Stoffwechsel Flashcards
1
Q
Stoffwechsel
A
- umfasst die Gesamtheit der (bio-)chemischen Prozesse in unserem Körper
- können zwei Funktionen haben:
1. Baustoffwechsel: Aufbau oder den Erhalt des Körpers
2. Energiestoffwechsel: Bereitstellung von Energie für Energie verbrauchende Prozesse wie Bewegung, die Synthese bestimmer Stoffe, die Erzeugung von Membranpotentialen
2
Q
Enzyme: Grundlagen
A
- sind Biokatalysatoren, sie beschleunigen Reaktionen (setzen die Aktivierungsenergie herab), ohne die Lage des GG zu verändern und sie gehen unverändert aus der Reaktion raus
- um Reaktionen beschleunigen, kann man die Temperatur erhöhen, da dies im Körper nicht unendlich möglich ist, sind Enzyme essentiell, ein Enzymdefekt in einem wichtigen Stoffwechselweg hat verherrende Folgen
- Proteine denaturieren bei 42°C, spätestens hier werden fiebersenkende (antipyretische) Maßnahmen ergriffen
- enden i.d.R. auf -ase, der Teil davor richtet sich meistens nach dem Stoff, den es verarbeitet oder der Reaktion, an der es beteiligt ist
3
Q
Enzyme: Aufbau
A
- Enzyme sind Proteine, es gibt einige Domänen mit unterschiedlichen Funktionen (durch verschiedene Faltungen)
- aktives Zentrum: Ort, wo das Substrat bindet und die Reaktion katalysiert wird, wird auch Binding Site und Catalytic Site genannt
- Cofaktor: benötigen einige Enzyme um die Reaktion zu katalysieren (werden als Holoenzym (holo = whole, ganzes Enzym mit Cofaktor) bezeichnet), dabei handelt es sich um einen Stoff, der kein Protein ist
- der Proteinanteil eines Holoenzyms wird als Apoenzym bezeichnet, reine Proteinenzyme kommen ohne Cofaktoren aus
4
Q
Enzym und Substrat
A
- Kurzfassung: Substrat bindet Enzym (= Enzym-Substrat-Komplex), Reaktion wird katalysiert und läuft ab, aus Substrat wird Produkt und dissoziiert von Enzym ab
- Schlüssel-Schloss-Prinzip: Substrat passt genau in Enzym. nur die zusammenpassenden binden
- Induced-fit-Konzept: erweitert das S-S-Prinzip, es gibt eigentlich keinen 100% fit, aber durch WW bei Annäherung von passenden Substrat und Enzym verändert sich die Struktur des Enzyms dahingehend, dass das Substrat binden kann
- die Konformationsänderung ist nicht von Dauer, wenn der Komplex zerfällt, geht das Enzym in seinen Ausgangszustand zurück
5
Q
Spezifitäten von enzymkatalysierten Reaktionen
A
- Enzyme sind ziemlich wählerisch welches Substrat sie katalysieren wollen
- man unterscheidet zwischen
1. Substratspezifität: einige können nur eine einzige Substanz umsetzen, bei anderen gibt es auch ein paar mögliche Substrate
2. Gruppenspezifität: setzen alle Substrate mit einer bestimmten funktionellen Gruppe um (z.B. Alkoholdehydrogenase setzt Methanol, Ethanol und höhere Alkanole um), sie binden allerdings die Substrate unterschiedlich stark (Affinität ist unterschiedlich)
3. Wirkungs- und Reaktionsspezifität: theoretisch könnten die Enzyme gerade bei großen Moleküle eine Vielzahl an Reaktionen katalysieren, damit sich ein Substrat im Rahmen eines Stoffwechselweges in die richtige Richtung entwickelt, katalysieren die Enzyme in der Regel nur eine einzige Reaktion
6
Q
Abhängigkeiten und Enzymaktivität
A
- Temperaturabhängigkeit: die meisten Proteine denaturieren bei etwa 42°C, ihr Optimum der Enzymaktivität liegt bei 37°C, darunter sieht es schlecht aus, denn bei geringeren Temperaturen gibt es auch weniger Teilchenbewegung, dadurch sinkt die W-keit das Enzym und Substrat aufeinander treffen und die notwendige Aktivierungsenergie zugeführt wird
- pH-Abhängigkeit: Enzyme sind auf den pH-Wert an ihrer “Arbeitsstelle” konstruiert worden, dadurch wird auch gewährleistet das Enzyme an den falschen Orten nicht unkontrolliert arbeiten und Schaden verursachen (Pepsin aus dem Magen baut Proteine ab, schlimme Folgen, wenn es in die Bauchhöhle gelangt und dort die Proteine abbaut)
7
Q
Multienzymkomplex und multifunktionelle Enzyme
A
- Multienzymkomplex: besteht aus einer Gruppe aus Enzymen, die nacheinander Reaktionen katalysieren, die zusammengehören, bspw. der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
- multifunktionelle Enzyme: ist ein einzelnes Enzym, das über mehrere aktive Zentren verfügt und deshalb auch verschiedene Reaktionen katalysieren kann
8
Q
Maximalgeschwindigkeit (v(max))
A
- die Geschwindigkeit (v = velocity) einer chemische Reaktion kann auf zwei Weisen definiert werden
1. Abnahme der Edukt- bzw Substratkonzentration
2. Zunahme der Produktkonzentration - in einem Diagramm wird die Reaktiongeschwindigkeit (y-Achse) gegen die Substratkonzentration (x-Achse) aufgetragen
- die Substratkonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit sind proportional zueinander
- ab einer bestimmter Konzentration an Substrat, sind alle Enzyme bereits besetzt, eine Erhöhung der Substrat-c bewirkt nur noch eine geringe Reaktions-v, was sich im zunehmenden Abflachen der Kurve zeigt
- wird die Substrat-c noch weiter gesteigert, ergibt sich eine Substratsättigung, neues Substrat wird erst nach einiger Zeit umgesetzt
- verläuft die Gerade parallel zur x-Achse ist die maximale Reaktions-v erreicht, erhöhen kann man sie nur noch durch Aktivitätssteigerung der Enzyme oder einer höheren Anzahl an Enzymen
9
Q
halbmaximale Reaktionsgeschwindigkeit (1/2 v(max))
A
- wird die Substratkonzentration nur langsam erhöht, erhöht sich die Reaktions-v am Ende auch nur gering, daher ist es schwierig zu erkennen, wenn v(max) erreicht ist
- die halbmaximale Geschwindigkeit zu erkennen, ist leichter, da hier der Graph noch steil verläuft, an diesem Punkt sind die Hälfte der Enzyme gerade in einem Enzym-Substrat-Komplex, die andere Hälfte liegt ungebunden vor
- um von der halbmaximalen zur maximalen v zu kommen, reicht es nicht aus die Substrat-c zu verdoppeln, da die sich v am Ende nur noch geringfügig ändert, man muss die hinzugegebene Substrat-c also mehr als verdoppeln
10
Q
Michaelis-Menten-Konstante K(M)
A
- beschreibt die Substratkonzentration bei der die halbmaximale Reaktionsgeschwindigkeit erreicht wurde
- hat die selbe Einheit wie die Substratkonzentration z.B. mol/L
- K(M) hängt davon ab, welches Enzym man betrachtet und welches Substrat dem Enzym zur Verfügung gestellt wird
- angenommen K(M) wird für ein Enzym mit Substrat A und B bestimmt
- K(M)B ist kleiner als der von A -> das bedeutet, dass die Affinität für das Substrat B vom Enzym größer ist, Enzym bindet schneller und mehr von Substrat B als von Substrat A, da muss man mehr Substrat hinzugegeben werden um 1/2 v(max) zu erreichen
- würde man beide Substrate gleichzeitig zum Enzym geben, würde mehr vom Substrat B umgesetzt werden
- K(M) hängt neben dem Enzym/Substrat, auch von der Umgebung ab, genauer von Temperatur und pH-Wert
11
Q
Enzyminhibition
A
- eine effektive Art um gerade nicht gebrauchte Stoffwechselwege zu regulieren, ist es ihre Enzyme zu hemmen oder bei Bedarf zu aktivieren
- die Enzyme können auch durch Toxine gehemmt werden -> unerwünscht
- man unterscheidet Inhibitoren, die die Enzyme nur für eine bestimmte Zeit binden (reversibel) oder deren Wirkung dauerhaft ist (irreversibel)
- die reversibel Inhibitoren binden im Gegensatz zu irreversibeln meistens nicht kovalent (über Atombindungen) sondern bilden schwächere Wechselwirkungen aus
- man unterscheidet bei den reversibeln mehrere Typen
1. komeptitive Hemmung
2. Nichtkompetitive Hemmung
3. unkompetitive Hemmung
12
Q
kompetitive Hemmung
A
- ein kompetitiver Inhibitor tritt mit dem Substrat in Wettkampf, da es auch an das aktive Zentrum binden möchte
- Substrat und kom. Inhib. ähneln sich dafür meist sehr in ihrer Struktur, sonst hätte er keine Chance an das aktive Zentrum zu binden
- er hat allgemein keinen Einfluss auf die maximale Reaktionsgeschwindigkeit, da die Chance ein Enzym zu binden bei einer ausreichend hohen Substrat-c bei ungefähr null liegt
- allerdings wird eine höhere Substrat-c benötigt um 1/2 v(max) und v(max) zu erreichen, daher steigt so auch K(M) an
13
Q
nichtkompetitive Hemmung
A
- hier bindet der Inhibitor an eine regulatorische Untereinheit (allosterisches Zentrum -> daher manchmal auch allosterische Hemmung), dadurch kommt es zu einer Konformationsänderung, das Substrat kann teils nur noch erschwert binden oder es kann binden, aber die Produktbildung ist unterbrochen
- v(max) ist erniedrigt, da insgesamt weniger Enzyme an der Reaktion beteiligt sind, als ohne Hemmstoff
- 1/2 v(max) ist allerdings noch gleich, denn um das aktive Zentrum gibt es keine Konkurrenz, K(M) bleibt also gleich
14
Q
unkompetitive Hemmung
A
- hier kann der Inhibitor erst binden, wenn sich ein Enzym-Substrat-Komplex gebildet hat
- er hemmt also nicht schon das freie Enzym
- sowohl v(max) als auch K(M) (nicht so starker Unterschied) sinken
15
Q
Wechselzahl und Enzymeinheit (U)
A
- Wechselzahl: wie viele Substrate setzt ein Enzym in einer Sekunde um
- setzt das Enzym innerhalb von einer Sekunde 3 mol Substrat um, hat es die Enzymaktivität von 3 kat (= Katal, Einheit der katalytischen Aktivität)
- vor Katal wurde die Enzymaktivität als Enzymeinheit (U) angegeben
- 1 U ist die Menge eines Enzyms, die benötigt wird, um ein mikromol (umol) eines Substrates in einer Minute umzusetzen
16
Q
Fragen an jeden Stoffwechsel
A
- Was geht rein? (Substrat / Edukt)
- Was kommt raus (Produkte)
- Wo im Körper findet der Prozess statt (Gewebe, Organellen)
- Warum läuft dieser Prozess ab? (Energiegewinnung, etc)
- Was ist die Energiebilanz?
- Was sind die wichtigsten Regulationsmechanismen? (Enzyminhibition, etc )
- Gibt es Verbindungen zu anderen Stoffwechselwegen? (gemeinsame Metaboliten)
- > Antworten dazu findet man hier in den Stoffwechselbriefen
17
Q
Stoffwechselsteckbrief: Glykolyse
A
- Substrate: 1 Glucose, 2 NAD+, 2 ADP + P
- Produkte: aerob: 2 Pyruvat, anaerob: 2 Lactat
- Lokalisation: im Zytoplasma aller Zellen des Körpers, besonders wichtig fürs Gehirn, Alleiniger Energieliferant für die Erys, verstärkte Aktivität in vielen Tumoren
- Funktion: Energiegewinnung
- Energiebilanz: aerob: 2 ATP, 2 NADH+H+, entspricht insgesamt 7 ATP (denke das ist falsch, richtig 2 ATP), anaerob: 2 ATP
- Regulationsmechanismen: Hexo- / Glucokinase, Phosphofruktokinase 1, Pyruvatkinase, zusätzlich hormonelle Regulation über Insulin und Glucagon
- Verbindung zu anderen Stoffwechselwegen: Produkt (Pyruvat) ist Substrat für oxidative Decarboxylierung
- Besonderheit: einziger Stoffwechselweg, mit dem ohne Sauerstoff Energie erzeugt werden kann
18
Q
Reaktionsschritte 1 Glykolyse
(60 Tage-Lernplan, vor allem wichtig sind alle Schritte an denen Cofaktoren beteiligt sind und die Regulationsmechanismen ansetzen)
A
- durch Verbrauch von 1 ATP (läuft exergon = freiwillig ab, gilt als irreversibel) entsteht durch die Hexo-(Gluco)-kinase aus Glucose Glucose-6-Phosphat, wichtig, denn sie ist einer der drei regulierten Schlüsselreaktionen (reguliert die Geschwindigkeit der Glykolyse)
- G-6-P wird von der Glucose-6-Phosphat-Isomerase zu Fructose-6-P umgewandelt
- von der Phosphofructokinase 1 wird F-6-P zu F-1,6-P phosphoryliert, ist stark exergon (irreversible), ATP wird verbraucht, ist die langsamste Reaktion in der ganzen Glykolyse -> geschwindigkeitsbestimmende Schritt, wird auch reguliert
- F-1,6-P wird von der Aldolase A in Glycerinaldehyd-3-Phosphat und Dihydroxyacetonphosphat zerlegt -> aus dem C6-Molekül sind zwei C3-Körper entstanden
- die beiden Moleküle sind Konstitutionsisomere (gleiche Summenformel, unterschiedliche Struktur), daher kann die Triosephosphat-Isomerase (Phosphotriose) isomerisieren, wichtig denn nur G-3-P kann weiter verarbeitet werden
19
Q
Reaktionsschritte 2 Glykolyse
A
- G-3-P wird durch Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase zu 1,3-Bisphosphoglycerat phosphoryliert, dabei wird kein ATP verbraucht, sondern anorganischer Phosphat verwendet und Wasser wird abgespalten (entspricht einer Oxidation), die frei werdene Energie wird genutzt, um den Cofaktor NAD+ in NADH + H+ umzuwandeln, das später zur Herstellung von ATP genutzt werden kann (Reaktion läuft zweimal ab, wir haben ja 2 C3-Körper. es entsteht also zwei NADH + H+)
- die Phosphoglycerat-Kinase überträgt eine Phosphatgruppe des 1,3-Bisphosphoglycerat auf ADP -> ATP, es entsteht 3-Phosphoglycerat (hier entsteht im Stoffwechselweg direkt ATP -> Substratkettenphosphorylierung, im Unterschied zur ATP Gewinnung in der Atmungskette, der oxidativen Phosphorylierung
- die Phosphoglycerat-Mutase wandelt 3-Phosphoglycerat in 2-Phosphoglycerat um, so kann die Phosphatgruppe besser reagieren
- 2-Phosphogylcerat wird unter Wasserabspaltung von der Enolase in Phosphoenolpyruvat (sehr energiereiche Verbindung) umgewandelt
- Phosphat wird von Phosphoenolpyruvat abgespalten und direkt auf ADP übertragen -> ATP. es bleibt Pyruvat übrig (wieder jeweils 2 ATP und Pyruvat), Enzym ist die Pyruvatkinase, letzter irreversibeler und regulierter Reaktionsschritt
20
Q
ATP
A
= Adenosin-Triphosphat
- Mittelstück bildet der Zucker Ribose, dieser ist mit einer Phosphatgruppe verestert (1-3 Phosphate je nachdem ob AMP, ADP oder ATP vorliegt) und auf der anderen Seite bindet die wichtige Base Adenin
- die Phosphatgruppen sind die Anionen der Phosphorsäure, daher haben wir hier eine Bindung zwischen zwei Säuren über ein Sauerstoffatom -> Säureanhydridbindung
- bei der Spaltung dieser Bindung wird viel Energie frei -> deshalb ist ATP eine energiereiche Verbindung
- der Körper speichert entstandene Energie in ATP zwischen (passt das auch an seinen Energiebedarf an)
- ADP, ATP können immer wieder recycelt werden
- zur Abspaltung der Phosphatgruppe wird Wasser benötigt, ATP wird hydrolysiert
- ATP + H2O -> ADP + Pi
21
Q
NAD+ / NADH + H+ sowie NADP+ / NADPH + H+
A
NAD = Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid
NADP = Nictoinamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat
- unterscheiden sich nur durch die Phosphatgruppe (diese hängt an einer der Ribose-Molekülen)
- bei Oxidationen in der Organik werden häufig nicht nur Elektronen sondern gleich ein ganzes Wassermolekül abgegeben
- NAD+ nimmt zwei Elektronen und ein Proton auf, man spricht von einem einfach negativ gelandenen Hydrid-Ion (H- Ion)
- NAD+ nimmt ein H- auf, es ensteht NADH (Ladungen heben sich auf), von dem abgespaltenen Wassermolekül wurden so zwei Elektron und ein Proton in Form von NADH untergebracht, das letzte Proton verbleibt als H+ in Lösung (Verständnis: nimmt 2 e- + 1 Proton in Form von H- auf -> H hat normal 1 e- jetzt zwei daher einfach negativ geladen)
- die von NADH aufgenommenen Elektronen werden in der Atmungskette zur Produktion von ATP gebraucht, aus 1 mol NADH ensteht 2,5 mol ATP
- NADPH entsteht ebenfalls aus NADP+ durch Anlagerung eines Hydrid-Ions, findet sich vor allem im Pentosephosphatweg, wird auch nicht zur Bildung von ATP genutzt sondern wird in anabolen (aufbauend) Stoffwechselwegen (z.B. der Cholesterinsynthese) verwendet
22
Q
Anaerobe Glykolyse
A
- Sauerstoff wird erst in der Atmungskette benötigt, wo die Elektronen von NADH verwendet werden
- wenn kein Sauerstoff vorliegt, sammeln sich immer weiter NADH an und der Vorrat an NAD+ wird gering
- NAD+ wird aber benötigt um die e- aufzunehmen (Schritt 6: G-3-P + Pi -> 1,3-Bisphosphoglycerat), wenn keins mehr vorhanden kommt die Glykolyse zum Stillstand (sehr schlecht)
- daher muss das NADH auch bei Sauerstoffmangel verbraucht werden
- die Lösung: das entstandene Pyruvat hat eine Carbonylgruppe (C=O) , die zwei e- werden genutzt um es zu einer Hydroxgruppe (C-OH) zu reduzieren, NADH wird dabei oxidiert und wird wieder zu NAD+, die Glykolyse kann weiter ablaufen, das entstandene Produkt heißt Lactat, das beteiligte Enzym Lactatdehydrogenase
- Lactat wird ins Blut abgegeben, in der Hoffnung, dass Zellen, die nicht vom Sauerstoffmangel betroffen sind, es abbauen können (Rückumwandlung in Pyruvat ist eine Möglichkeit)
- geschieht dies nicht, sinkt der pH-Wert im Blut, eine Lactatazidose entsteht (nicht direkt durch das Lactat ausgelöst)
23
Q
Bilanz der Glykolyse
A
- es werden 2 ATP eingesetzt, pro Glucose-Molekül werden 4 ATP gewonnen (2 pro C3-Körper in Schritt 7 und 10) -> damit ist die Bilanz -> 2 ATP und 2 NADH
Reaktionsgleichung -> Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 Pyruvat + 2 NADH + H+ + 2 ATP + 2 H2O
- bei der anaeroben Glykolyse entstehen auch 2 ATP am Ende
24
Q
Insulin und Glucagon
A
- sind beides Peptidhormone, die antagonistisch arbeiten, sie haben aber beide das Ziel den Blutzuckerspiegel konstant zu halten
- kommt es zu einem Blutglucose-Abfall wird vermehrt Glucagon ausgeschüttet, es setzt Glucose aus Glykogen aus der Leber frei und synthetisiert Glucose aus anderen Stoffen in der Gluconeogenese, es können auch Glucose verbrauchende Prozesse gedrosselt und Triglyceride (Fette) abgebaut werden, die entstandenen FS können als alternative Energiequelle genutzt werden (v.a. von Muskel und Leber genutzt)
- steigt der Blutzuckerspiegel nach einer Mahlzeit an, wird vermehrt Insulin freigsetzt, der gewährleistet das Glc aus dem Blut aufgenommen und gespeichert werden kann, Aufgabe der Leber, die Gluconeogenese zu drosseln, Glucose verbrauchende Prozesse können ungehindert ablaufen und es stoppt den Triglyceridabbau (mit überschüssiger Energie werden neue Triglyceride synthetisiert)
- das Gehirn, die Erythrozyten und das Nierenmark sind obligatorisch auf Glucose angewiesen
25
Pyruvatdehydrogenase (PDH)
- aerober Weg: Pyruvat wird über einen Transporter, der auch Protonen transportiert (Pyruvat/H+ Symporter) in die Mitochondrien gebracht, wo die Pyruvatdehydrogenase sitzt
- bei der PDH handelt es sich um einen Multienzymkomplex, der aus 3 Enzymen besteht, über 5 Cofaktoren verfügen
- sie katalysieren alle jeweils eine Reaktion, die alle dazu dienen, dass aus Pyruvat AcetylCoA entsteht und so weiter reagieren kann
1. Abspaltung von CO2 vom Pyruvat (Decarboxylierung)
2. Übertragung des verbleibenden C2-Körpers auf Coenzym A, sodass Acetyl-CoA entsteht
3. Regeneration der Cofaktoren, sodass die Reaktion erneut stattfinden kann
26
Acetyl-CoA
- kann ebenso aus Lipiden gebildet werden und aus ein paar Aminosäuren, es kann auch zur Synthese für Lipide verwendet werden, jedoch NICHT für die Gluconeogenese -> Acetyl-CoA hat verschiedenste Aufgaben
- ist sowohl Substrat als auch Produkt verschiedener Stoffwechselwege
- kann aus Glucose, Lactat, Ketonkörper, Fettsäuren und ketoplastischen AS und gemischtplastischen AS gebildet werden
27
Stoffwechselsteckbrief: Pyruvatdehydrogenase
1. Substrat: Pyruvat (NAD+, CoA)
2. Produkte: Acetyl-CoA (NADH, CO2)
3. Lokalisation: im Inneren der Mitochondrien (Matrix) aller Zellen, die Mitochondrien besitzen (alle außer Erythrozyten)
4. Funktion: weiterer Schritt in der Energiegewinnung durch Glucoseabbau
5. 1 NADH pro Molekül Pyruvat - dementsprechend 2 NADH pro Glucose
6. Regulationsmechanismen: allosterische Regulation und Interkonvertierung (Phosphorylierung / Depohosphorylierung) an der ersten UE (an PDH?)
7. Verbindung zu anderen Stoffwechselwegen: Pyruvat ist Produkt der Glykolyse und Substrat der Gluconeogenese, AcetylCoA tritt in den Citratzyklus ein, ist Substrat der Fettsäuresynthese und Produkt des Fettsäureabbaus
8. Besonderheit: irreversible Reaktion, AcetylCoA kann nicht mehr zu Gluconeogenese genutzt werden
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Citratzyklus
- am Ende des Citratzyklus bleibt vom Glucosemolekül nur noch CO2 übrig, das abgeatmet werden kann und gespeicherte Energie
- ist ein Drehkreuz für eine Vielzahl an Reaktionen
- bei kataboler Stoffwechsellage können an verschiedenen Stellen Substanzen zur Energiegewinnung eingespeist werden
- bei anaboler Stoffwechsellage können diverse Metaboliten des Citratzyklus zur Synthese anderer Substanzen aus dem Kreislauf entnommen werden
- dabei müssen sich die Reaktionen, die Metaboliten des CZ verbrauchen und Reaktionen, deren Produkte in den Citratzyklus eintreten, ungefähr in Waage halten
- findet ebenfalls in allen Zellen statt, die über Mitochondrien verfügen
29
Stoffwechselsteckbrief: Citratzyklus
1. Substrat: AcetylCoA (+ oxidierte Cofaktoren, H2O)
2. Produkt: CO2 (+ reduzierte Cofaktoren)
3. Lokalisation: im Inneren der Mitochondrien (Matrix) aller Zellen
4. Funktion: diverse anabole und katabole Funktionen, bei kataboler Stoffwechsellage vor allem Abbau von AcetylCoA zu CO2 zur Energiegewinnung
5. Energiebilanz: pro AcetylCoA: 3 NADH, 1 FADH2, 1 GTP, entspricht 10 ATP pro Molekül AcetylCoA, also 20 ATP pro Molekül Glucose
6. Regulationsmechanismen: v.a. über lokale Metaboliten an: Citratsynthase, Isocitratdehydrogenase, Succinat-Dehydrogenase
7. Besonderheit: Drehkreuz für viele verschiedene Stoffwechselwege
30
Eselsbrücke für Reihenfolge der Metaboliten:
| Can I Keep Selling Sex for Money, Officer?
- Citrat, Isocitrat, (alpha)-Ketoglutarat, Succinyl-CoA, Succinat (als zweites, denn SuccinAT ist lATe), Fumarat, Malat, Oxalacetat
31
Reaktionsschritte 1 Citratzyklus
- das AcetylCoA wird vom Oxalacetat in Empfang genommen, dass soll am Ende des Kreislaufes auch wieder rauskommen, damit es das nächste AcetylCoA binden kann, nebenbei wird CO2 freigesetzt
- daher besteht der Citratzyklus aus zwei Teilen: im ersten Teil wird das AceytlCoA, das vom Oxalacetat in Empfang genommen wird, zu CO2 abgebaut, das Oxalacetat wird dabei verändert, im zweiten Teil soll das Oxalacetat wieder regeneriert werden, beide Teile liefern dem Körper Energie
1. durch die Citrat-Synthase wird der Acetylrest und Oxalacetat mit Wasser zu Citrat verknüpft, das Coenzym A wird bei dieser Kondensation abgespalten
2. im Anschluss wird Citrat von der Aconitase zu Isocitrat isomerisiert
3. Isocitratdehydrogenase oxidiert und decarboxyliert Isocitrat zu alpha-Ketoglutarat, die Elektronen werden auf das Redoxcoenzym NAD+ übertragen, NADH entsteht
4. hier wird das gerade entstandene Produkt oxidiert und decarboxyliert (NADH entsteht), das Produkt wird an CoA geknüpft, es entsteht Succinyl-CoA, welches ein eine energiereiche Thioesterbindung enthält, Reaktion wird durch die alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase katalysiert, das Succinyl-CoA ist Substrat der Häm/Hämoglobinsynthese
- > bei Schritt 3. und 4. wird CO2 frei
5. die Succinat-Thiokinase (auch Succinyl-CoA-Synthase) spaltet das CoA wieder ab, es entsteht Succinat, die Energie der Thioesterbindung zwischen CoA und Succinylrest wird dabei genutzt, um GDP in GTP umzuwandeln (Substratkettenphosphorylierung)
- damit ist der erste Teil abgeschlossen, der Acetylrest wurde in Form von 2 CO2-Molekülen abgespalten
32
Reaktionsschritte 2 Citratzyklus
- zweiter Teil: dient dazu das Oxalacetat wieder zu regenerieren, sind auch die ersten Schritte der beta-Oxidation
6. die Succinat-Dehydrogenase oxidiert Succinat zu Fumarat und reduziert dabei FAD zu FADH2, das Enzym ist auch der Teil der Atmungskette, wo sie als Komplex II bezeichnet wird, sie ist (als einzige) in der inneren Mitochondrienmembran verankert
7. Fumarat wird von der Fumarase durch Anlagerung von Wasser (Hydratisierung) in Malat umgewandelt
8. hier oxidiert die Malat-Dehydrogenase unter Bildung von NADH MAlat zu Oxalacetat, das nun wieder für das nächste AcetylCoA zur Verfügung steht
- zytosolische und mitochondriale Malat-Dehydrogenase sind am Malat-Shuttle beteiligt
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Bilanz vom Citratzyklus
- neben dem CO2 interessierten uns auch die reduzierten Cofaktoren, die Energie gespeichert haben
- ACHTUNG: pro Molekül Glucose entstehen 2 Pyruvat und aus zwei Pyruvat entstehen 2 Aceytl-CoA -> der Citratzyklus läuft also pro Molekül Glucose doppelt ab
- es enstehen: 3 Moleküle NADH, mit deren Hilfe in der Atmungskette ca 7,5 ATP gebildet werden können
- 1 FADH2 in Atmungskette 1,5 ATP
- 1 GTP, das entspricht von seinem Energiegehalt 1 ATP
- folglich enstehen im Citratzyklus pro Molekül AceytlCoA 10 ATP (20 ATP pro Molekül Glucose), vorausgesetzt, die Atmungskette funktioniert und kann alle Cofaktoren wieder zur ATP-Synthese oxidieren
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Stoffwechselsteckbrief: Atmungskette
1. Substrat: reduzierte Coenzyme, Sauerstoff
2. Produkte: oxidierte Coenzyme, Wasser
3. Lokalisation: entlang der inneren Mitochondrienmembran aller Zellen, die Mitochondrien besitzen
4. Funktion: Oxidation der Coenzyme und ATP-Synthese
5. Energiebilanz: insgesamt ca. 32 ATP pro Glucose
6. Regulationsmechanismen: ADP als wichtigster Regulator
7. Verbindung zu anderen Stoffwechselwegen: oxidiert sämtliche reduzierten Redoxcoenzyme (NADH, FADH2) anderer Stoffwechselwege
35
Atmungskette
- hier wird Sauerstoff genutzt, um aus allen reduzierten Redoxcoenzymen ATP herzustellen
- Redoxcoenzyme geben dabei Elektronen ab, werden also oxidiert, und stehen in den anderen Stoffwechselwegen wieder zur Verfügung
- die Reaktion findet entlang der inneren Mitochondrienmembran statt
- die innere Membran trennt den Innenraum der Mitos (Matrix, wo die anderen Reaktionen stattgefunden haben) vom Raum zwischen innerer und äußerer Membran (Intermembranraum)
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Grundprinzip der Atmungskette
- die Elektronen der reduzierten Redoxcoenzymen, werden schrittweise über verschiedene Komplexe bis hin zum Sauerstoff übertragen der daraufhin reduziert wird und Wasser bildet
- die Energie, die bei den Elektronenübertragungen frei wird, wird von den Komplexen genutzt, um Protonen in den Intermembranraum zu pumpen, sodass ein Protonengradient entsteht
- der Protonengradient kann genutzt werden um ATP zu erzeugen
- die Elektronen würden am liebsten direkt Sauerstoff reduzieren, bei dieser Reaktion würde ebenfalls viel Energie freigesetzt werden (Knallgasreaktion), die Freisetzung der Energie über mehrere Schritte sichert einerseits die Unversehrtheit unserer Zellen und ermöglicht es ihnen anderseits, die Energie effizient zu nutzen
37
Reaktionsschritte Atmungskette
1. die Elektronen der Coenzyme können über Komplex I als auch Komplex II in die Atmungskette gelangen
2. das fettlösliche Ubichinon (Coenzym Q10, Q10) übernimtm die e- aus Komplex I und II und transportiert sie innerhalb der Mitochondrienmembran weiter zu Komplex III, es kann auch aus anderen Reaktionen e- übernehmen
3. Komplex III übernimmt die e- und leitet sie weiter an Cytochrom C, ein kleines Protein an der Außenseite der Mitochondrienmembran (im Intermembranraum), das die Elektronen dann an Komplex IV übergibt
4. Komplex IV überträgt die e- auf Sauerstoff, der anschließend noch Protonen anlagert und so zu Wasser wird
- Komplexe I, III und IV nutzten die Energie, die bei der Elektronenübertragung frei wird, um Protonen aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum zu pumpen
- um einen Ausgleich zu erreichen, wollen die Protonen wieder auf die andere Seite, dies nutzt die ATP-Synthase (Komplex V) aus, um ATP zu produzieren
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genauere Reaktionsschritte Atmungskette
- Komplex I (NADH-Dehydrogenase): oxidiert NADH, überträgt Elektronen auf Ubichinon
- Komplex II (Succinat-Dehydrogenase): oxidiert FADH2, überträgt e- auf Ubichinon, transportiert als einzige keine Protonen
- Komplex III (Cytochrom-C-Reduktase): übernimmt e- von Ubichinon, überträgt e- auf Cytochrom C
- Komplex IV (Cytochrom-C-Oxidase): übernimmt e- von Cytochrom C, überträgt e- auf O2
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ATP-Synthase
- wird auch gelegentlich als Komplex V bezeichnet, wird hier getrennt betrachtet, weil sie nicht am Elektronentransport beteiligt ist
- Ausgangssituation: die Komplexe I, III und IV haben die beim Elektronentransport frei gewordenen Energie genutzt, um Protonen in den Intermembranraum zu pumpen
- dieser elektrochemische Gradient soll nun genutzt werden um ATP herzustellen
- die ATP-Synthase besteht aus zwei Unterheiten
- bei der F0- UE handelt es sich um einen Kanal, der die innere Mito-membran durchspannt
- die F1-UE sitzt auf der Matrixseite der F0-UE, sie besteht ihrerseits aus 5 UE und ist für die eigentliche ATP-Synthese verantwortlich
- strömen nun Protonen durch die F0-UE, wird deren Energie von der F1-UE genutzt, um ADP zu ATP zu phosphorylieren und dieses dann freizusetzen
- die F1-UE funktioniert ähnlich wie eine Turbine (- Generator) in einem Wasserkraftwerk
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Gradienten
- chemischer Gradient: Stoffe streben nach dem Ausgleich unterschiedlicher Konzentrationen (unabhängig davon, ob es sich um Protonen oder andere Teilchen handelt)
- elektrischer Gradient: bei geladenen Protonen kommt noch die Tatsache dazu, dass sie ungleichnamige Ladungen anziehen und gleichnamige abstoßen; bspw. die Mitochondrienmatrix lädt sich im Verlauf der Atmungskette negativ auf, weil ihr Protonen entnommen werden, und will diese nun aus dem Intermembranraum an sich ziehen
- > gekoppelte Gradienten bspw. bei der Atmungskette werden als elektrochemischer Gradient bezeichnet
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Regulation der Atmungskette
- erfolgt hauptsächlich über ADP
- ist der ADP-Spiegel in der Zelle hoch, scheint in der Zelle ein Mangel an Energie zu herrschen und die Atmungskette läuft verstärkt ab
- wenn kein ADP mehr vorhanden isz, weil die Zelle schon alles in ATP umgewandelt hat, kann die ATP-Synthase nicht mehr arbeiten und auch der Elektronentransport wird blockiert
- das ATP kann nicht hemmen, die Hemmung kommt durch das fehlende Substrat
