Vllc_Atmung_Gärung

Alle Lebewesen brauchen chemische Energie für den Betrieb des Stoffwechsels

Pflanzen ➡️ Autotroph

• nutzen Sonnenenergie und speichern diese in Form von Kohlenhydraten und Fetten. Durch deren Aufschluss wird chemische Energie frei

Tiere, Bakterien, Pilze; Archea und Menschen ➡️ heterotroph

• müssen über die Nahrung energiereiche Moleküle wie Kohlenhydrate oder Fette aufnehmen um daraufs Stofwechselenergie zu gewinnen

besteht aus 3 Hauptsätzen und passiert auf einem in sich geschlossenen System

1. Hauptsatz: Energie bleibt immer konstant

2. Wärme (H) kann nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur (T) auf einen Körper höherer Temperatur übergehen. Der ungeordnete Zustand (S) nimmt ständig zu

3. Dem absoluten Nullpunkt der Temperatur kann man sich nur beliebig annähern aber nie erreichen

Organismen und das erde-Sonnensystem sind offene systeme

• können Thermodynamik trotzdem anwenden:

  • Der Stoffwechsel und Energieaustausch (G) dient dem erhalt der geordneten Strukturen (S: Zelle, Gewebe, Organismus)

  • ➡️ Gibbs-Helmhotz-Gleichung

gasförmiger Sauerstoff und gasförmiger Wasserstoff ➡️ flüssiges Wasser

• stark exotherm

• Ordnungsgrad nimmt aber zu

  • Zahl der Moleküle sind um 1/3

  • bewegliche Gasmoleküle ➡️ eine höhere geordnete Flüssigkeit

  • wegen dieser Zunahme der Ordnung wird der Term -T x S positiv

    ABER

  • die hohe Reaktionswärme gleicht dies jedoch mehr als aus ➡️ Reaktion ist insgesamt stark exergon

Knallsgasreaktion - die H2-Moleküle werden am Platin (Übergangsmaterial) absorbiert und im Kristallgitter zu atomarem H.

Dieser reagiert leichter mit Sauerstoff, d.h. es wird auf diese Weise Aktivierungsenergie herabgesetzt - die Reaktion startet bei Zimmertemperatur

• die Energie der Wassersynthese (biologische Knallgasreaktion) macht sich auch die Pflanze in der Atmung zu nutze - sie entlädt sich nicht spontan (wie Knallgasreaktion) sondern wird schrittweise abgebaut

• Die Schrittmacher sind Biokatalysatoren - die Enzyme

  Sie setzen die Aktivierungsenergie herab, die den spontanen Ablauf der Reaktion verhindert ➡️ verhindern damit einen unkontrolliert ablaufenden Stoffwechsel

sind katabole Stoffwechselwege

• der Abbau der Glucose und anderer organischer Substrate im Stoffwechsel ist exergonisch und liefert Energie für die ATP-Synthese

• in der Zellatmung wird Glucose zu CO2 oxidiert, und O2 wird zu H2O reduziert

• die Elektronen verlieren bei der Übertragung von den organischen Verbindungen zum Sauerstoff potentielle chemische Energie

• diese Energie treibt die ATP-Synthese an

• vollständige Oxidation

• aerob

• Abbau der Kohlenhydrate zu CO2 und H2O (=Abfallprodukte)

• Energiegewinn: 38 ATP

• großteils membrangebunden

• unvollständige Oxidation

• Energiereiche (für den gärenden Organismus meist toxisch) Endprodukte

• Abfallprodukte: CO2 und organische Verbindungen (Milchsäure oder Ethanol)

• Energiegewinn: 2 ATO

• nicht membrangebunden

1. Energetische Kopplung

   es ist ein Merkmal von Stoffwechselprozessen, dass die Reaktion nicht isoliert ablaufen, sondern dass immer mehrere miteinander gekoppelt sind. So können exergonische Reaktionen im Stoffwechsel endergonische Reaktionen ermöglichen

2. Einsatz von ATP

   wenn exergonische Reaktionen mit endergonischen nicht unmittelbar gekoppelt sind, wird ATP als Kurzstrecken.Transportmolekül eingesetzt

• Nucleotide bzw. Nukleotid-derivate, Coenzyme, redoxäquivalente

• Grundaufbau sehr ähnlich

• Energieträger

• ATP- Bildung pber Protonengradienten an Membranen

• ATP (Adenosintriphosphat)

• GTP (Guanintriphosphat)

• Phosphat übertragende Coenzyme

  • ensteht bei der Übertragung der Energie aus KH und Fetten auf GTP im Citratzyklus oder der Proteinbiosynthese

    • Aktivierung von G-Proteinen (=Proteine die Guanin-Nukleotide GDP und GTP binden)

    • Signaltransduktion (Weiterleitung von äußeren Reizen in das Zellinnere)

    • Proteinbiosynthese

    • Membrantransport Stofftransport (Cytoplasma - Zellkern)

    • Regenerierung von ATP aus ADP

    • Aufbau von RNA und DNA

Nicotinamidadenindinucleotid(phosphat)

• Wassserstoff übertragende Co-Enzyme

  (2-Elektronen/1-Proton)

Flavin-Adenin-Dinucleotid

• Wasserstoff- und Elektronen übertragendes Co-Enzym

• Gruppenübertragendes Co-Enzym

• Acetyl-CoA - Übertragung von Essigsäure

• Coenzym A ist in der Lage energiereiche Verbvindungen pber die SH-Gruppe (=Thiolgruppe) des Cysteamin-Anteils einzugehen. Diese Verbindungen geht sie mit den Carboxygruppen (-COOH) von Alkan- und fettsäuren unter Bildung von sogenanten Thioesterbindungen ein.

• schrittweise Abbau von Monosacchariden

• zentrae Prozess beim Abbau von KH in allen Eukaryoten

• Bei Bakterien und Archaeen ist Glykolyse ebenfalls verbreitet

• Der Abbau erfolgt in 10 Einzelschritten

  1 Glucosemolekül ➡️ Energiegewinnung in Form von

  • 2 Pyruvat

  • 4 Moleküle ATP

  • 2 Moleküle NADH

Phosphorylierung von Glucose und ihre Umwandlung in Glycerinaldehyd-3-phosphat

1. Hexokinase

2. Phosphohexo-Isomerase

3. Phosphofructokinase-1

4. Aldolase

5. Tripsephosphat-Isomerase

Oxidative Pentosephosphatzyklus 5-20%

Oxidative Umwandlung von Glycerinaldehyd-3-phosphat in Pyruvat und die daran gekoppelte Bildung von ATP und NADH

1. Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase

2. Phosphoglycerat-Kinase

3. Phosphoglycerat-Mutase

4. Enolase

5. Pyruvat-Kinase

Malat/Aspartat shuttle

• dient dazu, dass das NADH+H+ in das Mitochondrium durch die beide Membranen durchgeschleust werden kann

• Die Glykolyse ist der erste Schritt bei der Gärung als auch bei der Zellatmung. Sie erfolgt im Cytoplasma.

• Investition von 2 ATP-Molekülen

• aus jedem Glucosemolekül, das die Glykolyse durchläuft, werden 2 Pyruvatmoleküle, 4 ATP-Moleküle und 2 NADH-Moleküle gebildet

• Der Nettogewinn an ATP beträgt daher pro Glucose Molekül 2 ATP

Sinn: NAD+ muss bei O2-Mangel wieder der Glykolyse zumindest zT. wieder zur Verfügung gestellt werden

• Milchsäuregärung - Bakterien

  • keine CO2-Entwicklung

• Alkoholische Gärung - Hefen

  • CO2-Entwicklung

• Essigsäuregärung - Bakterien

  • Oxidation des Alkohols

  • 2 Dehydrierungsschritte

  • aerob

Die Umwandlung von Pyruvat zu Acetyl CoA stellt die Verbindung zwischen Glykolyse und Citratzyklus her!

Pyruvat über Symporter mit H+ über innere Mitochdonrienmembran in Matrix transportiert.

Lagert sich an Thiaminpyrophosphat (TPP) = Derivat des Vitamin B1.

Säuregruppe des Pyruvats wird als CO2 abgespalten ➡️ Hydroxmethyl-TPP entsteht

H abgespalten, aud NAD+ übertragen.

Bildung von 2 NADH/Mol Glucose

• anders als die lineare Reaktionsfolge der Glykolyse ist der Citratzyklus eine in sich geschlossene Folge von 9 Reaktionen

• wichtig für die Energiebilanz der Atmung: liefert mit Hilfe von Oxidoreduktasen Reduktionsäquivalente:

  • 6 NADH

  • 2 FADH2

  • 2 GTP (Energie)

• bedient katabole und anabole Stoffwechselwege

Biologische Knallgasreaktion

• in der Innenmembran der Mitochondrien

Glykolyse, Oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus bringen eine nur geringe ATP-Ausbeute. Ein Großteil der Energie der KH liegt in dem. den Zucker entrogenen Wasserstoff der reversibel an NADH und FADH2 angelagert ist

Die Reduktionsääquivalente NADH und FADH2 sind energetsich hochtwertige Elektronendonatoren, die in der Atmungskette einen Protonengradienten aufbauen, dessen Ausgleich ATP liefert

• Elektronen wandern durch die Membran, die sich am Ende der Eelektronentransportkette mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser verbinden (regulierte Knallgasreaktion)

• Gekoppelt an diese Elektronenbewegung ist die Bildung eines Proteonengradienten, dessen Ausgleich jene Energie liefert, die zur Bildung von ATP notwendig ist (oxidatove Phosphorilierung)

• Der NADH-Dehydrogenase-Komplex am Anfang der Kette oxidiert NADH+H+. Die ebenfalls freigewordenen Proteonen werden aud die andere Seite der Membran gepumot. Die Elektronen werden weiter zum Ubichinon (Coenzym 10) transportiert, einem mobilen Membranbestandteil. Hier kann auch FADH2 seine Elektronen abladen. Vom Ubichinon werden die Elektronen zum Cytochrom bc1-Komplex weitergegeben. Dieser kann ebenfalls Protoenen aud die andere Membranseiten transportieren. Nun werden die Elektronen auf Cytochrom C übertragen und dann auf die Cytochromoxidase, die je 2 Elektronen aud ein O-Atom überträgt. Mit 2 Protonen bildet sich so ein Wassermolekül.

1 Glucose ➡️ 2 Pyruvat ➡️ 6CO2

• Energiegewinn durch

  • die mitochondriale Atmung 40%

  • Rest 60% geht als Wärme verloren (Thermogenese)

Gesamt: 38 ATP I 10 NADH2 I 2 FADH2

Glykolyse: 2 I 2 I -

oxidative Decarboxylierung: - I 2 I -

Citratzyklus: 2 I 6 I 2

Endatmung: 34 I - I -