Cytologie Video 26 - Vorlesungsnotizen 26 PDF

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Cytologie Video 26 Mitochondrien (Energiewandler) charakterisieren sowohl die tierische als auch die pflanzliche Zelle Entstehung des Mitochondriums: Die Endosymbiontenhypothese       

Gentransfer in das Genom des Wirtes. Der Endosymbiont steuert die Maschinerie zur ATP Synthese bei (mtDNA als verbleibender Rest). Der Wirt steuert organische Substrate bei und entsorgt Sauerstoff. Es entsteht ein gemeinsames System zur effektiven Energieversorgung. Mitochondrien hängen stark vom Proteinimport ab (98%), da die mitochondriale DNA für nur noch sehr wenige Geno codiert. Die mitoch. DNA ist ringförmig, hat im Menschen 16.569 Basenpaare. Mitochondriale Gene codieren für tRNAs und 13 Proteine, die in ATP Synthese involviert sind.

Mitochondrien: Umwandlung chemischer Energie     

Mitochondrien sind die Organellen des Zellstoffwechsels, der den größten Anteil an ATP aus dem oxidativen Abbau von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen liefert. Sie verfügen über eine glatte äußere Membran, die innere ist vielfach gefaltet; die eingefalteten Membranteile heißen Cristae. Die Innenmembran bildet zwei Kompartimente, den Membranzwischenraum und das eingeschlossene Volumen, die Matrix. Die Cristae tragen die Transmembranproteine der Atmungskette. Auch die Matrixenzyme katalysieren einige Schritte der Zellatmung.

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Betriebsstoff der Zellatmung ist Glukose. Diese Reaktion ist stark exergonisch und führt zur ATP Bildung. Pro Mol Glucose entstehen 686 Kcal Energie Erster Schritt ist immer die Glykolyse, also die Zerlegung in 2 C3 Körper (Pyruvat) Bei der anaeroben Gärung entsteht wenig ATP und es verbleiben energiereiche Verbindungen wie z.B. Ethanol. Die stark exergone Reaktion, wird in eine Serie kleiner Schritte mit jeweils handhabbarer Energie aufgeteilt. Diese sind evolutiv hoch konserviert. In Eukaryonten finden bestimmte Reaktionsschritte in bestimmten Kompartimenten statt. Die Glykolyse findet im Cytosol statt. Die Pyruvatoxidation findet in der inneren Membran statt. Der Citratzyklus findet in der Matrix statt.  Die Komponenten der Atmungskette sind in der

Membran der Christae lokalisiert.

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Glycolyse (Glucose wird in zwei Pyruvatmoleküle zerlegt) Citratzyklus (der Citronensäurezyklus vervollständigt den Abbau des Glucoseoleküls)

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die Glycolyse oxidiert Glucose zu Pyruvat, wobei Energie frei wird. Glycolyse („Spaltung von Zucker“) spaltet Glucose in zwei Pyruvatmoleküle auf. Glycolyse läuft im Cytoplasma in zwei Phasen ab: Energieinvestitionsphase: 2 ATP übertragen Phosphatgruppen. Energiegewinnungsphase: 2 NAD+ zu 2 NADH+H+ reduziert, 2 Phosphatgruppen werden auf ADP übertragen. Die Pyruvatoxidation findet in der inneren Membran statt. In Gegenwart von elementarem Sauerstoff wird das Pyruvat in das Mitochondrium transportiert, wo die Enzyme des Citratzyklus die Oxidation der Glucose vervollständigen. Das Pyruvat wird zunächst unter CO2 Abspaltung in Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) umgewandelt.

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Oxidative Phosphorylierung (ADP wird zu ATP umgesetzt)

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Die freigesetzte Energie wird durch Reduktion von NAD+ aufgefangen. Der Citratzyklus („Citronensäurezyklus“,“Krebszyklus“) findet innerhalb der mitochondrialen Matrix statt. Ausgangspunkt ist Acetyl-CoA, dessen Acetylgruppe zu 2 CO2 oxidiert wird, dabei werden Elektronenträger NAD und FAD (Flavinadenosindiphosphat) reduziert. Input: Acetyl-CoA, Wasser, oxidierte Elektronenträger NAD + und FAD+ Output: CO2, reduzierte Elektronenträger, etwas ATP (1 Molekül ATP), 3 Moleküle NADH und 1 Molekül FADH2 Atmungskette (oxidativen Phosphorylierung): Kopplung des Elektronentransport an die ATP-Synthese durch einen chemiosmotischen Prozess. NADH und FADH2 speichern den größten Teil der aus der Glucose stammenden Energie. Diese beiden Elektronenträger geben Elektronen an die Transportkette ab, die die ATP-Synthese über die oxidative Phosphorylierung antreibt. Entlang eines Energiegefälles fließen die Elektronen über membranständige Elektronentransporter. Während des Transports wechseln die Elektronenüberträger zwischen ihren reduzierten und oxidierten Zuständen hin und her, je nach Aufnahme oder Abgabe von Elektronen Finaler Elektronenakzeptor ist Sauerstoff. Die Elektronentransportkette (Cytochrome, Ubichinone) generiert einen Protonengradienten, indem Protonen in den Intermembranraum gepumpt werden.

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Dieser Gradient treibt die ATP Synthase an.

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 F-typ (Bakterien) und V-typ ATPasen (Eukaryonten) können Protonen von innen nach außen pumpen und verbrauchen dabei Energie (ATP Spaltung). Umgekehrt können sie auch Ionengradienten zur ATP Gewinnung nutzen. Modul F0 in der Membran leitet passiv Protonen. Modul F1 katalysiert die ATP Synthese/Hydrolyse. Der Proteinschaft zwischen F0 und F1 überträgt mechanische Energie durch Konformationsänderungen.

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Im Verlauf der Zellatmung fließt der größte Teil der Energie in folgender Reihenfolge: Glucose  NADH  Atmungskette  protonen-motorische Kraft  ATP  Ca. 40%

der Energie in einem Glucosemolekül wird während der Zellatmung auf ATP übertragen; der Rest der Energie geht als Wärme verloren...