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11.3: Aminotransferasen sind wichtig bei Reaktionen mit Aminosäuren - Biologie

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11.3: Aminotransferasen sind wichtig bei Reaktionen mit Aminosäuren

Aminosäuren spielen sowohl als Bausteine ​​von Proteinen als auch als Zwischenprodukte im Stoffwechsel eine zentrale Rolle. Die 20 Aminosäuren, die in Proteinen vorkommen, vermitteln eine enorme chemische Vielseitigkeit. Der genaue Aminosäuregehalt und die Sequenz dieser Aminosäuren eines bestimmten Proteins wird durch die Basensequenz in dem Gen bestimmt, das dieses Protein kodiert. Die chemischen Eigenschaften der Aminosäuren von Proteinen bestimmen die biologische Aktivität des Proteins. Proteine ​​katalysieren nicht nur alle (oder die meisten) Reaktionen in lebenden Zellen, sie steuern praktisch alle zellulären Prozesse. Darüber hinaus enthalten Proteine ​​in ihren Aminosäuresequenzen die notwendigen Informationen, um zu bestimmen, wie sich dieses Protein zu einer dreidimensionalen Struktur faltet, und um die Stabilität der resultierenden Struktur zu bestimmen. Das Gebiet der Proteinfaltung und -stabilität ist seit Jahren ein äußerst wichtiger Forschungsbereich und bleibt bis heute eines der großen ungelösten Rätsel. Es wird jedoch aktiv untersucht, und es werden täglich Fortschritte erzielt.

Wenn wir etwas über Aminosäuren lernen, ist es wichtig zu bedenken, dass einer der wichtigeren Gründe, die Struktur und Eigenschaften von Aminosäuren zu verstehen, darin besteht, die Struktur und Eigenschaften von Proteinen verstehen zu können. Wir werden sehen, dass die enorm komplexen Eigenschaften selbst eines kleinen, relativ einfachen Proteins eine Kombination aus den Eigenschaften der Aminosäuren sind, aus denen das Protein besteht.

Oberteil
Essentielle Aminosäuren

Der Mensch kann 10 der 20 Aminosäuren produzieren. Die anderen müssen mit der Nahrung zugeführt werden. Wenn auch nur eine der 10 essentiellen Aminosäuren, die wir nicht selbst herstellen können, nicht genügend aufgenommen wird, führt dies zum Abbau der körpereigenen Proteine ​​​​—Muskel usw., um die eine Aminosäure zu erhalten, die benötigt wird. Im Gegensatz zu Fett und Stärke speichert der menschliche Körper keine überschüssigen Aminosäuren für die spätere Verwendung – die Aminosäuren müssen täglich in der Nahrung vorhanden sein.

Die 10 Aminosäuren, die wir herstellen können, sind Alanin, Asparagin, Asparaginsäure, Cystein, Glutaminsäure, Glutamin, Glycin, Prolin, Serin und Tyrosin. Tyrosin wird aus Phenylalanin hergestellt, so dass bei einem Mangel an Phenylalanin auch Tyrosin benötigt wird. Die essentiellen Aminosäuren sind Arginin (benötigt für Jugendliche, aber nicht für Erwachsene), Histidin, Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Valin. Diese Aminosäuren werden in der Nahrung benötigt. Pflanzen müssen natürlich alle Aminosäuren herstellen können. Der Mensch hingegen verfügt nicht über alle Enzyme, die für die Biosynthese aller Aminosäuren benötigt werden.

Warum diese Strukturen und Eigenschaften lernen?
Es ist wichtig, dass alle Studierenden der Lebenswissenschaften die Struktur und Chemie der Aminosäuren und anderer Bausteine ​​biologischer Moleküle gut kennen. Sonst ist es unmöglich, über Proteine ​​und Enzyme oder die Nukleinsäuren vernünftig zu denken oder zu sprechen.
Oberteil

Atome in Aminosäuren


Ortsselektive kovalente Reaktionen an proteinogenen Aminosäuren

Umfassende Übersicht über ortsgenaue Biokonjugationsreaktionen.

Umfassende Übersicht über Proximity-induzierte kovalente Reaktionen.

Um eine präzise Kontrolle der Signalereignisse oder eine unverwechselbare Synthese von Biomolekülen zu erreichen, hat die Natur organische Reaktionen mit proteinogenen Aminosäuren mit beispielloser Ortsselektivität entwickelt. Beispielsweise bestimmen spezielle Enzyme genau die Stelle posttranslationaler Modifikationen in Signalproteinen, und Ribosomen verknüpfen die C-terminale Carbonsäure einer ungeschützten Aminosäure präzise mit der N-terminalen Aminogruppe der anderen Aminosäure durch räumlich begrenzte Nähe. Seit vielen Jahren streben Chemiker danach, eine Ortsselektivität auf Biomolekülen durch Nachahmung der Natur zu erreichen. Angetrieben durch die Entwicklung chemoselektiver Proteinkonjugationsreaktionen, Enzymologie und Protein-Protein-Wechselwirkungen, erlebten die letzten zehn Jahre einen Boom an ortsselektiven Proteinkonjugationsreaktionen. (In diesem Aufsatz wird eine ortsselektive Proteinkonjugationsreaktion als eine organische Reaktion definiert, die auf eine einzelne Aminosäure anstelle einer Art von Aminosäuren in einem Protein oder Proteom unter physiologischen Bedingungen, zum Beispiel ein einzelner Cysteinrest unter allen Cysteinen.) In diesem Aufsatz fassen wir die jüngsten Fortschritte bei Biokonjugationsreaktionen zusammen, die diese Eigenschaft der präzisen Position demonstrieren Selektivität, wobei der Schwerpunkt auf den Reaktionen der proteinogenen Aminosäuren liegt (mit Ausnahme derjenigen bei nicht-kodierten oder nicht-proteinogenen Aminosäuren, die durch genetische Manipulationen in Proteine ​​eingeführt werden).


3.1 Herkunft von β-Alanin und β-Aminoisobutyrat

3.2 Reaktionen vom Aminomutase-Typ (MIO-abhängige und radikale SAM-Typen)

Abb. 8 Reaktionsmechanismen vom Aminomutase-Typ: (I) MIO-abhängiger Reaktionsmechanismus (II) radikaler SAM-Reaktionsmechanismus (III) der Reaktionsmechanismus der α-L-Aspartatlyase.

Als (S)- und (R)-β-Phenylalanine (R wird durch Tc PAM in der Taxol-Biosynthese in Taxus cuspidata 61 und S ausgewählt durch Pa PAM in der Andrimid-Biosynthese in Pantoea agglomerans 62) und (S)- und (R) -β-Tyrosine ( R wird durch CmdF in der Chondramide-Biosynthese in Chondromyces crocatus 63 und S ausgewählt durch Sg TAM in der Endiin-Antibiotikum C-1027-Biosynthese in Streptomyces globisporus 64 ) in der Natur vorkommen, die Stereochemie an ihren β-Positionen sollte entsprechend bestimmt werden um der Selektivität des nukleophilen Angriffs des Amino-MIO-Addukts auf Zimtsäure und p-Hydroxyzimtsäure durch Aminomutasen zu begegnen. In der Endiin-Antibiotikum-Kedarcidin-Biosynthese ist bekannt, dass ein seltenes (R)-2-Aza-β-tyrosin aus 2-Aza-L-tyrosin durch KedY4 konstruiert wird, das zu dieser Familie von MIO-abhängigen Aminomutasen gehört. 65

Eine andere Familie von Aminomutasen, einschließlich Lysin-2,3-Aminomutase (LAM), 66 Glutamat-2,3-Aminomutase (GAM), 67 und Arginin-2,3-Aminomutase (AAM), 68 enthält einen [4Fe-4S]-Cluster als a Radikal-SAM (S-Adenosyl-L-Methionin)-Motiv und PLP-(Pyridoxal-5'-Phosphat)-Bindungsmotiv (Fig. 8-II). In dieser Reaktion wird ein α-Aminosäure-PLP-Aldimin-Komplex als Reaktionszwischenprodukt vorgeschlagen. Ein Wasserstoffatom an der β-Position des Intermediats wird von einem 5′-Desoxyadenosylradikal abstrahiert, das aus SAM durch eine reduktive Spaltung erzeugt wird, um ein Radikalintermediat und 5′-Desoxyadenosin zu ergeben. Das radikalische Zwischenprodukt wandelt sich als nächstes in das dreigliedrige Aziridin-Zwischenprodukt um und die α-Aminogruppe lagert sich in die β-Position um. Das erzeugte Radikal an der α-Position abstrahiert dann ein Wasserstoffatom von 5′-Desoxyadenosin, um ein 5′-Desoxyadenosylradikal für den nächsten Katalysezyklus zu regenerieren. Schließlich vervollständigt die Hydrolyse von β-Lysylaldimin die Reaktion. Bisher wurden LAM und GAM in vitro charakterisiert. 69 β-Arginin in Blasticidin S wird vermutlich durch die gleiche enzymatische Reaktion gebildet, da das sequenziell ähnliche Gen blsG im biosynthetischen Gencluster kodiert wird. 68 β-Lysin-5,6-Aminomutase ist auch dafür bekannt, eine Aminogruppenumlagerung an C-6 zu C-5 durch einen ähnlichen Reaktionsmechanismus zu katalysieren. 70 Bei dieser Reaktion ist Adenosylcobalamin anstelle von SAM ein Cofaktor zur Erzeugung eines 5′-Desoxyadenosylradikals, das eine ähnliche Radikalreaktion zur Umlagerung der 6-Aminogruppe in die C-5-Position zur Bildung von 3,5-Diaminohexansäure verursacht. In höheren Pflanzen ist bekannt, dass L-Leucin 2,3-Aminomutase eine 2,3-Umlagerung der α-Aminogruppe auf Cobalamin-abhängige Weise katalysiert, um ( R )-β-Leucin zu ergeben, aber der detaillierte Reaktionsmechanismus am molekularen Niveau wurde nicht untersucht. 71

Es sollte auch beachtet werden, dass die α-L-Aspartatlyase die Entfernung einer α-Aminogruppe über einen katalytischen Säure-Base-Mechanismus katalysiert, um Fumarat zu erzeugen (Abb. 8-III). 72 Dieses Enzym benötigt keinen Cofaktor und katalysiert auch die Rückreaktion zur Synthese von Aspartat aus Fumarat und Ammoniak. Eines dieser Enzyme, die Methylaspartat-Ammoniak-Lyase, wurde so konstruiert, dass sie stereoselektiv verschiedene β-Aminosäuren aus Mesaconat produziert. 73

3.3 Reaktionen vom Glutamat-Mutase-Typ (C-C-Bindungsumlagerungen)

3.4 Decarboxylierung von α-Aspartat, 3-Methylaspartat und β-Glutamat

Abb. 10 Reaktionsmechanismus von Pyruvoyl-abhängigen und PLP-abhängigen Decarboxylasen zur Bildung von β-Aminosäuren, wie β-Aminoisobutyrat und β-Aminobutyrat.

Bei der Incednin-Biosynthese wird β-Glutamat, das von α-L-Glutamat durch die Wirkung von Glutamat-2,3-Aminomutase abgeleitet ist, durch die PLP-abhängige β-Glutamat-Decarboxylase IdnL3 zu (S)-β-Aminobutyrat decarboxyliert (Fig. 10). 81 Da bei dieser Reaktion nur ein Stereoisomer entsteht, sollte IdnL3 die Prochiralität von β-Glutamat erkennen, um (S)-β-Aminobutyrat herzustellen. Dieses Enzym erkennt spezifisch β-Glutamat, jedoch nicht α-L-Glutamat oder andere proteinogene α-L-Aminosäuren. Da β-Aminobutyrat effizient in Incednin eingebaut wird, sollte diese Transformation im Incednin-produzierenden Stamm einzigartig sein. Ein Satz von Glutamat-2,3-Aminomutase- und β-Glutamat-Decarboxylase-Genen wird in den biosynthetischen Genclustern Salinilactam 37 und Mikromonolactam 82 kodiert, was darauf hindeutet, dass das gleiche Szenario β-Aminobutyrat als Startereinheit in diesen Polyketidwegen bereitstellt.

3.5 Michael-Addition von Ammoniak oder Aminogruppen an α,β-ungesättigte Carboxylate

Abb. 11 Mechanismus der Michael-Addition von Ammoniak oder Aminosäureaminogruppen an α,β-ungesättigte Carboxylate: (I) Bildung von β-Aminononanoat bei der Cremimycin-Biosynthese (II) Bildung von 2,3-Diaminopropionat bei der Bleomycin-Biosynthese (III) Bildung von 2, 3-Diaminopropionat in der Viomycin-Biosynthese: (IV) Bildung von 2,3-Diaminobutanoat in der Biosynthese der Pacidamycin-Familie von Nukleosid-Antibiotika.

Es wird auch angenommen, dass 2,3-Diaminosäuren, wie 2,3-Diaminopropion- und 2,3-Diaminobutansäuren, durch eine Michael-Addition von Ammoniak oder einer Aminosäure-α-Aminogruppe an Dehydroalanin bzw. Dehydrobutyrin aufgebaut werden. Bei der Bleomycin-Biosynthese wird ein gebildetes Dehydroalanin auf NRPS zu einem Michael-Akzeptor und die α-Aminogruppe von α-L-Asparagin auf dem nächsten NRPS-Modul greift die C-3-Position der Dehydroalanin-Einheit in der Kondensationsdomäne an, um ein formales 2 zu ergeben. 3-Diaminopropansäure-Einheit (Fig. 11-II). 87 Ähnliche Szenarien für die Bildung von α,β-Diaminopropionat in Viomycin und Capreomycin wurden vorgeschlagen (Abb. 11-III). 88 Bei der Viomycin-Biosynthese erkennt das PLP-abhängige Enzym VioB α-L-Serin oder O-acetyliertes Serin, um Dehydroalanin als Michael-Akzeptor zu bilden. Ein assoziiertes Enzym, VioK, eine mutmaßliche Ornithincyclodeaminase, liefert Ammoniak als Nukleophil zum Aufbau von 2,3-Diaminopropionat am aktiven Zentrum von VioB, obwohl der Einbaumechanismus von Ammoniak von VioK in VioB unklar bleibt. Die Lysinoalanin-Bildung bei der Cinnamycin-Biosynthese ist ein relevanter Mechanismus zum Aufbau der 2,3-Diaminopropionsäure-Einheit. 89 In diesem Fall ist das Nukleophil die ε-Aminogruppe des Lysinrests im cyclischen Peptid. Bei der Biosynthese der Pacidamycin-Familie von Nukleosid-Antibiotika scheint ein PLP-abhängiges Enzym am Ersatz einer Threonin-Hydroxylgruppe beteiligt zu sein, wobei Ammoniak oder eine Aminosäureaminogruppe als Nukleophil verwendet wird (Abb. 11-IV), obwohl die genaue Funktionen biosynthetischer Enzyme sind unklar. 90–92

In ähnlicher Weise wird die Capreomycidin-Einheit von Viomycin durch eine Dehydratisierung aufgebaut, die durch das PLP-abhängige Enzym VioD katalysiert wird, gefolgt von einer intramolekularen konjugierten Addition von der terminalen Guanidinogruppe, um die Installation der Aminogruppe an der β-Position der Aminosäure abzuschließen. 93–95 Ein ähnlicher Reaktionsmechanismus kann bei der Streptolidinbildung in der Streptothricin-Biosynthese angewendet werden, da homologe Gene im Streptothricin-Biosynthese-Gencluster konserviert sind, 96,97 obwohl Inkorporationsstudien nahegelegt haben, dass 4-Hydroxycapreomycidin ein echtes Biosynthese-Intermediat ist, aber nicht Capreomycidin. 98,99

3.6 Reaktionen vom Aminotransferase-Typ (Transaminierung von β-Ketocarboxylaten)

Abb. 12 Biosynthese von Microcystin-LR. β-Ketocarboxylat wird durch PLP-abhängige Aminotransferase transaminiert und dann in Microcystin-LR eingebaut.

Biochemie-Prüfung 2

HX + H2O X- + H3O+
• Wenn Sie das richtige X haben, kann es als bestes Puffersystem verwendet werden
• Wenn etwas ungepuffert ist, könnte es zu gefährlich, zu sauer oder zu basisch sein = es muss eine gewisse Stabilität sein

• zu viele Hs
• zu viele OH's durch Fluktuation im Speichel beigetragen

• Nieren (Blut filtern, herausfinden, was den Körper verlassen muss, zum Urin) und Lunge (Sauerstoff dringt in CO2-Blätter ein) sind wichtig, um pH-Schwankungen zu bewältigen

nach dem Zentrifugieren bei 150.000 g erhalten Sie:
-Überstand: oberste Schicht, zytosolkonzentrierte Lösung von Enzymen, RNA, monomeren Untereinheiten, Metaboliten, anorganischen Ionen

Bei Spurenelementen (hellgelb schattiert) ist der Bedarf viel geringer: für den Menschen wenige Milligramm Fe, Cu und Zn pro Tag, von den anderen noch weniger.

Dies ist in vielen biologischen Reaktionen in der Zelle stark gekoppelt

Exergonische Reaktionen setzen Energie frei

Seine Rolle in der Zelle ist analog zu der des Geldes in einer Ökonomie: Es wird in exergonischen Reaktionen "verdient/produziert" und in endergonischen "verbraucht".

NAD(P)H (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (Phosphat)) ist ein elektronentragender Cofaktor, der Elektronen aus oxidativen Reaktionen sammelt und diese dann in einer Vielzahl von Reduktionsreaktionen in der Biosynthese abgibt.


CH103: Alliierte Gesundheitschemie

Dieser Text wird unter Creative Commons-Lizenzierung veröffentlicht. Um auf diese Arbeit zu verweisen, klicken Sie bitte auf Hier .

7.1 Was ist Stoffwechsel?

7.2 Häufige Arten biologischer Reaktionen

7.3 Oxidations- und Reduktionsreaktionen und die Produktion von ATP

7.4 Reaktionsspontanität

7.5 Enzymvermittelte Reaktionen

7.6 Einführung in die Pharmakologie

7.7 Kapitelzusammenfassung

7.8 Referenzen

7.1 Was ist Stoffwechsel?

Stoffwechsel ist die Menge lebenserhaltender chemischer Reaktionen in Organismen. Wir haben Beispiele für Stoffwechselprozesse in den in Kapitel 6 behandelten Primär- und Sekundärmetaboliten gesehen. Insgesamt sind die drei Hauptzwecke des Stoffwechsels: (1) die Umwandlung von Nahrung in Energie, um zelluläre Prozesse durchzuführen (2) die Umwandlung von Nahrung/Brennstoff zu Bausteinen für Proteine, Lipide, Nukleinsäuren und Kohlenhydrate und (3) die Beseitigung von Abfallprodukten. Diese enzymkatalysierten Reaktionen ermöglichen es Organismen, zu wachsen und sich zu vermehren, ihre Strukturen zu erhalten und auf ihre Umgebung zu reagieren. (Das Wort Stoffwechsel kann sich auch auf die Summe aller chemischen Reaktionen beziehen, die in lebenden Organismen ablaufen, einschließlich der Verdauung und des Transports von Stoffen in und zwischen verschiedenen Zellen, in diesem Fall wird die oben beschriebene Reihe von Reaktionen innerhalb der Zellen als Zwischenstoffwechsel bezeichnet. )

Metabolische Reaktionen können kategorisiert werden als katabolisch– die zusammenbrechen von Verbindungen (zum Beispiel der Abbau von Proteinen in Aminosäuren während der Verdauung) oder anabol – die aufbauen (Synthese) von Verbindungen (wie Proteinen, Kohlenhydraten, Lipiden und Nukleinsäuren). Normalerweise setzt der Katabolismus Energie frei und der Anabolismus verbraucht Energie.

Abbildung 7.1 Katabolische und anabole Reaktionen. Katabolische Reaktionen beinhalten den Abbau von Molekülen in kleinere Komponenten, während anabole Reaktionen größere Moleküle aus kleineren Molekülen aufbauen. Katabolische Reaktionen setzen normalerweise Energie frei, während anabole Prozesse normalerweise Energie benötigen.

Die chemischen Reaktionen des Stoffwechsels sind in Stoffwechselwege organisiert, in denen eine Chemikalie durch eine Reihe von Schritten in eine andere Chemikalie umgewandelt wird, wobei jeder Schritt durch ein bestimmtes Enzym erleichtert wird. Enzyme sind für den Stoffwechsel von entscheidender Bedeutung, da Enzyme als Katalysatoren wirken – sie ermöglichen einen schnelleren Ablauf einer Reaktion. Darüber hinaus können Enzyme einen Mechanismus für Zellen bereitstellen, um die Geschwindigkeit einer Stoffwechselreaktion als Reaktion auf Veränderungen in der Umgebung der Zelle oder auf Signale von anderen Zellen durch Aktivierung oder Hemmung der Enzymaktivität zu regulieren. Enzyme können es Organismen auch ermöglichen, wünschenswerte Reaktionen anzustoßen, die Energie benötigen, die nicht von selbst ablaufen, indem sie sie an spontane Reaktionen koppeln, die Energie freisetzen. Die Enzymform ist für die Funktion des Enzyms entscheidend, da sie die spezifische Bindung eines Reaktanten bestimmt. Dies kann geschehen durch a Schloss- und Schlüsselmodell wobei der Reaktant die exakte Form der Enzymbindungsstelle hat, oder durch ein induziertes Fit-Modell, wobei der Kontakt des Reaktanten mit dem Protein bewirkt, dass sich die Form des Proteins ändert, um an den Reaktanten zu binden.

Abbildung 7.2 Mechanismen der Enzym-Substrat-Bindung. (A) Im Schloss-und-Schlüssel-Modell passen Substrate in das aktive Zentrum des Enzyms, ohne dass weitere Modifikationen der Enzymform erforderlich sind. (B) Im induzierten Fit-Modell bewirkt die Substratwechselwirkung mit dem Enzym, dass sich die Form des Enzyms ändert, um besser an das Substrat zu passen und die chemische Reaktion zu vermitteln.

Abbildung 7.2A wurde von Socratic modifiziert und Abbildung 7.2B wurde von Concepts in Biology . modifiziert

7.2 Häufige Arten biologischer Reaktionen

Innerhalb biologischer Systeme gibt es sechs Hauptklassen biochemischer Reaktionen, die durch Enzyme vermittelt werden. Diese umfassen Gruppenübertragungsreaktionen, die Bildung/Entfernung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen, Isomerisierungsreaktionen, Ligationsreaktionen, Hydrolysereaktionen und Oxidations-Reduktions-Reaktionen. Dieser Abschnitt gibt Ihnen eine kurze Einführung in diese sechs Arten von Reaktionen, und der folgende Abschnitt befasst sich eingehender mit Oxidations-Reduktionen und wie sie für die Bildung der Hauptform der zellulären Energie, Adenosintriphosphat (ATP) entscheidend sind. . Beachten Sie, dass alle diese Reaktionstypen einen Enzymkatalysator (normalerweise ein spezifisches Protein) benötigen, um die Reaktionsgeschwindigkeit in biologischen Systemen zu beschleunigen.

Gruppentransferreaktionen

In Gruppenübertragungsreaktionen, wird eine funktionelle Gruppe von einem Molekül, das als Donormolekül dient, auf ein anderes Molekül übertragen, das das Akzeptormolekül ist. Die Übertragung einer funktionellen Amingruppe von einem Molekül auf ein anderes ist ein übliches Beispiel für diese Art von Reaktion und wird in Abbildung 7.3 unten gezeigt.

Abbildung 7.3 Übertragung einer funktionellen Amingruppe. Eine übliche Gruppenübertragungsreaktion in biologischen Systemen ist eine, die zur Herstellung von α-Aminosäuren verwendet wird, die dann für die Proteinsynthese verwendet werden können. Bei dieser Reaktion dient eine α-Aminosäure als Donormolekül und eine α-Ketosäure (diese Moleküle enthalten eine funktionelle Carbonsäuregruppe und eine funktionelle Ketongruppe, getrennt durch einen α-Kohlenstoff) dient als Akzeptor.Im Akzeptormolekül wird der Carbonylsauerstoff durch die funktionelle Amingruppe ersetzt, während im Donormolekül die funktionelle Amingruppe durch einen Sauerstoff ersetzt wird, der eine neue funktionelle Ketongruppe bildet.

Die Bildung/Entfernung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen

Reaktionen, die die Bildung und Entfernung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen vermitteln, sind auch in biologischen Systemen üblich und werden von einer Enzymklasse namens . katalysiert lyases. Die Bildung oder Entfernung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen wird auch in Reaktionen der synthetischen organischen Chemie verwendet, um gewünschte organische Moleküle zu erzeugen. Eine dieser Reaktionsarten heißt a Hydrierungsreaktion, wobei ein Wasserstoffmolekül (H2) wird über eine C-C-Doppelbindung addiert und zu einer C-C-Einfachbindung reduziert. Erfolgt dies mit ungesättigten Ölen, können die ungesättigten Fette in gesättigte Fette umgewandelt werden (Abbildung 7.4). Diese Art von Reaktion wird üblicherweise durchgeführt, um teilweise hydrierte Öle herzustellen, die sie von Flüssigkeiten bei Raumtemperatur in Feststoffe umwandeln. Auf diese Weise werden Margarinen aus Pflanzenöl hergestellt. Leider kann ein Nebenprodukt dieser Reaktion die Bildung von TAGS sein, die trans Doppelbindungen. Nachdem die Gesundheitsgefahren des Verzehrs von Transfettsäuren erkannt wurden, hat die Food and Drug Administration (FDA) die Aufnahme von Transfettsäuren verboten trans Fette in Lebensmitteln. Dieses Verbot wurde im Sommer 2015 erlassen und gab den Lebensmittelherstellern drei Jahre Zeit, um sie mit einer Frist bis zum 18. Juni 2018 aus der Lebensmittelversorgung zu streichen.

Abbildung 7.4 Hydrierung von Ölen zur Herstellung von Margarine. Ungesättigte Öle können teilweise oder vollständig hydriert werden, um die gesättigten Fettsäuren zu produzieren, um Margarinen herzustellen, die bei Raumtemperatur fest bleiben. Die Zugabe der neuen Wasserstoffatome zur Bildung der gesättigten Kohlenwasserstoffe ist im Endprodukt gelb dargestellt.

Oberes Foto zur Verfügung gestellt von Cottonseed Oil und unteres Foto zur Verfügung gestellt von Littlegun

Isomerisierungsreaktionen

In Isomerisierungsreaktionen ein einzelnes Molekül wird so umgeordnet, dass es die gleiche Molekülformel behält, aber jetzt eine andere Bindungsreihenfolge der Atome aufweist, die ein Struktur- oder Stereoisomer bilden. Die Umwandlung von Glucose-6-Phosphat zu Fructose-6-Phosphat ist ein gutes Beispiel für eine Isomerisierungsreaktion und ist in Abbildung 7.5 dargestellt

Abbildung 7.5 Isomerisierung von Glucose-6-phosphat zu Fructose-6-phosphat.

Ligationsreaktionen

Ligationsreaktionen nutzen die Energie von ATP, um zwei Moleküle miteinander zu verbinden. Ein Beispiel für diese Art von Reaktion ist die Verknüpfung der Aminosäure mit dem Transfer-RNA (tRNA)-Molekül während der Proteinsynthese. Während der Proteinsynthese bringen die tRNA-Moleküle jede der Aminosäuren zum Ribosom, wo sie in die neu wachsende Proteinsequenz eingebaut werden können. Dazu müssen die tRNA-Moleküle zunächst an die entsprechende Aminosäure angeheftet werden. Spezifische Enzyme sind verfügbar, die als Aminoacyl-–-tRNA-Synthetasen bezeichnet werden und diese Reaktion vermitteln. Die Synthetase-Enzyme nutzen die Energie von ATP, um die Aminosäure kovalent an das tRNA-Molekül zu binden. Ein Diagramm dieses Prozesses ist in Abbildung 7.6 dargestellt. Für jede der 20 Aminosäuren gibt es ein spezifisches tRNA-Molekül und ein spezifisches Synthetase-Enzym, das mit seinem tRNA-Molekül für die korrekte Anlagerung der richtigen Aminosäure sorgt.

Abbildung 7.6 Ligationsreaktion zur kovalenten Verknüpfung von Methionin mit der entsprechenden tRNA. Das Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Enzym für Methionin (blau dargestellt) bindet kovalent Methionin (hellrosa) an das Methionin-tRNA-Molekül (dunkelrosa). Diese Reaktion erfordert die Energie, die durch den Abbau des ATP-Moleküls in AMP bereitgestellt wird, wobei Energie beim Abbau der Phosphatbindungen in zwei anorganische Phosphationen (2 Pi) freigesetzt wird.

Hydrolysereaktionen

Die Klassifizierung von Hydrolysereaktionen umfassen sowohl die Vorwärtsreaktionen, bei denen Wasser zu einem Molekül hinzugefügt wird, um es auseinander zu brechen, als auch die Rückreaktion, bei der Wasser entfernt wird, um Moleküle miteinander zu verbinden, genannt Dehydratationssynthese (oder Kondensation)(Abbildung 7.7) .Wenn einem Molekül Wasser zugesetzt wird, um es in zwei Moleküle zu zerlegen, nennt man diese Reaktion Hydrolyse. Der Begriff ‘Lyse‘ bedeutet auseinander zu brechen, und der Begriff ‘Hydro‘ bezieht sich auf Wasser. Somit ist der Begriff Hydrolyse bedeutet, mit Wasser auseinanderzubrechen. Die Umkehrung dieser Reaktion beinhaltet die Entfernung von Wasser aus zwei Molekülen, um sie zu einem größeren Molekül zu verbinden. Da die beiden Moleküle Wasser verlieren, werden sie dehydriert. So bezeichnet man die Bildung von Molekülen durch Wasserentzug als dehydrations Synthese. Da bei diesen Reaktionen auch Wasser ein Nebenprodukt ist, werden sie üblicherweise auch als Kondensationsreaktionen bezeichnet. Wie wir in Kapitel 6 gesehen haben, werden die wichtigsten Klassen von Makromolekülen im Körper (Proteine, Kohlenhydrate, Lipide und Nukleinsäuren) gebildet durch dehydrations Synthesewobei den Molekülen Wasser entzogen wird (Abbildung 7.x). Während der normalen Verdauung unserer Nahrungsmoleküle werden die wichtigsten Makromoleküle durch den Prozess der Hydrolyse.

Abbildung 7.7 Hydrolyse- und Dehydratisierungssynthese. Die Hydrolysereaktionen vermitteln den Abbau größerer Polymere in ihre monomeren Bausteine ​​durch Anlagerung von Wasser an die Moleküle. Die Umkehrung der Reaktion ist die Dehydratisierungssynthese, bei der Wasser aus den Monomerbausteinen entfernt wird, um die größere Polymerstruktur zu erzeugen.

Wie Sie in Kapitel 6 erfahren haben, werden die Hauptmakromoleküle aufgebaut, indem sich wiederholende Monomer-Untereinheiten durch den Prozess der Dehydratisierungssynthese zusammengefügt werden. Interessanterweise weisen die organischen funktionellen Einheiten, die in den Dehydratisierungssyntheseprozessen für jeden der Haupttypen von Makromolekülen verwendet werden, Ähnlichkeiten auf. Daher ist es sinnvoll, die Reaktionen zusammen zu betrachten (Abbildung 7.8).

Abbildung 7.8 Dehydratisierungssynthesereaktionen, die an der Bildung von Makromolekülen beteiligt sind. Die wichtigsten organischen Reaktionen, die für die Biosynthese von Lipiden, Nukleinsäuren (DNA/RNA), Proteinen und Kohlenhydraten erforderlich sind, werden gezeigt. Beachten Sie, dass es bei allen Reaktionen eine funktionelle Gruppe gibt, die zwei elektronenziehende Gruppen enthält (die Carbonsäure, Phosphorsäure und das Halbacetal haben jeweils zwei Sauerstoffatome, die an ein zentrales Kohlenstoff- oder Phosphoratom gebunden sind). Dadurch entsteht ein reaktives partiell positives Zentralatom (Kohlenstoff bei der Carbonsäure und Halbacetal oder Phosphor bei der Phosphorsäure), das durch den elektronegativen Sauerstoff oder Stickstoff einer Alkohol- oder Aminfunktion angegriffen werden kann.

Die Bildung von Estern und verwandten Verbindungen, Amiden, Phosphoestern und Acetalen erfolgt durch Dehydratisierungssynthese unter Verlust von Wasser. Die Reaktionsmechanismen für jede dieser Reaktionen sind sehr ähnlich. Betrachten wir als Beispiel die Bildung der Esterbindung (Abbildung 7.9).

Abbildung 7.9 Reaktionsmechanismus der Esterbildung. (1) Dieser Reaktionsmechanismus wird durch die Natur der funktionellen Carbonsäuregruppe aufgebaut. Die Anwesenheit des Carbonylsauerstoffs und der funktionellen Alkoholgruppen erzeugt eine elektronenziehende Situation, in der die elektronegativen Sauerstoffatome die Elektronen vom zentralen Kohlenstoffatom wegziehen. Dies schafft eine sehr polare Situation, in der der zentrale Kohlenstoff einen stark partiell positiven Charakter hat. (2) Der stark partiell positive Charakter des zentralen Kohlenstoffatoms der Carbonsäure zieht eine der einsamen Elektronenpaare der funktionellen Alkoholgruppe an, die rot dargestellt ist. Dies ermöglicht die Bildung einer neuen kovalenten Bindung zwischen der funktionellen Alkoholgruppe und der funktionellen Carbonsäuregruppe. Dadurch entsteht ein Zwischenprodukt, das fünf Bindungen an den zentralen Kohlenstoff und drei Bindungen an das Sauerstoffatom des ankommenden Alkohols hat. (3) Das Zwischenprodukt mit fünf Bindungen zum zentralen Kohlenstoff ist instabil und würde sich normalerweise nicht bilden, jedoch macht die Anwesenheit des Carbonylsauerstoffs die Reaktion günstiger. Es wird aufgrund seines elektronegativen Charakters in der Lage sein, das zusätzliche Elektronenpotential um das zentrale Kohlenstoffatom vorübergehend zu absorbieren, und die Doppelbindung wird sich vorübergehend auf den zentralen Sauerstoff verschieben, wodurch ein einsames Paar-Zwischenprodukt entsteht. (4) Das zusätzliche einsame Paar auf dem Carbonylsauerstoff verschiebt sich zurück nach unten, um die Doppelbindung mit dem zentralen Kohlenstoff neu zu bilden. (5) Dies bewirkt, dass das gemeinsame Elektronenpaar zwischen dem zentralen Kohlenstoffatom und der ursprünglichen funktionellen Alkoholgruppe auf den Alkohol übergeht, wodurch die kovalente Bindung aufgebrochen wird. (6) Das zusätzliche einsame Elektronenpaar an der freien Alkoholgruppe nimmt das Proton von der neu ankommenden Alkoholgruppe und bildet ein Wassermolekül und die endgültige Esterstruktur.

Alle gezeigten Dehydratisierungssynthesereaktionen für die Hauptmakromoleküle haben einen ähnlichen Reaktionsmechanismus wie der für die Esterbindungsbildung gezeigte. Beachten Sie, dass die Umkehrung der Reaktionen die Hydrolyse der Bindungsbindung durch die Addition des Wassermoleküls über die Bindung vermittelt. Dadurch werden die ursprünglichen funktionellen Gruppen, im Fall des Esters eine Carbonsäure und ein Alkohol, wiederhergestellt.

Oxidations-Reduktions-Reaktionen

Ein Oxidations-Reduktions-(Redox)-Reaktion ist eine Art chemischer Reaktion, bei der Elektronen zwischen zwei Atomen oder Verbindungen übertragen werden. Der Stoff, der Elektronen abgibt, wird oxidiert, der Stoff, der Elektronen aufnimmt, wird reduziert. RedoxReaktionen müssen immer zusammen ablaufen. Wenn ein Molekül oxidiert wird, muss ein anderes Molekül reduziert werden (dh Elektronen tauchen nicht aus dem Nichts auf, um einer Verbindung hinzugefügt zu werden, sie müssen immer von irgendwoher kommen!).

Die Änderung der Elektronenzusammensetzung lässt sich an der Änderung der Oxidationsstufe (oder Zahl)eines Atoms. Daher ein Oxidations-Reduktions-Reaktion ist jede chemische Reaktion, bei der sich die Oxidationsstufe (Zahl) eines Moleküls, Atoms oder Ions durch Aufnahme oder Verlust eines Elektrons ändert. In diesem Abschnitt lernen wir, wie man den Oxidationszustand eines Moleküls bewertet. Insgesamt sind Redoxreaktionen häufig und für einige der grundlegenden Funktionen des Lebens, einschließlich Photosynthese, Atmung, Verbrennung und Korrosion oder Rosten, von entscheidender Bedeutung.

Wie in Abbildung 7.10 gezeigt, ist ‘LEO der Löwe sagt GER’, ein einfacher Merksatz, der Ihnen hilft, sich daran zu erinnern, welches Element Elektronen aufnimmt und welches Element Elektronen verliert LÖWE steht für Lose EElektronen = Öxidisiert und GER steht für gain EElektronen = Rerzogen.

Abbildung 7.10. Die Regeln der Oxidation und Reduktion. Die mnemonische LEO der Löwe sagt, dass GER ein hilfreicher Weg ist, um sich an die wichtigsten Konzepte von Oxidations-Reduktions-Reaktionen zu erinnern Loses ELektionen ist es Öxidiert (LÖWE), und wenn ein Molekül gist nicht EElektronen ist es Rerzogen (GER).

Regeln für die Zuweisung von Oxidationsstufen

Die Oxidationszustand eines Elements entspricht der Anzahl der Elektronen, e – , die ein Atom während einer ionischen Bindung verliert oder gewinnt, oder scheint zu verlieren/körnen, wenn es kovalente Bindungen mit anderen Atomen in Verbindungen eingeht. Bei der Bestimmung der Oxidationsstufe eines Atoms sind sieben Richtlinien zu beachten:

  1. Der Oxidationszustand eines Atoms in seiner elementaren Form ist 0. (Dazu gehören elementare Formen, die als zweiatomige Moleküle vorkommen. Zum Beispiel ist jeder Sauerstoff in einem O .-Molekül2, hat eine Oxidationsstufe = 0.)
  2. Die Gesamtoxidationsstufe aller Atome in a neutrale Spezies ist 0 und in an Ion ist gleich der Ionenladung. (Zum Beispiel ist die Gesamtoxidationsstufe von NaCl = 0, obwohl die Oxidationsstufe von Na + in dieser Bindung +1 ist und die Oxidationsstufe des Chloratoms Cl – -1 ist. Wenn Sie sie zusammenzählen sie sind gleich 0. Im Fall eines Ions wird immer die Gesamtladung angezeigt. Zum Beispiel ist die Gesamtladung eines OH –-Ions -1, während der Sauerstoff im OH – eine Oxidationsstufe von -2 hat und der Wasserstoff hat eine Oxidationsstufe von +1.)
  3. Metalle der Gruppe 1 haben eine Oxidationsstufe von +1 und Gruppe 2 eine Oxidationsstufe von +2, wenn sie an Ionenbindungen beteiligt sind.
  4. Die Oxidationsstufe von Fluor ist -1 in Verbindungen
  5. Wasserstoff hat in Verbindungen im Allgemeinen eine Oxidationsstufe von +1
  6. Sauerstoff hat in Verbindungen im Allgemeinen eine Oxidationsstufe von -2
  7. In binären Metallverbindungen haben Elemente der Gruppe 17 (oder 7A) einen Oxidationszustand von -1, Gruppe 16 (oder 6A) von -2 und Gruppe 15 (oder 5A) von -3.
  8. Die Oxidationsstufen anderer Atome werden nach den Regeln 1-7 berechnet.

Verbrennung Reaktionen beinhalten fast immer Sauerstoff in Form von O2, und sind fast immer exotherm, was bedeutet, dass sie Wärme erzeugen. Chemische Reaktionen, die Licht und Wärme abgeben, werden umgangssprachlich als „Verbrennen“ bezeichnet. Die vollständige Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen führt zur Bildung von Kohlendioxid (CO .).2) und Wasser (H2Ö). Beachten Sie, dass Kohlenstoff in einer Reihe von Oxidationsstufen existieren kann, typischerweise von -4 bis +4. Die Verbrennung von Brennstoffen, die die Energie liefern, um unsere Zivilisation zu erhalten, und der Stoffwechsel von Nahrungsmitteln, die die Energie liefern, die uns am Leben erhält, beinhalten Redoxreaktionen.

Alle Verbrennungsreaktionen sind auch Redoxreaktionen. Die allgemeine Formel für eine Verbrennungsreaktion lautet:

C x h ja + Aus 2 → CO 2 + H 2 Ö

Ein konkretes Beispiel ist die Verbrennung von Acetylen (C2h2) bei Fackeln:

2C2h2 + 5O2 → 4CO2 + 2H2Ö

Sauerstoff (in seiner elementaren Form) ist ein entscheidender Reaktant bei Verbrennungsreaktionen und kommt auch in den Produkten vor. Verbrennungsreaktionen können hinsichtlich ihres Redoxpotentials bewertet werden, indem jedem Element in der Reaktion Oxidationszahlen zugewiesen werden:

Insgesamt wird bei Verbrennungsreaktionen der Kohlenwasserstoff (in diesem Fall Acetylen) durch molekularen Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Dabei wird Sauerstoff reduziert.

Bei der Atmung, dem biochemischen Prozess, bei dem der Sauerstoff, den wir in der Luft einatmen, Lebensmittel zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert, liefern Redoxreaktionen Energie an lebende Zellen. Eine typische Atemreaktion ist die Oxidation von Glucose (C6h12Ö6), ein einfacher Zucker.

C6h12Ö6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2Ö

Im Körper wird die Reaktion kontrolliert, um die freigesetzte Energie zu gewinnen, damit sie für die Produktion von ATP verwendet werden kann. Ein Teil der freigesetzten Energie wird auch dazu verwendet, Wärme für den Organismus zu erzeugen, jedoch nicht in Form einer schnellen Verbrennungsreaktion, die Feuer erzeugt. Beachten Sie, dass bei Redoxreaktionen mit Kohlenwasserstoffen Wasserstoff normalerweise mit den Elektronen entfernt wird. Somit können sie als Indikator dafür verwendet werden, welche Moleküle oxidiert und welche reduziert werden. In der Reaktion über dem Glucosemolekül (C6h12Ö6) verliert bei der Umwandlung in Kohlendioxid die Wasserstoffe. Da die Glukose die Wasserstoffe verliert, verliert sie auch Elektronen und somit ist die Glukose die oxidierte Komponente. In ähnlicher Weise wird der Sauerstoff auf der Reaktantenseite in Wasser auf der Produktseite umgewandelt, wo er die Wasserstoffe und auch Elektronen aufnimmt. Somit wird bei dieser Reaktion der Sauerstoff zu Wasser reduziert.

Beachten Sie, dass sich Reaktionsklassifikationen auch überschneiden und in mehr als eine Kategorie fallen können. Zum Beispiel die Hydrierungsreaktion Die oben dargestellte Entfernung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen ist ebenfalls ein Beispiel für eine Redoxreaktion. Bei dieser Reaktion gewinnen die Kohlenwasserstoffe Wasserstoff und auch Elektronen, da die Doppelbindungen entfernt werden, wodurch die gesättigten Kohlenwasserstoffe gebildet werden. Somit werden die TAGs bei dieser Reaktion reduziert. In diesem Fall ist die oxidierte Komponente (H2) wird dabei vollständig aufgebraucht.

7.3 Oxidations- und Reduktionsreaktionen und die Produktion von ATP

Wie oben gesehen, haben organische Moleküle, die viele Kohlenstoff- und Wasserstoffbrückenbindungen enthalten, ein hohes Energiepotential und die Fähigkeit, zu CO . oxidiert zu werden2 und Wasser. Von allen wichtigen Makromolekülen haben Fette den höchsten Kohlenwasserstoffgehalt und damit das größte Energiepotential (9 Cal/g). Proteine ​​und Kohlenhydrate haben viel mehr Heteroatome, wie Sauerstoff und Stickstoff, die in ihre Strukturen eingebaut sind, und haben ein geringeres Energiepotential (4 Cal/g sowohl für Proteine ​​als auch für Kohlenhydrate). In diesem Abschnitt behandeln wir das Oxidationspotential organischer Moleküle mit sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen.

Alkoholfunktionelle Gruppen

Alkoholfunktionelle Gruppen enthalten das größte Oxidationspotential aller sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen. Die Reaktivität von Alkoholen hängt von der Anzahl der Kohlenstoffatome ab, die an das spezifische Kohlenstoffatom gebunden sind, das an die -OH-Gruppe gebunden ist. Alkohole lassen sich auf dieser Grundlage in drei Klassen einteilen.

  • Ein primärer (1°) Alkohol ist einer, bei dem das Kohlenstoffatom (in Rot) mit der OH-Gruppe an einer anderes Kohlenstoffatom (in Blau). Seine allgemeine Formel ist RCH2OH.

  • Ein sekundärer (2°) Alkohol ist einer, bei dem das Kohlenstoffatom (in Rot) mit der OH-Gruppe an zwei andere Kohlenstoffatome (in Blau). Seine allgemeine Formel ist R2CHOH.

  • Ein tertiärer (3°) Alkohol ist ein Alkohol, bei dem das Kohlenstoffatom (in Rot) mit der OH-Gruppe an drei andere Kohlenstoffatome (in Blau). Seine allgemeine Formel ist R3KOH.

Einige Alkohole können Oxidationsreaktionen eingehen. Denken Sie daran, dass bei Redoxreaktionen die Komponente der Reaktion, die oxidiert wird, Elektronen verliert (LEO), während das Molekül, das die Elektronen empfängt, reduziert wird (GER). Bei organischen Reaktionen folgt der Elektronenfluss normalerweise dem Fluss der Wasserstoffatome. Somit verliert das Molekül, das Wasserstoff verliert, typischerweise auch Elektronen und ist die oxidierte Komponente. Das Elektronen aufnehmende Molekül wird reduziert. Bei Alkoholen können sowohl primäre als auch sekundäre Alkohole oxidiert werden. Tertiäre Alkohole hingegen können nicht oxidiert werden. Bei vielen Oxidationsreaktionen wird das Oxidationsmittel über dem Reaktionspfeil als [O] angezeigt. Das Oxidationsmittel kann ein Metall oder ein anderes organisches Molekül sein. Bei der Reaktion ist das Oxidationsmittel das Molekül, das reduziert wird oder die Elektronen aufnimmt.

Bei Alkoholoxidationsreaktionen werden der Wasserstoff aus dem Alkohol und ein Wasserstoff, der an den Kohlenstoff gebunden ist, an den der Alkohol gebunden ist, zusammen mit ihren Elektronen durch das Oxidationsmittel aus dem Molekül entfernt. Die Entfernung der Wasserstoffe und ihrer Elektronen führt zur Bildung einer funktionellen Carbonylgruppe. Bei einem primären Alkohol kommt es zur Bildung eines Aldehyds. Bei einem sekundären Alkohol kommt es zur Bildung eines Ketons. Beachten Sie, dass bei einem tertiären Alkohol der an die funktionelle Alkoholgruppe gebundene Kohlenstoff kein Wasserstoffatom aufweist. Somit kann es nicht oxidiert werden. Wenn ein tertiärer Alkohol einem Oxidationsmittel ausgesetzt wird, findet keine Reaktion statt.

Beachten Sie, dass der primäre Alkohol, der oxidiert wird, immer noch ein Wasserstoffatom behält, das an den Carbonylkohlenstoff im neu gebildeten Aldehyd gebunden ist.Dieses Molekül kann eine sekundäre Oxidationsreaktion mit einem Oxidationsmittel und Wasser eingehen, um ein weiteres Sauerstoffatom hinzuzufügen und das Carbonylwasserstoffatom zu entfernen. Dies führt zur Bildung einer Carbonsäure.

Beispielproblem:

Schreiben Sie eine Gleichung für die Oxidation jedes Alkohols. Verwenden Sie [O] über dem Pfeil, um ein Oxidationsmittel anzuzeigen. Wenn keine Reaktion auftritt, schreiben Sie „keine Reaktion“ hinter den Pfeil.

Lösung

Der erste Schritt besteht darin, die Klasse jedes Alkohols als primär, sekundär oder tertiär zu erkennen.

Dieser Alkohol hat die OH-Gruppe an einem Kohlenstoffatom, das nur an gebunden ist einer anderen Kohlenstoffatom, ist also ein primärer Alkohol. Durch Oxidation entsteht zuerst ein Aldehyd und eine weitere Oxidation bildet eine Carbonsäure.

Dieser Alkohol hat die OH-Gruppe an einem Kohlenstoffatom, das an drei andere Kohlenstoffatome gebunden ist, also ist es ein tertiärer Alkohol. Es erfolgt keine Reaktion.

Dieser Alkohol weist die OH-Gruppe an einem Kohlenstoffatom auf, das an zwei weitere Kohlenstoffatome gebunden ist, sodass es bei einer sekundären Alkoholoxidation zu einem Keton kommt.

Mehr Übung:

Schreiben Sie eine Gleichung für die Oxidation jedes Alkohols. Verwenden Sie [O] über dem Pfeil, um ein Oxidationsmittel anzuzeigen. Wenn keine Reaktion auftritt, schreiben Sie „keine Reaktion“ hinter den Pfeil.

Funktionelle Gruppen von Aldehyden und Ketonen

Wie oben im Abschnitt Alkohol gezeigt, können Aldehyde oxidiert werden, um eine Coarboxylsäure zu erzeugen. Dies liegt daran, dass das Carbonylkohlenstoffatom immer noch ein Wasserstoffatom enthält, das entfernt und durch ein Sauerstoffatom ersetzt werden kann. Ketone hingegen enthalten kein an das Carbonylkohlenstoffatom gebundenes Wasserstoffatom. Somit können sie keiner weiteren Oxidation unterzogen werden. Wie oben erwähnt, reagieren Ketone, die einem Oxidationsmittel ausgesetzt sind, nicht.

Reduktionsreaktionen

Durch Reduktionsreaktionen mit Aldehyden und Ketonen werden diese Verbindungen bei Aldehyden zu primären Alkoholen und bei Ketonen zu sekundären Alkoholen. Sie sind im Wesentlichen die Umkehrreaktionen der Alkoholoxidationsreaktionen.

Mit dem Aldehyd Ethanal erhält man beispielsweise primären Alkohol, Ethanol:

Beachten Sie, dass dies eine vereinfachte Gleichung ist, in der [H] “Wasserstoff aus einem Reduktionsmittel” bedeutet. Allgemein gesagt, die Reduktion eines Aldehyds führt zu einem primären Alkohol.

Die Reduktion eines Ketons wie Propanon ergibt einen sekundären Alkohol wie 2-Propanol:

Die Reduktion eines Ketons führt zu einem sekundären Alkohol.

Für Ihre Gesundheit: Die physiologischen Wirkungen von Alkoholen

Methanol ist für den Menschen ziemlich giftig. Die Einnahme von nur 15 ml Methanol kann zur Erblindung führen und 30 ml (1 oz) können zum Tod führen. Die übliche tödliche Dosis beträgt jedoch 100 bis 150 ml. Der Hauptgrund für die Toxizität von Methanol ist, dass wir Leberenzyme haben, die seine Oxidation zu Formaldehyd, dem einfachsten Mitglied der Aldehydfamilie, katalysieren:

Formaldehyd reagiert schnell mit den Bestandteilen der Zellen und koaguliert Proteine ​​in ähnlicher Weise, wie das Kochen ein Ei koaguliert. Diese Eigenschaft von Formaldehyd ist für einen Großteil der Toxizität von Methanol verantwortlich.

Organische und biochemische Gleichungen werden häufig geschrieben, die nur die organischen Reaktanten und Produkte zeigen. Auf diese Weise konzentrieren wir uns auf das organische Ausgangsmaterial und Produkt, anstatt komplizierte Gleichungen auszugleichen.

Ethanol wird in der Leber zu Acetaldehyd oxidiert:

Der Acetaldehyd wird wiederum zu Essigsäure (HC2h3Ö2), ein normaler Bestandteil von Zellen, der dann zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert wird. Es sollte jedoch beachtet werden, dass Acetaldehyd giftig ist und sich bei chronischem, hohem Alkoholkonsum zu gefährlichen Konzentrationen aufbauen kann. Die Leber ist der Hauptort für den Alkoholstoffwechsel, daher kann chronischer Alkoholkonsum zu Leberzirrhose führen, einer gefährlichen Krankheit, die normales Lebergewebe in Narbengewebe umwandelt, das nicht mehr funktionieren kann.

Ethanol selbst kann auch für den Menschen giftig sein. Die schnelle Einnahme von 1 pt (etwa 500 ml) reinem Ethanol würde die meisten Menschen töten, und eine akute Ethanolvergiftung tötet jedes Jahr mehrere hundert Menschen – oft diejenigen, die an einer Art Trinkwettbewerb teilnehmen. Ethanol gelangt ungehindert in das Gehirn, wo es das Atemkontrollzentrum drückt, was zum Versagen der Atemmuskulatur in der Lunge und damit zum Ersticken führt. Es wird angenommen, dass Ethanol auf die Nervenzellmembranen einwirkt und eine Verminderung der Sprache, des Denkens, der Wahrnehmung und des Urteilsvermögens verursacht.

Während starker Alkoholkonsum das Risiko für Lebererkrankungen und für einige Krebsarten erhöht, weisen einige Berichte darauf hin, dass mäßiger Alkoholkonsum (nicht mehr als 1 Getränk/Tag für Frauen jeden Alters und Männer ab 65 Jahren nicht mehr als 2 Getränke für Männer unter 65 Jahren) können einige Vorteile bei der Verringerung des Risikos von Herzerkrankungen und ischämischen Schlaganfällen haben. Für weitere Informationen bietet die Mayo Clinic eine detaillierte Website, die die Risiken und potenziellen Vorteile des Alkoholkonsums aufzeigt.

Reinigungsalkohol ist normalerweise eine 70%ige wässrige Lösung von Isopropylalkohol. Es hat einen hohen Dampfdruck und seine schnelle Verdunstung von der Haut erzeugt einen kühlenden Effekt. Es ist bei Einnahme giftig, wird aber im Vergleich zu Methanol weniger gut über die Haut aufgenommen und kann daher topisch bei Muskelkater angewendet werden.

Insgesamt sind die Prozesse der Oxidation und Reduktion lebenswichtig. Dies liegt daran, dass die Oxidation unserer Nahrungsmoleküle den Zellen in unserem Körper genügend Energie liefert, um die Hauptenergiequelle für den Zellstoffwechsel und andere für das Leben erforderliche energetische Reaktionen, Adenosintriphosphat (ATP) zu recyceln (Abbildung 7.11). Dies ist auch ein wichtiger Baustein für die RNA-Biosynthese. Wenn die Phosphatbindungen zu ADP und Wasser hydrolysiert werden, gibt es eine große Energiefreisetzung. Die Hydrolysefähigkeit der ATP-Phosphoesterbindungen ist der Grund, warum es eine so großartige Energiequelle ist! Die Hydrolyse der letzten Phosphatbindung setzt die meiste Energie frei und ist am häufigsten mit anderen Reaktionen gekoppelt, die Energie benötigen (wie bei den Na+/K+ ATPase Pumpprozessen während der Erzeugung des negativen Ruhepotentials in Neuronen in Kapitel 3 zu sehen ist). Sobald das ATP-Molekül zu Adenosindiphosphat (ADP) abgebaut ist, muss es wieder in das ATP-Molekül zurückgeführt werden. Der durchschnittliche Mensch verwendet normalerweise täglich sein Körpergewicht in ATP (60-75 kg)!! Allerdings beträgt die Menge an ATP/ADP bei einem durchschnittlichen Menschen nur etwa 0,10 mol. Das bedeutet, dass jedes ATP-Molekül täglich 500-750 Mal recycelt werden muss! Dies erfordert einen großen Energieeintrag, der von den Elektronen (e-) und Protonen (H+) stammt, die bei der Oxidation unserer Nahrungsmoleküle gewonnen werden (Abbildung 7.11).

Abbildung 7.11 ATP/ADP-Recycling. ATP ist die wichtigste Energiequelle im Körper. Die Spaltung der hochenergetischen Phosphatbindungen setzt große Energiemengen frei, die für die Neuronenfunktion, Muskelkontraktion und andere Stoffwechselprozesse im Körper verwendet werden. Tatsächlich wird so viel Energie benötigt, um den menschlichen Körper zu betreiben, dass jedes ATP-Molekül durchschnittlich 500-750 Mal pro Tag recycelt werden muss.

Gedankenfrage 1: Wenn sich zu einem beliebigen Zeitpunkt 0,1 mol ATP im Körper befinden, Wie viele ATP-Moleküle sind im menschlichen Körper vorhanden? Wenn jedes dieser Moleküle 750 Mal recycelt wird (an einem besonders aktiven Tag), Wie viele chemische Reaktionen finden nur statt, um diese Energiequelle zu regenerieren?

Gedankenfrage 2: Wenn zu einem Zeitpunkt 0,1 mol ATP im Körper vorhanden sind und die Molmasse von ATP 507.181 g/mol beträgt, Wie groß ist die Masse des im Körper vorhandenen ATP in Gramm?

Der Großteil der ATP-Moleküle wird in den Mitochondrien recycelt. Mitochondrien sind kleine Organellen innerhalb der Zelle, von denen angenommen wird, dass sie als bakterielle Symbionten innerhalb der Zelle entstanden sind (Abbildung 7.12). Mitochondrien haben eine Doppelmembran, wobei die Innenmembran stark gewunden und gefaltet ist und viel Oberfläche für eingebettete Membranproteine ​​bietet. Mitochondrien enthalten auch ihre eigene zirkuläre DNA, die an ihren bakteriellen Ursprung erinnert.

Abbildung 7.12 Grundstruktur einer Mitochondrie. Die Mitochondrien sind allgemein als das Kraftwerk der Zelle bekannt, da dies der primäre Ort ist, an dem ADP zu ATP recycelt wird.

Bei der Nahrungsaufnahme werden die großen Makromoleküle (Proteine, Kohlenhydrate und Lipide) in ihre Monomereinheiten zerlegt. Die Monomereinheiten, wie Glucose aus Stärke oder Fettsäuren aus TAGs, werden an Zellen abgegeben, wo sie als Energiequelle für regeneriertes ATP aus ADP verwendet werden können. Dieser Regenerationsprozess heißt oxidative Phosphorylierung. Der Begriff oxidativ wird verwendet, weil die Nahrungsmoleküle vollständig zu Kohlendioxid (CO2) während des Prozesses Energie freizusetzen. Phosphorylierung ist der Vorgang, einem Molekül eine Phosphatgruppe hinzuzufügen. In diesem Fall wird die Energie, die aus der Oxidation der Nahrungsmoleküle, insbesondere der Elektronen und Protonen, gewonnen wird, verwendet, um ADP wieder zu einem ATP zu phosphorylieren (Abbildung 7.13).

Die meisten Oxidationsreaktionen beim Abbau von Nahrungsmolekülen finden im Inneren der Mitochondrien statt Matrix.Die dabei gewonnenen Elektronen (e-) und Protonen (H+) werden von Trägermolekülen zur Innenmembran der Mitochondrien transportiert (Abb. 7.13). Sobald sie die innere Membran erreichen, werden die Elektronen an eine Reihe von Protonenpumpenproteinen abgegeben. Mit der Energie der Elektronen bewegen die Protonenpumpen H+ gegen ihren Konzentrationsgradienten in die Zwischenmembranraum der Mitochondrien. Die Zwischenmembranraum ist der Bereich zwischen den beiden Membranen der Mitochondrien (der Innenmembran und der Außenmembran).

Wenn der Intermembranraum mit Protonen gefüllt wird, entsteht ein Gradientenpotential. Sie können sich vorstellen, Gradientenpotentialähnlich wie der Mensch die Kraft des Wassers in einem Damm zur Stromerzeugung nutzen wird. Das aufgestaute Wasser enthält potentielle Energie bei Hochwasser im Damm. Wenn der Damm kontrolliert geöffnet wird, damit das Wasser abfließen kann, wird die Kraft des aufgestauten Wassers, das von einem Gebiet mit hoher Konzentration in ein Gebiet mit niedriger Konzentration bewegt wird, genutzt, um Turbinen zu drehen, die Strom erzeugen können. Auch in den Mitochondrien haben die Protonen, die im Zwischenmembranraum konzentriert sind, potentielle Energie. Die Energie aus diesem Protonengradienten wird verwendet, um ATP durch ein Protonenkanalprotein namens zu produzieren ATP-Synthase. Wenn die ATP-Synthase an ADP und ein Phosphation (PO4 3- ), öffnet sich der Kanal, so dass sich der Fluss von H+-Ionen durch den Kanal bewegen kann. Die Bewegung der H+-Ionen durch das Protein bewirkt, dass sich das Protein wie ein Zahnrad oder eine Turbine dreht. Dieser Drehprozess ermöglicht ADP und PO4 3- miteinander verbunden werden, um ATP zu bilden.

Die Elektronen, die verwendet wurden, um den Protonengradienten zu erzeugen, reduzieren schließlich den molekularen Sauerstoff (O2) in Wasser (H2Ö). Der für diesen Prozess zugeführte Sauerstoff ist der Sauerstoff, den wir über unsere Lunge einatmen. Daher wird der oxidative Phosphorylierungsprozess auch als Zellatmung. Aus diesem Grund ist das Atmen entscheidend für unser Überleben. Ohne eine stetige Zufuhr von Sauerstoff, um die Elektronen aufzunehmen, die sich durch die Elektronentransportkette der Protonenpumpen bewegen, würden die Elektronen zurückweichen und wie ein Stau in den Protonenpumpen stecken bleiben und die weitere Bewegung der Protonen in den Zwischenmembranraum blockieren. Ohne den Protonengradienten wäre die Produktion von ATP nicht mehr möglich. Das erste Organ, dem bei Sauerstoffmangel das ATP ausgeht, ist das Gehirn. Wenn Sie den Durchgang von sauerstofftransportierendem Blut zum Gehirn blockieren, wird eine Person in nur 5 – 10 Sekunden ohnmächtig!

Eine Zusammenfassung des oxidativen Phosphorylierungsprozesses ist in Abbildung 7.13 dargestellt.

Abbildung 7.13 Oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien. (1) Elektronen aus Nahrungsmolekülen werden zu Proteinpumpen in der Innenmembran der Mitochondrien transportiert. (2) Mithilfe der Energie der Elektronen bewegen die Proteinpumpen Protonen (H+) in den Zwischenmembranraum, wo die Protonen konzentriert werden. (Beachten Sie, dass die Protonen während des Oxidationsprozesses auch aus den Nahrungsmolekülen stammen – Wasserstoff und Elektronen bewegen sich während der Oxidation oft zusammen!). (3) Die Elektronen werden durch alle Pumpen geleitet, bis der größte Teil der darin enthaltenen Energie verbraucht ist. Dann werden sie in Kombination mit Protonen verwendet, um Sauerstoff (O2) in Wasser (H2Ö). (4) Der H+-Gradient trägt wie aufgestautes Wasser Energiepotential. Fließt es durch das ATP-Synthase-Protein, dreht sich das Protein wie ein Zahnrad und ist in der Lage, ATP zu regenerieren.

Diese Figur wurde adaptiert von: Geraldine Adele Lewis

7.4 Reaktionsspontaneität

In den vorherigen Abschnitten haben Sie eine wichtige Erkenntnis über chemische Reaktionen kennengelernt: Bei allen Arten chemischer Reaktionen werden Bindungen aufgebrochen und zu neuen Produkten wieder zusammengesetzt. Sie haben auch gelernt, dass Energie in chemischen Bindungen gespeichert wird. Dies ist die Anziehungsenergie zwischen den an der chemischen Bindung beteiligten Atomen und wird als bezeichnet Bindungsenergie. Das Aufbrechen einer chemischen Bindung erfordert also Energie (dh die Anziehung der Atome muss überwunden werden, um sie auseinander zu ziehen). In ähnlicher Weise wird bei der Bildung neuer Bindungen Energie freigesetzt, da die Bildung der Bindung eine stabilere Situation für jedes der an den Bindungen beteiligten Atome schafft. Gesamt,

Bindungen brechen = Benötigt Energie

Bindungen bilden = Energie freisetzen

Bemerkenswert ist auch, dass nicht alle chemischen Bindungen gleich aufgebaut sind. Wir haben in früheren Kapiteln gelernt, dass einige Atome dazu neigen, Ionenbindungen zu bilden, wo sie Elektronen zwischen den an der Bindung beteiligten Atomen vollständig abgeben oder aufnehmen. Andere bilden kovalente Bindungen, bei denen sie Elektronen zwischen den Atomen teilen, und manchmal ist diese Teilung ungleich, wodurch eine polare kovalente Bindung entsteht. Somit ist für jede Art von chemischer Bindung die Bindungsenergie wird anders sein. Jedes Molekül hat seine eigenen charakteristischen Bindungsenergien. Andere Faktoren, die die für Reaktionen erforderliche Gesamtenergie beeinflussen, sind der physikalische Zustand der Reaktionspartner und Produkte (dh fest, flüssig oder gasförmig), die Temperatur der Reaktion und die Menge der vorhandenen Reaktionspartner und Produkte. Wenn also beurteilt wird, ob eine Reaktion abläuft oder nicht spontan, muss bestimmt werden, auf welcher Seite der Gleichung Energie benötigt oder abgegeben wird. Benötigt die Reaktion mehr Energie, um die Bindungen auf der Reaktantenseite zu brechen, als auf der Produktseite gebildet wird, spricht man von endergonisch und wird einen Energieeintrag benötigen. Diese Art von Reaktion wird nicht spontan sein. Wenn die Reaktion, die durch die Bildung neuer Bindungen auf der Produktseite erzeugt wird, mehr ist als die Energie, die zum Aufbrechen der chemischen Bindungen auf der Reaktantenseite der Gleichung erforderlich ist, wird die Reaktion wird Energie freisetzenund soll sein exergonisch. Exergonische Reaktionen werden spontan auftreten. Die Reaktionsspontaneität kann für eine chemische Reaktion unter Verwendung eines Gibbs-Diagramms der freien Energie grafisch bewertet werden (Abbildung 7.14). Durch Messen Änderungen der freien Gibbs-Energie (ΔG) Zwischen den Produkten und den Reaktionspartnern einer Reaktion lässt sich die Menge an freier Energie bestimmen, die zur Verrichtung von Nutzarbeit zur Verfügung steht. Wenn die G negativ ist die Reaktion ist spontan, und wenn die G positiv ist die Reaktion ist nicht spontan. Wenn G = 0 die Reaktion befindet sich im Gleichgewichtszustand, Dies bedeutet, dass die Hinreaktion mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Rückreaktion abläuft und es keinen Nettogewinn oder -verlust an Reaktanten und Produkten gibt.

Beachten Sie, dass die Reaktionsspontaneität nicht von der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Enzyms abhängt (d. h. von der Anwesenheit eines Enzyms kann nicht eine nicht spontane Reaktion in eine spontane Reaktion umwandeln.)

Abbildung 7.14 Diagramme der freien Gibbs-Energie. Wenn Reaktionen spontan sind und Energie freisetzen (exergonisch), ist ΔG negativ (linke Grafik), während wenn Reaktionen nicht spontan sind und der Reaktion Energie hinzugefügt werden muss (endergonisch), ist ΔG positiv (rechte Grafik).

7.5 Enzymvermittelte Reaktionen

Die wichtigste Eigenschaft von Enzymen ist die Fähigkeit, die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen in lebenden Organismen zu erhöhen, eine Eigenschaft, die als . bekannt ist katalytische Aktivität. Enzyme beschleunigen die Reaktionsgeschwindigkeit, weil sie die Energie verringern, die erforderlich ist, um in den Übergangszustand der Reaktion zu gelangen. Der Übergangszustand der Reaktion ist eine instabile Zwischenstruktur, die während des Reaktionsprozesses gebildet wird. In Abbildung 7.9, die den Reaktionsmechanismus einer Esterbildung zeigt, repräsentiert beispielsweise Schritt 3, der 5 Bindungen zum zentralen Kohlenstoffatom enthält, den instabilen Übergangszustand dieser Reaktion. Der Übergangszustand hat die höchste Energie der Reaktion und ist im Gibbs-Diagramm der freien Energie als der Gipfel des ‘Hill’ angegeben, der zwischen den Reaktanten- und Produktenergien auftritt (Abbildung 7.15). Bei Anwesenheit von Enzymen oder Katalysatoren wird die Übergangszustandsenergie gesenkt, was wiederum einen exponentiellen Effekt auf die Reaktionsgeschwindigkeit hat (Abbildung 7.15). Somit können Enzyme die Reaktionsgeschwindigkeit um viele Größenordnungen erhöhen.

Abbildung 7.15 Diagramm der freien Gibbs-Energie einer enzymvermittelten Reaktion. Die Reaktionsenergie einer unkatalysierten Reaktion ist rot dargestellt. Beachten Sie, dass der Übergangszustand der Reaktion der instabilste Teil der Reaktion ist und somit die Position im Graphen mit der höchsten freien Energie ist. Der Energieunterschied zwischen dem Übergangszustand und den Reaktanten wird die Gibbssche freie Aktivierungsenergie genannt, allgemein als Aktivierungsenergie bekannt ( G ‡ ) . In Anwesenheit eines Enzyms (blaue Linie) Die Aktivierungsenergie wird erniedrigt, was zu einer exponentiellen Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit führt. Beachten Sie, dass die Anwesenheit des Enzyms die Gibbs-Freie Energie der Reaktanten oder der Produkte nicht verändert. Somit ist die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Enzyms NICHT bestimmen die Spontaneität einer Reaktion.

Da die meisten Enzyme Proteine ​​sind, wird ihre Aktivität von Faktoren beeinflusst, die die Proteinstruktur stören, sowie von Faktoren, die Katalysatoren im Allgemeinen beeinflussen. Faktoren, die die Proteinstruktur zerstören oder denaturieren, umfassen Temperatur- und pH-Faktoren, die Katalysatoren im Allgemeinen beeinflussen, umfassen die Reaktanten-(Substrat-)Konzentration und die Enzymkonzentration. Die Aktivität eines Enzyms kann gemessen werden, indem entweder die Geschwindigkeit, mit der ein Substrat verschwindet, oder die Geschwindigkeit, mit der sich ein Produkt bildet, überwacht wird.

Konzentration des Substrats

In Gegenwart einer bestimmten Enzymmenge nimmt die Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion mit steigender Substratkonzentration zu, bis eine Grenzgeschwindigkeit erreicht wird, wonach eine weitere Erhöhung der Substratkonzentration keine signifikante Änderung der Reaktionsgeschwindigkeit bewirkt (Teil (a) von Abbildung 7.16. Zu diesem Zeitpunkt ist so viel Substrat vorhanden, dass im Wesentlichen an alle aktiven Zentren des Enzyms Substrat gebunden ist. Mit anderen Worten, die Enzymmoleküle sind mit Substrat gesättigt. Die überschüssigen Substratmoleküle können erst reagieren, wenn das Substrat bereits gebunden ist auf die Enzyme reagiert und freigesetzt wurde (oder ohne Reaktion freigesetzt wurde).

Abbildung 7.16 Konzentration versus Reaktionsgeschwindigkeit (a) Dieses Diagramm zeigt die Wirkung der Substratkonzentration auf die Geschwindigkeit einer Reaktion, die durch eine feste Enzymmenge katalysiert wird. (b) Dieses Diagramm zeigt die Wirkung der Enzymkonzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit in biologischen Systemen bei konstantem Substratgehalt. Beachten Sie, dass in biologischen Systemen die Enzymkonzentration viel kleiner ist als die vorhandene Substratmenge. Somit erreichen Enzymkonzentrationserhöhungen in biologischen Systemen niemals den Sättigungspunkt.

Betrachten wir eine Analogie. Zehn Taxis (Enzymmoleküle) warten an einem Taxistand, um Menschen (Substrat) auf eine 10-minütige Fahrt zu einem Konzertsaal zu bringen, einen Passagier nach dem anderen. Wenn nur 5 Personen am Stand anwesend sind, beträgt die Ankunftsrate im Konzertsaal 5 Personen in 10 Minuten. Wird die Anzahl der Personen am Stand auf 10 erhöht, erhöht sich die Rate auf 10 Ankünfte in 10 Minuten. Bei 20 Personen am Stand wären es immer noch 10 Ankünfte in 10 Minuten. Die Taxis sind „gesättigt“. Wenn die Taxis jeweils 2 oder 3 Fahrgäste befördern könnten, würde das gleiche Prinzip gelten. Die Rate wäre einfach höher (20 oder 30 Personen in 10 Minuten), bevor sie sich einpendelt.

Konzentration des Enzyms

Wenn die Konzentration des Enzyms signifikant niedriger ist als die Konzentration des Substrats (wie es in biologischen Systemen vorkommt), hängt die Geschwindigkeit einer enzymkatalysierten Reaktion direkt von der Enzymkonzentration ab [Teil (b) von Abbildung 7.16]. Dies gilt für jeden Katalysator, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Konzentration des Katalysators zunimmt.

Temperatur

Als Faustregel für die meisten chemischen Reaktionen gilt, dass ein Temperaturanstieg von 10 °C die Reaktionsgeschwindigkeit ungefähr verdoppelt. Bis zu einem gewissen Grad gilt diese Regel für alle enzymatischen Reaktionen. Ab einem bestimmten Punkt führt jedoch eine Temperaturerhöhung zu einer Abnahme der Reaktionsgeschwindigkeit aufgrund von Denaturierung der Proteinstruktur und Zerstörung des aktiven Zentrums [Teil (a) von Abbildung 7.17]. Bei vielen menschlichen Proteinen erfolgt die Denaturierung zwischen 45 °C und 55 °C. Beachten Sie, dass der menschliche Körper eine konstante Temperatur von 37 °C aufrechterhält. Daher haben sich die meisten Proteine ​​​​entwickelt, um bei dieser Temperatur maximale Aktivität zu haben. Bei hohen Temperaturen werden die Enzyme schmelzen und denaturieren, was zu einem Funktionsverlust führt, während sich das Protein bei niedrigeren Temperaturen kinetisch nicht so schnell bewegen kann, um die Reaktion zu vermitteln. Andere Arten, wie die in Tiefsee-Thermalquellen gefundenen, werden Enzyme haben, die auf diese Umgebungen spezialisiert sind und unterschiedliche optimale Temperaturbereiche haben.

Abbildung 7.17 Temperatur und pH in Abhängigkeit von der Reaktionsgeschwindigkeit (a) Dieses Diagramm zeigt den Einfluss der Temperatur auf die Geschwindigkeit einer Reaktion, die durch eine feste Enzymmenge katalysiert wird. (b) Dieses Diagramm zeigt die Wirkung des pH-Werts auf die Geschwindigkeit einer Reaktion, die durch eine feste Enzymmenge katalysiert wird.

Bei 0 °C und 100 °C ist die Geschwindigkeit der enzymkatalysierten Reaktionen nahezu null. Diese Tatsache hat mehrere praktische Anwendungen. Wir sterilisieren Gegenstände, indem wir sie in kochendes Wasser legen, wodurch die Enzyme aller Bakterien, die sich darin oder auf ihnen befinden, denaturiert werden. Wir konservieren unsere Lebensmittel, indem wir sie kühlen oder einfrieren, was die Enzymaktivität verlangsamt. Wenn Tiere im Winter in den Winterschlaf gehen, sinkt ihre Körpertemperatur, wodurch die Geschwindigkeit ihrer Stoffwechselprozesse auf ein Niveau sinkt, das durch die in den Fettreserven im Gewebe der Tiere gespeicherte Energiemenge aufrechterhalten werden kann.

Wasserstoffionenkonzentration (pH)

Da die meisten Enzyme Proteine ​​sind, reagieren sie empfindlich auf Änderungen der Wasserstoffionen (H+)-Konzentration oder des pH-Werts. Enzyme können durch extreme Mengen an Wasserstoffionen (ob hoch oder niedrig) denaturiert werden irgendein Auch eine kleine pH-Änderung verändert den Ionisierungsgrad der sauren und basischen Seitengruppen eines Enzyms sowie der Substratkomponenten. Ionisierbare Seitengruppen, die sich im aktiven Zentrum befinden, müssen eine bestimmte Ladung aufweisen, damit das Enzym sein Substrat binden kann. Die Neutralisation auch nur einer dieser Ladungen verändert die katalytische Aktivität eines Enzyms.

Ein Enzym zeigt maximale Aktivität über den engen pH-Bereich, in dem ein Molekül in seiner richtig geladenen Form vorliegt. Der Medianwert dieses pH-Bereichs wird als optimaler pH-Wert des Enzyms bezeichnet [Teil (b) von Abbildung 7. 17]. Mit Ausnahme des Magensaftes (der im Magen ausgeschiedenen Flüssigkeit) haben die meisten Körperflüssigkeiten pH-Werte zwischen 6 und 8. Es überrascht nicht, dass die meisten Enzyme in diesem pH-Bereich eine optimale Aktivität aufweisen. Einige Enzyme haben jedoch optimale pH-Werte außerhalb dieses Bereichs. Der optimale pH-Wert für Pepsin, ein im Magen aktives Enzym, liegt beispielsweise bei 2,0.

7.6 Einführung in die Pharmakologie

Pharmakologie ist der Zweig der Medizin, der sich mit den Verwendungen, Modi und Wirkmechanismen von Wirkstoffmolekülen beschäftigt. Der Begriff Wirkmechanismus (MOA) bezeichnet die spezifische biochemische Wechselwirkung, durch die ein Arzneimittel seine pharmakologische Wirkung entfaltet. Ein Wirkmechanismus umfasst normalerweise die Erwähnung der spezifischen molekularen Ziele, an die das Arzneimittel bindet, wie beispielsweise ein Enzym oder ein Rezeptor. Rezeptorstellen haben aufgrund der chemischen Struktur des Arzneimittels sowie der dort ablaufenden spezifischen Wirkung spezifische Affinitäten zu Arzneimitteln. Medikamente, die nicht an Rezeptoren binden, erzeugen ihre entsprechende therapeutische Wirkung, indem sie einfach mit chemischen oder physikalischen Eigenschaften im Körper interagieren. Übliche Beispiele für Medikamente, die auf diese Weise wirken, sind Antazida und Abführmittel. Im Vergleich, eine Wirkungsweise (MoA)beschreibt funktionelle oder anatomische Veränderungen auf zellulärer Ebene, die sich aus der Exposition eines lebenden Organismus gegenüber einer Substanz ergeben.

Dieser Abschnitt konzentriert sich hauptsächlich auf gängige Arzneimittel-MOAs. Medikamente können auf molekulare Ziele aus jeder der wichtigsten Makromolekülgruppen oder aus Mischungen der verschiedenen Gruppen einwirken. DNA und RNA bilden oft Komplexe mit Proteinen und viele zelluläre Rezeptoren sind mit Kohlenhydratstrukturen modifiziert, die sowohl Glykoproteine ​​als auch Glykolipide bilden. Medikamente können durch die Bindung von molekularen Zielen Wirkungen haben sind sehr spezifische Orte in der Zelle, wie in Abbildung 7.18 dargestellt

Abbildung 7.18 Zelluläre Wirkstoff-Targets. Wirkstoffmoleküle können viele verschiedene Arten von zellulären Zielen binden, um ihre Wirkung zu vermitteln. Mehrere sind in der obigen Abbildung angegeben.

Antagonisten

Antagonisten können basierend auf ihrem Hemmmechanismus weiter in Unterkategorien unterteilt werden. Diese beinhalten kompetitive, nicht kompetitive und irreversible Inhibitoren(Abbildung 7.19) Wettbewerbshemmerbindet reversibel an dieselbe Bindungsstelle wie der normale Ligand/das normale Substrat. Sie bewegen sich in das aktive Zentrum hinein und aus ihm heraus, konkurrieren mit der Bindung des normalen Substrats und verringern dadurch die Gesamtaktivität des Rezeptors/Enzyms. Da kompetitive Inhibitoren die Form des Wirkstoff-Targets nicht verändern und das aktive Zentrum des Wirkstoff-Targets nicht dauerhaft blockieren, kann die von ihnen verursachte Hemmung durch Zugabe von zusätzlichem Substrat überwunden werden.

EIN nicht kompetitiver Inhibitor bindet reversibel an ein Wirkstoffziel an einer vom aktiven Zentrum entfernten Stelle und verursacht eine Konformationsänderung, die die Bindung oder Aktivierung des Ziels durch das normale Substrat verhindert. Da nicht-kompetitive Inhibitoren Konformationsänderungen des Wirkstoff-Targets verursachen, kann die von ihnen verursachte Hemmung nicht durch Zugabe von mehr des normalen Substrats überwunden werden. Das Wirkstoffziel wird jedoch nicht dauerhaft verändert. Sobald der Inhibitor metabolisiert ist, wird das Wirkstoffziel seine richtige Form wiedererlangen und seine Aktivität beibehalten. Diese Art der Bindungs- und Konformationsänderung ist bekannt als allosterische Bindung. Ein allosterische Bindungsstelle ist eine beliebige Bindungsstelle, die von der aktiven Stelle des Wirkstoffziels entfernt ist.

Schließlich, irreversible Inhibitorenwird kovalent an das Wirkstoffziel binden und entweder das aktive Zentrum direkt oder die Konformationsform des Wirkstoffziels dauerhaft verändern, so dass es nicht mehr funktionsfähig ist.

Abbildung 7.19 Mechanismen der Wirkstoff-Target-Hemmung. Bei der kompetitiven Hemmung bindet der Antagonist an das aktive Zentrum des Wirkstoffziels und hemmt reversibel die Bindung des normalen Substrats. Bei der nicht-kompetitiven Hemmung bindet der Antagonist an einer allosterischen Stelle des Wirkstoff-Targets, wo er eine Konformationsänderung in der Form des Wirkstoff-Targets verursacht und verhindert, dass das normale Substrat entweder an das Wirkstoff-Target bindet (wie oben gezeigt) oder die Wirksamkeit beeinflusst des normalen Substrats durch Verringern der Wirkstoffzielaktivierung durch das normale Substrat. Nichtkompetitive Inhibitoren binden reversibel an das Wirkstoffziel und verändern das Wirkstoffziel nicht dauerhaft. Irreversible Inhibitoren binden kovalent an das Wirkstoffziel und verändern dessen Aktivität dauerhaft.

Diese Figur wurde von BioNinja . adaptiert

7.7 Kapitelzusammenfassung

Stoffwechsel ist die Menge lebenserhaltender chemischer Reaktionen in Organismen. Metabolische Reaktionen können kategorisiert werden als katabolisch - das zusammenbrechen von Verbindungen oder anabol - das aufbauen (Synthese) von Verbindungen. Die meisten Stoffwechselreaktionen im Körper erfordern die Aktivität eines Enzymkatalysator. Die Enzymform ist entscheidend für die Funktion. Enyzme binden ihre Substrate über die Schloss- und Schlüsselmodelloder der Modell mit induzierter Passform.

Zu den häufigsten Arten von enzymatischen Reaktionen, die im Körper auftreten, gehören: Gruppentransferreaktionendie vermittelt werden durch Transferase-Enzyme,Die Bildung oder Entfernung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungenvon Lyase Enzyme,Isomerisierungsreaktionenvermittelt durch Isomerase-Enzyme,Ligationsreaktionendie zwei Substrate miteinander verbinden und vermittelt werden durch Ligase-Enzyme,Hydrolysereaktionendie das Einbringen oder Entfernen von Wasser aus den Substraten beinhalten und vermittelt werden durch a Hydrolase-Enzym, und Oxidations- und Reduktionsreaktionendie die Bewegung von Elektronen von einer Verbindung zur anderen beinhalten Oxidoreduktasen.

Die Dehydratationssynthese (vermittelt durch Hydrolase-Enzyme) wird verwendet, um alle wichtigen Makromoleküle im Körper herzustellen. Lipidewerden durch die Kombination von Glycerin und Fettsäuren zusammen mit Esterbindungen(Carbonsäure + Alkohol= Ester).Kohlenhydrateentstehen durch die Kombination von Zuckermonomeren mit glykosidisch Fesseln(Hemiacetal + Alkohol= Acetal).Proteine entstehen durch die Kombination von Aminosäuren in Peptidbindungen(Carbonsäure + Amin =Amid).Nukleinsäuren (DNA/RNA)entstehen durch die Verknüpfung von Nukleotiden in Phosphodiesterbindungen(Phosphorsäure + Alkoholein Phosphorester).

Organische Oxidations- und Reduktionsreaktionen beinhalten gewöhnlich sauerstoffhaltige Verbindungen. Was die Oxidation betrifft, Primäre Alkoholekann oxidiert werden Aldehydedie weiter oxidiert werden können Carbonsäuren.Sekundäre Alkoholekann oxidiert werden zu Ketone.Tertiäre Alkohole und KetoneKANN NICHT oxidiert werden. Was die Reduzierung angeht, Aldehydekann reduziert werden auf Primäre Alkohole.Ketonekann reduziert werden auf Sekundäre Alkohole.

ATP ist die wichtigste Energiewährung innerhalb der Zelle. Es kommt im menschlichen Körper in sehr geringen Konzentrationen vor (

250 g) Der durchschnittliche Mensch verbraucht jedoch jeden Tag sein Gewicht (50 – 75 kg) an ATP! Daher muss ATP im menschlichen Körper ständig im Wechsel zwischen ADP und ATP recycelt werden. ATP wird in den Mitochondrien in einem Prozess namens . recycelt oxidative Phosphorylierung. Dabei wird den Nahrungsmolekülen durch Oxidation Energie entzogen. Die Elektronen, die aus den Nahrungsmolekülen gezogen werden, können als Energiequelle verwendet werden, um ATP durch Phosphorylierung von ADP herzustellen. Konkret werden die Elektronen aus der Nahrung in der Elektronentransportkette verwendet, um a Proton (H+) Steigungim Intermembranraum der Mitochondrien. Der Protonengradient fließt wie ein Fluss durch den ATP-Synthase-Proteinkanal und treibt die Produktion von ATP an.

Chemische Bindungen zwischen Atomen speichern Energie, bekannt als Bindungsenergie. Jedes Molekül hat seine eigene charakteristische Bindungsenergie. Daher muss beim Aufbrechen einer chemischen Bindung Energie zugeführt werden, um die Bindungsenergie zwischen den beiden Atomen zu überwinden. Wenn sich neue Bindungen bilden, setzen sie Energie frei.

Damit eine chemische Reaktion spontan, die Reaktion muss sein exergonischoder Energie als Produkt der Reaktion freisetzen. Wenn eine Reaktion Energiezufuhr erfordert, heißt sie endergonisch und wird NICHT spontan auftreten. Spontaneität kann mit dem gemessen werden Änderung der freien Gibbs-Energie (ΔG). Dies kann auch grafisch dargestellt werden. WennG ist negativ, Energie wird freigesetzt und die Reaktion ist spontan, wohingegen wennG ist positiv, die Reaktion erfordert einen Energieeintrag und ist NICHT spontan. WennG = 0, die Reaktion befindet sich im Gleichgewichtund es gibt keine Nettobewegung in beide Richtungen.

Viele Faktoren beeinflussen die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion, die durch einen Enzymkatalysator vermittelt wird. Diese beinhalten:

  • Die Substratkonzentration – eine Erhöhung des Substrats erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit, bis das gesamte Enzym mit Substrat gesättigt ist.
  • Eine Erhöhung der Enzymkonzentration erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit
  • Eine Änderung der Temperatur oder des pH-Wertes ändert die Reaktionsgeschwindigkeiten einer enzymkatalysierten Reaktion. Die Faltung und Bewegung des Enzyms wird durch diese beiden Parameter bewirkt. Somit haben Enzyme optimale pH- und Temperaturbereiche.

Pharmakologie untersucht die Wirkungsweisen und Wirkmechanismen von Wirkstoffmolekülen. Wirkstoffmoleküle können über verschiedene Mechanismen innerhalb der Zelle wirken, die als ihre . bekannt sind Wirkmechanismus (MOA). Medikamente können ihre Wirkung vermitteln, indem sie als Agonisten (die die normalen Reaktionsmechanismen des Körpers nachahmen) oder Antagonisten (die normale Reaktionsmechanismen des Körpers hemmen). Arzneimittel Affinität bezieht sich darauf, wie gut ein Medikament sein Zielmolekül bindet, während Wirksamkeit ist ein Maß dafür, wie gut das Medikament sein Ziel aktiviert.

Antagonistenhemmen Reaktionen mit drei Hauptmechanismen.

  • Wettbewerbshemmung
  • Nicht-kompetitive Hemmung
  • Irreversible Hemmung

In Wettbewerbshemmung,der Inhibitor bindet reversibel an das aktive Zentrum des Enzyms und kann durch Zugabe von mehr Substrat überwunden werden. Nichtkompetitive Inhibitoren,auf der anderen Seite binden an ein allosterische Seitedes Enzyms, weg vom aktiven Zentrum. Daher können sie nicht durch Hinzufügen von mehr Substrat überwunden werden. Beide Mechanismen sind reversible hemmende Prozesse. Irreversible Inhibitorenkovalent an das Enzym binden und Form und Funktion dauerhaft verändern.


Abstrakt

Es wird darauf hingewiesen und an Beispielen illustriert, dass es bei der biochemischen Analyse der Organfunktion nützlich ist, diejenigen Teilprozesse, die eine Energiezufuhr (ATP) erfordern, von solchen zu trennen, die aufgrund der Tendenz zur Gleichgewichtseinstellung spontan auftreten.

Die stöchiometrische Bildung von Aspartat und Carbamoylphosphat bei der Harnstoffsynthese ist darauf zurückzuführen, dass die Konzentration von Aspartat durch das Gleichgewicht im Aspartat-Aminotransferase-System bestimmt wird. Dadurch wird die hepatische Aspartatkonzentration auf etwa 0,7 mm festgelegt. Jeglicher Stickstoffüberschuss wird für die Carbamoylphosphat-Synthesereaktion verfügbar, und jegliches durch Wechselwirkung mit Citrullin entferntes Aspartat wird automatisch ersetzt. Die in beide Richtungen wirkende Glutamat-Dehydrogenase-Reaktion – als Gleichgewichtssystem – spielt eine Rolle bei der Vermittlung der Stöchiometrie von Carbamoylphosphat und Aspartat.

Die Funktion von Alanin als Stickstoffträger von peripheren Geweben zur Leber kann durch die Tendenz der Alanin-Aminotransferase in peripheren Geweben erklärt werden, sich in Richtung Gleichgewicht zu bewegen. Jegliches gebildetes Glutamat, insbesondere durch Transaminierung von verzweigtkettigen Aminosäuren, wird bei den gegebenen Gewebekonzentrationen von Pyruvat und α-Oxoglutarat zu Alanin gebunden. Da Alanin im Gegensatz zu Glutamat die Zellmembranen leicht passiert, wird es in den Kreislauf abgegeben. Die Rolle von Glutamin als zweiter Stickstoffträger wird diskutiert.

Bei der Ammoniakausscheidung durch die azidotische Niere ist der Hauptenergiebedarfsprozess die Ausscheidung von H + -Ionen. Die Übertragung von Ammoniak und die Freisetzung von Ammoniak aus Glutamin und Glutamat können anhand von Gleichgewichtsbeziehungen verstanden werden. Der Hauptpunkt ist die Tatsache, dass das Glutamat-Dehydrogenase-System in der Nierenrinde nahezu im Gleichgewicht ist. Der Entzug von Ammoniak und ein Absinken der α-Oxoglutarat-Konzentration (nach Alleyne auf eine erhöhte Aktivität der Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase) führt daher zu einer Dehydrierung von Glutamat. Glutamat ist ein Glutaminasehemmer und der Abfall der Glutamatkonzentration hebt die Hemmung auf.

Die Bildung von Laktat aus Alanin in der perfundierten Rattenleber oder isolierten Hepatozyten ist das Ergebnis von Gleichgewichtsbeziehungen im Laktat-Dehydrogenase- und Alanin-Aminotransferase-System.

Entscheidend für das Auftreten von Gleichgewichtsreaktionen sind die metabolischen Konzentrationen innerhalb der Zelle oder des Zellkompartiments. Die Frage, wie die Konzentrationen von Gewebemetaboliten reguliert werden können, wird diskutiert.


Hintergrund

Der Metabolismus stellt eine komplizierte Reihe von enzymkatalysierten Reaktionen dar, die Verbindungen innerhalb von Zellen synthetisieren und abbauen. Es ist wahrscheinlich, dass in frühen Stadien der metabolischen Evolution eine kleine Anzahl von Enzymen mit breiter Spezifität existierte. Gene, die diese Enzyme codieren, wurden wahrscheinlich dupliziert, wodurch paraloge Enzyme erzeugt wurden, die durch Sequenzdivergenz spezialisierter wurden, was beispielsweise zu den Isomerasen HisA (EC:5.3.1.16) und TrpC (EC:5.3.1.24) führte, die wirken in der Histidin- bzw. Tryptophan-Biosynthese [1–4]. Darüber hinaus kann die Genduplikation Innovationen fördern und Enzyme erzeugen, die funktionell unterschiedliche Reaktionen katalysieren, wie HisA, HisF (EC:2.4.2.-) und TrpA (EC:4.2.1.10). Die klassische Auffassung des Stoffwechsels ist, dass relativ isolierte Sätze von Reaktionen oder Reaktionswegen für die Synthese und den Abbau von Verbindungen ausreichen. Die neue Perspektive betrachtet metabolische Komponenten (Substrate, Produkte, Cofaktoren und Enzyme) als Knoten, die Verzweigungen innerhalb eines einzigen Netzwerks bilden [5, 6].

In den letzten Jahren ist eine zunehmende Menge an Informationen über metabolische Netzwerke verschiedener Spezies verfügbar geworden [7-10], die vergleichende Studien auf genomischer Ebene zur Evolution sowohl spezifischer Stoffwechselwege [11, 12] als auch ganzer metabolischer Netzwerke [ 13–16]. Zusammengenommen heben diese Studien den Beitrag der Genduplikation in der Evolution des Stoffwechsels hervor. Nichtsdestotrotz wurde vorgeschlagen, dass analoge Enzyme – solche, die dieselbe Reaktion katalysieren, sogar zu verschiedenen evolutionären Familien gehören – auch bei diesem Prozess eine wichtige Rolle spielen [17]. Dies führt beispielsweise zu drei verschiedenen Typen von Acetolactatsynthasen (EC:2.2.1.6), die bei der Biosynthese von L-Valin und L-Leucin in Escherichia coli. Darüber hinaus hat die moderne Perspektive metabolischer Prozesse gezeigt, dass evolutionäre Studien nicht nur phylogenetische Beziehungen zwischen Enzymen, sondern auch den Einfluss einiger topologischer Eigenschaften metabolischer Netzwerke berücksichtigen müssen [5, 6, 18–20]. Eine dieser Eigenschaften ist die Fähigkeit des Stoffwechsels, Ausfälle – zum Beispiel Mutationen, die unausgeglichene Flüsse fördern – durch alternative Netzwerkzweige und Enzyme zu umgehen. Hier führen wir den Begriff „alternolog“ ein, um sich auf diese alternativen Zweige und Enzyme zu beziehen, die über verschiedene Metaboliten in einem gemeinsamen Produkt zusammenlaufen. Einige Autoren haben vorgeschlagen, dass alternative Verzweigungen zur genetischen Pufferung in Eukaryoten in einem der Genduplikation ähnlichen Ausmaß beitragen können [18], aber die Rolle dieser Alternologen bei der Evolution des Stoffwechsels in anderen phylogenetischen Gruppen muss noch geklärt werden. Aus evolutionärer Sicht kann man davon ausgehen, dass das universelle Vorkommen einiger Bahnen und Verzweigungen bei modernen Arten darauf hindeutet, dass sie beim letzten gemeinsamen Vorfahren (LCA) existierten. Die Evolution dieser Stoffwechselwege und das Aufkommen von Paralogen, Analoga und Alternologen spiegeln eine erhöhte metabolische Diversität als Folge der zunehmenden Genomgröße, der Proteinstrukturkomplexität und des Selektionsdrucks in sich ändernden Umgebungen wider. In der Evolution der Aminosäurebiosynthese wurde beispielsweise vorgeschlagen, dass sich alternative Wege zur Synthese von L-Lysin entweder über L,L-Diaminopimelat oder alpha-Aminoadipat unabhängig voneinander in verschiedenen Kladen entwickelt haben [21–23]. Die Evolution dieser Stoffwechselwege ist eng mit der Biosynthese von L-Arginin und L-Leucin [22–24] und sogar mit dem Krebs-Zyklus [24] verbunden, aber der Ursprung all dieser Stoffwechselwege wird noch diskutiert. Diverse Studien [6, 25, 26] haben vorgeschlagen, dass Aminosäuren zu den frühesten Stoffwechselverbindungen gehören könnten. Aus diesen Studien haben sich jedoch zwei Hauptfragen ergeben: Woraus entstanden ihre biosynthetischen Netzwerke und wie haben sie sich entwickelt? Und wie haben Genduplikation (Paraloge), funktionelle Konvergenz (Analoge) und netzwerkstrukturelle Alternativen (Alternologs) zu diesen Prozessen beigetragen? Der Zweck dieser Arbeit besteht darin, diese Fragen aufzugreifen und sowohl eine Netzwerkperspektive als auch einen vergleichenden Genomik-Ansatz zu kombinieren. Zu diesem Zweck gehen wir davon aus, dass die Architektur von Proteinen strukturelle Informationen bewahrt, die verwendet werden können, um ihre relative Entstehung während der Evolution des Stoffwechsels zu identifizieren. Insbesondere identifizierten wir eine Reihe von Enzymen und Verzweigungen, die näher an der Existenz der LCA entstanden sind, und grenzten einen Kern enzymgesteuerter Reaktionen ab, die mutmaßlich die Biosynthese von mindestens 16 der 20 Aminosäuren in frühen Stadien der Evolution katalysierten. Darüber hinaus haben wir die Beiträge biochemischer funktioneller Alternativen zu diesem Kern (Paraloge, Analoga und Alternologe) während der Evolution der Aminosäurebiosynthese in verschiedenen Spezies bestimmt.


Nichtenzymatische Spaltung von Peptidketten an den Cystein- und Serinresten durch deren Umwandlung in Dehydroalanin (DHAL). II. Die spezifische chemische Spaltung von Cysteinylpeptiden

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Abschluss

Flachs UGT74S1 glucosyliert SECO sequentiell zu SMG und SDG, wie bereits berichtet [29] und zum ersten Mal lieferten wir überzeugende Beweise dafür, dass Gln 337 und Ser 357 entscheidend für die Umwandlung von SMG zu SDG durch dieses Enzym sind und dass Trp 355 und His 352 essentiell für die UGT74S1-Glucosylierungsaktivität gegenüber SECO. Da SMG nicht akkumuliert wird in planta, kommerziell nicht erhältlich ist und zwei der in dieser Studie beschriebenen Mutanten nur diesen Metaboliten produzierten, glauben wir, dass jetzt Werkzeuge und Ressourcen verfügbar sind, um SMG in einer Fermentationsumgebung herzustellen.