Mitschrift zur VO Biochemie des Stoffwechsel Prof. Kainz

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Mitschrift zur VO Biochemie des Stoffwechsel Prof. Kainz

Mitschrift zur

VO Biochemie des Stoffwechsel

Prof. Kainz

Über Umwege ist uns (StV Bio und Molbio) die folgende Mitschrift zur VO

Biochemie des Stoffwechsels in die Hände gefallen. Wenn die Mitschrift von

jemandem als die Seinige / Ihrige erkannt werden sollte, besteht natürlich die

Möglichkeit, den Namen des / der VerfasserIn am Deckblatt anzuführen, bzw.

das Skriptum wieder offline zu stellen.

Wie immer übernehmen wir KEINE Garantie für den Inhalt.

Lg StV Bio & Molbio

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OXIDATION = Elektronenabgabe

REDUKTION = Elektronenaufnahme

Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen nimmt ein geeigneter Reaktionspartner auf

= Oxidationsmittel (O 2 )

Bei der Reduktion liefert der Reaktionspartner die aufzunehmenden Elektronen

= Reduktionsmittel

BIOCHEMIE DES STOFFWECHSELS

„Energiestoffwechsel“, Katabolismus:

Aufnahme von Energie aus der Umgebung unter Nutzung der Sonnenenergie oder durch den Abbau

energiereicher Nährstoffe.

Intermediärstoffwechsel:

Umwandlung von Nährstoffmoleküle in charakteristische Moleküle der Zelle, einschließlich

makromolekularer Vorstufen.

Anabolismus, Biosyntheseweg:

Aufbau von Proteinen, Nucleinsäuren, Lipiden, Polysacchariden und anderen Zellbestandteilen aus

monomeren Vorstufen.

Sekundärstoffwechsel:

Auf- und Abbau von Biomolekülen, die für spezielle Zellfunktionen benötigt werden.

Katabolische Stoffwechselwege liefern chemische Energie in Form von ATP, NADH und NADPH.

Diese werden in anabolischen Stoffwechselwegen zum Aufbau zellulärer Makromoleküle aus

niedermolekularen Vorstufen verwendet.

Allgemeine Prinzipien des Stoffwechsels:

1. Große Anzahl von Reaktionen, die Anzahl der Reaktionstypen ist jedoch relativ gering.

2. Die Art der Regulation ist häufig vergleichbar.

3. Zellen gewinnen auf ähnliche Art speicherbare Energie und Reduktionsäquivalente aus der

Umgebung.

Lebende Systeme sind auf laufende Zufuhr Freier Enthalpie angewiesen, die hauptsächlich für 4

Zwecke gebraucht wird:

1. Ausführung mechanischer Arbeit bei Muskelkontraktion und zellulärer Bewegung

2. aktiver Transport von Molekülen und Ionen

3. Synthese von Makromolekülen und anderen Biomolekülen aus einfachen Vorstufen

4. Exergonische Reaktionen können endergonische Reaktionen „ziehen“ (erzeugen). Nicht alle

Einzelreaktionen eines Stoffwechsels sind exergonisch!

(∆G = ∆H - T∆S; ∆G ist die Größe, die uns sagt, ob eine chemische Reaktion ablaufen kann; die

Beiträge von Enthalpie und Entropie werden berücksichtigt; T in Kelvin)

∆G = die Veränderung der freien Enthalpie

∆H = Enthalpie, Wärmegehalt eines Systems

T = absolute Temperatur in Kelvin K

∆S = Entropie = Maß für die Zufälligkeit oder Unordnung in einem System

Freie Enthalpie G stammt aus der Umgebung:

• Bei chemotrophen Organismen: durch die Oxidation von Nährstoffen

• Bei phototrophen Organismen: durch Einfangen von Lichtenergie

Vorgang von Energiespeicherung:

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Bei beiden Gruppen werden Protonen durch eine Membran gepumpt und eine sog. protonenmotorische

Kraft zu erzeugen. Dieser Protonengradient treibt dann die ATP-Synthese an.

Energetik biochemischer Reaktionen

Regulation von Stoffwechselprozessen:

1. Kontrolle der verfügbaren Enzymmenge

(abhängig von der Geschwindigkeit der Synthese als auch der des Abbaus)

2. Kontroller der Enzymaktivität

a. durch reversible allosterische (formverändernde) Kontrolle

(ein anderes Molekül wird vorübergehend an die Oberfläche eines Enzyms gehängt andere

Form katalytisches Zentrum wird verschoben Katalyse wird entweder schneller oder

langsamer)

b. durch reversible kovalente Modifikation

c. durch inaktive Vorstufen (Zymogene)

(kurze Ansätze an Zellen werden selbstverdaut, sodaß endgültige Form entsteht)

3. Variable Verfügbarkeit von Substraten

(z.B. Insulin fördert die Aufnahme von Glucose in viele Arten von Zellen)

Viele Stoffwechselreaktionen werden durch den Energiezustand der Zelle kontrolliert. Ein Index für

den Energiezustand ist die Energielandung (energy charge), die dem Molenbruch des ATP plus dem

halben Molenbruch des ADP proportional ist, da ATP zwei Anhybridbindungen, ADP aber nur eine

enthält. Damit ist die Energieladung definiert als

Energieladung = [ATP] + ½ [ADP] .

[ATP] + [ADP] + [AMP]

Sie kann einen Wert zwischen 0 (nur AMP) und 1 (nur ATP) annehmen. Daniel Atkinson zeigte, dass

ATP-erzeugende (katabole) Stoffwechselwege durch eine hohe Energieladung gehemmt, ATPverbrauchende

(anabole) Stoffwechselwege dagegen angeregt werden. Trägt man die

Reaktionsgeschwindigkeit solcher Stoffwechselwege gegen die Energieladung auf, dann nehmen die

Kurven bei einer Energieladung von 0,9, wo sie sich gewöhnlich schneiden, einen steilen Verlauf.

Offensichtlich ist die Steuerung dieser Stoffwechselwege darauf ausgelegt, die Energieladung innerhalb

enger Grenzen zu halten. Mit anderen Worten: Die Energieladung ist, wie der ph-Wert einer Zelle,

gepuffert. Die Energieladung der meisten Zellen liegt zwischen 0,8 und 0,95. Ein anderer Index für

den Energiezustand ist das Phosphorylierungspotential, das definiert ist als

Phosphorylierungspotential = [ATP] .

[ATP] [Pi]

Abschnitte der Energiegewinnung aus Nahrungsstoffen (Katabolismus)

1.Stufe: Die großen Moleküle werden zu kleineren Einheiten abgebaut. Die Proteine, die aus 20

verschiedenen AS bestehen, werden zu den einzelnen AS hydrolysiert; die Polysaccharide

werden in einfache Zucker wie z.B. Glucose und die Fette in Glycerin und Fettsäuren zerlegt.

Diese Stufe ist eine reine Vorbereitungsphase; hier entsteht keine verwertbare Energie.

2.Stufe: Diese zahlreichen kleinen Moleküle werden zu einigen einfachen Einheiten abgebaut, die eine

zentrale Rolle im Stoffwechsel spielen. Tatsächlich werden die meisten von ihnen – z.B.

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Kohlenhydrate, Fettsäuren, Glycerin und einige AS – in Acetylgruppen des Acetyl-CoA

umgewandelt. In dieser Phase entsteht etwas ATP, aber die Menge ist gering.

3.Stufe: oxidative Phosphorylierung. Hier entsteht ATP aus der vollständigen Oxidation der

Acetylgruppe des Acetyl-CoA. Diese dritte Phase besteht aus dem Citratzyklus und der

oxidativen Phosphorylierung, den abschließenden, allgemeinen Stoffwechselwegen bei der

Oxidation von Brennstoffmolekülen. Das Acetyl-CoA liefert die Acetyleinheiten, die im

Citratzyklus vollständig zu CO 2 oxidiert werden. Für jede oxidierte Acetylgruppe werden 4

Elektronenpaare (3 auf NAD+, 1 auf FAD) übertragen. Wenn Elektronen von den reduzierten

Formen dieser Carrier auf O 2 übergehen, entsteht ein Protonengradient, der dazu genutzt wird,

um ATP zu erzeugen.

NADH (NADPH): universelle Elektronencarrier

Nicotinamidadenindinucleotid (NAD + ) und sein phosphoryliertes Analogon NADP + werden zu NADH

oder NADPH reduziert, wobei sie ein Hydrid-Ion (zwei Elektronen und ein Proton) von einem

oxidierbaren Substrat aufnehmen. Das Hydrid-Ion kann entweder auf der Vorderseite (Typ A) oder auf

der Rückseite (Typ B)des planaren Nicotinamid-Ringes addiert werden.

Die UV-Absorptionsspektren von NAD + und NADH:

Die Reduktion des Nicotinamid-Ringes führt zu einer neuen, breiten Absorptionsbande mit einem

Maximum bei 340 nm. Man kann die Produktion von NADH im Verlauf einer enzymkatalysierten

Reaktion leicht verfolgen, indem man das allmähliche Erscheinen er Absorption bei

Acetyl-CoA: universeller Acylgruppen-Carrier

Ein aktivierter Carrier von C 2 -Fragmenten. Das Coenzym A (CoA), ein weiteres Molekül mit einer

zentralen Stellung im Stoffwechsel, überträgt Acylgruppen. Acylgruppen spielen eine wichtige Rolle im

Katabolismus, z.B. bei der Oxidation von Fettsäuren, und im Anabolismus, etwa bei der Synthese von

Membranlipiden. Die endständige Sulfhydrylgruppe im CoA ist die reaktive Stelle. Acylgrupen werden

als Thioester an CoA gebunden. Das entstehende Derivat bezeichnet man als Acyl-CoA. Eine oft mit

CoA verknüpfte Acylgrupe ist die Acetyleinheit; das entsprechende Derivat heißt Acetyl-CoA. Der

∆G°´-Wert der Hydrolyse des Acetyl-CoA ist stark negativ.

Acetyl-CoA + H 2 O Acetat + CoA + H + ∆G°´ = -31,4 kJ mol -1

Die Hydrolyse eines Thioesters ist thermodynamisch günstiger als die Hydrolyse eines Sauerstoffesters,

da die Elektronen der C-O-Bindung nicht so stabile Resonanzstrukturen mit der C-S-Bindung bilden

können wie mit der C-O-Bindung. Acetyl-CoA hat deshalb ein hohes

Acetylgruppenübertragungspotential, da der Transfer der Acetylgruppen exergonisch ist. So wie ATP

eine aktivierte Phosphorylgruppe trägt, trägt Acetyl-CoA eine aktivierte Acetylgruppe.

Van der Waals-Kräfte:

Die Edelgase und viele Stoffe, die aus Molekülen aufgebaut sind, lassen sich erst bei tiefen

Temperaturen verflüssigen und zur Kristallisation bringen.

Zwischen den Molekülen und zwischen den Edelgasatomen existieren nur schwache ungerichtete

Anziehungskräfte, die als van der Waals-Kräfte bezeichnet werden. Die van der Walls-Kräfte kommen

durch Anziehung zwischen Dipolen zustande, sie sind also elektrostatischer Natur. Die Reichweite ist

sehr gering – sie ist praktisch auf die nächsten Nachbarn beschränkt -, denn da die

Wechselwirkungsenergie proportional r -6 ist, nimmt sie mit wachsendem Abstand viel schneller ab als

die Ionen-Ionen-Wechselwirkung. Man unterscheidet drei Komponenten der van der Waals-Kräfte:

Wechselwirkung permanenter Dipol-permanenter Dipol (Richteffekt):

Bei der Anziehung von Dipolen mit einem permanenten Dipolmoment kommt es u einer Ausrichtung

der Dipole, die dadurch in einem energieärmeren Zustand übergehen. Der Richteffekt ist

temperaturabhängig, da die Wärmebewegung der Ausrichtung der Dipole entgegenwirkt.

Wechselwirkung permanenter Dipol-induzierter Dipol (Induktionseffekt):

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Ein permanenter Dipol induziert in einem benachbarten Teilchen ein Dipolmoment, es kommt zu einer

Anziehung. Besitzt das benachbarte Teilchen ein permanentes Dipolmoment, so überlagern sich

Induktionseffekt und Richteffekt. Der Induktionseffekt ist temperaturabhängig.

Wechselwirkung fluktuierender Dipol-induzierter Dipol (Dispersionseffekt):

In allen Atomen und Molekülen entstehen durch Schwankungen in der Ladungsdichte der

Elektronenhülle fluktuierende Dipole. Im Nachbaratom werden durch diese „momentan“ vorhandenen

Dipole gleichgerichtete Dipole induziert, so dass eine Anziehung entsteht. Da mit zunehmender Größe

der Atome bzw. Moleküle die Elektronen leichter verschiebbar sind, lassen sich leichter Dipole

induzieren, die van der Waals-Anziehung nimmt zu. Die thermischen Daten z.B. der Edelgase ändern

sich als Folge davon gesetzmäßig mit der Ordnungszahl.

Die vielfältigen Stoffwechsel-Funktionen von Glucose:

In manchen Bakterien:

Glucose dient auch als vielseitige Vorstufe für verschiedenste Biosynthesereaktionen.

In höheren Pflanzen und Tieren:

1. Glucose kann (in guten Zeiten) gespeichert werden (als Polysaccharid oder Sucrose).

2. Glucose kann über den Pentosephosphatweg (Phosphogluconatweg) zu Pentosen oxidiert werden.

3. Verwendung als Energielieferant in der Glycolyse durch Oxidation zu Pyrovat.

Zu wenig Glucose man stirbt, da ZNS auf Glucose angewiesen ist, da diese für Fette essentiell sind.

GLYCOLYSE

griech. glykos für „süß“ und lysis für „Auflösung“

Die Glycolyse ist eine Folge von Reaktionen, in denen Ein Molekül Glucose zu zwei Molekülen Pyruvat

umgewandelt wird und gleichzeitig zwei Moleküle ATP entstehen. Dieser Prozeß verläuft anaerob (das

heißt er braucht keinen Sauerstoff), da er sich vor der Ansammlung größerer Mengen Sauerstoff in der

Atmosphäre entwickelte. Das Pyruvat kann weiter anaerob zu Lactat (Milchsäuregärung) oder zu

Ethanol (alkoholische Gärung)umgewandelt (vergärt, fermentiert) werden. Unter aeroben Bedingungen

kann das Pyruvat vollständig zu CO 2 oxidiert werden.

Die Glykolyse kommt praktisch in allen Zellen vor, sowohl bei Pro- als auch bei Eukaryoten. In

Eukaryotenzellen findet sie im Cytosol statt. Die Glykolyse läuft gewissermaßen in drei Stufen ab:

Stufe 1 ist die Umwandlung von Glucose zu Fuctose-1,6-bisphosphat und besteht aus drei Schritten:

Einer Phosphorylierung, einer Isomerisierung und einer zweiten Phosphorylierung. Die Strategie dieser

ersten Schritte der Glykolyse besteht darin, die Glucose in der Zelle einzufangen und in eine Verbindung

zu überführen, die sich leicht in phosphorylierte C 3 -Einheiten spalten lässt.

Stufe 2 ist die Spaltung des Fructose-1,6-bishpsphats in zwei C 3 -Fragmente. Diese C 3 -Einheiten sind

leicht ineinander umwandelbar.

In Stufe 3 wird ATP gewonnen, wenn die C 3 -Fragmente zu Pyruvat oxidiert werden.

Schritt 1.1.:

Glucose tritt in die Zelle mithilfe spezifischer Transportproteine ein und wird durch ATP zu Glucose-6-

phosphat phosphoryliert. (Vorteile: Glucose-6-phosphat kann aufgrund seiner negativen Ladung nicht

durch die Membran diffundieren; die Addition der Phosphorylgruppe beginnt die Glucose zu

destabilisieren und erleichtert so ihren weiteren Abbau). Der Transfer einer Phosphorylgruppe vom ATP

auf die C-6-Hydroxylgruppe der Glucose wird durch die Hexokinase (nur aktiv wenn Mg 2+ -Ionen oder

andere zweiwertige Metallionen wie Mn 2+ vorhanden sind) katalysiert.

Schritt 1.2.:

Der nächste Schritt der Glykolyse ist die Isomerisierung von Glucose-6-phosphat zu Fructose 6-

phosphat. Die Isomerisierung von G-6-p zu F-6-p ist die Umwandlung einer Aldose in eine Ketose.

Die von der Phosphoglucose-Isomerase katalysierte Reaktion umfasst zusätzliche Schritte, da sowohl

Glucose-6-phosphat als auch Fructose-6-phosphat hauptsächlich in zyklischer Form vorliegen. Das

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Enzym muß zuerst den sechsgliedrigen Ring von Glucose-6-phosphat öffnen, die Isomerisierung

katalysieren und dann die Bildung des fünfgliedrigen Ringes von Fructose-6-phosphat fördern.

Schritt 1.3.:

Der Isomerisierung folgt eine zweite Phosphorylierung. Fructose-6-phosphat wird durch ATP zu

Fructose-1,6-bisphosphat (F-1,6-BP) phosphoryliert. („bis“ = zwei getrennte Phosphatgruppen, die

nicht durch eine Säureanhydridbindung verbunden sind). Diese Reaktion katalysiert die

Phosphofructokinase (PFK), ein allosterisches Enzym, das die Geschwindigkeit der Glykolyse

bestimmt.

Schritt 2:

Die zweite Stufe der Glykolyse beginnt mit der Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat zu

Glyerinaldehyd-3-phosphat (GAP) und Dihydroxyacetonphosphat (DHAP). Die weiteren Schritte

der Glykolyse laufen nur noch mit C 3 -Einheiten ab und nicht mehr mit C 6 -Einheiten. Diese Reaktion

(unter intrazellulären Bedingungen leicht umkehrbar) katalysiert die Aldolase.

Induced Fit (von der Glucose induzierte Strukturveränderung des Enzyms) wichtig weil: Die

Umgebung der Glucose wird unpolarer, was die Übergabe der terminalen Phosphorylgruppe des ATP

begünstigt. Konformationsänderung in der Kinase bewirkt, dass sie nicht Wasser als bevorzugtes

Substrat akzeptiert. Wassermolekül kann die Bindungsstelle für die –CH 2 OH-Gruppe der Glucose nicht

besetzen (es würde ADP und P i entstehen).

Umwandlung der Keto- in die Aldotriose: Vom Glyerinaldehyd-3-phosphat führt die Glykolyse dann

weiter, nicht jedoch vom Dihydroxyacetonphosphat. Wenn es nicht möglich wäre,

Dihydroxyacetonphosphat in Glycerinaldehyd-3-phosphat umzuwandeln, ginge ein für die ATP-

Erzeugung nützliches C3-Fragment verloren. Die beiden Verbindungen sind Isomere, die sich leicht

ineinander umwandeln lassen. Das DHAP ist eine Ketose, das GAP eine Aldose. Die Isomerisierung

dieser phosphorylierten C 3 -Kohlenhydrate wird durch die Triosephosphat-Isomerase (TIM)

katalysiert. Die Reaktion verläuft sehr schnell und ist reversibel. Im Gleichgewicht liegen 96 % der

Triosephosphate als DHAP vor. Die Reaktion schreitet jedoch sehr schnell vom DHAP zum GAP, da

die nachfolgenden Reaktionen der Glykolyse dieses Produkt sofort entfernen.

Schritt 3:

In den vorhergehenden Schritten der Glykolyse wurde ein Molekül Glucose in zwei Moleküle GAP

umgewandelt. Dabei trat kein Energiegewinn auf. Im Gegenteil: es mußten zwei Moleküle ATP

aufgewendet werden. Im Folgenden kommen wir zu einer Serie von Reaktionen, die einen Teil der im

GAP enthaltenen Energie gewinnen.

Den Anfang bildet die Oxidation (Entzug von e - ) von Glycerinaldehyd-3-phyosphat in 1,3-

Bisphosphoglycerat (1,3-BPG) (= pos. Standardenthalpie thermodynamisch ungünstig). Die

Aldehydgruppe von Glycerinaldehyd-3-Phosphat wird dehydriert – nicht zu einer freien Carboxygruppe,

sondern zum energiereichen Anhydrid aus Carbonsäure und Phosphosäure mit sehr hoher Freien

Standardenthalpie der Hydrolyse (∆G°´= -49,3 kJ mol L -1 ).

Wesentlicher Aspekt der Bildung von 1,3 BPG aus dem Aldehyd: Die thermodynamisch ungünstige

Entstehung eines Acylphosphats aus einer Carboxylatgruppe wird durch die thermodynamisch

begünstigte Oxidation eines Aldehyds angetrieben. (diese Reaktion wird energetisch von der nächsten

„gezogen“)

Die letzte Stufe der Glykolyse ist die ATP-Erzeugung aus den phosphorylierten C 3 -Metaboliten der

Glucose. Die Phosphoglycerat-Kinase katalysiert die Übertragung der Phosphorylgruppe vom

Acylphosphat des 1,3-BPG auf ADP; dabei entstehen ATP und 3-Phosphoglycerat.

Diese Art der ATP-Erzeugung wird auch als Substratkettenphosphorylierung bezeichnet, da der Donor

der Phosphorylgruppe, das 1,3-BPG, ein Substrat mit einem hohen

Phosphorylgruppenübertragungspotenzial ist.

Die von der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase und der Phosphoglycerat-Kinase katalysierten

Reaktionen haben also folgendes Ergebnis:

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1. Ein Aldehyd, Glycerinaldehyd-3-phosphat, wird zu einer Carbonsäure, dem 3-Phosphoglycerat,

oxidiert.

2. NAD + wird zu NADH reduziert.

3. ATP entsteht aus P i und ADP auf Kosten der Kohlenstoffoxidation.

Man sollte beachten, dass zwei Moleküle Glycerinaldehyd-3-phosphat entstehen und daher zwei

Moleküle ATP erzeugt werden. Diese ATP-Moleküle gleichen die zwei Moleküle ATP aus, die in der

ersten Phase der Glykolyse verbraucht werden.

Erzeugung eines weiteren ATP und die Bildung von Pyruvat:

In den verbleibenden Schritten der Glykolyse wird das 3-Phosphoglycerat in Pyruvat überführt,

gleichzeitig entsteht ATP aus ADP.

Die erste Reaktion ist eine Umlagerung. Die Position der Phosphorylgruppe (PO 3 2- ) verändert sich bei

der Umwandlung von 3-Phosphoglycerat in 2-Phosphoglycerat (von C3 auf C2). In der nächsten

Reaktion wird durch Dehydratisierung (= Wasserentfernung / Dehydrierung = Wasserstoffentfernung)

des 2-Phosphoglycerats ein Enol, das Phosphoenolpyruvat (PEP) gebildet. Die Wasserabspaltung

erhöht das Übertragungspotenzial der Phosphorylgruppe beträchtlich. Dies ist die zweite Reaktion der

Glycolyse (1.R.: 1,3-Bisphosphoglycerat), die eine Verbindung mit einem hohen

Phoshatgruppenübertragungspotenzial liefert.

Die Phosphorylgruppe hält das Molekül (Phosphoenolpyruvat) in seiner instabilen Enolform fest. Nach

der Übertragung der Phosphorylgruppe auf ADP lagert sich das Enol in das stabilere Keton, in Pyruvat,

um.

Das hohe Phosphorylgruppenübertragungspotenzial des Phosphoenolpyruvats beruht in erster Linie auf

der treibenden Kraft der nachfolgenden Enol-Keton-Umwandlung. Dabei wird Pyruvat gebildet und

gleichzeitig entsteht ATP. Den praktisch irreversiblen Transfer einer Phosphorylgruppe von

Phosphoenolpyruvat zu ADP katalysiert die Pyruvat-Kinase. Da die für die Bildung des Fructose-1,6-

bisphosphat verbrauchten ATP-Moleküle bereits zurückgewonnen worden sind, sind die zwei aus

Phosphoenolpyruat erhaltenen ATP-Moleküle ein „Gewinn“.

Die Nettoreaktion der Umwandlung von Glucose in Pyruvat lautet:

Glucose + 2 P i + 2 ADP + 2 NAD + 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H 2 O

Pyruvat-Abbau unter anaeroben Bedingungen = Aufrechterhaltung des Redoxgleichgewichts

Damit die Glykolyse kontinuierlich ablaufen kann, muß das bei der Glycerinaldehyd-3-phosphat-

Dehydrogenase-Reaktion entstandenen NADH zu NAD + rückoxidiert werden: Umwandlung von

Pyruvat in Ethanol und Lactat (quasi Müllprodukte)

Pyruvat Ethanol (alkoholische Gärung):

Der erste Schritt ist eine Decarboxylierung des Pyruvats, es entsteht Acetaldehyd. Die Reaktion benötigt

Thiaminpyrophosphat als Coenzym (Coenzym leitet sich von Vitamin Thiamin B 1 ab). Im zweiten

Schritt wird der Acetaldehyd durch NADH zu Ethanol reduziert. Dieser Prozeß regeneriert NAD + .

Pyruvat Lactat (Milchsäuregärung):

Reduktion des Pyruvats durch NADH zu Lactat. NADH wird unter Sauerstoffmangel oxidiert.

Tritt auch in Zellen höherer Organismen bei Sauerstoffmangel auf: z.B. im Muskel bei intensiver

Beanspruchung.

Reaktionswege die in die Glycolyse einmünden

Regulation des Stoffwechsels – Allgemeine Prinzipien

Organismen befinden sich in einem sog. Fließgleichgewicht mit ihrer Umgebung eine

Konstandhaltung der Zusammensetzung durch dauernde Zufuhr von Nährstoffen und eine konstante

Abgabe von Energie und Abfallprodukten.

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Ändern sich die äußeren Umstände (zB. erhöhte Muskelaktivität, CO 2 -Mangel), treten

Regulationsmechanismen in Kraft ,die wieder zu einem Zustand der Homöostase (Konstandhaltung des

inneren Milieus) führen.

Der Stoffluß durch einen Reaktionsweg ist von der Aktivität der Enzyme abhängig, welche die

einzelnen Reaktionen katalysieren:

1. Substratbegrenzte

Enzymaktivität ist hoch genug, Substrat wird ebenso rasch in Produkt umgewandelt, wie es

angeliefert wird

2. Enzymbegrenzte

Enzym ist „schwach“, die Geschwindigkeit mit der das Substrat umgewandelt wird ist begrenzt.

Mechanismen zur Regulation der Enzymaktivität:

1. Allosterische Regulation

2. Hormonsignale führen zu reversibler kovalenter Modifikation

3. Veränderung der Molekülanzahl (längerfristige Veränderung)

Stoffwechselregulation am Beispiel Glycolyse

Die Geschwindigkeit der Umwandlung von Glucose in Pyruvat wird so reguliert, dass zwei

Grundbedürfnisse der Zelle erfüllt werden: die Erzeugung von ATP durch den Abbau von Glucose und

die Bereitstellung von Bausteinen für synthetische Reaktionen, wie etwa die Bildung von Fettsäuren. Im

Stoffwechsel stellen Enzyme, die weitgehend irreversible Reaktionen katalysieren, Kontrollpunkte dar.

Regulatorische Glycolyse-Enzyme:

1. Hexokinase

2. Phosphofructokinase 1

3. Pyruvat-Kinase

Sekundärwege der Glucoseoxidation

Transport von Glucose durch die Plamamembran

Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA

Die Bildung von Acetyl-CoA aus Kohlenhydraten verläuft umständlicher als die aus Fetten.

Kohlenhydrate, hauptsächlich Glucose, werden durch die Glukose in Pyruvat umgewandelt. Abhängig

vom jeweiligen Organismus wird unter anaeroben Bedingungen das Pyruvat in Milchsäure oder Ethanol

umgewandelt. Unter aeroben Bedingungen wird das Pyruvat im Austausch gegen OH- durch den

Pyruvat-Carrier, einem Antiporter, in die Mitochondrien transportiert. In der mitochondrialen Matrix

wird das Pyruvat durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex unter Bildung on Acetyl-CoA

oxidativ decarboxyliert (Carboxylgruppe entfernt + Oxidation zu Thioester). Diese irreversible

Reaktion stellt die Verbindung zwischen der Glycolyse und dem Citratcyklus her.

Die Reaktion erfordert die Beteiligung von drei Enzymen des Komplexes, wobei jedes aus mehreren

Polypeptidketten besteht, und von fünf Coenzymen: Thiaminpyrophosphat (TPP), Liponsäure und

FAD dienen als katalytische Cofaktoren sowie CoA und NAD + als stöchiometrische Cofaktoren.

Mindestens zwei zusätzliche Enzyme regulieren die Aktivität des Komplexes.

Die Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA erfolgt in drei Schritten: Decarboxylierung, Oxidation

und Übertragung der entstandenen Acetylgruppe auf CoA. Diese Reaktionen müssen gekoppelt

verlaufen, um die freie Enthalpie der Decarboxylierung zum Antrieb der Erzeugung von NADH und

Acetyl-CoA zu verwenden.

Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex aus E.coli:

Enzym prosthetische katalysierte Reaktion

Gruppe:

Pyruvat-Dehydrogenase-Komponente (E1) TPP oxidative Decarboxylierung von Pyruvat

Dihydrolipoyl-Transacetylase (E2) Liponamid Transfer der Acetylgruppe auf CoA

Dihydrolipoyl-Dehydrogenase (E3) FAD Regenerierung der oxidierten Form des

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Lipoamids

Der Citrat-Cyklus im Überblick:

Acetyl-CoA gibt seine Acetylgruppe an die C4-Verbindung Oxalacetat weiter, das entstehende Citrat

reagiert zu Isocitrat.

Dieses wird unter CO 2 -Abspaltung zur C 5 -Verbindung α-Ketoglutarat dehydriert, dieses gibt auch CO 2

ab und bildet Succinat.

Es folgt eine aus drei Schritten bestehende Reaktion des Succinats zu Oxalacetat. Dieses steht nun für

den weiteren Umlauf zur Verfügung.

In jedem Umlauf tritt eine Acetylruppe in Form von Acetyl-CoA in den Cyklus ein.

Zwei Moleküle CO 2 werden abgegeben.

Jedes mal wird ein Molekül Oxalacetat zur Bildung von Citrat benutzt, ersteres wird nach einer Reihe

von Reaktionen wieder regeneriert.

Vier der acht Schritte sind Oxidationen, bei denen die Energie der Oxidation durch die Bildung von

reduzierten Cofaktoren (NADH und FADH 2 ) mit hohem Wirkungsgrad konserviert wird.

Neben der Energiegewinnung dienen die C 4 - und C 5 -Zwischenprodukte als Biosynthesevorstufen für

eine Vielzahl von Verbindungen eine Rolle. Dabei verbrauchte Zwischenprodukte werden durch sog.

analplerotische (= auffüllende) Reaktionen wieder nachgeliefert.

Die einzelnen Reaktionen des Citratcyklus:

Reaktion 1: Die Bildung von Citrat aus Oxalacetat und Acetyl-CoA

Das Oxalacetat kondensiert zuerst mit Acetyl-CoA unter Bildung von Citryl-CoA, das dann zu Citrat

und CoA hydrolysiert wird. Die Hydrolyse des Citrol-CoA, eines sehr energiereichen Thioesters,

verlagert die Gesamtreaktion weit in Richtung der Citratsynthese.

Reaktion 2: Umwandlung von Citrat in Isocitrat

Für die folgende oxidative Decarboxylierung ist die tertiäre Hydroxylgruppe im Citratmolekül nicht

günstig angeordnet. Deshalb wird Citrat zu Isocitrat isomerisiert, damit sich die C 6 -Einheit oxidativ

decarboxylieren lässt. Diese Isomerisierung wird durch eine Dehydratisierung und eine darauf folgende

Hydatisierung erreicht. Das Resultat ist ein Austausch eines H-Atoms und einer OH-Gruppe.

Reaktion 3: Oxidative Decarboxlierung von Isocitrat zu α-Ketoglutarat

Erste von insgesamt vier Oxidations-Reduktions-Reaktionen im Citratcyklus.

Isocitrat + NAD + α-Ketoglutarat + CO 2 + NADH

Die Geschwindigkeit der α-Ketoglutarat-Bildung ist mit entscheidend für die Gesamtgeschwindigkeit

des Zyklus. Diese Oxidation erzeugt im Zyklus das erste NADH, einen Elektronencarrier mit hohem

Übertragungspotenzial.

Reaktion 4: Oxidative Decarboxylierung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA

Die zweite oxidative Decarboxylierung, diese ähnelt der des Pyruvats, das ebenfalls eine α-Ketosäure

ist. Bei beiden Reaktionen findet die Decarboxylierung einer α-Ketosäure statt, worauf die Bildung einer

Thioesterbindung mit CoA folgt, die ein hohes Übertragungspotenzial besitzt. Der Komplex, der die

oxidative Decarboxylierung des α-Ketoglutarats katalysiert, ist homolog zum Pyruvat-Dehydrogenase-

Komplex.

Reaktion 5: Umwandlung des energiereichen Succinyl-CoA in Succinat unter Bildung von GTP (bzw.

ATP)

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Der Thioester Succinyl-CoA besitzt eine energiereiche Binddung. Der ∆G°´-Wert für die Hydrolyse des

Succinyl-CoA beträgt ungefähr –33,5 kJ mol -1 und ist damit dem Wert für ATP (–30,5 kJ mol -1 )

vergleichbar. Bei der Citrat-Synthase-Reaktiion treibt die Spaltung einer Thioesterbindung die Synthese

der C 6 -Einheit Oxalacetat und einem C 2 -Fragment an. Die Spaltung der Thioesterbindung des Succinyl-

CoA ist mit der Phosphorylierung eines Nucleosiddiphosphats, meistens GDP, gekoppelt.

Dies ist der einzige Schritt des Citratzyklus, der direkt eine Verbindung mit einem hohem

Phosphorylgruppenübertragungspotenzial durch Substratkettenphosphorylierung erzeugt.

Reaktionen von Substanzen mit 4 Kohlenstoffatomen beherrschen den letzten Abschnitt des

Citratzyklus: Die Regenerierung des Oxalacetats. Eine Methylengruppe (CH 2 ) wird in drei Schritten in

eine Carbonylgruppe (C=O) umgewandelt: durch eine Oxidation, eine Hydratisierung und eine zweite

Oxidation. Dabei wird nicht nur Oxalacetat für einen weiteren Durchgang des Zyklus regeneriert,

sondern es wird auch noch mehr Energie in Form von FADH 2 und NADH gewonnen:

Reaktion 6: Oxidation von Succinat zu Fumarat

Bindung wird durch Oxidation zur Doppelbindung

Reaktion 7: Hydratisierung von Fumarat zu L-Malat

Das Enzym Fumarase katalysiert die Hydratisierung der trans-Doppelbindung von Fumarat, zeigt jedoch

bei Maleat, dem cis-Isomer von Fumarat, keine Wirkung.

Reaktion 8: Oxidation von Malat zu Oxalacetat

Unter thermodynamischen Standardbedingungen liegt das Gleichgewicht der Reaktion weit auf der

linken Seite. In intakten Zellen wird Oxalacetat dem Gleichgewicht jedoch laufend durch die stark

exergonische Citrat-Synthase-Reaktion entzogen. Dadurch wird die Oxalacetatkonzentration in der Zelle

extrem niedrig gehalten und das Malat-Dehydrogenasegleichgewicht in Richtung der Bildung von

Oxalacetat verschoben.

= hoher Bedarf an Oxalacetat wird recht rasch entzogen

KATABOLISCHER LIPID-STOFFWECHSEL

Bei Fettsäuren handelt es sich um reine Reihe von Substanzen, die eine lange Kohlenwasserstoffkette

und eine endständige Carboxylgruppe enthalten. Fettsäuren sind u.a. Brennstoffmoleküle. Sie werden als

Triacylglycerine (auch als Neutralfette oder Triglyceride) gespeichert, die ungeladene Ester des

Glycerins darstellen. Aus Triacylglycerinen mobilisierte Fettsäuren werden oxidiert, um den

Energiebedarf einer Zelle oder eines Organismus zu decken. Oxidation und Synthese von Fettsäuren

sind Prozesse, die als Reaktion auf Hormonwirkungen wechselseitig reguliert werden.

Der Abbau und die Synthese von Fettsäuren sind relativ einfache, im wesentlichen entgegengesetzt

verlaufende Prozesse. Beim Abbauvorgang wird eine aliphatische Verbindung in eine Reihe aktivierter

Acetyleinheiten (Acetyl-CoA) gespalten, die dann im Citratzyklus weiterverarbeitet werden. Eine

aktivierte Fettsäure wird oxidiert, sodaß eine Doppelbindung entsteht; an diese Doppelbindung wird

durch Hydratisierung Sauerstoff angelagert. Der Alkohol wird zur Carbonylform oxidiert, und

schließlich wird der C 4 -Körper durch Coenzym A gespalten, wodurch Acetyl-CoA und eine um zwei

Kohlenstoffatome kürzere Fettsäurekette entstehen. Enthält die Fettsäure eine gerade Zahl von

Kohlenstoffatomen und ist gesättigt, wird dieser Prozeß einfach wiederholt, bis die Fettsäure vollständig

in Acetyl-CoA-Einheiten umgewandelt ist.

Triacylglycerine sind hochkonzentrierte Speicher für Stoffwechselenergie, da sie in reduzierter und

wasserfreier Form vorliegen. Bei vollständiger Oxidation liefern Fettsäuren ungefähr 38 kJ g -1 ,

gegenüber ca. 17 kJ g -1 bei Kohlenhydraten und Proteinen. Die Ursache dieses großen Unterschieds in

der Energieausbeute liegt darin, dass Fettsäuren in einem weit höher reduzierten Zustand vorliegen.

Ferner sind Triacylglycerine ausgesprochen unpolar und werden deshalb in nahezu wasserfreier Form

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gespeichert. Protein und Kohlenhydrate dagegen sind weitaus polarer und deshalb stärker hydratisiert.

Ein Gramm nahezu wasserfreies Fett speichert über 6x mehr Energie als ein Gramm hydratisiertes

Glykogen. Hierin liegt wahrscheinlich der Grund, dass Triacylglycerine in der Evolution als wichtigstes

Energiereservoir gegenüber dem Glykogen bevorzugt wurden.

Bei Säugern werden die Triacylglycerine hauptsächlich im Cytoplasma der Fettzellen (Adipocyten)

gespeichert. Tröpfchen von Triacylglycerinen vereinigen sich zu großen Kugeln, die fast das gesamte

Zellvolumen einnehmen können. Diese Fettzellen sind auf die Synthese und Speicherung von

Triacylglycerinen spezialisiert sowie auf deren Mobilisierung zu Brennstoffmolekülen, die dann mit

dem Blut zu anderen Geweben transportiert werden.

Die meisten Lipide werden in Form von Triacylglycerinen aufgenommen, müssen jedoch zu Fettsäuren

abgebaut werden, damit sie über das Dünndarmepithel absorbiert werden können. In den Zellen der

Dünndarmschleimhaut werden die Fettsäuren wieder in Triacylglycerine.

Ausgangspunkt der Fettverwertung zur Energiegewinnung ist die Hydrolyse der Triacylglycerine durch

Lipasen, einen Vorgang den man Lipolyse nennt. Die Triacylglycerine im Fettgewebe werden in freie

Fettsäuren und Glycerin umgewandelt und auf hormonelle Signale hin in den Blutstrom freigesetzt.

Initiiert wird dieser Prozeß durch eine hormonsensitive Lipase. (Adrenalin, Noradrenalin, Glucagon und

ACTH rufen die Lipolyse hervor)

Das durch Lipolyse entstandene Glycerin wird von der Leber absorbiert, phosphoryliert und zu

Dihydroxyaetonphosphat oxidiert, das anschließend zu Glycerinaldehyd-3-phosphat isomerisiert wird.

Dieses Molekül ist ein Zwischenprodukt sowohl der Glykolyse als auch der Gluconeogenese.

Das Glycerin kann also in der Leber, welche die entsprechenden Enzyme enthält, entweder in Pyruvat

oder in Glucose umgewandelt werden.

Fettsäuren werden in den Mitochondrien oxidiert. Vor dem Eintritt in die mitochondriale Matrix müssen

sie aktiviert werden. Unter Verbrauch von ATP wird eine Thioesterbindung zwischen der

Carboxylgruppe der Fettsäure und der Sulfhydrylgruppe des Coenzyms A gebildet. Diese

Aktivierungsreaktion erfolgt an der äußeren Mitochondrienmembran und wird von der Acyl-CoA-

Synthetase (auch als Fettsäure-Thiokinase bezeichnet) katalysiert.

Fettsäuren werden an der äußeren Mitochondrienmembran aktiviert, aber in der mitochondrialen Matrix

oxidiert. Damit die langkettigen AcylCoA-Moleküle die innere Mitochondrienmembran überwinden

können, ist ein besonderer Transportmechanismus notwendig. Die aktivierten langkettigen Fettsäuren

werden mithilfe von Carnitin, einem zwitterionischen Alkohol, durch die innere

Mitochondrienmembran transportiert. Dazu wird die Acylgruppe vom Schwefelatom ces Coenzyms A

auf die Hydroxylgruppe des Carnitins übertragen, wobei Acylcarnitin entsteht. Diese Reaktion wird von

der Carnitin-Acyltransferase I katalysiert, die auf der cytosolischen Seite der inneren

Mitochondrienmembran lokalisiert ist.

Das Acylcarnitin wird dann von einer Translokase durch die innere Mitochondrienmembran geschleust.

Die Acylgruppe wird auf der Matrixseite wieder auf CoA übertragen. Diese von der Carnitin-

Acyltransferase II katalysierte Reaktion ist einfach die Umkehrreaktion jener Reaktion, die im Cytosol

abläuft.

(diese Geschichte wurde erfunden, weil CoA nicht transportiert werden kann)

Ein gesättigtes Acyl-CoA wird durch eine immer wiederkehrende Sequenz von vier Reaktionen

abgebaut:

1. eine Oxidation unter Beteiligung von FAD,

2. eine Wasseranlagerung

(Hydratisierung der Doppelbindung zwischen C-2 und C-3)

3. eine Oxidation unter Beteiligung von NAD +

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(führt zu einer Umwandlung der Hydroxylgruppe am C-3 in eine Ketogruppe und zur NADH-

Erzeugung)

4. eine Thiolyse durch CoA

(Spaltung des 3-Ketoacyl-CoA durch die Thiolgruppe eines zweiten CoA-Moleküls; dabei

entstehen Acetyl-CoA und ein um zwei Kohlenstoffatome verkürztes Acyl-CoA)

Als Resultat dieser Reaktionen wird die Fettsäurekette um zwei Kohlenstoffatome verkürzt und FADH 2 ,

NADH sowie Acetyl-CoA werden erzeugt. Weil die Oxidation am β-Kohlenstoffatom stattfindet,

bezeichnet man diese Reaktionsfolge als β-Oxidation.

β-Oxidation in Mitochondrien und in Peroxisomen ( oxidieren besonders lange FS)

1. am Bsp. einer gesättigten geradzahligen C-Kette:

4-stufige Reaktion, Acetyl-CoA als Abbauprodukte

2. am Bsp. einer einfach ungesättigten, geradzahligen C-Kette:

ein zusätzliches Enzym (Isomerase) erforderlich

3. am Bsp. einer mehrfach ungesättigten, geradzahligen C-Kette:

ein weiteres Enzym (Reduktase) wird benötigt

4. am Bsp. von langkettigen, ungeradzahligen Fettsäuren:

letzte Spaltung ergibt AcetylCoA und Propionyl-CoA. Letzteres wird in einer 3-stufigen Reaktion zu

Succinyl-CoA umgebaut (VitaminB12, Cobalamin)

α-Oxidation

wird benötigt zum Abbau von Phytol (Chlorophyll-Bestandteil)

Refsum´s Desease: schwere Erbkrankheit: Phytansäure kann nicht zu Prystansäure oxidiert werden,

akkumuliert in Myelinscheiden der Nerven Sehverlust, eigenartige Motorik

Grundproblem: keine Spaghetti und überhaupt nix (Kohlehydrate, Glucose):

Leber muß schaun, dass genug Glucose im Umlauf ist; Bausteine werden aus Citratzyklus abgezwackt

keine Fettsäuresynthese, wird nur viel abgezwackt

Pool an CoA wird kleiner: β-Oxidation wird gebremst

Rettungsmechanismus: Keto-Bildung (Ketonkörper) = 2 Acetyl-CoA zusammen 1 CoA wird frei.

Ketonkörper sind wasserlöslich = lösliche Variante von Fettsäuren;

Fettsäuren schwimmen (weil unlöslich) nicht frei im Blut rum, sind an Proteine gebunden die sie

transportieren, kommen nicht durch Blut-Hirn-Schranke ins Gehirn.

AMINOSÄUREOXIDATION & HARNSTOFFPRODUKTION

Oxidativer Abbau von Aminosäuren erfolgt unter drei verschiedenen Bedingungen:

1. während der regulären Synthese und des Abbaus zellulärer Proteine (für die Synthese nicht benötigte

werden oxidiert).

Defekte oder nicht benötigte Proteine werden für den Abbau markiert, indem sich Ketten des keinen

Proteins Ubiquitin kovalent an sie binden. Mit mehreren Ubiquitinmolekülen markierte Proteine

werden anschließend durch einen großen ATP-abhängigen Komplex, das sogenannte Proteasom,

abgebaut.

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2. bei einer proteinreichen Diät, wenn also mehr Aminosäuren aufgenommen werden als für die

Proteinsynthese benötigt werden, kann der Überschuß katabolisiert werden; Aminosäuren können

nicht gespeichert werden !!

Sie werden aber auch nicht ausgeschieden, sondern dienen im Stoffwechsel als Brennstoffe. Die α-

Aminogruppe wird entfernt und das Kohlenstoffskelett in ein gängiges Stoffwechselzwischenprodukt

überführt. Die meisten Aminogruppen der überschüssigen Aminosäuren werden im Harnstoffzyklus

in Harnstoff umgewandelt und ihre Kohlenstoff-gerüste in Acetyl-CoA, Acetacetyl-CoA, Pyrovat

oder ein Zwischenprodukt des Citrat-Zyklus überführt.

3. wenn während einer Hungerperiode oder bei einer Krankheit (z.B. Diabetes mellitus) Kohlenhydrate

entweder nicht vorhanden sind oder nicht richtig verwertet werden, verwendet der Organismus

körpereigene Proteine als Brennstoff

Der Enzymatische Abbau von Proteinen zu Aminosäuren:

Dieser wird von proteolytischen Enzymen bewerkstelligt.

Sie gehören zu den am längsten bekannten Enzymen. Systematisch gehören sie zu den C-N-

Hydrolasen, denn die von ihnen katalysierte Reaktion ist die Spaltung einer Peptidbindung, also einer

C-N-Bindung (als Proteasen, neuerdings als Peptidasen bezeichnet).

Nach der Lokalisation und der biologischen Funktion kann man folgende Gruppen von Peptidasen

unterscheiden:

1. Verdauungsenzyme: befinden sich im Magen-Darmtrakt und besorgen die Verdauung der

Nahrungsproteine (Endo-Peptidasen und Carboxy- und Amino-Exopeptidasen).

2. Extrazelluläre Peptidasen: im Blut z.B. bei der Blutgerinnung, Fibrinolyse

3. Intrazelluläre Peptidasen: vorwiegend in Zellkompartimenten wie ER, Golgi-Apparat aber auch

im Cytosol (dazu gehört auch der 1.5 MDa-Proteasom-Komplex, der Ubiquitin gelabelte Proteine

verdaut).

Abbauwege von Aminosäuren:

Wie beim Abbau von Kohlenhydraten und von Fettsäuren münden auch die Abbauwege von

Aminosäuren in dieselben grundlegenden Wege des Kohlenstoff-Stoffwechsels:

Die C-Ketten der Aminosäuren münden im allgemeinen im Citrat-Cyclus ein. Dort werden sie unter

Bildung von chemischer Energie oxidiert oder an die Gluconeogenese weitergeleitet.

In einem wesentlichen Aspekt unterscheidet sich der Aminosäureabbau von den bisher beschriebenen

Abbauwegen:

Jede Aminosäure enthält eine Aminogruppe. Das Kohlenstoffskelett und die abgetrennte α-

Aminogruppe schlagen vollkommen getrennte Stoffwechselwege ein („biochemische Weggabelung“).

Die Proteinverdauung beginnt im Magen, wo die saure Umgebung ihre Denaturierung begünstigt. In

denaturiertem Zustand sind Proteine leichter als Substrate für die Proteolyse zugänglich als in

natürlicher Form. Das wichtigste proteolytische Enzym im Magen ist Pepsin (max. Aktivität bei pH 2,

kann drum im Magen arbeiten).

Im Dünndarmlumen setzt sich der Proteinabbau durch das Einwirken proteolytischer Enzyme aus dem

Pankreas fort. Die Reihe der Enzyme zeigt ein weites Spektrum an Spezifität, sodaß die Substrate

sowohl zu freien Aminosäuren als auch zu Di- oder Tripeptiden abgebaut werden.

Bei Säugetieren findet der Aminosäureabbau hauptsächlich in der Leber statt. In Anbetracht der

Tatsache, dass in Energieübertragungswegen keine stickstoffhaltigen Verbindungen vorkommen, muß

zunächst die Aminogruppe abgespalten werden. Die aus der Desaminierung von Aminosäuren

hervorgehenden α-Ketosäuren werden so weiterverarbeitet, dass die Kohlenstoffskelette als Vorstufen

für Glucose oder Zwischenprodukte des Citratzyklus in den Hauptstoffwechselstrom eintreten können.

HARNSTOFFZYKLUS

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Ein Teil des beim Abbau der Aminosäuren gebildeten NH + 4 wird zur Biosynthese stickstoffhaltiger

Verbindungen verbraucht. Das überschüssige NH + 4 wird von den meisten Landwirbeltieren in Harnstoff

umgewandelt und in dieser Form ausgeschieden. Solch Organismen bezeichnet man als ureotelisch.

Zu Beginn des Harnstoffzyklus wird freies NH + 4 mit HCO - 3 zu Carbamoylphosphat verbunden

(Enzym: Carbamoylphosphat-Synthetase). Der Verbrauch von zwei Molekülen ATP macht diese

Synthese von Carbamoylphosphat praktisch irreversibel.

Die Carbamoylgruppe von Carbamoylphosphat, das aufgrund seiner Anhydridbindung ein hohes

Übertragungspotenzial besitzt, wird auf Ornithin übertragen, wobei Citrullin entsteht.

Ornithin und Citrullin sind Aminosäuren, finden aber nicht als Bausteine für Proteine Verwendung. Die

Bildung von NH + 4 durch die Glutamat-Dehydrogenase, seine Aufnahme in Carbamoylphosphat und die

nachfolgende Synthese von Citrullin finden in der Mitochondrienmatrix statt. Im Gegensatz dazu

erfolgen die nächsten drei Reaktionen des Harnstoffzyklus, die zur Bildung von Harnstoff führen, im

Cytosol.

Citrullin wird zum Cytoplasma transportiert, wo es mit Aspartat kondensiert, dem Donor der zweiten

Aminogruppe des Harnstoffes. Die Synthese von Argininosuccinat wird durch die Spaltung von ATP in

AMP und Pyrophosphat und die darauffolgende Hydrolyse des Pyrophosphats angetrieben.

Die Argininosuccinase spaltet das Argininosucinat in Arginin und Fumarat. Das Kohlenstoffskelett des

Aspartats bleibt also in Form von Fumarat erhalten.

Schließlich wird Argingin hydrolysiert, wobei Harnstoff und Ornithin entstehen. Das Ornithin wird dann

zurück ins Mitochondrium transportiert und beginnt dort einen neuen Zyklus. Der Harnstoff wird

ausgeschieden.

Die Synthese von Fumarat im Harnstoffzyklus ist bedeutsam, da sie den Harnstoffzyklus mit dem

Citratzyklus verbindet. Das Fumarat wird zu Malat hydratisiert und dieses dann zu Oxalacetat oxidiert.

Oxalacetat hat verschiedene mögliche Schicksale:

1. Transaminierung zu Aspartat

2. Umwandlung in Glucose über die Gluconeogenese

3. Kondensation mit Acetyl-CoA zu Citrat

4. Umwandlung in Pyruvat

Vorlesung 7 - Oxidative Phosphorylierung

Elektronentransfer:

Transfer direkt als Elektronen

In Form von H-Atomen (H+ und e-)

In Form von Hybrid-Ionen (H-)

Direkte Kombination eines organischen Reduktionsmittels mit Sauerstoff

Ein Maß für die Elektronen-Affinität eines Akzeptors ist das Reduktions-Potential Eo in Volt (=

Redoxpotential, Elektronenübertragungspotential)

Je negativer Eo um so stärker ist der Reduktor (will seine Elektronen loswerden)

Je positiver Eo im Vergleich zur Normal-Wassrstoff-Elektrode (Eo=0) um so stärker ist die

Elektroneaffinität

Das Reduktionspotential ist konzentrationsabhängig (Nernst-Gleichung)

Elektronen-Carrier-Typen in der Atmungskette:

NAD+

Flavoproteine (FAD)

Ubichinon (Coenzym Q) Lipophil

(Bewegen sich innerhalb der Membran)

Fungieren als Elektronen-Shuttle zwischen weniger mobilen Carriern

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Cytochrome Feenthaltende

Elektronentransfer Protein, im reduzierten Zustand Fe2+ im Porphrin-Ring

Fe-S-Proteine

Fe befindet sich nicht in einer Hämgruppe, sondern ist mit anorg. Schwefel oder über Schwefel von

Cys assoziiert

Niedriges Redox-Potential was bedeutet gute Elektronen-Donoren

Teilstufen um nicht Energie als Wärme zu verlieren

Komplexe 1 bis 4 aus Proteinen (komplex) aufgebaut

NADH aus Matrix - kann nicht durch innere Membran durch

Hydronium-Ionen hinausgepumpt werden => Elektronepotentialgefälle hinunter => Energie

Teil Arbeit zu leisten - Protonen von Matrix in Intermembranraum zu pumpen

(24fach höhere Konzentration im Intermembran Raum)

Atmungskette:

Treibende Kraft:

Reduktionskraft von NADH und FADH2, in Kombination mit der Oxidationskraft von O2

Trennung der funktionellen Komplexe der Atmungskette:

Mitochondrien zerlegt - Auftrennung

5 Komplexe

Die Komplexe I-IV katalysieren Übertragungen zwischen Donatoren, Zwischenstufencarriern und O2

=> Eigenschaft von Komplex 5 geht verloren weil getrennt von den Protonen => Umgekehrte Reaktion

=> Zerlegt ATP = ATP-Synthase

4 Elektronen-Carrier-Komplexe die jeweils einen Teil der Kette katalysieren können

I und II katalysieren den Elektronentransfer zu Ubichinon von verschiedenen Elektronen-Donatohren (I

- NADH, II - Succinat)

III überträgt Elektronen von Ubichinon auf Cytochrom c

IV vervollständigt Sequenz in dem er Elektronen con Cytochrom c auf O2 überträgt

Komplex I:

NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase

2 gekoppelte Reaktionen

Übertagen eines Hydrid-Ions von NADH und eines Protons von der Matrix auf Ubichinon

Endergone Übertragung von 4 Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum

Komplex I ist eine Protonenpumpe die von er Energie des Elektronentransfers angetrieben wird

Komplex I katalysiert die Übertragung eines Hydrid-Ions vom NADH auf FMN, von wo 2 Elektronen

über eine Reihe von Eisen-Schwefel-Zentren zum Fe-S-Protein N-2 in den Matrixarm des Komplexes

gelangen

Der Elektronentransfer vom N-2 zum Ubichinon (UQ - vollständig oxidiert) auf dem Membranarm

ergibt UQH2 (Ubichinol - vollständig reduziert) das in die Lipiddoppelschicht diffundiert

Mechanismus der Elektronen- und Protonenübertragung nicht vollständig geklärt, wahrscheinlich aber

ein UQ-Zyklus (UQH2 2mal pro Elektronenpaar beteiligt)

Protonenfluss erzeugt über der inneren Mitochondrienmembran ein elektrochemisches Potential

(Intermembranraum positiv, Matrix negativ) das Teil der Energie enthält welche durch die

Elektronenübertragung freigesetzt wurde

Elektrochemische Potential treibt ATP-Synthese an

Komplex II:

(Succinat-Dehndrogenase - membrangebundenes Enzym des Citratzyklus)

Kein Auspumpen von Protonen

Wirkung jedes dieser Elektronen übertragenden Enzyme - Beitrag am Pool an reduzierten

Ubichinon

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Weg der Elektronen von NADH, Succinat, Fettsäureacyl-CoA und Glycerin-3-Phosphat (cytosolisch)

zum Ubichinon (UQ)

Elektronen vom NADH fließen über Flavoprotein zu einer Reihe von Fe-S-Proteinen (im Komplex I)

und dann zum UQ

Elektronen vom Succinat fließen auf dem Weg zum UQ über Flavoprotein und mehrere Fe-S-Zentren

(im Komplex II)

Glycerin-3-Phosphat gibt Elektronen an Flavoprotein (Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase) ab, das

sich an der Außenseite der inneren Mitochondrienmembran befindet, von hier fließen die Elektronen

zum UQ

Die Acyl-CoA-Dehndrogenase (= erste Enzym der β-Oxidation) überträgt Elektronen auf das

Elektronenübertragende Flavoprotein (ETF), von wo sie über die ETF-Ubichinon-Oxidoreduktase zum

UQ gelangen

Komplex III:

Cytochrom-bc1-Komplex

Koppelt Transfer von Elektronen vom Ubichinol zum Cytochrom c mit dem Transfer von

Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum

1 Molekül UQH2 wird zu UQ oxidiert und 2 Moleküle Cytochrom c werden reduziert

Cytochrom c ist ein lösliches des Intermembranraums

Nachdem das Häm des Cytochrom c ein Elektron vom Komplex III aufgenommen hat bewegt es

sich zum Komplex IV und gibt dort Elektron ab

Protonenpumpe

Komplex = Dimer aus gleichen Monomeren die aus 11 unterschiedlichen Untereinheiten bestehen

Funktionelle Kern besteht aus 3 UE - Cytochrom b mit seinen 2 Hämen, Rieske-Fe-S-Protein mit 2Fe

2S Zentrum, Cytochrom c1 mit Häm

Die dimere funktionelle Einheit Cytochrom c1 und Rieske-Protein ragen aus der Intermembranraum-

Seite heraus und können mit Cytochrom c (nicht Teil des funktionellen Komplexes) Wechselwirken

Komplex - 2 unterschiedliche Bindungsstellen für Ubichinon

Diemehre Struktur für Funktion des Komplexes - Grenzfläche zwischen den Monomeren bildet 2

Einbuchtungen die jeweils eine UQ-Stelle des einen und eine des anderen Monomers - Der Transport

der UQ-Zwischenprodukte innerhalb dieser geschützten Einbuchtungen

Komplex III 2 verschiedene Konformationen

Rieske-Protein einmal nahe beim seinem Elektronenakzeptor, dem Häm des Cytochrom c1, jedoch weit

entfernt vom Cytochrom b und der UQH2-Bindungsstelle, wo es Elektronen aufnimmt

Anderen Konformation ist das Fe-S-Zentrum vom Cytochrom c1 weit entfernt, hin zum Cytochrom b

Annahme: Das Rieske-Protein wechselt zwischen den beiden Konformationen während es zuerst

reduziert und dann oxidiert wird

Komplex IV:

Cytochrom-Oxidase

Weg der Elektronen durch den Komplex

Überträgt Elektron vom Cytochrom c auf molekularen Sauerstoff der zu H2O reduziert wird

Elektronentransfer durch den Komplex IV verläuft vom Cytochrom c zum Cu A -Zentrum, zum

Häm a, zum a 3 -Cu B -Zentrum und schließlich zum O2

Für jeweils 4 Elektronen die diesen Komplex passieren verbrauch das Enzym 4 Substrate H+ aus

der Matrix wobei O2 zu 2H2O umgesetzt wird

Es nutzt außerdem die Energie dieser Redoxreaktion um für jedes hindurchfließende Elektron ein

Proton nach außen in den Intermembranraum zu pumpen (trägt zum elektrochemischen Potential

bei das vom redoxgetreibenen Protonentransfer durch durch I und III erzeugt wird)

3 entscheidende Proteine für den Elektronenfluss

Elektronentransfer durch Komplex IV beginnt wenn 2 Moleküle des reduzierten Cytochroms c jeweils 1

Elektron an das zweikernige Zentrum Cu A abgeben

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Von dort fließen Elektronen durch Häm a zum Fe-Cu-Zentrum (Cytochrom a 3 & Cu B )

Nun bindet Sauerstoff an Häm a 3 und wird durch 2 Elektronen vom Fe-Cu-Zentrum reduziert

Durch 2 weitere vom Cytochrom c bereitgestellte Elektronen wird der zuvor reduzierte Sauerstoff zu 2

Wassermolekülen umgesetzt wobei auch 4 Substratprotonen aus der Matrix verbraucht werden

Gleichzeitig werden 4 weitere Protonen aus der Matrix gepumpt

Überblick über Elektronen- und Protonenfluss durch die 4 Komplexe der Atmungskette:

Elektronen erreichen UQ über die Komplexe I und II

UQH2 = beweglicher Carrier von Elektronen und Protonen, es gibt Elektronen an den Komplex III ab,

welcher sie an ein weiteres bewegliches Verbindungsglied (Cytochrom c1) weiter gibt

Komplex IV überträgt dann Elektronen von reduziertem Cytochrom c auf O2

Elektronenfluss durch Komplexe I, III und IV wird vom Protonenfluss aus der Matrix in den

Intermembranraum begleitet

Komplex V:

ATP-Synthese (ähnlich der von Chloroplasten und Eubakterien)

2 funktionelle Bereiche Fo und F1

Großer Enzymkomplex der inneren Mitochondrienmembran katalysiert Bildung von ATP aus

ADP und Pi, begleitet vom Protonenfluss von der p zur n-Seite der Membran

F1-Komplex - 9 Untereinheit die zu 5 Typen gehören - α3β3χδε

Jede der 3β-UE hat ein katalytisches Zentrum für ATP-Synthese -βATP, βADP, βleer

Unterscheid in der Nucleotidbindung der 3 UE entscheidend für Wirkungsmechanismus

Fo-Komplex bildet Protonenkanal

Eine bestimmte β-UE beginnt in der ADP-Konformation die ADP und Pi aus dem Medium bindet

Die UE ändert dann ihre Konformation und nimmt ATP-Konformation an die ATP fest bindet und

stabilisiert

UE in leer-Konformation welche geringe Affinität für ATP aufweist

=> Neusynthetisierte ATP verlässt Enzymoberfläche

Bakterielle Atmungskette:

Komplex der Plasmamembran überträgt NADH auf Ubichinon bzw. auf Menachinon (=bakterielle

Äquivalent zu UQ) währen er Protonen nach außen pumpt und so ein elektrochemisches Potential

erzeugt, das die ATP-Synthese antreibt

Atmungskette in der Plasmamembran und Dehydrogenase im bakteriellen Cytosol

Chemiosmotische Modell (Mitochondrien):

Elektronen fließen von NADH und anderen oxidierbaren Substanzen durch eine Kette von Carriern

welch asymmetrisch in der inneren Membran angeordnet sind

Elektronenfluss wird begleitet von Protonentransfer durch die Membran

Dabei entsteht sowohl ein chemischer und ein elektrischer Gradient

Innere Mitochondrienmembran ist undurchlässig für Protonen und Protonen könne nur durch protonenspezifische

Kanäle wieder in die Matrix gelangen

Die protonenmotorische Kraft, welche die Protonen in die Matrix zurücktreibt liefert die Energie

für die ATP-Synthese

(Einströmende Protonen induzieren nicht ATP-Synthese sondern durch Konformationsänderung die

ATP-Freisetzung)

Elektronen-Carrier der inneren Membran von pflanzlichen Mitochondrien:

Elektronen könne wie in tierischen Mitochondrien über die Komplexe I, III und IV fließen aber auch

über pflanzenspezifische, alternative Carrier

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Pflanzen Mitochondrien Versorgung mit ATP bei schwacher Lichteinstrahlung/Dunklen durch

Mechanismen welche analog den nicht photosynthetisierenden Orgaismen sind

Bei Licht Hauptquelle des mitochondrialen NADH eine Reaktion bei der Glycerin zu Serin umgesetzt

wird

Pflanzen diese Reaktion auch ausführen wenn kein NADH für ATP-Synthese benötigt

NAD+ aus nicht gebrauchtem NADH zu regenerieren übertragen pflanzliche Mitochondrien Elektronen

vom NADH direkt auf Ubichinon und von diesem direkt auf O2

=> Komplex III und IV und deren Protonenpumpen werden umgangen

=> Energie aus dem NADH wird als Wärme abgegeben - kann auch nützlich sein

Beispiel - Blüte stinkt - anlocken von Insekten - Verbreitung der Pflanze)

Wärmeerzeugung durch entkoppelte Mitochondrien:

Entkopplungsprotein in den Mitochondrien von braunem Fettgewebe ermöglicht es den Protonen auf

einem alternativen Weg in die Mitochondrienmatrix zurückzukehren

Dadurch wird die beim Protonenpumpen umgesetzte Energie als Wärme abgegeben

Transportsysteme der inneren Mitochondrienmembran:

Übertragen ADP und Pi in die Matrix hinein sowie neu synthetisiertes ATP in das Cytosol

Adeninnucleotid-Translokase

Antiporter - befördert ADP in die Matrix und ATP aus ihr heraus

Der Ersatz von ATP4- durch ADP3- bewirkt einen Nettoausstrom von negativer Ladung, welcher durch

den Ladungsunterschied beiderseits der inneren Membran (außen positiv) gefördert wird

Matrix neg. Nettoladung - protonenmotorische Kraft treib ATP-ADP-Austausch an

Phosphat-Translokase

Spezifisch für H2PO4-

Während des Gemeinsamen Transports von H2PO4- und H+ tritt kein Nettoladungsfluss auf aber die

relativ geringe Protonenkonzentration in der Matrix begünstigt den Transport von H+ nach innen

Protonenmtorische Kraft verantwortlich für:

Bereitstellung von Energie für ATP-Synthese

Transport von Substraten (ADP und Pi) in die Mitochondrienmatrix hinein sowie von Produkten

(ATP) aus ihr heraus

Malat-Aspartat-Shuttle:

In Leber, Nieren und Herz zum Transport von Reduktionsäquivalenten vom cytosolischen NADH in die

Mitochondrienmatrix

1. NADH im Cytosol (Intermembranraum) gibt 2 Reduktionsäquivalente an Oxalacetat ab wobei Malat

entsteht

2. Malat passiert mithilfe des Malat-α-Ketogluterat-Transportsystems die innere Membran

3. In der Matrix gibt Malat 2 Reduktionsäquivalente an NAD+ ab und das dabei gebildete NADH wird

durch die Atmungskette oxidiert. Das aus dem Malat gebildete Oxalacetat kann nicht direkt ins

Cytosol gelangen

4. Transaminierung zu Aspartat

5. Kann über den Glutamat-Aspartat-Transporter austreten

6. Oxalacetat wird im Cytosol regeneriert

Glycerin-3-phosphat-Shuttel:

Transportalternative in Skelettmuskel und Gehirn

Befördert Reduktionsäquivalent vom Cytosol in die Mitochondrienmatrix

Im Cytosol nimmt Dihydroxyacetonphosphat 2 Reduktionsäquivalente vom NADH auf - Diese Reaktion

wird von cytosolischer Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase katalysiert

Eines von deren Isoenzymen ist an die Außenseite der inneren Membran gebunden und überträgt dann 2

Reduktionsäquivalente vom Glycerin-3-Phosphat im Intermembranraum zum UQ

(Shuttel beinhaltet keine Membrantransportsysteme)

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Vorlesung 8 - Photophosphorylierung und Kohlenstoff-Fixierung

Licht- und Dunkelreaktion gekoppelt

Lichtreaktion:

Die Lichtreaktion der Photosynthese erzeugt auf Kosten der Sonnenenergie die energiereichen

Verbindungen NADPH und ATP

Dunkelreaktion = Kohlenstoff-Fixierungs-Reaktion (bei Licht oder im Dunklen):

Die entstandenen energiereichen Verbindungen zur Reduktion von CO2 und dann zur Synthese von

Triosen und komplexeren Verbindungen (z.B. Glucose)

2 Energietransfermodelle (Photosystem):

Resonanzenergietransfer: Photon regt

Molekül I im Grundzustand an, dieses Molekül leitet die Energie zu einem identischen Molekül II

welches einen höheren Energiestatus annimmt während Molekül I in den Grundzustand zurückfällt

Elektronentransfer:

Einfangen des Photons

Weiterleiten der Energie zum Reaktionszentrum

Im Reaktionszentrum => Anregung der beiden Reaktionschlorophylle (mehrere verschiedenen

Anregungszustände)

Anordnung der Photosystem-Komponenten in der Thylakoid-Membran:

Photoreaktionszentrum von Antennen-Chlorophyllen (an Proteine gebunden) und Hilfspigmenten (z.B.

Carotenoide) umgeben

Absorption eines Photons durch irgendeines der Antennen-Chlorophylle führt zur Anregung des

Reaktionszentrums indem die Lichtenergie von Molekül zu Molekül bis ins Reaktionszentrum

In der T-Membran auch noch Cytochrom b 6 f-Komplex und ATP-Synthase eingebettet

Im Reaktionszentrum setzt die photochemische Reaktion Energie eines Photons in eine

Ladungstrennung um so das ein Elektronenfluss eingeleitet wird

2 Photosysteme arbeiten zusammen

I = nachgeschalten

II = startet

Übersicht über die Reaktionen in der T-Membran:

Photosystem I und II und der Cytochrom-b6f-Komplex separate Proteinkomplexe in der T-Membran

Elektronentransfer von PS II zum Cytochrom-b6f-Komplex

Transfer vom Cytochtom-b6f-Komplex zum PS I

Elektronen die aus dem PS II hervorgehen werden vorübergehend im Plastohydrochinon gespeichert -

werden über Cytochrom-b6f-Komplex und das lösliche Protein Plastocyanin zum PS I übertragen

Wie Komplex III der Mitochondrien befördert Cytochrom-b6f-Komplex Elektronen von einem

reduzierten Chinin - einem lipidlöslichen mobilen Carrier 2 Elektronen (in Mitochondrien UQ, in

Chloroplasten PQ B ) zu einem wasserlöslichen Protein das ein Elektron transportiert (Mitochondrien

Cytochrom c, Plastocyanin in Chloroplasten)

Anordnung der Komponenten in der T-Membran:

Lichtsammelkomplex und ATP-Synthase in gestapelten Bereichen (Grana-Lamellen) und in den nicht

gestapelten Bereichen (Stroma-Lamellen)

Beide können leicht auf ADP und NADP+ im Stroma zugreifen

Photosystem II fast nur in den gestapelten Bereichen

Photosystem I fast nur in den nicht gestapelten Bereichen die zum Stroma hin frei liegen

Lichtsammelkomplex = Kleber - Hält gestapelten Lamellen zusammen

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Regulation gestapelte nicht gestapelt:

Ein hydrophober Bereich des Lichtsammelkomplexes in einer Thylakoid-Lamelle ragt in die

benachbarte Lamelle hinein und hält dadurch die beiden Membranen nahe beieinander

Die Akkumulation von Plastohydrochinon stimuliert eine Proteinkinase die einen Thr-Rest im

hydrophoben Bereich des Lichtsammelkomplexes phosphoryliert

Dadurch wird Affinität herabgesetzt und Grana-Lamellen werden in Sroma-Lamellen umgewandelt

Diese regulatorische Phosphorylierung kann durch eine spezifische Proteinphosphatase wieder

umgekehrt werden wenn das Verhältnis der Konzentration von PQ zu PQH2 ansteigt

Elektronenfluss kann linear oder zyklisch sein

Ist genug NADPH vorhanden so wird aus dem linearen ein zyklischer Fluss

Zyklische Fluss betrifft nur PS I

Elektronen wieder eingespeist und nicht an NADP+ weitergeleitet sondern über Cytochrom-b6f-

Komplex zurück zum Plastocyanin

Protonen ins Lumen gepumpt

ATP-Synthase nicht beeinträchtigt

Elektronen- und Protonenfluss durch den Cytochrom-b6f-Komplex

Im PS II gebildetes Plastohydrochinon (PQH2) wird durch das Cytochrom-b6f in mehreren Schritten des

Q-Zyklus oxidiert, ähnlich wie im UQ-Zyklus im Komplex III der Mitochondrien

Ein Elektron geht auf das Fe-S-Zentrum des Rieske-Proteins über und das andere auf die Hämgruppe

des Cytochroms b6

Letztlich gehen damit Elektronen vom PQH2 auf das lösliche Protein Plastocyanin über, das sie zum PS

I befördert

Protonen- und Elektronenfluss in Tylakoiden:

Elektronen

fließen über H2O über Photosystem II sowie die dazwischenliegende Carrier -Kette und PSI schließlich

zu NADP+

Protonen

werden durch den Elektronenfluss der durch die Carrier-Kette zwischen PSII und PSI verläuft in das

Thylakoid-Lumen gepumpt und kehren in das Stroma zurück über Protonenkanäle, die vom Fo-Teil der

ATP-Synthase gebildet werden

Photosynthese der Bakterien:

Nur eine Art von Reaktionszentrum

Kein Wasser wird gespalten (keine Freisetzung von Sauerstoff)

NADP+ nicht reduziert

Protonenfluss und ATP-Synthase:

Mitochondrium

Chloroplast

In Chloroplasten ist sowohl die Orientierung der ATP-Synthese als auch die Richtung des

Protonenpumpens entgegengesetzt zur Richtung der Mitochondrien

Bakterium

In allen Fällen hat der Protonengradient relativ zur ATP-Synthase dieselbe Orientierung

Calvin Zyklus (=Dunkelreaktion):

Zweigeteilt - CO2-Fixierung und Regeneration

CO2 Fixierung in 3 Stufen

20


1. Fixierung von CO2 in 3-Phosphoglycerat

2. Umsetzung vom 3-Phosphoglycerat zu Glycerinaldehyd-3-phoshat (in 2

Schritten die im Wesentlichen die Umkehrung der entsprechenden Schritte der Glycolyse sind mit

einer Ausnahme Nucleotid-Cofaktor für Reduktion 1,3 Bisphosphoglycerat ist NADH anstatt

NADPH)

3. Regenerierung von Ribulose-1,5 bisphosphat aus Triosephosphaten

Pro Molekül Triosephosphat das aus CO2 synthetisiert wird sind 6 NADPH und 9 ATP Moleküle nötig

Calvin Zyklus nützt ATP und NADPH aus der Lichtreaktion um CO2

Kohlendioxid aus der Luft diffundiert in das Stroma der Chloroplasten und wird dort an das Carbonyl-

C-Atom von Ribulose-1,5-bisphosphat addiert

Diese Reaktion wird durch Ribulose-1,5-bisphosphat Carboxylase katalysiert

Lichtabhängige Aktivierung der Dunkelreaktionsenzyme:

Lichtreaktion aktiviert direkt Enzyme der Dunkelreaktion

Einige Enzyme des Calvinzyklus werden aktiviert über Reduktion der Disulfide

Elektron der Lichtreaktion reduzieren Ferredoxin was wiederum oxidiertes Thiorredoxin zu Thioredoxin

reduziert dieses wiederum aktiviert einen lichtabhängigen Mechanismus

Photorespiration:

Photorespiration resultiert aus der Oxygenase-Aktivität von Rubisco

Rubisco - aktive Zentrum kann CO2 und O2 nicht gut unterscheiden

Die Oxygenase-Aktivität und Rubisco verbrauchen O2 und erzeugen CO2 = Photorespiration

C4-Zyklus:

Für jedes CO2-Molekül das fixiert wird muss ein PEP-Molekül unter Verbrauch von 2 energiereichen

Phosphatgruppen aus ATP regeneriert werden

C4-Pflanzen brauchen um 2 ATP-Moleküle (5) mehr um 1 Molekül CO2 zu fixieren

Vorlesung 9 - Nucleotide: Biosynthese und Abbau

Rolle Nucleotide im Metabolismus:

Als Bausteine der Nucleinsäuren

Als Energieträger ATP und GTP

Als Bestandteile von Cofaktoren NAD und FAD; S-Adenosylmethionin und CoA

Als sekundäre Botenstoffe cAMP und cGMP

2 Arten von Reaktionsfolgen die zu Nucleotiden führen:

De Novo Synthese

Geht von den metabolischen Vorstufen Aminosäuren, Ribosephosphat, CO2 und NH3 aus

Recyclingwege

Führen freie Basen und Nucleoside, die beim Abbau anfallen, wieder in den Prozess zurück

De Novo Synthese:

In fast allen Lebewesen gleich

Unterschied zwischen Purinen und Pyrimidinen:

Purine:

Werden so erzeugt, dass bis auf Glycin lautrer Einzelatome an Ribose gehängt werden

Pyrimidine:

Werden als Orotat synthetisiert, an Ribose gebunden und dann erst zu den üblichen Pyrimidinen

umgewandelt

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De Novo Synthese von Purinen und Pyrimidinen haben gemeinsame Vorstufe - PRPP (Phospho-

Ribosyl-Pyrophosphat)

Aminosäuren: Gly für Purine und Asp für Pyrimidine

2 weitere Aspekte:

1. Enzymkomplexe sind beteiligt

2. Menge an freien Nukleontiden (außer ATP) in den Zellen ist sehr gering weswegen die

Nukleotidsynthese ständig laufen muss

Biosynthese von AMP und GMP aus IMP:

Ausgeglichene Synthese der beiden Ribonucleotide

GTP für AMP-Bildung und ATP für GMP-Bildung benötigt

De-novo-Synthese von Pyrimidinnucleotiden - Synthese von UTP und CTP über Orotidylat:

Pyrimidine setzen sich aus Carbamoylphophat und Aspartat zusammen

Anschließend wird durch Orotat-Phosphoribosyltransferase an den vollständigen Pyrimidinring Ribose-

5-Phosphat angelagert

Der erste Schritt in diesem Syntheseweg ist die Synthese von Carbamyolphosphat aus CO2 und NH4+ -

Bei Eukaryoten katalysiert durch Carbomyolphosphat-Synthetase II

Regulation der Pyrimidin-Synthese hauptsächlich als Rückkopplungshemmung bei Schritt 1

Asp-Transcarbamoylase II wird durch Endprodukt CTP gehemmt

!! CTP-Synthetase wird durch CTP allosterisch inhibiert und durch GTP aktiviert

Reduktion von Ribonucleotiden zu Desoxyribonucleotiden durch Ribonucleotid-Reduktase:

Ribonucleotide = Vorstufen der Desoxyribonucleotide

Die Reduktion erfolgt durch direkte Reduktion des C-2 an der D-Ribose

Substrate sind Ribonucleosiddiphosphate

Enzym Ribonucleotid-Reduktase

Reaktion ist komplex und verläuft über radikalische Zwischenprodukte

Regulation der Ribonucleotid-Reduktase:

Durch allosterische Wechselwirkung

Reduktase besitzt mehrere Konformationen mit jeweils anderen katalytischen Eigenschaften

Das komplexe Regulationsschema garantiert die ausgewogene Versorgung mit den 4 zur DANN-

Synthese benötigten dNTPs

Synthese von Desoxythymidylat:

Entsteht durch Methylierung von Desoxyuridylat

U kommt in der DANN nicht vor

(Wahrscheinliche Grund - Spontane Desaminierung von C zu U)

T = methyliertes Analog des U

Somit kann in der DANN durch Desaminierung entstandenes U vom N-Uracil-Glycosylase-System

(Reparatursystem) erkannt werden

Enzym - Thymidylat-Synthese (Umwandlung von dUMP zu dTMP)

Katabolismus der Purinnucleotide:

Primaten mehr Stickstoff als Harnstoff über den Harnstofzyklus ausscheiden als in Form von Harnsäure

aus dem Abbau von Purinen

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1. Vorlesung 10

Teil 1 Gluconeogenese

Teil 2 Biosynthese von Aminosäuren & einigen Aminosäurederivaten

Synthese von Kohlenhydraten aus einfachen Vorstufen

Tieren und Pflanzen => Weg von Phosphenolpyruvat zu Glucose-6-Phosphat

Pflanzen und photosynthetisierende Bakterien => CO2 zu Kohlenhydraten

Gluconeogenese Glycolyse

Gluconeogenese - Bildung von Glucose aus Vorstufen die keine Hexosen sind

Unerlässlich bei Säugetieren - Gehirn, Nervensystem, Erythrocyten - Glucose aus Blut

einzige/wichtigste Brennstoff angewiesen

7 der 10 nzymatischen Reaktionen der Gluconeogenese sind Umkehrung glycolytischer Reaktionen

Glycolyse - 3 irreversible Reaktionen

1. Umsetzung Glucose zu Glucose-6-Phosphat

2. Phosphorylierung von Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6 bisphosphat

3. Umsetzen von Phosphoenolpyruvat zu Pyruvat

Gluconeogenese (viel Energie nötig)

1. Umsetzung Pyruvat in Phosphoenolpyruvat => 2 exergone Reaktionen erforderlich

2. Fructose-1,6 bisphosphat zu Fructose-6-Phosphat => über irreversible Hydrolyse

3. Glucose-6-Phosphat zu Glucose => Hydrolyse eines Phosphatesters

Alternative Wege vom Pyruvat zum Phosphoenolpyruvat:

Welcher Weg dominiert abhängig von der glucogenen Vorstufe - Lactat oder Pyruvat

Lactat Vorstufe => um einen Schritt kürzer weil cytosolisches NADH bei der Lactat-Dehydrogenase-

Reaktion erzeugt wird und nicht aus dem Mitochondrium heraustransportiert werden muss

Synthese von Phosphoenolpyruat aus Pyruvat:

Im Mitochondrium:

Pyruvat wird zu Oxalacetat umgesetzt - katalysiert durch biotinabhängige Pyruvat-Carboxylase

Im Cytosol:

Oxalacetat durch Einwirkung der Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase zu Phosphoenolpyruvat

Das CO2 das bei der Pyruvat-Carboxylase-Reaktion eingebracht wurde wird nun wieder als CO2

abgegeben

Die Decarboxylierung führt zu einer Verschiebung von Elektronen

Beteiligte Proteine des ER die an der Bildung von Glucose aus cytoplasmatischem Glucose-6-

Phosphat beteiligt sind:

T1 transportiert Glucose-6-Phosphat in das Lumen des ER

T2 und T3 transportierten Pi beziehungsweise Glucose zurück ins Cytosol bringt

Die Glucose-6-Phsphatase wird durch ein Ca2+ bindendes Protein (SP) stabilisiert

Quellen für Glucoseherstellung:

Propionyl-CoA (von ungeraadzahligen Fettsäuren) =>=> Oxalacetat

Lactat => Pyruvat

Alanin => Pyruvat

Andere Aminosäuren => Pyruvat oder Oxalacetat

Glycerol

Fettsäuren mit einer geraden Anzahl von Kohlenstoffatomen sind bei Tieren und Mikroorganismen

keine Quelle für die Nettosynthese von Glucose

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Fettsäuren zu Acetyl-CoA katabolisiert und für je 2 Kohlenstoffatome die als Acetyl-CoA in den

Citratzyklus gelangen werden 2 als CO2 abgegeben

Daher keine Nettoproduktion von Oxalacetat welche Biosynthese von Glucose unterstützen könnte

Fettsäureoxidation liefert jedoch für Gluconeogenese viel Energie in Form von NADH, ATP, GTP

Muskel Leber

Muskel erspart sich arbeit der Glucoseherstellung

Lactat = Sackgasse

Nicht in die Mitochondrien

In der Leber - Gluconeogenese

Muskel verwendet Glycogen als Energiequelle und erzeugt über Glycolyse Lactat

Während der Erholungsphase wird ein Teil dieses Laktats zur Leber transportiert und dient dort zur

Bildung von Glucose durch Gluconeogenese

Glucose ins Blut => zum Muskel

Glucose => Laktat => Glucose = Cori Zyklus

Regulierung:

1 Regulierungsstelle bestimmt Schicksal von Pyruvat in den Mitochondrien:

Zu Acetyl-CoA (durch Pyruvat Dehydrogenase Komplex) um in den Citratzyklus zu gelangen

Zu Oxalacetat (duch Pyruvat Carboxylase) womit Gluconeogenese eingeleitet wird

Acetyl-CoA ist ein positiver allosterischer Modulator der Pyruvat Carboxylase und ein negativer

Modulator der Pyruvat Dehydrogenase

Energiebedarf der Zelle gedeckt => Oxidative Phosphorylierung wird langsamer, NADH akkumuliert

sich und hemmt Citratzyklus => Acetyl-CoA reichert sich an => Pyruvat Dehydrogenase Komplex wird

gehemmt => Verlangsamt Bildung von Acetyl-CoA aus Pyruvat und stimuliert Gluconeogenese durch

Aktivierung der Pyruvat Carboxylase

2 Regulationsstelle - bei Gluconeogenese ist Reaktion die durch Fructose 1,6 bisphosphat katalysiert

wird die durch AMP stark gehemmt wird

Das entsprechende Enzym der Glycolyse die Phosphofructokinase 1 wird durch AMP und ADP

stimuliert jedoch durch ATP und Citrat gehemmt

Allgemein: Konzentration Acetyl-CoA oder Citrat (Produkt Kondensation von Acetyl-CoA mit

Oxalacetat) ausreichend hoch ist oder großer Anteil des Adenylats der Zelle als ATP vorliegt =>

Gluconeogenese begünstigt

Biosynthese von Aminosäuren:

Vorstufen aus der Glycolyse, dem Citratzyklus und dem Pentosephosphatweg

Glycolyse:

Aus 3-Phosphoglycerat => Serin (=> Glycin, Cystein)

Aus Pyruvat => Alanin, Valin, Leucin

Aus Phosphoenolpyruvat => Tryptophan, Phenylalanin, Tyrosin

Citratzyklus:

Aus α-Ketogluterat => Glutamat (=> Glutamin, Prolin, Arginin)

Aus Oxalacetat => Aspartat (=> Asparagin, Methionin, Threonin, Lysin, Isoleucin)

Pentosephosphatweg:

Glucose-6-Phosphat => Ribose-5-Phosphat => Histidin

3-Phosphoglycerat => Erythrose-4-Phosphat => Tryptophan, Phenylalanin, Tyrosin

Biosynthese einiger Neurotransmitter aus Aminosäuren:

Tyrosin:

Tyrosinhydroxylase => Dopa => Aromatische AS-Decarboxylase => Dopamin => Dopamin-β-

Hydroxylase => Noradrenalin => Phenylethanolamin-N-Methyltransferase => Adrenalin

Glutamat

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Glutamat-Decarboxylase => γ-Aminobutyrat

Histidin

Histidin-Decarboxylase => Histamin

Tryptophan

Tryptophan-Hydroxylase => Aromatische AS-Decarboxylase => Serotonin

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Vorlesung 11 - Biosynthese von Lipiden:

Lipide erfüllen vielfältige Aufgaben im Stoffwechsel:

Wichtigste Speicherform von Energie

Hauptbestandteile von Zellmembranen

Pigmente

Cofaktoren

Detergentien

Hormone

Botenstoffe

Ankergruppen von Membranproteinen

Elektronenkette (Atmungskette)

Synthesewege sind endergonisch (brauchen ATP) und reduzierend (NADPH)

Fettsäuren zu synthetisieren ist lebensnotwendig für Organismen

Lipide sind optimale Speicherform denn bei Kohlenhydraten wird auch Hydratwasser eingelagert

Unterschiedliche Verwertbarkeit von Acetyl-CoA:

Fettsäureabbau

Fettsäuresynthese

Kohlenhydratabbau

(Nicht durch die innere mitochondriale Membran - als Citrat durch wenn im Citratzyklus genügend Oxalacetat)

β-Oxidationsweg:

Bei jedem Durchlauf wird ein Acetylrest in Form von Acetyl-CoA vom Carboxylende der

Fettsäureacylkette entfernt

Zum Beispiel aus Palmitat (C16) werden 8 Moleküle Acetyl-CoA gebildet

Acetyl-CoA-Carboxylase-Reaktion:

Acetyl-CoA-Carboxylase hat 3 funktionelle Bereiche

Biotin-Carrier-Protein

Biotin-Carboxylase

Die CO2 aktiviert indem sie es in einer ATP-abhängigen Reaktion an ein Stickstoffatom im Biotinring

bindet

Transcarboxylase

Überträgt aktiviertes CO2 vom Biotin auf Acetyl-CoA wobei Malonyl-CoA entsteht

Fettsäuresynthase:

Eine 4-stufige Reaktionsfolge verlängert wachsende Fettsäureacylketten um 2 Kohlenstoffatome

1. Kondensation einer aktivierten Acylgruppe (Die erste Acylgruppe ist eine Acetylgrupp) und zweier

Kohlenstoffatome die sich vom Malonyl-CoA herleiten unter Eliminierung von CO2 AUS DER

Malonylgruppe

2. Reduktion der β-Ketogruppe zu einem Alkohol

3. Dehydratisierung - Eliminierung von H2O erzeugt Doppelbindung

4. Reduktion der Doppelbindung wodurch die entsprechend gesättigte Fettsäureacylgruppe entsteht

Strukturen von Fettsäure-Synthasen:

Bakterien, Pflanzen => 7 Aktivitäten auf 7 separaten Polypeptiden

Hefe => 7 Aktivitäten auf 2 seperaten Polypeptiden

Wirbeltiere => 7 Aktivitäten auf 1 großen Polypeptid

Transport von Acetylgruppen und Reduktionsäquivalenten in das Cytosol:

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Shuttel-System für die Übertragung von Acetylgruppen aus dem Mitochondrien in das Cytosol

Äußere Mitochondriale Membran keine Barriere - Poren

Acetyl-CoA als Citrat durch die innere mitochondriale Membran (Antiportersystem)

Citrat im Cytosol zerlegt => Oxalacetat und Acetyl-CoA welches aber ATP benötigt

Aus dem Cytosol in die Mitochondrien Phosphat, Malat, Teil des Malats in Pyruvat und dann über

Transportsystem ins innere

Produktion von NADPH:

2 Wege

Katalyse durch Malat-Enzym - Malat zu Pyruvat ( aus NADP+ wird NADPH + H+)

Pentosephosphatweg Glucos-6-Phosphat zu Ribulose-5-Phosphat (2 NADH)

Regulation der Fettsäure-Synthese:

Fettsäuresynthese erreicht Maximum wenn Kohlenhydrate im Überschuss vorhanden und der

Fettsäurespiegel niedrig ist

Kurzzeit- und Langzeit-Kontrollmechanismen sind wichtig

Citratkonzentration im Cytosol wichtigste Kurzzeitregulator Citrat

stimuliert Acetyl-CoA-Carboxylase die die Bildung von Malonyl-CoA katalysiert welcher der

wichtigste Schrittmacher der Fettsäuresynthese ist

Citratspiegel hoch wenn sowohl

Acetyl-CoA als auch ATP reiclich vorhanden

Palmityl-CoA entgegengesetzte Wirkung auf Acetyl-CoA - bei Überschuss an Fettsäure reichlich

vorhanden

Hemmt außerdem Translokase

die Citrat von Mitochondrien ins Cytosol transportiert, sowie die Glucose-6-phosphat-

Dehydrogenase die NADPH erzeugt

Die Acetyl-CoA-Carboxylase wird wie die Glycogen-Synthase durch Phosphorielierung deaktiviert -

somit kommt Fettsäuresynthese zum Stilstand wenn Blutglucosespiegel niedrig ist

Insulin begünstigt Fettsäuresynthese - zeigt an das genügend Brennstoffmoleküle vorhanden

Langzeitkontrolle erfolgt über Änderungen der Synthese- und Abbaugeschwindigkeit der Enzyme der

Fettsäuresynthese

Längere Fettsäuren als Palmitat:

In Eukaryoten durch Kettensverlängerungsreaktion die von Enzymen auf der cytosolischen Seite der

Membran des ER katalysiert werden

Essentielle Fettsäuren:

Säugern fehlen Enzyme die Fettsäuren Doppelbindungen nach dem C9 einfügen

Deshalb können Säuger z.B. kein Linolat oder Linolenat herstellen welche jedoch essentiell sind, diese

müssen daher in der Nahrung enthalten sein

Biosynthese von Cholesterin:

Lebensnotwendig

Vorstufe von Steroidhormonen

1. 3 Acetateinheiten kondensieren zum Zwischenprodukt Mevalonat

2. Mevalonat wird zu aktiviertem Isopren umgesetzt

3. Durch Polymerisation von 6 C5-Isopreneinheiten entstegt die lineare C30-Struktur des Squalens

4. Zyklisierung und etliche Modifikationen an den Ringen

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VL 12 - Koordination des Stoffwechsels in Säugetieren:

Wichtigste Funktion des Stoffwechsels ist die Erzeugung von:

ATP

Reduktionsäquivalenten

Bausteinen für Biosynthesen

ATP:

Universelle Energiewährung

Hohes Gruppenübertragungspotential

Durch Kopplung mit der Hydrolyse von ATP-Molekülen kann aus einer thermodynamisch

ungünstigen eine günstige Reaktion werden

Entsteht durch Oxidation von Brennstoffmolekülen wie Glukose, AS, Fettsäuren

Gemeinsames Zwischenprodukt Acetyl-CoA (im Citratcyclus zu 2 CO 2 oxidiert)

Die Protonenmotorische-Kraft die die ATP-Synthese antreibt entsteht dadurch das die reduzierten

Elektronencarrier (NADH, FADH2) Elektronen an die Atmungskette abgeben

NADPH:

Wichtigster Elektronen-Donor bei reduktiven Biosynthesen

Biomoleküle:

Entstehen aus einer relativ kleinen Anzahl von verschiedenen Bausteinen

Erzeugt werden die Bausteine für die Biosynthese komplexer Moleküle von Stoffwechselwegen die

auch ATP und NADPH erzeugen

Strategien der Stoffwechselregulation:

1. Allosterische Wechselwirkung Meist ein

wichtiger Kontrollpunkt ist die erste irreversible Reaktion eines Stoffwechselweges (In die Richtung

wo Bedarf ist / Verhindern von unnutzem Bereitstellen)

2. Reversible kovalente Modifikation

Oft zu Verstärkungseffekten (viele Enzyme nicht nur allosterisch sondern auch durch kovalente

Modifikationen regulierbar)

3. Enzymmenge Hormonelle

Steuerung von Synthese- und Abbaugeschwindigkeit

4. Kompartimentierung Verteilung auf

Kompartimente (Mitochondriale-Matrix, Cytosol)

5. Stoffwechselspezialisierung von Organen

Leber Muskel -- Glukose

Zusammenspiel verschiedener Stoffwechselwege:






Pasteur-Effekt: Hemmung der Glycolyse durch die Atmung

Glukoseabbau: Bereitstellen von Kohlenstoffgerüsten

Glycolyse - Schlüsselenzym Phosphofructokinase

Pentosephosphatweg - Oxidation von Glucose-6-Phosphat = Schrittmacher

Fettsäuresynthese - Acetyl-CoA-Carboxylase = wichtigste Kontrollstelle der Fettsäurebiosynthese

Wichtige Knotenpunkte:

Glucose-6-Phosphat - Glykolen oder Pyruvat oder Ribose-5-phosphat

Pyruvat - Laktat oder Alanin oder Oxalacetat oder Glucose-6-Phosphat oder Acetyl-CoA

Acetyl-CoA - Fettsäuren oder CO2 oder Cholesterin oder Ketonkörper

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Glucose-6-Phosphat:

Verwertung hängt vo Bedarf an NADPH, Ribose-5-Phosphat und ATP ab

Mehr Ribose-5-Phosphat benötigt als NADPH (Ribose-5-Phosphat zur Synthese von

Nukleotidvorstufen für die DNA-Synthese)

Durch Glycolyse wird

das meiste Glucose-6-Phosphat zu Fructose-6-Phosphat und Glycerinaldehyd-3-Phosphat

umgewandelt

ATP wird benötigt

Bedarf NADH und Ribose-5-Phosphat ausgeglichen Bildung von 2

NADPH und einem Ribose-5-Phosphat aus Glucose-6-Phosphat durch den oxidativen Zweig des

Pentosephosphatwegs

Stoffwechselprofile von Gehirn, Muskulatur, Fettgewebe und Leber:

Gehirn:

Glucose praktisch der einzige Brennstoff

Existieren keine Vorräte deshalb ständige Versorgung erforderlich

Hungerzustand ersetzen Ketonkörper teilweise die Glukose als Energielieferant

Acetoacetat wird durch CoA-Transfer von Succinyl-CoA aktiviert. Die Spaltung des so entstandenen

Acetoacetyl-CoA durch die Thiolase liefert 2 Moleküle Acetyl-CoA, die in den Citratzyklus

eingehen

Muskulatur:

Wichtigsten Brennstoffe sind Glukose, Fettsäuren und Ketonkörper

Besitzen beträchtlichen Glycogenvorrat (¾ des gesamten Glycogen)

Muskel besitzt wie Gehirn keine Glucose-6-Phosphatase und gibt daher keine Glucose an das Blut

ab

Muskel hält seinen bevorzugten Brennstoff Glucose für plötzliche Aktivitäten zurück

Aktiv kontrahierenden Skelettmuskel Geschwindigkeit Glycolyse weit höher als Citratcyclus -

Großteil des Pyruvats zu Lactat reduziert und als solches zur Leber transportiert und dort wieder

zu Glukose umgewandelt (Cori-Cyclus)

Im aktiven Muskel entsteht durch die Transaminierung von Pyruvat viel Alanin was auch wieder

in der Leber zu Glucose umgewandelt wird

Ruhende Muskel Hauptbrennstoff Fettsäuren

Herzmuskel kann auch Ketonkörper verwerten

Fettgewebe:

Enormer Brennstoffvorrat (Triacylglycerine) gespeichert

Spezialisiert auf Veresterung von Fettsäuren und auf ihre Freisetzung von Triacylglycerine

Leber Hauptort der Fettsäuresynthese

Wichtigste biosynthetische Aufgabe ist die Aktivierung dieser Fettsäuren und die Übertragung der

entstehenden CoA-Derivate auf Glycerin

Wichtiges Zwischenprodukt ist Glycerin-3-Phosphat

Fettzellen können endogenes Glycerin nicht phosphorylieren weil die entsprechende Kinase fehlt

Demnach brauchen Fettzellen Glucose zur Triacylglycerinsynthese

Triacylglycerine in Fettzellen werden ständig hydrolysiert und resynthetisiert

Leber:

Wichtig für die Versorgung von Gehirn, Muskulatur und anderen peripheren Organen mit Brennstoff

Kontrolle von zahlreichen Metaboliten im Blut

Kann große Menge an Glucose aufnehmen und in Glycogen umwandeln

Wichtigsten Vorstufen für die Glucose sind Lactat, Alanin aus dem Muskel, Glycerin aus dem

Fettgewebe und glucogene AS aus der Nahrung

Kontrolliert Lipidstoffwechsel

Reichlich Brennstoffe vorhanden synthetisiert die Leber Fettsäuren, vereitert sie und gibt sie in Form

von Lipidproteinen sehr geringer Dicht an das Blut ab

Im Hungerzustand wandelt Leber Fettsäuren in Ketonkörper um

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Wie erfolgt Umschaltung?

Wie deckt Leber eigenen Energiebedarf? Bevorzugt Kettsäuren (AS ohne Aminogruppe) die aus

Abbau von AS stammt

Glycolyse in der Leber dient in erster Linie der Gewinnung von Bausteinen für Biosynthesen

Acetoacetat ist ein ungeeigneter Brennstoff weil sie nur wenig von der zur Aktivierung nötigen

CoA-Transverase besitzt

Leber verzichtet auf die Brennstoffe die sie an Muskel und Gehirn abgibt

Langkettige Fettsäuren können innere Mitochondrien-Membran nur passieren wenn sie mit Carnitin

vereitert sind

Die Carnitin-Acyltransferase I welche

die Bildung von Acylvarnitin an der Außenseite der inneren Membran katalysiert wird durch

Malonyl-CoA inhibiert

Hormone als Regulatoren des Energiestoffwechsels:

Wichtige Rolle

Besonders Insulin, Glucagon, Adrenalin und Noradrenalin haben großen Einfluss auf Speicherung

und Mobilisierung von Brennstoffen und damit zusammenhängende Stoffwechselvorgänge

Adrenalin signalisiert bevorstehende Aktivität

Stresssituation erhöhte Aktivität erfordert - Auslösung von Nervensignalen - Freisetzung v.

Adrenalin aus Nebennierenmark - Katecholamine erhöht die v. der Leber abgegebene Glucosemenge

& setzt die Glucoseaufnahme im Muskel herab

Regulation des Blutglucosespiegels:

Glucagon signalisiert niedrigen Blutglucosespiegel

Abgesenkter Blutglucosespiegel löst Ausschüttung von Glucagon aus und vermindert Freisetzung von

Insulin

Glucagon bewirkt Anstieg Blutglucosekonzentration

Stimuliert (wie Adrenalin) Netto-Abbau und Leberglycogen indem es Glycogen-Phosphorylase aktiviert

und Glycogen-Synthase inaktiviert

Glucogon inhibiert (im Gegensatz zu Adrenalin) Abbau von Glucose durch Glycolyse in der Leber und

regt Synthese von Glucose durch Gluconeogenese

Anpassung des Stoffwechsels an lange Hungerperioden:

Kohlenhydratreserven bereits nach einem Tag fasten erschöpft

Bei monatelangen Hungerperioden ermöglichen gespeicherten Brennstoffe in Form von

mobilisierbaren Proteinen und in Form von Triacylglycerinen

Wichtigsten Umstellungen nach 3 Hungertagen - Bildung großer Mengen an Acetoacetat in der

Leber - Durch die Gluconeogenese kommt es zu einem Mangel an Oxalacetat - ...

Woher Energie für Kurzstreckensprint im Vergleich zu einem Marathonläufer:

Energiequelle für Muskelkontraktion

Bei kurzzeitiger starker Aktivität, leichter Aktivität oder in Ruhe werden unterschiedliche Brennstoffe

zur Synthese von ATP genutzt

ATP kann rasch aus Phosphocreatin hergestellt werden

Kurzzeitige, starke Aktivität: Muskelglycogen

Leichte Aktivität oder Ruhe: Fettsäuren, Ketonkörper, Blutglucose

Kurzzeitige, starke Aktivität: Phosphocreatin

Ceratinphosphat:

Creatinphosphat ist ein Reservoir für energiereiches Phosphat im Muskel

Creatin aus Arginin

Keratinphosphat + ADP + H+ ATP + Creatin

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Glykolyse:

Stoffwechselweg, in dem ein Molekül Glucose in einer von zehn Enzymen katalysierten Reaktionskette

zu zwei Molekülen Pyruvat abgebaut wird.

In Zellen ohne Mitochondrien oder bei Sauerstoffmangel (Anaerobiosis) wird Pyruvat zu Lactat, dem

Endprodukt des Glucoseabbaus in anaeroben Zellen umgewandelt. In Hefezellen ist das Endprodukt das

anaeroben Glucoseabbaus Ethanol (alkoholische Gärung).

Für anaerobe Zellen (z.B. Erythrocyten) ist die Glykolyse die einzige Energiequelle. Pro mol abgebauter

Glucose können zwei mol energiereiches ATP gewonnen werden, ohne dass dabei Sauerstoff verbraucht

wird.

Die Glykolyse, auch Emden-Meyerhof-Parnas-Weg genannt, läuft fast in allen biologischen Systemen

ab.

In aeroben menschlichen tierischen Zellen ist der glykolytische Abbau von Glucose bis zum Pyruvat

eine Voraussetzung für den nachfolgenden oxidativen Endabbau im Citrat-Zyklus (Abbau des

Kohlenstoffgerüstes zu CO 2 ) und in der Atmungskette (Oxidation des Substratwasserstoffs zu Wasser).

Pyruvat wird zunächst in den Mitochondrien in einer vorgeschalteten Reaktion durch den

Multienzymkomplex Pyruvat-Dehydrogenase oxidativ zu CO 2 und Acetyl-CoenzymA decarboxyliert.

Die Energieausbeute beim vollständigen oxidativen Abbau der Glucose zu CO 2 und Wasser ist um einen

Faktor von 19 größer (38 ATP) als beim anaeroben Abbau zu Lactat (2 ATP).

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O

Gluconeogenese:

Stoffwechselweg in der Leber und Niere des Menschen und höherer Tiere, in dem aus

Nichtkohlenhydraten wie Lactat und Aminosäuren (insbesondere Alanin, Serin, Glycin, Gltuamat,

Aspartat) bzw. ihren Abbauprodukten (Pyruvat, Oxalacetat, α-Ketolutarat) Glucose synthetisiert wird.

Die meisten Einzelreaktionen der Gluconeogenese werden von den gleichen Enzymen katalysiert, die

auch bei der Glykolyse, dem Abbauweg der Glucose, mitwirken.

Drei Reaktionen verlaufen jedoch aus energetischen Gründen über spezifische gluconeogenetische

Enzyme (Pyruvat-Carboxylase und Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase umgehen die glykolytische

Reaktion der Pyruvat-Kinase, Fructose-1,6-bisphosphat-Phosphatase umgeht die Reaktion der

Phosphofructokinase und Glucose-6-phosphat-Phosphatase umgeht die Reaktion der Gluco- bzw.

Hexokinase).

Die Gluconeogenese wird durch die Hormone Glucagon , Gatecholamine und Glucocorticoide gefördert

und durch Insulin gehemmt. Die Bildung von Glucose auf dem Weg der Gluconeogenese ist ein

endergoner Prozeß, der pro mol gebildeter Glucose die Hydrolyseenergie von sechs mol ATP benötigt.

Die Bereitstellung von Glucose in der Leber ist für die Aufrechterhaltung des Blutglucose-spiegels

(Homöostase) in der Postresorptionsphase (einige Stunden ohne Nahrungsaufnahme) und im

Hungerzustand ein wichtiger Prozeß. Dadurch wird die Versorgung von glucoseabhängigen Organen

(Gehirn, Erythrocyten) gewährleistet. In der Niere ist die Gluconeogenese an der Regulation des Säure-

Basen-Haushaltes (pH) beteiligt.

Atmungskette:

Elektronentransportkette, die in aeroben Zellen Elektronen von Substraten (Abbauprodukte der

Nahrungsstoffe) auf molekularen Sauerstoff überträgt.

Die Atmungskette besteht aus einem komplexen Enzym-System, das in der inneren

Mitochondrienmembran lokalisiert ist. Die prosthetischen Gruppen bzw. *Coenzyme der Atmungskette

stellen *Redoxpaare dar, die Wasserstoff bzw. Elektronen aufnehmen und abgeben können. Die

32


Reihenfolge der Redoxpaare in dieser Elektronentransportkette (Redoxreihe) wird durch die jeweiligen

Redoxpotentiale der prosthetischen Gruppen bzw. Coenzyme bestimmt; die Elektronen fließen spontan

vom Redoxpaar mit weniger positivem zum Redoxpaar mit positiverem Redoxpotential.

Mit Hilfe mitochondrialer Dehydrogenasen des *Citratzyklus bzw. des oxidativen *Fettsäureabbaus

wird von Substraten Wasserstoff auf NAD (*Nicotinamidadenindinucleotid) bzw. FAD

(*Flavinadenindinucleotid) unter Ausbildung von NADH 2 bzw. FADH 2 übertragen.

Über diese reduzierten Coenzyme gelangt der Wasserstoff in die Atmungskette, wo er letztendlich mit

Atmungssauerstoff und Wasser oxidiert wird. Die Elektronenübertragung vom Wasserstoff zum

Sauerstoff erfolgt stufenweise über die verschiedenen Redoxpaare der Atmungskette. Die Reihenfolge

dieser Elektronen transportierenden Komplexe zeigt das Schema. Die Komplexe I, III und IV sind mit

Protonenkanäle assoziiert, durch die aktiv Protonen durch die innere Mitochondrienmembran von innen

nach außen gepumpt werden, wodurch ein Protonengradient (elektrochemisches Potential) aufgebaut

wird. Die Energie für den Aufbau dieses Protonengradienten entstammt den Redoxreaktionen zwischen

den einzelnen Redoxpaaren während des Elektronentransportes. Die elektromotorische Kraft dieses

Protonengradienten dient der Synthese von energiereichem *ATP - Adenosintriphosphat

(*Atmungskettenphosphorylierung).

NADH


Komplex I: NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase

(Redoxpaar: FMN)


Ubiquinon ← Komplex II: FADH 2


Komplex III: Ubidihydrochinon-Cytochrom c-Oxidoreduktase

(Redoxpaar: Porphyriineisen)


Cytochrom c

(Redoxpaar: Porphyrineisen)


Komplex IV: Cytochrom c-Sauerstoff-Oxidoreduktase

(Redoxpaar: Porphyrineisen, Cu 2+/1+ )


O 2

Atmungsketten-Phosphorylierung:

Mit dem exergonischen Prozeß des Elektronentransportes in der *Atmungskette vom

Substratwasserstoff über NADH 2 bzw. FADH 2 zum molekularen Sauerstoff ist ein endergonischer

Prozeß (energieverbrauchende Reaktion), die enzymatische Phosphorylierung von ADP und

anorganischem Phosphat zu ATP (*Adeninnucleotide), gekoppelt. Diese Kopplung der

energieliefernden Oxidation und der energieverbrauchenden Phosphorylierung erfolgt über einen

Protonengradienten.

In der inneren Mitochondrienmembran befinden sich an verschiedenen Stellen spezifische

Protonenkanäle (F 0 -Kanäle), durch welche die aktiv nach außen gepumpten Protonen in den

mitochondrialen Innenraum zurückfließen können. Durch den Protonenrückfluß kommt es zum Abbau

des Protonengradienten. Die daraus entstehende elektromotorische Kraft wird über einen noch nicht

restlos aufgeklärten Mechanismus zur enzymatischen Synthese (ATP-Synthase = F 1 -Komplex) von

energiereichem ATP verwendet.

Die Oxidation von 1 mol NADH 2 erzeugt maximal 3 mol ATP (3 Protonenpumpen beim Elektronenfluß

von NADH 2 zu O 2 ; P/O-Quotient = 2).

Das in den Mitochondrien gebildete ATP gelangt durch ein spezifisches Transportsystem, die ATP-

ADP-Translocase, im stöchiometrischen Austausch mit ADP aus den Mitochondrien ins Cytosol.

33


Der prozentuale Wirkungsgrad der Atmungsketten-Phosphorylierung hinsichtlich der ATP-Bildung ist

40 %; die restliche Energie wird für den Transport von ADP, ATP und Phosphat (P) durch die

mitochondriale Membran verbraucht oder fällt als Wärme an.

Ein durchschnittlicher Energiebedarf des Menschen von 10.000 kJ/24h erfordert die tägliche Bildung

von etwa 70 kg ATP aus ADP und P in der Atmungsketten-Phosphorylierung.

Entkoppler der Atmungsketten-Phosphorylierung bewirken eine Erniedrigung der Ausbeute an mol ATP

pro Grammatom reduziertem Sauerstoff (1/2 O 2 ) und dem entsprechend eine Erniedrigung des P/O-

Quotienten.

Die Regulation der Atmungsketten-Phosphorylierung und damit auch des katabolen Stoffwechsels

erfolgt durch den ADP/ATP-Quotienten. Hohe zelluläre Konzentrationen steigern die Rate der

Atmungsketten-Phosphorylierung.

Citratzyklus:

Der Citratzyklus ist ein Sammelbecken für metabolische Zwischenprodukte, die entweder dem Aufbau

zelleigener Stoffe (Anabolismus) dienen oder die unter Energiegewinn oxidativ weiter abgebaut werden

(Katabolismus). Die Enzyme des Citratzyklus sind in der Matrix der Mitochondrien aerober Zellen

lokalisiert.

Wichtige anabole Funktionen hat der Citratzyklus bei der Bildung von *Aminosäuren durch

Transaminierungsreaktionen (*Aminotransferasen), bei der Bildung von Clucose aus Oxalaetat

(*Gluconeogenese) und bei der *Porphyrinsynthese.

Die katabole Funktion des Citratzyklus besteht in der Oxidation des Kohlenstoffes der Acetylgruppe des

*Acetyl-Coenzyms A zu 2 CO 2 und in der Bereitstellung von Substratwasserstoff aus der Acetylgruppe

und Wasser. Dieser wird in Form des reduzierten NADH und des FADH in die Atmungskette

eingeschleust und dort zu Wasser oxidiert. Acetyl-CoA entsteht als gemeinsames Zwischenprodukt beim

oxidativen Abbau der Nahrungsstoffe Glucose, Fettsäuren und der meisten Aminosäuren in der Zelle.

Der oxidative Abbau des Acetyl-CoA im Citratzyklus lässt sich bilanzmäßig folgendermaßen

formulieren:

Acetyl-CoA + 3 NAD + FAD + GDP + P + 2 H 2 O

2 CO 2 + CoA + 3 NADH + 3 H + + FADH 2 + GTP.


Akzeptor für die Acetylgruppe des Acetyl-CoA ist Oxalacetat, das nach einem Umlauf imCitratzyklus

stöchiometrisch wieder entsteht.

Fettsäurestoffwechsel:

Geradzahlige Fettsäuren können mit Ausnahme der essentiellen ungesättigten Fettsäuren Linol- und

Linolsäure in verschiedene Zellen des menschlichen Körpers aus dem aktivierten Acetat Acetyl-

CoenzymA aufgebaut werden. Diese im Cytoplasma ablaufende Synthese wird durch einen

Multienzym-Komplex katalysiert, der als Fettsäure-Synthase bezeichnet wird.

Zuvor muß Acetyl-CoenzymA iin einer durch das biotinabhängige Enzym Acetyl-CoA-Carboxylase

katalysierten Reaktion zu Malonyl-CoenzymA carboxyliert werden. Acetyl-CoenzymA und Malonyl-

CoenzymA sind die eigentlichen Vorstufen der Fettsäuresynthese, bei der das Coenzym NADPH 2

Wasserstoffdonator ist.

Acetyl-CoenzymA ist auch Baustein für die Kettenverlängerung von mittelkettigen zu langkettigen

Fettsäuren.

Der Abbau von Fettsäuren geschieht auf der Stufe der Coenzym-A-aktivierten Fettsäuren durch β-

Oxidation. Die an dieser Reaktionskette beteiligten Enzyme sind in den Mitochondrien der Zelle

lokalisiert.

Endprodukte der β-Oxidation der Fettsäuren sind Acetyl-CoenzymA-Moleküle, die im Citratzyklus

weiter abgebaut werden.

34


Der bei der β-Oxidation freiwerdende Wasserstoff wird auf die Coenzyme FAD und NAD übertragen,

die ihn an die Atmungskette weitergeben.

Der hohe Anteil an Wasserstoff in den Fettsäuren bedingt den hohen Energiegehalt dieser

Verbindungen. Fettsäuren und deren Glycerinester (Triacylglycerin) haben einen kalorischen und

physiologischen Brennwert on 38 kJ/g.

Fettsäure-Synthase: Multienzymkomplex, der die Synthese von ungesättigten Fettsäuren aus Acetyl-

CoenzymA und Malonyl-CoenzymA in zyklischen Schritten katalysiert.

Photosynthese:

Enzymatische Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie (ATP) und ihre Verwendung zur

Synthese von Kohlenhydraten und Sauerstoff aus Kohlendioxid und Wasser in grünen Pflanzen.

Die Absorption von Lichtstrahlen erfolgt in Photosynthesepigmenten, deren wichtigste die Chlorophylle

sind.

Gesamtgleichung der Photosynthese: n CO 2 + n H 2 O (CH 2 O)n + n O 2

In einer lichtabhängigen Teilreaktion erfolgt mit Hilfe der Sonnenenergie die Wasserspaltung unter

Bildung von reduziertem NADPH und energiereichem ATP. In der nachfolgenden lichtunabhängigen

Dunkelreaktion wird CO 2 mit Hilfe von NADPH und ATP als Energiequelle letztlich zu Glucose

aufgebaut.

Die Bildung von Kohlenhydraten in den grünen Pflanzen unter Ausnutzung der Sonnenenergie ist die

Grundlage für die Nahrungsversorgung aller tierischen Organismen und der Menschen.

Photosynthetische Phosphorylierung: enzymatische Phosphorylierung von ADP zu energiereichem

ATP in Verbindung mit dem lichtabhängigen Elektronentransport von licht-energetisch angeregtem

Chlorophyll in photosynthetisierenden Zellen.

Photosystem: funktioneller Komplex von lichtabsorbierenden Pigmenten und den damit gekoppelten

Eletronenakzeptoren in photosynthetisierenden Zellen.

Chlorophylle: Porphyrin-Farbstoffe in den Chloroplasten der grünen Pflanzen sowie in

photosynthetisierenden Algen und Bakterien mit der Fähigkeit, die Energie des Sonnenlichtes zu

absorbieren, die dann in den Reaktionen der Photosynthese zur Bildung von ATP und

Reduktionsäquivalenten (NADPH) verwendet werden kann.

Harnstoffzyklus:

Zyklischer Stoffwechselweg in den periportalen Zellen der Leber, in dem die Synthese von Harnstoff

aus Kohlendioxid (CO 2 ), Ammoniak und einer Aminogruppe des Aspartats erfolgt.

Ammoniak entsteht im Körper vor allem bei der oxidativen Desaminierung von Aminogruppen, z.B.

von Glutamat durch die Glutamat-Dehydrogenase, von Purin- und Pyrimidinnucleotiden durch

Desaminasen, von biogenen Aminen durch Monoaminoxidasen sowie durch hydrolytische Spaltung von

Glutamin zu Glutamat durch die Glutaminase.

Wichtigste Aufgabe des Harnstoffzyklus ist die Eliminierung des freigesetzten Ammoniaks. Dies

geschieht in einer vorgeschaltenen Reaktion durch die Bildung von Carbamylphosphat aus Ammoniak,

CO 2 und zwei Molekülen ATP durch das Enzym Carbamylphosphat-Synthetase. Der Carbamylrest wird

auf die Aminosäure Ornithin unter Bildung von Citrullin übertragen. Citrullin reagiert mit der

35


Aminogruppe eines Aspartats unter Freisetzung von Fumarat zu Arginin, aus dem mit Hilfe des Enzyms

Arginase Harnstoff abgespalten und dabei Ornithin zurückgebildet wird.

Wasserstoffübertragung:

Die Übertragung von Wasserstoff (H 2 ) von einem Substrat auf ein anderes führt zur Reduktion des

letzteren und Oxidation des ersteren (Redoxreaktion).

Die H 2 -Übertragung wird in der Biologie durch eine Enzymgruppe katalysiert, die als Dehydrogenasen

bzw. Reduktasen bezeichnet werden; sie gehören in die Hauptklasse der Oxidoreduktasen (Enzyme).

An der enzymatischen Übertragung von H 2 sind die Coenzyme NAD + , NADP + , FAD und FMN

beteiligt. Sie können reversibel Wasserstoff aufnehmen und in die reduzierte Form übergehen: NADH 2 ,

NADPH 2 , FADH 2 und FMNH 2 .

Triebkraft für eine Redoxreaktion ist die Redoxpotentialdifferenz zwischen den beiden Redoxpaaren.

Redoxpaare:

Konjugiertes System bestehend aus einem Elektronendonator und seiner entsprechenden oxidierten

Form, dem Elektronenakzeptor:

Oxidation

Elektronendonator ← Elektronenakzeptor + n e -

Reduzierte Form


Reduktion Oxidierte Form + Elektronen

Jedem Redoxpaar kann ein bestimmtes Elektronenübertragungspotenzial (Redoxpotenzial) zugeordnet

werden, das als Maß für die reduzierende (Reduktionspotenzial) bzw. oxidierende (Oxidationspotenzial)

Wirkung aufgefasst werden kann.

Es ist praktisch nicht möglich, das Potenzial eines Redoxpaares zu messen; man kann nur die

Potenzialdifferenz zwischen zwei Redoxpaaren messen. Um die Redoxpotenziale der verschiedenen

Redoxpaare vergleichen zu können, muß man einen Nullpunkt der Redoxpotenzialskala als

Bezugssystem festlegen, wofür man die Normalwasserstoffelektrode gewählt hat.

Redoxreaktion:

Reaktion, bei der Elektronen von der reduzierten Verbindung eines Redoxpaares auf die oxidierte

Verbindung eines anderen Redoxpaares übertragen werden. Triebkraft der Redoxreaktion ist die

Redoxpotenzialdifferenz zwischen den beiden Redoxpaaren.

Oxidation = Elektronenabgabe

Reduktion = Elektronenaufnahme

Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen nimmt ein geeigneter Reaktionspartner auf

= Oxidationsmittel (O 2 )

Bei der Reduktion liefert der Reaktionspartner die aufzunehmenden Elektronen

= Reduktionsmittel (H)

Endergone Reaktionen:

Reaktionen, die für ihren Ablauf die Zufuhr von Energie benötigen (energieverbrauchende Reaktionen).

In Lebewesen wird in der Regel die durch Hydrolyse von *ATP erzeugte Energie (∆G`o = -30 bis –33

kJ/mol) zum Ablauf endergoner Reaktionen in der Zelle verwendet. (Energetische Kopplung von

endergonen und exergonen Reaktionen).

Exergone Reaktionen:

Reaktionen, bei deren Ablauf Energie freigesetzt wird. Diese Energie kann im Körper in mechanische

Arbeit, z.B. Muskelkontraktion, elektrische (osmotische) Arbeit, z.B. Aufbau von Membranpotentialen,

36


und chemische Arbeit, z.B. Biosynthese bzw. Kopplung mit *endergonen Reaktionen, umgewandelt

werden. Ein beträchtlicher Teil der freigesetzten Energie geht in Wärme über, die teilweise der

Aufrechterhaltung der Körpertemperatur dient. In der Biologie ist die wichtigste endergone Reaktion die

Hydrolyse von ATP in ADP und anorganisches Phosphat (*Adeninnucleotide) wobei eine Standardfreie

Energie (∆G`o) von

-30 bis –33 kJ/mol erzeugt wird.

Adeninnucleotide:

Zu den Adeninnucleotiden zählen Adenosinmonophosphat (AMP), Adenosindiphosphat (ADP) und

Adenosintriphosphat (ATP).

AMP besteht aus der Purinbase Adenin, die N-glykosidisch mit einer Ribose verknüpft ist, an der

esterartig eine Phosphatgruppe angelagert ist.

ADP enthält eine weitere, über eine Säureanhydridbindung mit AMP verknüpfte Phosphatgruppe. ADP

ist eine dreibasige Säure und entsteht im Zellstoffwechsel vor allem durch Hydrolyse von ATP mittels

ATPasen bzw. durch Phosphatgruppenübertragung auf Substrate und Metabolite mittels Kinasen

(Enzyme, Coenzyme). ADP spielt als Akzeptor einer weiteren Phosphatgruppe im Energiezyklus der

Zelle eine wichtige Rolle.

ATP besitzt zwei energiereiche Säurehydridbindungen. ATP ist eine vierbasige Säure. Sie entsteht in

der Zelle aus ADP und energiereichen Phosphatverbindungen durch die Wirkung von Kinasen (Enzyme,

Coenzyme).

In aeroben Zellen erfolgt die Bildung von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat insbesondere

durch die mitochondriale ATP-Synthetase bei der *Atmungsketten-Phosphorylierung. ATP ist der

wichtigste Phosphatgruppendonator im Energiezyklus der Zelle. Die meisten biochemischen Prozesse in

der Zelle (z.B. Biosynthesen, Stofftransport, Zellbewegung) verlaufen endergonisch und sind nur

möglich, wenn sie mit einer zweiten exergonischen Reaktion, meist der Hydrolyse von ATP, gekoppelt

sind. In der Zelle ist ATP sowohl Energieüberträger als auch Energiespeicher. Die Hydrolyse von ATP

zu ADP oder AMP ist stark exergonisch: ∆G`o beträgt etwa -30 bis –33 kJ/mol und Bindung.

NAD, NADH:

Nicotinamidadenindinucleotid stellt in seiner oxidierten und reduzierten Form ein Redoxpaar dar, das

als *Coenzym an der Wasserstoffübertragung durch NAD-abhängige *Dehydrogenasen

(Oxidoreduktasen) beteiligt ist.

Die eigentliche Wirkgruppe ist das Nicotiniamid, dessen Pyridinring reversibel Wasserstoff aufnehmen

oder abgeben kann, wobei die reduzierte (NADH + H + ) bzw. oxidierte (NAD + ) For entsteht. Der an

NADH gebundene Wasserstoff wird letztlich an die mitochondriale *Atmungskette abgegeben, wo er

mit Atmungssauerstoff unter Energiegewinnung (ATP, Wärme) zu Wasser oxidiert wird. Das dabei

entstehende oxidierte NAD + steht den mitochondrialen Dehydrogenasen als Wasserstoffakzeptor wieder

zur Verfügung.

Das unterschiedliche Absorptionsspektrum von NADH und NAD + + im Wellenbereich von 340 nm

kann für die quantitative photometrische Bestimmung der chemischen Verbindungen genützt werden,

die Wasserstoff von NADH übernehmen bzw. auf NAD + übertragen können.

NADP, NADPH:

Nicotinamidadenindinucleotidphosphat stellt in seiner oxidierten und reduzierten Form ein Redoxpaar

dar, das als *Coenzym an der Wasserstoffübertragung durch NADP-abhängige *Dehydrogenasen

(Oxidoreduktasen) beteiligt ist.

NADP + unterscheidet sich von NAD + nur durch eine weitere Phosphatgruppe, die mit der alkoholischen

Gruppe am C-Atom 2 der Ribose esterartig verknüpft ist.

37


Der an NADH gebundene Wasserstoff wird im Zellstoffwechsel im wesentlichen für die

Reduktionsreaktion bei Biosynthesen, z.B. von Cholesterin, Fettsäuren, Desoxynucleotiden sowie für

Hydroxylierungsreaktionen durch Momooxygenasen (Hydroxylasen) verwendet.

FAD, FADH 2 (Flavinadenindinucleotid):

*Coenzym wasserstoffübertragender Enzyme, die wegen der gelben Farbe des oxidierten

Riboflavinanteils des FAD als *Flavoproteine bezeichnet werden.

Das Wasserstoffpaar kann an die Stickstoff-Atome N1 und N5 des Isoalloxazinringsystems reversibel

angelagert werde.

Im Gegensatz zu NAD und NADP sind FAD und FMN kovalent mit dem Enzymprotein (Apoenzym)

verbunden (prostetische Gruppe).

FMN (Flavinmononucleotid) = *Coenzym wasserstoffübertragender Flavoprotein-Enzyme, das wie

Flavinadenindinucleotid Wasserstoff aufnehmen oder abgeben kann.

FMN ist z.B. prosthetische Gruppe des Metalloproteinenzyms NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase der

Atmungskette, welches Wasserstoff von NADH auf Ubichinon übertägt.

Flavoproteine = Wasserstoffübertragende Enzyme (Flavin-Dehydrogenasen), die FMN oder FAD als

prosthetische Gruppe enthalten, deren Isoalloxazinring als Zwischenträger eines Wasserstoffatompaares

dient, das vom Substrat abgespalten wurde.

Beispiele für Flavoproteine: Succinat-Dehydrogenase des Citratzyklus, Acetyl-CoA-Dehydrogenase der

β-Oxidation von Fettsäuren (Fettsäurestoffwechsel), NADH-Ubichinon-Reduktase der Atmungskette.

Dehydrogenasen:

Enzyme, welche die reversible Übertragung von Wasserstoffpaaren zwischen Substraten und

Intermediaten des Stoffwechsels und Coenzymen katalysieren.

Sie gehören zur Hauptklasse der Oxidoreduktasen, welche biologische Oxidations- und

Reduktionsreaktionen beschleunigen.

Die wichtigsten Coenzyme der Dehydrogenasen sind NAD, NADP und FAD.

Coenzyme:

Coenzyme sind nicht-eiweißhaltige, niedermolekulare Verbindungen, die an der Katalyse derjenigen

Enzyme beteiligt sind, die nur als Holoenzym (Apoenzym + Coenzym) aktiv sind. Das Coenzym stellt

in solchen Fällen das aktive Zentrum des Enzyms oder einen Teil desselben dar, ist also an der

Enzymkatalyse direkt beteiligt.

Die Bindung des Coenzyms an das Enzym kann mehr oder weniger fest sein; im Falle einer festen

Bindung wird das Coenzym auch als prosthetische Gruppe des Enzyms bezeichnet. Coenzyme im

eigentlichen Sinn nehmen an dem katalytischen Prozeß der chemischen Umwandlung des Substrates in

ein Produkt teil, gehen aber wie Katalysatoren aus der Reaktion unverändert wieder hervor. Für die

meisten Coenzyme trifft dies nicht zu, da sie im Verlauf der enzymatischen Reaktion verändert werden.

Aus diesem Grund bezeichnet man neuerdings diese Coenzyme besser als Cofaktoren bzw. Cosubstrate

enzymatischer Reaktionen.

Die Bedeutung der Coenzyme für den Intermediärstoffwechsel liegt darin, dass sie an

Gruppenübertragungsreaktionen in streng spezifischer Weise beteiligt sind.

Coenzyme stehen in enger Verbindung zu Vitaminen, da viele Vitamine Bausteine von Coenzymen sind

oder zu Coenzymen umgewandelt werden.

Cofaktoren = niedermolekulare Bestandteile wie Metallionen (Mg 2+ , Zn 2+ , Ca 2+ , Cu 2+ , Fe 2+ u.a.), die für

die Aktivität viele Enzyme notwendig sind.

Acetyl-Coenzym A:

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Wichtiges Zwischenprodukt im Zellstoffwechsel der Kohlenhydrate, Lipide und Aminosäuren.

Chemisch handelt es sich um einen aus Acetat und CoenzymA gebildeten Thioester mit hohem

Standard-Übertragungspotential für Acetylgruppen (-31,4 kJ/mol).

Intermediärstoffwechsel:

Innerhalb der Zelle ablaufende enzymkatalysierte Reaktionen, durch welche Kohlenhydrate, Fette,

Eiweiße und Nucleinsäuren bzw. deren Bausteinmoleküle metabolisiert werden um:

1. energiereiche Nucleosidphosphate, vor allem ATP, für energieverbrauchende Prozesse des

Körpers (Muskelkontraktion, Transportarbeit, Biosynthesen) zu gewinnen (kataboler

Stoffwechsel);

2. Bausteinmoleküle für die Biosynthese zelleigener Makromoleküle (Proteine, Nucleinsäuren,

Lipidkomplexe) und Wirkstoffe (Hormone, Cytokine, Coenzyme, Transmitter) zu erhalten

(anaboler Stoffwechsel).

Früher verstand man unter dem Begriff Intermediärstoffwechsel (Zwischenstoffwechsel) die

Stoffwechselvorgänge, die zwischen der Aufnahme der Nahrung und der Ausscheidung von

Endprodukten liegen. Heute versteht man darunter alle enzymatischen Vorgänge des katabolen und

anabolen Stoffwechsels innerhalb der Zelle.

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