bio chemistry notes - danish

Almen Biokemi Eksamensforberedelse mandag, 22. februar 2010 3.k

Side 1 af 45

Almen Biokemi - Eksamensforberedelse

Kapitel 1:

1) De forskellige typer af molekylære modeller. Molekylmodeller bliver illustreret med fokus på DNA, og herunder resonansformer. Et eksempel, der bliver brugt, er adenine, der har en aromatisk ring og derfor har to resonansformer.

2) De tre forskellige typer af svage nonkovalente bindinger. Der er tre former for nonkovalente bindinger: elektrostatiske interaktioner, hydrogenbindinger og van der waals interaktioner. Elektrostatiske interaktioner er attraktioner mellem en ladet gruppe på ét molekyle og en modsat ladet gruppe på et andet molekyle (typisk er denne gruppe kun et enkelt atom). Energien afhænger her af adskillige faktorer og kan beregnes vha. Coulumbs lov:

rD

qqkE

⋅

⋅⋅= 21

molkcal

molkJk 3321389 == qx er ladningen af gruppen x

D er dielektrisk konstant afhængig af medium

r er afstanden mellem de to grupper

Hydrogenbindinger er i bund og grund elektrostatiske interaktioner. Når hydrogen sidder på et nitrogen eller oxygen, dannes et dipolmoment:

og Disse kan danne elektrostatiske interaktioner med en negativt ladet acceptor. Vi ser primært på følgende eksempler:

N-H · · · · N N-H · · · · O O-H · · · · N O-H · · · · O Hydrogenbindinger ligger i energiniveau mellem 1-5 kcal/mol.

Van Der Waals interaktioner bygger på varierende dipolmomenter.

Dette giver en svag elektrostatisk interaktion. Den afstand r mellem de to atomer, der giver den højeste attraktion, kaldes van der waals afstand. Van der waals interaktioner ligger i energiniveau mellem 0.5-1 kcal/mol.

δ+ δ- δ+ δ- δ- δ+ δ+ δ- δ- δ+ δ- δ+


Side 2 af 45

3) Hvordan vands egenskaber kan have en effekt på interaktioner mellem biologiske molekyler.

Vand er et særdeles polært molekyle med et konstant dipolmoment. Dette betyder, at da vand laver hydrogenbindinger med andre vand molekyler, kan det også konkurrere med hydrogenbindinger i molekyler; vand kan altså opløse molekyler, der er ladede eller kan indgå i ioniske interaktioner.

4) Den hydrofobe interaktion mellem upolære molekyler i vandig opløsning. Når upolære stoffer blandes med vand, fås et problem: upolære stoffer er ikke gode til at indgå i hydrogenbindinger eller ioniske interaktioner. Vand molekylerne vil omringe disse stoffer, men hvis to upolære stoffer mødes, kan der frigøres vandmolekyler (mindre overfladeareal at dække), som hellere vil i kontakt med andre vandmolekyler.

Kapitel 2:

1) Den generelle struktur af α-aminosyrer, stereoisomeri, L- og D-former, funktionelle

grupper, hydrofobe og hydrofile sidekæder og ionisérbare grupper. α-aminosyre: hvor R = 20 forskellige muligheder. L- og D-former: Kun L-formen findes i proteiner! Hydrofobe sidekæder: Val, Leu, Ile, Met, Phe, Trp, Cys, (Ala), (Tyr), (Lys), (Arg). Hydrofile sidekæder: Ser, Thr, Asp, Glu, Asn, Gln, Lys, Arg, His, (Tyr). Ionisérbare grupper: Asp/Glu (-O-H �� -O-), His (>N-H+ �� >N), Cys (-S-H �� -S-), Tyr (-O-H �� -O-), Lys (-NH3

+ �� -NH2) og Arg (+1 �� 0).

2) Klassificering af sidekæderne som alifatiske, aromatiske, svovlholdige, indeholdende

hydroxylgruppe, basiske, sure og amider. Små: Gly, Ala. Alifatiske: Val, Leu, Ile, Met, Pro. Aromatiske: Phe, Tyr, Trp. Svovlholdige: Met, Cys. Indeholdende hydroxylgruppe: Tyr, Ser, Thr. Polære: Ser, Thr, Asn, Gln, Cys. Basiske: Lys, Arg, His. Sure: Asp, Glu. Amider: Lys, Arg, Asn, Gln, His.


Side 3 af 45

3) Navnene og tre-bogstavskoden for aminosyrerne.

Aminosyre 3 Bogstaver 1 Bogstav Aminosyre 3 Bogstaver 1 Bogstav

Alanine Ala A Leucine Leu L Arginine Arg R Lysine Lys K

Asparagine Asn N Methionine Met M Aspartate Asp D Phenylalanine Phe F Cysteine Cys C Proline Pro P

Glutamine Gln Q Serine Ser S Glutamate Glu E Threonine Thr T Glycine Gly G Tryptophan Trp W Histidine His H Tyrosine Tyr Y Isoleucine Ile I Valine Val V

4) Definitionen af pH og pK, distribution af ladning i ionisérbare grupper som en funktion af

pH og pK.

pH = -log[H+] og pK = -logK. Jo højere pH, desto mere vil ligevægten være forskudt mod den deprotonerede form. Jo lavere pH, desto mere vil ligevægten være forskudt mod den protonerede form.

5) De approksimerede pK-værdier for aminosyrernes sidekæder og hovedkædens terminal

amino- og carboxyl-gruppe.

Se tabel 2.1 i Stryer, side 33. α-carboxylgruppe pKa = 3.1. Asp/Glu pKa = 4.1. His pKa = 6.0. α-amino pKa = 8.0. Cys pKa = 8.3. Tyr pKa = 10.9. Lys pKa = 10.8. Arg pKa = 12.5.

6) Den unikke aminosyresekvens i proteiner. α-aminosyrerne kan gå sammen og danne peptidbindinger mellem hinanden, hvilket kan danne lange kæder. Disse kæder opbygges gennem translokation af gener. Aminosyrerne, der indgår i disse peptider er kun på L-form.


Side 4 af 45

7) Posttranslationale modifikationer af aminosyrer i proteiner. Efter peptider er blevet ”oversat” i ribosomerne, kan der laves diverse modifikationer på peptidernes sidekæder. Særligt vigtigt er, at to cysteine aminosyrer kan oxideres, så der dannes en disulfidbro, der forbinder to peptider.

8) Peptidbindingen og dens plane konfiguration.

Peptidbindinger er forbundet plant, se nedenstående figur. Dette gør, at aminosyrer nummer n, n + 2, n + 4 … vender ud af planet, mens n + 1, n + 3, n + 5 … vender ind fra planet, som kan ses på figurerne i punkt 6) og 7). Heraf bliver fri rotation umulig, hvilket er essentielt for opbygningen af α-helicer og β-sheets. Desuden findes to resonansformer for peptidbindinger, hvilket også er vist i figuren.

C

O

N

H

C

O-

N+

H

9) Φ- og ψ-torsion vinkler og begrænsede værdier grundet sterisk hindring.

Da peptidbindinger er plane (punkt 8), giver det mulighed for aminosyrerne at være enten trans eller cis. Transformen vil være foretrukken, da der her ikke er et problem med sterisk hindring, der let kommer til at finde sted mellem de to R-grupper i cis-formen. Der er én undtagelse: proline. Da proline går ind i sin egen hovedkæde ved amino-gruppen, vil der være sterisk hindring ligegyldig om den sidder cis eller trans.

CC

O

N

H

C

R1H

HR2

O

C N

H

CCH3

H R1

CCH3

R2 H

TransCis

De to angivne vinkler, φ og ψ, angiver rotationen omkring aminosyrens carbon-atom og henholdsvis nitrogen-atomet i den ene peptidbinding, angivet i grader som φ, og henholdsvis omkring carbon-atomet og carbon fra carbonylgruppen på den anden peptidbinding, angivet i grader som ψ.


Side 5 af 45

10) De regulære periodiske strukturer, α-helicer og β-strenge og β-sheets, turns of loops.

α-helicer: i disse strukturer er der hydrogenbindinger mellem C=O gruppen i i-aminosyren og N-H gruppen i (i + 4)-aminosyren. Dette medfører dannelsen af en helix med 1.5 Å mellem hver aminosyre og med en vinkel på 100 º. Alt i alt fås 3.6 aminosyrer for hver hele

rotation af helicen. En vigtig husker er, at sidekæderne vender ud af helicen!

C+H3N C

RiH

N

O

C

H

Ri+1 H

C

O

N

H

C

H Ri+2

C

O

N

C

H

H Ri+3

C

N

H

CC

OH Ri+4

N

C

H

H Ri+5

COO-

O

- -

- -

Se bilag 2 for en visuel struktur af α-helicen, eller Stryer side 41. β-strands og –sheets: et β-sheet består af to eller flere peptider, der ligger i samme plan og danner hydrogenbindinger imellem hinanden i dette plan. Peptiderne i kaldes β-strenge, og de kan ligge enten parallelt eller anti-parallelt med hinanden.

C+H3N C

RiH

N

O

C

H

Ri+1 H

C

O

N

H

C

H Ri+2

C

O

N

C

H

Ri+3 H

C

N

H

CC

OH Ri+4

N

C

H

Ri+5 H

COO-

O

C+H3N C

RkH

N

O

C

H

Rk+1 H

C

O

N

H

C

H Rk+2

C

O

N

C

H

Rk+3 H

C

N

H

CC

OH Rk+4

N

C

H

Rk+5 H

COO-

O Her ses to β-strenge forbundet parallelt; de to strenge er i samme retning (� og �)

C+H3N C

RiH

N

O

C

H

Ri+1 H

C

O

N

H

C

H Ri+2

C

O

N

C

H

Ri+3 H

C

N

H

CC

OH Ri+4

N

C

H

Ri+5 H

COO-

O

-OOC

CN

H

H Rk+5

C

O

C

Rk+4H

N

H

C

O

CN

H

C

O

C

NC

O

C

H

N

H

C

O

CNH3

+

H Rk+3

Rk+2 H

H Rk+1

Rk H

Her ses to β-strenge forbundet antiparallelt; de to strenge er i modsat retning (� og �). Da siderkæderne sidder skiftevis på hver sin side af denne ”flade” af peptider, kan der sidekæderne passes ind til forskellige miljøer.


Side 6 af 45

Loops of turns: det er tit nødvendigt for et peptid at skifte retning; dette kan enten gøres ved et turn, hvor carbonylgruppen på i danner en hydrogenbinding på aminogruppen på i+3. Loops virker lidt på tilsvarende måde, men er længere i form og mere kompliserede. Nedenstående figur viser et turn.

C

C

N

C

CN

C

C

N

CH

Ri

O

HH

Ri+1

HO

H

HRi+2

O

H

Ri+3

11) Hydrogenbindinger i proteiner, hovedkæden og sidekæderne, pH afhængighed, donor og

acceptor grupper. Meget af dette er blevet gennemgået i følgende punkter; hydrogenbindinger i proteiner kan danne helicer og flade, samt tage drejninger om nødvendigt (Kap.2 punkt 10), disse bindinger skyldes hydrogenbindinger mellem peptidernes hovedkæder (Kap.2 punkt 10), donor og acceptor-grupper er blevet beskrevet i kapitel 1 (punkt 2). Sidekæderne kan dog også indgå i hydrogenbindinger (pH afhængighed dækket i Kap.2 punkt 4). For eksempel ligger tyrosines pKa-værdi på 10.9, altså vil den altid være protoneret ved fysiologisk pH, mens glutamate og aspartate altid vil være deprotoneret; disse sidekæder kan altså her danne hydrogenbinding mellem hinanden.

12) Karakteristika for pakningen af naturlige ”kugleformede” proteiner.

Proteiner danner hydrogenbindinger og diverse interaktioner rundt omkring sine peptider, hvilket giver proteiner en karakteristisk struktur; perfekt til at opfylde form � funktion. Typisk i den naturlige pakning er det således, at proteiner, der skal være vandopløselige, har sine hydrofile sidekæder til at ”pege ud mod” sit medium, som da vil være vand eller andet polært medium. Tilsvarende vil proteiner, der hellere skulle sidde i et lipidlad (vores cellemembraner), have hydrofobe sidekæder vendt udad, mens der her er tendens for hydrofile sidekæder længere inde, hvis der skal dannes en kanal.

13) Den primære, sekundære, tertiære og quartiære struktur. Den primære struktur er polypeptidkædens sidekædesekvenser; her er fokuspunktet alene sekvenserne af sidekæder. Den sekundære struktur er polypeptidkædens indbyrdes foldning i form af α-helicer, β-sheets, turns og loops. Den tertiære struktur er polypeptidkædens struktur som helhed. Her er det især vigtigt med miljøer og overflader, samt aktive sites. En polypeptidkæde kan godt udgøre et protein. Den quartiære struktur kommer kun til udtryk, hvis flere polypeptidkæder kan gå samme og danne komplekser. I disse tilfælde fås det, der kaldes subunits, og hver polypeptidkæde er kun funktionel for den gældende process, hvis den er indbyrdes i dette kompleks.


Side 7 af 45

14) Anfinsen-eksperimentet og dets betydning.

Christian Anfinsen udførte i 1950’erne et eksperiment, hvor han denaturerede et simpelt protein: ribonuclease. Dette protein er strukturelt opbygget af fire disulfid-bindinger. Han fandt frem til, at hvis man denaturerede dette protein ved at reducere disse bindinger, ville luftens ilt langsomt oxidere cysteine-grupperne tilbage til deres tidligere disulfidbindinger – på de samme steder i proteinet; proteinet gendannede altså sin katalytiske form. Yderligere studier indenfor emnet fandt frem, at sekvensen har en betydning for opbygningen.

15) Proteinfoldning som en kooperativ process, progressiv stabilisering og intermediater.

Proteiner opnår ikke deres komplette struktur i ét trin; først dannes for eksempel en disulfid-bro, der gør, at proteinet får en anden form, der bringer andre dele af proteinet i kontakt til at danne andre strukturer. Trin for trin dannes proteinernes endelige form, som er komplet.

16) Den generelle funktionelle karakteristik af proteiner: specifik binding og strukturændringer. Proteiner har typisk det, man kalder et aktivt site; dette er en del af proteinet, hvor en process typisk finder sted, især når man taler om enzymer. Typisk virker disse aktive sites sådan, at når et bestemt eller flere substrater har bundet sig i disse sites, ændres proteinets tertiære eller quartiære struktur sig, som da giver anledning til en bestemt funktion; eksempelvis katalyse af en bestemt process. En effekt, der er værd at huske er, at nogle af disse ændringer kan ”lukke” sig omkring det aktive site, hvilket sørger for, at processen kommer til at foregå i enzymet alene uden kontakt til andre stoffer, så diverse biprodukter ikke produceres.

Kapitel 3:

1) Proteiners egenskaber, der kan benyttes til separation og rensning.

Proteiner har mange faktorer, der kan spille en rolle, hvis man ønsker at separere dem. Blandt de mest vigtige er deres størrelse og form, deres nettoladning, opløselighed og bestemte affiniteter.

2) Metoderne til brug ved proteinseperation: udfældning, dialyse, gelfiltrering kromatografi,

ionbytnings kromatografi og biospeficik kromatografi. Udfældning: proteiner kan udfældes ved bestemte miljøer, som typisk i biokemi er ved forskellige saltkoncentrationer. Hvis man ved, om ens ønskede protein udfælder ved en bestemt saltkoncentration (eller ikke gør, mens andre gør), kan man skille uønskede fra. Dialyse: hvis det protein, man ønsker at rense, er i opløsning med en masse mindre molekyler, kan dialyse fjerne disse; en beholder med en semipermeabel membrane indeholder prøven, som så ligget i en beholder med vand, der dannes en koncentrations-gradient mellem de mindre molekyler, som vil vandre over membranen, mens proteinet ikke vil. Herved skilles mindre molekyler fra den samlede opløsning. Gelfiltrerings-kromatografi: proteiner kan her adskilles ud fra deres størrelse; samlingen bliver sendt igennem en kolonne indeholdende polymer-perler. Mindre molekyler vandrer ind gennem disse perler, mens større molekyler vandrer lige forbi. Altså kommer større molekyler først ud gennem gelen, mens de mindre kommer ud sidst. Ionbytnings-kromatografi: proteiner kan her adskilles ud fra deres nettoladning; samlingen bliver sendt igennem en kolonne indeholdende bestemt ladede polymer-perler. Molekyler med modsat nettoladning af disse perler vil binde sig til dem, mens molekyler med samme ladning vil løbe direkte forbi.


Side 8 af 45

Biospecifik kromatografi: også kaldet affinitets-kromatografi. Princippet ligger i, at bestemte proteiner binder til bestemte kemiske grupper. Hvis man ved, hvordan ens protein binder, kan man tilføje denne kemiske gruppe i siden af en kolonne; og binde proteinerne til kolonnen. Andre proteiner uden denne affinitet vil løbe lige igennem. Bagefter tilføjer man et stof, der kan få proteinet væk fra deres kemiske gruppe, og da løbe alene igennem.

3) Princippet bag elektrophorese. Molekyler med en net ladning vil bevæge sig i et elektrisk felt imod polen med den modsatte ladning. Hvis man altså har tre proteiner med samme ladningsfortegn, for eksempel -, vil disse bevæge sig mod +polen. Hvis man kombinerer dette med en gel bestående af en bestemt polymer, kan man få proteinerne med den bestemte ladning til at vandre gennem denne. Større proteiner vil have problemer med at mase sig igennem polymeren, mens mindre proteiner vil have lettere ved det. Ud fra et sådan forsøg vil man kunne lave en graf med masse på y-aksen, der kom gennem ved en tid på x-aksen.

Hastigheden er bestemt af formlen: rff

zEv ⋅⋅⋅=

⋅= ηπ6| .

4) Bestemmelse af massen for proteiner af sodiumdodecylpolyacrylamide-gel elektrophorese.

(SDS-PAGE). Proteiner kan blive denatureret ved behandling med sodiumdodecylacrylamide (SDS). Dette molekyle går ind og sætter sig i en ratio af 1 SDS per 2 aminosyre, hvilket giver en ekstra ladning på -0.5 for hver aminosyre. Efter at have en ny nettoladning, der typisk vil være meget negativ, bliver de denaturerede proteiner sendt i elektrophorese (kap.3 punkt 3), og ved hjælp af markørproteiner med kendt masse og farvning af gelen, kan man finde proteinernes relative hastighed ud fra en kalibrering af markørproteinern, bestemme de ønskede proteiners masse.

5) Det isoelektriske punkt, pI, for proteiner, samt isoelektrisk fokusering. Eftersom nettoladningen for proteiner er pH-afhængig, betyder det, at der er en bestemt pH-værdi, hvor proteinet har en nettoladning på 0. Denne pH-værdi kaldes pI. Isoelektrisk fokusering fungerer ved, at man først i en vandret gel danner en pH-gradient og tilsætter proteiner; ved tilsætning af strøm vandrer proteinerne til deres isoelektriske punkt, pI. Herefter kan man lave en elektrophorese lodret, og da skabe et to-dimensionel separeret gel, fordelt vandret alt efter pI, og lodret alt efter masse.

6) Bestemmelse af proteiners masse vha. massespektrometi.

Ud fra ultracentrifugering kan der separeres biologiske molekyler og bestemme deres masse. Dette skyldes at molekylerne har en bestemt sediments-koefficient som funktion af deres densitet. Sediment-koefficienten angiver molekylers hastighed i et centrufigeringsfelt, og er bestemt ud fra formlen:

( )f

vms

ρ⋅−=

1

hvor m er molekylets masse, v er den reciprokke værdi af molekylets densitet, ρ er densiteten af mediumet og f er en friktionskoefficient.


Side 9 af 45

7) Metoder til bestemmelse af endegrupper og aminosyresekvenser for proteiner. Ved hjælp af Edman degradering kan man fjerne en endegruppe (N-terminalen) fra et protein, uden at ødelægge andre peptidbindinger undervejs. Herved dannes en ny endegruppe, som der kan fjernes på tilsvarende måde. Stoffet, der benyttes, er phenyl-isothiocyanate, og ved hjælp af kromatografi kan man bestemme den aminosyre, som stoffet ”klipper af”. Ved at gøre dette om og om igen, kan man bestemme sekvensen af proteinet, hvor man starter fra N-terminalen.

NC

S+

NH2 CN

X-Y-...

R H

O

H

N

N

C

SH

O

H

R+ H2N-X-Y...

8) Specifik kemiske og enzymatisk kløvning af proteiner og sammensætning af sekvenser i

proteiner vha. overlappende dele. Proteiner kan blive kløvet af kemiske stoffer eller enzymer på bestemte steder i deres sekvenser. Tabel 3.3 i Stryer, side 81, viser forskellige kemiske stoffer og enzymers kløvningspunkter; vigtige huskere er enzymerne trypsin, der kløver på carboxyl-siden af lysine og arginine, chymotrypsin, der kløver på carboxyl-siden af tyrosine, tryptophan, phenylalanine, leucine og methione, og muligvis thrombin, der kløver alene på carboxyl-siden af arginine. Ved at kløve et peptid af flere stoffer, kan der opstå overlappende dele. Et eksempel er, at man har følgende to fragmenter ved brug af trypsin: Ala-Ala-Trp-Gly-Lys og Thr-Phe-Val-Lys. Tilsvarende kan man få fragmentet Val-Lys-Ala-Ala-Trp ved brug af chymotrypsin. Hvis man sætter de to fragmenter fra trypsin-kløvningen sammen fås: Thr-Phe-Val-Lys-Ala-Ala-Trp-Gly-Lys hvor fragmentet fra chymotrypsin er vist med fed.

Kapitel 8:

1) Enzymer som biologiske katalysatorer. Enzymer er proteiner, som katalyserer en process af biologisk betydning ved at binde substrater til et aktivt site og fremskynde en specifik process, samtidig med at enzymet kan minimere antallet af biprodukter.

2) Klassificering af enzymer.

Enzymer kan klassificeres alt efter hvilken reaktion, den katalyserer. Dog findes der to hovedgrupper; enzymer som har brug for eller ikke har brug for en cofaktor til at kunne fungere. Disse cofaktorer kræves i reaktioner, hvor de 20 aminosyrer alene ikke kan katalyserer en given reaktion. Et enzym, der afhænger af en cofaktor, kaldes for apoenzym hvis denne cofaktor ikke er til stede, og tilsvarende kaldes for holoenzym hvis cofaktoren er til stede.


Side 10 af 45

3) De basale termodynamiske termer: energi, enthalpi, entropi og fri energi. Enthalpi er et udtryk for varmekapacitet, og i reaktionssammenhænge varmeoverførsel. Entropy er et udtryk for et systems energi egenskab til at udføre arbejde; eller udtryk på en anden måde, uordenen i et system. Fri energi er et udtryk for en given reaktions opførsel ved bestemte miljøer, typisk i form af spontane eller ikke spontane reaktioner.

4) ∆G som en funktion, der kan benyttes til at beskrive om en kemisk process er spontan. Gibbs fri energi, ∆G, kan beregnes for en given reaktion ved:

φφφ STHG ∆⋅−∆=∆

hvor ændringen i enthalpi og entropi for systemet kan beregnes som:

( ) ( )∑ ∑−=∆ terreakHprodukterHH tanφφφ

( ) ( )∑ ∑−=∆ terreakSprodukterSS tanφφφ

Hvis man kender gibbs fri energi for en given reaktion ved standard-tilstande, φG∆ , kan man beregne gibbs fri energi tilsvarende ved bestemte forhold ud fra:

QTRGG ln⋅⋅+∆=∆ φ

hvor R er gaskonstanten KmolkJ

⋅−⋅ 310314.8 , T er temperaturen i kelvin og Q er

reaktionsbrøken.

5) Definitionen af ∆G og ∆G’ og ændringen i standard-fri energi for φG∆ og 'φG∆ .

Ved standard tilstande er gibbs fri energi ikke ret interessent i biokemisk forstand, da temperaturen til tider kan være anderledes fra stuetemperatur, og især fordi koncentrationen af protoner har en stor betydning indenfor biokemi. Desuden bør det noteres, at der (især ved standardtilstande) ved reaktionsbrøken Q menes aktivitet af de forskellige stoffer, og ikke nødvendigvis deres koncentrationer. Ved pH = 7 sættes aktiviteten for protoner, [H+] for eksempel til at være lig med 1.

6) Forholdet mellem 'φG∆ og ligevægtskonstanten, K’ for en kemisk ligevægt. Ved ligevægt gælder der, at ∆G’ = 0, altså fås:

∆−

∆−

==⇒

⋅⋅−=∆⇒=⋅⋅+∆=∆

molkcal

molkJ

GG

K

KTRGQTRGG

36.1

'

69.5

'

1010'

'ln'0ln''φφ

φφ

7) Mangler.

8) Faktumet at enzymer ikke ændrer en kemisk ligevægt, men kun hastigheden hvorved denne

ligevægt opnås.

Spørgsmålet siger lidt sig selv. Et enzym ville kun kunne ændre på en kemisk ligevægt, hvis det var i stand til at ændre på de termodynamiske love; hvilket jo i sig selv strider imod god fornuft. Enzymer gør det kun mange gange hurtigere at nå denne kemiske ligevægt ved at sænke energibarrieren for den givne reaktion, en nødvendighed for et så enormt biologisk væsen som mennesket.

9) Aktive sites generelle egenskaber.

Ved alle kemiske reaktioner indgår der altid et transition state. Transition state er et


Side 11 af 45

intermediat, som et givet stof skal nå, før det kan omdannes til et produkt. En kemisk reaktion kan altså ses som følgende, alene hvis man ser på et enkelt stof/substrat:

PXS →→±m

I et aktivt site kan et givet substrat binde og danne et kompleks med enzymet – ES. Det har den fordel, at når enzymet da indgår i transition state, vil denne have et lavere energi-niveau end det førgående – enzymer virker altså ved at sænke energibarrieren.

EPEPEXESES +→→→→+±m

Det er alene denne binding, der sker i det aktive site, der har så voldsom en betydning.

10) Michaelis-Menten hastighedsudtrykket for enzymer, baseret på antagelsen af ES komplekset

og steady state gennem reaktionen.

En reaktion katalyseret af et enzym kan ses på følgende måde:

EPESESk

k

k

+→←

→+

−

2

1

1

hvoraf det antages, at man alene kigger på starttidspunktet, hvor P er meget tæt på 0 og derfor ikke går tilbage til enzym og danner et kompleks den modsatte vej. Herved kan vi angive initialhastigheden for ovenstående reaktion til at være meget tilnærmet

[ ]ESkV ⋅= 20 . Desuden kan hastigheden hvorved ES-komplekset dannes udtrykkes ved

[ ] [ ]SEk ⋅⋅1 , og hastigheden for den omvendte proces ved ( ) [ ]ESkk ⋅+− 21 .

Ved ligevægt, eller steady state, er hastigheden for dannelse af ES-komplekset og nedbrydningen af komplekset ens. Heraf fås den berømte formel:

[ ][ ] ( )[ ] [ ][ ][ ]ES

SEK

k

kkKESkkSEk MM =

+=⇒+= −

− |1

21211

KM har en stor betydning, da den kan kombineres med Vmax for en given reaktion. Hvis man laver nogle yderligere antagelser fås Michaelis-Menten ligningen:

[ ][ ] MKS

SVV

+⋅= max0

11) Tydningen af de kinetiske parametre Vmax og KM i relation til V(S)-plots.

Vmax siger lidt sig selv; det er den grænseværdi, som initialhastigheden maksimalt kan opnå ved en mættet koncentration substrat, [S]max. Vmax kan også udtrykkes ud fra formlen

[ ]TotalEkV ⋅= 2max . Grafik fås det desuden, at hvis [S] = KM, bliver Michaelis-Menten

ligningen (se ovenstående) til følgende: [ ]

[ ] 22max

maxmax0

V

K

KV

KS

SVV

M

M

M

=⋅=+

⋅=

Der gælder altså, at den substratkoncentration, hvor man opnår max21 V , er tilsvarende lig med

KM. Vær opmærksom på, at max21 VK M ≠ , men ][SK M = ved max2

1 V !


Side 12 af 45

12) Bestemmelsen af de kinetiske parametre Vmax og KM i et dobbelt reciprok-plot. Ved at ændre ens V(S)-plot, enkelt nok ved at ændre værdierne til reciprokke værdier – V-1 langs y-aksen og [S]-1 langs x-aksen, bliver disse værdier mere tydelige. Her ændres grafen til en lineær sammenhæng med hældning svarende til KM/Vmax; altså gælder der i et dobbelt reciprok-plot, at skæringen med y-aksen = 1/Vmax, og tilsvarende får vi, at skæringen med x-aksen = 1/KM.

13) Vigtigheden af Vmax, k2, KM og fES.

Vmax måles ud fra initialhastighedsmetoden, og er den absolutte hastighed, hvorved der i en given reaktion dannes et produkt, ved en mættet substrate-koncentration. Vmax er altså også et udtryk for et enzym totale potentiale for modtagelighed overfor hastighedsændringer; det angiver antallet af substrat molekyler omdannet til produkt i et givet tidsinterval hvor enzymet er i en komplet mættet substratopløsning – her er Vmax = k2[E]total. Et enzym kan, som nævnt tidligere, kun ændre hastigheden hvorved en ligevægt opnås, men enzymer skulle også meget gerne være i stand til at opfylde dette krav, da biologiske væsener kan få brug for denne egenskab i en fart (forestil dig hvor svært det ville være at løbe, hvis det tog 100 gange så lang tid at omdanne CO2 i kroppen til at transportabelt molekyle). k2 er af betydning for hvor hurtigt, det tager at danne et produkt. K2 er som nævnt i punkt 10, angiver hastigheden hvorved substrate-komplekset går videre i reaktionen, danner produktet og frigør dette. Måles denne ved initialhastigheden, fås et turn-over-number, angivelsen af dannede P per sekund. Tages 1/k2, fås den pågældende tid for dannelse af 1 P. KM angiver forholdet mellem de samlede hastigheder for reaktionerne ES � E + S og ES � P, og så reaktionen E + S � ES, udtrykt ved formlen:

121

k

kkK M

+= −

Desuden vides det, at KM angiver [S] til at give halvdelen af terminalhastigheden, Vmax. Alt dette kan samles til ét: KM angiver den nødvendige substratkoncentration, for at en betydelig katalytisk aktivitet finder sted. Ser man på selve definitionen af KM ud fra ovenstående formel, kan man lave nogle antagelser; hvis k2 << k-1, kan man se bort fra k2 og formlen bliver da dissociations-konstanten for ES-komplekset. Hvis dette er tilfældet vil KM blive et udtryk for, hvor stabilt ES-komplekset er; jo højere KM-værdi, desto svagere bindingsevne. fES angiver den del af aktive sites, som er fyldt, og er direkte forbundet ud fra formlen:

[ ][ ] M

ESKS

S

V

Vf

+==

max

14) Kinetisk perfektion i enzymatiske katalyser. Et enzyms effektivitet kan beskrives vha. forholdet mellem k2 og KM ud fra:

1

21

2

21

122 kkk

k

kk

kk

K

k

M

+=

+

⋅=

−−

det kan matematisk vises, at k2/KM altid vil være mindre end k1, altså kan hastigheden for dannelse af P ikke være hurtigere en hastigheden for dannelse af ES-komplekset – men den kan ligge meget tæt på. Denne har en grænseværdi mellem 108 og 109 s-1 M-1. Enzymer siges at have opnået kinetisk perfektion, hvis deres k2/KM ratio er tæt på denne grænseværdi. Enzymers katalytiske hastighed er altså kun begrænset af hastigheden hvorved de møder substrat i opløsningen, hvilket afhænger af positionen for det aktive site!


Side 13 af 45

15) Kinetikken for allosteriske enzymer, ligevægt mellem to former for et oligomerisk enzym. Allosteriske enzymer er enzymer, som ikke følger Michaelis-Menten modellen grundet i, at denne model kun bevirker enzymer med ét aktivt site. Enzymer mere flere aktive sites og/ eller flere subunits, følger ikke denne model; hastighederne afhænger af adskillige punkter. Oligomerisk enzym = ?.

16) Irreversible og reversible inhibition af enzymer.

Enzym-inhibitorer er molekyler, der kan binde sig til enzymer og dermed inhibere deres katalytiske virkning på forskellige måder (kommer i punkt 17). Alle disse inhibitorer kan fjernes fra enzymerne igen (på trods af at man kalder nogle irreversible), men da disse binder sig til enzymerne, er der forskel på, hvor godt de ”hænger fast”. Irreversible inhibitorer kaldes de inhibitorer, som dissociatierer meget langsomt fra enzymerne, enten fordi de er bundet kovalent til enzymerne eller fordi de er indgået i adskillige nonkovalente bindinger; alt i alt er inhibitorerne bundet godt til enzymerne. Reversible inhibitorer er blot det modsatte af ovenstående; disse inhibitorer dissociatierer meget hurtigt fra enzymerne.

17) Forskellene mellem competitive, noncompetitive og uncompetitive inhibitorer. Competitive inhibitorer er molekyler, der strukturelt ligner de substrater, som enzymerne katalyserer. Herved bliver de aktive sites fyldt ud med molekyler, som enzymet ikke kan arbejde videre ud fra; denne type inhibition fungerer altså ved at formindske hastigheden for katalyse ved at reducere andelen af enzymer bundet til substrate. Competitive inhibitorer er typisk reversible, og kan overkommes ved at forøge substratkoncentrationen. Noncompetitive inhibitorer binder ved andre steder på enzymerne og ændrer derved proteinets form. Denne ændring gør det typisk umuligt for substrat at komme ind, eller for den sags skyld ud af enzymets aktive site, og noncompetitive inhibitorer kan altså ikke overkommes af substratkoncentration. Disse inhibitorer formindsker turn-over-nummeret. Uncompetitive inhibitorer virker lidt på samme måde som noncompetitive inhibitorer, bortset fra at de kun binder til et ES-kompleks, hvor noncompetitive kan binde til både E og ES. Dette skyldes at inhibitorens bindingssite kun skabes ved den deformering, som enzymet opnår ved at binde substrat og blive til ES-kompleks. Tilsvarende noncompetitive inhibitorer kan disse ikke overkommes af højere substratkoncentration.

18) Kurverne illustreret og sammenlignet i relation til en uinhibiteret reaktion for de tre typer

inhibition i et V(S)-plot. De tre typer inhibitorer, der er nævnt ovenstående i punkt 17, har forskellige effekter på Vmax og KM for reaktionerne. Dette kan være lettere at se i et dobbelt reciprok-plot. De tre typer inhibitorer har følgende virkning, som kan ses på graferne: Competitive inhibitorer ændrer ikke Vmax (da de kan overkommes af substratkoncentration), men de bevirker reaktionen ved at forøge KM. Noncompetitive inhibitorer formindsker Vmax, men har ingen effekt på KM. Uncompetitive inhibitorer formindsker både Vmax og KM med ækvivalente værdier.

19) Principperne og mulighederne for regulering af enzymernes aktivitet. Typisk allosterisk eller inhiberet i form af de forskellige inhibitorer opgivet ovenfor.


Side 14 af 45

Kapitel 11: 1) De to basale tre-carbon carbonhydrider glyceraldehyde og dihydroxyacetone.

Glyceraldehyde og dihydroxyacetone er vigtige punkter i glycolysen. Begge disse fremkommer ved kløvning af glucose. Strukturerne for disse stoffer kan ses nedenfor.

C

H O

C

CH2OH

H OH

Glyceraldehyde

C

O CH2OH

C

H

OH H

Dihydroxyacetone I forbindelse med glycolysen vil hydroxy-grupperne være udskiftet med phosphatgrupper.

2) De lineære og cykliske strukturer af ribose, glucose og fructose. Dette er primært strukturer; det er dog vigtigt at understrege, at den eneste grund til, at disse stoffer findes på cyklisk form, er fordi carbonyl-gruppen kan reagere med en alkoholgruppe på selve kæden Herved dannes en intramolekylær hemiacetal. Uden en carbonyl-gruppe ville en cyklisk form ikke have været mulig. Eksemplet nedenfor viser dette tilfælde for glucose. Den lineære form er D-glucose, og den cykliske form er α-D-glucose (α hvis den første hydroxygruppe, der sidder på carbonet lige efter oxygenet sidder trans med CH2OH-gruppe, β hvis den sidder cis).

C

O H

C

C

C

C

CH2OH

H

OH

H

H

OH

H

OH

OH

COCC

C

C

CH2OH

OHH

H

OHH

OH H

OH

H

D-glucose

α-D-glucose

O

OHH

HH

OHOH

H OH

H

CH2OH

Et særligt kendetegn for glucose er dannelsen af den ring bestående af 6 atomer, kaldet en pyranose ring pga. dens lighed med pyran. Tilsvarende kan opnås strukturerne for fructose og ribose:

C

C

C

CH2OH

OH

H

H

H

OH

OH

C

O CH2OH

C

C

C

CH2OH

H

H

H

OH

OH

OH

C

O H

D-fructose α-D-fructose D-ribose β-D-ribose

O

OH

OH

CH2OH

HH

OH H

CH2OHO

H

OH

CH2OH

HOH

H H

OH

Disse femringe kaldes furanose-ringe.


Side 15 af 45

3) Oxygen og nitrogen glycosidbindinger. Glycosidbindinger er bindinger mellem to sukkermolekyler, enten forbundet af et oxygen eller et nitrogen, heraf enten O- eller N-glycosidbinding. En O-glycosidbinding er vist nedenfor. Disse glycosidbindinger er et krav for at kunne danne polysakkarider. Nedenstående binding beskrives som et α-1,4-O-glycosidbinding, da det er forbundet til c1 og carbon nummer 4 på det andet monosakkarid.

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

CH2OH

O

O

OH

HH

H

OH

H OH

H

CH2OH

4) Strukturerne for stivelse, glycogen og cellulose. Stivelse (starch) virker som et ernæringslager af carbonhydrider i planter. Stivelse kan findes på to former: amylose er den ugrenede type, bestående udelukkende af glucose bundet i et α-1,4 mønster. Amylopectin er den forgrenede type; dette består af en amylosekæde, hvor ca. hver 30. glucose er forbundet med en yderligere glucose i et α-1,6 mønster. Glycogen er dyrecellers oplagringsform for glucose. Denne homopolymer virker på samme måde som amylopectin: den består af en kæde af polysakkarider udelukkende i form af glucose i et α-1,4 mønster, men for hver 10. glucose er der forbundet en yderligere glucose i et α-1,6 mønster. Cellulose er den primære polysakkarid fundet i planter. Det er et uforgrenet polymer af glucose forbundet i et β-1,4 mønster. I dette mønster bliver det muligt at danne lange lige kæder, der er forholdsvis robuste i større antal. Dette forklarer også celluloses funktion som en del af cellevægen i planteceller.

Kapitel 12:

1) Membraners generelle egenskaber og deres funktion. Membraner er strukturer, der minder om ark, som kun er to molekyler tykke. Typiske er biologiske membraner mellem 60 og 100 Å tykke. Membranerne vil i vandig opløsning pga. den hydrofobe effekt danne en lukket kugle, og giver herved mulighed for at danne to forskellige miljøer. Membranerne består af lipider og proteiner; lipiderne er mindre molekyler med et hydrofilt ”hoved” og nogle hydrofobe ”haler”. I membranen kan proteiner virke som blandt andet pumper, kanaler, receptorer, energioverførsel og enzymer. Vigtige ting at huske er, at membranen for det første er assymetrisk, men den kan også anses som en flydende struktur. Desuden er de fleste membraner elektriske polariserende; indenfor membranen er der typisk tale om -60 mV forskel for det ydre miljø (membranpotentialet).

2) De generelle egenskaber af fedtsyrer.

Fedtsyrer er lange carbonkæder af forskellig længde og grad af mættethed (dobbeltbindinger eller ej), hvor den ene ende af fedtsyren består af en carboxylsyregruppe. Fedtsyrernes smeltepunkt afhænger af både deres længde og mættethedsgrad. Jo kortere kæden er, desto lavere smeltepunkt, og jo mere umættet fedtsyren er, desto lavere smeltepunkt. Alt i alt giver kortere kæder og umættethed en højere tendens til en flydende membran.


Side 16 af 45

3) Lipider, membranelipider og cholesterol.

Lipider er upolære biomolekyler, der er meget uopløselige i vand. De spiller desuden bestemte roller som for eksempel brændstof, energilagring, signalering, ”sendebud” i signal-transduktion-vejene og så selvfølgelig også som en del af membranerne. Der findes tre former for membranlipider: phospholipider, glycolipider og cholesterol. Phospholipider består alle af glycerol med to fedtsyrer på (R1 og R2), samt en phosphat-gruppe hvorpå der sidder en form for alkoholgruppe. I nedenstående figur er fedtsyrer-grupperne vist med blåt, glycerol med sort og phosphatgruppen med rødt. Den blå del er lipidets upolære, eller hydrofobe, del, den røde angiver lipidets hydrofile del. R1

CO

O

CH2

COC

CH2O

P

O

O

O

R2

O

H2-

Den alkoholgruppe, der kan sidde på phosphatgruppen, kan være serine, ethanolamine, choline, glycerol og inositol. Det er primært serine og choline, vi skal kende. Alkoholgruppen er vist med grønt i nedenstående figurer, der viser phosphatidylserine og phosphatidylcholine. R1

CO

O

CH2

COC

CH2O

P

O

O

O

R2

O

H

CH2C

NH3+

H COO-

-

-CH2

CH2

N+

R1C

O

O

CH2

COC

CH2O

P

O

O

O

R2

O

H

CH3

CH3

CH3

Phosphatidylserine

Phosphatidylcholine


Side 17 af 45

Glycolipider afstammer fra sphingosine, hvor aminogruppen er blevet tilsat en fedtsyre. ”Hovedet” består her af en eller flere sukkermolekyler; glucose eller galactose. Opbygningen er vist nedenfor.

(CH2)12CH3

OHH

C

CH3NH

CH2

Oglucose/galactose

CR1

O

Cholesterol er strukturelt lidt forskellig for de andre lipider, da dette er et stereoide, men dens ene hydroxylgruppe er nok til at skabe et ”hydrofilt hoved” (se punkt 5), hvor resten af molekylet indgår langs med andre lipider i membranerne. Cholesterol har også en betydning for membranernes flydende egenskaber (se kap.12 punkt 13). Strukturen for cholesterol er vist nedenfor.

CH3

CH3

OH

CH3 CH3

CH3

4) Den generelle struktur af phospholipider og deres tilhørende alkoholer. Se ovenstående punkt 3. De resterende alkoholgrupper, der ikke er vist, er følgende:

OHCH2

CH2NH3

+

Ethanolamine

OHCH2

CCH2

OH

OH H

Glycerol

OH

HH

OH

OHH

OH

OHOH

H

H H

Inositol Den alkoholgruppe, der reagerer med phosphatgruppen, er markeret med rød.

5) Forskellen mellem en micelle og en vesikkel. Grafisk kan de fleste membranlipider vises på følgende form:

bestående af et hydrofilt ”hoved”, angivet ved ringen, og to fedtsyrer vist som hydrofobe ”haler”. Herudfra kan disse lipider samle sine hydrofobe haler i en kugle med hovederne på ydersiden – dette kaldes for en micelle. I en micelle er det dog begrænset, hvor meget plads der er til de forskellige hydrofobe haler; kan det dog lade sig gøre, er det muligt at have upolære stoffer inde i midten af micellen. Derimod kan lipiderne lægges i et lipid-bilag bestående af to lag, der vender modsat hinanden. Dette giver den membran, som man ser ofte på figurer, og denne membran kan lukke sig selv ind i en ring (denne kan ses på bilag 3, da figuren fylder en del). På følgende side er forskellene i opbygningen af lipiderne vist.


Side 18 af 45

micelle

lipid bilag

6) Selvorganiseringen og de intermolekylære bindinger i samlingen af et lipid bilag. På grund af den hydrofobe effekt (se kapitel 1 punkt 4) vil de hydrofobe dele af lipiderne spontant rette sig mod hinanden (enten i form af miceller eller lipid bilag). Da fedtsyre-overlap let forekommer i miceller, er lipid bilag de foretrukne opbygninger. De inter-molekylære krafter, der er holder sammen på bilaget, er diverse elektrostatiske interaktioner i lipidernes hydrofile hoveder, og van der waals interaktioner (og så selvfølgelig den hydrofobe effekt har en betydning).

7) Membranen som en gennemtrængelig barriere for bestemte stoffer. Da membranen består af et forholdsvis langt hydrofobt område, vil polære stoffer have svært ved at trænge igennem membranen. Derimod vil upolære stoffer have let ved at bevæge sig igennem membranen, hvis de kan passere de hydrofile hoveder. På denne måde virker membranen som en barriere overfor bestemte stoffer. Proteiner er med til at transportere bestemte stoffer over denne barriere, som ikke kan uden, men som cellerne kan have brug for.

8) Forskellen mellem perifere- og integral-membranproteiner. Integral-membranproteiner er proteiner, som strækker sig langs det lipide bilag og interagere med de hydrofobe haler i bilaget. Disse kan også strække sig videre ud på hver side af det lipide bilag. Perifere-membranproteiner er proteiner, som enten er bundet til enderne af integral-membran-proteiner eller også er de bundet til de hydrofile hoveder af det lipide bilag gennem elektrostatiske interaktioner og hydrogenbindinger.


Side 19 af 45

9) De forskellige måder proteiner kan interagere eller blive indsat i membraner. Der findes tre primære måder, hvorpå proteiner interagere med membraner (og typisk igennem disse interaktioner bliver indsat i membranerne). For det første kan proteinerne ved hjælp af α-helicer strække sig langs membranens lipide bilag og interagere med dette ved at lade sidekæderne på denne helix være hydrofobe, og tilsvarende hydrofile ved bilagets overflader og udenfor membranen. Proteinerne kan også skabe kanaler i et lipid bilag ved hjælp af β-sheets, som kan lukke om sig selv og på denne måde danne en kanal. Da hver anden aminosyres sidekæde vender på den ene side af dette sheet, og hver anden vender modsat, kan den ene side interagere med membranen ved brug af hydrofobe sidekæder, og den anden side kan da gøres hydrofil. En tredje mulighed er typisk, hvis et protein skal virke udenfor membranen i cytoplasmaet; her er hele proteinet ”ankeret” ind i membranen ved hjælp af en form for anker, der går ind i membranen; dette ”anker” har hydrofobe sidekæder for at sidde fast inde i det lipide bilag.

10) De forskellige hydrofobe membran-ankre. De forskellige ankre er palmitoyl-grupper, farnesyl-grupper og en krabat af et gylcolipid; glycosylphosphatidylinositol. Dette er faktisk et phosphorlipid som angivet i punkt 3, men med sukre og adskillige andre grupper tilsat. De to først-nævnte grupper er lette at huske; begge grupper sætter sig på cysteine aminosyrer enten henholdsvis ved hjælp af en thioester-binding eller ved at binde sig til carboxyl-terminalen. De forskellige strukturer kan ses i Stryer, figur 12.26 på side 340.

11) Aminosyrernes sidekæders natur til stede i α-helicer i membraner. Hvis et protein strækker sig igennem et helt lipid bilag, vil det typisk have en α-helix til at dække dette område. Hvis det tages i betragtning, at der er 1.5 Å mellem hver aminosyre i en α-helix, og at et lipid bilag er typisk 30 Å tyk, vil en α-helix, der strækker sig over dette lipide bilag typisk bestå af 20 aminosyrer, som gerne skulle have hydrofobe sidekæder. Hvis man ser på den frie energi for overførslen af en aminosyre fra et upolært miljø som i et lipid bilag og over i et vandigt miljø, fås tabel 12.2 på side 341 i Stryer. De 20 aminosyrer, som dækker det lipide bilag, siges at skulle have en samlet fri energi for ovenstående overførsel på over +84 kJ/mol for at kunne betragtes som en α-helix.

12) Spredningen af lipider og proteiner i et membranplan. Membraner er statiske strukturer, til gengæld er de konstant i bevægelse. Dette betyder også, at proteiner såvel som lipiderne kan bevæge sig med en bestemt hastighed langs membranen, men da membranen er assymetrisk (som angivet i kap.12 punkt 1), så det går meget langsomt for et lipid at skifte side på membranen; en situation, der kaldes for et flip-flop. Der findes en formel der beskriver den gennemsnitlige afstand, som et givet biomolekyle kan bevæge sig lateralt (langs membranen), som en funktion at tid, t:

DttS 4)( =

hvor D er en diffusionskonstant, og S er den angivne afstand som funktion af tiden t. Den typiske værdi af D for phosphorlipider er ca. 1 µm2/s, hvilket vil sige at den gennemsnitlige tilbagelagte afstand for et phosphorlipid er 2 µm/s; sagt på en anden måde kan et lipid-molekyle bevæge sig fra den ene ende af et bakterium til den anden ende i løbet af et sekund. Proteiner kan være næsten lige så mobile som lipider, mens andre er så godt som stationære. Et proteins mobilitet kan medvirke til flere møder med substrat, end hvis det blot var stationært, men stabilitet i membranen kan være nødvendigt i proteinkomplekser.


Side 20 af 45

13) Kontrol af membran-fluiditet. Membranernes fluiditet (flydende egenskaber) afhænger af lipidernes fedtsyrers mættethed. Dette skyldes, at hvis alle lipidernes fedtsyrer består af mættede fedtsyrer, vil alle fedt-syrerne ligge i et pænt lige mønster. Dette er også tilfældet hvis fedtsyrerne er umættede med en trans-dobbeltbinding, men hvis dobbeltbindingen er cis, fås et ”knæk” i fedtsyrens carbon-kæde. Et sådan knæk bryder med det ellers pæne lige mønster. Disse knæk i membranens fedtsyrer medvirker til at fedtsyrernes smeltepunkt falder (og derved fås der også en mere flydende membran jo flere dobbeltbindinger der er). Bakterier regulerer hvor flydende deres membraner er ved at ændre på antallet af cis-dobbeltbindinger i deres lipider. En regulator i dyreceller er cholesterol (vist i kap.12 punkt 3), som bryder med lipidernes fedtsyremønster. Cholesterol er et fyldigt upolært molekyle, som kan danne komplekser med fedtsyrerne. Disse komplekser kan koncentreres ved et bestemt sted. Alt i alt bevirker cholesterol membranerne med at stabilisere dem og dermed gøre dem mindre flydende.

Kapitel 15:

1) Hvad metabolisme er. Metabolisme er det netværk af kemiske reaktioner, der alt i alt resulterer i at celler kan opsamle energi fra dets miljø, samt at cellen kan syntetisere de ”bygge-klodser”, der skal benyttes til at skabe makromolekyler for derefter at skabe disse. Metaboliske veje er særdeles komplicerede; en illustration af alle disse veje (som i bund og grund er metabolisme), kan ses i Stryer på side 410. Men selvom der er mange metaboliske reaktioner, er typerne af disse reaktioner forholdsvis få og mange mekanismer går igen. Indenfor metabolisme er to hovedretninger; dem, der konverterer energi fra biologisk brændstof kaldes kataboliske reaktioner, og så er der de reaktioner, der kræver energi for at syntetisere biologiske molekyler; disse kaldes anaboliske reaktioner.

2) Koblingen af termodynamiske ufavorable reaktioner med termodynamiske favorable

reaktioner ved at skifte retningen i en kemisk ligevægt. Hvis man ser på en bestemt reaktion, hvor man for eksempel kløver et molekyle A til to forskellige molekyler B og C, kan reaktionen opskrives som

CBAI +↔)(

og hvis vi antager, at denne reaktion (I) har en fri energi på +5 kcal/mol, kan vi sige, at denne reaktion ikke vil forløbe spontant. Hvis vi til gengæld har en reaktion for stoffet B videre til et stof D, fås endnu en reaktion;

DBII ↔)(

og antager vi, at denne reaktion (II) har en fri energi på -8 kcal/mol, kan vi sige, at denne reaktion ikke vil forløbe spontant. Kombineres disse to reaktioner fås den samlede reaktion;

DCAIII +↔)(

som vil have en samlet fri energi på +5 kcal/mol – 8 kcal/mol = -3 kcal/mol. De to reaktioner er da koblede og den kemiske ligevægt for reaktion (I) skifter da retning i forhold til den ukoblede reaktion.


Side 21 af 45

3) Strukturen af ATP og den strukturelle basis af høj-phosphat overførselspotentiale af ATP. Adenosine triphosphates (ATP’s) struktur er vist nedenfor. Phosphat-grupperne kaldes for henholdsvis γ, β og α, fra venstre mod højre i figuren. Hydrolyse af ATP til ADP og et

uorganisk phosphat har en fri energi på molkcalG 3.7' −=∆ φ . Desuden er ATP meget tilbøjelig

til at overføre sin γ-phosphat-gruppe, dette skyldes tre faktorer: for det første har en fri phosphatgruppe og ADP samlet flere resonansformer, end ATP-molekylet har alene. For det andet har ATP tre phosphat-grupper lige ved siden af hinanden, alle med en negativ ladning; statisk repulsion gør dette ustabilt og dermed også ATP villig til at slippe af med samme. For det tredje kan mere vand binde sig til ADP og uorganisk phosphat (Pi) samlet, end der kan ved ATP alene. Alle disse faktorer giver ATP et højt phosphat overførselspotentiale.

OO

OHOH

P

O

O

P

O

O

O

O

O

O

O

P N

N

N

N

NH2

2- - -

γ β α

4) Andre molekylsammensætninger med højt phosphat overførselspotentiale. Der findes tre molekyler, der har et højere phosphat overførselspotentiale end ATP, og disse kan altså bruges til at phosphorylere ADP til ATP. Disse molekyler er phosphoenolpyruvate (PEP), kreatine phosphate og 1,3-biphosphoglycerate (1,3-BPG); strukturerne kan ses nedenfor. PEP og 1,3-BPG indgår i glycolysen (kapitel 16) og phosphorylerer ADP til ATP.

CH2

C

C

O

O

O

P

O

OO

-

2-

Phosphoenolpyruvate (PEP)

CH2C

O

O

NC

CH3

N

NH

P

O

OO

H

-

2-

Kreatine phosphate

O

P

O

OO

C

O

C

HOH

CH2O

P

O

O

O

2-

1,3-Biphosphoglycerate (1,3-BPG)

2-

5) ATP-ADP-cyklusen i biologisk energioverførsel. En menneskekrop indeholder alt i alt ca. 100 g ATP. Dette er langtfra nok til at stå op imod de energikrav en enkelt dag kræver, da ATP er den primære energikilde til arbejde og syntese af diverse molekyler. For at kompensere for dette regenereres de dannede ADP-molekyler igennem en lang række mulige reaktioner. Ved hårdt fysisk arbejde gendannes ATP ved hjælp af kreatine phosphate-molekyler, men herefter kommer glycolysen (kapitel 16) og oxidativ phosphorylering (kapitel 18) til at tage over.


Side 22 af 45

6) Aktiverede transportører/bærer af redox-ækvivalenter og to-carbon fragmenter. For at opnå maksimal syntese af ATP ved hjælp af diverse brændstof er oxidativ phosporylering (kapitel 18) nødvendig; dette kræver diverse elektron-bærer, der kan transportere disse elektroner til den endelige elektron-modtager; molekylær oxygen, O2. Disse to elektronbærer er nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) og flavin adenine dinucleotide (FAD+). En elektronbærer, der ligner NAD+ - NADP+ (en hydroxylgruppe på ribose er udskiftet med en phosphatgruppe), findes også, men denne indgår ikke primært i denne elektron-overførselsvej. Strukturerne for NAD+ og NADP+ er vist nedenfor til venstre: R-gruppen vist på det nedre ribose er i NAD+ et hydrogen-atom, og i NADP+ er denne R-gruppe en phosphatgruppe. Det reaktive site er vist som (C).

N

N

N

N

NH2

O

OH

H

OR

H

OH

CH2

H

O

P

O

O

O

P

O

O

O

ON+

OH

H

OH

H

OH

CH2

H

(C)

NH2

O

HH

H

H

-

- N (N)

(N)NH

O

O

OH

OH

OH

O

CH3

CH3

H

H

H

HH

AMP

FAD er egentlig et AMP-molekyle, hvor der på α-phosphat-gruppen sidder en flavin mononucleotide-gruppe, dette er vist i ovenstående figur til højre. De reaktive sites i FAD er angivet med (N). Både NAD+, NADP+ og FAD bærer to elektroner af gangen, og de reducerede former bliver da NADH, NADPH og FADH2. Det er primært NADH og FADH2 der er vigtige i vores sammenhæng, hvor de fungerer som elektron-donorer. Desuden er der acetyl-coenzyme A, der er en vigtig bærer af to-carbon fragmenter. Coenzyme A er et komplekst molekyle, som kan ses under kapitel 15 punkt 8 på næste side eller i Stryer på side 475. For simplificering skrives acetyl coenzyme A som følgende;

CH3

O

S CoA

Acetyl-CoA Coenzyme-A virker som en bærer af et to-carbon fragment, og kan frigive denne for selv at gå ud alene som CoA. Acetyl-CoA får en betydning i citronsyre-cyklusen (kapitel 17).

7) Strukturerne for NAD+ og FAD i relation til deres redox-egenskaber.

Strukturerne er vist ovenfor i punkt 6, og deres redox-egenskaber beskrevet under samme punkt.


Side 23 af 45

8) Strukturen for coenzyme A i relation til dets rolle som bærer af acetyl-grupper. Strukturen for coenzyme A er vist nedenfor til venstre i figuren. En acetyl-gruppe reagerer med sulfhydrul-gruppen (-SH gruppen), hvilket gør, at acetyl-gruppen er forbundet til coenzyme A gennem en thioester-binding; en simplificering af acetyl-CoA er vist til højre i nedenstående figur. Denne thioester-binding er meget tilbøjelig til at blive hydroliseret, da carbonyl-gruppen i acetyl-gruppen ikke er lige så reaktion som thioester-bindingen; dette gør coenzyme A til en god bærer af acetyl-grupper.

OO

OHO

P

O

O

P

O

O

O

O N

N

N

N

NH2

P

O

O

O

CH3

CH3OH

CH3O

NH

O

N

H

SH

- -

CH3

O

S CoA

Acetyl-CoA

2-

9) De basale typer af kemiske reaktioner i metabolisme. Redox-reaktioner er reaktioner, hvor et stof bliver oxideret og et andet reduceret – typisk i form af elektronbærer såsom NAD+. Disse reaktioner medvirker til elektron-transport. Dannelse af bindinger påkrævet energi er de reaktioner, hvor der bliver dannet kovalente bindinger typisk mellem carbon-atomer; disse reaktioner har en positiv fri energi og kræver derfor kløvningen af ATP for at kunne forløbe. Isomerisation er reaktioner, hvor der bliver re arrangeret atomer til at danne isomere. Gruppeoverførsler er reaktioner, hvor en funktionel gruppe på et molekyle bliver overført til et andet molekyle. Hydrolytiske reaktioner er hvor bindinger bliver kløvet alene ved tilsætning af vand. Funktionelle gruppers addition/separation er reaktioner, hvor der ved en dobbelt-binding i et molekyle bliver tilsat en funktion gruppe, eller en funktionel gruppe bliver fjernet for at danne en dobbelt-binding. Eksempler på alle disse reaktioner kan findes i Stryer side 425-427.

10) De tre hovedfaser i ekstraktionen af kemisk energi fra føde. Disse faser er glycolysen (kapitel 16), citronsyre-cyklusen (kapitel 17) og oxidativ phosphorylering (kapitel 18).

H


Side 24 af 45

11) Den generelle regulering af metabolisme. Regulering af metabolisme sker igennem tre punkter; Enzymer er biologiske katalysatorer. Ved at kontrollere mængden af enzymer, kontrolleres også hastigheden af givne reaktioner. Mængden af enzymer reguleres via hastigheden for syntese (transcriptionshastigheden) og degradering. Katalytisk aktivitet er en af de vigtigste reguleringsmetoder. Der findes forskellige former for regulering af katalytisk aktivitet. For det første er der reversibel allosterisk kontrol, der typisk virker vha. feedback inhibition; dette betyder, at et enzym, der er med i en eller anden form for biosyntetisk reaktionsvej bliver inhiberet af det slutprodukt, reaktionsvejen giver. Desuden kan regulering ske igennem reversibel kovalente modifikationer, et eksempel er glycogen phosphorylase, et enzym som nedbryder glycogen til glucose-monosakkarider; dette enzym bliver aktiveret ved at én bestemt serine-aminosyre bliver phosphoryleret, hvilket er en kovalent modifikation. For det andet virker hormoner som regulatorer, typisk i form af, at de regulerer hvorvidt reversible modifikationer finder sted. For det tredje reguleres katalytisk aktivitet af status for energiniveauet i cellen. Her findes et begreb, der hedder energi-ladning, og denne kan beregnes ud fra følgende formel;

[ ] [ ][ ] [ ] [ ]AMPADPATP

ADPATPladningEnergi

++

+=− 2

1

denne formel er en form for index, og går fra 0 (i det tilfælde findes kun AMP) til 1 (i det tilfælde findes kun ATP). Kataboliske reaktionsveje er inhiberet af en høj energi-ladning, mens anaboliske reaktionsveje er stimuleret af samme (se kap.15 punkt 1 for kata-/anaboliske reaktionsveje). Energi-ladningen i celler er typisk mellem 0.80 og 0.95. Adgang til substrat er et andet vigtigt reguleringspunkt. Mange af reaktionerne finder sted forskellige steder i cellerne. Dette betyder, at cellen kan regulere mængden af substrat i bestemte regioner og derved regulerer bestemte biologiske reaktionsveje. Der kan også reguleres gennem hvorvidt en celle modtager substrat; glucose er et godt eksempel. Celler optager glucose regelmæssigt fra blodet, men nedbrydning af glucose finder som regel kun sted hvis insulin (et hormon) er til stede til at fremme cellens optag af glucose fra blodet.

Kapitel 16:

1) Den centrale rolle for glycolyse i nedbrydningen af glucose til dannelse af energi og

”bygge-klodser”. Når vi indtager føde gør vi det typisk i form af store mængder af en masse forskellige stoffer; en stor del af disse er stivelse, mens en mindre del består af glycogen. Disse polysakkarider kløves i mindre dele for til sidst at blive til en masse monosakkarider. Glucose-monosakkarider bliver igennem glycolysen nedbrudt til pyruvate under dannelse af to ATP-molekyler. Glycolysen foregår anaerobt og slutproduktet, pyruvate, kan enten omdannes til lactate (mælkesyre) eller ethanol, alt efter en given situation. En tredje mulighed er at lade pyruvate indgå i citronsyre-cyklusen, som går videre til oxidativ phosphorylering; men dette sker ikke, hvis der ikke er molekylær oxygen til stede.

2) Glycolyse som et eksempel på anaerobt metabolisme. De samlede reaktioner for glycolysen kan opskrives til følgende reaktion:

OHHNADHATPpyruvateNADADPPeGlu i 222222222cos ++++↔+++ ++

og det er ikke påkrævet tilstedeværelsen af molekylært oxygen i nogen af mellem-reaktionerne. Glycolysen er altså en anaerob form for metabolisme.


Side 25 af 45

3) De tre mulige produkter ud fra pyruvate efter glucose er degraderet i glycolysen. I glycolysen bliver der dannet 2 NADH for hver gang en glucose bliver omdannet til pyruvate. I celler er der begrænsede mængder NAD+, så disse skal regenereres af de reducerede NADH for at opretholde redoxbalance. Dette gøres enten ved at omdanne pyruvate til lactate eller ethanol. Hvis molekylært oxygen er til stede er der mulighed for at omdanne pyruvate til acetyl-CoA, som kan gå videre i citronsyre-cyklusen og NADH bliver regenereret senere ved oxidativ phosphorylering. Nedenfor er vist disse reaktionsveje.

CO

O

CO

CH3

-

HC

O

CH3

H+ CO2

NADHH+ NAD

+ HC

OH

CH3

H

Pyruvate

Acetaldehyde Ethanol

NADHH+ NAD

+

C

COO

OH H

CH3

-

Lactate

CO2

CO

CH3

-

2 e-

CO

CH3

+

CoA

CH3

O

S CoA

Acetyl-CoA

4) De tre hovedfaser i glycolysen: konversionen af glucose til F1,6-BP, kløvningen af F1,6-BP

til DHAP og GAP, samt konversionen af GAP til pyruvate. Hele glycolysen kan ses i Stryer side 436. Den kan deles op i tre hovedfaster. 1. Fase består i 3 trin: et glucose-molekyle phosphoryleres til glucose-6-phosphate, som derefter bliver omdannet til sin isomer fructose-6-phosphate, og dette molekyle bliver phosphoryleret til fructose-1,6-biphosphate. Phosporyleringerne gøres ved hjælp af ATP i begge tilfælde. Denne del af glycolysen kræver altså energi. 2. Fase er et enkelt trin: fructose-1,6-biphosphate kløves i to tre-carbon fragmenter: glyceraldehyde-3-phosphate (GAP) og dihydroxyacetone phosphate (DHAP). Disse to molekyler er hinandens isomere, men det er kun GAP, der går videre i glycolysen. Derfor hjælper et enzym med at omdanne DHAP til GAP. Alt i alt fås da 2 GAP-molekyler. 3. Fase består derimod i 5 trin: glyceraldehyde-3-phosphate omdannes til 1,3-biphospho-glycerate ved tilsætning af en uorganisk phosphat og samtidig reduceres et NAD+. 1,3-biphosphoglycerate har et højt phosphat overførselspotentiale (se kap.15 punkt 4), og phosphorylerer da et ADP-molekyle til ATP for selv at blive til 3-phosphoglycerate. Denne omdannes da til 2-phosphoglycerate ved en ”gruppe-bytning”, som omdannes til phosphoenolpyruvate under fraspaltning af vand. Phosphoenolpyruvate har også et højt phosphat overførselspotentiale, og phosphorylerer da et ADP-molekyle til ATP, hvor phosphoenolpyruvate bliver til pyruvate. Bemærk: disse trin sker 2 gange per glucose!


Side 26 af 45

5) Navnene på enzymerne, samt navne og strukturerne for reaktanterne. Glycolysen kan som nævnt på forrige side ses i Stryer på side 436. Det vigtige at fange er hvorfor enzymerne hedder, hvad de nu hedder, samt hvordan strukturerne har en betydning for at der kan trækkes energi ud af en glucose. Glucose er en hexose ring, der ligner pyranose (glucose kaldes på ringform egentlig for glucopyranose), der er næsten symmetrisk. Ved at phosphorylere begge ”ender” af sukkeret, som gøres først ved glucose, som da laves om til sin isomer fructose, for derefter at phosphorylere igen giver denne deling. Herved kan molekylet kløves til to tre-carbon fragmenter med en phosphat-gruppe på hver. Da det kun er GAP, der går videre i glycolysen, ville der ikke komme andet end 1 NADH ud nedbrydningen af en glucose, men da DHAP og GAP er hinandens isomere, opnår man det højere udbytte 2 NADH og 2 ATP. Navnene på enzymerne fås typisk ud fra hvilken reaktant der indgår i den reaktion, de katalyserer, efterfulgt af reaktionstypen. Navnene er følgende, angivet trin for trin: Hexokinase har sit navn ud fra flere dele; hexo fordi den ene reaktant er en hexose og kinase fordi denne hexose bliver phosphoryleret. Phosphoglucose isomerase har sit navn fordi den katalyserer reaktionen af et phosphoryleret glucose-molekyle til sin isomer – fructose. Phosphofructokinase har sit navn fordi den katalyserer reaktionen, der phosphorylerer et allerede phosphoryleret fructose-molekyle (fra 1 til 2 phosphat-grupper). Aldolase har sit navn fordi den katalyserer reaktionen hvor der kløves en aldol; i dette tilfælde fructose-1,6-biphosphate. Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase har sit navn fordi den katalyserer reaktionen, hvor GAP oxideres – og for at opretholde redoxbalance reduceres en NAD+ til NADH. Phosphoglycerate kinase har sit navn fordi den katalyserer reaktionen, hvor GAP phosphorylerer et ADP-molekyle til ATP. Phosphoglycerate mutase har sit navn fordi den katalyserer reaktionen, hvor der bliver omrokeret på en funktionel gruppe. Enolase har sit navn fordi den katalyserer reaktionen, hvor produktet er en enol, under fraspaltning af vand. Pyruvate kinase har sit navn fordi den katalyserer reaktionen, hvor PEP phosphorylerer et ADP-molekyle til ATP. Mange af disse navne går igen alt efter reaktionstype: kinaser er hvor noget bliver phosphoryleret, det kan både være biomolekyler af ATP, men det kan også være ADP, der bliver phosphoryleret af biomolekyler. Dehydrogenaser fås for enzymer, der katalyserer en redoxreaktion, hvor det typisk er NAD+ der bliver reduceret. Isomeraser er enzymer, der katalyserer omdannelsen af et molekyle fra dens ene isomer til den anden. Mutaser er enzymer, der katalyserer reaktioner, hvor en funktionel gruppe bliver omrokeret.

6) Reaktionerne hvor ATP bliver forbrugt og dem, hvor ATP genereres. Som nævnt i kap. 15 punkt 4 har 1,3-biphosphoglycerate og phosphoenolpyruvate et højere phosphat overførselspotentiale end selve ATP og det er derfor muligt for disse molekyler at phosphorylere ADP til ATP. Disse stoffer kan opnås ved at phosphorylere glucose med to ATP-molekyler, dette bliver da kløvet til to tre-carbon fragmenter, der i sidste ende er ens – GAP. Dette molekyle modtager en uorganisk phosphat koblet med en oxidation; det er dette punkt, der er vigtigt for at glycolysen overhovedet giver den mængde energi, den gør. Produktet bliver 1,3-biphosphateglycerate, som phosphorylerer et ADP, og senere fås produktet phosphoenolpyruvate, som også phosphorylerer et ADP; og dette sker to gange.


Side 27 af 45

7) GAP dehydrogenase som enzymet der på basis af en redoxproces kan udføre substrat-level

phosphorylering. Det trin i glycolysen, som GAP dehydrogenase katalyserer, kan faktisk ses som to reaktioner: oxidation af aldehyden til en carboxylsyre, hvor et NAD+ reduceres til NADH.

C

CO

H OH

CH2OPO32-

H

+ NAD+

+ H2O C

CO

H OH

CH2OPO32-

OH

+ NADH + H+

Denne reaktion er meget favorabel, med en fri energi på mol

kcalG 12' −=∆ φ . Denne reaktion

er da koblet med reaktionen, hvor et uorganisk phosphate sætter sig på carboxylsyren, der giver acyl-phosphate-produktet 1,3-biphosphoglycerate.

C

CO

H OH

CH2OPO32-

OH

+ Pi C

CO

H OH

CH2OPO32-

OPO32-

+ H2O

Denne reaktion er meget ufavorabel, med en fri energi nogenlunde lig med den for ovenstående reaktion, blot med omvendt fortegn. Kobles de to reaktioner fås altså en substrat-level phosphorylering på basis af en redoxproces. Mekanismen for hvordan denne reaktion forløber i enzymet kan ses i Stryer på side 443.

8) Redoxbalancen i glycolysen, regenerationen af NAD+.

Denne er vist og beskrevet under kap.16 punkt 3.

9) Kontrolpunkterne i glycolysen. Kontrolpunkterne skal gøre sig gældende til at møde cellens behov for energi i form af ATP eller ”bygge-klodser” eksempelvis til syntese af fedtsyrer. Dette betyder, at de reaktioner i glycolysen, der er irreversible, er potentielle kontrolpunkter. Af disse er enzymerne for disse reaktioner kontrolpunkter: hexokinase, phosphofrutokinase og pyruvate kinase. Disse enzymer bliver reguleret af reversible bindinger af allosteriske effektorer eller kovalente modifikationer. Desuden virker mængden af disse enzymer også som et kontrolpunkt.

10) Phosphofructokinases allosteriske egenskaber. Phosphofructokinase bliver allosterisk inhiberet af høje niveauer af ATP. Dette sker ved at ATP binder sig til et site på enzymet væk fra dets aktive site og formindsker enzymets affinitet for fructose-6-phosphate (noncompetitive inhibitor, se kap.8 punkt 17). Til gengæld bevirker AMP til at ATP ikke binder sig til enzymet. Enzymets aktivitet bliver da stimuleret ved fald i energi-ladning (se kap.15 punkt 11). Desuden virker lav pH værdi også inhiberende på phosphofructokinase, fordi det under disse omstændigheder er lettere for ATP at binde til enzymet. Dette er tilfældet i muskelceller, hvor cellerne hurtigt skal møde behovet for ATP til sammentrækninger. I leveren er det lidt et andet tilfælde, hvor fructose-2,6-biphosphate (F2,6-BP) og citrate virker som allosteriske effektorer sammen med energi-ladningen, men da der ikke produceres lactate i leveren, virker lav pH ikke inhiberende. Førstnævnte bliver beskrevet i kap.16 punkt 11.


Side 28 af 45

11) Funktionen af F2,6-BP som en allosterisk effektor af phosphofructokinase. Mængden af glucose i blodet er forbundet med signalmolekylet fructose-2,6-biphosphate (F2,6-BP). I leveren vil koncentrationen af fructose-6-phosphate (F6-P) stige, hvis mængden af glucose i blodet er højt. Højere koncentration af F6-P accelerer syntese af F2,6-BP. F2,6-BP binder sig til phosphofructokinase og forøger dets affinitet for F6-P og modvirker ATP’s inhiberende effekt. Alt i alt fås, at glycolysen accelerer, når der er store mængder glucose til stede.

12) Regulering af enzymet PFK2/FBPase2. Enzymet er bifunktionelt og funktionen afhænger af om en bestemt serine aminosyre er phosphoryleret eller ej. Hvis mængden af glucose i blodet er lavt, vil et hormon, glucagon, medføre at protein kinase A phosphorylerer denne aminosyre. Phosphoryleringen bevirker at FBPase2 bliver aktiveret, mens PFK2 inhiberes. I denne tilstand vil enzymet katalysere reaktionen, hvor F2,6-BP bliver hydroliseret til F6-P og frigør et uorganisk phosphat. Dette betyder at glycolysen inhiberes, så gluconegenesis dominerer. Tilsvarende gælder der, at hvis mængden af glucose i blodet er højt, fjernes phosphat-gruppen fra serine-aminosyren. Dette medfører at FBPase2 da inhiberes, mens PFK2 aktiveres. I denne tilstand vil enzymet katalysere reaktionen, hvor F6-P bliver phosphoryleret af ATP til F2,6-BP. Dette betyder at glycolysen accelerer, og glycolysen dominerer da. Dette er vist på figur 16.30 i Stryer, side 467.

13) Reguleringen af hexokinase. Hexokinase er feedback inhiberet af produktet af den reaktion, enzymet katalyserer; glucose-6-phosphate. Høj koncentration af glucose-6-phosphate virker som et index for, at cellen hverken har brug for mere glucose til energi eller til syntese af glycogen (oplagrings-formen for glucose). Dette kan også forbindes med phosphofructokinase; fructose-6-phosphate og glucose-6-phosphate er i direkte ligevægt med hinanden. Dette medfører, at hvis phosphofructokinase er inaktivt, vil der oplagres fructose-6-phosphate, og for at opretholde ligevægt vil dette medføre en stigning i koncentrationen af glucsose-6-phosphat. Altså vil en inhibition af phosphofrutokinase også inhibere hexokinase.

14) Reguleringen af pyruvate kinase. Pyruvate kinase bliver allosterisk inhiberet af en høj energi-ladning; altså hvis [ATP] er høj, så der ikke er meget brug for glycolysen. Desuden kan alanine, en af de 20 α-aminosyrer, syntetiseres ud fra pyruvate, og alanine virker inhiberende, men i dette tilfælde signalerer det ikke et højt energi-niveau, nærmere at der er nok ”bygge-klodser”. Fructose-1,6-biphosphate virker dog stimulerende på dette enzym, da en høj [F1,6-BP] betyder, at pyruvate kinase skal kunne følge med de forhøjede koncentrationer af reaktanter.

15) Glucose-transportsystemet. Glucose bliver transporteret over plasmamembraner i dyreceller ved hjælp af en familie af proteiner, kaldet GLUT1 til GLUT5. De har forskellige roller, på trods af, at de alle virker som sukker-transportører. GLUT1 og GLUT3 er til stede i stort set alle pattedyrs celler og står for det basale optag af glucose ind i cellerne. Disse har en KM-værdi på 1 mM, hvilket betyder at der forløber et optag af glucose gennem disse proteiner med en konstant hastighed. GLUT2 er til stede i leveren og bugspytkirtlens β-celler (pancreas) og har en KM-værdi på 15-20 mM. Dette betyder at glucose kun optages, hvis mængden af glucose i blodet er højt.


Side 29 af 45

På denne måde kan cellerne fornemme ændringer i koncentrationen af glucose i blodet, hvilket er betydelig for bugspytkirtlen, der usender hormonet insulin, hvilket signalerer nødvendigheden for at fjerne glucose fra blodet. GLUT4 findes primært i muskel og fedt-celler og har en KM-værdi på 5 mM. Dette protein virker lidt ligesom GLUT1 og GLUT3, bortset fra dets højere KM-værdi, men der er en vigtig finesse: mængden af disse proteiner stiger ved tilstedeværelsen af insulin. Altså bevirker insulin, at optag af glucose forøges i muskel og fedt-celler vha. GLUT4. GLUT5 findes i tyndtarmen og fungerer primært som fructose-transportør. Ukendt KM.

16) Gluconeogenesis ikke er det omvendte af glycolyse. I glycolysen indgår tre irreversible trin; glucose til glucose-6-phosphate, fructose-6-phosphate til fructose-1,6-phosphate og phosphoenolpyruvate til pyruvate. Af denne grund kan glycolysen ikke vendes. Det meste af den frigjorte energi i glycolysen kommer fra disse reaktioner. Dette problem løses i gluconeogenesisen ved at gå omveje, der kræver energi for at forløbe. Pyruvate omdannes til oxaloacetate ved hjælp af carbondioxide og ATP:

++++→+++ HPADPteOxaloacetaOHATPCOPyruvate i 222

Enzymet pyruvate carboxylase katalyserer denne reaktion. Herfra kan oxaloacetate omdannes til phosphoenolpyruvate ved hjælp af GTP (ligner ATP):

2COGDPlpyruvatephosphoenoGTPteoxaloaceta ++→+

Altså gendannes carbondioxiden, men der er forbrugt et ATP- og et GTP-molekyle i processen. Enzymet phosphoenolpyruvate carboxykinase katalyserer denne reaktion. Fructose-1,6-biphosphate omdannes til fructose-6-phosphate ved at hydrolisere phosphat-esteren ved C-1:

iPphosphatefructoseOHebiphosphatfructose +−−→+−− 66,1 2

Enzymet fructose-1,6-biphosphatase katalyserer denne reaktion. Glucose-6-phosphate kan omdannes til glucose ved at hydrolisere phosphat-gruppen:

iPeGluOHphoshpateeGlu +→+−− cos6cos 2

Enzymet glucose-6-phosphatase katalyserer denne reaktion.

17) Hvilke molekyler kan blive metaboliseret gennem gluconeogenesis. De molekyler, der kan blive metaboliseret gennem gluconeogenesis er de samme som findes i glycolysen; Glucose, G6-P, F6-P, F1,6-P, GAP, DHAP, 1,3-BPG, 3-PG, 2-PG, PEP, oxaloacetate og pyruvate. Det er alene et spørgsmål om reaktionsvejene og behov for energi for at kunne forløbe. Gluconeogenesis kan starte tre steder. Lactate og nogle aminosyrer kan omdannes til pyruvate, som da kan arbejde sig op gennem gluconeogenesis. Tilsvarende kan nogle aminosyrer omdannes til oxaloacetate. Desuden er der et sidste punkt; glycerol, typisk fra fedt-molekyler, der har været igennem en β-oxidation, kan omdannes til dihydroxyacetone phosphate (DHAP).


Side 30 af 45

18) Navne for enzymerne, navne og strukturer for de tre specifikke reaktioner i gluconeogenesis. Disse reaktioner og enzymer er beskrevet under kap.16 punkt 16. Her fås strukturerne. Reaktionerne, der omdanner pyruvate til phosphoenolpyruvate, er følgende.

CO

O

CO

CH3

-

Pyruvate

+ CO2 + ATP + H2O C

CCOO

-O

H H

COO-

Oxaloacetate

+ ADP + Pi + 2H+

Pyruvate

carboxylase

Hvorefter følgende reaktion sker:

C

CCOO

-O

H H

COO-

Oxaloacetate

+ GTP

CO

O

COPO3

2-

CH2

-

Phosphoenolpyruvate

+ GDP + CO2

Phosphoenolpyruvate

carboxykinase

De resterende reaktioner er simple hydrolyser:

O CH2OPO32-

OH

H

OH

OH

H

O3POH2C

H

2-

+ H2O

Fructose-1,6-

biphosphatase

O CH2OH

OH

H

OH

OH

H

O3POH2C

H

2-

og

O

OH

HH

H

OH

OH

H OH

H

CH2OPO32-

+ H2O

O

OH

HH

H

OH

OH

H OH

H

CH2OH

Glucose-6-phosphatase

19) Biotin som en bærer af carbondioxide. Biotin er et molekyle, der er forbundet til en lysine-aminosyre på pyruvate carboxylase. Denne gruppe virker aktiverende for ATP, og medvirker i omdannelsen af pyruvate til oxaloacetate ud fra tre reaktioner. Bemærk at CO2 først opløses og er i form af HCO3

-.

ADPPOHOCOATPHCOI +−↔+ −− 2

323)(

iPenzymeBiotinCOPOHOCOenzymeBiotinII +−−↔−+− −2

2

32)(

teoxaloacetaenzymeBiotinpyruvateenzymeBiotinCOIII +−↔+−−2)(


Side 31 af 45

20) Konstruktionen og eksport af glucose fra gluconeogenesis. Konstruktionen af glucose gennem gluconeogenesis sker flere steder i cellen. Pyruvate omdannes til oxaloacetate i mitokondrierne, hvor det bliver omdannet til malate, for at kunne transportere det ud af mitokondrierne. Malate bliver transporteret ud i cytoplasmaet, hvor det bliver omdannet til oxaloacetate igen. De resterende reaktioner op til og med glucose-6-phosphate foregår i cytoplasmaet. Herefter skal glucose-6-phosphate transporteres ind i det endoplasmiske retikulum (ER), hvor hydrolysen af phosphatgruppen foregår, hvilket efterlader en uorganisk phosphat og glucose. Begge disse molekyler transporteres derefter ud fra ER igen til cytoplasmaet. Denne transport ind i ER for derefter at blive opfanget af enzymet glucose-6-phosphatase og derefter transport ud igen kræver samlingen af fem proteiner: T1 er det protein, der transporterer glucose-6-phosphate ind i ER. Glucose-6-phosphatase er enzymet for reaktionen. SP-proteinet (stabilizing binding protein) hjælper med at stabilisere glucose-6-phosphatase. T2 er det protein, der transporterer uorganisk phosphat tilbage i cytoplasmaet. T3 er det protein, der transporterer glucose tilbage i cytoplasmaet.

21) Den reciprokke regulering af glycolyse og gluconeogenesis. Både glycolyse og gluconeogenesis vil fungere på samme tid, men i forskellige omfang. Hovedpointen at huske på her er, at hvis der er brug for energi, dominer glycolysen, og hvis der er tilstrækkelige mængder energi, dominerer gluconeogenesis. De forskellige reguleringer kan ses i Stryer, figur 16.28, side 465.

22) Substrat-cykler som et middel til forstærkning af metaboliske signaler. En substrat-cyklus kan ses som følgende tilfælde: et substrat A bliver phosphoryleret til et molekyle B vha. ATP. Hvis vi antager at hastigheden for A � B er 100, og at hastigheden for B � A er 90, fås en nettosyntese B med en hastighed på 10. Hvis denne reaktion nu bliver allosterisk stimuleret med 20 % for A � B og inhiberet 20 % for B �, fås hastigheden for A � B til 120, mens hastigheden for B � A bliver 72; heraf fås en ny nettosyntese af B med en hastighed på 48 – dette svarer til en forøgelse på 380 % i forhold til før. Fandtes denne cyklus ikke, ville forskellen kun have været set som fra 100 � 120 eller fra 90 � 72, hvilket er en forskel på alene 20 %. Disse cykler virker derfor som forstærkere, og da nogle af stofferne virker som metaboliske signaler, kan cyklerne virke som et middel til forstærkning af disse signaler.

23) Samspillet mellem adskillige organer for at opnå fyldestgørende niveauer af glucose i

forskellige metaboliske situationer. Når fysisk arbejde udføres foregår glycolysen i stort omfang i muskelceller, da energi-niveauet herved falder. En del af glycolysen vil under alle omstændigheder danne lactate, og under fysisk arbejde vil koncentrationen af lactate stige betydeligt. Lactate vil fra muskel-cellerne blive transporteret ud i blodbanerne, hvor det vil blive optaget af leveren. I leveren vil gluconeogenesis omdanne lactate til glucose, som vil blive transporteret ud i blodbanerne hvor det videre kan transporteres tilbage til muskelceller for videre forbrug. Under strengt hårdt fysisk arbejde, såsom sprint, vil koncentrationen af lactate stige så betydeligt, at leveren ikke kan følge med, og man får følelsen af at en muskler ”syrer til”.


Side 32 af 45

Kapitel 17: 1) Citronsyrecyklens rolle i aerob metabolisme.

Citronsyrecyklen har en stor betydning for overførslen af elektroner fra carbon-brændstof til den oxidative phosphorylering. I løbet af citronsyrecyklen trækkes høj-energi elektroner ud af et carbon-brændstof; acetyl-CoA reagerer med oxaloacetate under dannelse af citratet, som oxideres i en række trin af cyklen for til sidst at regenerere oxaloacetate og slutte af med 2 af det oxiderede carbon-molekyle CO2. I løbet af en omgang af cyklen fås 3 NADH og 1 FADH2, som bruges til at skabe en proton-gradient mellem mitokondriernes matrix og deres intermembrane-rum.

2) Lokaliseringen af enzymerne i mitokondrier og deres navne. Enzymernes findes i mitokondriernes matrix. Før selve citronsyrecyklen kan gå i gang, skal pyruvate omdannes til acetyl-CoA, hvilket er en voldsomt kompliceret proces beskrevet i Stryer side 478-479. Enzymet, der katalyserer denne reaktion, er pyruvate dehydrogenase-komplekser, nogle af dem så enorme, at deres samlede masse ligger på 10 millioner dalton. Mange af citronsyrecyklens enzymer er dehydrogenaser. Enzymerne er taget i rækkefølge: Citrate synthase er enzymet, der katalyserer reaktionen hvor acetyl-CoA går sammen med oxaloacetate og danner citrate under frigørelse af coenzyme A. Aconitase er enzymet, der katalyserer reaktionerne, hvor citrate omdannes til sin isomer, isocitrate. Navnet for dette enzym er atypisk. Isocitrate dehydrogenase er enzymet, der katalyserer reaktionen, hvor isocitrate oxideres til α-ketoglutarate under reducering af NAD+ til NADH. Her frigøres desuden et CO2-molekyle. α-ketoglutarate dehydrogenase er enzymet, der katalyserer reaktionen, hvor α-keto-glutarate oxideres til succinyl-CoA under reducering af NAD+ til NADH og frigørelse af et CO2-molekyle. Succinyl-CoA synthetase er enzymet, der katalyserer reaktionen, hvor coenzyme A bliver fjernet fra succinyl-CoA, hvor der samtidig dannes et GTP-molekyle. Succinate dehydrogenase er enzymet, der katalyserer reaktionen, hvor succinate oxideres til fumarate. Her er det dog FAD der reduceres til FADH2. Fumarase er enzymet, der katalyserer reaktionen, hvor dobbeltbindingen i fumarate reagerer med vand, hvilket resulterer i malate. Malate dehydrogenase er enzymet, der katalyserer reaktionen, hvor malate oxideres til oxaloacetate. Her reduceres NAD+ til NADH.


Side 33 af 45

3) Reaktionerne i citronsyrecyklen: kondensation, dehydrering, hydrering, decarboxylering,

oxidation og substrat-level phosphorylering. Kondensationsreaktionen er den katalyseret af citrate synthase. Reaktionen fungerer ved at to molekyler bindes ved reaktion med vand. Oxaloacetate og acetyl-CoA reagerer og danner citryl-CoA, som danner citrate ved reaktion med vand og under frigørelse af coenzyme A. Dehydreringsreaktioner er hvor et vandmolekyle frigøres fra et substrat, typisk under dannelse af en dobbeltbinding. Hydreringsreaktioner er hvor et vandmolekyle tilsættes et substrat, typisk under fjernelse af en dobbeltbinding. Decarboxyleringsreaktioner er hvor carbon frigøres fra et substrat, typisk i form af carbon-dioxide. Oxidationsreaktioner er hvor et substrat oxideres, og ved opretholdelse af redoxbalance reduceres en elektronbære, typisk NAD+ eller FAD. Substrat-level phosphoryleringsreaktioner er hvor et substrat medvirker til en phosphorylering af et andet molekyle. Dette sker kun et sted i cyklen; reaktionen hvor succinyl-CoA bliver til succinate og samtidig phosphorylere GDP til GTP.

4) Navne og strukturerne for reaktanterne. Citronsyrecyklen er vist på bilag 4. Strukturer og navne for reaktanterne er følgende:

OC

COO-

CH2

COO-

Oxaloacetate

C

CH2

COO-

OOC OH

CH2

COO-

-

Citrate

C

CH2

COO-

OOC H

C

COO-

H OH

-

Isocitrate

CH2

CH2

COO-

COOOC

-

α-ketoglutarate

CH2

CH2

COO-

COSCoA

Succinyl-CoA

CH2

CH2

COO-

COO-

Succinate

OOCC

H

CH COO

-

-

Fumarate

C

CH2

COO-

COO-

OH H

Malate

5) De fem redoxprocesser, der involverer NAD+/NADH og FAD/FADH2.

På bilag 4 kan det ses, at oxidationen af isocitrate til α-ketoglutarate, af α-ketoglutarate til succinyl-CoA og af malate til oxaloacetate indebærer reduktion af NAD+ til NADH. Desuden vil der ved oxidationen af succinate til fumarate indebære reduktion af FAD til FADH2. I kapitel 16 punkt 3 er det desuden vist, at der under dannelse af acetyl-CoA fra pyruvate indgår en oxidation, hvor pyruvate smider to elektroner; for at opretholde redox-balance vil NAD+ blive reduceret til NADH. Alt i alt fås 4 NADH og 1 FADH2.


Side 34 af 45

6) Den totale støkiometri af citronsyrecyklen. Støkiometri betyder kvantitativ beregning af forholdet mellem reaktanter og produkter i balancerede kemiske reaktioner. Den totale støkiometri vil altså sige citronsyrecyklens reaktioner samlet til en net reaktion, der er følgende:

CoAHGTPFADHNADHCO

OHPGDPFADNADCoAAcetyl i

+++++→

+++++−+

+

232

23

22

2

Dette passer også godt sammen med cyklens forventninger. Vi tilsætter et to-carbon fragment, der træder ind i form af acetyl-CoA, som ender med at indgå i oxidation til to carbondioxide. Da oxaloacetate bliver regeneret, kan denne indgå i endnu en cyklus. I selve cyklen fås 3 NADH og 1 FADH2; den ene NADH nævnt i kapitel 17 punkt 5 sker uden for cyklen. Desuden fås et højt phosphat overførselspotentielt molekyle, GTP, som typisk vil phosphorylere et ADP til ATP andetsteds.

7) Oprindelsen af de carbon, der kløves af som carbondioxide i de to reaktioner af cyklen. Når oxaloacetate reagerer med acetyl-CoA og danner citrate, er det ikke helt det samme citrate, der går videre i citronsyrecyklen. Her vil hydroxy-gruppen nemlig sidde på venstre side af molekylet, og de carbon, der stammede fra acetyl, vil være øverst (se bilag 4 eller Stryer side 489). For at få den citrate, der indgår i citronsyrecyklen, vendes molekylet 180º,

og de to nederste carbon stammer nu fra acetyl-CoA. De carbondioxide, der forlader cyklen, vil derfor stamme fra oxaloacetate.

8) De primære punkter for regulering af citronsyrecyklen. Citronsyrecyklen reguleres primært ved tre punkter: omdannelsen af pyruvate til acetyl-CoA, isocitrate til α-ketoglutarate og α-ketoglutarate til succinyl-CoA. Det første kontrol-punkt bliver reguleret af pyruvate dehydrogenase-komplekset, som bliver inhiberet af et højt energi-niveau; dette passer også godt overens med, at hvis der ikke er meget brug for energi, vil der ikke være så meget brug for citronsyrecyklen. De to næste kontrolpunkter er de to reaktioner, hvor carbon-fragmenter fjernes i form af carbondioxide og herved trækkes også høj-energi elektroner ud af substratet. Isocitrate dehydrogenase bliver allosterisk stilumeret af ADP, som forøger enzymets affinitet for substrat. Desuden vil bindingen af substrat og NAD+ virke kooperativt. Overraskende er det, at NADH inhiberer enzymet ved direkte at fjerne NAD+ fra det. α-ketoglutarate dehydrogenase bliver foruden at blive inhiberet af et højt energi-niveau, også inhiberet af den katalyserede reaktions produkter: succinyl-CoA og NADH. Alt i alt fås, at hvis energi-ladningen er høj, altså at [ATP] er høj, vil der ikke være behov for citronsyrecyklen til at trække elektroner ud fra substrat til produktion af mere ATP.

9) Intermediater i citronsyrecyklen som forløbere for biosyntetiske reaktioner. Fire intermediater af citronsyrecyklen kan indgå i andre biosyntetiske reaktioner: Citrate kan reagere videre og danne fedtsyrer eller steroider. α-ketoglutarate kan omdannes til glutamate, som kan reagerer videre under dannelse af andre aminosyrer. Disse aminosyrer kan da reagere videre under dannelse af puriner. Succinyl-CoA kan reagere videre og danne porphyriner, heme-grupper og klorofyl. Oxaloacetate kan omdannes til aspartate, som kan reagere videre og danne andre amino-syrer, puriner og pyrimidiner.


Side 35 af 45

10) Glyoxylatcyklen som en variant af citronsyrecyklen, der gør bakterier i stand til at bruge

acetate som deres eneste carbon-kilde. Succinyl-CoA kan omdannes til glyoxylate ved at reagere med endnu en acetyl-CoA. Herved kan dannes glyoxylate, som kan reagere videre til malate og til sidst oxaloacetate. Acetyl-CoA kan planterne danne ud fra acetate, og denne vej igennem fås en net syntese af oxaloacetate, som kan gå ind i gluconeogenesen. Herved virker acetate som carbon-kilde.

Kapitel 18:

1) Oxidativ phosphorylering og respiration. Denne del af forbrænding af føde er den vigtigste del. I løbet af glycolysen er der opnået adskillige elektronbærer i form af NADH og FADH2, bærende en masse energirige elektroner. Disse elektroner vil i mitokondriers membran mellem dets matrix og det inter-membrane rum gå igennem en række komplekser, der medfører pumpningen af protoner over membranen, fra matrix til det intermembrane rum. Dette bliver opnået ved at lade elektronerne fra NADH og FADH2 bevæge sig igennem disse komplekser for endelig at blive opsamlet af molekylært oxygen, der bliver reduceret til vand. Denne pumpning medfører en proton-gradient, som giver et membran-potentiale, der benyttes af et enormt enzym; ATP-synthase, til at drive syntesen af ATP.

2) Membransystemet og dets forskellige dele i mitokondrier. Membransystemet består af fire komplekser, men hvis man tager ATP-synthase med i regnskabet, kan man antage fem komplekser. Tre af disse komplekser er protonpumper, mens det fjerde kompleks er en fysisk forbindelse til citronsyrecyklen. 1. Pumpekompleks: NADH-Q-oxidoreductase. 3. Pumpekompleks: Q-cytochrome c oxidoreductase. 4. Pumpekompleks: Cytochrome c oxidase. Elektroner bevæger sig fra NADH fra kompleks I til kompleks III, hvor molekylært oxygen endelig vil blive reduceret. Det fjerde, IV, kompleks, er succinate-Q-reductase, som indeholder succinate dehydrogenase, der er et af enzymerne i citronsyrecyklen; enzymet katalyserer reaktionen, hvor FAD bliver reduceret til FADH2; dette medfører, at FADH2 først kommer ind i kæden ved kompleks II. Samlet kaldes elektron-transporten gennem disse komplekser for elektrontransportkæden, ETK.

3) Redoxprocesser, overførsel af elektroner og redox-par. I oxidativ phosphorylering vil de elektronbærer, vi kender fra glycolysen og citronsyre-cyklen blive overført til en lang række forskellige elektronbærer; en af disse er coenzyme Q, en ubiquinone, samt adskillige cytokromer.

4) Redoxpotentialer og standard-reference celler. Redoxpotentialer angiver hvorvidt en agent (reaktant) er god til at reducere eller oxidere. Redoxpotentialet vil for en god reducerings-agent have en negativ værdi, mens en god oxidations-agent vil have en positiv energi. Redoxpotentialet er forbundet med halvcelle-reaktioner (se Stryer side 506), og er forbundet med fri energi ud fra formlen.

'''

' φφφ

φ EnFGnF

GE ∆−=∆⇔

∆−=∆

hvor n = antallet af elektroner, og F er faraday’s konstant ( )Vmolkcal

⋅06.23 .


Side 36 af 45

5) Vigtigheden af standardpotentialer som et mål for fri energi i elektrokemiske reaktioner. Det kan ud fra punkt 4 i kapitel 18 på forrige side ses, at standard-redoxpotentialer kan beregnes ud fra formlen:

'''

' φφφ

φ EnFGnF

GE ∆−=∆⇔

∆−=∆

Dette betyder, at ved at samle redoxpotentialer for givne halvcellereaktioner (redox-potentialer regnes kun for halvcellereaktioner) til én samlet reaktion, kan den frie energi for den givne reaktion findes. Negativt redoxpotentiale angiver en stærk reduceringsagent (afgive elektroner), mens positivt redoxpotentiale angiver en stærk oxidationsagent (modtage elektroner). Dette medfører, at har en net reaktion en positiv 'φE∆ , vil den fri energi være negativ og dermed spontan.

6) Sammenhængen mellem standard-redoxpotentialet og gibbs fri energi. Se kapitel 18 punkt 4 og 5.

7) De fire elektron overførsels enzym-komplekser: I, II, III og IV. Disse fire komplekser er samlede i membranen til et supramolekyle. Det er kun kompleks I, III og IV, der pumper elektroner over membranen. Kompleks I: NADH-Q Oxidoreductase er det første kompleks og er hvor NADH går ind i elektrontransportkæden. Komplekset består fysisk af en arm, der vender mod matrixen af mitokondrierne, og en horisontal arm inde i membranen; formen minder om et L. Den reaktion, der katalyseres af dette kompleks, er følgende:

cytoplasmmatrix HQHNADHQNADH +++ ++→++ 45 2

hvor Q er coenzyme Q; ubiquinone. Dette fungerer ved at NADH først afgiver sine elektroner til til en FMN-gruppe, som sender elektronerne videre igennem en samling af jern-svovl-klynger, for til sidst at reducere Q (coenzyme Q) til QH2. Kompleks II: Succinate-Q Reductase er et integralprotein i membranen, og indebærer enzymet succinate dyhydrogenase, der indgår i citronsyrecyklen, hvorved FADH2 bliver dannet. Elektronerne i FADH2 forlader herefter ikke komplekset; dets elektroner bliver overført til jern-svovl-klynger for endelig at reducere Q, der herefter indtræder i ETK. Kompleks III: Q-cytochrome c oxidoreductases rolle er at overføre elektroner fra QH2 til cytochrome c i dets oxiderede form (Cytc_ox). Dette sker af to omgange, da cytochrome c kun optager en elektron af gangen. Dette kan ses på figur 18.12 i Stryer, side 514. Først binder både et Q, et reduceret QH2 og cytochrome c til enzymet. Inde i enzymet vil en elektron fra QH2 transporteres til en jern-svovl-klynge, for derefter at blive transporteret til cytochrome c1 og endeligt til cytochrome c. Den anden elektron fra QH2-molekylet vil bevæge sig til en heme-gruppe kaldet bL (L for Low Affinity), dernæst til en lignede heme-gruppe kaldet bH (H for High affinity), for til sidst at blive overført til et andet coenzyme Q,

der da danner en radikal: −•Q . Det oxiderede coenzyme Q (fra QH2 til Q), vil da blive

sendt ud i det lipide bilag, og de 2 H+ udsendes af enzymet til det intermembrane rum. I anden omgang er et Q-radikal bundet til enzymet fra starten, og her optages endnu en QH2 og endnu en cytochrome c. På tilsvarende måde som ovenstående transporteres den ene elektron til cytochrome c, og den anden til Q-radikalen, som bliver til Q2-. De to H+ fra QH2 udsendes til det intermembrane rum (som anses som cytoplasma). Den ladede Q2- stabiliseres ved at optage to protoner fra matrixen for at blive til QH2, som transporteres til det lipide bilag. Fortsætter næste side.


Side 37 af 45

Fortsat punkt 7 (kap.18): Alt i alt fås følgende net-reaktion:

cytoplasmredmatrixox HcCytQHcCytQH ++ ++→++ 42222

Kompleks IV: Cytochrome c Oxidase er lidt mere kompliceret, men dette kompleks er essentielt idet den katalyserer den reaktion, hvor molekylært oxygen reduceres til vand. Enzymet indeholder nogle kobber- og jern-heme-grupper. Først tilslutter to cytochrome c sig enzymet og donerer henholdsvis sin elektron til en heme-jern-gruppe kaldet Heme a3, mens den anden donerer sin til en kobber-gruppe kaldet CuB. Disse reducerede grupper kan nu reagerer med molekylært oxygen, så der dannes en peroxide-bro mellem de to grupper. Herefter binder to nye cytochrome c sig til enzymet, som i forbindelse med to protoner fra matrixen kløver peroxide-bindingen; heraf fås en hydroxygruppe på hver af de to grupper. Ved optag af yderligere to protoner fra matrixen kløves vand fra de to grupper, og enzymet er klar til en ny omgang. Denne proces fører desuden til pumpningen af fire protoner fra matrixen over i cytoplasmaet. Alt i alt fås net-reaktion:

OHHcCytOHcCyt cytoplasmoxmatrixred 22 24484 ++→++ ++

8) Mobile elektronbærer i den respiratoriske kæde.

Under punkt 7 i kap.18 er der blevet nævnt følgende elektronbærer. De fleste af dem er komplicerede: jern-svovl-klynger kan ses i Stryer på side 511, og en af heme-grupper kan ses i Stryer på side 515. Den vigtigste at huske ubiquinone, der reduceres til ubiquinol:

OCH3

OCH3

O

O

CH3

R

OCH3

OCH3

OH

OH

CH3

R

Ubiquinone Ubiquinol hvor R-gruppen består af isopren-grupper sat på i kæde efter hinanden, typisk i dyreceller består denne af R-gruppe af 10 isopren-grupper.

9) Strømmen af elektroner gennem komplekserne og bærerne. Denne er blevet beskrevet under punkt 7 (kap.18). Typisk for denne vandring af elektroner afhænger af deres affinitet til at blive reduceret i forhold til de foregående bærers evne til at oxideres.

10) Strukturerne og redox-egenskaberne af jern-svovl-klyngerne og heme-grupperne. Strukurerne for jern-svovl-klyngerne kan ses i Stryer side 511. Fælles for dem alle er, at cysteine aminosyrer indgår med deres svovl som en del af nettet, enten i form af 4 cysteine til en Fe (A i Stryer), eller også i form af 2 cysteine til hver sin Fe-atom, der er forbundet med hinanden via 2 S-atomer (B i Stryer). Desuden findes en endnu mere kompliceret form, hvor fire cysteine er forbundet til et net af fire Fe forbundet til fire S (C i Stryer). Fælles for dem alle er, at Fe i disse klynger skiftes til at være Fe2+ (oxideret form) eller Fe3+(reduceret form). På denne måde kan klynger placeres tæt på hinanden i proteinet, og elektronerne kan da ”vandre” igennem proteinet via disse klynger. Heme-grupperne virker lidt på samme måde, bortset fra at netværket, som jern eller kopper indgår i, er mere kompliceret, og ikke nødvendigvis direkte forbundet proteinets sidekæder.


Side 38 af 45

11) Transitionen fra to-elektronbæren Q til et-elektronbæren cytochrome c. Dette er blevet beskrevet under punkt 7 (kap.18), se under kompleks III, eller eventuelt figur 18.12 i Stryer, side 514.

12) Reduktionen af en heme-bundet oxygen i cytochrome c oxidase. Dette er blevet beskrevet under punkt 7 (kap.18), se under kompleks IV, eller eventuelt figur 18.14 i Stryer, side 516.

13) Den kemiosmotiske model for oxidativ phoshporylering: hypotesen og eksperimentelle

beviser. Før i tiden troede man, at elektronoverførslen førte til høj-energi intermediater, som ville kunne omdannes til høj phosphat overførselspotentielle stoffer, som derfra kunne phosphorylere ATP. Den kemiosmotiske model bygger på, at elektronoverførslerne bevirker til pumpningen af protoner på tværs af membranen, som derfra vil skabe et elektrisk felt og et membranpotentiale. For at opretholde ligevægt vil protonerne gerne tilbage ind i matrixen og dette skulle da gerne drive syntesen af ATP. Dette er blevet vist eksperimentelt ved hjælp af bacteriorhodopsin, en lys-dreven protonpumpe. Herefter konstruerede man en vesikkel, der kun indeholdt bacteriorhodopsin og ATP-synthase. Eksperimentet viste, at når vesiklen blev udsat for lys, pumpede denne protoner ud fra vesiklen, og ATP blev syntetiseret. Eksperimentet viste at den respiratoriske kæde og ATP-synthase er to forskellige biologiske systemer, men disse er funktionelt forbundet af en protongradient.

14) Pumpningen af protoner til fra matrix til cytosol-siden i de tre komplekser I, III og IV. Dette er blevet vist under punkt 7 (kap.18).

15) Ændringen i fri energi ved passage af et elektronpar i relation til energien påkrævet syntese

af ATP. Når to elektroner fra NADH passerer gennem elektrontransportkæden, kan beskrives som følgende reaktion:

++ +↔++ NADOHHONADH 2221

hvilket har en fri energi på molkcalG 6.52' −=∆ φ . Sammenlignet med de mol

kcal3.7 det kræver

at syntetisere ATP, ville man godt kunne forestille sig, at et elektronpar var nok frigørelse af energi til at koble med syntese af 6 ATP. Dette er dog ikke tilfældet, da den ovennævnte reaktion er en net-reaktion af alle de små reaktioner, der sker ned igennem kompleks I-IV. I løbet af denne transportvej vil meget af energien være gået tabt. I stedet benyttes den frigjorte energi til at danne en proton-gradient alt imens elektronerne bevæger sig ned af elektrontransportkæden.

16) Det molære udbytte af ATP af passage af elektroner fra NADH og FADH2 i ETK. Den mængde protoner, som NADH pumper ud igennem elektrontransportkæden (ETK), svarer til et ca. udbytte af syntese af 2.5 mol ATP pr. 1 mol NADH. Dette tal er noget lavere for FADH2: 1.5 mol ATP pr. 1 mol FADH2 – dette skyldes at elektronerne fra denne elektronbærer først kommer ind i ETK i kompleks III, og pumper altså ikke lige så mange elektroner over membranen.


Side 39 af 45

17) Specifikke inhibitorer af elektrontransportkæden. Selve ETK kan blive inhiberet ved adskillige punkter; typisk ved at ødelægge de forskellige elektronbærers affinitet overfor modtagelse af elektroner. Nogle klassiske eksempler er rotenone og amytal, der blokerer transporten af elektroner i kompleks I; dette stopper dog ikke oxidativ phosphorylering fuldstændigt, da FADH2 kommer fra kompleks II, men energi-udbyttet af et enkelt FADH2 er ikke tilstrækkeligt til at holde alle systemer kørende. Antimycin A går ind i kompleks III og blokerer her ETK ved at sørge for, at bH-gruppen ikke slipper elektronerne. Endelig findes cyanide og carbon monoxide, der hver især går ind og angriber hver sin heme-gruppe i kompleks IV.

18) Den generelle struktur af ATP synthase. Selve strukturen kan ses i Stryer på figur 18.25, side 522. Der er tre vigtige funktionelle dele at huske af strukturen: for det første består den af en rotor, der virker som en form for kanal for protoner, kaldet c-ringen. Denne er forbundet til en polypeptidkæde, kaldet stilken (officielt kaldet γ-kæden), som roterer sammen med c-ringen. Stilkens ende er omringet af en hexamer af to subunits; det er i denne hexamer, at syntese af ATP foregår. Ved at rotere på stilken, ændres formen på de tre af hexamerens ene subunits, hvorved denne får enten en løs, fast eller åben form. ATP-syntese sker i den faste form, mens frigørelse af ATP og optagelse af ADP og Pi sker i den åbne form. Alle disse forskellige dele er forbundet med mange mindre peptider, der sørger for at holde tingene på plads.

19) Rotations-katalyseret syntese af ATP. Dette er blevet nævnt kort i ovenstående punkt 18. Kombiner med figurerne på side 524 i Stryer, og husk følgende: i en åben form (O) vil en subunit være i stand til at smide ATP ud fra subuniten og dermed også tage ADP og en Pi til sig til en ny binding. I en løs form (L) vil denne mulighed for at optage substrat ikke længere være mulig, men når denne form opnås vil det være usandsynligt at ADP og Pi ikke sidder i formen. I den faste (tætte, T) form dannes bindingen mellem ADP og Pi; ATP syntetiseres. Formerne går altid fra O � L � T � O � L � T etc., hvilket opnås ved rotation med stilken. I princippet kan O-fasen deles op i tre; frigørelsen af ATP, optagelsen af ADP og optagelsen af Pi, før denne når på en løs form igen. Bemærk at hastigheden for syntese af ATP afhænger af proton-gradienten, da denne har en betydning for rotationen af enzymets stilk. Hvis kroppen har brug for energi vil gradienten være høj og rotationen vil være hurtig, men her vil koncentrationerne af ADP og Pi også være høje nok til at følge med.

20) Protontransport fra cytosol-siden til matrixen vha. rotation af γ-kæden af ATP-synthase og

rollen af aspartate-aminosyren i membran-placeret c-ring. Denne del kan være lidt svær at fange uden at se på figur 18.32 i Stryer side 526 (svær at tegne af). C-ringen består af ca. 10 ens membranproteiner, bestående af α-helicer. Omtrent på midten af disse proteiner findes en aspartate-aminosyre. Denne ring af ens proteiner støder op til et andet membranproteinet, der har en kanal ud til cytoplasmaet og halvvejs igennem proteinet, for på den anden side af proteinet at have en kanal til matrixen, som også går halvvejs igennem proteinet, men disse kanaler mødes ikke! Kanalerne munder ud i et hul, hvor de møder disse aspartate-aminosyrer i c-ringen (c-ringen er det eneste, der roterer). Herved fås, at aspartate bliver udsat for et miljø med meget lav pH, og bliver da protoneret. Ved at rotere c-ringen kommer disse protonerede aspartate-aminosyrer til sidst i kontakt med den anden kanal, forbundet med matrixen, hvor pH er høj, og aspartate deprotoneres.


Side 40 af 45

21) Glycerolphosphate og aspartate-malate skyttel-systemer. Der findes to måder hvorpå elektroner kan indtræde i elektrontransportkæden. I Cytoplasmaet kan oxaloacetate blive reduceret til malate ved brug af NADH, som bliver til NAD+ på cytoplasma-siden. Malate kan transporteres over membranen og ind i matrixen, hvor malate kan oxideres tilbage til oxaloacetate ved samtidig at reducere NAD+ til NADH på matrix-siden. Der opstår dog et problem; oxaloacetate kan ikke transporteres over membranen igen af sig selv. I stedet reagerer oxaloacetate med glutamate til stede i matrixen, og danner aspartate og α-ketoglutarate. Disse to molekyler kan transporteres over membranen, hvor reagerer med hinanden igen og danner oxaloacetate og glutamate. Nu vil glutamate være på cytoplasma-siden, men denne kan godt bevæge sig over membranen for at opretholde ligevægt igen. I glycerolphosphate skyttel-systemet reduceres dihydroxyacetone phosphate til glycerol-3-phosphate ved hjælp af NADH. Dette oxideres igen tilbage til dihydroxyacetone phosphate ved samtidig at reducere et enzym-bundet FAD til FADH2, som heraf går videre i elektron-transportkæden via kompleks II. Hvis NADH skal komme ind i elektrontransportkæden denne vej, fås der dog ikke lige så mange pumpede elektroner, som hvis den indgik i kompleks I (problemet er at NADH skal ind fra matrix-siden, og ikke al NADH findes på denne side).

22) ATP-ADP-Translocase. Dette er et enzym som udgør 15 % af membranproteinerne i mitokondrier. Dets funktion er at transportere ATP ud fra matrixen og ADP ind til matrixen, og disse er koblede, det vil sige, at enzymet ikke transporterer ATP ud, medmindre ADP også transporteres ind. Enzymet er et integral-membranprotein, og fungerer ved at binde ADP til sig, for derefter at ændre form, så der lukkes på cytosol-siden, samtidig med at der åbnes på matrix-siden, hvor ADP vil frigøres. I denne form vil enzymet opsamle ATP, hvorefter det ændrer form igen og lukker på matrix-siden, samtidig med at der åbnes på cytosol-siden, og ATP frigøres, hvorefter det hele kan ske en gang til.

23) Udbyttet af ATP ved komplet oxidation af glucose. Alt i alt fås følgende udbytte ved komplet oxidation af glucose: for det første bruges 2 ATP i glycolysen ved phosphoryleringen til fructose-1,6-biphosphate. Dannelse af to gange PEP og 1,3-BPG, molekyler med højere phosphat overførselspotentiale end ATP, medfører dog, at der genvindes 4 ATP i glycolysen. Desuden vil der i citronsyrecyklen under dannelse af succinly-CoA dannes 2 GTP, som reagerer med ADP og danner 2 ATP; alt i alt er vi oppe på 4 ATP ved direkte phosphoryleringer igennem cyklerne. Herefter kommer elektronbærerne: 2 molekyler NADH fra glycolysen bliver nødt til at benytte glycerolphoshpate-skyttel-systemet, og medvirker altså kun med 1.5 ATP; samlet er vi oppe på 7 ATP. Herefter fås 2 NADH fra decarboxylering af pyruvate under dannelse af acetyl-CoA; dette sker i matrixen og NADH kan altså gå direkte til kompleks I og medvirker med 2.5 ATP hver; her når vi op på 12 ATP. I løbet af 2x citronsyrecyklen får vi dannet 2 FADH2 og 6 NADH, som kan komme i direkte kontakt med komplekserne, heraf fås 3 ATP + 15 ATP = 18 ATP. Kombineres dette med de 12 ATP fra før fås i alt 30 ATP. Alt i alt vil oxidation af 1 mol glucose altså medføre syntesen af 30 mol ATP.


Side 41 af 45

24) Respiratorisk kontrol. Selvom oxidativ phosphorylerings-komplekserne I-IV ikke er direkte biologisk koblede med ATP-synthase, er disse alligevel reguleret til at virke koblede. Dette betyder, at elektroner ikke vil blive sendt ned igennem elektrontransportkæden, uden at ADP samtidig bliver phosphoryleret til ATP. Dette betyder at vi ved arbejde forøger vores koncentration af ADP i kroppen, hvilket betyder forøget hastighed af glycolysen og citronsyrecyklen, men for at oxidativ phosphorylering, kræves det, er molekylært oxygen er til stede. At oxidativ phosphorylering skal møde op til behovet for energi i celler og derved phosphorylerer ADP til ATP og samtidig kræver molekylært oxygen tilstede er hvad man kalder respiratorisk kontrol. Hvis behovet for energi er højt skal oxidativ phosphorylering køre på højtryk, hvilket vi på kroppen kan mærke som hyppigere respiration.

25) Unkoblere og termogenesis. Diverse molekyler virker som unkoblere af oxidativ phosphorylering, blandt andet ved at blokere elektrontransportkæden i punkt 17 (kap.18). Disse kan stoppe oxidativ phosphorylering ved flere punkter, blandt andet ved at inhibere ATP synthase eller ATP-ADP-Translocase. Men unkoblere benyttes også i dyr som går i hi eller for at genere varme. Dette fungerer ved, at da der ikke er så meget brug for ATP-syntese, benyttes proton-gradienten til blot at lade protonerne løbe over membranen under samtidig frigørelse af energi; en del af den frie energi ved overførslen af en proton fra cytosolet til matrixen bliver herved omdannet til varme.


Side 42 af 45

+H3N C COO

-

H

H

Glycine

+H3N C COO

-

H

CH3

Alanine

+H3N C COO

-

H

CH

CH3

CH3

Valanine

+H3N C COO

-

H

CH2

CH

CH3

CH3

Leucine

+H3N C COO

-

H

CH

CH2

CH3

CH3

Isoleucine

+H3N C COO

-

H

CH2

CH2

S

CH3

Methionine

+H2N C COO

-

H

CH2

CH2

CH2

Proline

+H3N C COO

-

H

CH2

Phenylalanine

+H3N C COO

-

H

CH2

OH

Tyrosine

+H3N C COO

-

H

CH2

NH

Tryptophan

+H3N C COO

-

H

CH2

OH

Serine

+H3N C COO

-

H

CH

OH

CH3

Threonine

+H3N C COO

-

H

CH2

SH

Cysteine

+H3N C COO

-

H

CH2

COO

Aspartate

-

+H3N C COO

-

H

CH2

CNH2O

Asparagine

+H3N C COO

-

H

CH2

CH2

COO

-

Glutamate

+H3N C COO

-

H

CH2

CH2

CNH2O

Glutamine

+H3N C COO

-

H

CH2

CH2

CH2

CH2

NH3+

Lysine

+H3N C COO

-

H

CH2

CH2

CH2

NH

CNH2NH2

Arginine

+

+H3N C COO

-

H

CH2

N NH

Histidine

Bilag 1: Strukturerne for de 20 forskellige α-aminosyrer i Fischer-projektioner.


Side 43 af 45

Bilag 2: Strukturen af en α-helix.


Side 44 af 45

Bilag 3: strukturen af en vesikkel, bestående af et lipid bilag. En celle kan godt betragtes som en stor vesikkel.


Side 45 af 45

Bilag 4: citronsyrecyklen.

OC

COO-

CH2

COO-

Acetyl-CoA+ H2O

CoA

C

CH2

COO-

OOC OH

CH2

COO-

-Citrate synthase

Aconitase

C

CH2

COO-

OOC H

C

COO-

H OH

-

NAD+

NADH

+ H+ + CO2

CH2

CH2

COO-

COOOC

-

Isocitratedehydrogenase

NAD+ + CoA

NADH

+ H+ + CO2

CH2

CH2

COO-

COSCoA

α-ketoglutaratedehydrogenase

complexGDP + Pi

GTP + CoA

Succinyl-CoA

synthetase

CH2

CH2

COO-

COO-

FAD

FADH2

OOCC

H

CH COO

-

-

Succinatedehydro-genase

H2O

Fumarase

C

CH2

COO-

COO-

OH H

NAD+

NADH + H+

Malatedehydro-genase

Oxaloacetate

Citrate

Isocitrate

α-ketoglutarate

Succinyl-CoASuccinate

Fumarate

Malate

Documents

bio chemistry notes - danish