Biochemie 1

dccdn.de
  • Keine Tags gefunden...

Biochemie 1

MEDI-LEARN Skriptenreihe 2013/14Isabel EggemannBiochemie 1EnergiestoffwechselProbekapitelOH 3 C C S CoAAcetyl-CoAH 2 OCoADer Citrat-ZyklusH 2 C COO –HO C COO –H 2 C COO –Citrat2AconitaseH 2 C COO –HC COO –HO HC COO –IsocitratNAD +Isocitratdehydrogenase3NADH + H +NADH + H + O C COO –H 2 C COO –Oxalacetat8NAD+ Malat-DehydrogenaseHO HC COO –H 2 C COO –L-Malat1Citrat-SynthaseH 2 C COO –CO 2CH 2O C COO –α-Ketoglutarat4In 30 Tagen durchs schriftliche und mündliche Physikum


Inhalt1 Überblick und Grundlagen 11.1 Was sind Redoxreaktionen?................... 21.1.1 Oxidation................................................ 21.1.2 Reduktion............................................... 21.1.3 Redoxreaktion........................................ 31.1.4 Reduktionsäquivalent............................. 31.1.5 Redoxpotenzial....................................... 31.2 Ein kurzer Ausflug in die Energetik ........ 41.3 Systematisierung der Coenzyme........... 41.3.1 Unterteilung der Coenzyme nachEnzymbeziehung.................................... 51.3.2 Unterteilung der Coenzyme nach Artder übertragenen Gruppen..................... 61.4 Ein paar Geheimnisse aus demmitochondrialen Leben ........................ 161.4.1 Stoffwechselwege im Mitochondrium.161.4.2 Transportsysteme................................. 162 Pyruvatdehydrogenasereaktion(PDH) 232.1 Ablauf der Pyruvatdehydrogenasereaktion................................................232.1.1 PDH-Reaktion Teil 1: Decarboxylierung.232.1.2 PDH-Reaktion Teil 2: CoA-Anhängung.. 242.1.3 PDH-Reaktion Teil 3: Regeneration derCoenzyme............................................ 242.1.4 Gesamtablauf der PDH-Reaktion......... 252.2 Regulation............................................ 273 Citratzyklus 283.1 Der Ablauf – oder: Was passiert hiereigentlich?............................................ 293.1.1 Teil 1 des Citratzyklus: Acetyl-CoA-Abbau................................................... 293.1.2 Teil 2 des Citratzyklus: Oxalacetat-Regeneration........................................ 333.2 Die Energiebilanz – oder: Was springtbei dem ganzen Zirkus raus?................ 353.3 Citratzyklus-Regulation......................... 363.4 Anabole Aufgaben, denn der Citratzykluskann noch mehr.................................... 363.5 Anaplerotische Reaktionen (Nahrung fürden Citratzyklus)................................... 374 Atmungskette – oder: Warum atmenwir eigentlich? 414.1 Was passiert in der Atmungskette?..... 424.2 Aufbau der Atmungskette.................... 434.2.1 Herkunft der reduzierten Coenzyme(Wassereimer)...................................... 434.2.2 Komplexe I-IV (Wasserräder)................ 434.2.3 Überträgermoleküle (Container)........... 484.2.4 Komplex V – die ATP-Synthase(Turbine)................................................ 484.3 Der Weg durch die Atmungskette........ 494.4 Die Atmungskette: SchwerpunktRedoxreihe........................................... 504.5 Energiebilanz der Atmungskette.......... 504.6 Regulation der Atmungskette............... 524.7 Beeinflussung der Atmungskette......... 534.7.1 Hemmung der Atmungskette............... 534.7.2 Entkoppler der Atmungskette.............. 554.7.3 Zusammenfassung der Blockierer derAtmungskette....................................... 575 Muskel 625.1 Muskelstoffwechsel............................. 625.1.1 Energiestoffwechsel............................. 625.1.2 Cori-Zyklus............................................ 665.1.3 Alanin-Zyklus ....................................... 665.2 Spezielle Aspekte des Muskelaufbaus.675.2.1 Aufbau des Myoglobins........................ 675.2.2 Muskelfasertypen................................ 69


3 Citratzyklus3 CitratzyklusFragen in den letzten 10 Examen: 103Dir mag er in der Schule schon begegnet sein,im Bio-LK musstest du ihn vielleicht schon lernenund erinnerst dich mit Grausen an diesesWirrwarr von Molekülen, die ineinander umgewandeltwerden, ohne dahinter einen wirklichenSinn zu sehen. Doch wie so oft, ist esbeim näheren Hinschauen gar nicht mehr soschlimm: Im Citratzyklus wird nämlich einfachder letzte Schritt der Nahrungsverwertung vollzogenund die dabei entstehende Energie inForm von NADH + H + und FADH 2 gespeichert.Zudem ist er auch nicht ganz so unübersichtlich,wie er im ersten Moment scheinen mag,denn du kannst ihn sehr gut systematisieren(s. 3.1).Bevor es gleich zu den einzelnen Reaktionengeht, solltest du wieder einen Blick auf dieÜbersicht (s. Abb. 1, S. 1) werfen. Der Citratzyklusbildet einen Pool, in den die Abbauwegeder drei Hauptnährstoffe münden:––Die Fette werden über die β-Oxidation zuAcetyl-CoA abgebaut.––Die Kohlenhydrate werden über die Glykolyseund die Pyruvatdehydrogenasereaktionzu Acetyl-CoA abgebaut.––Die meisten Proteine/Aminosäuren fließenüber die Pyruvatdehydrogenasereaktionoder direkt in den Citratzyklus ein.Merke!––Der Citratzyklus ist die Drehscheibe des Stoffwechsels.––Acetyl-CoA wird zu 2 CO 2 und Energie „abgebaut“.––Der Citratzyklus ist im Mitochondrium lokalisiert.––Er ist die Endstrecke der Nahrungsmittelverwertung.Dieses Kapitel handelt im Einzelnen von––dem Ablauf, oder was während des Zykluspassiert,––der Energiebilanz, oder was bei dem ganzenZirkus rausspringt,––seiner Regulation,––seinen anabolen Aufgaben und––den anaplerotischen Reaktionen (der Nahrungfür den Citratzyklus).KohlenhydratePyruvatFetteAcetyl-CoAProteineIm Citratzyklus wird dieses Acetyl-CoA zu CO 2und Energie oxidiert, oder genauer: Im Citratzykluswird Acetyl-CoA oxidiert zu CoA-SH,CO 2 und Reduktionsäquivalenten in Form vonNADH + H + und FADH 2 .Er findet – wie auch die Pyruvatdehydrogenasereaktion– innerhalb der Mitochondrienstatt und wird auch als Drehscheibe des Stoffwechselsbezeichnet. Der Grund dafür sind seinezahlreichen Zwischensubstrate, die sowohlAusgangsmaterial für Synthesen als auch Endproduktevon Abbauwegen sind.OxalacetatCitratMalatIsocitratFumarata-KetoglutaratSuccinyl-CoASuccinatAbb. 31: Citratzyklus, Überblick medi-learn.de/bc1-3128


3.1 Der Ablauf – oder: Was passiert hier eigentlich?3.1 Der Ablauf – oder: Was passierthier eigentlich?Wozu so viele Zwischenschritte, wenn letztenEndes nur ein kleines Acetyl-CoA zu CO 2 abgebautwird? Nun, das ist eben nicht alles. DieZelle hat mit diesem Zyklus mehrere Möglichkeiten:––Sie speichert die freiwerdende Energie inForm der Reduktionsäquivalente NADH + H +und FADH 2 .––Sie startet von diesem Zyklus aus zahlreicheSynthesewege (anabole Aufgaben,3.4, S. 36).Um die ganze Bandbreite seiner Funktionenzu verstehen, bleibt dir nichts anderes übrig,als dir den genauen Ablauf des Citratzyklusanzusehen.Dazu erst mal wieder ein kleines Modell(s. Abb. 32). Stelle dir vor:––Molekül 1 (rund, hellgrau) soll abgebautwerden.––Dies geht nur, wenn Molekül 2 (rechteckig,dunkelgrau) dabei ist.––Beide Moleküle lagern sich also aneinanderund––werden gemeinsam gespalten.––Molekül 1 ist abgebaut,––Molekül 2 muss regeneriert werden.Soviel zum Modell, jetzt zur Realität: Auch Acetyl-CoAwird nicht alleine abgebaut. Im erstenTeil des Citratzyklus lagert es sich mit Oxalacetatzu Citrat zusammen und der Acetyl-Restwird abgebaut. Dabei entsteht Succinat. Imzweiten Teil muss Oxalacetat aus Succinatdann wieder regeneriert werden.Acetyl-CoAOxalacetatSuccinatEinteilung des Citratzyklus in zwei Teile:1. Abbau von Acetyl-CoA und Bildung von Succinat.2. Regeneration von Oxalacetat aus Succinat.CitratCO 2CO 2Abb. 33: Grundgerüst Modell Citratzyklusmedi-learn.de/bc1-3333.1.1 Teil 1 des Citratzyklus:Acetyl-CoA-AbbauIm ersten Teil des Citratzyklus – dem Acetyl-CoA-Abbau – passiert grob folgendes:––Oxalacetat und Acetyl-CoA kondensierenzu Citrat.––Es wird zweimal decarboxyliert (− 2CO 2 ).––Es entsteht Succinat.Nun kommen die einzelnen Schritte en detail:Schritt 1: Die KondensationAbb. 32: Citratzyklus, Schemamedi-learn.de/bc1-32Dabei verknüpft die Citrat-Synthase Oxalacetatund Acetyl-CoA zu Citrat.www.medi-learn.de 29


3 Citratzyklus3H 3 CH 2 OO C COO –H 2 C COO –OxalacetatOSchritt 2: Die IsomerisierungCSAcetyl-CoAHier wird Citrat zu Isocitrat umgelagert.1CoA––Isocitrat wird jetzt decarboxyliert und dehydriert.––Die Wasserstoffatome werden auf NAD +übertragen.Citrat-SynthaseAbb. 34: Citratzyklus, Schritt 1H 2 C COO –HO C COO –CoAH 2 C COO –HO C COO –H 2C COO –Citratmedi-learn.de/bc1-34Isocitrat-DehydrogenaseH 2 C COO –HC COO –HO HC COO –H 2 C COO –CH 2O C COO –α-KetoglutaratAbb. 36: Citratzyklus, Schritt 3Isocitrat––Dabei entsteht α-Ketoglutarat,––das Enzym heißt Isocitratdehydrogenase.3NAD +NADH + H +CO 2medi-learn.de/bc1-36H 2 C COOCitrat2AconitaseH 2 C COO –HC COO –HO HC COO ––IsocitratAbb. 35: Citratzyklus, Schritt 2Übrigens …Im Physikum bitte nichtaufs Glatteis führen lassen:Dieser Schritt istnicht besonders aufregend,es findet wirklichnur eine Umlagerungstatt.Schritt 3: Die Dehydrierungund Decarboxylierungmedi-learn.de/bc1-35Schritt 4: Die oxidative Decarboxylierungvon α-KetoglutaratDieser Schritt sollte dir schon bekannt vorkommen:Es ist der gleiche Mechanismus wie beider Pyruvatdehydrogenasereaktion mit allendazugehörigen Enzymen und Coenzymen, wiez. B. dem Liponsäureamid und Thiaminpyrophosphat(s. Tab. 4, S. 23). Der einzige Unterschiedliegt im Grundgerüst der Kohlenstoffkette,die hier eben eine HCH 2 -Gruppe längerist und am Ende noch eine zusätzliche Carboxylgruppeträgt.––Auch α-Ketoglutarat wird decarboxyliert(CO 2 wird freigesetzt) und dehydriert.––Die Wasserstoffatome werden ebenfalls aufNAD + übertragen.––Das Reaktionsprodukt wird an CoA gehängt,wodurch Succinyl-CoA entsteht.––Das Enzym ist die α-Ketoglutaratdehydrogenase.Das bei Schritt vier entstehende Succinyl-CoAhat auch eine sehr zentrale Stoffwechselrolle:Succinyl-CoA––ist ein Metabolit des Citratzyklus30


3.1.1 Teil 1 des Citratzyklus: Acetyl-CoA-Abbau(α-Ketoglutaratdehydrogenase, Succinyl-CoA-Synthetase = Succinat-Thiokinase)––ist ein Baustein für die Porphyrinsynthese(δ-Aminolävulinat-Synthase)––ist wichtig für den Fettstoffwechsel: es istbeteiligt••am Abbau der ungeradzahligen Fettsäuren(L-Methyl-Malonyl-CoA-Isomerase) überPropionsäure (NICHT der geradzahligen)••am Abbau von Ketonkörpern (3-Ketoacyl-CoA-Transferase)H 2 C COO –OH 2 C COO –CH 2CSSuccinyl-CoACoA––Von Succinyl-CoA wird das CoA abgespalten,wobei eine energiereiche Thioesterbindungaufbricht (s. 1.3.2, S. 6).––Die dabei frei werdende Energie wird zurGTP-Synthese genutzt. Diese Form der Bildungeines energiereichen Triphosphats bezeichnetman als Substratkettenphosphorylierung(vgl. 4.4, S. 50).––Das zuständige Enzym ist die Succinyl-CoA-Synthetase = Succinat-Thiokinase.MultienzymkomplexAbb. 37: Citratzyklus, Schritt 4Schritt 5: Die Abspaltung von CoACH 2O C COO –H 2 C COO –H 2 C COO –SuccinatGTPCoA-SHSuccinyl-CoASynthetase5GDPPα-KetoglutaratNAD4+CoA-SHNADH + H +CO 2Omedi-learn.de/bc1-37H 2 C COO –CH 2CSSuccinyl-CoACoAHier ein Exkurs zur Substratkettenphosphorylierungfürs Mündliche:Beim Abbau von Nährstoffen gibt es im Körperzwei Mechanismen zur ATP-Synthese ausADP und Phosphat:1. die Substratkettenphosphorylierung und2. die oxidative Phosphorylierung (Atmungskette,s. 4.4, S. 50)Die Substratkettenphosphorylierung trägt ihrenNamen aus dem Grund, da die Phosphorylierungvon ADP während Teilschritten vonStoffwechselwegen (Substratketten) stattfindet.Dies passiert––in der Glykolyse (Enzym = 3-Phosphoglycerat-Kinase)und––im Citratzyklus (Vorsicht, hier wird GTP gebildet!)Auf den Mechanismus der GTP-Synthese gehenwir jetzt mal genauer ein:Succinyl-CoA enthält eine energiereiche Thioesterbindung.Im bereits beschriebenen Reaktionsschrittwird diese Bindung gespalten unddie dabei frei werdende Energie zur Knüpfungvon Phosphat an Succinyl verwendet, CoAwird dabei freigesetzt. Dieses Phosphat wirdin einer zweiten Reaktion von Succinyl-Phosphatauf GDP übertragen, wobei Succinat undGTP entstehen.Succinyl-CoA + GDP + PhosphatSuccinyl-Phosphat + GDP + CoASuccinat + GTP + CoAAbb. 39: Genauer Mechanismus der GTP-Synthesemedi-learn.de/bc1-39Zusammenfassung Citratzyklus Teil 1––Im ersten Schritt wird ein Acetyl-CoA in denCitratzyklus gebracht.––Acetyl-CoA wird formal vollständig zu 2 CO 2oxidiert (Acetyl-CoA löst sich also quasi inLuft auf …).3Abb. 38: Citratzyklus, Schritt 5medi-learn.de/bc1-38www.medi-learn.de 31


3 Citratzyklusmus der Pyruvatdehydrogenasereaktionmit allen dort verwendeten Coenzymen(ab S. 23).––Succinyl-CoA wird durch die Succinyl-CoA-Synthetase = Succinat-Thiokinase umgesetzt.––Regeneration ist die Aufgabe von Teil 2 desCitratzyklus.3OH 3 C C SAcetyl-CoAH 2 OCoACoAO C COO –H 2 C COO –Oxalacetat1––Es entsteht Succinat, 2 NADH + H + und 1 GTP.––Citrat wird nur umgelagert zu Isocitrat, esfindet KEINE Oxidation oder sonstige Reaktionstatt.––Die Isocitratdehydrogenase verwendetNAD + als Coenzym.––Die dehydrierende Decarboxylierung vonα-Ketoglutarat entspricht dem Mechanis-Citrat-SynthaseH 2 C COO –HO C COO –H 2 C COO –CitratAconitase2MultienzymkomplexIsocitrat-DehydrogenaseH 2 C COO –HC COO –HO HC COO –Isocitrat3NAD +NADH + H +H 2 C COO –CO 2H 2 C COO –H 2 C COO –SuccinatGTPCoA-SHSuccinyl-CoASynthetase5GDPPOH 2 C COO –CH 2CSSuccinyl-CoACoACH 2O C COO –α-KetoglutaratNAD4+CoA-SHNADH + H +CO 2Abb. 40: Citratzyklus Teil 1medi-learn.de/bc1-4032


3.1.2 Teil 2 des Citratzyklus: Oxalacetat-Regeneration3.1.2 Teil 2 des Citratzyklus:Oxalacetat-RegenerationZyklen haben die Eigenschaft, dass sie immerwieder von vorne anfangen. Für den Citratzyklusbedeutet das, dass er vom Succinat wiederzu seinem Ausgangsmolekül – dem Oxalacetat – kommen muss. Den Mechanismuskennst du vielleicht schon: Essind die ersten drei Reaktionender β-Oxidation (s. Skript Biochemie7). Die Regenerationsschrittedes Citratzyklus sehenso aus:Schritt 7: Die AdditionDurch Addition von H 2 O (Hydratisierung) wirdFumarat zu Malat.H 2 OHO HC COO –7– OOC CHH 2 C COO –L-MalatFumaraseHC COO –Fumarat3Schritt 6: Die OxidationAbb. 42: Citratzyklus, Schritt 7medi-learn.de/bc1-42Hier wird zunächst Succinat dehydriert (Oxidation)und die Wasserstoffatome auf FAD übertragen.Dabei entsteht die ungesättigte VerbindungFumarat und FADH 2 . Das Enzym ist dieSuccinatdehydrogenase.– OOC CHHC COO –FumaratFADH Succinat-2Dehydrogenase6FADH C COO –2H 2 C COO –SuccinatAbb. 41: Citratzyklus, Schritt 6medi-learn.de/bc1-41Die Succinatdehydrogenase katalysiert denersten Schritt der Regeneration im Citratzyklusund ist Teil des Komplexes II der Atmungskette(s. Abb. 50, S. 45). Daher ist dieser Schrittbesonders wichtig.Zur Erinnerung: FADH/H 2 sind prosthetischeGruppen, die riboflavinhaltig sind.Das im Harnstoffzyclus gebildete Fumaratfließt hier zur Regeneration in den Citratzyklusein.Schritt 8: Die OxidationIm letzten Schritt entsteht durch Dehydrierungvon Malat wieder Oxalacetat. Die Reduktionsäquivalentewerden dabei auf NAD + übertragen,das durchführende Enzym ist die Malatdehydrogenase.O C COO –NADH + H +H 2 C COO –NAD +8HO HC COO –H 2 C COO –L-MalatAbb. 43: Citratzyklus, Schritt 8OxalacetatMalat-Dehydrogenasemedi-learn.de/bc1-43Die Reaktion ist die gleiche wie beim Malat-Shuttle (s. S. 18).www.medi-learn.de 33


3 Citratzyklus3Zusammenfassung Citratzyklus Teil 2H 2 O7NADH + H +NAD +Fumarase8HO HC COO –– OOC CHH 2 C COO –L-MalatHC COO –FumaratO C COO –H 2 C COO –OxalacetatMalat-DehydrogenaseÜbrigens …––Im Citratzyklus wird Acetyl-CoA formalvollständig zu 2 CO 2 oxidiert. Inder Tat bildet der Citratzyklus zusammenmit der Pyruvatdehydrogenasereaktionmit Abstand den größtenAnteil des 1 kg Kohlendioxid,das täglich über die Lunge abgeatmetwird.––Nicht nur, wenn du ein passionierterBastler bist, empfiehlt sich folgendesVorgehen, um das Erlernen desCitratzyklus etwas zu erleichtern undein bisschen amüsanter zu gestalten:Die einzelnen Substrate des Zyklusaufzeichnen, die Moleküle mischenund daraus versuchen, denZyklus wieder zu rekonstruieren.FADH 2H 2 C COO –6––Oxalacetat wird regeneriert.––Es entsteht 1 FADH 2 und 1 NADH + H + .––Die Succinatdehydrogenase ist FAD-abhängig.Succinat-DehydrogenaseFADH 2 C COO –SuccinatAbb. 44: Citratzyklus Teil 2medi-learn.de/bc1-4434

Weitere Magazine dieses Users
Ähnliche Magazine