Glykolyse

Question 1

Welche Stoffwechselwege stellen welche Substrate für Kohlenstoffdissimilation und Respiration bereit?

Answer 1

Oxidativer PentosePhosphat Weg:

-Umwandlung in Triose-P + Erzeugung von NADPH

Glycolyse:

-Umwandlung von Zucker in Organische Säuren + ATP und NADH

Lipidabbau

• Acetyl CoA:
• >Glucoeogenese: Neusynthese von Hexosen

Citrat-Zyklus : NADH Produktion + ATP Synthese

Question 2

4 Abschnitte Dissimilation und Respiration?

Answer 2

1. Glykolyse
2. Bildung von Acetyl-CoA
3. Tricarbonsäure-Zyklus (Zitronensäure- oder Krebs-Zyklus)
4. Elektronentransportkette (Atmungskette)

Question 3

Nettobilanz Glykolyse?

Answer 3

• 2 Moleküle ATP werden produziert
• 2 Moleküle NADH werden gebildet
• Glucose zu 2x Pyruvat abgebaut
• Bei ausreichenden O2 -Konzentrationen, Fortsetzung im Zitratzyklus
• Ohne O2 (anaerob) wird Pyruvat in Lactat oder Äthanol umgewandelt (Fermentation)

Question 4

In welche beiden Phasen lässt sich die Glykolyse einteilen?

Answer 4

◦ initiale Phase der Glykolyse: Substrate von verschiedenen Quellen werden in Triose-Phophate gebündelt, d.h. für jedes verstoffwechselte Saccharose-Molekül werden 4 Triose-Phosphat-Molekül gebildet; der Prozess verbraucht bis zu 4 ATPs

◦ Energie-erhaltende Phase der Glykolyse: Triose-Phosphat wird in Pyruvat umgewandelt; NAD⁺ wird zu NADH reduziert durch Glycerinaldehyd-3-phophat-dehydrogenase; ATP wird während der Rkt. Synthetisiert & durch Phosphoglycerat-Kinase und Pyruvat-Kinase katalysiert; das alternative Endprodukt Phosphoenolpyruvat kann zu Malat (für mitochondriale Oxidation) umgewandelt werden; NADH kann während der Fermentation durch entweder Lactat-Dehydrogenase oder Ethanol-Dehydrogenase reoxidiert werden

Question 5

Wie gelangen die Produkte der Glykolyse in die Mitochondrien?

Answer 5

• Produkte sind Pyruvat oder Malat
• 2 Möglichkeiten:

◦ Pyruvat kann durch einen Pyruvat/Hydroxyl-Ion-Transporter ins Mitochondrium gelangen

◦ Malat (als Zwischenprodukt der C4-/CAM-Photosynthese) kann durch Dicarbonsäure/Phosphat-Transporter dem Citratzyklus zugeführt werden

Question 6

grober Ablauf Acetyl-CoA-Bildung?

Answer 6

• = oxidative Decarboxylierung
• zwei Moleküle Pyruvat verlieren je ein Molekül CO2
• verbleibendes Acetat interagiert mit dem Coenzym A pro Hexose resultieren somit 2 Moleküle Acetyl-CoA
• durch den Verlust des CO2 kann Energie für Umwandlung von NAD+ in das reduzierte NADH genutzt werden
• Bilanz: 2 Pyruvat + 2 NAD⁺ ->2 Acetyl-CoA + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 CO2

Question 7

Aufbau Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex?

Answer 7

-Pyruvat-Dehydrogenase (E1), Dihydrolipoyl-Transacetylase (E2), DihydrolipoylDehydrogenase (E3)

◦ Cofaktoren: NAD+, CoA

◦ Prosthetische Gruppen: Liponsäure, Thiaminpyophosphat (TTP), FAD

Question 8

Ablauf der Reaktionen im Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex?

Answer 8

1) Kondensation und Decarboxylierung Bildung von Hydroxyethyl-TPP → ▪
2) Übertragung auf Liponsäure Übertragung Hydroxylester auf Liponamid & Oxidation zu einem → Acetylrest
3) Übertragung der Acetylgruppeauf Co-Enzym A

4+5) Oxidation der Thiol-Gruppen & Reduktion von NAD mittels FADH2

Question 9

Citratzyklus Energiebilanz

Answer 9

-pro Zyklus ein Pyruvat über Acetyl-CoA zu

Question 10

Elektronentransportkette Prinzip?

Answer 10

in der inneren Membran der Mitochondrien lokalisiert

• Aufbau eines Protonengradienten über die Membran (= chemiosmotischer Gradient)
• reduziertes NADH (aus Citratzyklus, Glykolyse und anderen Reaktionen der Zelle) kann wieder in NAD oxidiert werden Elektronen fließen in die ETK →
• Elektronen fließen von Komponenten mit einem negativem Redoxpotential (NADH) zu Komponenten mit einem elektropositiverem Potential (O2) letztendlich auf Sauerstoff übertragen →

◦ ½ O2 + 2 NADH H2O + 2 NAD⁺

Question 11

Aufbau Elektronentransportkette?

Question 12

Alkoholische Gärung?

Answer 12

• = Fermentation mit Ethanol und CO2 als Endprodukt
• sorgt für CO2 und Äthanol aus Glucose 82
• Kohlenstoff stammt vom Pyruvat und NADH wird oxidiert
• dient der Zufuhr von NAD+ für Glykolyse
• Reaktion: Glucose + 2 ADP +2 Pi 2 Ethanol + 2 ATP + 2 CO2 →
• Pyruvat wird zu Ethanol reduziert in 2 Schritten, wobei NAD+ oxidiert wird → Rückgewinnung der Reduktionsäquivalente

Question 13

Milchsäuregärung?

Answer 13

• = Fermentation mit Laktat als Endprodukt • Glucose wird in der Glykolyse zunächst zu Pyruvat abgebaut
• Pyruvat wird zu Lactat reduziert, um die Reduktionsäquivalente zurückzugewinnen
• Reaktion: Glucose + 2 ADP + 2 Pi 2 Lactat + 2 ATP

Question 15

Anaerob vs. Aerobe Atmung?

Answer 15

• anaerob-> 1 mol Glucose-> 2mol ATP
• aerob-> 1mol Glucose-> 36 ATP

Question 16

Warum ist der tatsächlich gewonnene Gesamtbetrag aus einem mol Glucose bei der Atmung nicht 36?

Answer 16

• Membranen lassen einige Protonen ohne ATP-Erzeugung durch
• einige Protonen aus dem Gradienten werden für andere Prozesse genutzt
• realistisch: 2,5 ATP pro NADH (= 25 ATP)
• realistisch: 1,5 ATP pro FADH2 (= 3 ATP)
• Total = 2 ATP (Glykolyse) + 25 ATP (aus 10 NADH) + 3 ATP (aus FADH2) = 30 mol ATP pro 1 mol Glucose
• Bei 7,6 kcal/mol ATP ergibt sich 228 kcal pro Glucose (enthält 686 kcal) → tatsächliche Energieausbeute ist ca. 33 %

Question 17

Wieviel ATP werden pro Atmungsschritt gewonnen?

Answer 17

Question 18

Wie funktioniert die Substratnachlieferung für die ATP-synthese?

Answer 18

◦ elektrochemischer Gradient pmf (durch Protonentransport in der Atmungskette) sorgt für die ATP-Bildung Intermembranraum: positiver, niedriger pH-Wert; Matrix: negativer, höherer pH-Wert → 84

◦ besonders der elektrische (Membran-) Potentialanteil für den Austausch von ADP aus dem Cytosol mit ATP aus der Matrix

◦ chemische Anteil des Gradienten für den Austausch Phosphat gegen OH⁻

Question 19

Welche Faktoren beeinflussen Respirationsrate?

Answer 19

• [Substrat] & [ATP]
• [O2]
• Temperatur
• Pflanzenspezies
• Pflanzenorgan
• Pflanzenalter

Question 20

Einfluss Substratverfügbarkeit auf Respiration?

Answer 20

• Respiration höher beim Sonnenuntergang als beim Sonnenaufgang
• Beschattete Blätter: langsamere Respiration als belichtete Blätter
• Nährstoffmangel sorgt für Abbau von Proteinen & Kohlenhydraten im Pflanzengewebe
• Hohe [ATP] in Zellen: negatives Feedback auf die Atmung

Question 21

Einfluss Sauerstoffkonzentration auf Respirationsrate?

Answer 21

2 . [Sauerstoff]

• kein negativer Effekt bis [O2] < 1%

→ Cytochromoxidase wenig sensitiv gegenüber O2-Mangel (bis 0.05%)

• O2 diffundiert im Wasser 10,000x langsamer als in der Luft 85
• einige Pflanzen: lufthaltige Interzellularen, z.B. Aerenchym in Sprossen und Wurzeln (Reis)
• bei sehr niedrigen Sauerstoffgehalten beschleunigter Zuckerabbau, der durch erhöhte CO2 -Abgabe erkannt → wird = Pasteur Effekt

Question 22

Auswirkung der Temperatur auf Respiration

Question 24

Welchen Einfluss haben Pflanzenart, Alter und Organ?

Answer 24

• Respirationsrate nimmt mit dem Alter tendenziell zu

◦ junge Bäume verlieren ca.1/3 des täglichen photosynthetischen Kohlenstoffs an die Respiration Ver → - dopplung bei älteren Bäumen (Verhältnis PS/Nicht-PS Gewebe nimmt ab)

• größere Stoffwechselaktivitäten = größere Atmungsraten ◦ Wurzelspitze, Knospe & meristematische Regionen haben generell höhere Respirationsraten

◦ vegetatives Gewebe: Respiration sinkt von der Spitze zu den adulten/entwickelten Regionen ab

• Samen niedrige Respirationsraten, Dormanz (Samenruhe) & Austrocknung Abnahme der Respiration → →
• reifende Früchte: Respiration hoch, wenn junge Zellen sich teilen und wachsen
• klimakterische (nachreifende) Früchte (Apfel, Tomate):

◦ scharfer Anstieg in der Atmungsrate sofort vor Beginn der Reifung = klimakterischer Anstieg in der Respiration

◦ Respiration zusammen mit der vollständigen Reife Anstieg der Ethylenproduktion → ◦ führt zur Seneszenz und einem Abfall der Respiration

• Nicht-klimakterische Früchte:

◦ Zitronen, Kirsche, Trauben, Ananas, Erdbeere

◦ insensitiv gegenüber Ethylen 5. Cyanid-resistente Atmung durch Alternative O

Question 25

Was ist die Cyanid-resistente Atmung durch Alternative Oxidase?

Answer 25

• metabolische Funktion:
• im Einsatz, wenn Cytochromoxidase beeinträchtigt ist
• bei Energieüberschuss: wenn die Atmungsrate den Bedarf an ATP übersteigt Möglichkeit, überschüssige Energie durch Hitze zu verlieren

▪ bei hohen Gehalten an Kohlenhydraten

• in einigen Aronstabgewächsen: CN-resistente Atmung zur Erhöhung der Temperatur um 10-20°C → fauliger Geruch lockt bestäubende Insekten in den kolbenförmigen Blütenstand, in dem für ca. 7 Std. die Temperatur um 25°C ansteigt

Question 26

Was ist Thermogene Respiration?

Question 27

Was versteht man unter Alternative NAD(P)H Oxidation und Entkoppler

Answer 27

• es kann zur Beeinträchtigung des Elektronentransports von Komplex I zu IV kommen alternative Wege →
• Alternative NAD(P)H-Oxidase kann e⁻ abziehen an O2 abgeben diese tragen dann nicht zum Aufbau → → des Protonengradienten bei Entspannung der ETK →
• mittel alternativer Dehydrogenasen (grüne Kästen) können NAD(P)H oxidiert werden (ohne Protonengradienten zu benötigen) e⁻ können auf Ubiquinon (UQH2) übertragen werden e⁻ Weitergabe an Komplex → → III usw.
• Komplex I kann durch Rotenon gehemmt werden
• alternative Oxidase kann e⁻ direkt vom Ubiquinon übernehmen, wenn innerhalb des e⁻-Transfers von Komplex II zu IV ein Stau (oder Hemmung vorliegt) entsteht
• Rotenon-insensitive NAD(P)H Dehydrogenasen sitzen auf der Matrixseite der Membran können NAD(P)H → zu NAD⁺ oxidieren