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Summary

Metabolismus Gesamtheit der chemischen Prozesse in Lebewesen. Dabei wandelt der Organismus chemische Stoffe in Zwischenprodukte (Metaboliten) und Endprodukte um. Katabolismus Abbau von Stoffwechselprodukten von komplexen zu einfachen zur Entgiftung des Organismus und zur Energiegewinnung genannt. Ko...

Description

Metabolismus = Gesamtheit der chemischen Prozesse in Lebewesen. Dabei wandelt der Organismus chemische Stoffe in Zwischenprodukte (Metaboliten) und Endprodukte um.

Katabolismus = Abbau von Stoffwechselprodukten von komplexen zu einfachen Molekülen zur Entgiftung des Organismus und zur Energiegewinnung genannt. Kohlenhydrate, Fette, Protein --> CO2, H2O, NH3 (energiehaltige Nährstoffe --> energiearme Endprodukte)

Anabolismus = Aufbau von Stoffen Aminosäuren, Zucker, Fettsäuren, Stickstoffbasen --> Proteine, Polysaccharide, Lipide, Nucleinsäuren (Vorläufermoleküle -> Zelluläre Makromoleküle) __________________________________________________________________________________ Stoffwechselenergie in 2 Hauptformen konserviert: 1.) Knüpfung energiereicher chemischer Bindungen, z.B. ATP, Acetyl- CoA 2.) Reduktion von Redox-Verbindungen, z.B. NADH, FADH2 Die so gespeicherte Energie kann durch Lösen der Bindungen oder Oxidation wieder freigesetzt werden. __________________________________________________________________________________ 1.) ATP = Hauptenergiewährung, Katabolismus hat häufig Synthese von ATP zum Ziel. Durch das hohe Phosphatgruppen-Übertragungspotenzial des ATP lassen sich anabole Reaktionen sehr gut mit ATP Hydrolyse koppeln. 2.) ATP wird durch Oxidationsprozesse generiert, Acetyl-CoA ist häufig Nebenprodukt welches zu CO2 oxidiert wird. Dabei wird NAD(P)H und FADH2 generiert, die ihre Elektronen in die Atmungskette einspeisen. 3.) NAD(P)H ist der Hauptelektronendonor in reduktiven Biosynthesen __________________________________________________________________________________ Redoxpotenzial = erlaubt eine Einschätzung darüber, welcher reaktionspartner in einer Reaktion oxidiert bzw. reduziert wird Einheit: Volt -je negativer eine Redoxpotenzial desto stärker die Reduktionskraft. Elektronen fließen vom Redoxpaar mit negativerem Potenzial zum positiveren Redoxpaar

Galvanische Zelle

__________________________________________________________________________________ Zellatmung

Glykolyse und Citratzyklus: C6H12O6 + 2 FAD * 10 NAD+ + 6 H2O -> 6 CO2 + 2 FADH2 + 10 (NADH + H ) Atmungskette: 2 FADH2 + 10 (NADH + H ) + 6 O2 -> 2 FAD + 10 NAD + 12 H2O Summe: C6H12O6 + 6 O2 -> 6 Co2 + 6 H2O

Glykolyse

Wie kommen die Redox-Äquivalente in die Atmungskette der Mitochondrien? -Malat-Aspartat-Shuttle und Glycerin-3-phosphat Shuttle

Gluconeogenese =Stoffwechselweg zur Synthese von Glucose aus Nicht-Kohlenhydraten und dient der Aufrechterhaltung eines konstanten Blutglucosespiegels auch in Hunger- und Fastenzeiten. (Gehirn und Erythrozyten sind darauf besonders angewiesen) -Ort: Leber, Niere, Mitochondrien, glattes ER, Cytosol -für Synthese von 1 Glucose wird 6 x ATP und GTP benötigt -Ausgangsverbindung ist Pyruvat -Energie für Synthese stammt größten Teils aus ß-Oxidation -bei Glykolyse wird Glucose in Pyruvat umgewandelt, bei Gluconeogenese ist es umgekehrt Enzyme der Glykolyse

Enzyme der Gluconeogenese

Hexokinase Phosphofructokinase-1 Pyruvatkinase

Glucose-6-phosphatase (glattes Er) Fructose-1,6-bisphosphatase (Zytosol) Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (Zytosol) Pyruvatcarboxylase (Mitochondrien)

Bild 2 -Oxalacetat wird mit Acteyl-CoA wird in Malat, Aspartat und Citrat umgewandelt damit ist die Membran passieren kann. -nach dem passieren wieder zurück Verwandlung in Oxalacetat und Acetyl CoA

1. Pyruvatcarboxylase-Reaktion Mithilfe der Pyruvatcarboxylase wird die zehnte Reaktion der Glykolyse (Pyruvatkinase-Reaktion) umgangen. Die Pyruvatcarboxylase katalysiert den ersten, geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Gluconeogenese: die Carboxylierung von Pyruvat unter ATP-Verbrauch zu Oxalacetat. 2. Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase-Reaktion

Mithilfe der Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase wird ebenfalls die zehnte Reaktion der Glykolyse (Pyruvatkinase-Reaktion) umgangen. Die PEP-Carboxykinase (PEP-CK) im Zytosol wandelt Oxalacetat in Phosphoenolpyruvat um. Bei dieser Reaktion wird ein GTP verbraucht. Außerdem wird das CO2, das im vorherigen Schritt von der Pyruvatcarboxylase an Pyruvat addiert worden ist, wieder abgespalten. Die PEP-Carboxykinase ist das entscheidende Schlüsselenzym der Gluconeogenese.

Bild 1

Citratzyklus

-der Citratzyklus wird von Enzymen in der Matrix von Mitochondrien katalysiert

Atmungskette

-Ort: innere Mitochondrienmembran -Ziel: NADH/H+ und FADH2 wieder aufbereiten -NADH und FADH2 übertragen ihren Wasserstoff an Sauerstoff und bilden somit Waser (es würde eine Knallgasreaktion entstehen wenn die Elektronenübetragung nicht in mehrere Reaktionen untergliedert wäre) ->Endprodukt = ATP - 4 Multienzymkomplexe + ein Komplex für oxidative Phosphorylierung Die Atmungskette ist der letzte Schritt des Glucose-Abbaus. In der Glycolyse wird die Glucose zu zwei Molekülen Pyruvat umgesetzt, dabei werden etwa 2 Moleküle ATP pro Glucose-Molekül gewonnen. Im Anschluss wird das Pyruvat im Citratzyklus abgebaut, als Endprodukt entstehen die Reduktionsäquivalente NADH/H+ und FADH2 sind. Diese Coenzyme fungieren als Wasserstoffüberträger und geben ihren Wasserstoff dann in der Atmungskette an Sauerstoff ab, chemisch gesehen findet eine Knallgasreaktion statt. Die Reaktion läuft stark exotherm ab. Um die energie für die Zelle nutzbar zu machen und die Zelle dabei nicht zu zerstören, wird die Reaktion in mehrere kleine Schritte zerlegt. Die Elektonen werden nicht direkt auf Sauerstoff übertragen sondern werden von mehreren Stoffen weitergereicht, die sich jeweils nur geringfügig in ihrem Redoxpotential unterscheiden. Die dabei frei werdende Energie wird zur Synthese

von ATP eingesetzt, welches dann das entgültige Endprodukt des Glucose-Abbaus ist, und als universeller Energieträger vielseitig von der Zelle genutzt werden kann.

Komplex I (NADH-Q-Oxidoreduktase oder NADH-Dehydrogenase) -Elektronen des NADH werde in die Atmungskette eingeschleust und zugleich werden Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum gepumpt -NADH wird oxidiert, Ubichinon (Q) wird reduziert (durch Oxidoreduktasen kataylsiert)

Komplex II: Succinat-Dehydrogenase (oder auch Succinat-Q-Reductase) = peripheres Protein , welches in Matrix hineinragt -überträgt Elektronen von FADH2 auf Ubichinon - Ubichinon (1. Elektronentransporter) überträgt die Elektronen darauf auf den Komplex III. - da im Komplex II keine Protonen gepumpt werden entsteht eine geringere Menge ATP

Komplex III ( Cytochrom-bc1- Komplex) -Cytochrom c = zweiter Elektronentransporter, welcher sich durch Diffusion auf der Membran des Mitochondriums bewegt und die Elektronen zwischen Komplex III und IV überträgt -während diese Komplexe die Elektronen aufnehmen und wieder abgeben, pumpen sie Protonen aus der Matrix des Mitochondriums in den Intermembranraum -dadurch wird ein H+-Gradient aufgebaut welcher dazu genutzt wird mit Hilfe der ATP-Synthase aus ADP und Phosphat Moleküle des ATP zu phosphorylieren.

Komplex IV (Cytochrom c Oxidase) -Cytochrom c wird oxidiert + die Elektronen auf molekularen Sauerstoff übertragen, so dass dieser mit vier Protonen aus der Matrix zu Wasser reagiert -gleichzeitig werden noch vier weitere Protonen durch die Mitochondrienmembran gepumpt, diese tragen zum Aufbau eines Protonengradientens bei

ATP Synthase -koppelt einen transmembranen Protonentransport mit der Synthese von ATP aus ADP und organischen Phosphat

-universeller Energieüberträger -wird für verschiedene biochemische Reaktionen gebraucht, wie z.B. Muskelbewegung, Biosynthesen oder aktiver Ionentransport an Membranen -Orte: inneren Mitochondrienmembran ,Thylakoid-Membran der Chloroplasten, in der Plasmamembran von Bakterien und Eucaryoten. In der Zellwand der Archaea ist eine etwas abgewandelte ATP-Synthase lokalisiert. -gehört zu den Hydrolasen ____________________________________________________________________________ Photosynthese Summe: 6 CO2+ 6 H2O -> C6H12O6 + 6 O2 - Reduktion Kohlenstoff, Oxidation Sauerstoff -Elektronendonator: H2O -Energiequelle: Licht und CO2 -grüne Pflanzen, Cyanobakterien, Prochlorobakterien -Ort: Chloroplasten

Allgemein:    

das Licht bewirkt einen Elektronenfluss in der Thylakoidmembran vom PS II zum PS I auf NADP+ die Elektronen fließen vom PS II über Cytochrom bf zum PS I der Elektronenfluss erzeugt einen Protonengradienten und führt zur NADPH - Synthese der Protonengradient treibt die ATP - Synthese an

Lichtgetriebener Elektronentransport: 1. Lichtquanten aktivieren Elektronen im Photosystem II, die dadurch auf Plastochinon (Q) übertragen werden. 2. Das angeregte Reaktionszentrum entzieht dem Mn4-Komplex Elektronen zu Auffüllen der Elektronenlücke. Die Abgabe führt zur Freisetzung von Sauerstoff und Wasserstoffprotonen (Beitrag zum Protonengradienten). 3. Plastochinol (QH2) überträgt 2 Elektronen auf Cytochrom b6f 4. Cytochrom b6f vermittelt zwischen dem Zwei-Elektronentransporteur QH2 und dem EinElektronentransporteur Plastocyanin (Pc). Dadurch gelangen 4 Protonen in das Thylakoidlumen (Beitrag zum Protonengradienten). 5. Plastocyanin überträgt ein Elektron auf das Photosystem I zum Schließen einer Elektronenlücke. 6. Angeregte Elektronen vom Photosystem II werden auf Ferredoxin übertragen. 7. Ferredoxin vermittelt die Elektronenübertragung auf die Ferredoxin-NADP +-Reduktase, was zur Reduktion von NADPH führt (Beitrag zum Protonengradienten). ATP-Synthese (Phosphorylierung): 

der lichtgetriebene Elektronentransfer leistet durch folgende Prozesse einen Beitrag zum Aufbau des Protonengradienten: o Spaltung von Wasser: die Protonenkonzentration im Thylakoidlumen nimmt zu o Cytochrom bf: Protonen aus dem Stroma werden in das Thylakoidlumen transportiert. o Ferredoxin-NADP +-Reduktase: Protonen im Stroma binden an NADP+, was die Protonenkonzentration im Stroma verringert

 die dem Protonengradienten entsprechende Energie (protonenmotorische Kraft) ist die

Summe zweier Komponenten: oLadungsgradient ochemischer Gradient  die protonenmotorische Kraft in den Chloroplasten stammt hauptsächlich aus dem chemischen Gradienten, in den Mitochondrien ist der Anteil des Ladungsgradienten (Membranpotential) größer Das liegt daran, dass die Thylakoidmembran für Cl- und Mg2+ durchlässig ist. Der lichtinduzierte Protonentransport führt zu einer Bewegung der Cl- in die gleiche Richtung und zu einer Bewegung von Mg2+in die entgegengesetzte Richtung, was zu einer Ladungsneutralisation führt, ein Membranpotential wird nicht aufgebaut. __________________________________________________________________________________ Lipide -Energiespeicher -Isolatoren gegen Kälte -Lösungsmittel für fettlösliche Stoffe und einige Vitamine -Intrazelluläre Botenstoffe -Baufett ( Schutzpolster innere Organe) -Bestandteil der Zellmembran -4-26 (typisch: 12 -22) Kohlenstoffatomen -lange Keten der Fettsäuren schirmen die Sauerstoffatome der Esterbindung ab -hydrophob -kein Einfluss auf den osmotischen Zustand einer wässrigen Phase -Palmitinsäure -> ß-Oxidation->Citratzyklus -> 106 ATP (bei Zellatmung entstehen nur 30-32 ATP)

Palmitinsäure, Hexacdecansäure: -C16H32O2 -Haupt- und Zwischenprodukt des Stoffwechsels , Biodiesel, Napalm

Stearinsäure, Ölsäure:

-C18H34O2 -Stearinkerzen, Seife, Rasierschaum, Olivenöl, Kakaobutter, Schweineschmalz, Rindertalg

Cis-Trans- Isomerie cis- oder (Z)- Isomer: -beider Substituenten auf der gleichen Seite der Referenzebene trans- oder (E)- Isomer: -beide Substituenten auf entgegengesetzten Seiten der Doppelbindungen

Maleinsäure (Z)- Butendisäure

Fumarsäure (E)- Butendisäure

Hoher Konsum von Trans-Fettsäuren verursacht: -hoher Blutdruck -erhöhtes Herzinfarkt- und Schlaganfallrisiko -Allergien -Einlagerung in Zellmembran -zu hoher LDL im Blutserum _________________________________________________________________________________ Omega-3-Fettsäuren -essentiell für menschliche Ernährung -können nicht selbst synthetisiert werden - werden durch Delta- 6- Desaturase und Delta- 5- Desaturase in DHA und EPA umgewandelt Wirkung: -stabilisiert instabile Herzgefäße -fördert Durchblutung -hemmt Thrombozytenaggregation -wirken präventiv gegen koronare Herzkrankheiten Docosahexaensäure (DHA ) - Delta- 6- Desaturase: -Fettsäurekomponente von Phospholipiden -Bestandteil von Membranen von Nervenzellen -im Gehirn und Netzhaut -senkt Blutdruck & Herzfrequenz - Biosynthese ausgehen von EPA Eicosapentaensäure (EPA)- Delta-5-Desaturase: -in fetten Seefischen -Stimmungsaufhellung, Minderung Ängste, Depression, Regulation Blutdruck & Herzfrequenz -Biosynthese erfolgt über alpha-Linolensäure (ALA) aus Pflanzen __________________________________________________________________________________

Triglycerine -bilden 90 % der Fette in der Nahrung -Hauptspeicherform für Fette -dreifache Ester des dreiwertigen Alkohols Glycerin mit 3 Säuremolekülen __________________________________________________________________________________ Adipozyten - Zellen des Fettgewebes -eingehüllt in Fettzellmembran -entwickeln sich aus Steatoblasten -Anzahl bleibt bei Erwachsenen konstant a) Plurivakuolär: -braunes Fettgewebe -mehrere voneinander getrennte Vakuolen b) Univakuolär: - 1 Vakuole, mit Lipiden gefüllt c) beige Adipozyten __________________________________________________________________________________ Thermogenese -braunes Fettgewebe -Thermogenin = Transmembranprotein in innerer Mitochondrienmembran des braunen Fettgewebes -durch ß-Oxiation und Atmungskette aufgebauter Protonengradient wird direkt in Wärme umgesetzt: Winterschlaf, neugeborene Säugetiere, Kleinkinder __________________________________________________________________________________ Transport der Fette ins Blutserum -Pankreas-Lipasen bauen Triacylglycerine zu freien Fettsäuren und Monoacylglycerinen um -> über das Dünndarmepithel absorbiert -in der Dünndarmschleimhaut in Lipoproteintransportpartikel ( Chylomikronen) verpackt -Chylomikronen werden ins Lymphsytsem und anschließend ins Blut freigesetzt -binden an membrangebundene Lipoprotein-Lipasen, vor allem im Fettgewebe und in den Muskeln __________________________________________________________________________________ Abbau und Synthese von Fettsäuren Fettzelle: Triglycerin -> Glycerin -> Leberzelle: a) Glykolyse -> Pyruvat , b) Gluconeogenese -> Glucose -> Fettsäuren -> andere Gewebe: Fettsäureoxidation

Fettsäureabbau: -Oxidation -Hydratisierung -Oxidation -Spaltung -> aktivierte Acylgruppe + aktivierte Acetylgruppe Fettsäuresynthese: -aktivierte Acylgruppe, + aktivierte Malonylgruppe -Kondensation -Reduktion -Dehydratisierung -Reduktion -Palmitat ist erstes Produkt der Fettsäuresynthese (dafür erforderlich : 8x Acetyl-CoA, 14x NADPH, 7x ATP -Acetyl-CoA-Carboxylase ist das Schlüsselenzym zur Kontrolle des Fettsäurestoffwechsels __________________________________________________________________________________ Kontrolle des Fettsäurestoffwechsel Insulin: -stimuliert Fettsäuresynthese durch Aktivierung Carboxylase -hemmt Mobilisierung der Fettsäuren -aktiviert ihre Anreicherung in Form von Triacalglycerinen im Muskel und G´Fettgeweben -induziert Fettsäuresynthese, über Aktivierung einer Proteinphosphatase, die Acetyl-CoA-Carboxylase desphosphoryliert und dadurch aktiviert Glucagon, Adrenalin: -hemmr die Fettsäuresynthese, Deaktivierung Carboxylase -Freisetzung Fettsäure aus Triglycerinen i Fettzellen -verstärken Hemmung durch AMP-abhängige Kinase Sinnvoll weil, -niedriges Energieniveau der Zellen, hohe Konzentration von AMP -niedriges Energieniveau des Organismus Glucagon -keine Fettsynthese

Diabetis mellitus-Schäden durch Fettsäuren: -dauerhafte Dysbalance zwischen ß-Oxidation und Zuckerstoffwechsel ist problematisch ohen Insulin( ohne Insulinring -kein Gewebesignal: Glucose aufnehmen -Leber kein Oxalacetat, Acetyl-CoA -Fettsäuren: weiterhin Mobilisierung im Fettgewebe, in Leber aufgenommen -> Ketonkörper (starke Säure) -Azidose (z.B. diabtischer Fuss) ________________________________________________________________________________

ß-Oxidation Überwiegend in der mitoch. Matirx Kovalent Sulfhydrylgruppe von Coenzym A Einzelne Proteine C2-Einheiten an Acetyl-CoA NAD+ und FAD als Oxidationsmittel L-ß-Hydroxyacyl

Biosynthese Im Cytoplasma Kovalent an der Sulfhydrylgruppe eines AcylCarrier-Proteins Fettsäure-Synthase-Komplex C2 aus Malonyl-CoA, CO2 Abspaltung NADPH als Reduktionsmittel D-ß- Hydroxyacyl Fettsäure-Synthase stoppt bei Palmitat

_________________________________________________________________________________ Aminosäuremetabolismus -alle Transaminasen enthalten Pyridoxal-5 phosphat (PLP) als Co-Enzym, dieses leitet sich von Pyridoxin (Vitamin B6 )ab -Co-Enzym fungiert als Überträger der Aminogruppe -Enzyme mit PLP sind an Decarboxylierungen und Aldol-Spaltungen beteiligt Abbau von Aminosäuren, Entsorgung des Stickstoff: -ein Teil vom Stickstoff wird für Biosynthesen von Stickstoffhaltigen Verbindungen genutzt -größter Teil wird aber über Harnstoff ausgeschieden Aminosäuren -> NH3 -Harnstoffzyklus - -> Harnstoff -> Kohlenstoffgerüst - CO2, Glucose, Acetyl-CoA, Ketokörper

Harnstoffzyklus: in der Leber

-Cytoplasma und mitochondriale Matrix sind beteiligt -Übertragung von Carbamoyl Phosphat auf Ornithin Ornithin + Carbamoyl Phosphat -> Citrullin (durch Ornithintranscarbamoylase) -Citrullin wird aus den Mitochrondrien in das Zytosol transportiert und unter Energieverbrauch mit Aspartat zu Argininosuccinat kondensiert Citrullin + Aspartat -> Argininosuccinat (durch Argininosuccinatsynthetase) -Argininosuccinat ( durch Argininosuccinase) -> Arginin + Fumarat -Arginin (durch Arginase) -> Ornithin + Urea -Ornithin wird in die Mitochondrien transportiert und steht damit wieder als Akzeptor für Carbamoyl zur Verfügung __________________________________________________________________________________ -Ammoniak wird in Carbamoyl-Phosphat eingebaut

Carbamoyl-Phosphat Synthetase:

Bicarbonat -> Carboxyphosphat -> Carbamidsäure-> Carbomoyl-Phosphat

Regulation des Harnstoffzyklus: -der geschwindigkeitsbestimmende Schritt wird von der Carbamoylphosphat Synthetase I katalysiert -die anderen Enzyme des Harnstoffzyklus werden allosterisch durch ihre Substrate aktiviert -das Fehlen eines Enzyms des Harnstoff-Zyklus ist tödlich _________________________________________________________________________________ Man unterscheidet Aminosäuren anhand ihrer Abbauprodukte: Ketogene Aminosäuren: -werden zu Actyl-CoA oder Acetoacetyl CoA umgebaut und können daher zu Fettsäuren und Ketokörpern umgewandelt werden Gulcogene Aminosäuren: -werden zu alpha-Ketoglutarat, Succinyl-CoA, Fumarat, Oxalacetat oder Pyruvat umgewandelt und können daher als Vorstufen der Glucose benutzt werden ________________________________________________________________________________ Aromatische Aminosäuren Phenylketonurie= Defekt in einem Gen des Phynalalanin-Abbaus - Abbau erfolgt stattdessen über Tyrosin -> Akkumulation von Phe im Blut und Phenylpyruvat im urin -behandelbar über Phe-arme Kost

-zum Abbau von aromatischen Aminosäuren werden Oxygenasen benötigt um den aromatischen Ring aufzubrechen -Tyrosin initiert Melanin-Biosynthese Störungen der Enzyme: Tyrosin: Albinismus Thyroxin: Kretinismus Phenylalanin: Phenylketonurie Homogentisinsäure: Alkaptonurie __________________________________________________________________________________ Andere Produkte des Aminosäurestoffwechsels Porphyrien: -große Schmerzen -Psychosen -Haut wird Licht empfindlich, Haarwuchs -verlangen nach Häm/ Eisenhaltiger Nahrung _________________________________________________________________________________ Nitrogenase -Enzym Komplex -kann Luftstickstoff reduzieren und in eine biologisch verfügbare Form umwandeln -reduziert Dreifachbindungen (auch von Ethin und Cyanin) -besteht aus Dinitrogenase und der Dinitrogenase-Reduktase. Dinitrogenase-Reduktase: → liefert Elektronen mit großer Reduktionskraft an die Nitrogenase, dazu ist ATP nötig Dinitrogenase: → verwendet die gelieferten Elekt...