Biochemie 5 (Reaktionstypen und Bioenergetik)

Oxidation: Gibt Elektronen ab

Reduktion: Nimmt Elektronen auf

Oxidationszahl: negativ: Aufnahme von e-, positiv: Abgabe von e-

-> Bildet polare kovalente Bindung

Da Elektronen nicht einfach im „luftleeren Raum verschwinden können“, sind Reduktions- und Oxidationsreaktionen immer miteinander gekoppelt, da die von einer Substanz abgegebenen Elektronen von einer anderen Substanz aufgenommen werden müssen

4 Arten von Übertragung:

1. Die Elektronenübertragung erfolgt direkt von einem Atom zum anderen.

Z.B. Kann das Fe2+/Fe3+- Redoxpaar ein Elektron auf das Cu2+/Cu+ -Redoxpaar übertragen. Als Elektronendonator fungiert hier das Fe2+.

2. Die Übertragung des Elektrons erfolgt als Wasserstoffatom.

(!) Das Wasserstoffatom besteht aus einem Proton (H+ = pos. geladener Atomkern) und einem Elektron (e- ). AH2 ⇄ A + 2e- + 2H+ der Elektronendonator gibt 2 Elektronen und 2 Protonen ab.

3. Die Übertragung des Elektrons erfolgt als Hydridion (H- ), dass 2 Elektronen besitzt (also :H- ).

NADH + H+ ⇄ NAD+ + H- (=H+ + 2e- ) + H+ ; NADH ist der e- -Donator. NAD+ + H- (=H+ + 2e- ) + H+ ⇄ NADH + H+ ; NAD+ ist der e- -Akzeptor.

4. Durch direkte Kombination mit Sauerstoff (Oxygenierung). In diesem Fall verbindet sich Sauerstoff mit einem organischen Reduktionsmittel, und wird wie bei der Oxidation eines Kohlenwasserstoffs zu einem Alkohol kovalent in das Produkt eingebaut. Der Kohlenwasserstoff ist der Elektronendonator, der Sauerstoff der Elektronenakzeptor. Der Elektronentransfer erfolgt hier nur intramolekular: der Sauerstoff hat durch seine höhere Elektronegativität dem Kohlenstoff die e- „entzogen“.

CH3 -> CH2OH -> CHO -> COOH -> CO2 (am meisten oxidiert)

Nicotinamid-adenin-dinucleotid

-> Coenzym das Hydrid Ion überträgt

Bei der homolytischen Spaltung enthält jeder Partner ein Bindungselektron, es entstehen Radikale.

heterolytischen Spaltungen, bei denen ein Atom beide Bindungselektronen behält (und so ein Anion entsteht), während das andere Atom ein Elektron verliert (und zum Kation wird). Das elektronegativere Element nimmt hierbei die negative Ladung auf. Allgemein kann man sagen es entstehen dabei Ionen: eine positiv geladene Spezies, elektronenarm, elektrophil und eine negativ geladene Spezies, elektronenreich, nucleophil.

Als Radikale bezeichnet man Atome oder Moleküle mit mindestens einem ungepaarten Elektron, die meist besonders reaktionsfreudig sind.

Sn1-Mechanismus und Sn2-Mechanismus

Nucleophile Substitution

verläuft zweistufig, aber nur ein Molekül am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt beteiligt ist

1. x-Teilchen spaltet sich heterolytisch ab

-> x- Anion; Carbokation (planar)

2. Nucleophil greift Carbokation an

Nucleophile Substitution

erfolgt in einem Schritt, ohne dass ein Zwischenprodukt gebildet wird

Das Nucleophil (Y– ) greift das elektrophile Zentrum von der Seite an, die der Fluchtgruppe gegenüberliegt. Infolge dessen wird ein Übergangszustand gebildet indem der zentrale Kohlenstoff fünffach (!) koordiniert vorkommt. Allerdings ist die Bindung zur Flucht(Abgangs)gruppe (X) in diesem Zustand bereits stark geschwächt, während die Bindung zum Nucleophil erst teilweise ausgebildet ist. Dieser Übergangszustand ist instabil und sehr energiereich. Die Struktur des Übergangzustandes liegt zwischen den Strukturen der Reaktanten und der Produkte. 

Reaktonen laufen nur dann spontan ab, wenn am Ende der Reak%on ein niedrigeres Energieniveau erreicht wird (Gibbs-Helmholtz-Gleichung).

d.h. wenn die freie Enthalpie deltaG= DeltaH-T deltaS negatv ist

Verlauf:

Aktivität der Edukte nimmt ab

Aktivität der Produkte nimmt zu

-> Veringerung der Geschwindigkeit der Hinreaktion

-> die Zusammensetzung eines Reaktionssystems verändert sich solange bis ein Gleichgewicht erreicht ist

definiert chem. Gleichgewicht für Reaktionen

(siehe Bild)

Gleichgewichtskonstante gibt Verhältnis der Konzentration aller beteiligten Stoffe an

-> siehe Bild

Adenintriphosphat liefert Energie für biochemische Prozesse

-> Zerfällt durch hydrolyse und setzt Energie frei

ATP +H2O -> ADP + Pi

ADP + H2O -> AMP + Pi

1. elektrostatische Abstoßung zw. Sauerstoffatomen wird durch Hydrolyse verringert

2. Solvatisierung

3. Resonanzstabilisierung

Polymerisationsreaktionen können nur mit ATP ablaufen

-> Phosphat wird auf Molekül übertragen

elektrische Abschirmung der Ionen

negative Ladungen werden gleichmäßig verteilt

-> ATP wird generiert

Phospholiertes Zwischenprodukt überträgt Phosphorylgruppe auf ADP

1 bis 2 Substratmoleküle binden an aktives Zentrum

Durch Katalyse entsteht ein Produkt, welches freigesetzt wird

Enzym bindet an neues Substrat

-> Reaktionen werden durch Enzyme beschleunigt

Enzyme binden zuerst reversibel an ihr Substrat und bilden in einem relativ schnellen Schritt einen Enzym-Substrat-Komplex. E + S ⇄ ES

Der ES-Komplex zerfällt in einem langsameren zweiten Schritt in das freie Enzym und das Reaktionsprodukt P: ES ⇄ E + P

Da die zweite Reaktion langsamer verläuft, ist sie der geschwindigkeitsbegrenzende Schritt der Gesamtreaktion. Daher muss die Gesamtgeschwindigkeit der enzymkatalysierten Reaktion proportional zur Konzentration der im zweiten Schritt reagierenden Verbindung sein: und das ist ES

1. Anfangsphase: Bildung Enzym-Substrat Komplex (sehr schnell)

2. mittlere Phase: ES ist konstant; Geschwindigkeit v0 spiegels Fließgleichgewicht wider

3. dritte Phase: ES-Komplexe zerfallen aufgrund verringerter Substratkonzentration

Beziehung zwischen Substratkonzentration und der Geschwindigkeit einer Reaktion

v= vmax[s]/Km+[s] (Km= Michaleis Kosntante)

Abhängig von pH und Temperatur

- pH-Optimum abhängig von Enzym (Amylase = pH 7, Pepsin = pH 2)

- Temperaturoptimim unterschiedlich bei verschiedenen Organismen

-> je höher die Temperatur dest aktiver sind Enyme

-> Denataurierung bei zu hohen Temperaturen

In einigen Enzymen nimmt das aktive Zentrum erst nach Bindung des Substrates die dazu komplementäre Form ein. Diesen Prozess der dynamischen Erkennung nennt man induced fit

Enzyme binden den Übergangszustand fester als das Substrat

1. Das aktive Zentrum stellt eine 3-dimensionale Struktur dar, die von einer Gruppe von verschiedenen Aminosäuren der Aminosäuresequenz gebildet wird.

2. Das aktive Zentrum wird meist von verschiedenen Aminosäuren gebildet die oft weit in der Primärstruktur voneinander entfernt sind. Es ist nur ein kleiner Teil des gesamten Enzyms, der Rest des Moleküls bildet die Struktur mit der sich die Faltung ergibt.

Wenn Aminosäuren zu nahe beieinander liegen ergibt sich oftmals eine sterische Behinderung. Restliche Teile des Moleküls außerhalb des aktiven Zentrums können regulatorische Domänen ausbilden.

3. Aktive Zentren schaffen ganz spezielle „Mikroumgebungen“. Meist ist sie dem Wasser unzugänglich und bilden eine unpolare Umgebung. Dort können dann ev. polare Gruppen ganz spezielle Reaktionen durchführen, die in wässriger Umgebung nicht möglich wären.

4. Substrate binden in aktiven Zentren durch viele schwache Kräfte an das Enzym. Diese Bindungen können sich nur durch die komplementären Partner (richtiges Enzym mit richtigem Substrat) ausbilden. (=Substratspezifität)

5. Die Bindungsspezifität ist von der spezifischen Anordnung der Atome im aktiven Zentrum abhängig. Selektive Stabilisierung der Übergangszustände: Die maximale Anzahl der schwachen Wechselwirkungen kann sich erst ausbilden, wenn der Übergangszustand erreicht wird (≠ ES-Komplex!)

Bei irreversiblen Hemmung wird der Inhibitor entweder kovalent mit dem Enzym verknüpft oder zumindest so fest daran gebunden, dass seine Dissoziation vom Enzym sehr langsam vonstatten geht. (A)

Die reversible Hemmung ist durch eine schnellere Gleichgewichtseinstellung zwischen Enzym und Inhibitor gekennzeichnet.

(B) kompetitiver Inhibitor verhindert die Substratbindung am aktiven Zentrum

(C) unkompetitive Inhibition vereinigt sich der Inhibitor nur mit dem Enzym-Substrat-Komplex.

(D) nichtkompetitiver Hemmung erniedrigt der Inhibitor die Wechselzahl.

Unkompetitive und nichtkompetitive Hemmung binden nicht im Aktiven Zentrum und können nicht durch Erhöhung der Substratkonzentration aufgehoben werden.

katalysiert Hydrolyse

-> Trennung von Polysaccharidketten

1. Im Enzym-Substrat-Komplex (ES)zwingt das Enzym den Zucker D in eine gespannte Konformation, Wobei Glu35 so positioniert ist, dass es als Säure dienen kann, die die benachbarten Zucker/Zucker-Bindungen durch Abgabe eines Protons (H+) an Zucker E angreifen kann, und Asp52 ist bereit das Kohlenstoffatom „anzugreifen“.

2. Das Asp52 hat eine kovalente (?) Bindung zwischen dem Enzym und dem C1- Kohlenstoffatom von Zucker D ausgebildet. Glu35 polarisiert dann ein Wassermolekül (rot), sodass dessen Sauerstoff leicht das C1-Kohlenstoffatom nucleophil angreifen und Asp52 verdrägen kann. E

3. Die Reaktion des Wassermolekül (rot) schließt die Hydrolyse ab und bringt das Enzym in seinen Ursprungszustand; dabei bildet sich der endgültige Enzym- Produkt-Komplex (EP), der in einem raschen Schritt in E + P zerfällt.

1. Nucleophiler Angriff

2+3. kovalent gebundenes Acyl Enzym Übergangsprodukt und Abspaltung des C-terminalen Peptidsequement

4. Deacylierung des Enzyms

5. Freisetzung der n-terminalen Peptidsequements und Regenerierung des Enzyms

• Reduzieren Aktivierungsenergie

• stabilisieren den Übergangszustand

• AminosäureseitenkeIen im aktven Zentrum wirken als:

– allgemeine Säre-Basenkatalysatoren

– kovalente Katalysatoren

– begünstgen Übergangszustände durch “Induced fit” (Protein-Struktur dynamisch durch schwache Wechselwirkung), Zug und Verzerrung (Substrat)

• Enzyme sind Substrat-, Stereo-, und Reaktons-spezifisch

• Enzyme können Reak4onen koppeln