Beta-Oxidation in Mitochondrien

Beta-Oxidation in Mitochondrien

• Acyl-CoA wird durch vier Enzyme in wiederholenden Zyklen um 2 C-Atome verkürzt
• Pro Zyklus entstehen 1x FADH2, 1x NADH, und 1x Acetyl-CoA
• Acyl-CoA wird durch Acyl-CoA-Dehydrogenase mit FAD oxidiert, wobei reduziertes FADH2 und trans-Δ2-Enoyl-CoA entstehen (1. Oxidation)
• Enoyl-CoA-Hydratase hydratisiert Doppelbindungen unter Zuhilfenahme von H2O, wodurch L-3-Hydroxyacyl-CoA entsteht
• L-3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase oxidiert eine Hydroxylgruppe am C-3-Atom zu einer Ketogruppe, wodurch 3-Ketoacyl-CoA, NADH und H+ entstehen (2. Oxidation)
• 3-Ketothiolase bewirkt durch zusätzliches Coenzym A die thiolische Verkürzung um zwei C-Atome
• Dabei entstehen Acetyl-CoA und ein um zwei C-Atome verkürztes Acyl-CoA, das in einer neuen Sequenz weiter oxidiert wird (nächster Zyklus)
• Acetyl-CoA wird in den Citratzyklus eingeschleust, FADH2 und NADH werden in der Atmungskette für die ATP-Synthese verwendet
• Acyl-CoA-Moleküle mit mehr als 12 C-Atomen können die Mitochondrienmembran nicht passieren und werden als Carnitin-Ester transportiert, um oxidiert zu werden
• Carnitin-Palmityl-Transferase (CPT) überträgt Acyl-CoA auf Carnitin

Beta-Oxidation in Peroxisomen vs. Mitochondrien

• Im Gegensatz zur mitochondrialen β-Oxidation läuft die peroxisomale nur über 2 bis maximal 5 Zyklen
• Die peroxisomale dient eher der Verkürzung langkettiger Fettsäuren als der vollständigen Oxidation zu Acetyl-CoA
• Substrate der peroxisomalen beta-Oxidation sind hauptsächlich Fettsäuren mit Kettenlänge über 22 C-Atomen, verzweigtkettige Fettsäuren und die Seitenkette des Cholesterins bei der Synthese von Gallensäuren
• Ein anderes Enzym, die peroxisomale Acyl-CoA-Dehydrogenase, wird verwendet. Diese hat FAD als Co-Faktor
• Elektronen werden auf O2 übertragen, wodurch Wasserstoffperoxid entsteht, das durch die Häm-tragende peroxisomale Katalase eliminiert werden muss
• Zwei Wasserstoffperoxide werden zu O2 und 2 H2O gespalten
• Die peroxisomale Acyl-CoA-Dehydrogenase (mit FAD als Co-Faktor) katalysiert die Reaktion: Acyl-CoA + O2 → trans-Δ2 -Enoyl-CoA+ H2O2
• Katalase katalysiert: H2O2 + H2O2 → O2 + 2 H2O

Beta-Oxidation in Verbindung mit Fettsäurebiosynthese: Enzyme, Lokalisation, Metabolite und Regulation

• Die Bildung von Acyl-Carnitin durch Carnitin-Palmityltransferase 1 (CPT1) ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der β-Oxidation
• Die Regulation von CPT1 wird beeinflusst durch Malonyl-CoA, langkettige Fettsäuren und Schilddrüsenhormone
• Malonyl-CoA ist ein Inhibitor der CPT1, wobei hohe Spiegel bei Fettsäuresynthese vorkommen
• Langkettige Fettsäuren steigern die CPT1-Expression durch PPAR-alpha-vermittelte Transkription
• Schilddrüsenhormone induzieren die CPT1-Expression und somit einen erhöhten Energiebedarf durch Steigerung der β-Oxidation
• Die Fettsäuresynthese wird auf der Stufe der Pyruvatdehydrogenase (PDH), der Acetyl-CoA Carboxylase und der Fettsäuresynthase reguliert
• Insulin aktiviert die PDH und beschleunigt den Glukosetransport in die Fettzelle
• Acetyl-CoA-Carboxylase wird durch Phosphorylierung mittels PKA (Proteinkinase A) und durch Acyl-CoA (allosterischer Regulator) inhibiert, aber durch Glucose, Insulin und Citrat aktiviert
• Fettsäuresynthase wird durch Glucose und Insulin aktiviert, aber durch langkettige Fettsäuren und erhöhte cAMP-Spiegel gehemmt
• Malonyl-CoA hemmt CPT-1, wodurch der Transport von Acyl-CoA in die Mitochondrien verhindert und somit die Beta-Oxidation gehemmt wird
• Malonyl-CoA ist ein notwendiger Metabolit für die Fettsäurebiosynthese
• Insulin fördert die Fettsäurebiosynthese, indem es Acetyl-CoA-Carboxylase und Fettsäure-Synthase aktiviert und die Beta-Oxidation hemmt
• Glucagon und Adrenalin fördern die Beta-Oxidation, indem sie AMPK aktivieren, das die Acetyl-CoA-Carboxylase hemmt und somit die Bildung von Malonyl-CoA reduziert
• Ein hoher AMP-Spiegel (niedriger Energiestatus) aktiviert AMPK, das die Acetyl-CoA-Carboxylase hemmt, um die Beta-Oxidation zu fördern und Energie zu erzeugen
• Ein hoher Citratspiegel signalisiert einen hohen Energiestatus und fördert die Fettsäurebiosynthese durch Aktivierung der Acetyl-CoA-Carboxylase

Lipolyse: Chemische Reaktionen und Enzyme

• Lipasen sind Esterasen, die die Bindung von Hydroxylgruppen des Glycerins an die Carboxylgruppen der Fettsäuren spalten
• Extrazelluläre Lipolyse nutzt die Lipoproteinlipase als Schlüsselenzym, die sich auf Endothelzellen befindet
• Saure Lipasen sind in Zunge und Magen vorhanden; die Pankreaslipase in der Bauchspeicheldrüse
• Intrazelluläre Lipolyse findet im Fettgewebe statt, wobei Fette abgebaut werden
• Hormon-sensitive Lipase wird durch Catecholamine (Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin), die den cAMP-Spiegel erhöhen, aktiviert und durch Insulin deaktiviert
• Insulin fördert Lipogenese und Fettsäurensynthese
• Freie Fettsäuren im Blut werden durch Bindung an Albumin transportiert
• Adipozyten-Triacylglycerin-Lipase spaltet Triacylglycerine zu Diacylglycerinen
• Hormon-sensitive Lipase wird durch Catecholamine (Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin) aktiviert, die den cAMP-Spiegel erhöhen, und durch Insulin deaktiviert; sie spaltet Diacylglycerine zu Monoacylglycerinen
• Monoacylglycerin-Lipase spaltet Monoacylglycerin zu Glycerin

Western Blot: Vom Gel zur Proteindetektion

• Proteine werden unter reduzierenden Bedingungen (beta-Mercaptoethanol) in Gegenwart von SDS (Natriumdodecylsulfat) mittels Polyacrylamid-Gelen getrennt, um sie als lineare Moleküle voneinander zu trennen
• Negativ geladene SDS-Protein-Komplexe wandern durch das poröse Gel, wobei kleinere Komplexe schneller als größere migrieren
• Die Methode ermöglicht die Festlegung der molekularen Größe (kilo Dalton, kD) von Proteinen
• Proteine, die mittels SDS-PAGE getrennt wurden, können auf Membranen geblotted und mittels Antikörper-gekoppelter Enzymreaktion detektiert werden
• Elektrophorese trennt Proteine auf (z. B. SDS-PAGE)
• Transfer überträgt Proteine mithilfe eines elektrischen Feldes von dem Gel auf eine Membran, wo sie gebunden werden
• Blocken dient dazu, freie Bindungsstellen auf der Membran zu blockieren, oft mithilfe anderer Proteine wie Milchpulver
• Inkubation mit 1. AK: Ein spezifischer AK bindet an das Protein
• Inkubation mit 2. AK: Der zweite AK bindet an den ersten AK
• Detektion erfolgt mithilfe von Stoffen, die an den zweiten AK gebunden sind, entweder kolorimetrisch oder durch Chemilumineszenz
• Kolorimetrische Detektion nutzt AK-gekoppelte alkalische Phosphatase, die ungefärbtes BCIP dephosphoryliert, welches nach Redoxreaktion mit NBT blau gefärbte Präzipitate bildet
• Chemilumineszenz-Detektion verwendet AK-gekoppelte HRP (Meerrettichperoxidase), wobei die Reaktion zur Spaltung von z. B. Luminol und zur Detektion des freiwerdenden Lichts genutzt wird
• Um Proteine nach dem Transfer sichtbar zu machen, werden die Membranen (z. B. Nitrocellulose) mit Ponceau S (rot) gefärbt

Harnstoffzyklus: Schritte, Enzyme und Ort

• Der Zyklus findet in der Leber statt und ist das einzige Organ mit vollständiger Enzymausstattung zum Aminosäureabbau und zur wirksamen Entgiftung von freigesetztem NH4+
• NH4+ wird in Carbamylphosphat (Carbamylphophat Synthetase) oder Glutamin (Glutamin Synthetase) umgewandelt, um toxischen Ammoniak aus dem Körper zu befördern
• Carbamylphosphatsynthetase I verknüpft im Mitochondrium NH4+ und HCO3- zu Carbamylphosphat unter ATP-Verbrauch (energieabhängig)
• Ornithin-Carbamyltransferase überträgt Carbamylphosphat auf Ornithin, wodurch Citrullin entsteht
• ORNT1 transportiert Citrullin im Antiport gegen Ornithin ins Zytoplasma (Citrullin geht raus, Ornithin kommt rein)
• Argininosuccinat-Synthetase lässt Citrullin mit Aspartat zu Argininosuccinat reagieren (Einbau des zweiten Stickstoffs des späteren Harnstoffmoleküls)
• Argininosuccinatlyase spaltet Argininosuccinat in Fumarat und Arginin
• Arginase wandelt Arginin mit H2O in Ornithin und Harnstoff um; Ornithin wird über ORNT1 wieder in Mitochondrium transportiert und bildet dann wieder mit Carbamylphosphat das Citrullin
• Das regulatorische Enzym ist die Carbamylphosphatsynthetase 1, die durch N-Acetyl-Glutamat allosterisch aktiviert wird
• Die Synthese von Harnstoff ist energieaufwendig: NH4+ + HCO3- + 3 ATP + Aspartat + 2H20 → Harnstoff + 2 ADP + AMP + 4 Pi + Fumarat

Ketogenese: Chemische Bindungen, Enzyme, Funktion von Ketonkörpern, Bezug auf Diabetes Typ 1

• Ketogenese ist die Synthese von Ketonkörpern
• 3-Keto-Thiolase katalysiert den ersten Schritt, bei dem zwei Moleküle Acetyl-CoA zu Acetoacetyl-CoA kombiniert werden
• HMG-CoA-Synthase lässt Acetoacetyl-CoA mit einem weiteren Molekül
• Acetyl-CoA zu β-Hydroxy-β-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA) reagieren
• HMG-CoA-Lyase spaltet HMG-CoA dann, um Acetyl-CoA und Acetoacetat zu produzieren
• β-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase reduziert Acetoacetat mit NADH als Kofaktor zu D-β-Hydroxybutyrat
• Acetoacetat kann sich spontan zu Aceton und Kohlendioxid decarboxylieren
• Bei Kohlenhydratmangel werden vermehrt Fettsäuren über die beta-Oxidation zu Acetyl-CoA abgebaut
• Dieses kann aufgrund von Oxalacetatmangel nicht in den Citratzyklus gelangen
• Es kommt zur Anhäufung und es wird zur Synthese der Ketonkörper in den Mitochondrien verwendet
• Ketonkörper (Aceton, beta-Hydroxybuttersäure, Acetessigsäure) werden unter physiologischen Bedingungen ausschließlich in der Leber synthetisiert
• Dieser Vorgang nimmt zu, wenn die beta-Oxidation vermehrt abläuft
• Besonders bei Insulinmangel und Hungerzustand gebildete Ketonkörper werden von der Leber abgegeben
• In extrahepatischen Geweben, besonders in der Muskulatur, werden sie in beträchtlichem Umfang oxidiert zur Energiegewinnung
• Auch das Gehirn nutzt Ketonkörper zur Energieversorgung
• Aceton, das durch spontane Decarboxylierung von Acetacetat entsteht, kann kaum verwertet werden
• β-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase wandelt D-β-Hydroxybutyrat wieder in Acetoacetat um
• Succinyl-CoA-Acetoacetyl-CoA-Transferase aktiviert Acetoacetat durch Succinyl-CoA zu Acetoacetyl-CoA
• Acetoacetyl-CoA kann weiter zu zwei Molekülen Acetyl-CoA gespalten werden, die dann in den Citratzyklus eintreten und zur Energieproduktion genutzt werden
• Im Blut von Diabetikern finden sich erhöhte Mengen an Aceton, beta-Hydroxybuttersäure und Azetessigsäure
• Beim Typ-1-Diabetes kommt es zu einem Insulinmangel, wodurch es zu einer verminderten Glucoseaufnahme kommt
• Da Glukose dem Körper nicht mehr als Energiequelle zur Verfügung steht, wird der Energiebedarf durch den Abbau von Fetten gedeckt
• Gesteigerte Lipolyse mit Freisetzung von Glycerin und Fettsäuren in die Blutbahn erfolgt
• Ein Überangebot an freien Fettsäuren führt zu gesteigerter β-Oxidation und einem starken Anstieg an NADH, was den Citratzyklus hemmt
• Das Acetyl-CoA wird für die Ketogenese verwendet, was zu einer überschießenden Produktion von Ketonkörpern führt
• In Folge das Auftreten von Ketonämie und Ketonurie und eine starke Anhäufung von Ketonkörpern im Blut kann zur Azidose (diabetische Ketoazidose) führen

Regulierung des Menstruationszyklus: Funktion der Steroidhormone

• GnRH vom Hypothalamus wird pulsatil freigesetzt und stimuliert die Sekretion von FSH und LH
• Der Follikel mit den meisten FSH-Rezeptoren auf den Granulosazellen wird zum dominanten Follikel
• Steigende Östrogenspiegel unterdrücken die FSH-Ausschüttung der Hypophyse und verstärken die LH-Sekretion
• Der dominante Follikel kompensiert sinkende FSH-Spiegel durch viele FSH-Rezeptoren
• Um den 14. Zyklustag erfolgt die Ovulation, ausgelöst durch einen Östrogen-initiierten LH-Puls
• Prostaglandine und Progesteron (durch LH-Stimulation der Granulosazellen) sind an der Follikelruptur und Freisetzung der Oozyte beteiligt
• Der LH-Anstieg beendet die erste meiotische Reifeteilung und leitet die zweite bis zur Metaphase II ein
• Die Bildung des Follikels im Ungeborenen erfolgt hormonunabhängig, während Wachstum und Reifung bei der erwachsenen Frau durch FSH und LH gesteuert werden
• FSH initiiert die Follikelbildung, LH vollzieht die Ausreifung
• Östrogenproduktion durch Granulosazellen ist wichtig für die Entwicklung und Funktion der Geschlechtsorgane
• Die Theca interna synthetisiert Androgene, die von Granulosazellen in Östrogene umgewandelt werden
• Steroidhormone werden in der Nebennierenrinde und in den Keimdrüsen produziert
• Cholesterin bildet Pregnenolon, das zu Progesteron und verschiedenen Steroidhormonen umgewandelt wird
• Corticosteroide sind Glukocorticoide (Cortisol) und Mineralcorticoide (Aldosteron)
• Sexualsteroide sind Androgene (Testosteron) und Östrogene (Östradiol)
• Steroidhormone sind hydrophobe Moleküle, die leicht durch die Zellmembran diffundieren und mittels Transportproteinen im Plasma löslich sind
• Cortisol bindet im Blut an Transcortin, wird in der Nebennierenrinde produziert, bindet an den Glucocorticoid-Rezeptor und stimuliert die Gluconeogenese
• Es hemmt die Proteinbiosynthese in Muskel und Bindegewebe, steigert die Lipolyse im weißen Fettgewebe und wirkt immunsuppressiv
• Gonadotropin-releasing Hormon (GnRH) wird pulsatil im Hypothalamus ausgeschüttet und sorgt für Freisetzung von Follikel-stimulierendem Hormon (FSH) aus der Hypophyse
• FSH führt zur Eizellreifung und Bildung von Östradiol im Ovar
• Östradiol fördert das Wachstum der Uterusschleimhaut in der ersten Hälfte des Menstrualzyklus und ist verantwortlich für die Ausbildung der sekundären Geschlechtsmerkmale
• Progesteron wird in der zweiten Zyklushälfte produziert, stimuliert durch die Ausschüttung von Luteinisierendem Hormon (LH)
• Der LH-Peak sorgt für den Eisprung, und Progesteron hält die Schwangerschaft aufrecht

Desaminierung und Transaminierung: Formen, Reaktionen, Enzyme, Aminosäuren

• Transaminierung verschiebt die α-Aminogruppe (NH2-Gruppe) einer Aminosäure auf eine α-Ketosäure (z. B. α-Ketoglutarat oder Oxalacetat, beides Zwischenprodukte des Citratzyklus) durch verschiedene Transaminasen (Aminotransferasen, ALAT, ASAT)
• Bei der Transaminierung wird die Aminogruppe verschoben (reversible Reaktion), was je nach Stoffwechsellage für die Biosynthese anderer Aminosäuren oder zur Ausscheidung in Harnstoff verwendet werden kann
• Transaminasen (Aminotransferasen) enthalten die prosthetische Gruppe Pyridoxalphosphat (PALP), ein Derivat von Vitamin B6
• Transaminasen katalysieren den Austausch von Aminogruppen zwischen AS (Aminosäuren) und α-Ketosäuren, wobei die α-Ketosäure zu einer anderen Aminosäure und die Ausgangs-Aminosäure zu einer α-Ketosäure umgewandelt werden
• PALP ist ein Co-Enzym
• Die Messung der Blutwerte für Alanin-Aminotransferase (ALAT) und Aspartat-Aminotransferase (ASAT) ist diagnostisch relevant bei Lebererkrankungen (Transaminasenanstieg)
• Bei der Desaminierung wird die Aminogruppe (NH2-Gruppe) einer Aminosäure abgespalten und als NH4+ freigesetzt, was der erste Schritt beim Aminosäureabbau ist
• Freigesetztes NH4+ kann dann in Harnstoff umgewandelt werden -Dehydrierende Desaminierung: L-Glutamat wird durch Glutamat-Dehydrogenase in α-Iminoglutarat umgewandelt, was NAD(P)+ erfordert und zu NAD(P)H + H+ führt; α-Iminoglutarat hydrolysiert, wodurch α-Ketoglutarat und NH4+ entstehen -Hydrolytische Desaminierung: L-Glutamin wird unter Zugabe von H2O durch Glutaminase in L-Glutamat und NH4+ umgewandelt (z. B. Asparagin -> Asparaginsäure) -Eliminierende Desaminierung: L-Serin wird durch Serin-Dehydratase in Aminoacrylat umgewandelt, was die Abspaltung eines Wassermoleküls (H2O) erfordert; Aminoacrylat wandelt sich nicht-enzymatisch in Pyruvat und NH4+ um (Threonin -> α-Ketobutyrat) -Decarboxylierung und oxidative Desaminierung biogener Amine erfolgt in drei Schritten: --Decarboxylierung: Aminosäure → biogenes Amin --Oxidative Desaminierung: biogenes Amin → Aldehyd --Oxidation: Aldehyd → Carbonsäure
• Decarboxylierung und die eliminierende Transaminierung werden durch Pyridoxalphosphat (PALP) abhängige Enzyme katalysiert

Cholesterin-Biosynthese, (Zwischenprodukt: Isopentenylpyrophosphat)

• Acetyl-CoA wird zu Mevalonat
• Mevalonsäure wird zu Isopentenyl-Pyrophosphat
• Isopentenyl-Pyrophosphat kondensiert zu Squalen
• Squalen zyklisiert zu Cholesterin
• Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Cholesterin-Biosynthese ist die 3-Hydroxy-3-Methylglutaryl-CoA-Reduktase (HMG-CoA-Reduktase)
• Statine hemmen HMG-CoA-Reduktase und senken den Cholesterinspiegel
• Bestandteil der Zellmembran → erhöht die Stabilität
• Vorläufer von Steroidhormonen
• Ausgangsstoff für die Biosynthese von Gallensäuren, die für die Lipidverdauung essentiell sind
• trägt zum Transport von Signalstoffen durch die Zellmembran bei
• Intrazellulär wird Cholesterin als Cholesterinester gespeichert (trägt an der OH-Gruppe einen Acylrest)
• hydrophiler Teil orientiert sich nach innen, hydrophober Teil nach außen
• an Lipoproteine gebunden

Biosynthese von Fettsäuren

• Gesättigte Fettsäuren werden im Zytosol durch die multifunktionelle Fettsäuresynthase (FS-Synthase) synthetisiert
• Hierfür sind NADPH/H+ als Reduktionsmittel (anaboler Prozess) und Malonyl-CoA (Biotin-haltig) erforderlich
• Malonyl-CoA wird im Zytoplasma durch die Acetyl-CoA-Carboxylase aus Acetyl-CoA (aus der beta-Oxidation oder Glykolyse) hergestellt
• FS-Biosynthese besteht aus folgenden Schritten: --Beladung: Acetyl-CoA wird auf FS-Synthase übertragen --Malonyltransfer: Malonyl-CoA wird auf FS-Synthase übertragen --Kondensation: Die Acetylgruppe kondensiert mit der Malonylgruppe, wobei CO2 freigesetzt wird
• -1. Reduktion: Die β-Ketoacyl-Gruppe wird zur β-Hydroxyacyl-Gruppe reduziert --Dehydratation: Die β-Hydroxyacyl-Gruppe wird zu trans-Δ2-Enoyl-Gruppe dehydriert --2. Reduktion: trans-Δ2-Enoyl-Gruppe wird zur gesättigten Acylgruppe reduziert
• Dieser Prozess wiederholt sich, bis die Fettsäure die gewünschte Länge erreicht hat
• Die Fettsäuresynthese wird auf der Stufe der Pyruvatdehydrogenase (PDH), der Acetyl-CoA-Carboxylase und der Fettsäuresynthase reguliert
• Insulin beschleunigt den Glukosetransport in die Fettzelle und aktiviert die PDH
• Die Acetyl-CoA-Carboxylase wird durch Phosphorylierung mittels PKA und durch Acyl-CoA (allosterischer Regulator) inhibiert, und durch Glucose und Insulin induziert
• Die Fettsäuresynthase wird ebenfalls durch Glucose und Insulin induziert und durch langkettige Fettsäuren reprimiert
• Erhöhte cAMP-Spiegel reprimieren die Fettsäuresynthase

Zellmembran: Aufbau, chemische und physikalische Eigenschaften, Phospholipide

• Die wichtigste Funktion von Fettsäuren in Zellen ist ihre Rolle beim Aufbau und bei der Funktion der zwei-schichtigen Zellmembran
• Fettsäuren liegen in der Zellmembran als Phosphoglyceride/Phospholipide vor
• Phospholipide machen 50 % der Masse von Zellmembranen aus und sind "amphiphil", d.h. sie haben sowohl einen wasserlöslichen als auch einen wasserabweisenden Anteil und bestimmen daher die chemischen Eigenschaften der Zellmembran
• Phospholipide formen spontan "bi-layers" in wässriger Lösung
• Die Haupt-Phospholipide der Zellmembran sind: Phosphatidylethanolamin, Phosphatidylserin, Phosphatidylcholin, Sphingomyelin, Sphingosin
• Es gibt 500-1000 verschiedene Lipide in der Zellmembran
• Glykolipide befinden sich vorwiegend in der äußeren Schicht der Zellmembran und haben unterschiedliche Aufgaben: Zell-Zell-Adhäsion (durch Bindung von Lektinen benachbarter Zellen an Glyko-Proteine und GlykoLipide) und elektrochemische Eigenschaften (Ganglioside)
• Fettsäuren dienen auch zur Verankerung von Proteinen an der Zellmembran
• Die zweischichtige Phospholipidschicht formt spontan verschlossene Kompartimente aufgrund der chemischen Struktur
• Die "Bi-layer" hat Eigenschaften einer 2-dimensionalen Flüssigkeit, in der die einzelnen Lipide frei diffundieren können
• Die Fluidität hängt von der Zusammensetzung der verschiedenen Phospholipide ab
• Ungesättigte Fettsäuren erhöhen die Membranfluidität
• Die Dicke der Zellmembran wird durch den Anteil an ungesättigten Fettsäuren bestimmt
• Die Zellmembran trägt zahlreiche Proteine, darunter Rezeptoren (Signaltransduktion), Kanäle (Transport von Molekülen), Cadherine und Integrine (Zell-Zell-Kontakt und Interaktion) und Histokompatibilitäts-Antigene (HLA-Moleküle) sowie B- und T-Zell-Rezeptoren
• Lipide innerhalb einer bestimmten Zellmembran sind nicht homogen verteilt
• Es bilden sich sogenannte "lipid rafts", die einen höheren Anteil an Cholesterin und Sphingolipiden aufweisen
• Bestimmte Moleküle, Rezeptoren und Proteine, die an der Signaltransduktion beteiligt sind, akkumulieren sich in diesen "lipid/membrane rafts"
• Caveolae sind eine Form der Lipid Rafts, die Cholesterin über das Protein Caveolin binden
• Durch Membrankrümmung werden Vesikel abgeschnürt, die dem Transport (Endozytose) von Fettsäuren, Cholesterin und Proteinen dienen
• Bei niedrigen Temperaturen steigert Cholesterin die Membranfluidität, bei hohen Temperaturen senkt Cholesterin die Membranfluidität

Werning Teil: Abbildung Enzymkinetik, Hemmung, Pharmazeutika

• Kompetitive Hemmung: Hemmstoff und Substrat konkurrieren um die Bindungsstelle, wodurch die Affinität des Enzyms zum Substrat sinkt -Der kompetitive Inhibitor bindet an das aktive Zentrum des Enzyms
• Er wird nicht umgesetzt und kann vom Substrat wieder verdrängt werden
• Kompetitive Inhibitoren haben oft hohe Ähnlichkeit mit dem Substrat
• Vmax bleibt gleich, Km steigt
• Pharmazeutika: Aspirin
• Nicht-kompetitive Hemmung: Der Inhibitor bindet an einer Stelle des Enzyms, die nicht die Substrat-Bindungsstelle ist (allosterisches Zentrum), und sorgt für eine Konformationsänderung
• Der Inhibitor kann durch das Substrat nicht verdrängt werden Die Bindung erfolgt unabhängig davon, ob bereits Substrat am aktiven Zentrum gebunden ist (EI oder ESI) und führt zu einer Hemmung der Reaktion ESEP
• Die Affinität vom Enzym zum Substrat bleibt unverändert
• Vmax sinkt, Km bleibt gleich -PANK 2 – allosterische Regulation durch Acetyl-CoA & Palmitoylcarnitin
• Unkompetitiven Hemmung: Der Inhibitor wird nur vom Enzym-Substrat-Komplex gebunden, nicht jedoch vom freien Enzym (→Konformationsänderung)
• Der Enzym-Produkt-Komplex wird verlangsamt gebildet
• Die Reaktion kann nur noch schwer umgesetzt werden kann
• Sowohl KM als auch Vmax werden verändert

Michaelis-Menten- und Lineweaver-Burk-Diagramme erläutert

• Punkt 1: Die Substratkonzentration ist geringer als die des Enzyms; es existieren noch relativ wenige Enzym-Substrat-Komplexe, die Reaktionsgeschwindigkeit ist gering
• Punkt 2: Die Hälfte der Enzymmoleküle liegt in gebundener Form vor; das Enzym arbeitet mit halber Maximalgeschwindigkeit; die Substratkonzentration an dieser Stelle wird als Michaeliskonstante (Km) bezeichnet, die ein Maß für die Affinität des Enzyms zum Substrat darstellt (kleiner Wert = große Affinität)
• Punkt 3: Alle Enzymmoleküle sind mit Substrat gesättigt, die Maximalgeschwindigkeit (Vmax) ist erreicht, Vmax ist ein Maß für die Arbeitskapazität des Enzyms
• Lineweaver und Burk verarbeiteten diese Erkenntnisse in ihrer Darstellung: Durch doppelt reziproke Auftragung der Michaelis-Menten-Gleichung wurde eine genauere Ablesemöglichkeit von Vmax und Km erreicht (Schnittpunkte statt Annäherung)

Aktives Zentrum: Einzelne Schritte

• Der Teil des Enzyms, der direkt an der Bindung des Substrats beteiligt ist
• Wasserfreier Reaktionsraum des Enzyms (Hydrathülle wird vor der Reaktion abgestreift, kann die Reaktion behindern)
• Im aktiven Zentrum erfolgt die korrekte räumliche Anordnung des Substrats (z.B zwei Substrate so ausgerichtet, dass sie reagieren können)
• AS-Reste im AZ binden das Substrat in optimaler Orientierung
• AS-Reste im AZ können Ladungen des Substrats übernehmen oder umlagern
• Durch die spezifische strukturelle Anpassung des aktiven Zentrums wird die Aktivierungsenergie einer Reaktion gesenkt
• Das aktive Zentrum ist die Bindungsstelle und der Reaktionsraum für das Substrat, d.h. es ist ein wasserfreier Raum
• Substratmoleküle treten in das aktive Zentrum ein, das seine Form derart verändert, dass es die Substrate genau umfasst (Induced-fit)
• Substratmoleküle werden durch kovalente und/oder nicht-kovalente Wechselwirkungen im aktiven Zentrum gebunden
• Die Aktivierungsenergie wird herabgesetzt, so dass die Reaktion beschleunigt wird, da: -Als Gussform für die Ausrichtung der Substrate zueinander dient -Spannung auf die Substrate ausübt und den Übergangszustand der chemischen Reaktion stabilisiert (durch schwache Wechselwirkungen) -Eine für die Reaktion günstige Mikroumgebung schafft -Direkt an der katalysierten Reaktion teilnimmt
• Es ist eine Kombination mehrerer oder aller dieser Faktoren möglich Die Substrate (Edukte) werden in Reaktionsprodukte überführt
• Die Produkte werden freigesetzt
• Das aktive Zentrum ist für die Bindung neuer Substrate verfügbar

Erkennen, was für eine Hemmung vorliegt, Medikamente

• Reversible Hemmung: Zahlreiche pharmazeutische Wirkstoffe sind Enzyminhibitoren, unter anderem die nicht-steroidalen Entzündungshemmer (NSAR); einige Wirkstoffe unter den HIV-Medikamenten
• CCR5-Antagonisten, Fusionsinhibitoren, gp120-Antagonisten, Reverse-Transkriptase-Inhibitoren, Integrase-Inhibitoren oder HIV-Proteasehemmer
• Irreversible Hemmung: Acetylsalicylsäure (Aspirin) ist eine Ausnahme der COX-Hemmung, da sie irreversibel ist
• Organophosphor-Inhibitoren wirken als Inhibitoren auf Proteasen und Esterasen; z.B: Insektizide (E605) und Giftgase (DFP, Sarin, Tabun, VX* und Co.)
• Natürliche Inhibitoren (alpha1-Trypsininhibitor auf Elastase in Lunge) können für die Behandlung von [COPD] eingesetzt werden
• Diisopropylfluorophosphat (DFP) wurde erstmals im zweiten Weltkrieg als Nervengift verwendet
• DFP findet medizinische Verwendung in der Augenmedizin zur Therapie des Glaukoms (Grüner Star) als Inhibitor der Acetylcholinesterase bei biochemischen Tests
• Penicillin ist ein Antibiotikum, das den Aufbau der Zellwand von Bakterienzellen behindert und das Enzym D-Alanin-Transpeptidase inhibiert; es hemmt die bakterielle Zellwandsynthese durch Bindung an Penicillin-bindende Proteine (PBP)
• Aufgrund seiner kurzen Halbwertszeit muss Penicillin mehrmals täglich oder als Infusion verabreicht werden

Katalytischer Zyklus eines Enzyms

• Säure-Basen-Katalyse: Der Austausch von Protonen mit Aminosäuren im aktiven Zentrum läuft ab; z.B durch Glutaminsäure, Asparaginsäure, Lysin, Arginin, Cystein, Histidin, Serin und Tyrosin
• Viele organische Reaktionen werden durch Protonendonatoren (Säuren) oder Protonenakzeptoren (Basen) beschleunigt
• Aminosäuregruppen der aktiven Zentren einiger Enzyme dienen als Protonen-Donatoren oder -Akzeptoren im katalytischen Prozess
• Kovalente Katalyse: Der Angriff eines Nucleophils am Substrat erfolgt; z.B Aminosäurereste(häufig Lysin) oder Coenzyme(Pyridoxalphosphat)bilden
• Kovalente Bindungen mit Substrat ein-Es entsehtkurzlebiges Zwischenprodukt
• Nukleophile Reaktion zwischen Katalysator und Substrat -> Ausbildung eines kovalenten Bund
• Entfernung der Elektronen aus dem Reaktionszentrum
• Spaltung der kovalenten Bindung -> Katalysator wird freigesetzt Metallionenkatalyse: Die Anwesenheit eines Metallions dient der Polarisierung bzw Stabilisierung von Bindungen; Redoxreaktionen mit Metallen: Strukturstabilisierung Koordination im Zentren(Zn), Partner Reduktion (Fe,Cu) ,Lewis(Zn) de Katalyse