Stoffwechsel

• Anabolismus

• endergone Prozesse - Energieverbrauch

• Synthese von Proteinen (Proteinbiosynthese), Gluconeogenese, Synthese von Fettsäuren, Photosynthese/Calvin-Zyklus, Pentosephosphatweg

• Katabolismus

• exergone Prozesse - Energiegewinnung

• Metabolismus

• endergone und exergone Prozesse

• Exergone Prozesse treiben endergone Prozesse an

• Exergone: Abbau, Oxidation, freie Energie nimmt ab, -deltaG (freiwillig ablaufend)

• Endergon: Biosynthesen, aktiver Transport, Bewegung, freie Energie nimmt zu, +deltaG (“Zwangsreaktion”)

• deltaG = Änderung der freien Enthalpie/Gibbs-Energie

• vermittelt zwischen exergonen und endergonen Prozessen

• ATP-Zyklus = fundamentaler Mechanismus des Energietausches in biologischen Systemen Spaltung von ATP und ADP liefert zwischen 11 und 13 kcal/Mol Energie

• Mensch enthält ca. 250 g ATP

• Umsatz: kg pro Tag

• Moleküle un der Zelle metastabil - keine spontanen Umsetzungen (Chaos)

• Kontrollierte Umsetzung durch Enzyme - Biokatalysatoren

• Enzyme setzen die Aktivierungsenergie herab - lösen bestehende Bindungen im Molekkül - beschleunigen die Reaktion

• Enzyme sind Proteine, sund Produkte der Genexpression, über die Enzyme kontrollieren die Gene den Stoffwechsel

  
  

• Enzymname enden auf -ase, wenn es sich nicht um mehrere ENzyme in einem Syste handelt (Bsp. Hydrolyse)

• Der Enzymname soll erklärend sein, also die Reaktion, die das Enzym katalysiert, beschreiben (Bsp. Cholinesterase: ein Enzym, das die Estergruppe um Cholin-Molekül hydrolysiert)

• Der Enzymname soll seine Klassifikation enthalten (Bsp. Cholinesterase)

• Ausnahme: Traditionelle Namen wurden z.T. beibehalten; Bsp.: die Verdauungsenzyme Trypsin und Pepsin de Menschen

• 6 Enzymklassen

• Oxidoreduktasen = katalysieren Redoxreaktionen

• Transferasen = übertragen funktionelle Gruppen von einem Substrat auf ein anderes

• Hydrolasen = spalten Bindungen unter Einsatz von Wasser

• Lyasen = auch Synthasen genannt, katalysieren die Spaltung oder Synthese komplexer Produkte aus einfachen Substraten, allerdings ohne Spaltung von ATP

• Isomerasern = beschleunigen die Umwandlung von chemischen Isomeren

• Ligasen oder Synthetasen = katalysieren die Bildung von Substanzen, die chemisch komplexer sind als die benutzten Substrate, allerdings im Unterschied zu den Lyasen nur unter ATP-Spaltung enzymatisch wirksam sind

• 2 Gruppen

• Reine Protein-Enzyme bestehen ausschließlich aus Protein, das aktive Zentrum wird nur aus Amminosäureresten und dem Peptidrückgrat gebildet

  • Zu dieser Gruppe gehören bsplw. das Verdauungsenzym Chymotrypsin und die Triosephosphatisomerase (TIM) der Glycolyse

• Holoenzyme bestehen aus Proteinanteil (= Apoenzym) und Kofaktor (= einem niedermolekularen Molekül, kein Protein)

  • Organische Moleküle als Kofaktoren werden Koenzyme genannt. Sind sie kovalent an das APoenzym gebunden, nennt man sie prosthetische Gruppen

  • Kofaktoren:

    • Anorganisch/Metalle: Benötigt ein Enzym Metallionen, spricht man von einem Metalloenzym. DIe Lipoygenase enthält Zink

    • Organische Moleküle:

      • Achtung: NADH wird im KAtabolismus aus Glkolyse und Citratzyklus gewonnen und in der Atmungskette oxidiert, um ATP zu erzeugen. Dagegen fungiert NADPH im Anabolismus als Reduktionsmittel

      • CoA = Coenzym A => Cosubstrat von Transferasen, Übertragung von Acylresten, vor allem Acetylresten

    • Nichtvitamine

• Aktives Zentrum = katalytisches Zentrum

• Substratspezifisch

• Substrat(e) binden über Wasserstoffbrüclen und Ionenbindungen an Seitenketten der Aminosäuren

• Induzierte Anpassung, Enzym-Substratkomplex

• Umsetzungsgeschwindigkeit: ca. 1000 Moleküle pro sec

Enzymaktivität abhängig von Temperatur und pH-Wert

• Reaktion sind reversibel

• Relative Konzentration von Reaktanten bestimmt Reaktionsrichtung

• Katalyse in Richtung chemisches Gleichgewicht

• Inhibtion kann reversibel und irreversibel sein

• Reversible Inhibition (Hemmung) kann kompetitiv und nichtkompetitiv sein

  • Kompetitiver Inhibitor ähnelt dem Substrat und konkurriert mit ihm um das aktive Zentrum

  • Nichtkompetetitver Inhibitor bindet sich an einer vom aktiven Zentrum entfernten Stelle an das Enzym, ändert aber die Konformation des Enzyms derartig, dass das aktive Zentrum nicht länger voll funktionsfähig ist

  • Sonderform der nichtkompetitiven Hemmung: Endprodukthemmung (Feedback-Hemmung): Endprodukt wirkt als nicht-kompetitiver Inhibitor

  • Allosterische Regulation (= nicht-kompetitive Hemmung)

    • Meist Enzyme mit Quartärstruktur

    • 1 aktives Zentrum pro Untereinheit

    • Allosterische Zentren an Kontaktstellen der UE

    • Binden allosterische Effektoren: Aktivatoren, Inhibitoren

• spaltet alpha-ständige Glucose

• Drei Hauptnährstoffgruppen

• Proteine => Eiweiße

• Polysaccharide => Kohlenhydrate

• Lipide => Fette

• trans-Fettsäuren => Krebserregend

• cis-Fettsäuren gewünscht

• Ist Gruppenbezeichnungfür Monocarbonsäuren, also Verbindungen, die aus einer Carboxygruppe (-COOH) und aus einer unterschiedlich langen, aber fast ausschließlich unverzweigten Kohlenwasserstoffkette bestehen

• (18:0) => 18: C-Kettenlänge; 0: Anzahl der Doppelbindungen

• Omega-3-Fettsäuren gehören zu den essenziellen Fettsäuren, da sie nicht vom menschlichen Orgaismis selbst hergestellt werden können! Der täglichen Bedarf liegt zwischen 100 mg und 600 mg.

• Fettsäuren liegen in Form von Triglyceriden vor. Bei der Hydrierung der Doppelbindungen der Fettsäuren (=Härtung) entsteht aus Öl festes Fett = Margarine

3 Stufen

• Extrazellulär, im Verdauungstrakt

• Katalysiert durch die Verdauungsenzyme

• Abbau der Makromoleküle zu kleineren EInheiten

  • Proteine => Aminosäuren

  • Polysaccharide => Hexosen und Pentosen

  • Lipide => Fettsäuren und Glycin

• Alle Abbauwege treffen sich im CItratzyklus

• Glykolyse

• Lipid-Stoffwechsel

• Aminosäure-Stoffwechsel

• Zentraler ATP erzeugender Stoffwechselweg

• Ohne Beteiligung von Sauerstoff

• Mehrstufiger Prozess

• Nettogewinn: 2 Moleküle ATP und 2 Moleküle NADH/H+

• Vorbereitungsstufe: Engerie (2 ATP) werden investiert

• Ertragsstufe:

  • Energiegewinn in Form von 2 ATP und 2 NADH/H+

  • Endprodukt Pyruvat

  • Derivatisierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA oder Oxalacetat

  • Einschleusung in den Citratzyklus

• Mehrstufiger Prozess

• Aktivierungsphase (Cytosol): Verknüpfung mit Acetyl-CoA

• Fettsäure-Oxidation (= beta-Oxidation) (Mitochondrium)

• Reaktionszyklus: Bei jedem Durchgang werden die FS-Ketten um 2 Kohlenstoffe gekürzt (zwischen alpha und beta bzw. 2 und 3)0

• Es entsteht: 1 Molekül NADH/H+, 1 Molekül FADH2, 1 Molekül Acetyl-CoA

• Komplexer Prozess

• z.T. Reaktionszyklen für einzelne AS

• 1. Schritt meist Transaminierung

• Zwei Hauptwege:

  • Glucogener Abbau

    • Durch Auffüllen von Intermediaten des Citratzyklus zu Glucose

    • Ketogener Abbau Entstehung von Ketonkörpern via Acetyl-CoA

• Citratzyklus

• In Mitochondiren

• Abbauprodukt CO2 wird abgeatmet

• Vollständiger Abbau/Oxidation des organischen Energieträgers

• Ein zyklischer Prozess, bei dem Citrat als Zwischenprodukt entsteht

• Resultat:

  • Formal wird Acetat vollständig zu CO2 und H2O abgeabaut

  • Prinzip beruht darauf, dass Acetat an ein Trägermolekül (Oxalacetat) gebunden wird, an dem dann Dehydrierung stattfindet

  • ATP-Ausbeute ergibt sich aus der durch Reaktion der wasserstoffübertragenenen Coenzyme (NADH/H+ und FADH2) gewonnenen Energie in der Atmungskette

  • Oxidation eines Acetylrestes im Citratzyklus liefert somuit maximal 12 ATP

• Atmungskette + ATP-Synthase

• In Eukaryoten ein System von Enzymkomplexen der inneren Mitochondirenmembran

• Aufgabe: NADH/H+ / FADH2 aus Citratzyklus zu ATP umsetzten

• Chemische Grundlage

  • Redoxreaktion mit hoher Potentialdifferenz:

    • 1/2 O2 + NADH/H+ -> H2O + NAD+

  • Wichtig: Räumlich Trennung der Reaktion, Elektronen werden weitergeleitet; Elektronenfluss bewirkt Protonenfluss in Intermembranraum des Mitochondriums

• Komplex 2 = Succinat-dehydrogenase Enzym aus Citratzyklus

• Kette der energiefreisetzenden Redoxreaktionen wird dazu genutzt, Protonenen gegen Konzentrationsgefälle über innere Membran in Intermembranraum zu pumpen

• Drei protonenpumpenden Atmungskomplexe werden als Komplex 1, 3 und 4 bezeichnet

• Elektronen aus Redoxreaktionen werden einem Komplex auf den anderen durch mobile Elektronencarrier (Ubichinon (freie Diffusion in Lipidphase der Membran) und Cytochrom c (Außenseite der inneren Membran)) übertragen

• Membran für Ionen undurchlässig

• Glykolyse in Cytosol, Gluconeogenese auf drei Kompartimente verteilt:

  • Umwandlung Pyruvat zu Oxalacetat im Lumen des Mitochondriums

  • Malat-Shuttle-System transportiert Oxalacetat aus Mitochondrium ins Cytosol

  • letzte Reaktionsschritt im ER

• Pro Tag etwa 180 bis 200 g Glucosebildung

• Nur teilweise Umkehrreaktion der Glykolyse, in der das chemische Gleichgewicht dreier Teilreaktionen fast ausschließlich auf der Seite der Reaktionsprodukte

• Anderen Umwandlungsprozesse befinden sich im Gleichgewicht

• Für Glykolyse typische Reaktionen:

  • Umwandlung von Glucose in GLucose-6-phosphat

  • Von Fructose-6-phosphat in Fructose-1,6-bisphosphat

  • Die Reaktion von Phosphoenolpyruvat (PEP) zu Pyruvat

• Diese Schritte in Gluconeogenese in umgekehrter Reihenfolge:

  • Carboxlierung von Pyruvat zu Oxalacetat unter ATP-Verbrauch (Pyruvat-CArboxylase) und die anschließende phosphorylierende Decarboxylierung von Oxalacetat zu PEP unter GTP-Verbrauch (PEP-Carboxykinase)

  • Fructose-1,6-bisphosphatase katalysiert Reaktion von Frucose-1,6-bisposphat zu Fructose-6-phosphat

  • Glucose-6-phosphat wird von Glucose-6-phosphatase zu Glucose umgesetzt (In Glykolyse katalysiert Hexokinase die Rückreation)

• Zusammenfassung:

  • Wechsel der Reaktionsschritte

  • Drei Enzyme ersetzten (im Vergleich Glykolyse)

  • Speicherform: Glykogen

• osmotisch nicht mehr so reaktiv

• Besteht aus einem zentralen Protein (= Glykogenin), an das bis zu 50000 Glucosebausteine meist alpha-1,4-glycosidisch verknüpft sind

• Alle 8 bis 12 Glucose-Bausteine erfolgt neben der alpha-1,4-glykosidischen Bindung eine weitere alpha-1,4-glykosidische Verknüpfung

  
  

• keine Herstellung von ungesättigten FS

• keine ungeraden FS

• Aufbau erfolgt im Cytosol (Abbau im Mitochondrien)

• Zwischenprodukte der Synthese sind an Acyl-Carrier-Protein (ACO) gebunden

• Enzyme der FS-Synthese bilden einen großen Komplex = FS-Syntase

• Verlängerung um C2-EInheiten

• Längste möglichste Kette C16 = Palmitinsäure

• Verbrauch von NADH/H+

• Blatt hat 1/2 Chloroplasten pro mm2 und meisten liegen im Mesophyll

• Verläuft in 2 Abschnitten: Lichtreaktion (benötogt Protonen) und Dunkelreaktion (benötigt keine Protonene)

• Photosynthesepigmente absorpbierenim Vis-Absorptionsspektrum

  
  

• Lichtiduzierte Entwicklung des Chloroplasten aus einem Proplastiden:

  • Proplastid aus unbelichteten Pflanzen besteht lediglich aus einer Innen- und Außenmembran

  • Licht induziert Synthese von Chlorophyll, Phospholipiden und Thylakoid-Proteinen. Von der Innenmembran schnüren sich Vesikel in den Matrixraum ab

  • Während Vergrößerung der Proplastiden blden sich einzelne Thylakoide druch Fusion von Vesikeln. Durch ein Protein der Lichtsammelkomplexe kommt es dann zur Verklepung (Stapelung) von Thylakoiden

  • Durch Ausbau der Membransysteme, wobie Grana-Thylakoidstapel durch (ungestapete) Stroma-Thylakoide miteinander verbunden werden, entsteht der Chloroplast

• Chlorophyll absorbiert rote und blaue Wellenlängen

• restliches Licht wird transmittiert

• Deswegen erscheint Chloroplast grün

• “Grünlücke”

• Absorbiert ein Molekül Licht, geht es in einen angeregten Zustand über

• Bei Rückkehr in Grundzustand wird Energie als Wärme oder Fluoreszenz abgegeben

• Akzessorische Pigmente (Blättern)

• Beteiligung am Aufbau des Photosystems

• Farb- und Lockstoffe (Blüten)

• Vorstufe von Retinol

• Antioxidantien

• Lebensmittelfarbstoffe

• Lebensmittelergänzung

• Kosmetika

• Terpene aus Isoprenoid-EInheiten mit 40 C-Atomen

• Isopren: C5H8

• Monoterpen: C10H16

• Carotine ohne Sauerstoff-Gruppen

• Xantophyll mit Sauerstoff-Gruppen

• Antennenkomplex leitet absorb. ENergie an Reaktionszentrum weiter

• 8 Polypeptide mit je 7 CHlorophyll a, 6 CHlorophyll b und 2 Carotinoid-Molekülen

• Zentrale Höhle mit dem Reaktionszentrum

• Besteht aus: 4 Manganionen, 1 Calciumion, 1 Chloroidion und ein radikalbildenden Thyrosinrest

• Reaktion: 2 H2O -> O2 + 4 H+ + 4 e-

• Struktur nicht vollständig geklärt

• Position: Thylakoidlumen

• Ausbildung eines Protonengradienten, Überschuss im Lumen

• Plastochinol = red. Form = PQ = QH2 => (über Cytochrom bf) 2 Plastocyanin in reduzierter Form + 2 H+ (im Lumen) Teil 1Q-Zyklus

• Plastochinon => (Cytochrom bf + 2 H+ (Membranseite)) Plastochinol = red. Form = PQ = QH2 + 2 H+ (im Lumen) Teil 2Q-Zyklus

• “kleines Kupferprotein”

• 10,5 kDa schwer

• Aus 99 AS aufgebaut

• Kupferatom wechselt zwischen den Oxidationsstufen Cu(II) und Cu(I) => das Protein kann also nur ein Elektron aufnehmen und wieder abgeben

• Aufgabe: Transport von ELektronen von Cytochrom-bf-Komplex zum Photosystem I

• Aufbau ähnlich zu PS II

• “spezielles Paar” Chlorophyll a = P700

• Ausgleich der Ladungstrennung über red. Plastocyanin

• Elektronen werden an 4Fe-4S-Cluster übertragen

• Weiterleitung eines Elektrons an Ferredoxin

  
  

Ausnutzung des Protonengradienten zur direkten Gewinnung von ATP

• Lichtreaktion: Absorption von 8 Photonene erzeugt: 1 O2 + 2 NADH/H+ + 3 ATP

• Calvin-Zyklus = reduktiver Pentosephosphatweg

• Fixierung von CO2 durch Ribulose-1,5-bisphosphat unter Bildung von 2 Molekülen 3-Phosphogylcerat

• Reduktion von 3-Phosphoglycerat zu Hexosen

• Regeneration von Ribulose-1,5-bisphosphat zur weiteren Bildung von CO2

• Alternativer Abbauweg zur Gylcolyse

• Erfüllt den Bedarf aller Organismen an NADPH/H+

  • Für: Fettsäurebiosynthese, Cholesterinbiosynthese, Biosynthese von Neurotransmittern, Nucleotidbiosynthese

• 2 Phasen:

  • Oxidative Erzeugung von NADH/H+

  • Nicht-oxidative Umwandlung von Kohlenhydraten

• Glucose-6-Phosphat Abbauweg wird über den NADP+-Spiegel im Cytosol, den Bedarf an Ribose-5-Phosphat und ATP gesteuert