Menschen: Stoffwechselwege

= Pentosephosphatweg = Pentosephosphatzyklus

-> oxidative und nicht oxidative Phase.

-> gemeinsamer Startpunkt: Glucose-6-phosphat

• Intermediat entsteht Ribulose-5-phosphat

• Ort: Zytosol (beide Prozesse)

• Produkte:

  • Glycerin-aldehyd-3-phosphat

  • Fructose-1,6-bisphosphat

  -> können prinzipiell durch Gluconeogenese wieder zurück zu Glucose-6-phosphat umgewandelt werden.

Oxidative Phase des Pentosephosphatweg:

• in drei Schritten entsteht aus Glucose-6-phophat die Pentose Ribulose-5- phosphat => irreversible Reaktion

• Schritt 1: Schlüsselenzym Glucose-6-Phosphat- Dehydrogenase durch NADP+ als allosterischer Aktivator und NADPH als kompetetiver Inhibitor (Produkthemmung) reguliert.

-> Glucose-6-Phosphat wird durch Oxidation zu 6-Phospogluconat (Glucose mit Säure statt der Aldehyd- Gruppe)

• Bildung des ersten NADPH

-> 6-Phosphoglyconat-Dehydrogenase decarboxyliert 6-Phosphogluconat wobei NADP+ zu NADPH reduziert wird

-> Transketolase und Transaldolase katalysieren die Bildung von Ribose-5- phosphat und Xylulose-5-Phosphat

-> Ribulose-5-phosphat wird zu Ribose-5- phosphat (Cyclisierter form)

• Ribose-5-phosphat geht in den Calvin- Zyklus

• NADP+ (Vit. B3)

• Thiaminpyrophosphat (Vit. B1)

UTP

• Findet im Cytosol statt

• Produkt: 2 mol ATP pro mol Glucose (es entstehen 4 mol ATP bei den folgenden 2 Reaktionen und 2 Mol werden in der Vorbereitung verbraucht)

• Achtung! 1. Energiegewinn in der Glykolyse

  -> pro Glucose- Molekül werden 2 ATP gebildet, eingesetzte Energie wird hier wieder ausgeglichen

• Achtung! 2. Energiegewinn in der Glykolyse

  -> pro Glucose- Molekül werden wieder 2 ATP gebildet

Erläuterung:

• die Hexokinase- Reaktion ist eine der 3 Schlüsselreaktionen der Glykolyse

  -> Schlüsselreaktionen werden durch Schlüsselenzyme (key enzymes) reguliert = Regulationsstellen innerhalb des Stoffwechselweges

  -> Sie bestimmen die Geschwindigkeit, mit der ein Stoffwechselweg abläuft

• eine intramolekulare Umlagerung über ein Endiol- Intermediat isomerisiert die Aldo- pyranose Glucose-6- phosphat -> Ketofuranose Frustose-6- phosphat

-> dieser Schritt ist reversibel.

• durch Enzym Phosphofructokinase (PFK) phosphoryliert spezifisch die Hydroxylgruppe am C1 (exergone, irreversibel Reaktion); andere Hydroxylgruppe im Fructose-6- phosphat werden nicht verestert

• Produkt: Fructose-1,6- bisphosphat

• die Aktivität der PFK wird allosterisch reguliert.

-> PFK = geschwindigkeitsbestimmende Schlüsselenzym der Glykolyse. => langsamste Reaktion

-> ist die am strengsten regulierte der Glykolyse.

• Spaltung der Bindung zwischen C3 und C4 führt zur Bildung einer Ketose Dihydroxyacetonphosphat und einer Aldose Glycerinaldehyd-3- phosphat

• die Umkehrung dieser Reaktion, d.h. die Verknüpfung von Aldehyd und Keton = Aldolreaktion

-> Aldolase = Lyase:

• entstehende Dihydroxyacetonphosphat wird mittels Triosephosphat- isomerase -> Glycerinaldehyd-3- phosphat

  • nur dieses reagiert in der Glykolyse weiter

• Hexose wurde zu 2 Triosen

  -> es laufen daher alle künftigen Reaktionen doppelt ab

• daher bei den ATP- produzierenden Reaktionen auch die doppelte Menge entsteht, wenn man es auf eine Hexose bezieht.

  • daher sieht es im Schema so aus, als würde so viel ATP produziert wie verbraucht.

• die Isomere Dihydroxyacetonphosphat 96% und Glycerinaldehyd-3- phosphat 4%, stehen über ein Endiol- Intermediat im Gleichgewicht

• das in den weiteren Schritten der Glykolyse verbrauchte Glycerinaldehyd-3- phosphat wird über diese Reaktion kontinuierlich nachgeliefert

  -> Gleichgewicht liegt durch Produktentzug auf Produktseite (Glycerin- aldehyd-3- phosphat.

• Glycerinaldehyd-3- phosphat wird an C1 oxidiert

  -> dabei wird ein Hydridion (H-) aud NAD+ übertragen und ein Proton geht in Lösung.

  -> 1,3- Bisphosphoglycerat entsteht.

• die dabei gebildete Carbonsäuregruppe wird mit “freiem” Phosphat (Pi) zu einem energiereichen Säureanhydrid verknüpft.

• Enzym Phosphoglycerat- Kinase katalysiert den Transfer des energiereichen Phosphatrests von 1,3- BPG auf ADP

-> als einzige der vier Reaktionen mit ATP- Beteiligung in der Glykolyse ist diese Umsetzung reversibel.

• Intermediär entstehen 2- Phosphoglycerat und Phosphoenolpyruvat

• dabei wird eine Doppelbindung (Präfix -en) zwischen C2 und C3 gebildet

• da C2 eine phosphorylierte Hydroxylgruppe (-ol) trägt, spricht man von Phosphoenol (rot markiert, rechts)

  • daher der Name “Enolase”

  • Enolase = Lyase

-> die freien- Standardenergien (DeltaG0`) von ATP und anderen metabolisch relevanten Phosphoverbindungen sind aufgeführt.

• das hohe Übertragungspotenzial von Phosphoenolpyruvat kommt durch die Enolform zustande, die nach dem Phosphatgruppentransfer in die bedeutend stabilere Ketoform übergeht.

  -> dafür benötigt: Mg2+ und K+

• Pro Molekül Glucose werden 2 Moleküle ATP und 2 Pyruvat gebildet

  -> irreversibel, exergon

• Pyruvatkinase ist drittes Schlüsselenzym der Glykolyse

  -> Ursache für niedrige Energie der Reaktion ist Entstehung der Enolform =Enolpyruvat

• ATP

• ADP

• NAD+ (Vitamin B3)

-> Aufbau von Glucose aus 2 Molekülen Pyruvat

• Ort: im Cytosol, Mitochodrien und glatter ER

-> Gluconeogenese ist quasi die Umkehr der Glykolyse, hat aber ein paar andere Schritte

Ablauf:

• Schritt 1: Carboxylierung von Pyruvat durch Pyruvatcarboxylase zu -> Oxalacetat

  • dabei ATP -> ADP

• Schritt 2-6: wie bei Glykolyse aber exakt entgegengesetzter Richtung

  • Oxalacetat durch Phosphoenolpyruvatcarboxykinase zu -> Phosphoenolpyruvat

    • nach Decarboxylierung, wird Phosphatgruppe drangehängt

  • Phosphoenolpyruvat zu -> 2- Phosphoglycerat -> 3- Phosphoglycerat mit 2 ATP- Verbrauch -> 1,3- Biphosphoglycerat mit 2 NADH -> Glycerinaldehyd- 3- phosphat (GAP) + Dihydroxyacetonphosphat -> Fructose- 1,6- biphosphat

• Schritt 7: Fructose-1,6- bisohosphat + Pi durch Fructose- 1,6- biphosphatase-> Fructose-6- phosphat

• Schritt 8: wie bei Glykolyse: Tautomerie -> Glucose-6- phosphat

• Schritt 9: durch Glucose-6- phosphatase ->Glucose

-> bei Gluconeogenese werden:

• 4 ATP, 2 GTP und 2 NADH zusammen mit Wasser und 2 Pyruvat zu -> Glucose

• ATP

• GTP

• CO2

• NADH + H+ (Vit. B3)

• (NAD+ für Malatdehydrogenase)

-> wenn Pyruvat decarboxyliert und auf Coenzym A übertragen wird entsteht -> Acetyl- CoA

• Ort: in der Mitochondrienmatrix

Ablauf:

• zunächst wird Pyruvat über TPP (Thiamindephosphat) an einen Komplex gebunden und decarboxyliert.

  • Komplex besteht aus:Pyruvatdehydrogenase, Dihydrolipoyl- Transacetylase und Dihydroacetyl- Dehydrogenase

• der am TPP gebundene Hydroxyethylrest wird zum Acetylrest oxidiert und mir den Reduktionsäquivalenten auf Liponsäure übertragen.

  • Produkt -> Acetylliponamid

• ein weiteres Enzym überträgt Acetyl- Rest auf CoA

• drittes Enzym reoxidiert mit Hilfe des an den Enzymkomplex gebundenen FAD, welches zu FADH2 reduziert wird

  • Entsteht: Dihydroliponamid

• mit NAD+, wird FADH2 wieder FAD (oxidiert)

  -> Riboflavin ist Vorstufe zu FAD

  -> NAD+ reduziert dabei zu NADH+H+

-> Ort: in der Mitochondrienmatrix

• genau wie Pyruvat Decarboxylierung

• FAD und NAD+ sind Reduktionsäquivalente

Antwort zur Frage:

• 2 Stellen für FAD:

  -> Citratcyklus

  • Succinat -> Fumarat

  -> und beta- Oxidation der FS

• NADH entsteht im Citratcyclus bei der Reaktion:

  • Isocitrat-> Oxalsuccinat (Das decarboxyliert zu alpha- Ketoglutarat)

  • alpha- Ketoglutarat -> Succinyl- CoA

  • Malat -> Oxalacetat

Ablauf:

• der Citratzyklus startet mit der Verknüpfung der C4- Verbindung Oxalacetat mit einer C2- Einheit aus Acetyl-CoA

  -> dabei entsteht Citrat, eine C6- Verbindung mit 3- Carboxylgruppen

  -> Namensgeber des Zyklus

Detaillierter Ablauf:

• bei dieser Aldoladdition entsteht das energiereiche Zwischenprodukt Citryl- CoA (nicht gezeigt)

• hydrolysiert spontan zu Citrat

• Reaktion wird dadurch praktisch irreversibel

• Enzym Aconitase (mAc) gehört zu den Eisen- Schwefel- Proteinen und enthält im aktiven Zentrum einen Komplex aus 4 Eisenatomen und 4 anorganischen Schwefelatomen (Fe4S4), der über Cysteinreste (Cys-S) an das Protein gebunden ist (siehe Kasten rechts)

  -> reversible Reaktion)

• Enzym Isocitrat- Dehydrogenase katalysiert beide Teilschritte, d.h.

  • dehydrierung

  • und decarboxylierung

  = Abspaltung: C1 aus C- Gerüst

  -> Reaktion ist irreversibel, die Umkehrreaktion kommt bspw. nur in bestimmten Bakterien vor!

  -> Defekte in Genen der Isocitrat- Dehydrogenase können zu Gliomen (Tumore des zentralen Nervensystems) führen.

• an der Gesamtreaktion des alpha- Ketoglutarat- Dehydrogenase- Komplexes beteiligte Coenzyme und Reaktionsmechanismen sind die gleichen wie beim homologen Pyruvat- Dehydrogenase- Komplex

• es findet eine weitere Decarboxylierung statt

  -> Reaktion ist irreversibel

E1: alpha- Ketoglutarat- Dehydrogenase

E2: Dihydroliponamid (oder Dihydrolipoyl)- Succinaltransferase

E3: Dihydrliponamid (oder Dihydrolipoyl)- Dehydrogenase

-> E1 bis E3 = sind die Untereinheit des “alpha- Ketoglutarat- Dehydrogenase- Komplexes” (besteht aus diesen 3 Untereinheiten)

• für die Ladungsbilanz ist zu berücksichtigen, dass bei physiologischem pH GDP und Pi zusammen 5, GTP aber nur 4 negative Ladungen trägt!

• das bei der Kondensation von GDP und Pi gebildete Wasser (grün) geht formal in die Hydrolyse von Succinal- CoA ein.

-> Wichtig: GTP = Energiespeicher bei SW- Reaktionen (Citratzyklus, Proteinbiosynthese) aber auch als Substrat von G- Proteinen zentrale Rolle bei Signalweiterleitung

erste Reaktion:

• Eigentlich: Succinat- Ubichinon- Oxidoreduktase

• einziges membranständiges Enzym des Zitratzyklus, auch in Atmungskette involviert

Letzte Reaktion:

• 2 Formen des Malat- Dehydrogenase- Enzyms: zytosolische und mitochondriale (siehe auch Malat- Aspartat- Shuttle)

Allgemein zur Folie:

• bei dieser Oxidation werden 2 H (2H = 2H+ + 2e-) von FAD und ein Hydridion (H- = H+ + 2e-) von NAD+ übernommen, sowie ein Proton freigesetzt.

• GDP

• CoA (Vit. B5)

• NAD+ (Vit. B3)

• FAD (Vit. B2)

• Ort:

  • findet bei Tieren und Pilzen im Cytosol statt

  • bei höheren Pflanzen aber in Plastiden

-> ab gewisser Kettenlänge wird zusätzlich ein Fettsäuresynthase- Komplex benötigt.

Ablauf:

• die Carboxylgruppe stammt aus Bicarbonat (HCO3-) und wird zunächst unter ATP- Verbrauch auf Biotin (Vit. B7, prosthetische Gruppe des Enzyms) übertragen

• die Synthese von Malonyl-CoA ist der 1. und geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Fettsäuresynthese.

=> Biotin und Mn2+ sind Cofaktoren der Acetyl-CoA- Carboxylase

2. Aufbau der Fettsäure-Synthase:

• schematischer Aufbau der FS- Synthase des Menschen.

• die beiden Untereinheiten des cytoplasmatischen Multienzymkomplexes sind antiparallel angeordnet und tragen jeweils sieben katalytische Domänen.

• eine von ihnen entspricht dem acyl carrier protein (ACP) der prokaryotischen FS- Synthese.

• die beiden N- terminalen Domänen bilden mit den 5 C- terminalen Domänen der gegenüberliegenden Kette eine funktionelle Synthaseeinheit

• ACP- und condensing enzyme- (CE-) Domäne tragen essenzielle Thiolgruppen (-SH)

• Ziffern geben die Abfolge an, in der die Zentren bei einem Synthesezyklus in Aktion treten.

• die Startreaktion sowie die Reaktionen der ersten Syntheserunde (Schritt 1-6) sind hier gezeigt.

• ACP (acyl carrier protein), CE (condensing enzyme)

! Die FS- Synthese kann nur Acylgruppen mit max. 16 C- Atomen (Palmitinsäure, gesättigte FS) produzieren!

Ablauf:

• Startreaktion: Acetyl- CoA wird mit Acetyl-CoA-Carboxylase und Biotin (Vitamin B7) als Cofaktor zu -> Malonyl-CoA

• Malonyl-CoA- Transferase bindet den Malonyl- Rest an das Acyl Carrier Protein kovalent. Dann kondensiert der Acetylrest unter CO2- Abspaltung an den Malonyl- Rest

• mittels des Reduktionsäquivalents NADPH + H+ (NADPH dient der Hydrid (H-) übertragung) wird durch beta- Ketoacyl-ACP- Reduktase die endständige Ketogruppe zum Alkohol reduziert, es entsteht so -> Hydroxybutyryl-ACP

• Hydroxyacyl-Dehydratase katalysiert die Dehydratisierung von Hydroxybutyryl-ACP zu -> Crotonyl-ACP

• die entstandenen C=C- DB wird durch Enoyl-ACP- Reduktase zu Butyryl-ACP unter beteiligung von NADPH + H+ reduziert

• am Ende wird der Acyl Rest auf das periphere Cystein (thioester Bindung) zurück übertragen, damit der neue Zyklus mit der Beladung des ACP beginnen kann oder das fertiggestellte Produkt nach 7 Zyklen entlassen werden kann.

• Ort: im Cytosol

• Schlüsselenzym: Acetyl- CoA- Carboxylase

• Hauptenzym: FS- Synthase- Komplex mit ACP- Domäne zum Transport durch Komplex

• für die Synthese von Palmitat (C16) mit den 7 Reaktionsrunden ergibt sich folgende Gesamtgleichung:

Vorgeschaltet: Acetyl-CoA muss aus Mitochondiren ins Cytosol -> Citrat/Malat-Antiport / Citrat-Shuttle

• Citrat gegen Malat

• aus Citrat (C6) wird unter ATP- Hydrolyse Acetyl-CoA (C2) und Oxalacetat (C4) -> ATP-Citrat-Lyase

• Oxalacetat wird über Malat- Dehydrogenase mit NADH + H+ zu Malat und NAD+

• Malat (C4) wird entweder wieder über Citrat-Shuttle gegen Citrat getauscht oder mittels Malat-Enzym und NADP+ zu Pyruvat (C3), CO2 und NADPH + H+

-> Malonyl-CoA wird von der Acetyl-CoA- Carboxylase durch Carboxylierung und unter ATP- Verbrauch aus Acetyl- CoA gebildet.

-> Die Reaktion ist der die Geschwindigkeit der FS-Synthese am meisten kontrollierende Schritt

-> das macht die Acetyl-CoA-Carboxylase zum entscheidenden regulatorischen Enzym.

• Enzym: Fettsäure-Synthase (Multienzymkomplex), besteht aus 5 Untereinheiten

  -> 3-Ketoacyl-ACP-Synthase: Kondensation

  -> 3-Ketoacyl-ACP-Reduktase: Reduktion

  -> 3-Hydroxyacyl-ACP-Dehydratase: Dehydratation

  -> Enoyl-ACP-Reduktase: Reduktion

  -> Thioesterase: Hydrolyse zur freien FS

• Ort: im Cytosol

kurzkettig bis Palmitat C16:

• an ACP- Domäne gebunden

• FS- Synthase- Komplex

• Verlängerungseinheit Malonyl-CoA (C2)

• Reduktion, Dehydratisierung, Reduktion, (Thiolyse)

langkettig, ab Stearat C18:

• im glatten ER oder Mitochondrium

• an CoA gebunden (anstatt an ACP)

• Elongasen

• Verlängerungseinheit Malonyl-CoA (C2)

• Reduktion, Dehydratisierung, Reduktion, (Thiolyse)

ungeradzahlig:

• Startmolekül: Propionyl-CoA (statt Malonyl-CoA)

• Rest wie geradzahlige

ungesättigt:

• im glatten ER (wie langkettige FS!)

• Fettsäureacyl-CoA- Desaturase (Oxidase)

• Co- Substrat: NADPH -> NADP+

  • liefert 2 e-

• Entstehung der DB liefert zwei weitere e-

• insgesamt 4 e- werden auf O2 übertragen -> 2H2O

• DB nur bis C9 einfügbar -> Stearat

• Säugetieren wie dem Menschen fehlen die Enzyme, die in FS die DB ab dem C10 bis zum methylterminalen Ende einfügen können.

-> daher können ungesättigte- FS wie Linoleat (Linolsäure, 18:2, delta^9,12) bzw. alpha-Linoleat (18:3, Delta^9,12,15) von ihnen nicht synthetisiert werden und sind essenziell.

-> ATP

-> NADPH + H+ (Vitamin B3)

-> Biotin (Vitamin B7)

• Ort: Mitochondrien bzw. Peroxisomen und Glyoxisomen

Ablauf:

• zunächst wird die unreaktive FS durch Bindung an Acetyl- CoA aktiviert.

• Erster Schritt der beta- Oxidation: oxidation von Acyl-CoA , dabei entsteht unter Übertragung von 2 H+ auf FAD eine trans- DB zwischen C2 des FS-Restes. die dehydrierung am beta- C- Atom unter Einwirken der Acyl-CoA- Dehydrogenase

  • Namensgebender Schritt = beta- Oxidation

  • Produkt: trans- Doppelbindung

-> die bei oxidation übertragenen e- werden von FADH2 (via ETF) EFT- Dehydrogenase und Ubichinon in Atmungskette eingespeist, wo sie zur ATP- Gewinnung genutzt wird

• bei zweiten Reaktion katalysiert Enoyl-CoA- Hydratase die spezifische addietion von Wasser an die trans- delta2- DB (in beta- Stellung)

  • Produkt: L-3- Hydroxyacyl-CoA

  • Reaktion ist vollständig reversibel

• OH- Gruppe wird durch L-3-Hydroxyacyl-CoA- Dehydrogenase zum Keton oxidiert

  • unter NAD+- Verbrauch, dient als H- Akzeptor; NADH wird gebildet

  • 3-Hydroxylgruppe wird in eine 3- Ketogruppe umgewandelt

  -> Dehydrogenase ist absolut stereospezifisch, sie setzt nur die L- Form von 3- Hydroxyacyl- CoA um

-> das bei Reaktion gebildete NADH kann vom Enzym dissoziieren, seine e- über Komplex I in die Atmungskette einschleusen und so zur ATP-Gewinnung beitragen

• vierter und letzter Abschnitt: spaltet Thiolase 3-Ketoacyl-CoA

  • Thiolase spaltet die Bindung zwischen alpha und beta- C- Atom

  • unter Verbrauch von CoA entsteht dabei die neue Acyl-CoA und eine um 2-C-Atom kürzererr Acylrest.

  • kann von vorne in den beta- Oxidationszyklus eingebracht werden kann

-> entstehende Acetyl- CoA wird für andere Reaktionen weiter genutzt

-> Nettobetrag aus vollständiger Oxidation von Palmitat zu CO2 + H2O: 98 ATP

• betrachtet wird die Gesamtreaktion für die Oxidation von Palmityl-CoA:

geradzahlige FS: Cn

• (n-4)/2 Acetyl-CoA entsteht

• Rest: 1 Acetoacetyl-CoA (=C4, Ketonkörper) -> Ketonkörperabbau zu 2 Acetyl-CoA (2x C2)

• (n-4)/2 FADH2

• (n-4)/2 NADH

1. Oxidation zur DB -> Acyl-CoA- Dehydrogenase -> FADH2 und trans-Delta^2-Enoyl-CoA (alpha,beta- Enoyl-CoA) entstehen

2. hydratisierung der DB zu Alkohol -> Enoyl-CoA- Hydratase -> L-3-Hydroxyacyl-CoA

3. Oxidation (Dehydrierung) des Alkohols -> L-3-Hydroxyacyl-CoA- Dehydrogenase -> 3-Ketoacyl-CoA und NADH+H+

4. Thiolyse -> 3-Ketothiolase-> Acetyl-CoA und die um 2 C- Atome verkürzte FS

   -> bzw. Acetoacetyl-CoA im letzten Schritt

ungeradzahlige FS:

• am Ende Acetyl-CoA (C2) + Propionyl-CoA (C3)

• durch Propionyl-CoA Carboxylase mit Bicarbonat (C1) zu Methmalonyl-CoA (C4)

• durch Methylmalonyl-CoA Mutase (MUT) zu Succinyl- CoA (C4) isomerisiert

• Succinyl-CoA geht in den Citratzyklus ein

mehrfach ungesättigte FS:

• Isomerase und Reduktase für Überführung in geeignete Konfigurationen und Anpassungen der DB- Positionen

• NADPH + H+ wird benötigt für die Reduktase (NADP+ entsteht)

-> FAD (Vitamin B2)

-> NAD+ (Vitamin B3)

-> (ATP für Carnitin- Shuttle)

-> Ort: im Cytosol

• findet bei Pflanzen in Chloroplasten statt

Ablauf:

• eine alpha- Aminogruppe einer alpha- AS wird auf eine alpha- Ketosäure übertragen mittels Transaminasen

  • Cofaktore: Vit. B6/ Pyridoxin/ Pyridoxalphophat

-> dementsprechend werden AS benötigt, um alpha- Ketosäuren herzustellen bzw. alpha- Ketosäuren benötigt, um AS herzustellen.

• alpha- Ketosäuren: Pyruvat, Oxalacetet, alpha- Ketoglutarat

Pyruvat:

Oxalacetat:

alpha- Ketoglutarat:

• NAD+ (Vitamin B3)

• Pyridoxalphosphat/ Pyridoxin (Vitamin B6)

-> dient der Energiegewinnung aus Glucose

= Aerober Abbau von Nährstoffen

• es werden 30 Moleküle ATP hergestellt

Ablauf:

• Komplexe 1, 3 und 4 leiten Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum

  -> quasi das Cytosol der Mitochondrien

• um mit dem Protonengradienten ATP- Synthese zu betrieben

• die Enzyme sind in der inneren Membran

• dargestellt ist der Weg der Elektronen (rot) von Komplex I (links oben) bzw. von FAD- abhängigen Dehydrogenasen wie z.B. Komplex II (links unten) über die Komplexe III und IV sowie die mobilen Elektonenüberträger Coenzym Q und Cytochrom C auf Sauerstoff. Komplex V kondensiert ADP und Pi zu ATP

  • graue Pfeile symbolisieren den Protonentransport über die innere mitochondriale Membran

  • ETF: electron transferring flavoprotein

Genauer Ablauf:

• NADH wandert zur inneren Mitochondrienmembran und gibt dort e- an Komplex 1 ab

  -> NADH- Dehydrogenase

• dieses gibt e- an das Lipidmolekül Ubichinon (Coenzym Q10) ab, welches sichIN der Lipiddoppelmembran

  -> dabei wird Energie frei, die genutzt wird, um Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum zu pumpen.

• Komplex 2 nimmt e- von FADH2 an, wobei es zu FAD wird und e- an das Ubichinon weitergibt.

  -> dabei werden KEINE Protonen in die Innenmembran transportiert.

• Ubichinon transportiert seine e- auf Komplex 3. Es leitet die e- dabei an Cytochrom C weiter.

  -> Cyt C ist auf der Außenseite der inneren Membran

  -> beim Weiterleiten der e- findet Protonentransport statt

• Komplex 4 erhält nun die e- von Cyt C und übeträgt sie zusammen mit H+ (Wasserstoffprotonen) auf Sauerstoff, der zu Wasser reduziert wird.

• zusätzlich findet ein Transport von Protonen in den Intermembranraum statt.

-> über die Komplexe 1,3 und 4 wurde ein Protonengradient aufgebaut

-> der Komplex 5 (ATP- Synthasekomplex) transportiert die Protonen wieder IN die Matrix, wobei ATP freigesetzt wird.

=> der effektivste Weg um Energie aus Zucker zu gewinnen!

• die Einstülpungen der inneren mitochondrialen Membran (Cristae) vergrößern deren Oberfläche und damit die Plattform für die Reaktionen der oxidativen Phosphorylierung

• man unterscheidet eine Matrixseite (grün) und eine cytosolische, dem Intermembranraum zugewandte Seite (blau) der inneren mitochondiralen Membran.

• Porinkomplexe in der äußeren mitochondiralen Membran erlauben den ungehinderten Austausch von niedermolekularen Substanzen zwischen Cytosol und Intermembranraum.

• Kasten: Symbole für Komplexe der oxidativen Phosphorylierung.

  
  

• Akzeptor der e- ist Ubichinon (Q), das dabei in Ubihydrochinon (QH2) übergeht.

• FeS = Eisen- Schwefel- Zentrum

• grauer Kasten: das passiert 2 mal pro Glucose

Ablauf:

• Glucose wird im ersten Schritt unter 2 NAD+ Reduktion zu 2 NADH + H+ wobei Glucose zu 2 Pyruvat wird.

  -> das passiert glykolysevermittelt, also in ganz vielen Teilschritten

  = Glykolyse

• NADH + H+ wird i.d.R. unter Aeroben Bedingungen in den Mitochondrien zu ATP umgesetzt

-> bei Sauerstoffmangel wie z.B. langer Muskelkontraktion ist das NICHT möglich und NADH + H+ wird stattdessen genutzt, um Pyruvat anaerob zu Lactat zu reduzieren, wobei NADH + H+ zu NAD+ oxidiert.

• anaerob entstehendes NAD+ geht wieder in die Glykolyse ein und kann zur Gewinnung von 2 ATP dienen.

• ADP

• NADH + H+ (Vit. B3)

• FADH2 (Vit. B2)

• Ubiquitin (Q10)

• Cytochrom C

-> zur Entgiftung des Körpers von NH3 (Ammoniak) unter Harnstoffbildung

=> der Harnstoffzyklus entdorgt freie Ammoniumionen unter Energieaufwand, da NH4+ leicht zu cyto- und neurotoxischen NH3 deprotoniert.

• Ort: Leber

  • die NH4+ über einen Reaktionscyclus von 4 Einzelschritten in “ungefährlichen” Harnstoff umwandelt

• L- Ornithin bindet Carbamoylphosphat (enthält das ursprüngliche NH3 aus AS)

  -> es entsteht Citrullin

Ablauf:

• NH4+ und Bicarbonat (HCO3-) entsteht das Reaktive Intermediat -> Carbamoylphosphat

  • 2 ATP

  • Enzym: Carbamoylphosphat- Synthase und ATP- Hydrolyse (letztere macht Reaktion praktisch irreversibel)

-> Teil der Energie geht Bildung von reaktiver Anhydridbindung zwischen Carbaminsäureester und Phosphat (hohes Gruppenübertragungspotenzial)

• Ornithin (Akzeptor im Harnstoffzyklus; nichtproteinogene AS (von Arginin) + Carbamoylphosphat zu -> Citrullin

  • Enzym: Ornithin- Transcarbamoylase; kat. die Übertragung des Carbamoylrests

  • Reaktion wird Angetrieben durch die Abspaltung des anorganischen Phosphatrests vom gemischten Anhydrid Carbamoylphosphat

• Argininosuccinat- Synthase kat. mit ATP- Verbrauch die Synthese aus Citrullin und Aspartat zu -> Argininosuccinat

  • Nebenprodukte: AMP und Pyrophosphat, welches weiter hydrolysiert zu 2 Pi

• Argininosuccinase spaltet Argininosuccinat zu -> Arginin und Fumarat =Intermediat des Citratcykluses

  • C4- Kohlenstoffgerüst des Aspartats bleibt dabei vollständid im Fumarat erhalten

• Arginase hydrolysiert Arginin zu Harnstoff und Ornithin

-> gebildete Harnstoff erhält C- und N- Atom aus Carbamoylphosphat; zweites N- Atom aus alpha- Aminogruppe des Aspartat

-> Harnstoff wird mit 4 Phosphatgruppen synthetisiert => Energiereich!

-> Zyklus- Blockierung: schwerwiegende Stoffwechselerkrankung = Hyperammonämie

-> Harnstoffzyklus liefert im Nebenschluss:

• Kreatinphosphat => Energiereserve im Muskelstoffwechsel

• Arginin kondensiert mit Glycin -> Guanidinoacetat + Ornithin

  • welches im Harnstoffzyklus wieder Arginin regeneriert

  • Guanidinoacetat methyliert zu -> Kreatin

    • Methylgruppendonor: S-Adenosylmethionin

• Enzym: Kreatinkinase phosphoryliert Kreatin -> Kreatinphosphat

  • durch hohe interzellulare Konz. + hohem Phosphatgruppenüertragungspot. kann Kreatininphosphat, ADP -> ATP regenerieren

    -> bei Muskelarbeit kurzfristig hohen ATP- Spiegel aufrechterhalten.

• ATP

= Cori- Zyklus verbindet muskuläre Glykolyse und hepatische Gluconeogenese

-> aus dem im Muskel gebildetem Lactat wird dabei in der Leber wieder Glucose sythetisiert, das dann im Muskel erneut zur Energiegewinnung genutzt werden kann.

• bei anaerober Belastung

• schließt sich an Glykolyse an, das Pyruvat zu -> Laktat wird

  • Enzym: Lactat- Dehydrogenase (LDH)

• verschiedene Tetramere der M- und H- Untereinheiten führen zu 4 verschiedenen gewebsspezifischen Typen

• Lactat- Dehydrogenase (LDH)

  = verschiedene Tetramere der M- und H- Untereinheiten führen zu 4 vershciedenen, gewebsspezifischen Typen

zu Laktat:

• NADH + H+ (Vitamin B3)

zu Pyruvat:

• NAD+

• FAD (Vit. B2)

• NAD+ (Vit. B3)

• Thiaminpyrophosphat (Vit. B1)

• CoA (Vit. B5)