich .

Pyrimidinderivate

1.2.2 Zucker de r Nucleotide Nucleotide besitzen Pentosen, also Zucker mit fünf Kohlenstoff-Atomen. Dabei werden zwei verschiedene Pentosen benutzt: die Ribose nnd die Desoxyribose. Den Unterschied macht das zweite Kohlenstoffatom des Zuckers aus: Befindet sich hier eine OH-Gruppe, so spricht man von einer Ribose. Ist die OH-Gruppe durch einen H-Rest ersetzt, spricht man von einer Desoxyribose. Passend zum Namen, werden die Ribosen zum Aufbau der RNA und die Desoxyribosen für die DNA benötigt.

NH 2

Base n

~~~-j

J

• o""'- w HO CH2

~0

\1

'

J

HO

OH Cytidin (C)

Nucleoside

o HN /-'-· •. ,CH3

OJ.,NJ

"o-b

1.2.3 Basen de r Nucleotide Prinzipiell werden zwei versduedene Basen-Typen unterschieden: Basen, die sich vom Pyrimidin ableiten und solche, die eine Purin-Grundstruktur besit-

HO OH Urld ln (U)

2

HO Desoxy-Tilymidin (dT)

Nucleotide

H

0

..... ~ , ..,. ~ ....

N, I

,c I

HC', ~ ,.....' C

Purin

I3

II

,C H

o -~- o- ~oH

Purinderivate N r--- - - - - - - - - - - , H , /

NH 2

N, ' , / ['/

L,

J_ ,~·

~. w

HO OH D-Ribose-5-Phosphat

N

H Ad enin (Ade)

Basen 0 HN ,n

r- N

'--==[=N='t: :'~:: : : : : : .J

.- Hypoxanthin ( Hyp)

Nucleoside

NH 2 ;;, ·

N : l "t;. '

N'

HO

~r

o

.;· N

atypische Phosphatanlagerung an C1

li

o-- 6-- 0- Co H~ 10

...... ~
NH2A N N

I

Guanin

Rib

H

K

ATP

Nucleosidphosphorylase

0

Xanthin entsteht somit aus dem Abbau der Purinbasen Adenin, Inosin und Guanin. Als Zwischenprodukt wird es dann noch weiter durch das Enzym Xanthinoxydase in Harnsäure umgewandelt. Die Harnsäure ist bei Primaten das Endprodukt des Purinbasen-Abbaus und wird im Harn ausgeschieden. Bei den anderen Säugetieren wird die anfallende Harnsäure in das besser wasserlösliche Allantoin überführt.

ADP. Rib-1-P

HNY N'> ~N)__~

Das Enzym Xanthinoxydase katalysiert zwei Umwandlungsschritte beim Abbau der Purinbasen: • die Umwandlung von Hypoxanthin zu Xanth in und • die Umwandlung von Xanthin zu Harnsäure. Durch die Arbeit der Xanthinoxydase entsteht bei jeder Reaktion ein freies Radikal 0 2 -. das durch die Superoxiddismutase in H2 0 2 umgewandelt wird.

Übrigens ... • Im menschlich en Blut liegt ein e sehr hohe Konzentration der schlecht wasserlöslichen Harnsäure vor. Wird diese überschritten ("' Hyperurikämie), dann fa llen Harnsäurekristalle aus, die sich in Gelenken ablagern können und dann das Bild einer Gicht mit Gelenkschmerzen und Gelenkdestruktionen erzeugen.

H Hypoxanthin Xa nthinoxydase

(Affe • Menscl1)

Harn

Harnsäure (Urat)

Ab~14:AbbauderPurinbasen

1 Adenosin wird im ersten Schritt des Abbaus zu Inosin umgewandelt Diese Umwandlung erfolgt durch eine Desaminierung, also die Abspaltung von NH 3 durch das Enzym Adenosindesaminase, Vom Nucleosid Inosin wird dann die Purinbase Hypoxanthin abgespalten. Eine Reaktion, die von der N ucleosidphosphorylase unter Spaltung der N-glykosidischen Bindung ausgeführt wird. Aus Hypoxanthin wird schließlich durch die Xanthinoxydase das gemeinsame Zwischenprodukt Xanthin. 2 Guanosin wird ebenfalls durch die Nucleosidphosphorylase an der N-glykosidischen Bindung gespalten und die Purinbase Guanin freigesetzt. Guanin wird desaminiert und es entsteht ebenfalls das gemeinsame Zwischenprodukt Xanthin,

Therapeutisch kann in einem solchen Fall das Enzym Xanth inoxydase durch den Stoff Allopurinol gehemmt werden. Dabei kommt es zur Xanthinurie ["'Ausscheidung der besser wasserlöslichen Stoffe Hypoxanthin und Xanthin) und die Symptome einer Gicht können sich bessern , da weniger Harnsäure gebildet wird. • Auch die SCID [= severe combined immunodeficiency) mit Störung der zellulären und humoralen Immunantwort hat ihre Ursache im Abbau der Purinbasen, Hier findet sich hä ufig ein Defekt der Adenosindesaminase.

1.2.6 Synthese der Desoxyribosen Um DNA zu synthetisieren, müssen die Ribosen der Nucleotide in Desoxyribosen umgewandelt werden. Am Ende der Nucleotid-Synthesen liegen nämlich die meisten Purin- und Pyrimidinbasen noch an Ribosen gebnnden vor (s. Abb. 7, S. 5 und s. Abb. 8, S. 6). Nur die Pyrim.idinbase Thymin wird schon direkt als dTMP - also~~~ als Desoxyribonucleotid-hergestellt und kann gleich in die DNA eingebaut werden.

10

Das bringt Punkte

Die Synthese der Desoxyformen der Zucker wird vom Enzym Ribonucleoti.dreduktase durchgeführt. Dabei werden folgende Ribonucleotiddiphosphate in Desoxyribonucleotiddiphosphate umgewandelt: • ADP -7 dADP • GDP -7 dGDP • COP -7 dCDP Nucleosidmonophosphat (z.B. AMP) ATP ADP

---J ...-1.

FAo X FADH 2

'-Thioredoxin/ T

's

.

für die Pyrimidinbasen- und die Purinbasen-Synthese, für die Synthese von Methionin aus Homocystein, für die Synthese von Serin und für den Abbau von Histidin.

Herkunft der Atome des Purinrings und nach den Stickstoff-Donatoren gefragt. Einen Schwerpunkt stellt der Abbau der Purinbasen dar. Hierzu sollte man sich

Thioredoxi< S sH: tRibontXIeotidH reduktase

NADP+

• Tetrahydrofolat die aktive Form der Folsäure ist, an die direkt eine M ethylgruppe angelagert werden kann und • Folsäure als Methylgruppen-Donator verwendet wird,

Zu den Purinbasen wird im Physikum sehr gern die

Nucleosiddiphosphat (z.B. ADP) NADPH/WX

• Dihydrofolat die verbrauchte, inaktive Form der Folsäure ist,

merken, dass • Glycin, C02 und zwei N 10-Formyltetrahydrofolate die Kohlenstoffatome des Purinrings liefern, • Glycin, Aspartat und zwei Glutamine die Stickstoffdona-

H,o

Desoxydinucleotid (z.B. d-ADP)

Abb. 15: Synthese der Desoxyribosen

MERKE: Die Ribonucleotidreduktase arbeitet auf der Stufe

der Nucleotiddiphosphate und benötigt Thio redoxin,

toren des Purinrings sind, • Harnsäure das Abbauprodukt der Purinbasen darstellt und im Urin ausgeschieden wird, • das Enzym Xanthinoxydase die Umwandlung von Hypoxanthin zu Xanthin und die Umwandlung von Xanthin zu

FADH 2 und NADPH/ W als Coenzyme.

Harnsäure katalysiert, • Allopurinol die Xanthinoxydase hemmt und es dann zu einer Xanthin- und Hypoxanthinurie kommt, • eine Hyperurikämie (= Gicht) durch eine verminderte renale Sekretion von Harnsäure oder durch eine vermehrte Purinbasen-Synthese bedingt sein kann und • das Enzym HGPRT Hypoxanthin zu IMP und Guanin zu GMP umwandelt. Sehr häufig wird im Physikum nach dem Aufbau der Nucleot ide gefragt Unbedingt merken sol lte man sich daher. dass • die Base über eine N-glykosidische Bindung mit der Pentose verknüpft ist, • der Phosphat-Rest über eine Esterbindung mit der Pentose verknüpft ist und • die Phosphat-Gruppen untereinander durch energiereiche Phosphorsäureanhydrid-Bindungen verbunden

Außerdem wird im Physikum gern nach der Herstellun g der Desoxyformen der Nucleotide gefragt. Hier sollte man sich unbedingt merken, dass • die Nucleotide ADP, GDP und COP in ihre Desoxyformen umgewandelt werden, • das Enzym Ribonucleotidreduktase diese Reaktionen katalysiert und • hierzu Thioredoxin, NADP+ und FAD als Coenzyme notwendig sind.

sind. Ein Hauptschwerpunkt liegt im Physikum auf der Pyrimidinbasen-Synthese und dem wichtigen Vitamin Folsäure_Hier sollte man wissen, dass • dTMP aus dUMP synthetisiert wird und für diese Reaktion der Methylgruppen-Donator Folsäure - als Methylentetrahydrofolat - notwendig ist, • durch spezielle Hemmst offe in diesen Syntheseschritt eingegriffen werden kann : Aminopterin und Methotrexat hemmen die Dihydrofolatreduktase und 5-Fiuoruracil die Thymidylat-Synthase,

11

Nennen Sie bitte die Nucleotide, aus denen die Erbinformation des Menschen aufgebaut wird . Für die Synthese der DNA werden die Nucleosidtriphosphate benötigt. Oesoxyadenosintriphosphat

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12/ Speicherung, Übertragung und Expression genetischer Information

(dATP], Desoxythymintriphosphat (dTIP), Desoxyguanosintriphosphat [ dGTP) und Desoxycytidintriphosphat [dCTP).

Kohlenstoff-Donator Methyltetrahydr ofolat (= aktive Form des Vitamins Folsäur e) verwendet. CTP wird aus UTP synthetisiert.

Was ist der Unt erschied zwischen Nucleosiden und Nucleotiden und wie sind sie aufgebaut? Zeichnen Sie ein Nucleotid und erläutern Sie dessen Struktur. Ein Nucleosid besteht aus einer Base und einer Zuckerkomponente [= Ribose oder Desoxyribose) , ein Nucleotid aus Base, Zucker und Phosphatrest [= Mono-, Di- oder Triphosphat).

Erläutern Sie bitte kurz die Purinbasensynthese. Am Ende der Purinbasensynthese entsteht AM P und GMP, die aus je einem IMP synthetisiert werden. Oie Synthese des Purinbasen-Rings erfolgt Schritt für Schritt an der Ribose (= dem PRPP).

N eo

Adenosin-Triphosphat (ATP)

/o' "o-P -

I

o· -

/o'

/o'

"

"

o·

or

NH.,

N

N

0- - P - 0- - P - 0- - CH 2 ö I I -

-

HO

OH

Am Beispiel von ATP erkennt man den Aufbau eines Nucleotids mit folgenden Bindungen: Die Base Adenin ist über eine N-glykosidische Bindung an Ribose gebunden. Zwischen Ribose und den Phosphatresten besteht eine Esterbindung. Di e weiteren Phosphate sind als Phosphorsäureanhydridbindungen angeknüpft. Welche Basen stehen für die Verschlüsselung der Erbinformation in der DNA zur Verfügung? Grundsätzlich kann zwischen Basen mit einem Pyrimidin- und Purinbasengerüst unterschieden werden . Oie Pyrimidinbasen der DNA sind Cytosin und Thymin, die Purinbasen sind Adenin und Guanin. [Die Pyrimidinbase Uracil kommt nur in der RNA vor). Beschreiben Sie bitte kurz die Pyrimidinbasensynthese. Ziel der Pyrimidinbasensynthese ist die Herstellung der Nucleotide CTP und dTMP. Erst nachdem der Pyrimidinbasen-Ring schrittweise synthetisiert wo rden ist, erfolgt die Anlagerung der Zuckerkomponente [= PRPP als aktivierte Ribose] und es entsteht in weiteren Synth eseschritten das Zwischenprodukt UMP. Zu r Synthese des dTMP muss auf dUMP eine Methylgruppe übertragen werden. Hierzu wird der

Was wissen Sie über das Vitamin Folsäure? Folsäure wird von Bakterien und Pflanzen synthetisiert, nicht jedoch vom Menschen. Tetrahydrofolat kann als aktive Form der Folsäure Kohlenstoffreste übertragen. Verwendung findet der MethylgruppenDonator in der Synthese der Purin- und Pyrimidinbasen, der Synthese von Methionin aus Homocystein, der Synthese von Serin aus Glycin und beim Histidinabbau. Nebenbemerkung: Der Folsäure-Stoffwechsel kann durch Aminopterin und Methotrexat an der Dihydrofolat-Reduktase und durch 5-Fiuoruracil an der Thymidylat-Synthase gehemmt werden. Ein Mangel kann zu Anämien, Immunschwächen und zu Neuralrohrdefekten führen. Nennen Sie bitte zusammenfassend die Unterschiede und Besonderheiten der Purin- und Pyrimidinbasen. • Die Synthese der Purinbasen erfolgt direkt, an der Ribose gebunden. Pyrimidine werden erst nach vollständigem Ringschluss an die Ribose angelagert. • Zur Synthese von Purin- und Pyrimidinbasen wird u.a. Tetrahydrofolsäure als Kohlenstoff-Donator verwendet. • Purinbasen aus Nucleotiden können wiederverwertet werden (=werden zu etwa 90 % recycelt) , Pyrimidine müssen immer neu synthetisi ert und anfallende Pyr imidinbasen abgebaut werden. • Beim Abbau von Purinbasen (= werden zu 10% abgebaut) entsteht Harnsäure. die mit dem Urin ausgeschieden wird.

NlLL~D UIN. NlLL~D Ut.R. 1'\lf Nt.R KLt.INt.N PAUSt. DA2WISUit.N I.Sf DAS C-JAR NIUI'r SCH~R ...

12

Nucleinsäuren

1.3 Nucleinsäuren Im letzten Abschnitt wurden die einzelnen Bausteine der DNA und RNA- die Nucleotide- synthetisiert. Nun werden diese Nucleotide zu einer Kette zusammengefügt und so Polynucleotide gebildet. Diese Nucleotidketten sind die Speicherformen der Erbinformation. 1 .3 .1 Struktur der Nucleinsäuren Um Nucleotide zu einer Kette zusarrunenzulagem, müssen Phosphorsäurediesterbindungenzwischen den einzelnen Nucleotiden aufgebaut werden. Aus der Verknüpfung der einzelnen Nucleotide ergibt sich folgende Polarität in der Nucleinsäurekette: • ein 5' -Phosphat-E11de und • ein 3' -OH-Ende.

den Einzelsträngen spezifische Basenpaarungen aus: • Adenin verbindet sich mit Thymin über 2 Wasserstoffbrückenbindungen, H I

N

N- H

0

QA \NH) 0 I

P - Ribose

N=

CH

'

~N

1

o

I

Ribose - P Abb. 17: Basenpaarung A+ T

• Guanin mit Cytosin über 3 Wasserstoffbrückenbindun gen. H

5 ·-Phosphat-Ende

I

N- H

0

N I

0

(c)N HN~ N--=--(

o-ro-b sase I

\

I

o

/ H- N

P - Ribose

-

I

N

Ribose- P

I

H

0 I

Abb. 18: Basenpaarung C+G

o·- P - 0 - CH 2

~

~ase

Nach der von Erwin Chargaff aufgestellten und benannten Regel ist daher das Verhältnis von Adenin zu Thym in stets 1, genau so wie das Verhältnis von Gua nin zu Cytosin immer 1 ist. Die Summe aller Basenpaare in der DNA ergibt 100%: Adenin + Thymin + Guanin + Cytosin = 100%, wobei Adenin und Thymin immer mit gleichen Prozenten verteten sind, genauso wie Guanin und Cytosin.

0 I

o - ro - ~ase OH Abb. 16: Auschnitt aus einem DNA-Einzelstrang M ERKE:

ln der RNA-Kette wird Uracil statt Thymin verwendet.

Basenpaarungen Nucleinsäuren können durch die komplementäre Zusammenlagerung zweier DNA-Einzelstränge Doppelstränge bilden. Daneben besteht aber auch die Möglichkei t, dass sich DNA- und RNAKetten komplementär zu einem Doppelstrang zusammenlagern, was beim Thema Replikation (s. 1.6, ab 5. 21) noch genau besprochen wird. Doch zunächst zur DNA: Hier bilden sich zw ischen

13

Wird z.B. wieder einmal der Anteil an Guanin in der DNA gesucht und der Anteil an Adenin ist mit 20% angegeben, könnt ihr ihn mit dieser Gleichung Lmd der Chargaff-1\egel einfach berechnen: 20% + 20% + x% + x% = 100%, oder x% +x% =60%, was euch als Lösw1g einen Anteil von 30% Guanin sowie Cytosin und damit auch wieder einen Punkt mehr beschert.

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14j Speicherung, Übertragung und Expression genetischer Information

MERKE

Es paart sich immer eine Purin- mit einer Pyrimidinbase.

Übr ig ens ... Oie Bindungsenergie einer Wasserstoffbrückenbindung beträgt ca zwischen 10-50 kJj mol - ein Wert der auch schon öfters mal im Physikum gefragt wurde ...

E c

' Bindung eines intrazellulären Rezeptorproteins ---> dieser Hormon-Rezep tor-Komplex dimerisiert (mit einem anderen Honnon-Rezeptor-Komplex)--->

veränderte Ze llfunktion

Bindung an DNA über Zinkfinger-. Transkrip-

Rezeptor

tionsbeeint1ussung

neu es Protein

Gen Translation an den Ribosomen

!Transkription

Abb. 1: intrazellulärer Rezeptor

Man unterscheidet 3 unterschiedliche Klassen von Membranrezeptoren. Eine große w1d wichtige Gruppe sind die G-Protein-assoziierten (7-Helix-) Rezeptoren. Die sieben Transmembrandomänen dieser Rezeptoren bilden eine Struktur, die sie für die Interaktion rrnt einem G-Protein prädestiniert. Eine ganz andere Wirkungsweise zeigen die 1-Helixrezeptoren. Zu ihnen gehören die Tyrosinkinasen und die Guanylatcyclasen, die sich grundlegend von den anderen Rezeptoren untersd1eiden (s. S. 9 und s. S. 10). Die dritte Gruppe - die Ionenkanäle - soll hier nur erwähnt seil'l. Berühmtestes Beispiel dieser Gruppe ist der nikotinerge Acetylcholin-Rezeptor.

MERKE

Lipophile Hormone wirken auf die DNA im Zel lkern. Die Gene der so regu lierten Proteine (z.B. der Na•; K· -ATPase] werden dadurch verändert abgelesen (= Induktion oder Repression]. Dementsprechend häufiger oder seltener werden die entsprechenden Proteine produziert. Bedingt durch diesen Mechanismus liegt die Zeit bis zum Wirkungseintritt meist im Bereich von Stunden.

1.2.2 Wirkungsmechanismus hydrophiler Hormone Hydrophile Hormone durchdringen die Zellmembran nicht. Sie binden an einen membranständigen Rezeptor, der die Wirkung in das Innere der Zelle verrrnttelt. Es gibt verschiedene Arten dieser Rezeptoren.

'-1

uww flilfitll

7-Helix-Rezeptor (G-Protein-assoziiert)

1-Helix-Rezeptor

Abb. 2: Klassen von Membranrezeptoren

4

~

Ionenkanal

Zell membran

Hormon- und Zytokinrezeptoren/Signaltransduktion

G-Protein-assoziierte Rezeptoren

ls

selbst i11 der Membran verbleibt. Das G-Protein hat im Ruhezustand ein GDP gebunden. Ourd1 die Interaktion von Hormon-Rezeptor-Komplex w1d G-Protein wird der Austausch (KEINE Phosphorylierung... ) von GDP gegen GTP am G-Protein katalysiert. Der Hormon-Rezeptor-Kom plex aktiviert a lso das G-Protein. Das aktivierte G-Protein dissoziiert nun in die GTP-biJ1dende IX-Komponente und den ß,y-Teil. Der für die Funktion hauptverantwortlidle IX-Absdlnitt kann jetzt intrazellulär membranständige Effektorenzyme wie die Adenylatcyclase oder die Phospholipase C aktivieren. Dabei entstehen Second Messenger, wie cAMP und IP 3. Um eiJ1e überschießende Synthese von Second Messengern zu verhindern, inhibiert sich die Kaskade übrigens von selbst. Der IX-Abschnitt besitzt nämlich eme GTPase-Aktivität: durd1 Assoziation m.it dem Effektorenzym wird das GTP der IX-UntereiJmeit zu GDP gespalten und das G-Protein damit wieder inaktiv. Legen sich d.ie 3 Teile des G-Proterns letztendlich erneut zusammen, ist der Ausgangspwlkt erreicht und die Kaskade kann von vorne beginnen.

G-Proteine werden in der Signaltransduktion als Schalter benutzt Sie übertragen die extrazellulären Signale, d.ie von membranständ.igen Rezeptoren empfangen WUiden, auf intrazelluläre Signalkaskaden. Es existieren verschiedene Fan1ilien der G-Proteine. Zum einen gelten eiJLige Translationsfaktoren (If-2, Ef-1 etc.) als G-Proteine. Eine andere Gruppe stellen die kleinen G-Proteine dar, zu ihnen gehören Ras, Rab, Rho und viele andere. Für das Physikum konzentrieren wii uns hier auf die große Einheit der heterotrimeren G-Proteine. Wie der Name schon sagt, bestehen sie aus drei Untereinheiten, einer IX-, einer ß- und einer y-Untereinheit. Verantwortlich für die Fwlktion ist hauptsächlich die a-Untereinheit, denn sie brndet (nid1tkovalent) ein Guaninnucleotid. Beleuchten wir also die Vorgänge, die in der Zelle stattfinden, mal genauer: Oie Bindung eines Hormons an einen membranständigen 7-Helix-Rezeptor führt zu einer Konformationsänderwlg des Rezeptors. Der entstandene Hormon-Rezeptor-Komplex bindet daraufhin mtrazellulär ein G-Protern, wobei der Komplex

inaktive s Effektor-

(

e

Signalstoff

aktiviertes Effektorenzyrn

~~:j

<X-Einheit

Abb. 3 : G-Prot eine

second messenger

Zytoplasma aktiviert Effektor-

Bindung des Ho rmons an membra nständi ge n

Reze ptor ~

Anlagerun g e ines inakti ven C- Protei ns (enth ält GDP) --. Aktivierun g des G-Proteins durch Ersetzen des C DP du rch CTP --. Dissoziation des C- Proteins in n und f:l;y --. Akti,·ieru ng vo n Effek to renzymen durch di e CTP-beladene t1-Untercinheit

Es empfiehlt sich, diesen Abschn.itt ruh.ig merumals zu lesen. H.ier lassen sich nämbch . · eillige Punkte holen, w1d das nicht nur in der Biochemie, sondern auch rn der Physiologie! ~~t

Abb. 4: G-Prot ein Kreislauf

5

.

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M. \V

6

I Biochemie der Hormone Dieinhibitorischen G-Proteine (= G) unterscheiden sich von dieser Wirkweise nur in einem Punkt. Nach der Bindung von a; an die Adenylatcyclase wird diese nicht stimuliert, sondern gehemmt und es kommt zu einer verringerten Produktion an cAMP. Die Adenylatcyclase ist ein integraler Bestandteil der Zellmembran. Sie katalysiert folgende Reaktion:

Adenylatcyclase. Viele 7-Helix-Rezeptoren interagieren mit G-Proteinen, die Einfluss auf die Adenylatcyclase als Effektorenzym haben. Dabei gibt es 2 verschiedene G-Protein-Unterarten: Merke: Gs: Stimulat ion der Adenylatcyclase

---+ cAMP-Anstieg G; : Inhibition der Adenylatcyclase ---+ cAMP-Abfall

NH 2

t~N)

Hier folgt als Beispiel einmal die mit dem ß-adrenergen Rezeptor startende G 5 -Kaskade: Durch die Hormonbindung katalysiert das Re-

_ ?,

?,

?,

I

I

~NN

0 - P - 0 - P - 0 - P - 0 - CH 2 I

o·

o-

0

o-

""-

H H

Hormon

H

H

OHOH Rezeptor

AdenylatCyclase

ATP

Abb. 6: cAMP-Synthese

cAMP entsteht aus ATP und kann in der Zelle weitere Wirkungen vermitteln, hauptsächlich durch Aktivierung der Proteinkinase A (A wie cAMP ... ). Proteinkinasen sind spezielle Proteine, die einen großen Anteil an der Übermittlung von hormonellen Signalen über Rezeptorkaskaden haben. Durch die Bindung von jeweils 4 cAMP-Molekülen an die regulatorischen Untereinheiten der PK A dissoziieren die regulatorischen und die katalytischen Untereinheiten, wodurch ihr aktives Zentrum frei wird. Jetzt köm1en dort Serylund Threonylreste (Vorsicht: NICHT Tyrosyl-) von Zielproteinen phosphoryliert werden, die dadurch ihren Funktionszustand ändern. Diesen Vorgang - also das Aus- und Einschalten von Enzymen durch Phosphorylierung- nem1t man Interkonversion.

cAMP

Abb. 5: G.-vermittelte Stimulation der Adenylatcyclase

zeptorprotein den Austausch von GDP gegen GTP am G 5-Protein. Nach Trennung in a- und ß,y-Untereinheit vermittelt die GTP beladene a-Untereinheit eine Stimulation der Adenylatcyclase, die daraufhin einen Second Messenger produziert: das cAMP.

Übr i gens .. . Proteinkinasen phosphorylieren hauptsäch· lieh Hydroxy-Gruppen [= OH). Daher sind ihre Reaktionspartner Seryl-. Threonyl- und/ oder Tyrosylr este: Serin/ Threoninkinasen sind die - Proteinkinase A, B und C sowie die - Phosphorylase Kina se A [im Muskel). Tyrosinkinasen sind die Tyrosinkina sen [wie einfallslos ... ).

6

Hormon- und Zytokinrezeptoren/Signaltransduktion \ 7

Übr i g e n s __ _

MERKE:

Lasst Euch bitte nicht verwirren : ln den Fragen des schriftlichen Physikums werden die Begriffe lnterkonvertierung und Interkonversion synonym gebraucht. Beide meinen also dasselbe "'' ~ · und zwar das Aus- und Einschalten von Enzymen durch Phosphorylierung.

Gs- und Gi-abhängige Rezeptoren regulieren letztlich die Aktivität der Adenylatcyclase und damit die intrazelluläre Konzentration des Second Messengers cAMP. cAMP vermittelt mit Hilfe der PK A unterschiedliche zelluläre Effekte, die zu veränderten Zellfunktionen führen. Dabei kann die Aktivität eines Enzyms, aber auch die Transkription in einer Zelle

f:5!~ll~lll=lll=l

ubiquitär Th r ombozytenaggregation, Vasokonstri ktion

Entzündung , Schmerz, Fieber , Vasodilatat ion, Stimulation der Uterusmuskulatur, Magenschleirnsekretion

Endothelzellen Hemmung der Thormbozytenaggregation, Vasodilatation

Granulozyten, M akrop hagen , M astzellen Chemotaxis, Entzündun g, Anaphylaxie, Bronchokonstriktion

Abb. 46: Eicosanoide

• d ie alternative Mod ifi ka tion durch di e Lipoxygenase lässt eine Gruppe ni ch t zyklisch er Verbindungen mit d rei konjugierten \ Dop pelbindungen entstehen, ) > d ie Leukotriene. Leu kotriene sin d größ tenteils Mediatoren von Entzündungsreaktionen und a ls solch e z. B. fä hi g, w eiße Blutkörperchen anzulocken . Au ßerd em geh ören sie zu den stä rks ten bekannten Bronchokonstriktoren. Wissen swert ist n och, d ass Leu kotriene m anchmal auch Peptidketten b e-

Alle Eicosanoide entsteh en au s d er Arachidonsäure, einer vierfachungesätti gten Fettsä ure mit 20 C-Atomen. Diese muss zu vo r allerdings au s arachid on sä ureh altigen Me mbra nlip id en h erausgelöst werden. Das Enzym, d as d iesen Schri tt ka talysiert, heißt Phospholipase A 2• Für die Arachidonsäure ergeben sich mm 2 Möglichkei ten (entweder, oder ... ): • Zum einen kann sie durch Zyklisierung und Oxidation durch d ie Cyclooxygenase (= CO X) zu einem zyklischen Eicosanoid veränd ert werd en,

57

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®

58 ' Biochemie der Hormone

inhalten können: das Leukotrien C4 enthält z.B. Glutathion, eine sehr gern gefragte Tatsache .... Zu den zyklischen Verbindungen gehören die Prostaglandine, deren gemeinsame Muttersubstanz das -durch die COX entstandene - Prostaglandin I-Iz ist. Wichtige Vertreter sind die Thromboxane und die Prostacycline, die häufig auch als eigene Gruppen angesehen werden. Wirkungen der Eicosanoide sind, wie das obige Schema zeigt, sehr vielfältig und widersprechen sich teilweise. Davon solltet ihr euch unbedingt den plättchenaktivierenden, vasokonstriktiven Effekt des Thromboxans und die dazu antagonistische Wirkung des in Endothelzellen produzierten Prostacyclins (= Prostagtandin I.) merken. Übrigens ... • All e Prostaglandinrezeptoren sind G-Protein-assoziiert (s. S. 5). • Bei der therapeutischen Hemmung der COX (= irreversibel durch Aspirin] sollte man bei Asthmatikern Vorsicht walten lassen. Durch die Blockade des COX-Weges entstehen nämlich verhältnismäßig mehr Leukotriene, deren bronchokonstriktiven Eigenschaften die Situation eines Asthmatikers akut verschlechtern können. • Na, bemerkt? ln Abb.46 steht auch das euch schon bekannte Lipocortin (s. S. 39] . Die Synthese dieses Moleküls wird durch Glucocorticoide induziert. Es hemmt die Phospholipase A2 und unterstützt damit die immunsuppressive Wirkung von Cortisol.

Die hierzu gestellten Fragen beinhalten oft ähnliche Formulierungen von relativ wenigen Fakten, deshalb: Genau lesen und nochmal fest konzentrieren. • Histamin entsteht aus Histidin, ist in Sekretgranula von Mastzellen enthalten und wirkt auf die Belegzellen des Magens sowie auf die glatte Muskulatur von Lunge und Gefäßen . • Serotonin wird aus Tryptophan synthetisiert. • Serotonin wird in der dichten Gra- -~~oc-:: nula der Thrombozyten, den enterochromaffinen Zellen des Dünndarms und im ZNS gespeichert. Je nach Entstehungsort wird es bei Gefäßverletzungen freigesetzt, reguliert die Peristaltik des Darms oder zählt zu den Neurotransmittern.

• Das Abbauprodukt von Serot onin ist 5-Hydroxyindolacetat. • Somatostetin ist das Hemmpept id im Hypothalamus, Magen-Darm-Trakt und Pankreas. • Das besonders kurzlebige NO entsteht aus Arginin und stimuliert eine Guanylatcyclase. • Die Arachidonsäure ist die gem einsam e Vorst ufe der Prostaglandine und Leukot r iene (entweder COX-, oder Lipoxygenase-Weg). • Leukotriene sind Mediatoren der Entzündungsreaktion. • Das Leukotrien C4 ist ein sehr st arker Vasokonstriktor und enthält Glutathion. • Prostaglandine wirken über G-Protein-assoziierte Rezeptoren und vermitte ln zum Teil gegensätzl iche Effekte (z.B. Thromboxan und PG 12 ) . • Die Synthese der zyklischen Eicosanoide [und nur ihre!) wird durch ASS gehemmt.

Was haben Histamin und Serotonin gemein sam? Sie entstehen durch Decarboxylierung (Coenzym = PALP] aus einer proteinogenen Aminosäure und erhalten dadurch biologische Signalfunktionen. Was wissen Sie zum Stickstoffm onoxid? Stickstoffmonoxid ist ein sehr fl uchtiger Botenstoff. der z.B. in Endothelzellen und Makr ophag en aus Arginin synthetisiert wird. NO wirkt vasodilatat orisch (auf Gefäßmuskelzellen), verri ngert das Herzzeitvolumen und hemmt die Pl ättchenaggregat ion. Second Messenger ist cGMP, hergestellt an der löslichen Guanylatcyclase. Schildern Sie bitte die Synthese von Thromboxan. Arachidonsäure [20 C-Atom e, 4-fach ungesättigt) wird aus Membranlipiden au sgelöst (durch PL A2 ) . danach Zyklisierung und Oxidation durch COX [Hemmung durch ASS], aus dem entstandenen Prostaglandin H2 erfolgt dann die Synthese von Thromboxan. Schildern Sie bitte außerdem die Synthese von Leukotrienen. Leukotriene entstehen eb enfalls aus Arachidonsäure. ausgelöst durch die PL A2 . Unter schiedlich ist

58

Fettlösliche Vitamine \ 59

allerdings der nun folgende Schritt, der nicht durch die COX, sondern durch die Lipoxygenase katalysiert wird . Dabei entstehen Fettsäurederivate mit 3 Doppelbindungen, die manchmal noch mit Peptiden gekoppelt werden müssen, um biologische Aktivität zu erreichen.

MERKE:

EDeKA für die fettlöslichen Vitamine A. D, E und K.

Da sich fettlösliche Vitamine wie Fette verhalten, werden sie auch im Darm wie Fette behandelt. Gallensäuren stellen dabei als Emulgatoren unerlässliche Co-Faktoren dar. Sollte also, z.B. durch einen Gallenstein, der Gallensäure- und damit auch der Lipidstoffwechsel gestört sein, kann es zu Hypovitaminosen (= Mangelerscheinungen) der fettlöslichen Vitamine kommen. Dies ist übrigens ein gern gefragtes Prüfungsfakt Auch hier gilt wieder (s. S. 3): Fettlöslich bedeutet hydrophob und damit einen hohen Grad an Plasmaeiweißbindung.

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2

Vitamine und Coenzyme

Vitamine sind Stoffe, die vom menschlichen Organismus nicht synthetisiert werden können. Die Fähigkeit dazu ist im Laufe der Evolution wohl irgendwie verloren gegangen. Da Vitamine aber in geringen Konzentrationen für die Aufrechterhaltung des Stoffwechsels benötigt werden also lebensnotwendig sind - müssen sie mit der Nahrung aufgenommen werden. Und dies sind einige der wertvollen Dienste, die Vitamine für uns leisten: • Als Vorstufen von Coenzymen sind sie an katalytischen Prozessen beteiligt. • Sie aktivieren Transkriptionstaktoren (ähnlich einem Hormon). • Sie schützen vor oxidativem Stress. • Sie sind Teil der Signaltransduktion (z.B. beim Sehvorgang).

2.1.1 Vitam in A [= Retinol) Vitamin A gehört zur Gruppe der Isoprenoide, die nur im Pflanzenreich )~ oder von Mikroorganismen hergestellt werden (wie auch Tocopherol und Phyllochinon s. s. 66). Aufgenommen wird es direkt oder als Provitamin. Das Provitamin A ist ß-Carotin, bei dessen Spaltung zu zweimal Retina! mit Hilfe einer Dioxygenase NADPH verbraucht wird (wurde schon einige Male gefragt). Das aus ß-Carotin entstandene Retina] wird in Chylomikronen zur Leber transportiert, zusammen mit den anderen aufgenommenen Vitamin A-Formen. Dort kann es in den Ho-Zellen als Retinylpalmitat (= Fettsäureester) gespeichert werden. Eine Tatsache, die auch schon des Öfteren im Schriftlichen auftauchte.

Übrigens ... Insgesamt gibt es13 Vitamine, davon sind 4 fettlöslich und 9 wasserlöslich.

2.1

Fettlösliche Vitamine

Bei der folgenden Merkhilfe handelt es sich wohl um eine der bekanntesten Eselsbrücken überhaupt. Die fettlöslichen Vitamine kann man sich nämlich mit dem Namen einer Supermarktkette merken, die für diese Schleichwerbung wenigstens kostenlos Fruchtzwerge rausrücken müsste.

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I Vitamine und Coenzyme .

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A

Retina I

• Retinol , • Retinal und • Retinsäure.

• Epithelschutz, • Sehvorgang, • Entwicklung und Differenzierung

• Pflanzen(= ß-Carotin), • Fisch

0

Cholecalciferol

1,25-(0HkCholecalciferol

Calciumstoffwechsel

• Lebertran, • Milch, o Eier und • Pi lze.

E

Tocopherol

Tocochinon

Oxidationsschutz von Membranlipiden

• keimendes Getreide und • Pflanzenöle

K

Phyllochinon

• Phyllochi non und o Oifarnesylnaphthochinon

Carboxylieru ng von Glutamylresten u. a. von Blutgerinnungsfakto r en

• grüne Pflanzen und • Darmbakterien

Tabelle 13: fettlösliche Vitam ine

~~y~:o ß-Carotin

1

Dioxygenase

(mit NAOPH/H+)

a ll-tra ns Retina! (Sehvorgang) Oxidation /

Red uktion

Retinsäure (Wachstum, Differenzierung)

Retinol

Abb. 47 : Vitamin A

60

(Epithetschutz)

Fettlösliche Vitamine

161

Übrigens ...

Je nach Oxidationsstufe hat das Vitam in A unterschiedliche Funktionen. Als Retinal (=Aldehyd) spielt es eine w ichtige Rolle beim Sehvorgang. In der reduzierten Form (= Retinol, ei n Alkohol) schützt es die Schleimhautepithelien und ist unerlässlich für deren regelrechtes Wachstum. Hier lauert mal wieder eine häufige Richtigaussage: Zur Säure oxidiert (= Retinsäure) bindet Vitamin A an intrazellul äre Rezeptorproteine (ähnlich den lipophilen Hormonen), regu liert d arüber die Transkription ve rschiedener Gene und beeinflusst so Wachstum, Differenzierung, Embryogenese und Fertilität.

Das Opsin hat sieben Transmembrandomänen. Kommt euch das bekanntvor[s. S. 5 ]?

Ü br i gen s .. . Fantatrinker werden ga rantiert keine Vitamin AHypovitaminose bekommen , da ß-Carotin dafür als gelber Lebensmittelfarbstoff verwendet wird.

Sehvorgang In den Stäbchen d er Retin a (= ska tepisches Seh en, Nachtsehen) liegen im äußeren Segment viele kl e ine Membranscheibchen, wie Münzen in einer Geldrolle. In diesen kl ein en Scheibchen ist das Rhodopsin- der Sehpurpur- ei ngebettet. Rhodopsin besteht aus einem Protein - d em Opsin - und aus d em kova lent an einem Lysylrest fixierten Retinal (Bitte merken, wurde schon in den Fragen gesichtet).

Stäbchen

zum Sehnerv

Abb . 48: Netzhaut

bipolare Zellen

61

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®

' I Vitamine und Coenzyme Licht

D

geschlossener Ionenkanal

Vm =-75mV

!

Glutamatsekretion

Glutamatsekretion hell

dunkel Abb. 49: hell-dunkel

Im Dunkelzustand sind nun in den Sinneszellen nachfolgenden Zellen erhalten über die Sekretider Retina viele Natrium- und Calciumkanäle on von Glutamat ein Signal. Kommen wir jetzt zur Funktion des Retinals. geöffnet. Die einströmenden Kationen depolarisieren die Zelle und führen so zu einer Dieses liegt im Rhodopsin als 11-cis-Retinal Transmitterausschüttung (=Glutamat) am vor. Die Stereoisomerisierung von all-trans-' ilmeren Segment des Stäbchens. zu 11-cis-Retinal erfolgt OHNE Änderung der \ An den nachfolgenden bipolaren Summenformel. Es findet also keine Oxidation oder Reduktion statt (Vorsicht-Falle!!). Trotzdem Zellen der Netzhaut liegt also ein Dunkelsignal an. Wichtig zu besteht zwischen diesen beiden Formen ein Unwissen ist, dass die Ionenkanäle terschied. Salopp formuliert: Das 11-cis-Retinal ist gespannt wie ein Flitzebogen (= es fühlt sich für Natrium und Calcium nicht einfach so offen sind, sondern durch nicht ganz wohl in seiner Struktur). Am liebsten cGMP geöffnet werden, das in den Stäbwürde es sofort in die all-trans-Stellung springen. Das kleine bisschen Energie, das dem 11-cis-Rechen durch eine Guanylatcyclase gebildet wird . tinal fehlt, um wiederumschnappen zu können, Bei Dunkelheit ist also der Spiegel an -~,_.G:L cGMP hoch, der Kationeneinstrom ebenfalls, die Zelle ist depolarisiert und die

h

62

Fettlösliche Vitamine 163

Membranscheiben

Zytoplasma

H3C

CH 3

CH 3

11

~12

'\ '\ H3C

Zilium

HC

0

""'NH

Scheibenzwischenraum

I

11-cis-Retinal Mitochondrien

~

Isomerisierung

1

3

Opsin

Licht

Kern

c~ N/ 0 H

Synapse all-trans-Retinal

Abb. 5 0: Isomerisierung

liefert ihm das Sonnenlicht. Fällt also UV-Licht auf das 11-cis-Retinal im Rhodopsin, so ändert dieses seine isomere Form zu all-trans-Retinal. Dadurch wird auch die Konformation des Rhodopsins geändert, das dann als aktives Rhodopsin (= R*) bezeichnet wird (s. Abb. 51, S. 64) . R* ist nun in der Lage, Transducin zu aktivieren. Beim Transducin handelt es sich um ein heterotrimeres G-Protein (daher auch die sieben Transmembrandomänen des Rhodopsins). Wie bei der Hormon-Rezeptor-Bindung (s. S. 5) ermöglicht die Bindung von R* an Transducin den Austausch von GDP gegen GTP und damit einen Übergang in den aktiven Zustand des Transducins unter Trennung vona- und ß, y-Komponente. Die mit GTP beladene a-Untereinheit ist jetzt in der Lage, eine Phosphodiesterase zu stimulieren, was zu einem raschen Abfall der cGMPKonzentration in der Zelle führt. Dadurch werden die Ionenkanäle geschlossen, das Stäbchen hyperpolarisiert und die Glutamat-Sekretion sistiert. Dieser Zustand ist letztendlich das Lichtsignal an das ZNS (s. a. Abb . 49).

M ERKE:

Die Isomerisierung des kova lent gebundenen Retinals von cis zu transführt zur Aktivierung des Rhodopsins. Daraufhin wird das G-Pr otein Transduein angeregt. Dies senkt den cGMP-Spiegel in der Sinneszelle, der Kationeneinstrom erlischt und die hyperpolarisierte Zelle sendet kein Signal mehr, was von den nachfolgenden Ze ll en als Lichtsigna l erkannt wird. Dunkelheit ----+ Depolarisation H ell igkeit

-+

Hyperpo larisation

Pathobiochemie

Das erste Symptom einer Vitamin-A-Hypovitarninose ist die Nachtblindheit. Bei weiter fortschreitendem Mangel fällt die Epithelschutzwirkung des Retinols weg und es kommt zur Verhornung der Haut, Schleimhaut sowie der Cornea. Durch die Dysfunktion des Epithels kann es außerdem zu Sterilität und Xerophthalmie kommen, einer zur Trübung führenden Verhornung der Cornea .

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Ci)

J

Vitamine und Coenzyme Licht {h · V)

D ~ MMnr~ ~Y~ ~ 1~nn~ IIJIII'" 8n dap

1 Transducin

v-

GTP

~GDP

ß:y

cGMP-Esterase cGMP - - - - - - 7 G M P Abb. 51: Transducin

Übrigen s ... • Die Xerophtalmie ist in manchen Entwicklungsländern durchaus noch eine Ursache für Erblindung. • Die sehr seltene Hypervitaminose A tritt eigentlich nur bei Polarforschern auf, die zuviel Eisbärenleber gegessen haben. Allerdings sollten sich auch die bräunungshungrigen Vitamin-A-Tablettenschlucker unter euch vorsehen ... Die Symptome sind Benommenheit, Hautabstoßung, Haarausfall und Kno chenbrüche. 0

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Fettlösliche Vitamine

I 65

2.1.2 Vitamin D [= Cholecalciferol) Das vor allem in der Leber gebildete 7-Dehydrocholesterol wird in der Haut gespeiDie Vitamine der D-Gruppe gehören zu den Secosteroiden (s. Abb. 31, S. 36). chert. Durch das Auftreffen von Sonnenlicht öffnet sich das Ringsystem Provitamin D 3 (= 7-Dehydrocholesterol) kann des 7-Dehydrocholesterols spontan, L-~~~~aso.::­ der Mensch selbst bilden. Dafür wird die also oh ne Enzymeinwirkung (wisCholesterinbiosynthese genutzt (= senswerter Fakt fürs Examen). Das Acetyl-CoA zu Isopren). Für die ~~~ Sterangerüst geht dabei verloren . weitere Synthese der aktiven Form Nun müssen noch 2 Hydroxylierungen erdes Vitam in D - die Spaltung zu "" Cholecalciferol - wird jedoch folgen, um die aktive Form zu erreichen. Die erste Hydroxylierung findet in der LeSonnenlicht benötigt. Geht man b er statt. Dabei wird die OH-Gruppe am nicht in die Sonne, so wird D 3 C 25 angehängt. Die zweite, akti vierende also zu m klassischen Vi tamin . Unter normalen Voraussetzungen kann ma n es Hydroxylierun g an C 1 erfolgt in der Niere. Dieser Schritt wird durch das Parathormon (s. allerdings als Hormon betrachten, weshalb seine S. 51) stimuliert, und fe rtig ist d as 1,25-(0Hk Wirkungen auch schon beim CalciumstoffwechCholecalciferol, das auf Grund seine r drei OBsel besprochen wurden (s. S. 51). Gruppen auch Calcitrial genannt w ir d. ==-'-"'-....L