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22: Biosynthese von Aminosäuren, Nukleotiden und verwandten Molekülen - Biologie

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22: Biosynthese von Aminosäuren, Nukleotiden und verwandten Molekülen

KAPITEL 15 - Biosynthese von Aminosäuren und verwandten Verbindungen

Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die Biosynthese von Aminosäuren und verwandten Verbindungen. Drei der Aminosäuren, nämlich Alanin, Asparaginsäure und Glutaminsäure, werden leicht durch Transaminierung aus Produkten des Zitronensäurezyklus gebildet. Das Kapitel befasst sich mit der Bildung bestimmter biologisch wichtiger Verbindungen, die von Aminosäuren abgeleitet sind. Die Stoffwechselwege der Serinbiosynthese erscheinen aufgrund der Verfügbarkeit ihrer Vorläufer und der Analogie zur Bildung einer Vielzahl anderer Aminosäuren sehr logisch. Die Authentizität des enzymatisch gebildeten aktiven Formaldehyds wurde durch seine Reaktivität bei der Serinbiosynthese und seine Oxidation zu Formyl-FH . nachgewiesen4 durch Triphosphopyridinnukleotid und CH2OH-FH4Dehydrogenase. Die Akkumulation von L-Homoserin aus L-Aspartat in Suspensionen einer Mutante von Escherichia coli die Umwandlung von Homoserin in Threonin blockiert. Die Reaktionen auf dem Weg der Homoserin- und Threoninbildung für Asparaginsäure wurden weitgehend durch Enzymstudien nachgewiesen. Zwei verschiedene Wege für die Biosynthese von Lysin wurden entdeckt. Pilze nutzen einen Weg durch α-Aminoadipinsäurebakterien und Blaualgen nutzen einen Weg durch Diaminopimelinsäure. Die essentielle Natur der Reaktionen für die Histidinbiosynthese zeigt sich darin, dass ihre Elimination durch Mutation zu einem Wachstumsbedarf von Histidin führt.


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Purin- und Pyrimidinsynthese

Purine werden im Gegensatz zu Pyrimidinen biologisch als Nukleotide und insbesondere als Ribotide synthetisiert.

Lernziele

Unterscheiden Sie zwischen Purin- und Pyrimidinsynthese

Die zentralen Thesen

Wichtige Punkte

  • Ein wichtiger regulatorischer Schritt bei der Synthese von Purinen ist die Produktion von 5-Phospho-α-D-ribosyl-1-pyrophosphat (PRPP) durch die PRPP-Synthetase, die durch anorganisches Phosphat aktiviert und durch Purin-Ribonukleotide inaktiviert wird.
  • Sowohl Adenin als auch Guanin werden vom Nukleotid Inosinmonophosphat (IMP) abgeleitet, welches die erste Verbindung auf dem Weg ist, die ein vollständig gebildetes Purinringsystem aufweist.
  • Im Gegensatz zu Purinen werden Pyrimidine aufgebaut, bevor sie an 5-Phosphoribosyl-1-pyrophosphat (PRPP) gebunden werden.

Schlüsselbegriffe

  • Purin: Jede aus einer Klasse organischer heterocyclischer Basen, die kondensierte Pyrimidin- und Imidazolringe enthalten, sie sind Bestandteile von Nukleinsäuren
  • Pyrimidin: Ein Diazin, bei dem sich die beiden Stickstoffatome in den Metapositionen befinden, es ist die Basis von drei der in DNA und RNA vorkommenden Basen, Thymin, Uracil und Cytosin
  • PRPP: Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP) ist ein Pentosephosphat, das aus Ribose-5-Phosphat durch das Enzym Ribose-Phosphat-Diphosphokinase gebildet wird. Es spielt eine Rolle bei der Übertragung von Phospho-Ribose-Gruppen in mehreren Reaktionen:

Purine werden biologisch als Nukleotide und insbesondere als Ribotide synthetisiert, d. h. Basen, die an Ribose-5-Phosphat gebunden sind. Ein wichtiger regulatorischer Schritt ist die Produktion von 5-Phospho-α-D-ribosyl-1-pyrophosphat (PRPP) durch PRPP-Synthetase, die durch anorganisches Phosphat aktiviert und durch Purin-Ribonukleotide inaktiviert wird. Es ist kein fester Schritt zur Purinsynthese, da PRPP auch in der Pyrimidinsynthese und in Bergungswegen verwendet wird. Der erste Schritt ist die Reaktion von PRPP, Glutamin und Wasser zu 5′-Phosphoribosylamin, Glutamat und Pyrophosphat, katalysiert durch Pyrophosphat-Amidotransferase, die durch PRPP aktiviert und durch AMP, GMP und IMP gehemmt wird.

Purinstruktur: Ein Purin ist ein Nukleotid (eine Nukleosid- + Phosphatgruppe), das auf Aminbasis und planar, aromatisch und heterozyklisch ist. Die Struktur von Purin ist die einer Cyclohexan (Pyrimidingruppe) und Cyclopentan (Imidazolgruppe), die aneinander gebunden sind. Die Stickstoffatome befinden sich an den Positionen 1,3,7,9. Adenin(A) und Guanin(G) sind Beispiele für Purine, die am Aufbau des Rückgrats der DNA und RNA beteiligt sind.

Sowohl Adenin als auch Guanin werden vom Nukleotid Inosinmonophosphat (IMP) abgeleitet, das die erste Verbindung im Stoffwechselweg ist, die ein vollständig gebildetes Purinringsystem aufweist. Inosinmonophosphat wird auf einem bereits bestehenden Ribose-Phosphat über einen komplexen Weg synthetisiert. Die Kohlenstoff- und Stickstoffatome des Purinrings 5 ​​bzw. 4 stammen aus mehreren Quellen. Die Aminosäure Glycin steuert alle ihre Kohlenstoffatome (2) und Stickstoffatome (1) bei, wobei zusätzliche Stickstoffatome von Glutamin (2) und Asparaginsäure (1) stammen und zusätzliche Kohlenstoffatome von Formylgruppen (2) stammen. Diese werden vom Coenzym Tetrahydrofolat als 10-Formyltetrahydrofolat zusammen mit einem Kohlenstoffatom aus Bicarbonat übertragen (1). Formylgruppen bilden im Purinringsystem Kohlenstoff-2 und Kohlenstoff-8, die als Brücken zwischen zwei Stickstoffatomen wirken.

Im Gegensatz zu Purinen werden Pyrimidine aufgebaut, bevor sie an 5-Phosphoribosyl-1-pyrophosphat (PRPP) gebunden werden. Der erste regulierte Schritt in der Pyrimidin-Biosynthese ist die Bildung von Carbamoylphosphat durch die Carbamoylphosphat-Synthetase II. Dieses wird dann durch Carbamoyl-Asparaginsäure durch Asparagin-Transcarbamolyase (Aspartat-Carbamoyl-Transferase) umgewandelt, die durch Dihydroorotase zu Dihydroorotat dehydratisiert wird. Dihydroorotat gelangt dann in die Mitochondrien, wo es durch Entfernung von Wasserstoffen durch Dihydroorotat-Dehydrogenase zu Orotat oxidiert wird. Dies ist der einzige mitochondriale Schritt bei der Biosynthese von Nukleotidringen. Orotat wird dann durch Orotat-Phosphoribosyltransferase in OMP umgewandelt. OMP wird dann durch OMP-Decarboxylase zu UMP decarboxyliert. UMP wiederum wird durch Phosphorylierung über Uridin-Cytidin-Kinase 2 in UDP umgewandelt. UDP wiederum wird durch Nukleosiddiphosphatkinaseuridin-5′-triphosphat (UTP) zu UTP phosphoryliert. UDP kann auch durch die CTP-Synthase Cytidin 5’triphosphat (CTP) unter Verwendung von Glutamin und ATP in CTP umgewandelt werden. Die ersten drei Enzyme werden alle von demselben Gen in Metazoa (CAD) kodiert.

Was bildet eine Nukleinsäurestruktur?: Die vier stickstoffhaltigen Basen in der DNA sind Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Adenin und Guanin sind Purine und Cytosin und Thymin sind Pyrimidine.

In Fungi existiert ein ähnliches Protein, dem jedoch die Dihydroorotase-Funktion fehlt: Ein anderes Protein katalysiert den zweiten Schritt. In anderen Organismen (Bakterien, Archaea und die anderen Eukaryoten) werden die ersten drei Schritte von drei verschiedenen Enzymen ausgeführt. CTP-Synthetase (oder CTP-Synthetase) ist ein Enzym, das an der Pyrimidin-Biosynthese beteiligt ist. Es wandelt UTP und CTP intrakonvertiert um. Die Quelle der Amin-/Aminogruppe in CTP ist Glutamin. Die CTP-Synthase wird durch GTP, ein Purin, aktiviert. Dies dient dazu, die relativen Mengen an Purin- und Pyrimidin-Nukleotiden auszugleichen. Die CTP-Synthase wird durch CTP reversibel und beispielsweise durch das Glutamin-Analogon DON irreversibel gehemmt. Die folgenden menschlichen Gene kodieren für Proteine, die CTP-Synthase-Aktivität besitzen:


13 - Biosynthese

Dieses Kapitel beschreibt ausführlich die Biosynthesewege der Fettsäuren Phospholipide Mevalonat, Squalen 262 und der Aminosäuren-Sterole Purine und Pyrimidine. Acetyl-CoA ist der Ausgangspunkt für die Synthese von Fettsäuren und verwandten Verbindungen. Acetyl-CoA-Carboxylase, ein biotinhaltiges Enzym, das die ATP-abhängige Fixierung von CO . katalysiert2 in Acetyl-, Propionyl- und Butyryl-CoA , führt die erste engagierte Reaktion in der de-novo-Synthese von Fettsäuren durch. Die Reaktion erfolgt in zwei Stufen, der Carboxylierung von Biotin mit Bicarbonat, katalysiert durch die Biotin-Carboxylase, und der Übertragung des CO2 Gruppe von Carboxy-Biotin zu Acetyl-CoA, um Malonyl-CoA zu bilden, vermittelt durch Carboxyltransferase. Die Biosynthese von Phospholipiden beginnt mit der Bildung von sn-Glycerin-3-phosphat (G3P). In E coli, G3P kann aus Dihydroxyacetonphosphat (DOHAP) gebildet werden, das aus der Hexosespaltung durch die Wirkung der biosynthetischen G3P-Dehydrogenase, die von GPSA. Die ersten Schritte der Phosphoglycerid-Biosynthese beinhalten die Kopplung von zwei Fettsäuremolekülen an G3P. Dies wird durch zwei Acyltransferasen katalysiert. Glutamat und Glutamin spielen eine zentrale Rolle in der Aminosäurebiosynthese durch die leichte Übertragung von Amino- bzw. Amidgruppen bei der Synthese anderer Aminosäuren durch Transaminierungs- oder Transamidierungsreaktionen. Glutamin wird aus Glutamat unter Beteiligung von Ammoniak und ATP synthetisiert.


Wissenschaftler entschlüsseln das Geheimnis, wie die 22. Aminosäure hergestellt wird

Die jüngste entdeckte Aminosäure Pyrrolysin wird durch eine Reihe von nur drei chemischen Reaktionen mit einem einzigen Vorläufer hergestellt – der Aminosäure Lysin, laut neuer Forschung.

Wissenschaftler der Ohio State University nutzten Massenspektrometrie und eine Reihe von Experimenten, um herauszufinden, wie Zellen die Aminosäure herstellen, ein Prozess, der bisher unbekannt war.

Sie bestätigten, dass Pyrrolysin aus enzymatischen Reaktionen mit zwei Lysinmolekülen hergestellt wird – ein überraschender Befund, da einige Teile seiner Struktur den Forschern nahelegten, dass es komplexere Ursprünge haben könnte.

Die Forschung wird in der Ausgabe des Journals vom 31. März veröffentlicht Natur.

Pyrrolysin ist selten und bisher in etwa einem Dutzend Organismen bekannt. Aber seine Entdeckung im Jahr 2002 als genetisch kodierte Aminosäure in methanproduzierenden Mikroben wirft neue Fragen über die Evolution des genetischen Codes auf. Pyrrolysin gehört zu den 22 Aminosäuren, die verwendet werden, um Proteine ​​aus den in Genen gespeicherten Informationen zu erzeugen. Proteine ​​sind lebensnotwendig und verrichten die meiste Arbeit in Zellen.

Diese Informationen über seine Herstellung – seinen Biosyntheseweg – bieten ein umfassenderes Verständnis davon, wie Aminosäuren hergestellt werden. Und aufgrund seiner Seltenheit erweist sich dieses Molekül als praktisches Werkzeug zur Manipulation von Proteinen in der biomedizinischen Forschung. Nachdem der Produktionsmechanismus identifiziert wurde, können Wissenschaftler diese Informationen nutzen, um Wege zur Massenproduktion ähnlicher oder identischer synthetischer Moleküle für eine Vielzahl von Forschungszwecken zu entwickeln.

Die Wissenschaftler des Bundesstaates Ohio hatten im Laufe der Studie einen echten "Aha-Moment". Als Teil ihrer Experimente kombinierten sie Lysin mit einer anderen Aminosäure und einigen Enzymen und erwarteten, dass daraus ein sogenanntes Zwischenprodukt entsteht – im Wesentlichen ein Stück einer Aminosäure, das im Biosyntheseprozess entsteht.

Sie hatten das Lysin so markiert, dass es schwerer als normal erscheint, wenn es mit Massenspektrometrie beobachtet wird. Aber ein von den Instrumenten erzeugtes Signal hatte eine ganz andere Masse, als dem Zwischenprodukt zugeschrieben werden konnte.

"Wir haben dieses seltsame Molekül nicht gesehen, das aus zwei verschiedenen Aminosäuren besteht, wie wir es erwartet hatten. Wir sahen das normale Pyrrolysin-Molekül und alles davon stammte aus Lysin. Jedes bisschen davon", sagte Joseph Krzycki, Professor für Mikrobiologie an der Ohio State und leitender Autor der Studie. "Nur so haben wir Pyrrolysin gesehen, und alles war mit Lysin gekennzeichnet. Das ist die grundlegende Beobachtung hier. Und es ist eine echte Überraschung."

Die Erkenntnis, dass Lysin der einzige Vorläufer war, überraschte, weil der Herstellungsprozess so einfach war – auch wenn es keine leichte Aufgabe war, auch weil einige der chemischen Reaktionen noch nie zuvor beobachtet wurden.

„Was mich an dem gesamten chemischen Stoffwechselweg erstaunt, ist, dass man nur drei Enzyme und zwei Moleküle desselben Stoffes benötigt, die zusammen ein vollständiges Molekül ergeben, das völlig anders aussieht als das, mit dem Sie angefangen haben“, sagte Marsha Gaston, Erstautorin des Papiers und Doktorand in Mikrobiologie. "Sie haben einen Teil, der genau wie der Vorläufer aussieht, aber dann haben Sie einen anderen Teil, den Enzyme auf eine völlig einzigartige und noch nie dagewesene Weise neu anordnen können."

Die Massenspektrometrie, eine analytische Technik, die eine präzise Bestimmung der Masse von Partikeln ermöglicht, war für die Entdeckungen schließlich entscheidend, bemerkte Krzycki. Liwen Zhang und Kari Green-Church vom Campus Chemical Instrument Center/Massenspektrometrie und Proteomics Facility des Bundesstaates Ohio sind weitere Co-Autoren der Studie.

Krzycki leitete eines der beiden Forscherteams des Bundesstaates Ohio, die 2002 Pyrrolysin entdeckten. Seitdem haben die Teams die Aminosäure synthetisiert und gezeigt, wie Bakterien sie in Proteine ​​einbauen.

„Damit blieben einige große Fragen unbeantwortet: Wie stellt man Pyrrolysin her? Woher kommt es? Aus welchen Stoffwechselwegen kommt es? Weil es in der Zelle erzeugt werden muss, die es verwendet“, sagte Krzycki.

Die chemische Form von Pyrrolysin lieferte einige Hinweise. Sein Kohlenstoffgerüst ähnelt dem von Lysin. Aber es hat auch einen ungewöhnlichen Ring an einem Ende und eine daran befestigte Methylgruppe, was für Forscher Fragen nach seiner Herkunft aufwirft.

Aus ihrer früheren Arbeit wussten die Forscher auch, dass drei Gene benötigt werden, um die Anweisungen für den Zusammenbau von Proteinen zu generieren, die Pyrrolysin enthalten – pylB, pylC und pylD. Die von diesen drei Genen produzierten Enzyme mussten also eine Rolle bei der Bildung der Aminosäure spielen. Schließlich legten frühere Versuche anderer Forscher, seine Biosynthese zu definieren, nahe, dass eine andere Aminosäure, D-Ornithin, an der Produktion von Pyrrolysin beteiligt war.

Also machten sich Krzycki und seine Kollegen daran, diese Theorie zu testen. Durchführen all ihrer Experimente in einem Stamm von E coli Bakterien, die üblicherweise zum Testen biologischer Funktionen verwendet werden, kombinierten sie Lysin- und D-Ornithin-Moleküle.

Sie fanden heraus, dass daraus kein Pyrrolysin entstand, sondern ein Molekül wie Pyrrolysin, dem ein wichtiger Teil fehlte. Es stellte sich jedoch heraus, dass dieses Molekül nicht in Pyrrolysin umgewandelt wurde. Dieses Molekül wurde auch ohne die Beteiligung von pylB gebildet – einem Gen, das bei der eigentlichen Herstellung von Pyrrolysin nicht ausgeschlossen werden durfte.

Da die Massenspektrometrie stattdessen Lysin als einzigen Vorläufer von Pyrrolysin identifizierte, verwendeten die Forscher dann Genetik, Massenspektrometrie von Zwischenprodukten und Deduktion, um die Reihenfolge der enzymatischen Reaktionen zu bestimmen, die zwei Lysinmoleküle in die Pyrrolysin-Aminosäure umwandelten.

Sie stellten fest, dass die Abfolge der Ereignisse der alphabetischen Reihenfolge der drei beteiligten Enzyme entsprach: PylB verwendet Lysin, um ein D-Ornithin-ähnliches Zwischenprodukt herzustellen, PylC verbindet die beiden Lysinmoleküle miteinander und speist eine Reaktion mit PylD, die zur Bildung führt von Pyrrolysin. Die Reaktionen zeigten, wie der Ring am Pyrrolysinende, sein wichtigstes Erkennungsmerkmal, gebildet wird.

"Wenn man das Pyrrolysin-Molekül aufspreizt, erkennt man, dass es Lysin sehr ähnlich sieht, nur dass man, um zu diesem Ring zu gelangen, das zweite Molekül um eine Kohlenstoffeinheit kürzer machen muss", sagte Krzycki. „Das Lysin durchläuft eine Art enzymatische Reaktion, die als Mutase-Reaktion bezeichnet wird, bei der das Kohlenstoffgerüst neu angeordnet wird, um dieses kürzere Molekül zu bilden, das wie D-Ornithin ist, aber mit einem zusätzlichen Kohlenstoff, der jetzt an einer neuen Stelle von der Kette hängt was eines unserer Pyrrolysin-Biosyntheseenzyme, PylB, tut."

Krzycki merkte an, dass dieser Befund die Diskussionen über die Entwicklung des genetischen Codes anheizen wird. Zum Beispiel legt die koevolutionäre Theorie nahe, dass Aminosäuren, die aus einem gemeinsamen Vorläufer stammen, ähnliche Codonzuordnungen haben. Codons sind aus drei Buchstaben bestehende „Wörter“, die die Basen identifizieren, die die DNA verwendet, um bestimmte Aminosäuren als Bausteine ​​von Proteinen zu spezifizieren. Normalerweise signalisieren Codons den Anfang oder das Ende eines Proteins oder einer bestimmten Aminosäure, die zu seiner Konstruktion verwendet wird.

„Für die Wissenschaftler, die sich der Erforschung der Entwicklung des genetischen Codes widmen, bieten unsere Daten neue Erkenntnisse, die die verschiedenen Theorien zur Entwicklung des Codes füttern können. Die co-evolutionäre Theorie ist nur ein Beispiel dafür“, sagte Krzycki.

Die Erkenntnis, dass Pyrrolysin vollständig von Lysin abstammt, bedeutet, dass Pyrrolysin zur Familie der Asparaginsäuren in Bakterien und Archaeen gehört, einer Gruppe einzelliger Mikroorganismen, die in Größe und Form Bakterien ähneln, aber eine andere Evolutionsgeschichte aufweisen. Die Mikroben, von denen bekannt ist, dass sie Pyrrolysin enthalten, befinden sich in der Archaea-Domäne und sind in der Lage, eine gemeinsame Klasse von Verbindungen – die Methylamine – in Methangas umzuwandeln.

Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse der National Institutes of Health und des US-Energieministeriums unterstützt.

Quelle der Geschichte:

Materialien zur Verfügung gestellt von Ohio State Universität. Original geschrieben von Emily Caldwell. Hinweis: Der Inhalt kann hinsichtlich Stil und Länge bearbeitet werden.


Die Biosynthesewege

α-Ketoglutarat-Gruppe


Die Biosynthesewege zu Glutamat und Glutamin sind einfach, und alle oder einige der Schritte treten in den meisten Organismen auf. Der wichtigste Weg zur Assimilation von NH4+ in Glutamat erfordert zwei Reaktionen. Zuerst, Glutaminsynthetase katalysiert die Reaktion von Glutamat und NH4+ zu Glutamin. Diese Reaktion erfolgt in zwei Schritten mit enzymgebundenem α-Glutamylphosphat als Zwischenprodukt:

(1) Glutamat + ATP → α-Glutamylphosphat + ADP

(2) α-Glutamylphosphat + NH4 + → Glutamin + Pi + H +

Summe: Glutamat + NH4 + + ATP → Glutamin + ADP + Pi + H +

Glutaminsynthetase kommt in allen Organismen vor und spielt eine zentrale Rolle im Aminosäurestoffwechsel bei Säugetieren, indem sie toxisches freies NH4+ in Glutamin für den Transport im Blut umwandelt.
In Bakterien und Pflanzen wird Glutamat aus Glutamin und α-Ketoglutarat in einer durch katalysierten Reaktion gebildet Glutamat-Synthase. α-Ketoglutarat, ein Zwischenprodukt des Zitronensäurezyklus, wird mit Glutamin als Stickstoffdonor reduktiv aminiert:

α-Ketoglutarat + Glutamin + NADPH + H + → 2 Glutamat + NADP

Die Nettoreaktion von Glutaminsynthetase und Glutamatsynthase ist:

α-Ketoglutarat + NH4 + + NADPH + ATP → L-Glutamat + NADP + ADP + Pi

Glutamat-Synthase ist in Tieren nicht vorhanden, die stattdessen hohe Glutamatspiegel durch Prozesse wie die Transaminierung von α-Ketoglutarat während des Aminosäureabbaus aufrechterhalten. Glutamat kann auch auf einem anderen, wenn auch kleineren Weg gebildet werden: der Reaktion von α-Ketoglutarat und NH4+ zu Glutamat in einem Schritt. Dies wird katalysiert durch L-Glutamat-Dehydrogenase, ein Enzym, das in allen Organismen vorkommt. Reduzierleistung wird von NADPH bereitgestellt:

α-Ketoglutarat + NH4 + + NADPH → L-Glutamat + NADP+ + H2O

Wir sind auf diese Reaktion beim Abbau von Aminosäuren gestoßen. In eukaryontischen Zellen befindet sich die L-Glutamat-Dehydrogenase in der mitochondrialen Matrix. Das Reaktionsgleichgewicht begünstigt die Reaktanten und der Km für NH4+ (

1 mM) ist so hoch, dass die Reaktion wahrscheinlich nur einen bescheidenen Beitrag zur NH4+-Assimilation in Aminosäuren und andere Metaboliten leistet. Denken Sie daran, dass die Glutamat-Dehydrogenase-Reaktion umgekehrt ist. NH4+-Konzentrationen, die hoch genug sind, damit die Glutamat-Dehydrogenase-Reaktion einen signifikanten Beitrag zum Glutamat-Spiegel leistet, treten im Allgemeinen nur auf, wenn NH3 dem Boden zugesetzt wird oder wenn Organismen in einem Labor in Gegenwart hoher NH3-Konzentrationen gezüchtet werden.

Prolin ist ein cyclisiertes Derivat von Glutamat. Im ersten Schritt der Prolinsynthese reagiert ATP mit der γ-Carboxylgruppe von Glutamat zu einem Acylphosphat, das durch NADPH oder NADH zu Glutamat-γ-Semialdehyd reduziert wird. Dieses Zwischenprodukt unterliegt einer schnellen spontanen Cyclisierung und wird dann weiter reduziert, um Prolin zu ergeben. Arginin wird aus Glutamat über Ornithin und den Harnstoffzyklus bei Tieren synthetisiert. Prinzipiell könnte Ornithin auch aus Glutamat γ-Semialdehyd durch Transaminierung synthetisiert werden, jedoch schließt die spontane Cyclisierung des Semialdehyds im Prolinweg eine ausreichende Versorgung mit diesem Intermediat für die Ornithinsynthese aus. Bakterien haben einen de novo-Biosyntheseweg für Ornithin (und damit Arginin), der einigen Schritten des Prolin-Wegs entspricht, aber zwei zusätzliche Schritte umfasst, die das Problem der spontanen Cyclisierung von Glutamat γ-Semialdehyd vermeiden (Abb. 15.2). Im ersten Schritt wird die α-Aminogruppe von Glutamat durch eine Acetylierung blockiert, die Acetyl-CoA erfordert, dann wird die Acetylgruppe nach dem Transaminierungsschritt entfernt, um Ornithin zu ergeben.

ABBILDUNG 15.2 Biosynthese von Prolin und Arginin aus Glutamat in Bakterien. Alle fünf Kohlenstoffatome von Prolin stammen aus Glutamat. In vielen Organismen ist die Glutamatdehydrogenase insofern ungewöhnlich, als sie entweder NADH oder NADPH als Cofaktor verwendet. Das gleiche kann für andere Enzyme in diesen Stoffwechselwegen gelten. Der -Semialdehyd im Prolin-Weg durchläuft eine schnelle, reversible Cyclisierung zu 1-Pyrrolin-5-carboxylat (P5C), wobei das Gleichgewicht die Bildung von P5C begünstigt. Die Cyclisierung wird im Ornithin/Arginin-Weg durch Acetylierung der α-Aminogruppe von Glutamat im ersten Schritt und Entfernung der Acetylgruppe nach der Transaminierung abgewendet. Obwohl einigen Bakterien Arginase und damit der komplette Harnstoffzyklus fehlt, können sie Arginin aus Ornithin in Schritten synthetisieren, die dem Harnstoffzyklus von Säugetieren parallel sind, mit Citrullin und Argininosuccinat als Zwischenprodukten. Hier und in den nachfolgenden Abbildungen in diesem Kapitel zeigen die Reaktionspfeile den linearen Weg zum Endprodukt, ohne die Reversibilität einzelner Schritte zu berücksichtigen. Zum Beispiel ist der zweite Schritt des Weges, der zu Arginin führt, katalysiert durch N-Acetylglutamat-Dehydrogenase, chemisch ähnlich der Glyceraldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase-Reaktion bei der Glykolyse und ist leicht reversibel.

3-Phosphoglyceratgruppe


Der Hauptweg für die Bildung von Serin ist bei allen Organismen gleich (Abb. 15.3a). Im ersten Schritt wird die Hydroxylgruppe des 3-Phosphoglycerats durch a . oxidiert Dehydrogenase (unter Verwendung von NAD+), um 3-Phosphohydroxypyruvat zu ergeben. Die Transaminierung von Glutamat liefert 3-Phosphoserin, das durch zu freiem Serin hydrolysiert wird Phosphoserinphosphatase. Serin (drei Kohlenstoffe) ist die Vorstufe von Glycin (zwei Kohlenstoffe) durch Entfernung eines Kohlenstoffatoms durch Serin Hydroxymethyltransferase. Tetrahydrofolat akzeptiert den β-Kohlenstoff (C-3) von Serin, das eine Methylenbrücke zwischen N-5 und N-10 bildet, um N5,N10-Methylentetrahydrofolat zu ergeben. Die reversible Gesamtreaktion erfordert auch Pyridoxalphosphat. In der Leber von Wirbeltieren kann Glycin auch durch Glycinsynthase (auch Glycinspaltungsenzym genannt):

CO2 + NH4 + + N5,N10-Methylentetrahydrofolat + NADH + H + → Glycin + Tetrahydrofolat + NAD +

Pflanzen und Bakterien produzieren den reduzierten Schwefel, der für die Synthese von Cystein (und Methionin, später beschrieben) aus Umweltsulfaten ist der Weg in Abbildung 15.3b,c dargestellt. Sulfat wird in zwei Schritten aktiviert, um 3-Phosphoadenosin-5'-phosphosulfat (PAPS) herzustellen, das einer Acht-Elektronen-Reduktion zu Sulfid unterliegt. Das Sulfid wird dann in einem zweistufigen Weg zur Bildung von Cystein aus Serin verwendet. Säugetiere synthetisieren Cystein aus zwei Aminosäuren: Methionin liefert das Schwefelatom und Serin liefert das Kohlenstoffgerüst (Abb. 15-3d). Die Reaktion wird katalysiert durch Cystathionin β-Synthase, um Cystathionin zu ergeben und Cystathionin γ-Lyase, ein PL-erforderndes Enzym, katalysiert die Entfernung von Ammoniak und die Spaltung von Cystathionin, um freies Cystein zu ergeben.


ABBILDUNG 15.3
(a) Biosynthese von Serin aus 3-Phosphoglycerat und von Glycin aus Serin in allen Organismen.
(b) Biosynthese von Cystein aus Serin in Bakterien und Pflanzen.
(c) Der Ursprung von reduziertem Schwefel
(d) Biosynthese von Cystein aus Homocystein und Serin in Säugetieren. Das Homocystein wird aus Methionin gebildet.

Oxalacetat- und Pyruvatgruppe


Alanin und Aspartat werden aus Pyruvat bzw. Oxalacetat durch Transaminierung aus Glutamat synthetisiert. Asparagin wird durch Amidierung von Aspartat synthetisiert, wobei Glutamin das NH4+ spendet. Dies sind nichtessentielle Aminosäuren, und ihre einfachen Biosynthesewege kommen in allen Organismen vor. Methionin, Threonin, Lysin, Isoleucin, Valin und Leucin sind essentielle Aminosäuren. Ihre Biosynthesewege sind komplex und miteinander verbunden (Abb. 15.4). In einigen Fällen unterscheiden sich die Wege in Bakterien, Pilzen und Pflanzen erheblich. Aspartat führt zu Methionin, Threonin und Lysin. Verzweigungspunkte treten an Aspartat-β-Semialdehyd, einem Zwischenprodukt in allen drei Stoffwechselwegen, und an Homoserin, einer Vorstufe von Threonin und Methionin, auf. Threonin wiederum ist einer der Vorläufer von Isoleucin. Die valin und Isoleucin Wege teilen sich vier Enzyme (Abb. 15.4, Schritte 18 bis 21).
Pyruvat führt zu Valin und Isoleucin auf Wegen, die mit der Kondensation von zwei Pyruvat-Kohlenstoffatomen mit einem anderen Pyruvatmolekül (Valin-Pfad) oder mit α-Ketobutyrat (Isoleucin-Pfad) beginnen. Das α-Ketobutyrat wird von Threonin in einer Reaktion abgeleitet, die Pyridoxalphosphat erfordert (Abb. 15.4, Schritt 17). Ein Zwischenprodukt im Valin-Weg, α-Ketoisovalerat, ist der Ausgangspunkt für einen vierstufigen Verzweigungsweg, der zu Leucin (Schritte 22 bis 25).

ABBILDUNG 15,4 Biosynthese von sechs essentiellen Aminosäuren aus Oxalacetat und Pyruvat in Bakterien: Methionin, Threonin, Lysin, Isoleucin, Valin und Leucin. Hier und in anderen mehrstufigen Reaktionswegen sind die Enzyme im Schlüssel aufgelistet. Beachten Sie, dass L,L-α,ε-Diaminopimelat, das Produkt von Schritt 14, symmetrisch ist. Die von Pyruvat abgeleiteten Kohlenstoffe (und die von Glutamat abgeleitete Aminogruppe) werden nicht über diesen Punkt hinaus verfolgt, da nachfolgende Reaktionen sie an beiden Enden des Lysinmoleküls platzieren können.

Phosphoenolpyruvat- und Erythrose-4-Phosphat-Gruppe


Aromatische Ringe sind in der Umwelt nicht ohne weiteres verfügbar, obwohl der Benzolring sehr stabil ist. Der verzweigte Weg zu Tryptophan, Phenylalanin und Tyrosin, der in Bakterien, Pilzen und Pflanzen vorkommt, ist der wichtigste biologische Weg der aromatischen Ringbildung. Sie verläuft über den Ringschluss einer aliphatischen Vorstufe, gefolgt von der schrittweisen Addition von Doppelbindungen. In den ersten vier Schritten entsteht Shikimat, ein Molekül mit sieben Kohlenstoffatomen, das aus Erythrose-4-phosphat und Phosphoenolpyruvat gewonnen wird (Abb. 15.5a). Shikimat wird in drei Schritten in Chorismat umgewandelt, die die Zugabe von drei weiteren Kohlenstoffen aus einem anderen Phosphoenolpyruvat-Molekül umfassen. Chorismat ist der erste Verzweigungspunkt des Stoffwechselwegs, wobei eine Verzweigung zu Tryptophan und die andere zu Phenylalanin und Tyrosin führt.
In dem Tryptophan (Abb. 15.5b) wird Chorismat in einer Reaktion in Anthranilat umgewandelt, bei der Glutamin den Stickstoff abgibt, der Teil des Indolrings wird. Anthranilat kondensiert dann mit PRPP. Der Indolring von Tryptophan leitet sich von den Ringkohlenstoffen und der Aminogruppe von Anthranilat plus zwei von PRPP abgeleiteten Kohlenstoffen ab. Die letzte Reaktion in der Sequenz wird katalysiert durch Tryptophan-Synthase. Dieses Enzym hat eine ⓬⓶ Untereinheitsstruktur und kann in zwei α Untereinheiten und eine ⓶ Untereinheit dissoziiert werden, die verschiedene Teile der Gesamtreaktion katalysieren:

Indol-3-Glycerin + Phosphat → Indol + Glyceraldehyd-3-Phosphat
α Untereinheit

Indol + Serin → Tryptophan + H2O
⓶ Untereinheit

Der zweite Teil der Reaktion erfordert Pyridoxalphosphat (Abb. 15.6). Das im ersten Teil gebildete Indol wird vom Enzym nicht freigesetzt, sondern bewegt sich stattdessen durch einen Kanal vom aktiven Zentrum der α-Untereinheit zum aktiven Zentrum der β-Untereinheit, wo es mit einer Schiff-Base-Zwischenstufe kondensiert, die von Serin und PLP. Intermediate Channeling dieser Art kann ein Merkmal des gesamten Weges von Chorismat zu Tryptophan sein. Enzymaktive Zentren, die verschiedene Schritte (manchmal nicht aufeinanderfolgende Schritte) des Weges zu Tryptophan katalysieren, finden sich bei einzelnen Polypeptiden in einigen Pilz- und Bakterienarten, sind aber in anderen separate Proteine. Darüber hinaus erfordert die Aktivität einiger dieser Enzyme eine nichtkovalente Assoziation mit anderen Enzymen des Stoffwechselwegs. Diese Beobachtungen legen nahe, dass alle Enzyme des Stoffwechselwegs sowohl in Prokaryoten als auch in Eukaryoten Komponenten eines großen Multienzymkomplexes sind. Solche Komplexe werden im Allgemeinen nicht intakt konserviert, wenn die Enzyme mit traditionellen biochemischen Methoden isoliert werden, aber es häufen sich Beweise für die Existenz von Multienzymkomplexen für diesen und eine Reihe anderer Stoffwechselwege.
Bei Pflanzen und Bakterien Phenylalanin und Tyrosin werden aus Chorismat auf weit weniger komplexen Wegen als dem Tryptophan-Weg synthetisiert. Das gemeinsame Zwischenprodukt ist Prephenat (Abb. 15.7). Der letzte Schritt ist in beiden Fällen die Transaminierung mit Glutamat. Tiere können Tyrosin direkt aus Phenylalanin durch Hydroxylierung an C-4 der Phenylgruppe durch . herstellen PhenylalaninhydroxylasDieses Enzym ist auch am Abbau von Phenylalanin beteiligt.

ABBILDUNG 15,5
(a) Biosynthese von Chorismat, einem Zwischenprodukt bei der Synthese aromatischer Aminosäuren in Bakterien und Pflanzen. Alle Kohlenstoffe stammen entweder von Erythrose-4-Phosphat (hellviolett) oder Phosphoenolpyruvat (rosa). Beachten Sie, dass das in Schritt 2 als Cofaktor benötigte NAD unverändert freigesetzt wird und während der Reaktion vorübergehend zu NADH reduziert werden kann, unter Bildung eines oxidierten Reaktionszwischenprodukts. Schritt 6 wird durch Glyphosat, den Wirkstoff des weit verbreiteten Herbizids Roundup, kompetitiv gehemmt. Das Herbizid ist für Säugetiere, denen dieser Biosyntheseweg fehlt, relativ ungiftig. Die chemischen Namen Quinat, Shikimat und Chorismat leiten sich von den Namen der Pflanzen ab, in denen sich diese Zwischenprodukte anreichern.
(b) Biosynthese von Tryptophan aus Chorismat in Bakterien und Pflanzen. In E. coli sind Enzyme, die die Schritte 1 und 2 katalysieren, Untereinheiten eines einzelnen Komplexes.

ABBILDUNG 15,6 Tryptophan-Synthase-Reaktion. Dieses Enzym katalysiert eine mehrstufige Reaktion mit mehreren Arten chemischer Umlagerungen.
1) Eine Aldolspaltung erzeugt Indol und Glyceraldehyd-3-phosphat diese Reaktion erfordert kein PLP.
2) Dehydratisierung von Serin bildet ein PLP-Aminoacrylat-Zwischenprodukt.
3) und 4) PLP-Aminoacrylat kondensiert mit Indol.
5) das Produkt wird hydrolysiert, um Tryptophan freizusetzen.
Diese PLP-erleichterten Transformationen finden am β-Kohlenstoff (C-3) der Aminosäure statt. Der β Kohlenstoff von Serin ist an das Indol-Ringsystem gebunden. Tryptophan-Synthase-Mechanismus.

ABBILDUNG 15,7 Biosynthese von Phenylalanin und Tyrosin aus Chorismat in Bakterien und Pflanzen. Die Umwandlung von Chorismat in Präphenat ist ein seltenes biologisches Beispiel für eine Claisen-Umlagerung.

Histidin aus Ribose 5-Phosphat


Histidin leitet sich von drei Vorläufern ab (Abb. 15.8): PRPP steuert fünf Kohlenstoffe bei, der Purinring von ATP steuert einen Stickstoff und einen Kohlenstoff bei und Glutamin liefert den zweiten Ringstickstoff. Die Schlüsselschritte sind die Kondensation von ATP und PRPP, bei der N-1 des Purinrings mit dem aktivierten C-1 der Ribose von PRPP verknüpft wird (Schritt 1) ​​Purinringöffnung, die letztendlich N-1 und C-2 von hinterlässt an die Ribose gebundenes Adenin (Schritt 3) und Bildung des Imidazolrings, eine Reaktion, bei der Glutamin einen Stickstoff spendet (Schritt 5). Die Verwendung von ATP als Metabolit und nicht als hochenergetischer Cofaktor ist ungewöhnlich, aber nicht verschwenderisch, da es mit dem Purin-Biosyntheseweg verzahnt ist. Der Rest von ATP, der nach dem Transfer von N-1 und C-2 freigesetzt wird, ist 5-Aminoimidazol-4-carboxamid-Ribonukleotid (AICAR), ein Zwischenprodukt der Purin-Biosynthese, das schnell zu ATP recycelt wird.

ABBILDUNG 15,8 Biosynthese von Histidin in Bakterien und Pflanzen. Von PRPP und ATP abgeleitete Atome sind rot bzw. blau schattiert. Zwei der Histidin-Stickstoffe stammen von Glutamin und Glutamat (grün). Beachten Sie, dass das nach Schritt 5 verbleibende ATP-Derivat (AICAR) ein Zwischenprodukt der Purinbiosynthese ist, sodass ATP schnell regeneriert wird.

Regulierung der Aminosäurebiosynthese

Die reaktionsschnellste Regulation der Aminosäuresynthese erfolgt durch Rückkopplungshemmung durch das Endprodukt auf die erste Reaktion des Stoffwechselwegs. Diese erste Reaktion ist normalerweise irreversibel und wird von einem allosterischen Enzym katalysiert. Bei Bakterien tritt eine solche allosterische Modulation der Aminosäuresynthese als Reaktion von Minute zu Minute auf. Die allosterische Regulation kann wesentlich komplexer sein. Ein Beispiel ist der bemerkenswerte Satz allosterischer Kontrollen, die auf die Glutaminsynthetase von E. coli ausgeübt werden. Sechs von Glutamin abgeleitete Produkte dienen als negative Feedback-Modulatoren des Enzyms, und die Gesamtwirkung dieser und anderer Modulatoren ist mehr als additiv. Eine solche Regulierung heißt konzertierte Hemmung.
Da die 20 üblichen Aminosäuren für die Proteinsynthese im richtigen Verhältnis hergestellt werden müssen, haben Zellen Wege entwickelt, nicht nur die Synthesegeschwindigkeit einzelner Aminosäuren zu kontrollieren, sondern auch deren Bildung zu koordinieren. Diese Koordination ist in schnell wachsenden Bakterienzellen besonders gut entwickelt. Abbildung 15.9 zeigt, wie E. coli-Zellen die Synthese von Lysin, Methionin, Threonin und Isoleucin koordinieren, die alle aus Aspartat hergestellt werden. Mehrere wichtige Typen von Hemmungsmustern sind offensichtlich. Der Schritt von Aspartat zu Aspartyl-β-Phosphat wird durch drei Isozyme katalysiert, die jeweils unabhängig von verschiedenen Modulatoren gesteuert werden.
Diese Enzymmultiplizität verhindert, dass ein biosynthetisches Endprodukt wichtige Schritte in einem Stoffwechselweg abschaltet, wenn andere Produkte desselben Stoffwechselwegs benötigt werden. Die Schritte von Aspartat β-Semialdehyd zu Homoserin und von Threonin zu α-Ketobutyrat werden ebenfalls durch duale, unabhängig kontrollierte Isozyme katalysiert. Ein Isozym für die Umwandlung von Aspartat in Aspartyl-β-Phosphat wird durch zwei verschiedene Modulatoren, Lysin und Isoleucin, allosterisch gehemmt, deren Wirkung mehr als nur additiv ist – ein weiteres Beispiel für eine konzertierte Hemmung. Die Sequenz von Aspartat zu Isoleucin unterliegt einer mehrfachen, überlappenden Hemmung der negativen Rückkopplung, z. und aus Aspartat. Dieser Gesamtregulationsmechanismus heißt sequentielle Rückkopplungshemmung.

ABBILDUNG 15.9 Ineinandergreifende Regulationsmechanismen bei der Biosynthese mehrerer Aminosäuren aus Aspartat in E. coli. Drei Enzyme (A, B, C) haben entweder zwei oder drei Isozymformen, die durch numerische Indizes angezeigt werden. In jedem Fall hat ein Isozym (A2, B1 und C2) keine allosterische Regulation, diese Isozyme werden durch Veränderungen der synthetisierten Menge reguliert. Die Synthese der Isozyme A2 und B1 wird unterdrückt, wenn der Methioninspiegel hoch ist, und die Synthese des Isozyms C2 wird unterdrückt, wenn der Isoleucinspiegel hoch ist. Enzym A ist Aspartokinase B, Homoserindehydrogenase C, Threonindehydratase.

ZUSAMMENFASSUNG

Pflanzen und Bakterien synthetisieren alle 20 gängigen Aminosäuren. Säugetiere können etwa die Hälfte der anderen mit der Nahrung benötigten (essentiellen Aminosäuren) synthetisieren. Unter den nichtessentiellen Aminosäuren wird Glutamat durch reduktive Aminierung von α-Ketoglutarat gebildet und dient als Vorläufer von Glutamin, Prolin und Arginin. Alanin und Aspartat (und damit Asparagin) werden durch Transaminierung aus Pyruvat bzw. Oxalacetat gebildet. Die Kohlenstoffkette von Serin leitet sich von 3-Phosphoglycerat ab. Serin ist eine Vorstufe von Glycin, das β-Kohlenstoffatom von Serin wird auf Tetrahydrofolat übertragen. In Mikroorganismen wird Cystein aus Serin und aus Sulfid hergestellt, das durch die Reduktion von Umweltsulfat entsteht. Säugetiere produzieren Cystein aus Methionin und Serin durch eine Reihe von Reaktionen, die S-Adenosylmethionin und Cystathionin erfordern. Unter den essentiellen Aminosäuren entstehen die aromatischen Aminosäuren (Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan) auf einem Weg, bei dem Chorismat eine wichtige Verzweigungsstelle einnimmt. Phosphoribosylpyrophosphat ist eine Vorstufe von Tryptophan und Histidin. Der Weg zu Histidin ist mit dem Purin-Syntheseweg verbunden. Tyrosin kann auch durch Hydroxylierung von Phenylalanin gebildet werden (und wird daher als bedingt essentiell angesehen). Die Wege für die anderen essentiellen Aminosäuren sind komplex.Die Aminosäurebiosynthesewege unterliegen einer allosterischen Endprodukthemmung, wobei das regulatorische Enzym normalerweise das erste in der Sequenz ist. Die Regulation der verschiedenen Synthesewege wird koordiniert.


Inhalt

Von den zwanzig Aminosäuren (ohne Selenocystein) kann der Mensch acht nicht synthetisieren. Darüber hinaus kommen die Aminosäuren Arginin, Cystein, Glycin, Glutamin, Histidin, Prolin, Serin und Tyrosin in Betracht bedingt notwendig, was bedeutet, dass sie normalerweise nicht in der Nahrung benötigt werden, sondern exogen an bestimmte Populationen geliefert werden müssen, die es nicht in ausreichenden Mengen synthetisieren. [2] [3] Zum Beispiel wird im Harnstoffzyklus genug Arginin synthetisiert, um den Bedarf eines Erwachsenen zu decken, aber vielleicht nicht den eines heranwachsenden Kindes. Aminosäuren, die mit der Nahrung aufgenommen werden müssen, werden als essentielle Aminosäuren bezeichnet. Nichtessentielle Aminosäuren werden im Körper produziert. Die Synthesewege für nichtessentielle Aminosäuren sind recht einfach. Die Glutamatdehydrogenase katalysiert die reduktive Aminierung von α-Ketoglutarat zu Glutamat. Bei der Synthese der meisten Aminosäuren findet eine Transaminierungsreaktion statt. In diesem Schritt wird die Chiralität der Aminosäure festgestellt. Alanin und Aspartat werden durch die Transaminierung von Pyruvat bzw. Oxalacetat synthetisiert. Glutamin wird aus NH4+ und Glutamat synthetisiert, und Asparagin wird auf ähnliche Weise synthetisiert. Prolin und Arginin werden aus Glutamat gewonnen. Serin, gebildet aus 3-Phosphoglycerat, ist die Vorstufe von Glycin und Cystein. Tyrosin wird durch die Hydroxylierung von Phenylalanin, einer essentiellen Aminosäure, synthetisiert. Die Biosynthesewege der essentiellen Aminosäuren sind viel komplexer als die der nichtessentiellen.

Cortisol hemmt die Proteinsynthese. [4]

Die meisten Aminosäuren werden aus α-Ketosäuren synthetisiert und später von einer anderen Aminosäure, normalerweise Glutamat, transaminiert. Das an dieser Reaktion beteiligte Enzym ist eine Aminotransferase.

α-Ketosäure + Glutamat ⇄ Aminosäure + α-Ketoglutarat

Die α-Ketoglutarat-Familie der Aminosäuresynthese (Synthese von Glutamat, Glutamin, Prolin und Arginin) beginnt mit α-Ketoglutarat, einem Zwischenprodukt des Zitronensäurezyklus. Die Konzentration von α-Ketoglutarat hängt von der Aktivität und dem Stoffwechsel innerhalb der Zelle zusammen mit der Regulierung der enzymatischen Aktivität ab. In E coli Citratsynthase, das Enzym, das an der Kondensationsreaktion beteiligt ist, die den Zitronensäurezyklus einleitet, wird durch die α-Ketoglutarat-Feedback-Hemmung stark gehemmt und kann durch DPNH sowie hohe Konzentrationen von ATP gehemmt werden. [5] Dies ist eine der ersten Vorschriften der α-Ketoglutarat-Familie der Aminosäuresynthese.

Die Regulierung der Synthese von Glutamat aus α-Ketoglutarat unterliegt aufgrund der reversiblen Natur der Transaminierungs- und Glutamat-Dehydrogenase-Reaktionen einer regulatorischen Kontrolle des Zitronensäurezyklus sowie einer Massenwirkung in Abhängigkeit von den Konzentrationen der beteiligten Reaktanten. [5]

Die Umwandlung von Glutamat in Glutamin wird durch die Glutaminsynthetase (GS) reguliert und ist ein wichtiger Schritt im Stickstoffstoffwechsel. [5] Dieses Enzym wird durch mindestens vier verschiedene Mechanismen reguliert: 1. Repression und Depression durch Stickstoffspiegel 2. Aktivierung und Inaktivierung durch enzymatische Formen (straff und entspannt) 3. Kumulative Rückkopplungshemmung durch Endprodukt-Metaboliten und 4. Veränderungen des Enzyms durch Adenylierung und Deadenylierung. [5] In stickstoffreichen Medien oder Wachstumsbedingungen mit hohen Ammoniakmengen ist der GS-Spiegel niedrig, während bei limitierten Ammoniakmengen die spezifische Aktivität des Enzyms 20-fach höher ist. [5] Die Bestätigung des Enzyms spielt bei der Regulation eine Rolle, je nachdem, ob GS in der straffen oder entspannten Form vorliegt. Die straffe Form von GS ist voll aktiv, aber die Entfernung von Mangan überführt das Enzym in den entspannten Zustand. Der spezifische Konformationszustand erfolgt aufgrund der Bindung spezifischer zweiwertiger Kationen und hängt auch mit der Adenylierung zusammen. [5] Die Rückkopplungshemmung von GS ist auf eine kumulative Rückkopplung aufgrund mehrerer Metaboliten zurückzuführen, darunter L-Tryptophan, L-Histidin, AMP, CTP, Glucosamin-6-Phosphat und Carbamylphosphat, Alanin und Glycin. [5] Ein Überschuss eines einzelnen Produkts hemmt das Enzym nicht einzeln, aber eine Kombination oder Anhäufung aller Endprodukte hat eine starke Hemmwirkung auf die Synthese von Glutamin. [5] Die Aktivität der Glutaminsynthase wird auch durch Adenylierung gehemmt. Die Adenylierungsaktivität wird durch das bifunktionelle Enzym Adenylyltransferase/Adenylylentfernung (AT/AR) katalysiert. Glutamin und ein regulatorisches Protein namens PII wirken zusammen, um die Adenylierung zu stimulieren. [6]

Die Regulation der Prolinbiosynthese kann vom anfänglichen Kontrollschritt durch negative Rückkopplungshemmung abhängen. [7] In E coli, hemmt Prolin allosterisch die Glutamat-5-Kinase, die die Reaktion von L-Glutamat zu einem instabilen intermediären L-γ-Glutamylphosphat katalysiert. [7]

Die Argininsynthese nutzt auch negatives Feedback sowie Repression durch einen vom Gen kodierten Repressor argR. Das Genprodukt von argR, ArgR ein Aporepressor und Arginin als ein Corepressor beeinflussen das Operon der Arginin-Biosynthese. Der Grad der Repression wird durch die Konzentrationen des Repressorproteins und den Korepressorspiegel bestimmt. [8]

Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan, die aromatischen Aminosäuren, entstehen aus Chorismat. Der erste Schritt, die Kondensation von 3-Desoxy-D-Arabino-Heptulosonsäure-7-Phosphat (DAHP) aus PEP/E4P, verwendet die drei Isoenzyme AroF, AroG und AroH. Jeder von ihnen hat seine Synthese von Tyrosin, Phenylalanin bzw. Tryptophan reguliert. Der Rest der Enzyme des gemeinsamen Weges (Umwandlung von DAHP zu Chorismat) scheint konstitutiv synthetisiert zu werden, mit Ausnahme der Shikimatkinase, die durch Shikimat durch lineare gemischte Hemmung gehemmt werden kann.

Tyrosin und Phenylalanin werden aus Prephenat biosynthetisiert, das in ein Aminosäure-spezifisches Zwischenprodukt umgewandelt wird. Dieser Prozess wird durch eine für Phenylalanin (PheA) oder Tyrosin (TyrA) spezifische Chorismat-Mutase-Prephenat-Dehydrogenase vermittelt. PheA verwendet eine einfache Dehydrogenase, um Prephenat in Phenylpyruvat umzuwandeln, während TyrA eine NAD-abhängige Dehydrogenase verwendet, um 4-Hydroxylphenylpyruvat herzustellen. Sowohl PheA als auch TyrA werden durch ihre jeweiligen Aminosäuren inhibiert. Tyrosin kann auch auf Transkriptionsebene durch den TyrR-Repressor gehemmt werden. TyrR bindet an die TyrR-Boxen auf dem Operon in der Nähe des Promotors des Gens, das es reprimieren möchte.

Die Tryptophan-Biosynthese beinhaltet die Umwandlung von Chorismat in Anthranilat unter Verwendung von Anthranilat-Synthase. Dieses Enzym benötigt entweder Glutamin als Aminogruppendonor oder Ammoniak selbst. Die Anthranilatsynthase wird durch die Genprodukte von trpE und trpG reguliert. trpE kodiert für die erste Untereinheit, die an Chorismat bindet und die Aminogruppe vom Donor zum Chorismat verschiebt. trpG kodiert die zweite Untereinheit, die den Transfer der Aminogruppe von Glutamin erleichtert. Anthranilatsynthase wird auch durch Rückkopplungshemmung reguliert: Tryptophan ist ein Korrepressor des TrpR-Repressors.

Die Oxalacetat/Aspartat-Familie von Aminosäuren besteht aus Lysin, Asparagin, Methionin, Threonin und Isoleucin. Aspartat kann in Lysin, Asparagin, Methionin und Threonin umgewandelt werden. Aus Threonin entsteht auch Isoleucin. Die zugehörigen Enzyme unterliegen auf genetischer Ebene einer Regulation über Feedback-Hemmung und/oder Repression. Wie bei stark verzweigten Stoffwechselwegen typisch, zusätzliche Regulation an jedem Verzweigungspunkt des Stoffwechselweges. Diese Art von Regulierungsschema ermöglicht die Kontrolle über den Gesamtfluss des Aspartatweges zusätzlich zum Gesamtfluss der einzelnen Aminosäuren. Der Aspartatweg verwendet L-Asparaginsäure als Vorstufe für die Biosynthese von einem Viertel der Aminosäurebausteine.

Aspartat Bearbeiten

Die Biosynthese von Aspartat beinhaltet häufig die Transaminierung von Oxalacetat.

Das Enzym Aspartokinase, das die Phosphorylierung von Aspartat katalysiert und dessen Umwandlung in andere Aminosäuren einleitet, lässt sich in 3 Isozyme AK-I, II und III zerlegen. AK-I wird durch Threonin gehemmt, während AK-II und III durch Lysin gehemmt werden. Als Nebenbemerkung katalysiert AK-III die Phosphorylierung von Asparaginsäure, die der festgelegte Schritt in diesem Biosyntheseweg ist. Aspartatkinase wird durch die Anwesenheit von Threonin oder Lysin herunterreguliert.

Lysin Bearbeiten

Lysin wird aus Aspartat über den Diaminopimelat (DAP)-Weg synthetisiert. Die ersten beiden Stufen des DAP-Wegs werden durch Aspartokinase und Aspartat-Semialdehyd-Dehydrogenase katalysiert. Diese Enzyme spielen eine Schlüsselrolle bei der Biosynthese von Lysin, Threonin und Methionin. Es gibt zwei bifunktionelle Aspartokinase/Homoserin-Dehydrogenasen, ThrA und MetL, zusätzlich zu einer monofunktionellen Aspartokinase, LysC. Die Transkription von Aspartokinase-Genen wird durch die Konzentrationen der anschließend produzierten Aminosäuren Lysin, Threonin und Methionin reguliert. Je höher diese Aminosäurekonzentrationen sind, desto weniger wird das Gen transkribiert. ThrA und LysC werden auch durch Threonin und Lysin rückgekoppelt. Schließlich vermittelt die DAP-Decarboxylase LysA den letzten Schritt der Lysin-Synthese und ist für alle untersuchten Bakterienarten üblich. Auch die Bildung der Aspartatkinase (AK), die die Phosphorylierung von Aspartat katalysiert und dessen Umwandlung in andere Aminosäuren einleitet, wird sowohl durch Lysin als auch durch Threonin gehemmt, was die Bildung der von Aspartat abgeleiteten Aminosäuren verhindert. Außerdem hemmen hohe Lysinkonzentrationen die Aktivität der Dihydrodipicolinatsynthase (DHPS). Lysin hemmt also zusätzlich zur Hemmung des ersten Enzyms des Biosynthesewegs der Aspartatfamilien auch die Aktivität des ersten Enzyms nach dem Verzweigungspunkt, d. h. des Enzyms, das für die Eigensynthese von Lysin spezifisch ist.

Asparagin Bearbeiten

Die Biosynthese von Asparagin geht von Aspartat aus unter Verwendung eines Transaminase-Enzyms. Das Enzym Asparaginsynthetase produziert aus Aspartat, Glutamin und ATP Asparagin, AMP, Glutamat und Pyrophosphat. Bei der Asparagin-Synthetase-Reaktion wird ATP verwendet, um Aspartat zu aktivieren, wodurch β-Aspartyl-AMP gebildet wird. Glutamin spendet eine Ammoniumgruppe, die mit β-Aspartyl-AMP reagiert, um Asparagin und freies AMP zu bilden.

In Bakterien kommen zwei Asparagin-Synthetasen vor. Beide werden als AsnC-Protein bezeichnet. Sie werden von den Genen AsnA und AsnB kodiert. AsnC wird autogen reguliert, wobei das Produkt eines Strukturgens die Expression des Operons reguliert, in dem sich die Gene befinden. Die stimulierende Wirkung von AsnC auf die AsnA-Transkription wird durch Asparagin herunterreguliert. Die Autoregulation von AsnC wird jedoch durch Asparagin nicht beeinflusst.

Methionin Bearbeiten

Die Biosynthese von Methionin unterliegt einer strengen Regulierung. Das Repressorprotein MetJ vermittelt in Kooperation mit dem Corepressorprotein S-Adenosyl-Methionin die Repression der Biosynthese von Methionin. Der Regulator MetR wird für die MetE- und MetH-Genexpression benötigt und fungiert als Transaktivator der Transkription für diese Gene. Die Transkriptionsaktivität von MetR wird durch Homocystein reguliert, das die metabolische Vorstufe von Methionin ist. Es ist auch bekannt, dass Vitamin B12 die MetE-Genexpression unterdrücken kann, die durch das MetH-Holoenzym vermittelt wird.

Threonin Bearbeiten

In Pflanzen und Mikroorganismen wird Threonin aus Asparaginsäure über α-Aspartyl-Semialdehyd und Homoserin synthetisiert. Homoserin erfährt Ö-Phosphorylierung dieser Phosphatester unterliegt einer Hydrolyse, die mit der Verlagerung der OH-Gruppe einhergeht. [9] Enzyme, die an einer typischen Biosynthese von Threonin beteiligt sind, umfassen Aspartokinase, β-Aspartat-Semialdehyd-Dehydrogenase, Homoserin-Dehydrogenase, Homoserin-Kinase, Threoninsynthase.

Die Biosynthese von Threonin wird über die allosterische Regulation seines Vorläufers Homoserin reguliert, indem das Enzym Homoserin-Dehydrogenase strukturell verändert wird. Diese Reaktion findet an einem wichtigen Verzweigungspunkt des Stoffwechselwegs statt, wobei das Substrat Homoserin als Vorläufer für die Biosynthese von Lysin, Methionin, Threonin und Isoleucin dient. Hohe Threoninspiegel führen zu einer geringen Homoserinsynthese. Die Synthese der Aspartatkinase (AK), die die Phosphorylierung von Aspartat katalysiert und dessen Umwandlung in andere Aminosäuren initiiert, wird durch Lysin, Isoleucin und Threonin rückgekoppelt, was die Synthese der von Aspartat abgeleiteten Aminosäuren verhindert. Threonin hemmt also zusätzlich zur Hemmung des ersten Enzyms des Biosynthesewegs der Aspartatfamilien auch die Aktivität des ersten Enzyms nach dem Verzweigungspunkt, d. h. des Enzyms, das spezifisch für die Threonin-Eigensynthese ist.

Isoleucin Bearbeiten

In Pflanzen und Mikroorganismen wird Isoleucin aus Brenztraubensäure und Alpha-Ketoglutarat biosynthetisiert. Enzyme, die an dieser Biosynthese beteiligt sind, umfassen Acetolactatsynthase (auch als Acetohydroxysäuresynthase bekannt), Acetohydroxysäureisomereduktase, Dihydroxysäuredehydratase und Valinaminotransferase. [10]

Regulationstechnisch werden die Enzyme Threonin-Deaminase, Dihydroxysäure-Dehydrase und Transaminase durch die Endprodukt-Regulation gesteuert. d.h. die Anwesenheit von Isoleucin wird die Threonin-Biosynthese herunterregulieren. Hohe Isoleucinkonzentrationen führen auch zu einer Herunterregulierung der Umwandlung von Aspartat in das Aspartyl-Phosphat-Zwischenprodukt, wodurch die weitere Biosynthese von Lysin, Methionin, Threonin und Isoleucin gestoppt wird.

Die Synthese von Histidin in E coli ist ein komplexer Stoffwechselweg, an dem mehrere Enzyme beteiligt sind. Die Synthese beginnt mit der Phosphorylierung von 5-Phosphoribosyl-Pyrophosphat (PRPP), katalysiert durch ATP-Phosphoribosyl-Transferase. Phosphoribosyl-ATP wandelt sich in Phosphoribosyl-AMP (PRAMP) um. His4 katalysiert dann die Bildung von PhosphoribosylformiminoAICAR-Phosphat, das dann durch das His6-Genprodukt in Phosphoribulosylformimino-AICAR-P umgewandelt wird. [11] His7 spaltet Phosphoribulosylformimino-AICAR-P zu D-erythro-Imidazol-Glycerin-Phosphat. Danach bildet His3 Imidazol-Acetol-Phosphat unter Freisetzung von Wasser. His5 macht dann L-Histidinol-Phosphat, das dann durch His2 hydrolysiert wird, wodurch Histidinol entsteht. His4 katalysiert die Oxidation von L-Histidinol zu bilden L-Histidinal, ein Aminoaldehyd. Im letzten Schritt, L-Histidinal wird umgewandelt in L-Histidin. [11] [12]

Im Allgemeinen ist die Histidinbiosynthese in Pflanzen und Mikroorganismen sehr ähnlich. [13] [14]

HisG → HisE/HisI → HisA → HisH → HisF → HisB → HisC → HisB → HisD (HisE/I und HisB sind beide bifunktionelle Enzyme)

Die Enzyme sind auf dem His-Operon kodiert. Dieses Operon hat einen eigenen Block der Leader-Sequenz, der als Block 1 bezeichnet wird:

Diese Leadersequenz ist wichtig für die Regulation von Histidin in E coli. Die seine operon arbeitet unter einem koordinierten Regulationssystem, bei dem alle Genprodukte gleichermaßen unterdrückt oder unterdrückt werden. Der Hauptfaktor bei der Repression oder Derepression der Histidinsynthese ist die Konzentration von Histidin-beladenen tRNAs. Die Regulation von Histidin ist angesichts der Komplexität seines Biosyntheseweges eigentlich recht einfach und ähnelt stark der Regulation von Tryptophan. In diesem System hat die vollständige Leadersequenz 4 Blöcke komplementärer Stränge, die Haarnadelschleifenstrukturen bilden können. [14] Block eins, oben gezeigt, ist der Schlüssel zur Regulierung. Wenn die Histidin-geladenen tRNA-Spiegel in der Zelle niedrig sind, wird das Ribosom an der Kette der His-Reste in Block 1 blockiert. Dieses Blockieren des Ribosoms ermöglicht es den komplementären Strängen 2 und 3, eine Haarnadelschleife zu bilden. Die von den Strängen 2 und 3 gebildete Schleife bildet einen Anti-Terminator und die Translation des seine Gene werden fortgesetzt und Histidin wird produziert. Wenn jedoch die Histidin-geladenen tRNA-Spiegel hoch sind, bleibt das Ribosom bei Block 1 nicht stehen, wodurch die Stränge 2 und 3 keine Haarnadelkurve bilden können. Stattdessen bilden die Stränge 3 und 4 eine Haarnadelschleife weiter stromabwärts des Ribosoms. Die von den Strängen 3 und 4 gebildete Haarnadelschleife ist eine terminierende Schleife, wenn das Ribosom mit der Schleife in Kontakt kommt, wird es vom Transkript "abgeknockt". Wenn das Ribosom entfernt wird, seine Gene werden nicht translatiert und Histidin wird nicht von der Zelle produziert. [fünfzehn]

Serin Bearbeiten

Serin ist die erste Aminosäure in dieser Familie, die produziert wird. Es wird dann modifiziert, um sowohl Glycin als auch Cystein (und viele andere biologisch wichtige Moleküle) zu produzieren. Serin wird aus 3-Phosphoglycerat auf folgendem Weg gebildet:

3-Phosphoglycerat → Phosphohydroxylpyruvat → Phosphoserin → Serin

Die Umwandlung von 3-Phosphoglycerat zu Phosphohydroxyl-Pyruvat wird durch das Enzym Phosphoglycerat-Dehydrogenase erreicht. Dieses Enzym ist der wichtigste regulatorische Schritt in diesem Stoffwechselweg. Phosphoglycerat-Dehydrogenase wird durch die Konzentration von Serin in der Zelle reguliert. Bei hohen Konzentrationen ist dieses Enzym inaktiv und Serin wird nicht produziert. Bei niedrigen Serinkonzentrationen ist das Enzym voll aktiv und Serin wird vom Bakterium produziert. [16] Da Serin die erste in dieser Familie produzierte Aminosäure ist, werden sowohl Glycin als auch Cystein durch die verfügbare Serinkonzentration in der Zelle reguliert. [17]

Glycin Bearbeiten

Glycin wird aus Serin biosynthetisiert, katalysiert durch Serinhydroxymethyltransferase (SHMT). Das Enzym ersetzt effektiv eine Hydroxymethylgruppe durch ein Wasserstoffatom.

SHMT wird vom Gen kodiert glyA. Die Regulierung von glyA ist komplex und enthält bekanntermaßen Serin, Glycin, Methionin, Purine, Thymin und Folate. Der vollständige Mechanismus muss noch aufgeklärt werden. [18] Von dem Methionin-Genprodukt MetR und dem Methionin-Zwischenprodukt Homocystein ist bekannt, dass sie glyA positiv regulieren. Homocystein ist ein Coaktivator von glyA und muss in Abstimmung mit MetR handeln. [18] [19] Andererseits ist bekannt, dass PurR, ein Protein, das eine Rolle bei der Purinsynthese spielt, und S-Adeno-sylmethionin herunterregulieren glyA. PurR bindet direkt an die Kontrollregion von glyA und schaltet das Gen effektiv aus, so dass das Bakterium kein Glycin produziert.

Cystein Bearbeiten

Die für die Cysteinsynthese notwendigen Gene sind auf der cys regulon. Die Integration von Schwefel wird durch CysB positiv reguliert. Wirksame Induktoren dieses Regulons sind N-Acetyl-Serin (NAS) und sehr geringe Mengen an reduziertem Schwefel. CysB funktioniert durch Bindung an DNA-Halbstellen auf der cys regulon. Diese Halbseiten unterscheiden sich in Menge und Anordnung je nach dem jeweiligen Promoter.Es gibt jedoch eine halbe Seite, die konserviert ist. Es liegt direkt stromaufwärts der -35-Stelle des Promotors. Je nach Promoter gibt es auch mehrere Zubehörseiten. In Abwesenheit des Induktors NAS bindet CysB die DNA und deckt viele der akzessorischen Hälften ab. Ohne die akzessorischen Hälften kann das Regulon nicht transkribiert werden und es wird kein Cystein produziert. Es wird angenommen, dass die Anwesenheit von NAS bewirkt, dass CysB eine Konformationsänderung durchmacht. Diese Konformationsänderung ermöglicht es CysB, sich richtig an alle Halbstellen zu binden und bewirkt die Rekrutierung der RNA-Polymerase. Die RNA-Polymerase transkribiert dann die cys Regulon und Cystein werden produziert.

Für diesen Weg ist jedoch eine weitere Regulierung erforderlich. CysB kann seine eigene Transkription herunterregulieren, indem es an seine eigene DNA-Sequenz bindet und die RNA-Polymerase blockiert. In diesem Fall verhindert NAS die Bindung von CysB an seine eigene DNA-Sequenz. OAS ist ein Vorläufer von NAS, Cystein selbst kann CysE hemmen, das zur Bildung von OAS dient. Ohne die notwendige OAS wird weder NAS noch Cystein produziert. Es gibt zwei weitere negative Regulatoren von Cystein. Dies sind die Moleküle Sulfid und Thiosulfat, sie binden an CysB und konkurrieren mit NAS um die Bindung von CysB. [20]

Pyruvat, das Endergebnis der Glykolyse, kann sowohl in den TCA-Zyklus als auch in den Fermentationsprozess einfließen. Reaktionen, die entweder mit einem oder zwei Molekülen Pyruvat beginnen, führen zur Synthese von Alanin, Valin und Leucin. Die Rückkopplungshemmung von Endprodukten ist die wichtigste Methode zur Hemmung, und in E coli, das ilvEDA Auch Operon spielt bei dieser Regulierung eine Rolle.

Alanin Bearbeiten

Alanin wird durch die Transaminierung eines Pyruvatmoleküls unter Verwendung von zwei alternativen Schritten hergestellt: 1) Umwandlung von Glutamat in α-Ketoglutarat unter Verwendung einer Glutamat-Alanin-Transaminase und 2) Umwandlung von Valin in α-Ketoisovalerat über Transaminase C.

Über die Regulation der Alaninsynthese ist nicht viel bekannt. Die einzige eindeutige Methode ist die Fähigkeit des Bakteriums, die Transaminase-C-Aktivität entweder durch Valin oder Leucin zu unterdrücken (siehe ilvEDA Operon). Ansonsten scheint die Alanin-Biosynthese nicht reguliert zu sein. [21]

Valin Bearbeiten

Valin wird über einen Vier-Enzym-Weg hergestellt. Es beginnt mit der Kondensation von zwei Äquivalenten Pyruvat, die durch Acetohydroxysäuresynthase katalysiert wird und α-Acetolactat ergibt. Der zweite Schritt beinhaltet die NADPH + -abhängige Reduktion von α-Acetolactat und Migration von Methylgruppen, um α,β-Dihydroxyisovalerat herzustellen. Dies wird durch Acetohydroxyisomeroreduktase katalysiert. Der dritte Schritt ist die Dehydratisierung von α,β-Dihydroxyisovalerat, katalysiert durch Dihydroxysäuredehydrase. Im vierten und letzten Schritt wird das resultierende α-Ketoisovalerat einer Transaminierung unterzogen, die entweder durch eine Alanin-Valin-Transaminase oder eine Glutamat-Valin-Transaminase katalysiert wird. Die Valinbiosynthese unterliegt einer Rückkopplungshemmung bei der Produktion von Acetohydroxysäuresynthase. [21]

Leucin Bearbeiten

Der Leucin-Syntheseweg weicht vom Valin-Weg ab, der mit α-Ketoisovalerat beginnt. α-Isopropylmalat-Synthase katalysiert diese Kondensation mit Acetyl-CoA, um α-Isopropylmalat herzustellen. Eine Isomerase wandelt α-Isopropylmalat in β-Isopropylmalat um. Der dritte Schritt ist die NAD + -abhängige Oxidation von β-Isopropylmalat, katalysiert durch eine Dehydrogenase. Der letzte Schritt ist die Transaminierung des α-Ketoisocaproats durch die Wirkung einer Glutamat-Leucin-Transaminase.

Leucin reguliert wie Valin den ersten Schritt seines Stoffwechselweges, indem es die Wirkung der α-Isopropylmalat-Synthase hemmt. [21] Da Leucin durch eine Umleitung vom Valin-Syntheseweg synthetisiert wird, kann die Rückkopplungshemmung von Valin auf seinem Weg auch die Synthese von Leucin hemmen.

IlvEDA-Operon Bearbeiten

Die Gene, die sowohl für die Dihydroxysäuredehydrase, die bei der Bildung von α-Ketoisovalerat und Transaminase E verwendet wird, als auch andere Enzyme kodieren, werden auf dem ilvEDA-Operon kodiert. Dieses Operon wird von Valin, Leucin und Isoleucin gebunden und inaktiviert. (Isoleucin ist kein direktes Derivat von Pyruvat, sondern wird durch die Verwendung vieler der gleichen Enzyme hergestellt, die auch zur Herstellung von Valin und indirekt Leucin verwendet werden.) Wenn eine dieser Aminosäuren begrenzt ist, ist das Gen am weitesten von der Aminosäure entfernt Bindungsstelle dieses Operons transkribiert werden. Wenn eine zweite dieser Aminosäuren begrenzt ist, kann das der Bindungsstelle nächstgelegene Gen transkribiert werden und so weiter. [21]

Die kommerzielle Produktion von Aminosäuren beruht normalerweise auf mutierten Bakterien, die einzelne Aminosäuren unter Verwendung von Glucose als Kohlenstoffquelle überproduzieren. Einige Aminosäuren werden durch enzymatische Umwandlungen synthetischer Zwischenprodukte hergestellt. 2-Aminothiazolin-4-carbonsäure ist beispielsweise ein Zwischenprodukt in der industriellen Synthese von L-Cystein. Asparaginsäure wird durch die Zugabe von Ammoniak zu Fumarat unter Verwendung einer Lyase hergestellt. [22]


Vitamine aus pflanzlichen Aminosäuren: Biosynthese und Funktion

Vitamine sind essentielle organische Verbindungen für den Menschen, da sie die Fähigkeit verloren haben, sie neu zu synthetisieren. Sie stellen somit den Nahrungsbedarf dar, der von Pflanzen als Hauptnahrungsquelle der meisten Vitamine (durch Lebensmittel oder Viehfutter) gedeckt wird. Die meisten von Pflanzen synthetisierten Vitamine enthalten Aminosäuren als Vorläufer (B1, B2, B3, B5, B7, B9 und E) und sind daher mit dem Stickstoffmetabolismus der Pflanzen verbunden. Aminosäuren spielen unterschiedliche Rollen in ihrer Biosynthese und im Stoffwechsel, entweder eingebaut in das Rückgrat des Vitamins oder als Amino-, Schwefel- oder Ein-Kohlenstoff-Gruppenspender. Es gibt eine hohe natürliche Variation des Vitamingehalts in Nutzpflanzen, und seine Nutzung durch Züchtung, Stoffwechseltechnik und agronomische Praktiken kann deren Nährstoffqualität verbessern. Während die zugrunde liegenden biochemischen Funktionen von Vitaminen als Cosubstrate oder Cofaktoren für die meisten Eukaryoten normalerweise gleich sind, können die Auswirkungen der Vitamine B und E auf Stoffwechsel und Physiologie bei Pflanzen und Tieren sehr unterschiedlich sein. Hier wollen wir zunächst einen Überblick über die Biosynthese von Aminosäuren-abgeleiteten Vitaminen in Pflanzen geben, mit besonderem Fokus darauf, wie dieses Wissen genutzt werden kann, um den Vitamingehalt in Nutzpflanzen zu erhöhen. Zweitens werden wir uns auf die Funktionen dieser Vitamine sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren (und insbesondere beim Menschen) konzentrieren, um gemeinsame und spezifische Rollen von Vitaminen in evolutionär weit entfernten Organismen zu entschlüsseln, in denen diese von Aminosäuren abgeleiteten Vitamine jedoch eine wesentliche Rolle spielen Rolle.

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  • Über das Buch
    • Titelseite
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    • Über die Autoren
    • Eine Anmerkung zum Wesen der Wissenschaft
    • Übersicht der wichtigsten Funktionen
    • Tools und Ressourcen zur Unterstützung des Unterrichts
    • Danksagung
    • Inhalt in Kürze
    • Inhalt
    • 1.1 Zelluläre Grundlagen
      • Zellen sind die strukturellen und funktionellen Einheiten aller lebenden Organismen
      • Zelluläre Abmessungen werden durch Diffusion begrenzt
      • Organismen gehören zu drei verschiedenen Lebensbereichen
      • Organismen unterscheiden sich stark in ihren Energiequellen und biosynthetischen Vorläufern
      • Bakterien- und Archaeenzellen haben gemeinsame Merkmale, unterscheiden sich jedoch in wichtigen Punkten
      • Eukaryotische Zellen haben eine Vielzahl von membranösen Organellen, die zu Studienzwecken isoliert werden können
      • Das Zytoplasma wird vom Zytoskelett organisiert und ist hochdynamisch
      • Zellen bauen supramolekulare Strukturen auf
      • In-vitro-Studien können wichtige Wechselwirkungen zwischen Molekülen übersehen
      • Biomoleküle sind Kohlenstoffverbindungen mit einer Vielzahl funktioneller Gruppen
      • Zellen enthalten einen universellen Satz kleiner Moleküle
      • Makromoleküle sind die Hauptbestandteile von Zellen
      • Die dreidimensionale Struktur wird durch Konfiguration und Konformation beschrieben
      • Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen sind stereospezifisch
      • Lebewesen existieren in einem dynamischen stationären Zustand, niemals im Gleichgewicht mit ihrer Umgebung
      • Organismen wandeln Energie und Materie aus ihrer Umgebung um
      • Ordnung schaffen und aufrechterhalten erfordert Arbeit und Energie
      • Energiekopplung verbindet Reaktionen in der Biologie
      • K[eq] und ?G° sind Maße für die spontane Vorgehensweise einer Reaktion
      • Enzyme fördern Sequenzen chemischer Reaktionen
      • Der Stoffwechsel wird reguliert, um Gleichgewicht und Wirtschaftlichkeit zu erreichen
      • Genetische Kontinuität liegt in einzelnen DNA-Molekülen
      • Die Struktur der DNA ermöglicht ihre Replikation und Reparatur mit nahezu perfekter Genauigkeit
      • Die lineare Sequenz in DNA kodiert für Proteine ​​mit dreidimensionalen Strukturen
      • Änderungen in den Erbvorschriften ermöglichen Evolution
      • Biomoleküle entstanden zuerst durch chemische Evolution
      • RNA oder verwandte Vorläufer könnten die ersten Gene und Katalysatoren gewesen sein
      • Die biologische Evolution begann vor mehr als dreieinhalb Milliarden Jahren
      • Die erste Zelle, die wahrscheinlich anorganische Brennstoffe verwendet
      • Eukaryotische Zellen entwickelten sich in mehreren Stadien aus einfacheren Vorläufern
      • Molekulare Anatomie offenbart evolutionäre Beziehungen
      • Funktionelle Genomik zeigt die Zuordnung von Genen zu bestimmten zellulären Prozessen
      • Genomische Vergleiche gewinnen in der Medizin zunehmend an Bedeutung
      • Schlüsselbegriffe
      • Probleme
      • Kapitel 2 Wasser, das Lösungsmittel des Lebens
        • 2.1 Schwache Wechselwirkungen in wässrigen Systemen
          • Wasserstoffbrückenbindung verleiht Wasser seine ungewöhnlichen Eigenschaften
          • Wasser bildet mit polaren gelösten Stoffen Wasserstoffbrücken
          • Wasser interagiert elektrostatisch mit geladenen gelösten Stoffen
          • Unpolare Gase sind in Wasser schlecht löslich
          • Unpolare Verbindungen erzwingen energetisch ungünstige Veränderungen in der Struktur von Wasser
          • Van-der-Waals-Wechselwirkungen sind schwache interatomare Anziehungen
          • Schwache Wechselwirkungen sind entscheidend für makromolekulare Struktur und Funktion
          • Konzentrierte gelöste Stoffe erzeugen osmotischen Druck
          • Reines Wasser ist leicht ionisiert
          • Die Ionisierung von Wasser wird durch eine Gleichgewichtskonstante ausgedrückt
          • Die pH-Skala bezeichnet die H[+]- und H[-]-Konzentrationen
          • Schwache Säuren und Basen haben charakteristische Säuredissoziationskonstanten
          • Titrationskurven zeigen den p[Ka] von schwachen Säuren
          • Puffer sind Mischungen aus schwachen Säuren und ihren konjugierten Basen
          • Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung bezieht sich auf pH, p[Ka] und Pufferkonzentration
          • Schwache Säuren oder Basen puffern Zellen und Gewebe gegen pH-Änderungen
          • Unbehandelter Diabetes führt zu lebensbedrohlicher Azidose
          • Schlüsselbegriffe
          • Probleme
          • 3.1 Aminosäuren
            • Aminosäuren haben gemeinsame strukturelle Merkmale
            • Die Aminosäurereste in Proteinen sind L-Stereoisomere
            • Aminosäuren können nach R-Gruppe klassifiziert werden
            • Gelegentliche Aminosäuren haben auch wichtige Funktionen
            • Aminosäuren können als Säuren und Basen wirken
            • Aminosäuren unterscheiden sich in ihren Säure-Basen-Eigenschaften
            • Peptide sind Ketten von Aminosäuren
            • Peptide können durch ihr Ionisierungsverhalten unterschieden werden
            • Biologisch aktive Peptide und Polypeptide kommen in einer Vielzahl von Größen und Zusammensetzungen vor
            • Einige Proteine ​​enthalten andere chemische Gruppen als Aminosäuren
            • Proteine ​​können getrennt und gereinigt werden
            • Proteine ​​können durch Elektrophorese getrennt und charakterisiert werden
            • Ungetrennte Proteine ​​werden anhand ihrer Funktionen nachgewiesen und quantifiziert
            • Die Funktion eines Proteins hängt von seiner Aminosäuresequenz ab
            • Die Proteinstruktur wird mit Methoden untersucht, die die Proteinchemie ausnutzen
            • Massenspektrometrie liefert Informationen über Molekulargewicht, Aminosäuresequenz und gesamte Proteome
            • Kleine Peptide und Proteine ​​können chemisch synthetisiert werden
            • Aminosäuresequenzen liefern wichtige biochemische Informationen
            • Proteinsequenzen helfen, die Geschichte des Lebens auf der Erde aufzuklären
            • Schlüsselbegriffe
            • Probleme
            • 4.1 Überblick über die Proteinstruktur
              • Die Konformation eines Proteins wird weitgehend durch schwache Wechselwirkungen stabilisiert
              • Das Verpacken hydrophober Aminosäuren außerhalb des Wassers begünstigt die Proteinfaltung
              • Polare Gruppen tragen Wasserstoffbrücken und Ionenpaare zur Proteinfaltung bei
              • Einzelne Van-der-Waals-Interaktionen sind schwach, aber kombiniert, um das Falten zu fördern
              • Die Peptidbindung ist starr und planar
              • Die a-Helix ist eine gemeinsame Protein-Sekundärstruktur
              • Aminosäuresequenz beeinflusst Stabilität der a-Helix
              • Die ß-Konformation organisiert Polypeptidketten in Schichten
              • ß Windungen sind in Proteinen üblich
              • Gemeinsame Sekundärstrukturen haben charakteristische Diederwinkel
              • Gemeinsame Sekundärstrukturen können durch Zirkulardichroismus beurteilt werden
              • Faserproteine ​​sind an eine strukturelle Funktion angepasst
              • Strukturelle Vielfalt spiegelt funktionelle Vielfalt in globulären Proteinen wider
              • Myoglobin lieferte frühe Hinweise auf die Komplexität der globulären Proteinstruktur
              • Globuläre Proteine ​​haben eine Vielzahl von Tertiärstrukturen
              • Einige Proteine ​​oder Proteinsegmente sind von Natur aus gestört
              • Proteinmotive sind die Grundlage für die Strukturklassifizierung von Proteinen
              • Quartäre Proteinstrukturen reichen von einfachen Dimeren bis hin zu großen Komplexen
              • Verlust der Proteinstruktur führt zu Funktionsverlust
              • Aminosäuresequenz bestimmt Tertiärstruktur
              • Polypeptide falten sich schnell durch einen schrittweisen Prozess
              • Einige Proteine ​​durchlaufen eine unterstützte Faltung
              • Defekte in der Proteinfaltung sind die molekulare Grundlage für viele humangenetische Erkrankungen
              • Röntgenbeugung erzeugt Elektronendichtekarten aus Proteinkristallen
              • Abstände zwischen Proteinatomen können durch Kernspinresonanz gemessen werden
              • Tausende einzelner Moleküle werden verwendet, um Strukturen durch Kryo-Elektronenmikroskopie zu bestimmen
              • Schlüsselbegriffe
              • Probleme
              • 5.1 Reversible Bindung eines Proteins an einen Liganden: Sauerstoffbindende Proteine
                • Sauerstoff kann an eine Häm-Prothesengruppe binden
                • Globine sind eine Familie von sauerstoffbindenden Proteinen
                • Myoglobin hat eine einzige Bindungsstelle für Sauerstoff
                • Protein-Ligand-Wechselwirkungen lassen sich quantitativ beschreiben
                • Proteinstruktur beeinflusst die Bindung von Liganden
                • Hämoglobin transportiert Sauerstoff im Blut
                • Hämoglobin-Untereinheiten sind strukturell ähnlich wie Myoglobin
                • Hämoglobin erfährt eine Strukturänderung bei der Bindung von Sauerstoff
                • Hämoglobin bindet Sauerstoff kooperativ
                • Kooperative Ligandenbindung kann quantitativ beschrieben werden
                • Zwei Modelle schlagen Mechanismen für kooperative Bindung vor
                • Hämoglobin transportiert auch H[+] und CO[2]
                • Die Sauerstoffbindung an Hämoglobin wird durch 2,3-Bisphosphoglycerat reguliert
                • Sichelzellenanämie ist eine molekulare Erkrankung des Hämoglobins
                • Die Immunantwort umfasst ein spezialisiertes Array von Zellen und Proteinen
                • Antikörper haben zwei identische Antigen-Bindungsstellen
                • Antikörper binden fest und spezifisch an Antigen
                • Die Antikörper-Antigen-Interaktion ist die Grundlage für eine Vielzahl wichtiger Analyseverfahren
                • Die wichtigsten Proteine ​​des Muskels sind Myosin und Aktin
                • Zusätzliche Proteine ​​organisieren die dünnen und dicken Filamente in geordnete Strukturen
                • Myosin-dicke Filamente gleiten entlang der dünnen Aktin-Filamente
                • Schlüsselbegriffe
                • Probleme
                • 6.1 Eine Einführung in Enzyme
                  • Die meisten Enzyme sind Proteine
                  • Enzyme werden nach den Reaktionen klassifiziert, die sie katalysieren
                  • Enzyme beeinflussen Reaktionsgeschwindigkeiten, nicht Gleichgewichte
                  • Reaktionsgeschwindigkeiten und Gleichgewichte haben genaue thermodynamische Definitionen
                  • Einige Prinzipien erklären die katalytische Kraft und Spezifität von Enzymen
                  • Nichtkovalente Wechselwirkungen zwischen Enzym und Substrat werden im Übergangszustand optimiert
                  • Kovalente Wechselwirkungen und Metallionen tragen zur Katalyse bei
                  • Substratkonzentration beeinflusst die Geschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen
                  • Der Zusammenhang zwischen Substratkonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit kann mit der Michaelis-Menten-Gleichung ausgedrückt werden
                  • Michaelis-Menten-Kinetik kann quantitativ analysiert werden
                  • Kinetische Parameter werden verwendet, um Enzymaktivitäten zu vergleichen
                  • Viele Enzyme katalysieren Reaktionen mit zwei oder mehr Substraten
                  • Enzymaktivität hängt vom pH-Wert ab
                  • Prä-Steady-State-Kinetik kann Beweise für spezifische Reaktionsschritte liefern
                  • Enzyme unterliegen einer reversiblen oder irreversiblen Hemmung
                  • Der Chymotrypsin-Mechanismus umfasst die Acylierung und Deacylierung eines Ser-Restes
                  • Ein Verständnis der Protease-Mechanismen führt zu neuen Behandlungen für die HIV-Infektion
                  • Hexokinase durchläuft eine induzierte Anpassung an die Substratbindung
                  • Der Reaktionsmechanismus der Enolase erfordert Metallionen
                  • Ein Verständnis des Enzymmechanismus führt zu nützlichen Antibiotika
                  • Allosterische Enzyme unterliegen als Reaktion auf die Modulatorbindung Konformationsänderungen
                  • Die kinetischen Eigenschaften allosterischer Enzyme weichen vom Michaelis-Menten-Verhalten ab
                  • Einige Enzyme werden durch reversible kovalente Modifikation reguliert
                  • Phosphorylgruppen beeinflussen die Struktur und katalytische Aktivität von Enzymen
                  • Mehrere Phosphorylierungen ermöglichen eine hervorragende regulatorische Kontrolle
                  • Einige Enzyme und andere Proteine ​​werden durch proteolytische Spaltung eines Enzymvorläufers reguliert
                  • Eine Kaskade von proteolytisch aktivierten Zymogenen führt zur Blutgerinnung
                  • Einige regulatorische Enzyme verwenden mehrere regulatorische Mechanismen
                  • Schlüsselbegriffe
                  • Probleme
                  • 7.1 Monosaccharide und Disaccharide
                    • Die beiden Monosaccharid-Familien sind Aldosen und Ketosen
                    • Monosaccharide haben asymmetrische Zentren
                    • Die üblichen Monosaccharide haben zyklische Strukturen
                    • Organismen enthalten eine Vielzahl von Hexose-Derivaten
                    • Zucker, die Aldehyde sind oder bilden können, reduzieren Zucker
                    • Einige Homopolysaccharide sind Speicherformen von Kraftstoffen
                    • Einige Homopolysaccharide erfüllen strukturelle Rollen
                    • Sterische Faktoren und Wasserstoffbrücken beeinflussen die Faltung von Homopolysacchariden
                    • Peptidoglycan stärkt die bakterielle Zellwand
                    • Glykosaminoglykane sind Heteropolysaccharide der extrazellulären Matrix
                    • Proteoglykane sind Glykosaminoglykan-haltige Makromoleküle der Zelloberfläche und extrazellulären Matrix
                    • Glykoproteine ​​haben kovalent gebundene Oligosaccharide
                    • Glykolipide und Lipopolysaccharide sind Membrankomponenten
                    • Oligosaccharidstrukturen sind informationsdicht
                    • Lektine sind Proteine, die den Zuckercode lesen und viele biologische Prozesse vermitteln
                    • Lektin-Kohlenhydrat-Wechselwirkungen sind hochspezifisch und oft multivalent
                    • Schlüsselbegriffe
                    • Probleme
                    • 8.1 Einige grundlegende Definitionen und Konventionen
                      • Nukleotide und Nukleinsäuren haben charakteristische Basen und Pentosen
                      • Phosphodiesterbindungen verbinden aufeinanderfolgende Nukleotide in Nukleinsäuren
                      • Die Eigenschaften von Nukleotidbasen beeinflussen die dreidimensionale Struktur von Nukleinsäuren
                      • DNA ist eine Doppelhelix, die genetische Informationen speichert
                      • DNA kann in verschiedenen dreidimensionalen Formen auftreten
                      • Bestimmte DNA-Sequenzen nehmen ungewöhnliche Strukturen an
                      • Messenger-RNAs kodieren für Polypeptidketten
                      • Viele RNAs haben komplexere dreidimensionale Strukturen
                      • Doppelhelikale DNA und RNA können denaturiert werden
                      • Nukleotide und Nukleinsäuren durchlaufen nichtenzymatische Transformationen
                      • Einige Basen der DNA sind methyliert
                      • Die chemische Synthese von DNA wurde automatisiert
                      • Gensequenzen können mit der Polymerase-Kettenreaktion amplifiziert werden
                      • Die Sequenzen langer DNA-Stränge können bestimmt werden
                      • DNA-Sequenzierungstechnologien schreiten schnell voran
                      • Nukleotide transportieren chemische Energie in Zellen
                      • Adeninnukleotide sind Bestandteile vieler Enzym-Cofaktoren
                      • Einige Nukleotide sind regulatorische Moleküle
                      • Adeninnukleotide dienen auch als Signale
                      • Schlüsselbegriffe
                      • Probleme
                      • 9.1 Gene und ihre Produkte studieren
                        • Gene können durch DNA-Klonierung isoliert werden
                        • Restriktionsendonukleasen und DNA-Ligasen liefern rekombinante DNA
                        • Klonierungsvektoren ermöglichen die Amplifikation von inserierten DNA-Segmenten
                        • Geklonte Gene können exprimiert werden, um die Proteinproduktion zu verstärken
                        • Viele verschiedene Systeme werden verwendet, um rekombinante Proteine ​​zu exprimieren
                        • Die Veränderung klonierter Gene erzeugt veränderte Proteine
                        • Terminal-Tags bieten Griffe für die Affinitätsreinigung
                        • Die Polymerase-Kettenreaktion bietet viele Möglichkeiten für Klonierungsexperimente
                        • DNA-Bibliotheken sind spezialisierte Kataloge genetischer Informationen
                        • Sequenz- oder Strukturbeziehungen können auf Proteinfunktion hinweisen
                        • Wann und wo ein Protein in einer Zelle vorhanden ist, kann auf eine Proteinfunktion hinweisen
                        • Zu wissen, womit ein Protein interagiert, kann seine Funktion vermuten lassen
                        • Die Wirkung des Löschens oder Änderns eines Proteins kann auf seine Funktion hinweisen
                        • Viele Proteine ​​sind noch unentdeckt
                        • Das menschliche Genom enthält viele Arten von Sequenzen
                        • Genomsequenzierung informiert uns über unsere Menschlichkeit
                        • Genomvergleiche helfen, Gene zu lokalisieren, die an einer Krankheit beteiligt sind
                        • Genomsequenzen informieren uns über unsere Vergangenheit und bieten Chancen für die Zukunft
                        • Schlüsselbegriffe
                        • Probleme
                        • 10.1 Speicherlipide
                          • Fettsäuren sind Kohlenwasserstoffderivate
                          • Triacylglycerine sind Fettsäureester von Glycerin
                          • Triacylglycerine liefern gespeicherte Energie und isolieren
                          • Die teilweise Hydrierung von Speiseölen verbessert ihre Stabilität, erzeugt jedoch Fettsäuren mit gesundheitsschädlichen Auswirkungen
                          • Wachse dienen als Energiespeicher und wasserabweisend
                          • Glycerophospholipide sind Derivate der Phosphatidsäure
                          • Einige Glycerophospholipide haben ethergebundene Fettsäuren
                          • Galaktolipide von Pflanzen und ethergebundene Lipide von Archaeen sind Anpassungen an die Umwelt
                          • Sphingolipide sind Derivate von Sphingosin
                          • Sphingolipide an Zelloberflächen sind Orte der biologischen Erkennung
                          • Phospholipide und Sphingolipide werden in Lysosomen abgebaut
                          • Sterole haben vier verschmolzene Kohlenstoffringe
                          • Phosphatidylinositole und Sphingosin-Derivate wirken als intrazelluläre Signale
                          • Eicosanoide übertragen Nachrichten an Zellen in der Nähe
                          • Steroidhormone übertragen Botschaften zwischen Geweben
                          • Gefäßpflanzen produzieren Tausende von flüchtigen Signalen
                          • Vitamin A und D sind Hormonvorläufer
                          • Vitamin E und K sowie die Lipidchinone sind Oxidations-Reduktions-Cofaktoren
                          • Dolichole aktivieren Zuckervorläufer für die Biosynthese
                          • Viele natürliche Pigmente sind lipidkonjugierte Diene
                          • Polyketide sind Naturprodukte mit starker biologischer Aktivität
                          • Lipidextraktion erfordert organische Lösungsmittel
                          • Adsorptionschromatographie trennt Lipide unterschiedlicher Polarität
                          • Gaschromatographie löst Gemische flüchtiger Lipidderivate
                          • Spezifische Hydrolysehilfen bei der Bestimmung der Lipidstruktur
                          • Massenspektrometrie zeigt vollständige Lipidstruktur
                          • Lipidomics versucht, alle Lipide und ihre Funktionen zu katalogisieren
                          • Schlüsselbegriffe
                          • Probleme
                          • 11.1 Zusammensetzung und Architektur von Membranen
                            • Die Lipiddoppelschicht ist in Wasser stabil
                            • Die Doppelschichtarchitektur liegt der Struktur und Funktion biologischer Membranen zugrunde
                            • Das Endomembransystem ist dynamisch und funktionell differenziert
                            • Membranproteine ​​sind Rezeptoren, Transporter und Enzyme
                            • Membranproteine ​​unterscheiden sich in der Art ihrer Assoziation mit der Membrandoppelschicht
                            • Die Topologie eines integralen Membranproteins lässt sich oft aus seiner Sequenz vorhersagen
                            • Kovalent gebundene Lipide verankern oder lenken einige Membranproteine
                            • Acylgruppen im Inneren der Doppelschicht sind unterschiedlich stark geordnet
                            • Transbilayer-Bewegung von Lipiden erfordert Katalyse
                            • Lipide und Proteine ​​diffundieren seitlich in die Doppelschicht
                            • Sphingolipide und Cholesterin-Cluster zusammen in Membranrafts
                            • Membrankrümmung und -fusion sind für viele biologische Prozesse von zentraler Bedeutung
                            • Integrale Proteine ​​der Plasmamembran sind an der Oberflächenadhäsion, Signalübertragung und anderen zellulären Prozessen beteiligt
                            • Transport kann passiv oder aktiv sein
                            • Transporter und Ionenkanäle haben einige strukturelle Eigenschaften, aber unterschiedliche Mechanismen
                            • Der Glukosetransporter der Erythrozyten vermittelt den passiven Transport
                            • Der Chlorid-Bicarbonat-Austauscher katalysiert den elektroneutralen Cotransport von Anionen durch die Plasmamembran
                            • Aktiver Transport führt zur Bewegung gelöster Stoffe gegen eine Konzentration oder einen elektrochemischen Gradienten
                            • P-Typ-ATPasen werden während ihrer katalytischen Zyklen phosphoryliert
                            • V-Typ- und F-Typ-ATPasen sind ATP-getriebene Protonenpumpen
                            • ABC-Transporter verwenden ATP, um den aktiven Transport einer Vielzahl von Substraten zu fördern
                            • Ionengradienten liefern die Energie für den sekundären aktiven Transport
                            • Aquaporine bilden hydrophile Transmembrankanäle für den Wasserdurchtritt
                            • Ionenselektive Kanäle ermöglichen eine schnelle Bewegung von Ionen durch Membranen
                            • Die Struktur eines K[+]-Kanals zeigt die Grundlage für seine Spezifität
                            • Schlüsselbegriffe
                            • Probleme
                            • 12.1 Allgemeine Merkmale der Signalübertragung
                              • Signalübertragungssysteme haben gemeinsame Merkmale
                              • Der allgemeine Prozess der Signalübertragung bei Tieren ist universell
                              • Das ß-adrenerge Rezeptorsystem wirkt über den Second Messenger cAMP
                              • Zyklisches AMP aktiviert Proteinkinase A
                              • Mehrere Mechanismen führen zur Beendigung der ß-adrenergen Reaktion
                              • Der ß-adrenerge Rezeptor wird durch Phosphorylierung und durch Assoziation mit Arrestin . desensibilisiert
                              • Zyklisches AMP fungiert als zweiter Bote für viele regulatorische Moleküle
                              • G-Proteine ​​wirken in vielen Prozessen als selbstlimitierende Schalter
                              • Diacylglycerol, Inositoltrisphosphat und Ca2+ haben verwandte Rollen als zweite Botenstoffe
                              • Kalzium ist ein zweiter Bote, der in Raum und Zeit begrenzt ist
                              • Das Wirbeltierauge verwendet klassische GPCR-Mechanismen
                              • Geruchs- und Geschmackssinn bei Wirbeltieren nutzen ähnliche Mechanismen wie das visuelle System
                              • Alle GPCR-Systeme teilen universelle Funktionen
                              • Stimulation des Insulinrezeptors initiiert eine Kaskade von Proteinphosphorylierungsreaktionen
                              • Das Membranphospholipid PIP3 ist ein Zweig der Insulinsignalisierung
                              • Übersprechen zwischen Signalisierungssystemen ist häufig und komplex
                              • Proteinmodule binden phosphorylierte Tyr-, Ser- oder Thr-Reste in Partnerproteinen
                              • Membran-Rafts und Caveolae trennen Signalproteine
                              • Ionenkanäle unterliegen einer schnellen elektrischen Signalübertragung in erregbaren Zellen
                              • Spannungsgesteuerte Ionenkanäle erzeugen neuronale Aktionspotentiale
                              • Neuronen haben Rezeptorkanäle, die auf verschiedene Neurotransmitter reagieren
                              • Toxine zielen auf Ionenkanäle ab
                              • Der Zellzyklus hat vier Phasen
                              • Niveaus der Cyclin-abhängigen Proteinkinasen oszillieren
                              • CDKs werden durch Phosphorylierung, Cyclinabbau, Wachstumsfaktoren und spezifische Inhibitoren reguliert
                              • CDKs regulieren die Zellteilung durch Phosphorylierung kritischer Proteine
                              • Onkogene sind mutante Formen der Gene für Proteine, die den Zellzyklus regulieren
                              • Defekte in bestimmten Genen beseitigen normale Einschränkungen der Zellteilung
                              • Apoptose ist programmierter Zell-Selbstmord
                              • Schlüsselbegriffe
                              • Probleme
                              • Kapitel 13 Einführung in den Stoffwechsel
                                • 13.1 Bioenergetik und Thermodynamik
                                  • Biologische Energieumwandlungen gehorchen den Gesetzen der Thermodynamik
                                  • Die Standardänderung der Freien Energie steht in direktem Zusammenhang mit der Gleichgewichtskonstante
                                  • Tatsächliche Änderungen der Freien Energie hängen von den Reaktanten- und Produktkonzentrationen ab
                                  • Standardmäßige Änderungen der Freien Energie sind additiv
                                  • Biochemische Reaktionen treten in sich wiederholenden Mustern auf
                                  • Biochemische und chemische Gleichungen sind nicht identisch
                                  • Die Änderung der freien Energie für die ATP-Hydrolyse ist groß und negativ
                                  • Andere phosphorylierte Verbindungen und Thioester haben auch große, negative freie Hydrolyseenergien
                                  • ATP liefert Energie durch Gruppentransfers, nicht durch einfache Hydrolyse
                                  • ATP spendet Phosphoryl-, Pyrophosphoryl- und Adenylylgruppen
                                  • Der Aufbau informationeller Makromoleküle erfordert Energie
                                  • Transphosphorylierungen zwischen Nukleotiden treten in allen Zelltypen auf
                                  • Der Elektronenfluss kann biologische Arbeit leisten
                                  • Oxidations-Reduktionen können als Halbreaktionen beschrieben werden
                                  • Biologische Oxidationen beinhalten oft Dehydrierung
                                  • Reduktionspotentiale messen die Affinität für Elektronen
                                  • Standard-Reduktionspotenziale können verwendet werden, um die Änderung der Freien Energie zu berechnen
                                  • Einige Arten von Coenzymen und Proteinen dienen als universelle Elektronentransporter
                                  • NAD hat neben dem Elektronentransfer noch wichtige Funktionen
                                  • Flavinnukleotide sind in Flavoproteinen fest gebunden
                                  • Zellen und Organismen behalten einen dynamischen stationären Zustand bei
                                  • Sowohl die Menge als auch die katalytische Aktivität eines Enzyms lassen sich regulieren
                                  • Reaktionen, die weit vom Gleichgewicht in Zellen entfernt sind, sind gemeinsame Regulierungspunkte
                                  • Adeninnukleotide spielen eine besondere Rolle bei der Stoffwechselregulation
                                  • Schlüsselbegriffe
                                  • Probleme
                                  • 14.1 Glykolyse
                                    • Ein Überblick: Glykolyse hat zwei Phasen
                                    • Die Vorbereitungsphase der Glykolyse erfordert ATP
                                    • Die Auszahlungsphase der Glykolyse liefert ATP und NADH
                                    • Die Gesamtbilanz zeigt einen Nettogewinn von zwei ATP und zwei NADH pro Glukose
                                    • Endogenes Glykogen und Stärke werden durch Phosphorolyse abgebaut
                                    • Diätetische Polysaccharide und Disaccharide werden zu Monosacchariden hydrolysiert
                                    • Die Pasteur- und Warburg-Effekte sind allein auf die Abhängigkeit von der Glykolyse für die ATP-Produktion zurückzuführen
                                    • Pyruvat ist der terminale Elektronenakzeptor bei der Milchsäurefermentation
                                    • Ethanol ist das reduzierte Produkt bei der Ethanolfermentation
                                    • Fermentationen produzieren einige gängige Lebensmittel und Industriechemikalien
                                    • Der erste Bypass: Die Umwandlung von Pyruvat in Phosphoenolpyruvat erfordert zwei exergonische Reaktionen
                                    • Der zweite und dritte Bypass sind einfache Dephosphorylierungen durch Phosphatasen
                                    • Gluconeogenese ist energetisch teuer, aber essentiell
                                    • Säugetiere können Fettsäuren nicht in Glukose umwandeln Pflanzen und Mikroorganismen können
                                    • Hexokinase-Isozyme werden durch ihr Produkt, Glucose-6-Phosphat, unterschiedlich beeinflusst
                                    • Phosphofructokinase-1 und Fructose-1,6-Bisphosphatase werden wechselseitig reguliert
                                    • Fructose 2,6-Bisphosphat ist ein potenter allosterischer Regulator von PFK-1 und FBPase-1
                                    • Xylulose 5-Phosphat ist ein wichtiger Regulator des Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsels
                                    • Das glykolytische Enzym Pyruvatkinase wird durch ATP . allosterisch gehemmt
                                    • Die Umwandlung von Pyruvat in Phosphoenolpyruvat wird stimuliert, wenn Fettsäuren verfügbar sind
                                    • Transkriptionsregulation verändert die Anzahl der Enzymmoleküle
                                    • Die oxidative Phase produziert NADPH und Pentosephosphate
                                    • Die nichtoxidative Phase recycelt Pentosephosphate zu Glucose-6-Phosphat
                                    • Glucose-6-Phosphat wird zwischen Glykolyse und dem Pentosephosphat-Weg aufgeteilt
                                    • Thiaminmangel verursacht Beriberi- und Wernicke-Korsakow-Syndrom
                                    • Schlüsselbegriffe
                                    • Probleme
                                    • 15.1 Struktur und Funktion von Glykogen
                                      • Wirbeltiere benötigen eine einsatzbereite Energiequelle für Gehirn und Muskeln
                                      • Glykogengranulat hat viele Stufen verzweigter Ketten von d-Glucose
                                      • Der Glykogenabbau wird durch Glykogenphosphorylase katalysiert
                                      • Glukose-1-Phosphat kann in die Glykolyse eintreten oder, in der Leber, den Blutzucker auffüllen
                                      • Das Zuckernukleotid UDP-Glucose spendet Glukose für die Glykogensynthese
                                      • Glykogenin aktiviert die anfänglichen Zuckerreste in Glykogen
                                      • Glykogenphosphorylase wird durch hormonstimulierte Phosphorylierung und durch allosterische Effektoren reguliert
                                      • Auch die Glykogensynthase unterliegt mehreren Regulierungsebenen
                                      • Allosterische und hormonelle Signale koordinieren den Kohlenhydratstoffwechsel weltweit
                                      • Der Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsel wird durch hormonelle und allosterische Mechanismen integriert
                                      • Schlüsselbegriffe
                                      • Probleme
                                      • 16.1 Herstellung von Acetyl-CoA (aktiviertes Acetat)
                                        • Pyruvat wird zu Acetyl-CoA und CO2 . oxidiert
                                        • Der PDH-Komplex verwendet drei Enzyme und fünf Coenzyme, um Pyruvat zu oxidieren
                                        • Der PDH-Komplex kanalisiert seine Zwischenprodukte durch fünf Reaktionen
                                        • Der Reaktionsablauf im Zitronensäurezyklus macht chemisch Sinn
                                        • Der Zitronensäurezyklus besteht aus acht Schritten
                                        • Die Energie der Oxidationen im Zyklus wird effizient erhalten
                                        • Der Zitronensäurezyklus dient sowohl in katabolen als auch in anabolen Prozessen
                                        • Anaplerotische Reaktionen ergänzen die Zwischenprodukte des Zitronensäurezyklus
                                        • Biotin in Pyruvat-Carboxylase trägt Ein-Kohlenstoff-(CO2)-Gruppen
                                        • Die Produktion von Acetyl-CoA durch den PDH-Komplex wird durch allosterische und kovalente Mechanismen reguliert
                                        • Der Zitronensäurezyklus wird auch in drei exergonischen Schritten reguliert
                                        • Veränderungen der Aktivität des Zitronensäurezyklus bei Tumoren
                                        • Bestimmte Zwischenprodukte werden durch Metabolons kanalisiert
                                        • Schlüsselbegriffe
                                        • Probleme
                                        • 17.1 Verdauung, Mobilisierung und Transport von Fetten
                                          • Nahrungsfette werden im Dünndarm aufgenommen
                                          • Hormone lösen die Mobilisierung gespeicherter Triacylglycerine aus
                                          • Fettsäuren werden aktiviert und in die Mitochondrien transportiert
                                          • Die ß Oxidation von gesättigten Fettsäuren hat vier grundlegende Schritte
                                          • Die vier Schritte der ß-Oxidation werden wiederholt, um Acetyl-CoA und ATP . zu ergeben
                                          • Acetyl-CoA kann im Zitronensäurezyklus weiter oxidiert werden
                                          • Die Oxidation ungesättigter Fettsäuren erfordert zwei zusätzliche Reaktionen
                                          • Die vollständige Oxidation von Fettsäuren mit ungerader Zahl erfordert drei zusätzliche Reaktionen
                                          • Die Fettsäureoxidation ist streng reguliert
                                          • Transkriptionsfaktoren aktivieren die Proteinsynthese für den Lipidkatabolismus
                                          • Genetische Defekte in Fettacyl-CoA-Dehydrogenasen verursachen schwere Erkrankungen
                                          • Peroxisomen führen auch ß-Oxidation durch
                                          • Phytansäure wird in Peroxisomen oxidiert
                                          • In der Leber gebildete Ketonkörper werden als Brennstoff in andere Organe exportiert
                                          • Ketonkörper werden bei Diabetes und während des Hungers überproduziert
                                          • Schlüsselbegriffe
                                          • Probleme
                                          • 18.1 Metabolische Schicksale von Aminogruppen
                                            • Nahrungsprotein wird enzymatisch zu Aminosäuren abgebaut
                                            • Pyridoxalphosphat ist an der Übertragung von a-Aminogruppen auf a-Ketoglutarat beteiligt
                                            • Glutamat gibt seine Aminogruppe als Ammoniak in der Leber frei
                                            • Glutamin transportiert Ammoniak in die Blutbahn
                                            • Alanin transportiert Ammoniak von den Skelettmuskeln in die Leber
                                            • Ammoniak ist giftig für Tiere
                                            • Harnstoff wird in fünf enzymatischen Schritten aus Ammoniak hergestellt
                                            • Die Zyklen von Zitronensäure und Harnstoff können verknüpft werden
                                            • Die Aktivität des Harnstoffzyklus wird auf zwei Ebenen reguliert
                                            • Pfadverbindungen reduzieren die energetischen Kosten der Harnstoffsynthese
                                            • Genetische Defekte im Harnstoffzyklus können lebensbedrohlich sein
                                            • Einige Aminosäuren können zur Glukoneogenese beitragen, andere zur Ketonkörperbildung
                                            • Mehrere Enzym-Cofaktoren spielen eine wichtige Rolle im Aminosäurekatabolismus
                                            • Sechs Aminosäuren werden zu Pyruvat abgebaut
                                            • Sieben Aminosäuren werden zu Acetyl-CoA . abgebaut
                                            • Der Phenylalanin-Katabolismus ist bei manchen Menschen genetisch defekt
                                            • Fünf Aminosäuren werden in -Ketoglutarat umgewandelt
                                            • Vier Aminosäuren werden in Succinyl-CoA . umgewandelt
                                            • Verzweigtkettige Aminosäuren werden in der Leber nicht abgebaut
                                            • Asparagin und Aspartat werden zu Oxalacetat abgebaut
                                            • Schlüsselbegriffe
                                            • Probleme
                                            • 19.1 Die mitochondriale Atmungskette
                                              • Elektronen werden zu universellen Elektronenakzeptoren geleitet
                                              • Elektronen passieren eine Reihe membrangebundener Träger
                                              • Elektronenüberträgerfunktion in Multienzymkomplexen
                                              • Mitochondriale Komplexe sind in Respirasomen assoziiert
                                              • Andere Wege spenden Elektronen über Ubichinon . an die Atmungskette
                                              • Die Energie des Elektronentransfers wird in einem Protonengradienten effizient erhalten
                                              • Während der oxidativen Phosphorylierung entstehen reaktive Sauerstoffspezies
                                              • Im chemiosmotischen Modell sind Oxidation und Phosphorylierung zwingend gekoppelt
                                              • ATP-Synthase hat zwei funktionelle Domänen, F[0] und F[1]
                                              • ATP ist relativ zu ADP auf der Oberfläche von F stabilisiert[1]
                                              • Der Protonengradient treibt die Freisetzung von ATP von der Enzymoberfläche an
                                              • Jede ß-Untereinheit der ATP-Synthase kann drei verschiedene Konformationen annehmen
                                              • Rotationskatalyse ist der Schlüssel zum Bindungsänderungsmechanismus für die ATP-Synthese
                                              • Chemiosmotische Kopplung ermöglicht nichtintegrale Stöchiometrien des O[2]-Verbrauchs und der ATP-Synthese
                                              • Die protonen-motorische Kraft energetisiert den aktiven Transport
                                              • Shuttle-Systeme transportieren zytosolisches NADH indirekt zur Oxidation in Mitochondrien
                                              • Die oxidative Phosphorylierung wird durch den zellulären Energiebedarf reguliert
                                              • Ein hemmendes Protein verhindert die ATP-Hydrolyse bei Hypoxie
                                              • Hypoxie führt zu ROS-Produktion und mehreren adaptiven Reaktionen
                                              • ATP-produzierende Pfade werden koordiniert reguliert
                                              • Entkoppelte Mitochondrien in braunem Fettgewebe erzeugen Wärme
                                              • Mitochondriale P-450-Monooxygenasen katalysieren Steroid-Hydroxylierungen
                                              • Mitochondrien sind von zentraler Bedeutung für die Einleitung der Apoptose
                                              • Mitochondrien aus endosymbiotischen Bakterien
                                              • Mutationen in der mitochondrialen DNA akkumulieren während des gesamten Lebens des Organismus
                                              • Einige Mutationen in mitochondrialen Genomen verursachen Krankheiten
                                              • Eine seltene Form von Diabetes resultiert aus Defekten in den Mitochondrien der ß-Zellen der Bauchspeicheldrüse
                                              • Schlüsselbegriffe
                                              • Probleme
                                              • 20.1 Lichtabsorption
                                                • Chloroplasten sind der Ort des lichtgetriebenen Elektronenflusses und der Photosynthese in Pflanzen
                                                • Chlorophylle absorbieren Lichtenergie für die Photosynthese
                                                • Chlorophylle leiten absorbierte Energie durch Exzitonentransfer in Reaktionszentren ein
                                                • Photosynthetische Bakterien haben zwei Arten von Reaktionszentren
                                                • Bei Gefäßpflanzen agieren zwei Reaktionszentren im Tandem
                                                • Der Cytochrom-b[6]f-Komplex verbindet die Photosysteme II und I, wodurch die Energie des Elektronentransfers erhalten bleibt
                                                • Zyklischer Elektronentransfer ermöglicht Variation des Verhältnisses von synthetisiertem ATP/NADPH
                                                • Zustandsübergänge ändern die Verteilung von LHCII zwischen den beiden Photosystemen
                                                • Wasser wird im Zentrum für Sauerstoffentwicklung gespalten
                                                • Ein Protonengradient koppelt Elektronenfluss und Phosphorylierung
                                                • Die ungefähre Stöchiometrie der Photophosphorylierung wurde festgestellt
                                                • Die Struktur und der Mechanismus der ATP-Synthase sind nahezu universell
                                                • Die Kohlendioxid-Assimilation erfolgt in drei Stufen
                                                • Die Synthese jedes Triosephosphats aus CO[2] erfordert sechs NADPH und neun ATP
                                                • Ein Transportsystem exportiert Triosephosphate aus dem Chloroplasten und importiert Phosphate
                                                • Vier Enzyme des Calvin-Zyklus werden indirekt durch Licht aktiviert
                                                • Photorespiration-Ergebnisse aus Rubiscos Oxygenase-Aktivität
                                                • Phosphoglycolat wird in einer kostspieligen Reihe von Reaktionen in C[3]-Pflanzen gerettet
                                                • In C[4]-Pflanzen sind CO[2]-Fixierung und Rubisco-Aktivität räumlich getrennt
                                                • In CAM-Anlagen sind CO[2]-Abscheidung und Rubisco-Wirkung zeitlich getrennt
                                                • ADP-Glucose ist das Substrat für die Stärkesynthese in pflanzlichen Plastiden und für die Glykogensynthese in Bakterien
                                                • UDP-Glucose ist das Substrat für die Saccharose-Synthese im Zytosol von Blattzellen
                                                • Die Umwandlung von Triosephosphaten in Saccharose und Stärke ist streng reguliert
                                                • Der Glyoxylat-Zyklus und die Gluconeogenese produzieren Glukose in keimenden Samen
                                                • Cellulose wird durch supramolekulare Strukturen in der Plasmamembran synthetisiert
                                                • Pools gemeinsamer Zwischenprodukte verbinden Pfade in verschiedenen Organellen
                                                • Schlüsselbegriffe
                                                • Probleme
                                                • 21.1 Biosynthese von Fettsäuren und Eicosanoiden
                                                  • Malonyl-CoA wird aus Acetyl-CoA und Bicarbonat gebildet
                                                  • Die Fettsäuresynthese verläuft in einer sich wiederholenden Reaktionssequenz
                                                  • Die Säugetierfettsäuresynthase hat mehrere aktive Zentren
                                                  • Fettsäuresynthase erhält die Acetyl- und Malonylgruppen
                                                  • Die Reaktionen der Fettsäuresynthase werden wiederholt, um Palmitat zu bilden
                                                  • Die Fettsäuresynthese ist bei den meisten Eukaryoten ein zytosolischer Prozess, findet aber bei Pflanzen in den Chloroplasten statt
                                                  • Acetat wird als Citrat aus den Mitochondrien transportiert
                                                  • Die Fettsäurebiosynthese ist streng reguliert
                                                  • Aus Palmitat werden langkettige gesättigte Fettsäuren synthetisiert
                                                  • Die Entsättigung von Fettsäuren erfordert eine Mischfunktionsoxidase
                                                  • Eicosanoide werden aus mehrfach ungesättigten Fettsäuren mit 20 und 22 Kohlenstoffatomen gebildet
                                                  • Triacylglycerine und Glycerophospholipide werden aus denselben Vorstufen synthetisiert
                                                  • Die Biosynthese von Triacylglycerol bei Tieren wird durch Hormone reguliert
                                                  • Fettgewebe erzeugt Glycerin-3-Phosphat durch Glyceroneogenese
                                                  • Thiazolidindione behandeln Typ-2-Diabetes durch Steigerung der Glyceroneogenese
                                                  • Zellen haben zwei Strategien zur Anlagerung von Phospholipid-Kopfgruppen
                                                  • Wege für die Phospholipid-Biosynthese sind miteinander verbunden
                                                  • Eukaryotische Membranphospholipide unterliegen einem Umbau
                                                  • Plasmalogen-Synthese erfordert die Bildung eines ethergebundenen Fettalkohols
                                                  • Sphingolipid- und Glycerophospholipid-Synthese haben gemeinsame Vorläufer und einige Mechanismen
                                                  • Polare Lipide sind auf spezifische Zellmembranen ausgerichtet
                                                  • Cholesterin wird in vier Stufen aus Acetyl-CoA hergestellt
                                                  • Cholesterin hat mehrere Schicksale
                                                  • Cholesterin und andere Lipide werden auf Plasmalipoproteinen übertragen
                                                  • HDL führt umgekehrten Cholesterintransport durch
                                                  • Cholesterinester dringen in Zellen durch rezeptorvermittelte Endozytose ein
                                                  • Cholesterinsynthese und -transport werden auf mehreren Ebenen reguliert
                                                  • Fehlregulation des Cholesterinstoffwechsels kann zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen
                                                  • Umgekehrter Cholesterintransport durch HDL wirkt Plaquebildung und Atherosklerose entgegen
                                                  • Steroidhormone werden durch Seitenkettenspaltung und Oxidation von Cholesterin gebildet
                                                  • Zwischenprodukte in der Cholesterinbiosynthese haben viele alternative Schicksale
                                                  • Schlüsselbegriffe
                                                  • Probleme
                                                  • 22.1 Überblick über den Stickstoffstoffwechsel
                                                    • Ein globales Stickstoffkreislaufnetzwerk unterhält einen Pool an biologisch verfügbarem Stickstoff
                                                    • Stickstoff wird durch Enzyme des Nitrogenase-Komplexes fixiert
                                                    • Ammoniak wird durch Glutamat und Glutamin in Biomoleküle eingebaut
                                                    • Glutaminsynthetase ist ein primärer Regulierungspunkt im Stickstoffmetabolismus
                                                    • Mehrere Reaktionsklassen spielen eine besondere Rolle bei der Biosynthese von Aminosäuren und Nukleotiden
                                                    • Organismen unterscheiden sich stark in ihrer Fähigkeit, die 20 gängigen Aminosäuren zu synthetisieren
                                                    • a-Ketoglutarat führt zu Glutamat, Glutamin, Prolin und Arginin
                                                    • Serin, Glycin und Cystein werden von 3-Phosphoglycerat abgeleitet
                                                    • Drei nicht essentielle und sechs essentielle Aminosäuren werden aus Oxalacetat und Pyruvat synthetisiert
                                                    • Chorismat ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Synthese von Tryptophan, Phenylalanin und Tyrosin
                                                    • Histidin-Biosynthese verwendet Vorläufer der Purin-Biosynthese
                                                    • Die Aminosäurebiosynthese steht unter allosterischer Regulation
                                                    • Glycin ist ein Vorläufer von Porphyrinen
                                                    • Hämabbau hat mehrere Funktionen
                                                    • Aminosäuren sind Vorläufer von Kreatin und Glutathion
                                                    • d-Aminosäuren kommen hauptsächlich in Bakterien vor
                                                    • Aromatische Aminosäuren sind Vorläufer vieler Pflanzenstoffe
                                                    • Biologische Amine sind Produkte der Decarboxylierung von Aminosäuren
                                                    • Arginin ist der Vorläufer für die biologische Synthese von Stickoxid
                                                    • De Novo Purinnukleotidsynthese beginnt mit PRPP
                                                    • Purinnukleotid-Biosynthese wird durch Rückkopplungshemmung reguliert
                                                    • Pyrimidinnukleotide werden aus Aspartat, PRPP und Carbamoylphosphat hergestellt
                                                    • Pyrimidinnukleotidbiosynthese wird durch Rückkopplungshemmung reguliert
                                                    • Nukleosidmonophosphate werden in Nukleosidtriphosphate umgewandelt
                                                    • Ribonukleotide sind die Vorläufer von Desoxyribonukleotiden
                                                    • Thymidylat wird von dCDP und dUMP . abgeleitet
                                                    • Abbau von Purinen und Pyrimidinen produziert Harnsäure bzw. Harnstoff
                                                    • Purin- und Pyrimidinbasen werden durch Bergungspfade recycelt
                                                    • Überschüssige Harnsäure verursacht Gicht
                                                    • Viele Chemotherapeutika zielen auf Enzyme in Nukleotidbiosynthesewegen
                                                    • Schlüsselbegriffe
                                                    • Probleme
                                                    • 23.1 Hormonstruktur und Wirkung
                                                      • Hormone wirken durch spezifische hochaffine zelluläre Rezeptoren
                                                      • Hormone sind chemisch vielfältig
                                                      • Einige Hormone werden durch eine „Top-Down“-Hierarchie von neuronalen und hormonellen Signalen freigesetzt
                                                      • „Bottom-Up“-Hormonsysteme senden Signale zurück zum Gehirn und zu anderen Geweben
                                                      • Die Leber verarbeitet und verteilt Nährstoffe
                                                      • Fettgewebe speichern und liefern Fettsäuren
                                                      • Braunes und beiges Fettgewebe ist thermogen
                                                      • Muskeln verwenden ATP für mechanische Arbeit
                                                      • Das Gehirn verwendet Energie zur Übertragung elektrischer Impulse
                                                      • Blut trägt Sauerstoff, Stoffwechselprodukte und Hormone
                                                      • Insulin bekämpft hohen Blutzucker im gut genährten Zustand
                                                      • Pankreas-ß-Zellen sezernieren Insulin als Reaktion auf Veränderungen des Blutzuckers
                                                      • Glucagon-Zähler zu niedrigem Blutzucker
                                                      • Während des Fastens und des Hungerns verändert sich der Stoffwechsel, um das Gehirn mit Treibstoff zu versorgen
                                                      • Adrenalin signalisiert bevorstehende Aktivität
                                                      • Cortisol signalisiert Stress, einschließlich niedrigem Blutzucker
                                                      • Fettgewebe hat wichtige endokrine Funktionen
                                                      • Leptin stimuliert die Produktion von anorexigenen Peptidhormonen
                                                      • Leptin löst eine Signalkaskade aus, die die Genexpression reguliert
                                                      • Adiponektin wirkt durch AMPK, um die Insulinsensitivität zu erhöhen
                                                      • AMPK koordiniert Katabolismus und Anabolismus als Reaktion auf metabolischen Stress
                                                      • Der mTORC1-Pfad koordiniert das Zellwachstum mit der Zufuhr von Nährstoffen und Energie
                                                      • Ernährung reguliert die Expression von Genen, die für die Aufrechterhaltung der Körpermasse von zentraler Bedeutung sind
                                                      • Das kurzfristige Essverhalten wird durch Ghrelin, PPY3–36 und Cannabinoide beeinflusst
                                                      • Mikrobielle Symbionten im Darm beeinflussen Energiestoffwechsel und Adipogenese
                                                      • Diabetes mellitus entsteht durch Defekte in der Insulinproduktion oder -wirkung
                                                      • Carbonsäuren (Ketonkörper) reichern sich im Blut von Menschen mit unbehandeltem Diabetes an
                                                      • Bei Typ-2-Diabetes wird das Gewebe gegen Insulin unempfindlich
                                                      • Typ-2-Diabetes wird mit Ernährung, Bewegung, Medikamenten und Operation behandelt
                                                      • Schlüsselbegriffe
                                                      • Probleme
                                                      • Kapitel 24 Gene und Chromosomen
                                                        • 24.1 Chromosomale Elemente
                                                          • Gene sind DNA-Segmente, die für Polypeptidketten und RNAs kodieren
                                                          • DNA-Moleküle sind viel länger als die zellulären oder viralen Pakete, die sie enthalten
                                                          • Eukaryotische Gene und Chromosomen sind sehr komplex
                                                          • Die meiste zelluläre DNA ist unterwunden
                                                          • Die DNA-Unterwindung wird durch die topologische Verknüpfungsnummer definiert
                                                          • Topoisomerasen katalysieren Veränderungen der Verknüpfungszahl der DNA
                                                          • DNA-Kompression erfordert eine spezielle Form des Supercoilings
                                                          • Chromatin besteht aus DNA, Proteinen und RNA
                                                          • Histone sind kleine, basische Proteine
                                                          • Nukleosomen sind die grundlegenden Organisationseinheiten von Chromatin
                                                          • Nukleosomen sind in hochkondensierte Chromosomenstrukturen verpackt
                                                          • Kondensierte Chromosomenstrukturen werden durch SMC-Proteine ​​aufrechterhalten
                                                          • Bakterielle DNA ist auch hochorganisiert
                                                          • Schlüsselbegriffe
                                                          • Probleme
                                                          • 25.1 DNA-Replikation
                                                            • Die DNA-Replikation folgt einer Reihe grundlegender Regeln
                                                            • DNA wird durch Nukleasen abgebaut
                                                            • DNA wird durch DNA-Polymerasen synthetisiert
                                                            • Die Replikation ist sehr genau
                                                            • E. coli hat mindestens fünf DNA-Polymerasen
                                                            • DNA-Replikation erfordert viele Enzyme und Proteinfaktoren
                                                            • Die Replikation des E. coli-Chromosoms verläuft stufenweise
                                                            • Die Replikation in eukaryotischen Zellen ist ähnlich, aber komplexer
                                                            • Virale DNA-Polymerasen bieten Angriffspunkte für die antivirale Therapie
                                                            • Mutationen sind mit Krebs verbunden
                                                            • Alle Zellen haben mehrere DNA-Reparatursysteme
                                                            • Die Interaktion von Replikationsgabeln mit DNA-Schäden kann zu einer fehleranfälligen Transläsions-DNA-Synthese führen
                                                            • Bakterielle homologe Rekombination ist eine DNA-Reparaturfunktion
                                                            • Die eukaryotische homologe Rekombination ist für die richtige Chromosomensegregation während der Meiose erforderlich
                                                            • Einige Doppelstrangbrüche werden durch nichthomologe Endverbindung repariert
                                                            • Ortsspezifische Rekombination führt zu präzisen DNA-Umlagerungen
                                                            • Transponierbare genetische Elemente bewegen sich von einem Ort zum anderen
                                                            • Immunglobulin-Gene bauen sich durch Rekombination zusammen
                                                            • Schlüsselbegriffe
                                                            • Probleme
                                                            • 26.1 DNA-abhängige Synthese von RNA
                                                              • RNA wird durch RNA-Polymerasen synthetisiert
                                                              • Die RNA-Synthese beginnt bei Promotoren
                                                              • Die Transkription ist auf mehreren Ebenen geregelt
                                                              • Spezifische Sequenzen signalisieren die Termination der RNA-Synthese
                                                              • Eukaryontische Zellen haben drei Arten von nuklearen RNA-Polymerasen
                                                              • RNA-Polymerase II benötigt viele andere Proteinfaktoren für ihre Aktivität
                                                              • RNA-Polymerasen sind Wirkstoff-Targets
                                                              • Eukaryotische mRNAs sind am 5'-Ende mit einer Kappe versehen
                                                              • Sowohl Introns als auch Exons werden von DNA in RNA transkribiert
                                                              • RNA katalysiert das Spleißen von Introns
                                                              • In Eukaryoten führt das Spleißosom das nukleäre prä-mRNA-Spleißen durch
                                                              • Proteine ​​katalysieren das Spleißen von tRNAs
                                                              • Eukaryotische mRNAs haben eine ausgeprägte 3'-Endstruktur
                                                              • Ein Gen kann durch differentielle RNA-Verarbeitung zu mehreren Produkten führen
                                                              • Auch ribosomale RNAs und tRNAs werden verarbeitet
                                                              • RNAs mit speziellen Funktionen durchlaufen mehrere Verarbeitungsarten
                                                              • Zelluläre mRNAs werden unterschiedlich schnell abgebaut
                                                              • Reverse Transkriptase produziert DNA aus viraler RNA
                                                              • Einige Retroviren verursachen Krebs und AIDS
                                                              • Viele Transposons, Retroviren und Introns können einen gemeinsamen evolutionären Ursprung haben
                                                              • Telomerase ist eine spezialisierte reverse Transkriptase
                                                              • Einige RNAs werden durch RNA-abhängige RNA-Polymerase repliziert
                                                              • RNA-abhängige RNA-Polymerasen haben eine gemeinsame Strukturfalte
                                                              • Ribozyme teilen Eigenschaften mit Proteinenzymen
                                                              • Ribozyme sind an einer Vielzahl biologischer Prozesse beteiligt
                                                              • Ribozyme liefern Hinweise auf den Ursprung des Lebens in einer RNA-Welt
                                                              • Schlüsselbegriffe
                                                              • Probleme
                                                              • 27.1 Der genetische Code
                                                                • Der genetische Code wurde mit künstlichen mRNA-Vorlagen geknackt
                                                                • Wobble ermöglicht es einigen tRNAs, mehr als ein Codon zu erkennen
                                                                • Der genetische Code ist mutationsresistent
                                                                • Translational Frameshifting beeinflusst, wie der Code gelesen wird
                                                                • Einige mRNAs werden vor der Translation bearbeitet
                                                                • Das Ribosom ist eine komplexe supramolekulare Maschine
                                                                • Transfer-RNAs haben charakteristische Strukturmerkmale
                                                                • Stufe 1: Aminoacyl-tRNA-Synthetasen binden die richtigen Aminosäuren an ihre tRNAs
                                                                • Stufe 2: Eine spezifische Aminosäure initiiert die Proteinsynthese
                                                                • Stufe 3: Peptidbindungen werden in der Elongationsstufe gebildet
                                                                • Stufe 4: Beendigung der Polypeptidsynthese erfordert ein spezielles Signal
                                                                • Stufe 5: Neu synthetisierte Polypeptidketten werden gefaltet und verarbeitet
                                                                • Die Proteinsynthese wird durch viele Antibiotika und Toxine gehemmt
                                                                • Die posttranslationale Modifikation vieler eukaryotischer Proteine ​​beginnt im endoplasmatischen Retikulum
                                                                • Die Glykosylierung spielt eine Schlüsselrolle beim Protein-Targeting
                                                                • Signalsequenzen für den nuklearen Transport werden nicht gespalten
                                                                • Bakterien nutzen auch Signalsequenzen für das Protein-Targeting
                                                                • Zellen importieren Proteine ​​durch rezeptorvermittelte Endozytose
                                                                • Der Proteinabbau wird in allen Zellen durch spezialisierte Systeme vermittelt
                                                                • Schlüsselbegriffe
                                                                • Probleme
                                                                • 28.1 Die Proteine ​​und RNAs der Genregulation
                                                                  • RNA-Polymerase bindet an Promotoren an DNA
                                                                  • Die Transkriptionsinitiation wird durch Proteine ​​und RNAs reguliert
                                                                  • Viele bakterielle Gene sind in Operons geclustert und reguliert
                                                                  • Das lac Operon unterliegt einer negativen Regulierung
                                                                  • Regulatorische Proteine ​​haben diskrete DNA-bindende Domänen
                                                                  • Regulatorische Proteine ​​haben auch Protein-Protein-Interaktionsdomänen
                                                                  • Das lac Operon unterliegt einer positiven Regulierung
                                                                  • Viele Gene für Aminosäure-Biosyntheseenzyme werden durch Transkriptionsschwächung reguliert
                                                                  • Die Induktion der SOS-Antwort erfordert die Zerstörung von Repressorproteinen
                                                                  • Die Synthese ribosomaler Proteine ​​wird mit der rRNA-Synthese koordiniert
                                                                  • Die Funktion einiger mRNAs wird durch kleine RNAs in Cis oder in Trans . reguliert
                                                                  • Einige Gene werden durch genetische Rekombination reguliert
                                                                  • Transkriptionell aktives Chromatin unterscheidet sich strukturell von inaktivem Chromatin
                                                                  • Die meisten eukaryotischen Promotoren sind positiv reguliert
                                                                  • DNA-bindende Aktivatoren und Coaktivatoren erleichtern den Aufbau der basalen Transkriptionsfaktoren
                                                                  • Die Gene des Galactose-Stoffwechsels in Hefe unterliegen sowohl einer positiven als auch einer negativen Regulation
                                                                  • Transkriptionsaktivatoren haben eine modulare Struktur
                                                                  • Die eukaryotische Genexpression kann durch interzelluläre und intrazelluläre Signale reguliert werden
                                                                  • Regulierung kann durch Phosphorylierung nuklearer Transkriptionsfaktoren erfolgen
                                                                  • Viele eukaryotische mRNAs unterliegen einer translationalen Repression
                                                                  • Posttranskriptionales Gen-Silencing wird durch RNA-Interferenz vermittelt
                                                                  • Die RNA-vermittelte Regulation der Genexpression nimmt bei Eukaryoten viele Formen an
                                                                  • Die Entwicklung wird durch Kaskaden regulatorischer Proteine ​​gesteuert
                                                                  • Stammzellen haben ein kontrollierbares Entwicklungspotenzial
                                                                  • Schlüsselbegriffe
                                                                  • Probleme

                                                                  Bókahillan þín er þitt svæði og þar eru bækurnar þínar geymdar. Þú kemst í bókahilluna þína hvar og hvenær sem er í tölvu eða snjalltæki. Einfalten og gilegt!

                                                                  Rafbók til eignar
                                                                  Rafbók til eignar þarf að hlaða niður á þau tæki sem þú vilt nota innan eins árs frá því bókin er keypt.

                                                                  Þú kemst í bækurnar hvar sem er
                                                                  Þú getur nálgast allar raf(skóla)bækurnar þínar á einu augabrag.i, hvar og hvenær sem er í bókahillunni þinni. Engin taska, enginn kyndill og ekkert vesen (hvað þá yfirvigt).

                                                                  Auðvelt að fletta og leita
                                                                  Þú getur flakkað milli síðna og kafla eins og þér hentar best og farið beint í ákveðna kafla úr efnisyfirlitinu. Í leitinni finnur þú orð, kafla eða síður í einum Geruchi.

                                                                  Glosur og yfirstrikanir
                                                                  Þú getur auðkennt textabrot með mismunandi litum og skrifað glósur und vild í rafbókina. Þú getur jafnvel séð glósur og yfirstrikanir hjá bekkjarsystkinum og kennara ef þeir leyfa það. Allt á einum stað.

                                                                  Hvað viltu sjá? / Þú ræður hvernig síðan lítur út
                                                                  Þú lagar síðuna að þínum þörfum. Stækkaðu eða minnkaðu myndir og texta með Multi-Level-Zoom bis að sjá síðuna eins og þér hentar best í þínu námi.


                                                                  Schau das Video: Protein3D og intermolekylære bindinger (Dezember 2022).