Stoffwechsel Flashcards
Transportsysteme
Diffusion (passiver Transport)
“aktiver” Transport
Diffusion (passiver Transport):
Cytoplasmamembran ist permeabel für größere, polare Substanzen (Glucose)
und Ionen
Polare Verbindungen (Fettsäuren)
Kleine, polare Substanzen (Wasser, Ethanol, Glycerol, Harnstoff)
Gase (O2, NH3, H2, CO2)
„aktiver“ Transport
Transport gegen ein Konzentrationsgefälle unter Verbrauch von Energie
Deutlich schneller als Diffusion
Transportgeschwindigkeit flacht ab sobald Transporter gesättigt ist
Getrieben über Ionengradient oder ATP
Aktive Transportproteine in der Membran der Bakterien getrieben durch:
sekundäre Transporter
primäre Transporter
PTS (= Phosphoenolpyruvat- Phosphotransderasesystem)
Sekundäre Transporter (zwei Stoffe werden transportiert)
- Meist 12 Transmembrandomänen
- Verbrauchen weniger Energie, geringere Affinität und hohe Transportrate
- Getrieben von protonenmotorische Kraft
- TRAP- Transporter: weit verbreitet in Prokaryoten, jedoch nicht in eukaryotischen Zellen, Transport von C4- Dicarbonsäuren, und
Verbindungen für Osmoregulation (Ectoin, Taurin) - Uniporter (für Glucose)
- Antiporter (Malat/ Lactat, Tetracyclin/ H+, Na+/H+)
- Symporter
Primäre Transporter (ein Stoff wird transportiert)
- ABC- Transporter: ATP –Binding cassette, Transport von AS, Zuckern und anorganischen Substanzen (z.B. Sulfat, Phosphat), hohe
Substratsspezifität, periplasmatische Bindeproteine,
membrandurchbrechender Transporter - ECF = energy- coupling factor: ABC- Transporter ohne extrazelluläres Bindeprotein, besitzen Transmembran- UE zur Substratbindung, Ni2+/Co2+ oder wasserlösliche Vitamine
- Na+- abhängige Decarboxylasen: koppeln Biotin- abhängige
Decarboxylierung von Carbonsäuren wie Oxalat mit dem Export von Na+ Ionen - Ionen- ATPasen (K+, Cd2+, Arsenat)
- Elektronentransportketten
PTS (= Phosphoenolpyruvat- Phosphotransderasesyste)
- Ist PEP-abhängig
- Gruppentranslokation
- Chemische Veränderung der transportierten Verbindung,
energetisch getrieben durch Phosphoenolpyyruvat(PEP) - Phosphorylgruppe von PEP wird über mehrere Proteinkinasen auf
das Substrat übertragen - Enzym E I = durchgeführte Reaktion ist pleiotrop = steht generell allen PTS- Zucker-
Transportern zur Verfügung - Von E II katalysierte Reaktion ist eine spezifische Reaktion = jedes PTS- Zucker hat sein eigenes E II
- Mutationen in HPr oder E I = unspezifische Auswirkungen, d.h. kein PTS- Zucker kann mehr
verstoffwechselt werden - Mutationen in E II = spezifisch, d.h. es ist immer nur ein PTS- Zucker – Stoffwechselweg
betroffen
ABC Transporter (Bsp. Von E. Coli)
- Maltose bindet extrazellulär an MalE
- MalE wandert zum geschlossenen ABC Transporter, intrazellulär MalK, welches an der cytoplasmatischer Seite des Transporter gebunden ist
- ATP bindet mit MalK -> Konformationsänderung des Transporters -> extrazellulär offen -> MalE Maltose kann in Transporter entlassen werden
- MalK entlässt ATP in Form von ADP und P, wodurch sich der Transporter zur
cytoplasmatischen Seite öffnet und Maltose ins Zellinnere entlassen werden kann
„PTS-Zucker“
Glucose
Fructose
Trehalose
Mannitol
GluNAC
Mannose
„Nicht- PTS- Zucker“
Xylose
Ribose
Galactose
Arabinose
Maltose
Lactose
Diauxie
=zweiteiliges Wachstum in Gegenwart von zwei Energiequellen
–> Bsp.: E. Coli auf einer Mischung von Glucose und Lactose
- Glucose unterdrückt die Synthese der beta- Galactosidase, des Enzyms, das Lactose zu Glucose und Galactose spaltet
- Nachdem Glucose verbraucht ist, setzt eine lag- Phase ein, während der beta-
Galactosidase synthetisiert wird - Wachstum setzt auf der Lactose wieder ein, allerdings langsamer
lac Operon (Lactose- Operon)
- Operon= min. 2 Gene unter Kontrolle eines Promotors
- Im Fall von lac-Operon sind es die Gene lacZ, lacY und lacA
- lacZ, lacY und lacA werden zusammen Cotranskriptiert -> es bildet sich eine polycistronische mRNA
- an mRNA binden Ribosome und translatieren die mRNA in Proteine -> beta- galactosidase (lacZ), Permease (lacY) und Tranacetylase (lacA)
- Lac- Operon ist ein Operon, das sowohl beim Transport als auch beim Abbau von Lactose in Bakterien eine wichtige Rolle spielt und ist ein klassisches Modellsystem für Genregulation
Kontrolle des lac Operons (=Regulation)
- Lac- Repressor bindet mit dem Operator lacO an DNA- Sequenz stromaufwärts vom
Startcodon von lacZ - LacO wirkt als Stoppsignal -> mRNA- Polymerase fällt ab = Transkriptionsstopp
Bsp.:
- Nur Glucose vorhanden:
cAMP nicht an CAP gebunden -> bindet nicht an Promoter und kann ihn
nicht aktivieren
lac- Repressor ist an den lac- Operator gebunden, weil kein Induktor vorhanden ist
- Glucose und Lactose vorhanden:
cAMP Spiegel ist immer noch gering , es findet keine Aktivierung des bPromotors statt
lac – Repressor bindet mehr oder weniger an den Induktor -> Promotor kann
induziert werden (nur sehr wenig Genexpression)
- Nur Lactose vorhanden (Glucose ist verbraucht):
cAMP wird gebildet -> Promoter kann richtig aktiviert werden
Alle Repressor- Moleküle sind an Induktor gebunden und verhindern nicht
mehr die Transkription
Lac- Operon wird stark induziert
Übersicht über den zellulären Stoffwechsel
- Katabolismus = Energiestoffwechsel (Energiegeneration ⇌ ATP ⇌ protonenmotivierte Kraft)
o Substrate -> Produkte
o Biologische Oxidation liefern Energie (ATP)
o Energetisch ungünstige (Biosynthese-) Reaktionen können mit der freien Energie der
ATP- Hydrolyse gekoppelt werden - Prozesse der Energiegewinnung
o Chemotrohie (organo/litho) = Energie aus chemischen Rkt.
-> Chemotrophe Organsimen oxidieren organische (organo) und anorganische (litho) Verbindungen und setzen dabei Energie frei
-> Chemoorganotrophes Wachstum = Abbau von Hexosen
o Phototrophie = Licht als Energiequelle
-> Phototrophe Organismen wandeln Sonnenlicht in chem. Energie um - Anabolismus = Baustoffwechsel (ATP ⇌ protonenmotivierte Kraft -> Energie)
o Substrate -> Monomere -> Makromoleküle und andere zellulären Konstituenten
Adenosintriphosphat (ATP)
o Energie aus chemischen Reaktionen -> ATP + Hitze -> Biosynthese, Transport,
Bewegung usw. + Hitze
o Regeneration von ATP
1. Substratkettenphosphorylierung = oxidativer Abbau organischer
Verbindungen
- Elektronentransportphosphorylierung (Atmungskette)
Wichtigste Hexosen- (Glucose)Abbauwege bei Prokaryoten
Embden- Meyerhof- Parnas (EMP)- Weg („Glykolyse“)
Entner- Doudoroff (KDPG)- Weg
Pentose- Phosphatweg
(EMP)- Weg („Glykolyse“)
- Phosphorylierung Glucose zu Glucose-6-P
- Isomerisierung zu Fructose- 6-P
- Phosphoryierung Fructose-6-P zu Fructose-1,6-biP
- Spaltung zu Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd-3-P
- Dehydrogenierung GAP zu 3- Phosphoglycerat
-> Abspaltung Hydridanion (H-), Übertragung auf NAD+ und gleichzeitig Entfernung eines
H+ = Entstehung von NADH +H+
-> Generierung von ATP durch Phosphorolyse und Übertragung auf ADP = reversibel - Umwandlung von 3-Phosphoglycerat in 2-Phosphoglycerat
- Wasserabspaltung: 2-Phosphoglycerat -> PEP
- Energiereiche Phosphorylgruppe von PEP auf ADP übertragen
-> Pyruvat ist Vorstufe für weiteren Abbau, Umwandlung und Syntheseprozesse
Bilanz des EMP- Weges
2 Pyruvat, 2 ATP, 2 NADH + H+
Entner- Doudoroff (KDPG)- Weg
- Glucose-6-P wird zu 6-Phosphogluconat dehydrogeniert
- Bildung von KDPG durch Abspaltung von H2O
- KDPG wird zu Pyruvat und GAP gespalten
o Ausschließlich bei Bakterien (modifiziert bei Archaea)
o Transport von Glucose über ein H+- Symportsystem
o Entner-Doudoroff-Weg erlaubt die Verstoffwechslung von Glyconat bzw. anderer,
verwandter, organsicher Säuren, die in die Glykolyse nicht eintreten können
o Nur 1 ATP vs. 2 ATP bei EMP
Bilanz des Entner- Doudoroff- Weg
2 Pyruvat, 1 ATP, 2 NADH + H+
Pentose- Phosphatweg
- Glucokinase- Reaktion als erster Schritt (wie in der Glykolyse)
- Umwandlung Hexose in Pentose (wird als Baustein für die Biosynthese von
Nukleinsäure und Co-Enzymen benötigt)
-> Bildung von 2 NADPH (Oxidation von Glu-6-P durch 2 Dehydrogenierungsschitte zu Ribulose-5-P) - Zyklischer Prozess (Transketolase und Transaldolase)
-> 3 Pentose-P werden in 2- Fructose-6-P und ein GAP umgewandelt
-> durch Isomesierung von Fructose-6- zu Glu-6-P und Kondensation von 2
Trisephosphaten zu einem Hexosephosphat schließt sich der oxidative
Pentosephosphatweg - ist Nebenweg für die Bereitstellung von wichtigen Ausgangssubstanzen
(Pentosephosphate, GAP) und Reduktionsequivalente (NADPH) für Syntheseprozesse
-> in Bakterien mit unvollständigen Citratzyklus auch zur vollständigen Oxidation von Glucose zu CO2 (d.h. Energiegewinnung)
Bilanz des Pentose- Phosphatwegs
1 Pyruvat, 1 ATP, 6 NADPH, 1 NADH, 3 CO2
Was ist eine zentrale Schlüsselverbindung des Energiestoffwechsels?
–> Pyruvat
Verschiedene Glucose- Abbauwege (EMP-, ED-, Pentose-P-Weg)
Pyruvat führt zu:
- Aerober Katabolismus
- Anaerober Katabolismus (Anaerobe Respiration oder Gärung)
Aerober Stoffwechsel
Bildung von Acetyl-CoA aus Pyruvat durch Pyruvat- Dehydrogenase
- Oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA (irreversibel)
- Acetyl- Coenzym A (kurz Acetyl-CoA) ist ein „aktivierter“ Essigsäurerest (CH3CO-)
Tricarbonsäure- Zyklus (TCA), auch Citratzyklus
Tricarbonsäure- Zyklus (TCA), auch Citratzyklus
- Energie aus Glucose „steckt“ noch in Reduktionsäquivalenten NADH + H+ und FADH2
- Vollständige Oxidation der C- Atome zu CO2
- Gewinnung von Energie (GTP) und Reduktionsmittel (NADH, FADH2) durch Abbau von Acetyl- CoA
- Bei diesen Vorgängen wird der Acetylrest des Acetyl-CoA schrittweise zu
Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut - Die im Citratzyklus gewonnen, an Coenzyme (NAD+ und FAD) gebundenen Elektronen werden der Atmungskette zugeführt und auf den terminalen Elektronenakzeptor
Sauerstoff übertragen - Die dabei frei werdende Energie wird genutzt, um ATP zu bilden
- Citratzyklus dient außerdem als Lieferant verschiedener Vorläufermoleküle für
den Anabolismus
Bilanz Citratzyklus
6 NADH+ H+, 2 FADH2, 2 ATP, 4 CO2
Fazit: der überwiegende Anteil der freien Energie der Glucose- Oxidation
(-2870kJ/mol) befindet sich noch in den Reduktionsäquivalenten
Chemiosmotische Kopplung (Mitchell- Hypothese)
- Elektrochemisches Potential an der Mitochondrien- Membran
- Außen höhere Konzentration von H+ Ionen als innen = Protonengradient
- NADH- Oxidation in einer ETK = nach außen gerichtete „Protonenpumpe“
- Protonentranslokation produziert eine Proton Motive Force ΔP (PMF = Protonen bewegende Kraft)
- Elektronentransportphosphorylierung = ETK liefert die Energie
für die Phosphorylierung von ADP zu ATP - Protonenmotorische Kraft -> Komponenten der ETK „pumpen“ H+ aus der Zelle unter
Verbrauch der Energie der auf O2 übertragenen Elektronen -> ATP
ΔpH , Protonengradient Δψ, Membranpotential - Protomotorische Kraft ist essentiell für alle Organismen
Atmungskette
- Spezialfall einer ETK = aus einer Reihe hintereinander geschalteter Redox- Moleküle, die in der Lage sind, e- aufzunehmen bzw. abzugeben
- Über diese Kette werden e- von höheren Energieniveaus auf niedrigere weitergeleitet
- Komplex I
o NADH: Ubichinon- Oxidoreduktase oder NADH- Dehydrogenase
-> reduziert Ubichinon mittels NADH, vor allem aus dem Citratzyklus
o elektroneutral: nur so viel e-, wie bei Rkt. frei werden
o transportiert H+ über Membran - Komplex II
o Succinat: Ubichinon- Oxidoreduktase oder Succinat- Dehydrogenase
-> Succinat wird zu Fumarat oxidiert und Reduktion von Ubichinon
o kein H+-Transport
o Enzym des Citratzyklus - Komplex III
o Ubihydrochinon (Ubichinol): Cytochrom c- Oxidoreduktase oder Cytochrom-c- Redukatse
o transportiert H+ über Membran - Komplex IV
o Cytochrom c: O2- Oxidoreduktase oder Cytochrom-c-Oxodase
o Cytochrom-c wird oxidiert und Sauerstoff zu Wasser reduziert
o transportiert H+ über Membran
o überträgt e- auf Sauerstoff und Wasser entsteht
ATP Synthase (F1F0- ATPase)
- Rotationsbewegung in Membranteil (F0) durch Protonen, die entlang Konzentrationsgradient
in die Zelle gelangen, wird übertragen auf ATP-Synthese-Domäne (F1) → ADP + Pi → ATP - ATP-Synthese/-Hydrolyse (F1) sitzt in Kopplungsmembran
o durch ATP-Synthase nach Rotationsmechanismus
o Die Drehung des Rotors um 360° liefert in drei Schritten drei Moleküle ATP
o F0F1-ATPase synthetisiert ATP getrieben durch elektrochem. Gradienten
o 20 Untereinheiten, 8 versch. Proteine
F1-Teil: α- und β-Untereinheiten -> ATP-Synthese
Kurbelwelle γ-Untereinheit
Kopplungmembran
F0-Teil c-Untereinheiten UE -> H+-Fluss
Wodurch rotiert der F0 Teil?
–> pmf
Protonierung des Asp61 der 10 c-Untereinheiten
- Im Ruhezustand sind alle Asp61 (mit Ausnahme eines Asp61) protoniert
- Positiv-geladener Arg-Rest der a- Untereinheit wird durch ionische Wechselwirkung neutralisiert
- Proton wird ins Cytoplasma entlassen
- Deprotonierter Asp61 des gegenüberliegenden c-Peptids führt zur
Konformationsänderung -> Rotation des c-Rings
ATP-Ausbeute bei E. coli
aus Substratstufenphosphorylierung (EMP, TCA) → 4
aus oxidativer Phosphorylierung:
10 NADH + H+ → 20
2 FADH2 → 2
Summe: 26 ATP/Glucose
Wodurch entsteht protonenmotorische Kraft? Wofür ist sie notwendig?
entsteht durch Respiration oder Photosynthese und der anschließenden
Elektronentransportkette (ETK)
notwendig für Flagellenbewegung, Transport, ATP- Synthese
Konsequenzen des Lebens in Gegenwart von Sauerstoff
An der NADH-Dehydrogenase I entstehen Superoxide und Wasserstoffperoxid O2 + e- -> O2-
Wasserstoffperoxid kann weiter reagieren zu Hydrogenperoxiden O2- + e- + 2 H+ -> H2O2
Superoxide und Hydrogenperoxide verursachen Schäden an DNA und Proteinen
Schutzmechanismen für Wasserstoffperoxid und Superoxiden
Abbau von Wasserstoffperoxid: - Catalase H2O2 + H2O2 -> 2 H2O + O2 - Peroxidase H2O2 + NADH + H+ -> 2 H2O + NAD+
Abbau von Superoxiden
- Superoxidedismutase
O2- + O2- +2 H+ -> H2O2 + O2
- Superoxidedismutase/ catalase in Kombination
4 O2- + 4 H+ -> 2 H2O + 3 O2
- Superoxide Reduktase
O2- + 2 H+ + cyt c reduced -> H2O2 + cyt c oxidiert
Anaerober Stoffwechsel = Respiration ohne Sauerstoff
- Nutzung alternativer Elektronen-Akzeptoren (Nitrat, Sulfat, organ. Verbindungen) in ETK
- Gärung:
o Energiekonservierung durch Substratstufenphosphorylierung
o In Abwesenheit von externen Elektronenakzeptoren, daher keine ETK
o Ausscheidung von noch relativ energiereicher, reduzierter Endprodukten z.B. organischen Säuren und/oder Ethanol, daneben Freisetzung von CO2 und H2
o Unvollständiger Abbau von Zuckern unter anaeroben Bedingungen
o Prinzip: Vermeidung der Bildung von Reduktionsäquivalenten, so
dass teils andere Enzyme verwendet werden - Pyruvat-Formiat-Lyase: Pyruvat -> Acetyl-CoA+Formiat
- Pyruvat-Ferrodoxin-Oxidoreduktase: Pyruvat -> Acetyl-CoA + CO2 + H2
Alkoholische Gärung
D-Glucose -> Pyruvat -> Acetaldehyd -> Ethanol
Abbau von Glucose unter anaeroben Bedingungen zu Ethanol
- > Energiegewinnung 2 ATP aus Glykolyse
- > Regeneration des Cofaktors NAD+
Mikrobielle Fortbewegungsmechanismen -> Chemotaxis
= die Eigenschaft freibeweglicher Organsimen, auf chemische Stoffe bzw. deren
Konzentrationsunterschiede durch bestimmte, gerichtete Bewegung zu reagieren
- Positive Chemotaxis auslösende Stoffe werden als Attraktantien bezeichnet, negative
Chemotaxis auslösende Stoffe als Repellantien bezeichnet - Signallogik Chemotaxis
o Verstärkte Liganden-Bindung führt via MCPs zu Inhibition der CheA-Aktivität und mit etwas Verzögerung (ca. 3 sec.) zur Erhöhung der Methylierung
o Methylierung der MCPs wirkt aktivierend auf CheA und senkt gleichzeitig die Affinität der MCPs für die Lockstoffe
o Jeder Methylierungsstatus entspricht dem Lockstoffbindungsstatus vor 3 Sekunden (Kurzzeitgedächtnis)
Voraussetzung für Mobilität
o „Nase“ = Chemorezeptoren
- Homodimer funktionelle Einheit
- Ausschließlich helikal
- 4 Subdomänen pro Dimer
- Ternärer Komplex mit CheA + CheW
- 5 Glutamatreste zur Methyllierung/ Demethylierung durch CheR + CheB
- Methyl- accetping chemotaxis protein (MCP)
- Chemorezeptoren – Trimer aus Dimere
- > Laterale Signalverstärkung
- > Kompartiment zwischen Membran und Signalkomplex für CheR/CheB
o „Gehirn“ = Signaltransduktionskaskade
o „Beine“ = Flagellen
- Struktur eines Flagellums: Filament, Geißel-Filament junction, Geißel, basaler
Körper
- Aufbau eines Flagellums: äußerer Ring, Stator- Ring, Rotor- Ring
E. Coli Chemotaxis
Nicht- PTS- Zucker und Dipeptide bilden periplasmatische Bindeproteine
Diese bilden mit Aminosäuren und Repellenten (hydrophobe AS, Fettsäuren,
Alkohole etc.) das MCP
MCP wirkt zusammen mit PTS- Zuckern und Elektronenakzeptoren und bilden den Motor
Zweikomponentensysteme (beispielsweise Chemotaxis)
- Die Sensorkinase nimmt ein Signal spezifisch auf und gibt die Information an ein Modul weiter (chemische Reaktion)
- Der Response-Regulator ist der Empfänger, der das Signal an eine Output- Domäne weitergibt
- > Der Output kann auf zwei verschiedenen Ebenen erfolgen – meist erfolgt eine Genregulation, seltener eine Aktivitätskontrolle von Enzymen
