1 Biologische Oxidation 1

1 Biologische Oxidation 1
1.1 Oxidation, Reduktion und Redoxpotential
Unter einer Oxidation versteht man die Abgabe von Elektronen an einen Akzeptor. Eine Reduktion
dagegen ist die Aufnahme dieser abgegebenen Elektronen
1.2 Dissimilisationstypen
Die Dissimilisation ist der Abbau organischer Substrate unter Freiwerden und Nutzbarmachung der in
diesen Verbindung enthaltener Energie. Die Energie wird in Form von ATP nutzbar gemacht und dient
zur Deckung des Energiebedarfes der Zelle.Man kann die Dissimilisation in zwei Formen unterteilen:
Die Atmung und die Gärung. Die Gärung wird näher im nächsten Kapitel untersucht. Hier wollen wir
uns nur mit der Atmung beschäftigen.
1.2.1 aerobe Atmung
Bei der aeroben Atmung findet eine gesteuerte Knallgasreaktion statt, dh. zwei Atome Wasserstoff
verbinden sich mit einem Atom Sauerstoff zu Wasser. Der Wasserstoff dieser Reaktion stammt aus
metastabilen C-Verbindungen (Kohlenhydrate, Fette, etc.), der Sauerstoff aus der Luft. Weiterhin wird
aus den metastabilen C-Verbindungen Kohlenstoff als CO2 frei, die Verbindungen werden oxidiert.
Molekularer Sauerstoff dient also als Endakzeptor für den beim Glucoseabbau entstandenen
Wasserstoff.
0 2-
Organismen, egal ob sie auto- oder heterotroph sind, die O2 zu O (in dem H2O vorhanden)
reduzieren, betreiben aerobe Atmung. Die biochemischen Umsetzungen sind sowohl in Bakterien-,
Pflanzen und Tierzellen nahezu identisch.
Das hohe Energiepotential der metastabilen C-verbindungen wird bei der aeroben Atmung vollständig
abgebaut, diese ist somit energetisch gesehen sehr ergiebig.
1.2.2 anaerobe Atmung
Hier wird im Gegensatz zu der aeroben Atmung ein anorganischer Elektronenakzeptor außer
- 3+ - 5+ 2- 6+
Sauerstoff reduziert. Ein solcher Akzeptor kann entweder NO2 (N ), NO3 (N ), oder SO4 (S ) sein,
wobei Nitrit und Nitrat unter Aufnahme von 6 bzw. 10 Elektronen zu Stickstoff oder sogar zu
Ammonium reduziert, Sulfat durch Aufnahme von 6 Elektronen zu 1/8 S8 reduziert werden. Diese
Proßesse nennt man Denitrifikation bzw. Desulfurikation. Auch andere Verbindungen können als
Elektronenakzeptoren dienen, zB Fe 3+ , Mn 4+ , sogar CO2, das zu CH4 reduziert wird.
Man sieht also, daß der oxidative Abbau von den C-Verbindungen ohne die Anwesenheit von
Sauerstoff erfolgt.
Man muß aufpassen, daß man gedanklich die anaerobe Dissimilisation von der Assimilisation und der
Chemosynthese trennt. Den Aufbau von organischen Verbindungen wie Aminosäuren, geschieht auch
über Reduktion von Nitrat zu Ammonium durch die Nitrat- und Nitritreduktase, hier wird aber keine
Nutzbare Energie frei. Näheres hierzu findet man im Kapitel .
1.3 Feinstruktur der Mitochondrien
ca. 1�m Durchmesser, kugellige oder elliptische Körper
wie bei Plastiden besitzen sie eine Doppelhülle und sind semi-autonom (mt-DNA)
je nach Zelltypus 100 - 1000 Mitochondrien/Zelle

Abbildung 1-1: Schema eines Mitochondriums (Strasburger 1991)
aüßere Membran:
Ist reich an Porinen (30kDa), tunnelförmige Proteine, die Moleküle bis 6 kDa Eintritt in den
Zwischenraum gewähren.
Diese Membran besteht zu 30-50% aus Phospholipiden, wobei Cholesterin auch vorhanden ist.
innere Membran:
� Diese besitzt einen hohen Proteingehalt
� Ist für Protonen (passiv) undurchlässig
� Cholesterin wird durch das Cardiolipin, ein Biphosphatdiglycerin, ersetzt. Dieses kommt sonst nur
bei Bakterien vor (Endosymbiontentheorie).
� diverse Translokatoren sind auch vorhanden um Stoffe durch die selektiv permeable Membran zu
schleusen:
2- -
Phosphat-T. (PO4 gegen OH )
Monocarboxylat-T. (zB Pyruvat gegen OH - )
Dicarboxylat-T. (zB Malat, Oac, Succinat gegeneinander oder PO4
Malat - Oac Shuttle
Adeninnucleotid-T. (ATP 4- gegen ADP 3- durch PMF, da außen +, innen -)
� Die mt-DNA besteht aus doppelkettigen Ringen von verschiedener Größe. Mit 70S Ribosomen
können nur ca.15 aus über 200 mitochondrial spezifischen Proteinen hergestellt werden. Die
restlichen werden vom Kern codiert und an 80S-Ribosomen im Cytoplasma transkribiert.(Kap. 7)
Diese, im Cytoplasma inaktiven, Proteine müssen in das Mitochondrium importiert werden, dies
geschieht durch ein Transitpeptid (Precursor), daß das Protein durch die Mitochondrienmembran
schleußt. (� Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.)
� Das Mitochondrium kann sich durch einschnüren Teilen.
� In dem Mitochondrium befinden sich dichte Matrixgranula zur Speicherung von Ca 2+ und Mg 2+ , oft
als Hydroxyapatit Ca5(PO4)3(OH)
� Bei manchen Hefepilzen verschmelzen Mitochondrien zu einem Riesenmitochondrium.
1.4 Atmungsmaterialien und ihre Herkunft
Glucose ist das häufigste Atmungsmaterial. Es entsteht aus der Stärke, durch dessen Hydrolyse oder
Phosphoylse. Stärke besteht zu ca. 10-30% aus der unverzweigten Amylose und zu ca 70-90% aus
dem verzweigten Amylopektin. Jedes Stärkemolekül bestitz ein halbacetalisches reduzierendes Ende
und ein nichtreduzierendes Ende. Andere Reservestoffe sind Glycogen (Cyanobakterien, Pilze u.
Bakterien), das dem Amylopektin ähnelt nur mit höhrem Verzweigungsgrad, Paramylon
(Euglenophyta), mit einer linearen ß1-3 glycosidischen Bindung, und Florideen-Stärke
(Florideophyceae), daß ähnlich dem Glycogen aufgebaut ist.
2- )

�
1.4.2 Phosphorolytische Spaltung
1.4.1 Hydrolytische Spaltung:
�- und �-Amylase spalten die glycosidischen �1-4
Bindungen der Amylose und des Amylopektins.
Die �-Amylase ist ein Endoenzym (Cofaktor Ca 2+ ), spaltet
also die �1-4 Bindungen im Inneren des Stärkemoleküls.
Dabei werden die �1-6 Bindungen des Amlyopektins nicht
angegriffen. Bei längerer Einwirkung werden die
Oligosaccharide in Maltose zerlegt. �-Amylase kommt bei
Tieren (Speichel, Pankreas) und Pflanzen vor.
Die �-Amylase spaltet als Exoenzym die amylose- und
amylopektin Moleküle, vom nicht-reduzierenden Ende her,
zu Maltose-Einheiten ab. Beim Amylopektin bleiben die �1-6
Bindungen als „Grenzdextrine“ erhalten. �-Amylase findet
sich nur im Pflanzenreich.
Die übriggelassenen „Grenzdextrine“ aus �1-6 Bindungen,
werden von einer dritten Hydrolase, dem R-Enzym
(=Isoamylase), gespalten.
Abb. 1-1: Hydrolytischer Abbau von Stärke durch Amylasen (Strasburger
1991)
Zuletzt werden die entstehenden Maltose-Moleküle von der
Maltase in 2 Glucose Moleküle gespalten.
2-
Dieser Weg ist für den Organismus energetisch günstiger, da PO4 als Glycosyl-Akzeptor fungiert,
und nicht wie bei der hydrolytischen Spaltung das Wasser. Die Stärke-Phosphorylase (prosthetische
Gruppe :Pyridoxal-5-Phospaht (siehe 7B 4.2.3)) spaltet vom nichtreduzierenden Ende schrittweise
2-
eine Glucoseeinheit ab. Mit PO4 wird diese zu Glucose-1-Phosphat. Auch bei diesem Weg werden
die �1-6 Bindungen durch ein seperates Enzym gespalten. Hier ist es das D-Enzym.
Regulation der Spaltung erfolgt dadurch, daß Triosephosphat (Dihydroxyacetonphosphat) aus dem
2-
Chloroplasten rausgepumpt wird im Austausch gegen PO4 , das über ein Translokator reingepumpt
wird. Dies geschieht während der Dunkelphase. Durch die hohe Konzentration an Monophosphat
erreicht die Stärke-Phosphorylase ihr Aktivitätsoptimum und die ADP-Glucose-Pyrophosphorylase,
eines von den Enzymen verantwortlich für den Stärke-Aufbau wird gehemmt. Gleichzeitig mit der
Hemmung der ADP-Glucose-Pyrophosphorylase (und dem damit verbundenen Stop der
Stärkesynthese) wird ein Enzym der Glycolyse, die Phosphofructokinase allosterisch aktiviert, der
Abbau von Stärke wird beschleunigt.
Eine weitere Regulationsmöglichkeit ist eine Aktivitätssteuerung durch Änderung der Proteinstruktur
von einer inaktiven b-Form, über eine Kinase und ATP, in eine aktive a-Form. Diese hormonal
gesteuerte Reaktion ist für Säugetiere typisch.
1.4.3 Speicherfette und -Oxidation
Bei der Keimung fetthaltiger Samen sinkt der Lipidgehalt sehr schnell. Die Fettmoleküle werden durch
Lipasen (Mono-, Di- und Triacylglycerin-Lipase) in ihre zwei Bestandteile Glycerin und Fettsäuren
gespalten. Das Glycerin kann zum Aldehyd oxidiert werden und in die Glycolyse eingehen (oder in
Saccharose überführt werden), die Fettsäuren dagegen werden durch die �-Oxidation in Acetyl-CoA
überführt.
Dabei wird der Fettsäurerest (CH3-(CH2)n-COO - ) „aktiviert“ durch Anlagerung von einem HS-CoA.
Diese Reaktion wird von dem Enzym Acyl-CoA-Synthetase, unter ATP Verbrauch, durchgeführt.
Findet die ß-Oxidation im Mitochodndrium und nicht in den Glyoxysomen statt, so muß eine
Trägersubstanz an die Fettsäure angebunden werden damit diese die Mitochondrienmembran

passieren kann, dies erfordert keine zusätzliche Energie. Zuerst werden 2 Wasserstoff durch eine
Dehydrogenase, mit FAD als Wirkgruppe, abgespalten- es bleibt eine ungesättigte trans-Säure übrig.
Durch eine Hydratase wird Wasser an die Doppelbindung angelagert, es entsthet ein sekundärer
Alkohol. Im dritten Schritt werden wieder 2 Wasserstoff durch eine weitere Dehydrogenase
abgespalten, wobei hier NAD + als Coenzym dient. Die rückbleibende Oxosäure ist sehr instabil, es
spaltet sich „thioklastisch“ein C2-Körper als Acetyl-CoA ab, und der Rest reagiert mit einem weiteren
Coenzym A wieder zu R-CH2-CO-S-CoA, nur um ein C2 weniger. Nun kann der Prozeß von Vorne
beginnen, bis die Fettsäure vollkommen abgebaut ist.
� Abb. 1-2: ß-Oxidation (Richter 1988)
1. : Acyl-CoA-Dehydrogenase
24: ungesättigtes Acyl-CoA
2. : Enoyl-CoA-Hydratase
25: 3-Hydroxyacyl-CoA
3. : 3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase
26: 3-Oxosäure des Acyls
4. : Acetyl-CoA-Acyltransferase
11: Acetyl-CoA
27: Acyl-CoA
Eine Energiebilanz zeigt, daß Fette starke Energielieferanten sind. Pro C2-Körper werden 1NADH+H + ,
1 FADH2 und 1 Acetyl-CoA gebildet. Aus 1NADH können, wie wir bald sehen werden, 3 ATP, aus
1FADH2 - 2ATP und aus 1 Acetyl-CoA kann über den Citratcyclus 12 ATP gewonnen werden.
Insgesamt also 17 ATP pro C2-Körper.
zB für die Palmitinsäure mit 16 C und keiner Doppelbindung, daß das Palmityl-CoA 7
Reaktionsrunden umgeht. Beim 7 mal entsteht aus dem C4-CoA, zwei Mal Acetyl-CoA.
1 Palmityl-CoA =C17
7 NADH + H +
= 7*3 = 21 ATP
7 FADH2 = 7*2 = 14 ATP
8 Acetyl-CoA = 8*12 = 96 ATP Insgesamt 131 ATP - 2ATP zur Aktivierung

1.5 Aerobe Atmung
1.5.1 Lokalisation der einzelnen Abschnitte
Man sieht aus der oberigen Abbildung, daß die Glykolyse im Cytoplasma der Zelle stattfindet. Das
entstandene Pyruvat kann die Mitochondrienmembran passieren, und wird an der inneren Membran
durch die Pyruvat-Dehydrogenase, ein Multienzymkomplex, decarboxyliert. Dabei entsteht Acetyl-CoA
und Kohlendioxid. Das Acetyl-CoA wird dann in der Mitochondrien-Matrix in den Cirtat Cyklus
eingeschleußt. Die Atmungskette findet hauptsächlich in der inneren Mitochondrienmembran und im
Intercristaeraum statt.
1.5.2 Glykolyse
� Abb. 1-3: Lokalisation der Abschnitte der Dissimilisation (Richter 1988)
Der erste Schritt der oxidativen Dissimilisation wird Glykolyse genannt. Das durch Hydrolyse von
Stärke gewonnene Glucosemolekül wird erst unter 2 ATP-Verbrauch gespalten und unter Gewinnung
von 4 ATP in Pyruvat umgewandelt. Die Kontrolle der Glykolyse erfolgt über allosterische
Wechselwirkungen der Enzyme und den Substraten. Hier soll aber nicht näher darauf eingegangen
werden.
Der Weg der Glykolyse kann in den folgenden Abbildungen nachvolzogen werden.

1.5.3 Oxidative Decarboxylierung
Im letzten Schritt der Glykolyse wird Pyruvat erzeugt. Pyruvat kann nun entweder aerob oder anaerob
weiterverarbeitet werden. In den höheren Pflanzen geschieht dies meist aerob. Das Pyruvat wandert
in die Mitochondrienmembran. In der inneren Membran liegt der Pyruvat Dehydrogenase Komplex.
Dieses Multienzymkomplex besteht aus drei Enzymen, der Pyruvatdecarboxylase, (Co-Enzym
=TPP) die Pyruvat oxidativ über ein Carbanion decarboxyliert, der Dihydrolipoyl-Transacetylase, die
die entstehende Acetylgruppe auf CoA überträgt und der Lipoatdehydrogenase, die die oxidative
Form des Liponamids regeneriert.
1.5.4 Citrat Cyklus
� Abb. 1-4: Citratcyclus (Heß 1995)

Man sieht, daß Acetyl-CoA (=aktivierte Essigsäure) den Betriebsstoff des Citratcykluses darstellt.
Im Gegensatz zu der Glykolyse fehlen hier phosphoryilierte Zwischenstufen.
Der Citratzyklus ist Umschlagplatz für viele Zwischenverbindungen, er ist damit ein sogenannter
„metabolic pool“. Es werden hier die Vorstufen für verschiedene Syntheseprozesse bereitgestellt.
Ein solcher pool kann nur funktionieren wenn die entnommnen Zwischenverbindungen (zB
Oxalacetat) ständig erneuert werden. Oac wird entweder durch Anlagerung von CO2 an Pyruvat oder
über den Glyoxylatcyclus nachgeliefert. Solche „Auffüll Reaktionen“ nennt man anapleurotische
Reaktionen.
1.5.5 Endoxidation
Die hauptsächliche Energie des dissimilatorischen Abbaus kommt durch die gesteuerte Knallgasreaktion,
wobei in der Endoxidation der Wasserstoff, der nach der Glykolyse und dem Citratcyclus an
Wirkgruppen wie NAD und FAD gebunden ist, auf molekularen Sauerstoff übertragen wird.
Wie gesagt ist die Knakllgasreaktion im Sinne einer biologischen Reaktion aufgeteilt in kleine Teilbeträge.
Die Reaktionenthalpie beträgt �Go = -220 kJ/mol, wobei das Energiegefälle über ein
ADP/ATP System gekoppelt ist. Es kann aus dieser Energie über oxidative Phosphorylierung Energie
gewonnen werden.
Über verschiedene Redoxreaktionen im Laufe einer Elektronentransportkette wird ein pH-Gradient
zwischen Intermembranraum und Matrix erreicht. Dies geschieht dadurch, daß Protonenpumpen (in
der Membran verankerte Proteinsysteme) durch den Elektronentransport angetrieben werden. Diese
nehmen im Rahmen der Elektronentransportkette 2 Elektronen auf, gleichzeitig um die entstandene
negative Ladung zu stabilisieren, auch noch zwei Protonen von der Matrixseite. Bei Abgabe der
Elektronen an das nächste Redoxsystem in der Kette, werden auch die Protonen wieder abgegeben,
aber diesmal in den Intermembranraum. Durch diesen pH-Gradient entsteht ein pmf (=proton motive
force). Die pmf ist mit einem Membranpotential gekoppelt, das durch Ausfließen von Kationen aufrecht
erhalten wird, durch beide Phänomene wird ein arbeitsfähiger Potentialgradient erhalten.
Dies ist eine von mehreren Hypothesen, andere gehen über den Ubichinoncyclus, wo ein Radikal die
Anzahl der gepumpten Protonen verdoppelt 1 , und weiterhin kann der Bohr-Effekt bei Cytochromsystemen
miteinbezogen werden. Bei diesem Effekt handelt sich es um eine durch den
Oxidationszustand herforgerufene Konfirmationsänderung, die auch eine Änderung der sauren
Dissoziationskonstante bewirkt - Protonen werden bei einem Oxidationszustand viel leichter
abgespalten als bei einem anderen. 2 .
1 Siehe Libbert 5.Aufl. Seite 28
2 Dieser Effekt ist beim Hämoglobin zu beobachten. Siehe Stryer Seite 168

� Abb. 1-5: Elektronentransportkette der Endoxidation
Man sieht in der Abbildung, daß es 4 Hauptkomplexe in der Elektronentransportkette gibt. Komplex 1,
die NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase, oxidiert NADH zu NAD + und gibt die Elektronen über FMN
(Flavomononucleotid) an das Ubichinon weiter. Auch der Komplex 2, die Succinat-Ubichinon-
Oxidoreduktase, gibt die Elektronen, die es aus dem Citratcyclus (Succinat � Fumerat) gewinnt über
FAD an das Ubichinon weiter. Der Komplex 3, der Dihydroubichinon-Cytochrom c-Oxidoreduktase -
Komplex (=Cytochrom b/c1), oxidiert das Dihydroubichinon, das von den ersten zwei Komplexen
reduziert wurde, und gibt die entstandenen Elektronen an das Cyctochrom c weiter. Dieses reduzierte
Cytochrom c wird dann von Komplex 4, dem Cytochrom-c-Oxygen-Oxidoreduktase (Cytochrom a/a3
Komplex), oxidiert.
Pflanzen Mitochondrien haben zusätzlich noch zwei externe Dehydrogenase - Komplexe an beiden
Seiten der inneren Membran beide können zwar Elektronen von NADH auf Ubichinon übertragen,
dienen jedoch nicht als Protonenpumpen, die Energie geht also verloren. Ihre Funktion ist noch
weitgehend unbekannt. Ein weiterer Unterschied ist der Weg der alternativen Atmung (=CN-resistente
Atmung). CN und CO blockieren Komplex 4, der Elektronentransport hört in Gegenwart dieser bei
Tieren auf. Bei Pflanzen dagegen fließen Elektronen vom Ubichinon-Pool über ein anderen Komplex,
die alternative- Oxidase direkt auf den Sauerstoff. Die Pflanze kann zwar weiter atmen, da aber 2 der
3 Protonenpumpen durch diesen Weg ausgeschaltet sind, ist die ATP Ausbeute sehr gering.
Ein Kopplungsfaktor, der F1/Fo Komplex, der nach der chemiosmotischen Theorie nach Mitchell
arbeitet (Crossref photosy2.), wandelt über den pmf ADP in ATP um.

� Abb. 1-6: Schema des ATP-produzierenden
CFo/CF1 Komplex