Schwaiger_Stoffwechsel

- Anabolismus -> Aufbau, endergone Prozesse -> Energieverbrauch

- Katabolismus -> Abbau, exergone Prozesse -> Energiegewinnung

- Metabolismus -> Umbau, endergone und exergone Prozesse

exergone Prozesse treiben endergone Prozesse an

-> exergon = Abbau, Oxidation - freie Enthalpie nimmt ab -ΔG

-> endergon = Biosynthesen, aktiver Transport, Bewegung - freie

     Enthalpie nimmt zu +ΔG

Energie aus dem Katabolismus liefert die Energie für die zelluläre Arbeit

ATP vermittelt zwischen exergonen und endergonen Prozessen.

ATP = Adenosintriphosphat

- Adenin

- Ribose

- 3 Phosphate (=triphosphat, ADP -> diphosphat)

ATP-Zyklus

-> fundamentaler Mechanismus des Energieaustausches in

    biologischen Systemen

-> Spaltung von ATP zu ADP liefert zwischen 11 und 13 kcal/mol

Mensch enthält ca. 250g ATP

Jeden Tag werden mehrere kg ATP umgesetzt

Enzyme sind Biokatalysatoren die metastabile Moleküle kontrolliert umsetzten. Sie sind Produkte der Genexpression.

- setzten die Aktivierungsenergie herab - lösen bestehende Bindungen

  im Molekül

- über Enzyme kontrollieren die Gene den Stoffwechsel

- Enzymnamen enden auf -ase

- Enzymname soll erklärend sein (z.B. Cholinersterase)

- Enzymname soll seine Klassifikation enthalten

1. Oxidoreduktasen -> katalysieren Redoxreaktionen

2. Transferasen -> übertragen funktionelle Gruppen

3. Hydrolasen -> spalten Bindungen unter Einsatz von Wasser

4. Lyase oder Synthasen -> katalysieren Spaltung oder Synthese

     komplexerer Produkte ohne Spaltung von ATP

5. Isomerasen -> beschleunigen Umwandlung von chem. Isomeren

6. Ligasen oder Synthetasen -> katalysieren Bildung von komplexen

     Substanzen unter Spaltung von ATP

- reine Proteinenzyme

- Holoenzyme

Bestehen nur aus Protein -> aktives Zentrum = nur Aminosäurereste und Peptidrückgrat

z.B. Verdauungsenzyme Chymotrypsin und Triosephosphatisomerase (TIM) 

Bestehen aus einem Proteinanteil (Apoenzym) und einem Kofaktor.

Kofaktor = ein niedermolekulares Molekül, kein Protein

Organische Kofaktoren werden auch Koenzyme genannt. Sind sie kovalent an das Apoenzym gebunden, nennt man sie prosthetische Gruppe.

anorganisch/Metalle:

- Enzym benötigt Metallion -> Metalloenzym

- z.B. Lipoxygenase -> Fe, Carboanhydrase -> Zn

organisch:

- Koenzyme

- Vitamine und Vitaminderivate z.B. NAD+ / NADP+ -> Niacin (Vit. B3),   

  Coenzym A -> Pantothensäure (Vit. B5)

Vitamine und Vitaminderivate:

- z.B. NAD+ / NADP+ -> Niacin (Vit. B3), Coenzym A -> Pantothensäure

  (Vit. B5)

Nichtvitamine:

- z.B. ATP, 

Aktives Zentrum = katalytisches Zentrum

-> Enzyme sind substratspezifisch (nur 1 Substrat)

-> Molekül induziert Anpassung des Enzym-Substratkomplexes

1. Substrat (Edukt) z.B. Saccharose bindet an aktives Zentrum des

     Enzyms -> bilden Enzym-Substratkomplex

2. Saccharose wird durch Hydrolase unter Verwendung von H2O zu

     Glucose und Fructose (Produkte) gespalten

3. Produkte werden freigesetzt

4. Enzym und aktives Zentrum steht für weiteres Substratmolekül zur

     Verfügung

-> Umsetzungsgeschwindigkeit: ca. 1000 Moleküle pro Sekunde

Temperatur und pH-Wert

- Reaktionen sind reversibel

- Reaktionsrichtung wird von relativer Konzentration der Reaktanden

- Katalyse in Richtung des chemischen Gleichgewichts

- irreversible Hemmung (Inhibition):

  Inhibitor bindet irreversibel an aktives Zenturm -> Substrat blockiert

- reversible Hemmung (Inhibition):

  -> kompetitiv

      Inhibitor ähnelt Substrat und konkurriert um das aktive Zentrum

  -> nicht-kompetitiv

      Inhibitor bindet an einer vom aktiven Zentrum entfernten Stelle ->

      ändert Konformation des Enzyms -> aktives Zentrum nicht mehr

      funtkionsfähig

Endprodukthemmung (Feedback Hemmung)

-> Das Endprodukt wirkt als nicht-kompetitiver Inhibitor

Weitere Sonderform der nicht-kompetitiven Hemmung.

- meist Enzyme mit Quartärstruktur

- jede Untereinheit besitzt ein aktives Zentrum

- allosterische Zentren an Kontaktstelle der UE

-> allosterische Zentren binden allosterische Effektoren

- allosterischer Aktivator -> stabilisiert aktive Form des Enzyms

- allosterischer Inhibitor -> stabilisiert inaktive Form des Enzyms

- Proteine

- Polysaccharide

- Lipide

Monocarbonsäuren mit einer Carboxygruppe (Carbonsäuregruppe) und einer unterschiedlich langen, meist unverzweigten Kohlenwasserstoffkette.

- gesättigte Fettsäuren: haben keine Doppelbindung

- ungesaättigte Fettsäuren: haben min. eine Doppelbindung

  -> cis-Fettsäure: Protonen bei Doppelbindung auf selber Seite

  -> trans-Fettsäure: Protonen bei Doppelbindung diagonal zueinander

Pflanzliche Öle sind normalerweise cis. Durch langes erhitzten können diese allerdings zu trans-Fetten werden. Trans-Fette können krebserregend sein.

In Form von Triglyceriden

= drei Fettsäuren über Glycerol (Glycerin) als dreiwertiger Alkohol

   über Esterbindungen verbunden

- extrazellulärer Verdauungstrakt

- katalysiert durch Verdauungsenzyme

- Abbau von Makromolekülen

Zentraler ATP erzeugender Stoffwechselweg

- in der Regel ohne Beteiligung von O2

- geschieht bis zur Oxidation von Pyruvat im Cytosol

Vorbereitungsstufe:

- startet mit Glucose

- Energie muss in Form von 2 ATP investiert werden

- endet mit isomerisierten Glycerinaldehyd-3-phosphat

Ertragsstufe:

- startet mit Glycerinaldehyd-3-phosphat

- in dieser Stufe wird Energie in Form von 2 NADH/H+ und 4 ATP

  gewonnen

- Endprodukt sind zwei Pyruvat

Pyruvat wird anschließend entweder zu Acetyl-CoA oder Oxalacetat derivatisiert und in den Citratcyklus (Stufe III) geschleust.

Nettoenergiegewinnung:

4 ATP - 2 ATP = 2 ATP

2 NADH/H+ 

1. Pyruvat wird ins Mitochondrium transportiert

2. Pyruvat wird decarboxyliert -> Spaltet CO2 ab das wir ausatmen

3. Durch die Abgabe von 2 Elektronen des Pyruvats wird aus NAD+ ->

     NADH/H+

4. Coenzym A bindet mit dem aktiviertem Essigsäurerest und bildet

     Acetyl-CoA

Mehrstufiger Prozess:

- Aktivierungsphase findet im Cytosol statt -> Fettsäure wird unter

  Energieaufwand mit CoA aktiviert

- Fettsäurenoxidation (=beta-Oxidation) findet im Mitochondrium statt

Reaktionszyklus:

Am Ende der Oxidation wird die FS-Kette um zwei C-Atome kürzer. Anschließend wiederholt sich der gesamte Stoffwechselprozess, bbis nichts mehr über ist.

Bei jedem Durchlauf entsteht:

1 Molekül NADH/H+

1 Molekül FADH2

1 Molekül Acetyl-CoA

1. Glycerol wird in der Leberzelle unter Verbrauch von ATP durch die

     Glycerolkinase phosphoryliert -> Glycerol-3-phosphat -> kann in

     Fettabbau verwendet werden

2. Glycerol-3-phosphat kann weiter zu Dihydroxyacetonphosphat

     umgewandelt werden -> kann in Glycolyse verwendet werden

-> Die Zwischenprodukte werden je nach Bedarf verwendet

Ein sehr komplexer Prozess, der zum Teil eigene Reaktionszyklen für einzelne Aminosäuren besitzt.

Es gibt zwei Hauptwege:

- glucogener Abbau

  durch Auffüllen von Intermediaten des Citratcyclus zu Glucose

- kentogener Abbau

  Entstehung von Kentonkörpern via Acetyl-CoA

Die Stufe III der Verdauung nennt man Citratzyklus . Er findet vollständig im Mitochondrium statt.

-> vollständige Oxidation des organischen Energieträgers

-> zyklischer Prozess bei dem Citrat als Zwischenprodukt entsteht

1. Essigsäure bindet mit dem Trägermolekül Oxalacetat und wird zu

     Citrat

2. Durch weitere Schritte werden drei NAD+ Moleküle zu NADH/H+

     sowie ein FAD zu FADH2 reduziert

3. Im Laufe des Citratzyklus entsteht GTP aus GDP, das in ATP

     umgewandelt werden kann sowie CO2 das wir ausatmen

NADH = Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid

-> wird im Katabolismus aus Glykolyse und Citratzyklus gewonnen

     und in der Atmungskette oxidiert, um ATP zu erzeugen

NADPH = Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat

-> fungiert im Anabolismus als Reduktionsmittel

FAD = Flavin-Adenin-Dinukleotid

-> mit Riboflavin = Vitamin B2

- Acetat wird vollständig zu CO2 und H2O abgebaut

- Prinzip, dass Acetat an Oxalacetat bindet, an dem die Dehydrierung

  stattfindet

- Die ATP-Ausbeute ergibt sich aus der durch die Reoxidation der

  Wasserstoffübertragenden Coenzyme (NADH/H+ und FADH2)

  gewonnen Energie (Atmungskette)

- Die Oxidation eines Acetylrestes im CC liefert somit max. 12 ATP

Atmungskette ist ein System von Enzymkpmplexen an der inneren Mitochondrienmembran.

Die Atmungskette zusammen mit der ATP Synthase ergibt den Prozess der oxidativen Phosphorylierung.

Aufgabe:

NADH/H+ und FADH2 aus dem Citratzyklus und der beta-Oxidation wird zu ATP umgesetzt

Redoxreaktion:

1/2 O2 + NADH/H+ -----> H2O + NAD+

Red.: 1/2 O2 + 2 H+ + 2 e- -----> H2O

Ox.: NADH/H+ -----> 2 H+ + 2 e- + NAD+

Potentialdifferent beträgt +1,14 V -----> -220 kJ/mol 

- Reihe von Proteinkomplexen (I, II, III & IV) in der inneren

  mitochondrialen Membran

- Elektronen von Donor-Molekülen werden durch diese Komplexe

  transportiert

- Erzeugt durch das Pumpen von H+ in den Intermembranraum einen

  Protonengradienten, der sich von der ATP-Synthase zu nutze

  gemacht wird

- Komplex I: NADH-Dehydrogenase

- Komplex III: Cytochrom-c-Reduktase

- Komplex IV: Cytochrome-c-Oxidase

- ATP-Synthase

- Elektronencarrier Ubichinon

- Elektronencarrier Cytochrom c

- NADH/FADH2 als Donormoleküle

1. NADH gibt 2 gebundene Elektronen in die NADH-Dehydrogenase ab

2. Für jedes Elektron pumpt der Komplex I ein H+ in der

     Intermembranraum

3. Ubichinon transportiert e- zur Cytochrom-c-Reduktase

4. Für jedes e- wird wieder ein H+ in den Intermembranraum

     transportiert

5. Cytochrom-c transportiert e- nun einzeln in die Cytochrom-c-

     Oxidase

6. Sobald 4 e- in der Cytochrom-c-Oxidase sind, werden 2 O und 8 H+

     in den Komplex aufgenommen

7. Aus 2 O, 4 H+ und 4 e- werden 2 H2O -> die restlichen 4 H+ werden

     in den Intermembranraum ausgeschleust

8. Der entstandene Protonengradient wird von der ATP-Synthase

     benutzt um aus ADP + Pi ---> ATP zu machen

Der Komplex II der Atmungskette ist gleichzeitig auch ein Enzym des Citratzyklus genannt Succinat-Dehydrogenase.

Er katalysiert die Reaktion von Succinat zu Fumarat und reduziert dabei ein FAD Molekül zu einem FADH2 Molekül.

Dieses FADH2 wird direkt in die Atmungskette eingeschleust.

- Ubichinon = niedermolekular und sehr hydrophob

  -> kann frei in der Lipidphase der Membran diffundieren

- Cytochrom-c = großes Protein mit Hämgruppe und Fe(II) oder Fe(III)

  Ion

  -> sitzt an der Außenseite der inneren Mitochondrienmembran

Die Neusynthese von Glucose aus organischen nicht-Kohlenhydrat-Vorstufen wie Pyruvat, Oxalacetat und Dihydroxyacetonphosphat.

-> Pflanzen und Bakterien haben noch die weitere Möglichkeit aus

     organischen Vorstufen (z.B. Acetyl-CoA) Glucose herzustellen.

     Diese Möglichkeit bezeichnet man als Glyoxylatzyklus.

- täglicher, menschlicher Bedarf: 160g

- davon alleine vom Gehirn: 120g

Glycogen (Speicherform von Glucose) ca. 400-450g im Körper.

- ca. 350g in der Muskulatur

- 80-100g in der Leber

Der Mensch kann nicht immer seinen gesamten Bedarf an Glycose abdecken, weswegen schon bei kurzen Hungerperioden die Synthese von Glucose einsetzt. 

Diese findet vorallem in der Leber und in der Nierenrinde statt, weniger im Gehirn, Skelett- und Herzmuskel.

Pro Tag können etwa 180-200g Glucose gebildet werden.

Erythrozyten sind die einzigen menschlichen Zellen ohne Mitochondrien. Das bedeutet, dass sie keinen eingenen Stoffwechsel besitzten und so auf die Direktzufuhrvon Glucose angewiesen sind.

Nein, nur teilweise.

1. Umwandlung von Glucose in Glucose-6-phosphat

2. Umwandlung von Fructose-6-phosphat in Fructose-1,6-biphosphat

3. Reaktion von Phosphoenolpyruvat (PEP) zu Pyruvat

Bei der Glyconeogenese passieren die Schritte in umgekehrter Reihenfolge:

1. Carboxylierung von Pyruvat zu Oxalacetat unter ATP Verbrauch ->

     Pyruvat-Carboxylase und anschließende phosphorylierende

     Decarboxylierung von Oxalacetat zu PEP unter GTP Verbrauch ->

     PEP-Carboxykinase

2. Fructose-1,6-biphosphatase katalysiert Reaktion von Fructose-1,6-

     bisphosphat zu Fructose-6-phosphat

3. Glucose-6-phosphat wird von der Glucose-6-phosphatase zu

     Glucose umgesetzt (in der Glykolyse katalysiert die Hexokinase die

     Rückreaktion)

Ein weiterer wichtiger Unterschied ist der Reaktionsort.

-> Glykolyse hauptsächlich im Cytosol

Gluconeogenese ist auf drei Kompartimente verteilt:

- Lumen des Mitochondriums

- Cytosol

- Endoplasmatisches Retikulum

Glykogen besteht aus einem zentralen Protein (=Glykogenin).

An das Glykogenin können bis zu 50.000 Glucosebausteine verknüpfen.

Glucosebausteine sind meist alpha-1,4-glycosidisch Verknüpft.

Alle 8-12 Bausteine allerdings befindet sich eine weitere alpha-1,6-glycosidische Verknüpfung.

-> erfolgt im Cytosol (Abbau im Mitochondrium)

Enzyme der FS-Synthese bilden einen großen Komplex (Fettsäure-Synthase) mit einer Acyl-Carrier-Protein (ACP) Bindungsstelle, an die Zwischenprodukte der Synthese binden können.

Es handelt sich wieder um einen Zyklus bei dem bei jedem Durchlauf die FS-Kette um 2 C-Atome verlängert wird.

-> Die längste mögliche Kette: C16 = Palmitinsäure

-> Es können nur gesättigte FS hergestellt werden

-> Bei dem Vorgang wird NADPH/H+ verbraucht

- ca. 1/2 Million CP pro mm^2

- meisten CP liegen im Mesophyll

- Lichtreaktion

- Dunkelreaktion / Calvin-Zyklus

Das Chrophyll im CP absorbiert rote und blaue Wellenlängen. Der Rest, die sogenannte Grünlücke, wird transmittiert. 

Porphyrinringsystem das eine Komplex mit einem Magnesium Aton bildet. Porphyrinringe sind lichtabsorbierend und hydrophil, während die Phytolgruppe hydrophob ist.

Chlorophyll a ist sehr ähnlich zu Hämoglobin.

Chlorophyll a wird zu Pheophytin a -> Anstelle des Magnesiumatoms sitzt je ein Wasserstoffatom an den Stickstoffatomen ohne Doppelbindung.

- Akzessorische Pigmente (Blätter)

- Beteiligt am Aufbau des Photosystems

- Farb- und Lockstoffe (Blüten)

- Vorstufe von Retinol (Vit. A)

- Antioxidantien

- Lebensmittelfarbstoffe

- Lebensmittelergänzung

- Kosmetika

Bestehen aus Isoprenoid-Einheiten

Isopren: C5H8

-> Monoterpen: C10H16

-> Triisopren: C15H24

-> Diterpen: C20H32

-> usw.

Carotine = Terpen aus Isopreneinheiten mit 40 C-Atomen ohne Sauerstoffgruppen

Xanthophyll = Terpen aus Isopreneinheiten mit Sauerstoffgruppen

- Enzymkomplex Photosystem I

- Enzymkomplex Photosystem II

- Cytochrom b6f

- NADP-Reductase

- ATP-Synthase

- Elektronencarrier Plastochinon

- Elektronencarrier Plastocyanin

- Elektronencarrier Ferredoxin

1. Lichtsammelkomplex:

- komplex aus Chlorophyllmolekülen absorbiert Energie der Photonen

  und leitet sie an das Reaktionszentrum weiter

- aus 8 Polypeptiden mit je 7 Chlorophyll a und 6 Chlorophyll b und 2

  Carotinoid-Molekülen

2. Reaktionszentrum:

Spezielles Chlorophyllpaar, aus dem bei ausreichender Energetisierung ein Elektron "ausgeschlagen" wird

Besteht aus:

- 4 Manganionen

- 1 Calciumion

- 1 Chloridion

Spaltet Wasser in molekularen Sauerstoff, Protonen und Elektronen

2 H2O -----> O2 + 4 H+ + 4 e-

-> e- werden zum Ladungsausgleich im Reaktionszentrum der

    Photosysteme genutzt

-> H+ dienen der Herstellung eines Protonengradienten im Lumen der

    Thylakoide

Sitzt im Lumen der Thylakoide

1. Photon trifft Chlorophyllmolekül des PS II Komplexes

2. Energie wird bis zum Reaktionszentrum weitergeleitet -> ein

     Elektron wird angeregt und abgegeben -> pro Photon kann ein

     Elektron angeregt werden

3. Die 2 abgegebenen Elektronen werden durch Elektronen die bei der

     Spaltung von Wasser im Manganzentrum gewonnen werden

     ersetzt -> übrige H+ werden ins Lumen abegegeben 

4. Plastochonin transportiert dann 2 e- und 2 H+ (aus dem Stroma)

     zum Cytochrom b6f Komplex, wobei die e- an den Komplex und die

     Protonen in das Thylakoidlumen abgegeben werden

5. Cytochrom b6f transportiert dann für jedes e- ein H+ ins Lumen

6. Plastocyanin transportiert die Elektronen dann vom Cytochrom b6f

     zum PS I

7. Im PS I werden die Elektornen wieder durch Photonenenergie

     angeregt

8. Ferredoxin transportiert die Elektronen dann einzeln zur NADP-

     Reductase 

9. Sobald 2 e- an der Reductase angekommen sind, wandelt es NADP

     in NADPH

10. Der erzeugte Protonengradient dient der ATP-Synthase zur

       Umwandlung von ADP + Pi zu ATP

-> 8 Photonen = O2 + 2 NADPH/H+ + 3 ATP

1. Fixierung von CO2 durch das Enzym RuBisCO mit Ribulose-1,5-

     biphosphat unter Bildung von 2 Molekülen 3-Phosphoglycerat

2. Reduktion von 3-Phosphoglycerat zu Glycerinaldehyd-3-phosphat

     (G3P) unter Aufwendung von ADH und NADPH/H+ -> davon wir 1/6 

     G3P abegegeben

3. Regeneration von Ribulose-1,5-bisphosphat zur weiteren Bindung

     von CO2

4. Das 1/6 G3P verlässt den Zyklus und kann mit einem anderen 1/6

     G3P zu Glucose oder anderen organischen Verbidungen bilden

6 CO2 + 18 ATP + 12 NADH/H+ + 12 H2O -----> C6H12O6 + 18 ADP + 18 Pi + 12 NADP+ + 6 H+

- Alternativer Abbauweg zu Glykolyse

- Erfüllt den Bedarf an NADPH/H+ aller Organismen:

  -> Fettsäurebiosynthese

  -> Cholesterinbiosynthese

  -> Biosynthese von Neurotransmittern

  -> Nucleotidbiosynthese

hat 2 Phasen:

- oxidative Erzeugung von NADPH/H+

- nicht-oxidative Umwandlung von Kohlenhydraten

Glucose-6-phosphat + 2NADP+ + 2 H2O -----> Ribulose-5-phosphat + CO2 + 2 NADPH + 2 H+