Mitochondrien und Energiestoffwechsel Flashcards
Thermodynamik
=Wärmelehre
enrgetische Betrachtung chemischer Reaktionen und physikalischer Prozesse
Kinetik
zeitlicher Ablauf chemischer Reaktionen
Bioenergetik
Energieumwandlung in lebenden Systemen
wichtigste Energieformen
potentielle Energie
kinetische Energie
Wämeenergie 8nicht verwertbar für Organismus)
elektrische Energie
chemische Energie (Moleküle, zB Glucose)
Strahlungsenegrie (Sonne)
erster Hauptsatz der Thermodynamik
Energie kann weder erschaffen noch vernichtet, sondern nur in andere Energieformen umgewandelt werden(“Energieerhaltung”)
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
Wärmeenergie kann nicht beliebig in andere Energieformen umgewandelt werden
Gibbs freie Energie (freie Enthalpie)
ΔG: Änderung der Gibbs freien Energie;
entspricht der “maximalen Nutzbarkeit” bzw. “Triebkraft” einer Reaktion
Gibbs freie Energie (freie Enthalpie)
ΔG < 0 -> Reakt. verläuft freiwillig (exergon) ΔG = 0 -> Reakt. ist im Gleichgewicht
ΔG > 0 -> Reakt. verläuft nicht freiwillig (endergon)
Reaktionswärme (=Reaktionenthalpie, H)
- Unterschied der “Enthalpie” (ΔH) des Systems vor und nach der chemischen Reaktion
- Entspricht bei Verbrennungen dem “Brennwert”
Gibbs-Helmholtz-Gleichung
- ΔG (Gibbs freie Energie bzw. freie Enthalpie)
- Maß für die “Triebkraft” einer Reaktion
- ΔS (Entropie)
- Maß für die Änderung der “Unordnung”
- ΔH (Enthalpie)
- Maß für die Änderung der Wärme
- T (Temperatur)
- Ein System strebt den Zustand größtmöglichster Unordnung an.
- Das Maß der Unordnung eines Systems ist neben der Reaktionswärme ein Faktor, der bestimmt, ob eine chemische Reaktion abläuft.
- Ein chemische Reaktion kann nur freiwillig (ΔG < 0) ablaufen
Massenwirkungsgesetz
Massenwirkungsgesetz:
Im Gleichgewichtszustand ist der Quotient aus dem Produkt der Konzentrationen der Produkte und dem Produkt der Konzentrationen der Edukte konstant. Damit sind auch die Konzentrationen konstant
Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht
- die Geschwindigkeit einer Reaktion ist proportional zur Aktiviät/Menge der Edukte
- in Gleichgewichtsreaktion nimmt Aktivität/Menge der Produkte zu und die der edukte ab -> Vergrößerung der Geschwindigkeit der Rückreaktion
- Gleichgewicht ist erreicht, wenn
- beide Reaktionsgeschwindigkeiten gleich groß sind
Energieübertragung durch Kopplung von endergoen und exergoenen reaktionen
zB Phosphorylierung von Metaboliten mit ATP:
exergone Reaktion (“freiwillige”, ΔG < 0):
- ATP +H2= -> ADP + Pi ΔG0’: -30,5 kJ/mol
endergone Reaktion (“nicht freiwillig”, ΔG > 0)
- Glucose + Pi -> Glucose-6-Phosphat +H2O ΔG0’: +13,8 kJ/mol
chemische Kopplung:
- Bei der Hydrolyse mit ATP wird Energie frei, wobei ein Teil der Energie zur Übertragung der Phosphatgruppe genutzt wird
- Glucose + ATP -> Glucose-6-Phosphat + ADP ΔG0’: -16,7 kJ/mol
ΔGGesamt= ΔG1 + ΔG2
Einfluss Konzentration auf “Triebkraft” (ΔG)
um ΔG zu senken, damit Reaktionen freiwillig ablaufen, kann man auch die Konzentration der Edukte erhöhen, zb indem man die reaktion in ein Zellorganell verlegt (kleinerer Raum -> höhere Konzentration)
durch das Weitereagieren 8Fließgleichgewicht (A -> B -> C -> D) wird dann wieder die Konzentration der Produkte gesenkt
Einflüsse auf Reaktionsgeschwindigkeit
die Reaktionsgeschwindigkeit hängt von den Konzentrationen der Edukte ab, je mehr Edukte desto schneller die Reaktion
Reaktion erster Ordnung: A -> B+C : je mehr A desto schneller die Reaktion: v = k * [A]
Reaktion zweiter Ordnung: A +B -> C : es müssen sowohl mehr A als auch b vorhanden sein, damit die reaktion schneller abläuft: v=k *[A]*[B]
Reaktion pseudo-erster Ordnung: A+B-> C (B im Überschuss): da B im Überschuss ist, hat nur die Erhöhung von A eine schnellere Reaktion zur Folge: v=k’*[A]
energetische Grundlagen der Enzymkatalyse
Katalysatoren (= Enzyme):
- liefern keine Energie
- haben keinen Einfluss auf Lage des Gleichgewichts
- beschleunigen Reaktion (lösen diese aber nicht aus)
- gehen selbst unverändert aus Reaktion hervor
- setzen Aktivierungsenergie herab
Energiestoffwechsel
Definition: umfasst alle Stoffwechselprozesse lebender Systeme, die der Energiegewinnung dienen. Dabei kann man chemotrope (chemische Reaktionen als Energiequelle) und phototrope (Licht als Energiequelle) Reaktionen unterscheiden.
chemotroper Energiestoffwechsel:
- fermentativ : Laktose + H2O -> 4 Lactat + 4 H+
- oxidativ: Glucose + 6O2 -> 6CO2 +6H2O
Subzelluläre Lokalisation von Energiestoffwechsel
zytosolische Prozesse:
- Glykolyse
- Adenylatkinase
- Transaminierung
mitochondriale Prozesse:
- Citratzyklus (Matrix)
- ß-Oxidation (Matrix)
- Atmungskette (Innenmembran)
- oxidative Phopshorylierung(Innenmembran)
Heteroplasmie
Definition: gleichzeitiges Vorliegen von mutierter und normaler mDNA in einer Zelle bei Mitochondriopathien. Der prozentuale Anteil an mutierter DNA in einer Zelle bestimmt die Schwere des Krankheitsbildes
- Mitochondrien tragen eigene DNA, die 37 Gene besitzt und für 13 Untereinheiten von Atmungskettenenzymen kodiert. Die DNA wird ausschließlich maternal vererbt.
- Die Mitochondrien der befruchteten Eizelle werden zufällig auf die verschiedenen Gewebe verteilt -> sehr unterschiedliche Ausprägungsgrade von Mitochodriopathien
Pyruvat-Dehydrogenase
Enzym (in der mtochondrialen Matrix) für die irreversible oxidative Decarboxylierung von Pyruvat
Für die Energiegewinnung von Kohlenhydraten essentiell (verbindet zB die glykolyse mit dem Citratzyklus)
Reaktion: Bei der oxidativen Decarboxylierung wird vom Pyruvat (C3) Kohlenstoffdioxid (CO2) abgespalten und ein NADH gewonnen. Dabei wird eine energiereiche Thioesterbindung zwischen Coenzym A und dem Acetatrest gebildet, so dass Acetyl-CoA entsteht. Die Energie hierfür stammt aus der Decarboxylierung. Die Umwandlung von Pyruvat zu Acetyl-CoA ist unter physiologischen Bedingungen irreversibel
Carnitin
Rezeptormolekül für aktivierte Fettsäuren in Mitochondirenmembranen (können nur ausschließlich mit Carnitin transportiert werden)
MCAD-Defekt
- Störung der Oxidation der mittelkettigen Fettsäuren
- mangelnde Bildung von Ketonkörpern, Unterzuckerung (=hypoketotische Hypoglykämie)
- Symptome treten vor allem in Fastensituationen auf
- die Erkrankung kann zum Tod führen
- seit 2004 bundesweit Untersuchung aller Neugeborenen auf MCAD-Defekt
- Häufigkeit MCAD
- Defekt 1:10.000
- bei früher Diagnosestellung sehr gutes Outcome
Therapie bei MCAD
- Vermeiden von Fastensituationen
- ggf. kohlenhydratreiche, fettarme Kost
- Fette mit mittelkettigen Fettsäuren meiden
- evtl. Gabe von Carnitin
- Notfallregime festlegen, Plan aushändigen!
- Schulung der Eltern/Betreuungspersonen
Pathophysiologie MCAD
- > hypoketotische Hypoglykämie
- >Laktatazidose: da Laktat als zwischenprodukt abfällt und de pH-Wert mindert
Wodurch zeichnen sich Enzyme aus?
Reaktions-, Substrat- und Regulationsspezifität
Glykolyse-Stoffwechsel Übersicht
- findet im Zytosol statt
- Phosphorylierungen auf C6-Niveau (ATP-Verbrauch) -> Spaltung zu C3-Körpern, Reaktionen auf C3-Niveau -> Endprodukte der Glykolyse (aerob/anaerob) (aerob: Pyruvat, anaerob: Laktat
- Energiebilanz (ATP/NADH)
- aerob: 2 mol ATP & 2 mol NADH+H pro mol Glukose
- anaerob: 2 mol ATP pro mol Glukose
Schlüsselenzyme
- Hexokinase/Glucokinase
- Phosphofruktokinase
- Pyruvatkinase
Je mehr Substratmoleküle in einer definierten Zeit umgesetzt (Wechselzahl; Einheit sec-1) werden umso…?
höher die Aktivität eines Enzyms
In welcher Einheit wird die Enzymaktivität angegeben?
U/l (μmol/l*min) oder katal/l (mol/l*sec)
Verlauf einer Enzym-katalysierten Produktbildung
Wie wird die Enzymaktivität gemessen?
zeitliche Änderung des Substratverbrauchs oder die Produktbildung (oder die Ab- bzw. Zunahme beteiligter Koenzyme wie z.B. NADH).
Wie bestimmt man die zeitliche Änderung des Substratverbrauchs oder die Produktbildung?
optische (fotometrische) Methoden
Was wird bei optische (fotometrische) Methoden gemessen?
Lichtabsorption des umgesetzten Substrates, des entstehenden Produktes oder von NAD+/NADH bestimmt
Was macht man wenn die Reaktion nicht photometrisch bestimmbar ist?
die enzymatische Reaktion mit einer weiteren Reaktion koppeln, die fotometrisch messbar ist
Wie nennt man die optischen Verminderung der Lichtintensität durch die Absorption von Lichtquanten an Molekülen in einer Lösung?
Extinktion (E)
Zu was ist die Extinktion E bei der photometrischen Messung proportional?
zur Konzentration der absorbierenden Moleküle und ist somit ein Maß für die Konzentration eines Stoffes.
Wodurch ergibt sich die Enzymaktivität?
Änderung der Extinktion einer an der Reaktion beteiligten Substanz je Zeiteinheit
Wovon ist die Enzymaktivität besonders abhängig?
von der Menge des Enzyms abhängig (d.h. eine Erhöhung der Enzym-Moleküle führt zu einer proportionalen Erhöhung der messbaren Enzymaktivität)
Einflüsse auf die Enzymaktivität
- die Temperatur
- der pH-Wert
- die Enzymkonzentration
- dieEffektorkonzentration.
Was bewirkt eine Erhöhung der Reaktionstemperatur?
Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit (RGT- Regel: eine Erhöhung der Temperatur um 10 Grad führt zu einer Verdopplung bis zu einer Vervierfachung der Reaktionsgeschwindigkeit).
Was tritt Parallel zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit auf? (was passiert mit dem Enzym)
Denaturierungsprozesse, die zu einem Verlust der biologischen Aktivität führen
Enzym (E) und Substrat (S) vereinigen sich zu einem intermediären Enzym-Substrat- Komplex (ES). Dieser kann entweder wieder in E und S dissoziieren oder nach erfolgter Katalyse in den Enzym-Produkt-Komplex umgewandelt werden
Michaelis-Menten-Gleichung
Die Substratkonzentration, bei der die Hälfte des Enzyms als Enzym- Substrat-Komplex vorliegt ist beschrieben durch den?
Km-Wert
Der Km-Wert beschreibt?
die Affinität eines Enzyms zu dem untersuchten Substrat. Dieser Wert ist für jedes Enzym und Substrat spezifisch.
Inhibitoren die eine große Ähnlichkeit mit dem Substrat des Enzyms aufweisen nennt man?
Kompetitive Inhibitoren.
Sie konkurrieren mit diesem um die Bindung an die Substratbindungsstelle des Enzyms, können jedoch nicht zu einem Produkt umgesetzt werden.
Vmax beschreibt die?
Maximalgeschwindigkeit der Reaktion bei dem alle Enzyme maximal arbeiten.
Wenn ein Hemmstoff an das Enzym bindet und irreversibel blockiert nennt man das?
nicht-kompetitiver Inhibitor
Als Folge ist die Anzahl der funktions- fähigen Enzyme und damit Vmax reduziert.
Die Affinität des verbleibenden nicht gehemmten Enzyms zum Substrat ist hingegen nicht verändert, und der Km-Wert bleibt gleich
Schlüsselenzyme
- katalysieren geschwindigkeitsbestimmende Schritte, d.h. der Gesamtprozeß kann maximal so schnell ablaufen wie der langsamste Schritt
- katalysieren irreversible Reaktionen (stark exergone Reaktionen, stark negatives ΔG)
- sind Regulationsstellen innerhalb eines Stoffwechselweges
- sind oft Kinasen und Dehydrogenasen
- sind allosterisch regulierbar
Schrittmacherenzym
- katalysiert die erste irreversible Reaktion eines Stoffwechselweges
- Bsp.: Phosphofruktokinase-1 in der Glykolyse (Hexokinasereaktion gehört zu vielen Stoffwechselwegen: Glykolyse, Glykogensynthese, Pentose-Phosphatweg)
Gluconeogenese
- Definition: Neubildung von Glukose aus Nichtkohlenhydratsubstraten
- findet fast ausschließlich im Zytosol ER (Glukose-6-Phosphatase) und Mitochondrium (Pyruvatcarboxylase) der Niere, Leber und (Dünndarmepithel)
- energetisch ungünstig, pro Molekül Glukose 6 ATP verbraucht, nettobilanz 4 ATP
- kommt nur nach längerem Fasten vor, da zB Erys und Nervenzellen Glukose benötigen
- aus Lactat, Glycerin und glycogenen Aminosäuren (Muskeln)
- prinzipiell eine Umkehrung der Glykolyse, irreverible reaktionen müssen aber umgangen werden
- Phosphoneolpyruvat zu Pyruvat
- Fruktose-6-Phosphat zu Fruktose-1,6-Bisphosphat
- Glukose zu Glukose-6-Phosphat
Penthosephosphatweg
- Synthese von NADPH und Ribose-5-Phosphat
- Aufbau Gluathin-Reduktase: wichtig für Aufbau von Glutathion (wichtiger Schutz vor oxidativen Stress)
- Schlüsselenzym ist Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase: Glukose-6-Phosphat zu 6- Phospho-Glukonolakton
- reversible Umwandlung von Monosacchariden
- Enzyme: Transketolase und Transaldolase
- Coenzym der Transketolase: Thiaminpyrophosphat (Phosphatester von Vitamin B1)
- oxidativer Abschnitt ist irreversibel (Hier wird NADPH/H+ und Ribose-5-Phosphat hergestellt)
- nicht-oxidativer Abschnitts: Anschluss an die Glykolyse: am Ende stehen deren Zwischenprodukte Fruktose-6-Phosphat und Glyceral-3-Phosphat
Kompartimentalisierung im Kohlenhydratstoffwechsel
- im Cytosol: Glykolyse, pentosephosphatweg, fettsäuresynthese
- In der mitochondrialen Matrix: Atmungskette, Citratzyklus, Fettsäureabbau, Ketogenese
- in beiden: Glukoneogense, Harnstoffsynthese
Schlüsselmetabolite des Kohlenhydratstoffwechsels
Glucose
- Monosaccharid und Ausgangsstoff der Glykolyse. Ein C6-Körper
Lactat
- Säure und Produkt der anaeroben Energiegewinnung. Es wird aus Pyruvat hergestellt, weil in diesem Umwandlungsschritt auch NADH/H+ zu NAD+ umgewandelt wird, welches für das Fortschreiten der Glykolyse erforderlich ist
Pyruvat
- Am Ende der Glykolyse entstehen 2 Pyruvate, C3 Körper. Diese werden noch etwas modifiziert und dann in den Zitratzyklus eingeschleust
Substratkettenphosphorylierung
zwei verschiedene Möglichkeiten der ATP-Gewinnung
- oxidative Phophorylierung (Atmungskette)
- Substratkettenphosphorylierung:
- direkte Übertragung einer Phosphatgruppe von einem energiereichen Substrat (energiereiche Verbindung) auf ein ADP oder GDP
- ermöglicht anaerobe ATP Gewinnung
Reversibilität
bedeutet, dass die Prozesse in beide Richtungen ablaufen können
wichtige Reaktionsprinzipien des kohlenhydratstoffwechsels
- Substratkettenphosphorylierung
- Oxidation
- Reversibilität
Einschleusung von Fructose in die Glykolyse
Im Fettgewebe und im Muskel wandelt Hexokinase Fructose direkt zu Fructose-6-phosphat um und schleust sie damit in die Glykolyse ein. Die Leber, die den Hauptteil der Fructose verwertet, nutzt den Einstieg über Triosephosphate.
Malat-Aspartat-Shuttle
Innere Mitochondrienmembran undurchlässig für z.B.: NADH, Oxalacetat, Acetyl-CoA, Acyl-CoA -> indirekter Transfer über Shuttles
Malat-Aspartat-Shuttle:
Oxalacetat wird reduziert (NADH-> NAD+) zu Malat. Malat kann über ein malat-spezifischen carrier über die membran gelangen und wird auf mitochondrialer seite wieder zu Oxalactet (NAD+->NADH) oxidiert
zur Aufrechterhaltung des zyklus wird nun auf mitochondrialer Seite Oxalacetat transaminiert 8mit Hilfe von cytosolischen Glutamat) und wird zu Aspartat, das wiederum wieder über einen spezifischen carrier auf cytosolische seite kommt und dort wieder desaminiert wird zu Oxalacetat
kein aktiver Transport: gelingt nur entlang des Konzentrationsgefälles (nur wenn c(NADH) cytosolisch höher als mitochondrial ist
Citratzyklus
Funktion:
- katabolisch: Oxidativer Abbau von Acetyl-CoA (“aktivierte Essigsäure”) zu 2 CO2
- anabolisch: Bereitstellung von Substraten für verschiedene Biosynthesen
in Matrix der Mitochondrien aller aerob arbeitende Zellen (z.B. nicht in Erythrocyten)
Bilanz: Acetyl-CoA + 3 NAD++ FAD + GDP + Pi+ 2 H2O -> 2 CO2+ 3 NADH + FADH2+ GTP + CoA
katabole Funktion des Citratzyklus
Oxidativer Abbau von Acetyl-CoA (“aktivierte Essigsäure”) zu 2 CO2, 1 CoA, 3NAD+->NADH, FAD->FADH2, GDP+Pi->GTP
anabole Funktion des Citratzyklus
Bereitstellung von Substraten für verschiedene Biosynthesen:
- Citrat -> Fettsäuren, Cholesterol
- α-Ketoglutarat -> Aminosäuren (zB Glutamat)
- Succinyl-CoA -> Häm
- Oxalacetat -> 1. Aminosäuren (zB Aspartat) 2.Phosphoenolpyruvat -> Glucose
anaplerotische (auffüllende) Reaktionen des Citratzyklus
es müssen neue Moleküle in den Kreislauf gebracht werden, damit dieser auf grund der anabolen Funktion nicht zusammenbricht:
- Aminosäuren (zB Glutamat) -> α-Ketoglutarat
- Aminosäuren -> Succinyl~CoA
- Aminosäuren -> Fumarat
- Pyruvat (+CO2) -> Malat
- Aminosäuren (zB Aspartat) -> Oxalacetat
- Glucose -> Pyruvat (+CO2) -> Oxalacetat
Funktion NADH und FADH2
- sind Reduktionäquivalente
- NADH und FADH sind Oxidreduktasen und somit Elektronentransporter
- können reversibel oxidiert, oder auch reduziert werden
- NADH und FADH ind meist an katabolen Oxidationen beteiligt
NADH +H+
- entsteht bei der Glykolyse (2 pro Glukose)der oxidativen Decarboxylierung (2 pro Glukose) und dem Zitratzyklus (6 pro Glukose)
- wird in der Atmungskette unter ATP-Gewinnung zu NAD oxidiert -> es wird ca. 220 kj/mol Energie frei
- hat im Gegensatz zu NAD+ im Photometer neben der Absorptionszacke bei 260 nm auch eine solche bei 340 nm, was zu deren Unterscheidung genutzt wird
FADH2
ensteht unter anderem auch im Citratzyklus bei der Umwandlung von Succinat in Fumarat und wird in der Atmungskette wieder abgebaut
Reaktionen des Citratzyklus
Reaktionen:
1) Oxalacetat reagiert mit Acetyl-CoA, Wasser durch die Citrat-Synthase als Kondensationsreaktion zu Citrat, kann durch Citrat, NADH, Succinyl-CoA, ATP inhibiert werden
2) Citrat reagiert durch die Aconitase zu Isocitrat
3) Isocitrat reagiert mit NAD+ durch die Isocitrat-Dehydrogenase durch oxidative Decarboxylierung zu α-Ketoglutarat, NADH und CO2. kan durch NADH und ATP inhibiert werden
4) α-Ketoglutarat reagiert mit NAD+, CoA-SH durch den α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex durch Oxidative Decarboxylierung zu Succinyl-CoA, NADH, CO2. kann durch NADH, Succinyl-CoA inhibiert werden
5) Succinyl-CoA reagiert mit GDP und Phosphat durch die Succinyl-CoA-Synthetase als Phosphat-Transfer zu Succinat, GTP und CoA-SH
6) Succinat reagiert mit FAD durch die Succinat-Dehydrogenase als Oxidation zu Fumarat und FADH2. kann durch Malonat inhibiert werden
7) Fumarat reagiert mit Wasser durch die Fumarase als Hydratisierung zu L-Malat
8) L-Malat reagiert mit NAD+ durch die Malatdehydrogenase als Oxidation zu Oxalacetat und NADH
Regulationsmechanismen Citratzyklus
Regulationsprinzipien
- Allosterie: Aktivität des Enzyms wird durch Bindung eines Regulators beeinflusst (Bindung erfolgt nicht an der Substratbindungsstelle). z.B.: Hemmung der Citrat-Synthase durch ATP
- Rückkopplung: Aktivität des Enzyms wird Zwischen- oder Endprodukte des Stoffwechselweges beeinflusst (direkte Produkthemmung oder Allosterie). z.B.: Hemmung der Citrat-Synthase durch das Produkt Citrat
- Interkonversion: Aktivität von Schlüsselenzymen wird durch Phosphorylierung/Dephoshorylierung reguliert. z.B.: Pyruvat-Dehydrogenase
- kinetische Kontrolle: Konzentration des Substrates liegt weit unterhalb der Enzymsättigung –> Geschwindigkeit der Reaktion ist stark von der Substratkonzentration abhängig. z.B.: Citrat-Synthase (Konzentration von Acetyl-CoA und Oxalacetat)
aktivierte Essigsäure
- wird auch als Acetyl~CoA bezeichnet
- entsteht
- durch oxidative Decarboxylierung des Pyruvats nach der Glykolyse (nur durch Katalyse durch das Enzym Pyruvat-Dehydrogenase [Cofactoren: Thiamin, Liponsäure, FAD])
- durch β-Oxidation
Verwendung:
- kann in den Zitratzyklus eingeschleust werden -> Energiegewinnung
- kann zur Synthese von Triglyzeriden, Ketonkörpern oder Cholesterol herangezogen werden
Acetyl-CoA kann nicht direkt Mitochondrium verlassen -> s.o. Citrat- bzw. Tricarbonsäureshuttl
die wichtigsten anabolen und katabolen Reaktionswege des Lipidstoffwechsels
Anaboler Lipidstoffwechsel
- Triglyzeridsynthese (Prinzip, Reaktionen, Regulation)
- Fettsäuresynthese (Prinzip, Reaktionen, Regulation)
- Cholesterolsynthese (Prinzip, Reaktionen, Regulation)
- Kataboler Lipidstoffwechsel
- Lipolyse (Prinzip, Reaktionen, Regulation)
- ß-Oxidation (Prinzip, Reaktionen, Regulation)
- Cholesterolabbau (Prinzip, Reaktionen, Regulation
Schlüsselmetabolite der anabolen und katabolen Lipidstoffwechsel
Azetyl~CoA:
- aus Abbau von Kohlenhydraten, Lipiden, Aminosäuren
- Synthese von FS, Cholesterol und Ketonkörpern
ß-HMG:
- aus 3 Azetyl~CoA
- Synthese von Cholesterol und Ketonkörpern
Glyzerophosphat
- aus Gylkolyse (DOAP und/oder GAP)
- Synthese von Gylzerolipiden (Triglyzeride, Phospholipide)
Phosphatidsäure:
- aus Glykolyse und FS-Synthese
- Synthese von Glyzerolipiden (Triglyzeride, Phospholipide)
warum kommt es während einer Mitochondriopathie zu vermehrter Laktatbildung?
aufgrund von Störungen des Mitochondriums Pyruvat nicht weiter abgebaut werden kann und nicht in das Mitochondrium hinein gelangen -> es steigt die Konzentration des Laktats (anaerobe Glykolyse) aufgrund des Rückstaus an Pyruvat
Besonderheiten von mitochondrialen Erbgängen
Mitochondriopathien können sowohl maternal (-> mitochondrial) als nukleär (autosomal rezessiv) vererbt werden. es kommt darauf an wo der gendefekt vorliegt
Die Wahrscheinlichkeit einer autosomal rezessiven Vererbung ist höher als die der maternalen, denn die mtDNA codiert nur für 13 Proteine und die nukleäre-DNA ca. 600
Chemieosmotische Kopplung [Prinzip]
- Nutzung eines elektrochemischen Gradienten zur Synthese von ATP
- Protonenpumpen in der Atmungskette (Elektronentransportkette) erzeugen einen Protonengradienten über die innere Mitochondrienmembran
- Die Umwandlung der im Protonengradienten zwischengespeicherten Energie in chemische Energie erfolgt an der ATP-Synthase
- Die Gesamtreaktion wird als “oxidative Phosphorylierung” bezeichnet
Oxidative Phosphorylierung [Prinzip]
- Bei der Oxidation der Nahrung werden Elektronen auf NAD+bzw. FAD übertragen (z.B. Fettsäureabbau (β-Oxidation) und Citratzyklus)
- In der Atmungskette (auch: Elektronentransportkette) werden die Elektronen von NADH bzw. FADH2 über eine Reihe von Elektronen- Carrieren auf Sauerstoff übertragen (“kontrollierte Knallgasreaktion”)
- Bei der in Stufen ablaufenden Übertragung der Elektronen werden Protonen aus der mitochondrialen Matrix hinausgepumpt. ATP entsteht, wenn die Protonen durch einen Enzymkomplex (ATP-Synthase) in die mitochondriale Matrix zurückfließen
1 NADH -> Transport von 10 H+->Bildung von ca. 2.5 ATP
1 FADH2 ->Transport von 6 H+ -> Bildung von ca. 1.5 ATP
Bedeutung des Redoxpotentiuals in der Atmungskette
- Eine Redoxreaktion verläuft freiwillig nur von niedrigem Reduktionspotential zu hohem, also von einer reduzierten Form zu einer oxidierten Form, die in der elektrochemischen Spannungsreihe unter ihr steht
- Das Reduktionspotential (Redoxpotential) ist ein Maß für die Stärke eines Reduktions- bzw. Oxidationsmittels. Standardpotential (Normalpotential)
- Sind H+ oder OH- Ionen beteiligt, hängt das Reduktionspotential vom pH-Wert ab
- Liegt ein ein negatives Potential vor, handelt es sich um eine Oxidation und es ist ein Reduktionsmittel, d.h. es ist bestrebt Elektronen abzugeben.
- Liegt ein positives Potential vor, handelt es sich um eine Reduktion und ein Oxidationsmittel, d.h. es ist bestrebt Elektronen aufzunehme
Komplex I der Atmungskette
- es werden Elektronen von NADH auf Ubichinon übertragen
- NADH-Dehydrogenase
- Komplex I (NADH Dehydrogenase) überträgt Elektronen von NADH über FMN =Flavomononukleotid (nicht-kovalent, aber fest an Komplex gebunden) und FeS–Zentren (prosthetische Gruppen) auf Ubichinon (auch Coenzym Q genannt)
- NADH +Ubichinon(Q) + 2H+innen⇒ NAD++ Ubichinol(QH2) + 4H+außen
- Es werden 4 Protonen aus dem Inneren in den Zwischenmembranraum gepumpt
- Inhibitor: Rotenon blockiert die Bindungsstelle von Ubichinon (Q) am Komplex I
Komplex II der Atmungskette
- nutzt FADH2 aus dem Zitratzyklus zur Bildung von Ubichinol
- Kovalent an den Komplex II (Succinat-Dehydrogenase) gebundenes FAD (prosth.Gruppe) wird im Zitratzyklus zu FADH2 reduziert
- Von FADH2 werden die zwei Elektronen über 3 FeS-Zentren auf ein Häm b übertragen und zur Bildung von Ubichinol (QH2)genutzt: Ubichinon(Q) + 2 H+ + 2 e-⇒Ubichinol (QH2)
- Inhibitoren blockieren z.B. die Bindungsstelle für Succinat, wie z.B. Malonat (kompetitive Enzymhemmung).
- Der Komplex II pumpt keine Protonen, sondern bildet nur den Quereinstieg für Elektronen aus dem Zitratzyklus
Komplex III der Atmungskette
- überträgt Elektronen von Ubichinol auf Cytochrom c
- Komplex III (Cytochrom-bc1-Komplex oder Cytochrom-cReduktase) erzeugt aus 2 Cyt cox + 2 QH2 ⇒ QH2 + Q + 2 Cyt c red
- Dabei werden 4 Protonen (von den 2 QH2) in den Membran-Zwischenraum transloziert, 2 (aus dem Innenraum) an QH2 gebunden
- Die Übertragung QH2 -> Cyt c läuft über FeS–Zentrum und Häm c1 auf die Hämgruppe des Cyt c.
- Die Übertragung im Q-Zyklus geht über Qo (äußere Q-Bindungsstelle) → Häm bL → Häm bH → Qi (innere Q-Bindungsstelle); der Q-Zyklus stellt eine Zwischenspeicherung für e- dar, von denen zwar 2 aufgenommen werden , aber nur je 1 auf Cyt c übertragen werden kann.
- Inhibitoren blockieren die Q-Zentren: z.B.blockiert Antimycin A Qi
Komplex IV der Atmungskette
- reduziert O2 zu Wasser
- Komplex IV (Cytochrom-c Oxidase) überträgt die Elektronen von Cyt cred auf Sauerstoff 4Cyt cred + O2 + 8H+ innen → 4 Cyt cox + 2H2O + 4H+außen Elektronen werden über Cu(A) und Häm a auf Häm a3/ Cu(B) Zentrum transferiert und reagieren dort mit O2 und Protonen zu Wasser.
- Es werden insgesamt 8 Protonen aus dem Innenraum entnommen; 4 werden in Form von Wasser gebunden, 4 in den Zwischenmembranraum transportiert.
- Inhibitoren blockieren die Bindungsstelle für O2: CO, CN-, Azide
Protonengradient
Maß für die Steilheit eines Protonen-Konzentrationsgefälles
Konzentrationsunterschied an Protonen, zwischen zwei Kompartimenten,zB zwischen Mitochondrienmatrix und Intermembranraum (durch die innere Mitochondrienmembran)
ATP-Synthase
- jede β-Untereinheit ist in Abhängigkeit ihrer Konformation fähig ATP zu synthetisieren 8β-Konformation wird durch γ-Untereinheit festgelegt)
- Fo enthält des protonenkanal der Synthase: a- und c- sind funktionelle Untereinheiten der Protonenleitung
- das Enzym besteht aus 2 funktionellen Einheiten:
- Rotor (c-Ring, γε-Stiel)
- Stator (Rest des Enzyms)
- Protonenstrom bewegt den c-Ring, der γε-Stiel bewegt sich und γ bekommt unterschiedlichen kontakt zur β-Untereinheit -> Konfirmationsänderung
- jede Rotation der γ-untereinheit um 360° führt zur Synthese von 3 Molekülen ATP
- 4 Protonen müssen Fo passieren, um ein Molekäul ATP zu erzeugen
Inhibitoren und Entkoppler der mitochondrialen Atmungskette [Wirkunsgweise]
- Entkoppler sind Substanzen, die die Atmungskette von der Funktion der ATP-Synthase abtrennen. z.B.: Thermogenin bildet Kanäle in der Membran, durch die Protonen in die Matrix zurück fließen können. Dadurch bricht der Protonengradient zusammen, die gespeicherte Energie geht in Form von Wärme verloren
- Inhibitoren hemmen die Atmungskette, z.B. durch Blockierung der Bindungsstelle für O2 an Cytochrom: Kohlenmonoxid (CO) und Cyanid (CN–)
aktivierte Essigsäure
Coenzym A
Coenzym A (auch Koenzym A, kurz CoA oder CoASH) ist ein Coenzym, das zur „Aktivierung“ von Alkansäuren und deren Derivaten dient und am Energiestoffwechsel beteiligt ist. Es ist Acylgruppenüberträger in Acyltransferasen (E.C. 2.3.N.N.) und CoA-Transferasen (E.C. 2.8.3.N).
Schlüsselenzyme Citratcyklus
Pyruvat-Dehydrogenase
Pyruvat (C3) -> Acetyl-CoA (C2) (NAD+ -> NADH; CoA -> CO2)
Aktivierung: Dephosphorylierung, AMP, NAD+, CoA, Pyruvat
Deaktivierung: Phosphorylierung, ATP, NADH, Acetyl-CoA
Citrat-Synthase
Oxalacetat (C4) + Acetyl-CoA (C2) -> Citrat (C6)
Aktivierung: ADP
Deaktivierung: Citrat, ATP, NADH, Succinyl-CoA
Kinase
Phosphoryliert, d.h. hängt Phosphatrest(e) an
zB andere Enzyme -> De-/Aktivierung
zB Deaktivierung von Pyruvat-Dehydrogenase durch Dephosphorylierung
Phosphatase
Dephosphoryliert, d.h. trennt Phosphatrest ab
zB andere Enzyme -> De-/Aktivierung
zB Aktivierung von Pyruvat-Dehydrogenase durch Dephosphorylierung
NADH + H+
NADH + H+
• entsteht bei der Glykolyse (2 pro Glukose), der oxidativen Decarboxylierung (2 pro Glukose) und
im Zitratzyklus (6 pro Glukose)
• wird in der Atmungskette unter ATP-Gewinnung zu NAD+ oxidiert -> es wird ca. 220 kj/mol Energie
frei
• hat im Gegensatz zu NAD+ im Photometer neben der Absorptionszacke bei 260
nm auch eine bei 340 nm, was zu deren Unterscheidung genutzt wird (Kontext: wird zum Beispiel zur Bestimmung von Enzymaktivität benutzt, weil bei 340 nm der Umsatz von NAD+ zu NADH messbar ist)
NAD+ kann zwei e- (Elektronen) binden, aber nur ein Proton. Darum wird es in der reduzierten Form als NADH + H+ geschrieben und nicht als NADH2.
Die in NADH + H+ übertragene Energie kann nicht direkt das Mitochondrium verlassen, sondern wird auf Malat übertragen und durch den Malat-Aspartat-Shuttle transportiert
Reduktionsäquivalente
NADH und FADH sind Oxidreduktasen und somit Elektronentransporter. Sie können reversibel oxidiert,
oder auch reduziert werden. NADH und FADH sind meist an katabolen Oxidationen beteiligt. (Vergleiche: NADPH ist meist an anabolen Reduktionen beteiligt)
FADH2
entsteht:
- im Citratcyclus, wenn Succhinat zu Fumarat umgewandelt wird
- in der β-Oxidation
kann zwei e- und zwei Protonen binden
Allosterie
Aktivität des Enzyms wird durch Bindung eines Regulators an einem allosterischen Zentrum (allos – der andere; also nicht das aktive Zentrum, sondern ein anderes) beeinflusst. Die Bindung erfolgt nicht an der Substratbindungsstelle.
zB: Hemmung der Citrat-Synthase durch ATP
Rückkopplung
Aktivität des Enzyms wird durch Zwischen- oder Endprodukte des Stoffwechselweges beeinflusst, entweder durch direkte Produkthemmung oder allosterisch.
zB: Hemmung der Citrat-Synthase durch das Produkt Citrat
Interkonversion
Aktivität von Schlüsselenzymen wird durch Phosphorylierung (durch Kinase) und Dephosphorylierung (durch Phosphatase) reguliert.
zB: Pyruvat-Dehydrogenase (PDH: aktiv; PDH-P: inaktiv)
kinetische Kontrolle
die Konzentration des Substrates liegt weit unterhalb der Enzymsättigung. Daher ist die Geschwindigkeit der Reaktion stark von der Substratkonzentration abhängig. (Das Enzym kann nur so schnell arbeiten, wie es neues “Futter” kriegt)
zB: Citrat-Synthase (abhängig von der Konzentration von Acetyl-CoA und Oxalacetat)
Km-Wert
Der Km-Wert bezeichnet die Substratkonzentration, bei der die halbmaximale Enzymaktivität (also
1/2 * Vmax) vorliegt ist. Sie ist also ein Maß für die Affinität eines Enzyms zum Substrat
und ist für jedes Enzym und Substrat spezifisch. Ein hoher Km-Wert bedeutet also eine geringe
Affinität, da viel Substrat hinzugegeben werden muss.
