Stoffwechsel: Übersicht

Stoffwechsel: Übersicht 

Definition: 

Stoffwechsel oder Metabolismus ist der Gesamtprozeß, durch den lebende Systeme 

die zur Ausübung ihrer verschiedenen Funktionen benötigte Freie Enthalpie erlangen und 

verwerten. 

Dies erfolgt durch eine Kopplung exergonischer Reaktionen der Nährstoffoxidation an die 

endergonischen Prozesse die zur Aufrechterhaltung des lebenden Zustandes notwendig sind. 

Kopplung erfolgt meist über die zwischengeschaltete Synthese von energiereichen Phosphatverbindungen 

wie Adenosintriphosphat (ATP). 

Nährstoffe werden nicht nur zur Energiegewinnung sondern auch zur Synthese körpereigener 

Biomoleküle verwendet. 

Fließgleichgewicht bei dem trotz erheblicher Nahrungsaufnahme (Mensch in 40 Jahren 

Tonnen von Nährstoffen und ca. 20.000 L Wasser) das Gewicht (mehr oder weniger) 

konstant bleibt – fein ausbalancierter Stoffwechsel.


Einteilung der Organismen nach der Art der Gewinnung von Energie und des Kohlenstoffs in: 

Autotrophe Organismen: Gewinnung des Kohlenstoffs durch CO 2 

-Fixierung 

Heterotrophe Organismen: Gewinnung des Kohlenstoffs aus dem Abbau organischer 

Verbindungen 

Lithotrophe Organismen: Energiegewinn aus anorganischen Substanzen 

Phototrophe Organismen Energiegewinn durch die Sonne und mittels Photosynthese 

(Pflanzen und einige Bakterien) 

Chemo(Organo)trophe Organismen Energiegewinn aus organischer Verbindungen 

Pflanzen sind photolithoautotroph: sie gewinnen ihre Energie durch Photosynthese mit 

Hilfe eines anorganischen Elektronendonors (Wasser) und fixieren CO 2 

. 

Tiere und viele Mikroorganismen sind chemoorganoheterotroph: sie gewinnen Energie 

aus der Oxidation reduzierter Kohlenstoffverbindungen, die letztendlich von den 

phototrophen (lithothrophen) Organismen stammen und nutzen diese zur Energiegewinnung 

und zum Aufbau körpereigener Substanzen. 

Zwei Typen: 1. Gärung: organische Verbindungen als Oxidationsmittel (ein Teil des 

Substrates wird oxidiert, ein Teil reduziert); niedriger Energiegewinn 

2. Atmung: anorganische Stoffe als Oxidationsmittel (Sauerstoff, manchmal 

Nitrat oder Sulfat); hoher Energiegewinn


Stoffwechsel besteht aus Abfolgen von enzymatischen Reaktionen, die spezifische Produkte 

liefern. 

Ihre Reaktanden , Zwischenprodukte und Produkte werden als Metaboliten bezeichnet; 

Reaktionswege des Stoffwechsels werden in zwei Kategorien unterteilt: Biosynthese oder 

Aufbau körpereigener Biomoleküle (Anabolismus) bzw. Abbau von Nährstoffen oder 

körpereigenen Biomolekülen (Katabolismus); 

Stoffwechselwege sind irreversibel, da stark exergonisch (Katabolismus und Anabolismus 

laufen in unterschiedlichen Stoffwechselwegen getrennt voneinander ab, was zudem eine 

unabhängige Regulation ermöglicht); 

In Eukaryontenzellen sind die Stoffwechselwege zudem mit spezifischen Zellorten verbunden; 

Charakteristisch ist, 

daß eine große Anzahl unterschiedlicher Substanzen (Kohlenhydrate, Lipide und Proteine) in 

die gleichen Zwischenprodukte überführt und anschließend in einem zentralen 

Stoffwechselweg überführt wird; 

daß im umgekehrten Prozeß relativ wenige Metaboliten (in der Hauptsache Pyruvat -Salz der 

Brenztraubensäure-, Acetyl-CoA und die Zwischenrodukte des Citratcyclus) als Ausgangssubstanzen 

für eine große Zahl unterschiedlicher Biosyntheseprodukte dienen.


Diagramm der wichtigsten Stoffwechselwege 

in einer typsichen Zelle. Die Hauptwege des 

Glucosestoffwechsels sind schattiert dargestellt. 

[Entwuf von D.E. Nicholson. Veröffentlicht von 

BDH Ltd., Pool 2, Dorset, England]


Experimentelle Ansätze zur Untersuchung des Stoffwechsels: 

1) Untersuchung der Abfolge der Reaktionen und der Energetik dieser Umwandlungen 

2) Untersuchung der Mechanismen der einzelnen Umwandlungen mittels isolierter Enzyme 

3) Untersuchung der Kontrollmechanismen die die Umwandlungen kontrollieren 

Untersuchungen basieren in der Regel auf: 

1) einer Störung des Stoffwechselweges mittels Inhibitoren und Analyse der Auswirkungen 

auf das Entstehen und Vergehen entsprechender Metaboliten 

2) einer Analyse genetischer Anomalien, bei denen ganz bestimmte Stoffwechselwege 

unterbrochen sind (natürliche oder künstlich herbeigeführte Mutationen) 

3) einer Zerlegung der Organismen in ihre Bestandteile (Organe, Gewebe, Zellen und 

subzelluläre Organellen) 

4) einer Isolierung und Reinigung von einzelnen Enzymen wie auch Metaboliten 

5) einer Isotopenmarkierung von Metaboliten durch die sich der Weg bestimmter Moleküle 

oder Atome durch den Stoffwechsel verfolgen läßt


Die wichtigsten (zentralen) Stoffwechselwege: 

Glycolyse 

Citronensäurecyclus 

Oxidative Phosphorylierung 

Photosynthese 

Fettsäurestoffwechsel 

Harnstoffcyclus 

Aminosäuresynthese 

Proteinbiosynthese

Stoffwechsel: Die Glycolyse 

Glycolyse (griech.: glykos, süß; lysis, Auflösung) oder auch Emden-Meyerhof-Weg, spielt 

eine Schlüsselrolle im Energiestoffwechsel und ist der katabolische Abbau von Glucose (einer 

C 6 

-Einheit) über Fructose-1,6-bisphosphat in Pyruvat (C 3 

-Einheit) unter Bildung von 2 Mol ATP 

aus 1 Mol Glucose (geringer Energiegewinn von 150,72 kJ (36kcal) pro Glucosemolekül); 

Glycolyse hat keinen Sauerstoffbedarf, kann also in anaeroben Geweben oder in anaeroben 

Organismen ablaufen (daher auch als anoerobe Gärung bezeichnet); 

ältester biochemische Mechanismus zur Gewinnung von Energie in Form von ATP, der die 

Entwicklung von lebenden Organismen in einer sauerstofffreien Atmosphäre ermöglichte; 

Entdeckung durch die Gebrüder Buchner im Jahre 1897: erste Demonstration alkoholischer 

Gärung außerhalb lebender Zellen (damit widerlegten sie die Theorie von Pasteur, wonach 

biologische Prozesse nur in lebenden Zellen mit ihrer innewohnenen ‚Lebenskraft‘ möglich ist); 

Aufklärung der Reaktionsfolge durch Harden, Young, Emden, Meyerhof, Warburg u.a. bis ca. 

1940; 

mit wenigen Ausnahmen wird Glucose bei allen bekannten Lebewesen auf identischem Weg 

verarbeitet.


Die G. bis zur Stufe des Pyruvats wird durch 10 cytosolische Enzyme katalysiert:

Stoffwechsel: Die Glycolyse


Reaktionsschritt 1: Phosphorylierung von Glucose durch Hexokinase 

Hexokinase katalysiert den nukleophilen 

Angriff der C(6)-OH-Gruppe der Glucose 

am γ-Phosphat des ATP‘s; Wasserausschluß 

wird durch Konformationsänderung der 

Hexokinase nach Glucose-Bindung erreicht 

(Spaltung von ATP durch Wasser wäre stärker 

exergonisch)


Reaktionsschritt 2: Umwandlung von Glucose-6-Phosphat in Fructose-6-Phosphat durch 

Glucosephosphat-Isomerase (Phosphogluco-Isomerase, PGI) 

Schritt 2) Basen-katalysierte 

Abspaltung des sauren H + 

von C(2) 

(His-Rest von PGI) 

Schritt 1) Säure-katalysiert 

(Lys-ε-Aminogruppe von PGI) 

Schritt 3) Übertragung des 

H + auf das C(1) Atom 

Schritt 4) Ringschluß 

unter Bildung des Produkts


Reaktionsschritt 2: PGI ist abolut stereospezifisch; Basenkatalysierte chemische 

Isomerisierung von Glucose liefert dagegen wegen der Racemisierung am 

C(2) 2 Produkte: 

C(2) des Endiolat-Zwischenprodukts ist 

nicht chiral, wodurch bei reiner Basenkatalyse 

auch Mannose als Produkt gebildet 

wird (entsteht bei der PGI-katalysierten 

Reaktion nicht!)


Reaktionsschritt 3: Phosphorylierung von Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6-bisphosphat 

durch die Phosphofructokinase (PFK): 

PFK katalysiert in Analogie zur Hexokinase- 

Reaktion den nukleophilen Angriff der C(1)- 

OH-Gruppe des Fructose-6-Phosphates auf 

das γ-Phosphoratom des ATP‘s; 

PFK spielt eine zentrale Rolle bei der Regulation 

der Glycolyse, da es eines der geschwindigkeitsbestimmenden 

Schritte katalysiert; 

Die regulatorischen Eigenschaften der PFK sind 

außerordentlich komplex und erfolgen durch eine 

Reihe von Metaboliten.


Reaktionsschritt 4: Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat durch Fructose-diphosphat- 

Aldolase zu den beiden Triosen Glyceraldehyd-3-phosphat und 

Dihydroxyaceton-phosphat: 

Aldolase-Reaktion führt zur Bildung von 2 Triosen 

und damit 2 Produkten gleicher Kettenlänge; 

Aldolspaltung zwischen C(3) und C(4) setzt voraus, 

daß ein Carbonyl-Sauerstoff an C(2) und eine OH- 

Gruppe an C(4) vorhanden ist 

(erklärt warum zuvor Glucose in Fructose umgewandelt 

wurde – analoge Spaltung von Glucose hätte 2 

Produkte unterschiedlicher Kettenlänge ergeben die 

nicht ineinander umwandelbar und damit nicht auf 

demselben Weg abbaubar gewesen wären…).


Reaktionsschritt 4: 

Mechanismus der Aldolase-katalysierten 

Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat 

zu Glyceraldehyd-3-phosphat und 

Dihydroxyaceton-phosphat: 

Aldolasen bei Pilzen, Algen und einigen 

Bakterien (‘Klasse-II-Aldolasen‘) bilden 

keine Schiff-Base mit dem Substrat; 

stabilisieren das Enolat-Intermediat 

stattdessen mit einem 2wertigen Kation, 

meist Zn 2+ 

Protonierung des Enamins 

zum Iminium-Kation 

mit Lys-ε-NH 2 -Gruppe


Reaktionsschritt 4: Die Aldolase-katalysierten Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat zu 

Glyceraldehyd-3-phosphat und Dihydroxyaceton-phosphat erfolgt absolut 

stereospezifisch: 

Nichtenzymatische Aldolkondensation beider Triosen liefert 4 Produkte in 

Abhängigkeit ob der pro-R- oder der pro-S-Wasserstoff am C(3) des 

Dihydroxyaceton-phosphates abgespalten wird und ob das dabei gebildete 

Carbanion Glyceraldehyd-3-phosphat auf der re- oder auf der si-Seite 

angreift:


Reaktionsschritt 5: Umwandlung von Dihydroxyaceton-phosphat zu Glyceraldehyd-3-phosphat 

durch die Triosephosphat-Isomerase (TIM): 

Dihydroxyaceton-phosphat und Glyceraldehyd-3- 

Phosphat sind Ketose-Aldose-Isomere und als 

solche über eine Endiolat-Zwischenprodukt ineinander 

überführbar; 

TIM katalysiert die Isomerisierung mit einer 

Geschwindigkeit die der der Diffussion der 

Substrate entspricht – perfektes Enzym 

Gleichgewicht weit auf der Seite von 

Dihydroxyaceton-phosphat (etwa 1 : 100), 

dennoch wird wegen der schnellen Gleichgewichtseinstellung 

genug Glyceraldehyd- 

3-phosphat für die weiteren Schritte der 

Glycolyse bereitgestellt


Reaktionsschritt 6: Oxidation und Phosphorylierung von Glyceraldehyd-3-phosphat mittels 

NAD + und anorganischen Phosphat P i durch Glyceraldehyd-3-phosphat- 

Dehydrogenase (GAPDH): 

Beispiel für einen ‘chemischen Kunstgriff‘: exergonische Aldehydoxydation 

treibt die eigentlich endergone Acylphosphat-Bildung zum 1,3-Diphosphoglycerat: 

NAD + : Nikotinamidadenindinukleotid (s. Biochemie I)


Reaktionsschritt 6: Mechanismus der Glyceraldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase-Reaktion:


Reaktionsschritt 7: Übertragung des 1-Phosphatrestes von 1,3-Bisphosphoglycerat auf ADP 

unter Bildung von 3-Phosphoglycerat und ATP katalysiert durch 

Phosphoglycerat-Kinase (PGK) (erstmalige Bildung von ATP): 

Mechanismus: 

Struktur der Hefe-PGK: 

Mechanismus und Struktur der PGK entsprechen der Hexokinase


Reaktionsschritt 8: Umwandlung von 3-Phosphoglycerat in 2-Phosphoglycerat durch 

Phosphoglycerat-Mutase (PGM): 

PGM katalysiert die intermolekulare Übertragung einer funktionellen Gruppe 

(Phosphat-Restes) von einer Postion zu einer anderen; 

PGM-Reaktion bereitet die nachfolgende Reaktion vor, bei der eine energiereiche 

Phosphorylverbindung erzeugt wird, die dann zur ATP-Synthese verwendet wird.



Mechanismus der Umwandlung 

von 3-Phosphoglycerat in 2- 

Phosphoglycerat durch PGM: 

Phosporylgruppe wird nicht 

direkt übertragen; keine 

einfache Übertragungsreaktion! 

Die ursprüngliche Phosphoryl- 

Gruppe des Substrates landet 

am C(2) des nächsten 

Substrates….


Reaktionsschritt 9: Dehydratisierung von 2-Phosphoglycerat zu Phosphoenolpyruvat durch 

Enolase: 

Enolase benötigt 2wertige Kationen als Cofaktoren; 

Enzym ist durch Fluorid-Ionen inhibierbar, die einen 

Komplex mit Mg 2+ und Phosphat bilden, der ein 

Analoga des Übergangszustand darstellt.


Reaktionsschritt 9: Mechanismus der Dehydratisierung durch Enolase:


Reaktionsschritt 10: Übertragung der Phosphorylgruppe von Phosphoenolpyruvat auf ADP 

durch Pyruvatkinase (PK): 

Schritt 1: Ein ß-Phosphorylsauerstoff des ADP greift das Phosphoenolpyruvat- 

Phosporatom nukleophil an, wobei unter Verdrängung von Enolpyruvat ATP gebildet wird 

Schritt2: Enolpyruvat geht in Pyruvat über 

Schritt 2 (Keto-Enol-Tautomerisierung) ist die Ursache für das hohe Phosphatgruppen- 

Übertragungspotential von Phosphoenolpyruvat, wodurch die Bildung von ATP ermöglicht 

wird (Phosphatester-Bindung allein reicht zur Phosphorylierung von ADP nicht aus).


Bilanz der Glycolyse: 

Reaktion 

ATP/Glucose 

Glucose Glucose-6-phosphat -1 

Fructose-6-phosphat Fructose-1,6-bisphosphat -1 

2x 1,3-bisphosphoglycerat 2X 3-Phosphoglycerat +2 

2x Phosphoenolpyruvat 2x Pyruvat +2 

Netto: +2 

Gesamtgleichung der Glycolyse: 

Glucose + 2 ADP + 2 P i + 2 NAD + 

2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + H 2 

O


Konzentration der Metaboliten 

der Glycolyse:


Regulation der Glycolyse (allgemeines Prinzip der Regulation von Stoffwechselwegen): 

Enzym-begrenzte 

Reaktion (z.B.: Hexokinase) 

Substrat-begrenzte 

Reaktion (z.B.: Aldolase) 

A 

B B 

B B B 

B B 

C 

D 

E E E 

E E E E E 

E E E 

F 

G 

H H 

H H H H H 

H H 

I


Allgemeines Prinzip der Regulation von Stoffwechselwegen: 

Der Fluß durch einen Stoffwechselweg wird entsprechend den Bedürfnissen des Organismus 

reguliert. 

In jedem Stoffwechselweg gibt es Reaktionen, die nahe am Gleichgewicht ablaufen. Die 

verantwortliche enzymatische Aktivität ist also in ausreichenden Mengen vorhanden und daher 

nicht regulierbar. 

Andere Reaktionen sind weit vom Gleichgewicht entfernt. Das Substrat wird daher akkumuliert, 

das Enzym ist limitierend. Diese Reaktionen sind geschwindigkeitsbestimmend und daher 

reguliert. 

Die geschwindigkeitsbestimmenden Reaktionen sind häufig irreversibel und legen ein Susbtrat 

auf einen bestimmten Stoffwechselweg fest. 

Wenn ein Stoffwechselweg mehrere Endprodukte liefert, kann der Eintritt in diesen Weg 

gemäß dem Bedarf der verschiedenen Endprodukte durch verschiedene Bindungen reguliert 

werden. Dazu können gewebsspezifische Isoenzyme benutzt werden.


Regulierte Enzyme der Glycolyse: 

Glucogen-Synthese 

Glucose 

Hexokinase (reguliert) 

Glucose-6-Phosphat Pentosephosphatweg 

Alle 3 regulierten Enzyme sind 

Kinasen; 

erlauben über den Reaktionspartner/ 

Produkt ATP Kopplung an Energiehaushalt 

der Zelle 

Fructose-6-Phosphat 

Phosphofructokinase (erster irreversibler für 

die Glycolyse spezifischer 

Fructose-1,6-Bisphosphat 

Schritt – hochreguliert!) 

Phosphoenolpyruvat 

Pyruvat 

Pyruvatkinase (reguliert) 

Biosynthese 

ATP-Gewinnung


Möglichkeiten der Enzymregulation: 

1. Allosterische Kontrolle: 

sehr schnell 

2. Regulation durch kovalente Modifikation (Phosphorylierung oder 

Dephosphorylierung): 

schnell 

3. Genetische Kontrolle durch Regulation der Enzymsynthese über 

Transkriptions- oder Translationskontrolle: 

langsam


Regulation der Phosphofructokinase (PFK): fein reguliert durch allosterische Effektoren; 

Wichtigstes Kontrollenzym der Glycolyse; arbeitet weit vom Gleichgewicht entfernt 

PFK ist ein tetrameres Enzym das in 

2 Konformationen vorkommt (T und R) 

(Abb.: PFK von B. stearothermophilus) 

ATP hemmt PFK allosterisch durch Bindung an den 

T-Zustand (wirkt demnach nicht nur als Substrat) 

Hemmung der PFK auch durch Citrat (signalisiert 

Anhäufung von Produkten der Glycolyse)


Regulation der Phosphofructokinase (PFK): potente Aktivatoren der PFK sind AMP, ADP und 

Fructose-2,6-bisphosphat; letzteres ist ein sehr 

potenter Aktivator: 

Fructose-2,6-bisphosphat ist kein 

Metabolit der Glycolyse; Effekt 

koppelt den Katabolismus und 

Anabolismus von Kohlenhydraten 

und verhindert das beide gleichzeitig 

ablaufen 

Aktivierung von PFK durch Fructose- 

2,6-bisphosphat erfolgt über eine 

kovalente Modifizierung (Phosphorylierung/Dephosphorylierung 

der PFK)


Regulation der Hexokinase: 

Hemmung der PFK: 

- führt zur Akkumulation von Fructose-6-phosphat; 

- Fructose-6-phosphat steht im Gleichgewicht mit Glucose-6-phosphat; 

- Glucose-6-phosphat hemmt Hexokinase allosterisch 

Glucokinase in der Leber: 

- produziert ebenfalls Glucose-6-phosphat wie Hexokinase 

- wird durch Glucose-6-phosphat allerdings nicht gehemmt (höherer K M 

für Glucose) 

- Beipsiel für gewebsspezifische Isoenzyme mit unterschiedlicher Regulation 

- Glucokinase dient nicht dem Abbau von Glucose sondern der Glycogensynthese


Regulation der Pyruvatkinase: 

Pyruvat wird durch ATP und Alanin (entsteht aus Pyruvat durch Transaminierung) allosterisch 

gehemmt; 

Das Enzym wird durch Fructose-1,6-bisphosphat allosterisch aktiviert; 

Das Isoenzym der Leber, aber nicht das im Muskel, wird durch Phosphorylierung gehemmt. 

Die Regulation in der Leber stellt sicher, daß bei hohem Glucosebedarf zunächst Gehirn und 

Muskeln versorgt werden. 

Regulation des Leberenzyms durch Phosphorylierung/Dephosphorylierung 

Dephosphorylierung: 

Phosphorylated 

Pyruvate kinase 

(less active) 

Dephosphorylated 

Pyruvate kinase 

(more active)

Stoffwechsel: Citronensäure-Cyclus 

Der Glycolyse folgende Stoffwechselwege: 

Unter anaeroben Bedingung wird das in der Glycolyse (anaerob) gebildete Pyruvat durch Gärung 

weiter abgebaut (niedriger Energiegewinn); 

Unter aeroben Bedingungen wird das in der Glycolyse gebildete Pyruvat im Citronensäure-Cyclus 

oxidativ abgebaut (hoher Energiegewinn)


Energieschema gilt nicht nur für Glucose sondern auch alle anderen en Nährstoffe: 

‘Verdauung‘ 

kein Energiegewinn 

‘Glycolyse, Fettsäureu. 

Aminosäureabbau‘ 

kaum Energiegewinn 

‘Citronensäure-Cyclus‘ 

hoher Energiegewinn 

- nur aerob -

Stoffwechsel: Pyruvat-Verwertung durch Gärung 

1. Alkoholische Gärung: 

die anaerobe Bildung von Ethanol und Kohlendioxid aus Glucose. Je Glucosemolekül 

werden zwei Moleküle ATP gebildet. Die a. G. wird von Hefen und anderen 

Mikroorganismen durchgeführt, kann aber auch in den Geweben höherer Pflanzen, z.B. 

Karotten und Maiswurzeln, vorkommen (Tiere besitzen keine Pyruvat-Decarboxylase und 

können deshalb keine a. G. durchführen). 

Pyruvat wird durch Pyruvat-Decarboxylase zu Acetaldehyd decarboxyliert, der dann 

durch Alkohol-Dehydrogase zu Ethanol reduziert wird: 

Bilanz: C 6 

H 12 

O 6 

+ 2P i 

+ 2ADP 2CH 3 

CH 2 

OH + 2CO 2 

+2ATP (Energiegewinn entspricht 2 ATP)


2. Milchsäuregärung: 

Bildung von Milchsäure unter anaeroben Bedingungen. Neben der Milchsäurebildung in 

derMuskulatursindmanchePilze, Grünalgen, höhere Pflanzen und vor allem 

Milchsäurebakterien (Lactobacteriaceae) zur M. befähigt: 

COO - 

C O 

CH 3 

Pyruvat 

Lactatdehydrogenase 

NADH + H + COO - 

HC OH 

CH 3 

Lactat 

Im Muskel: ‘Verlegenheitsreaktion’ unter anaeroben Bedingungen zur NAD + -Rückgewinnung; 

verantwortlich für Muskelkater


Industriell erzeugte Gärungsprodukte, ihre Produzenten und Verwendung: 

Produkt Organismus Verwendung 

Ethanol Saccharomyces cerevisiae Genuß- und Lösungsmittel, 

industrielle Zwecke, Essigsäureherstellung 

Glycerin Saccharomyces cerevisiae Sprengmittelherstellung 

Milchsäure Lactobacillus delbrueckii, L. bulgaricus Nahrungsmittel- und pharmazeutische 

Industrie 

Aceton und Butanol Clostridium acetobutylicum, C. butylium Lösungsmittel 

2,3-Butandiol Bacillus polymyxa, B. subtilis, nach Überführung in Butadien zur Herstellung 

Aerobacter aerogenes 

von Kautschuk, Antifrostmittel 

Methan methanogene Bakterien Energiewirtschaft

Stoffwechsel: 

Der Citronensäure-Cyclus 

Cyclus: 

8 Enzyme beteiligt mit vorgelagerter 

Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA 

durch Pyruvat-Dehydrogenase



Cyclus: 

Reaktion 1: 

Kondensation von Acetyl-CoA und Oxalacetat 

zu Citrat durch Citrat-Synthase



Cyclus: 

Reaktion 2: 

Überführung von Citrat (schwer oxidierbarer 

tertiärer Alkohol) über cis-Aconitat 

zu Isocitrat (leichter oxidierbarer sek. 

Alkohol) durch Aconitase (OH-Gruppen 

Übertragung)



Cyclus: 

Reaktion 3: 

Oxidation von Isocitrat (unter Bildung 

von NADH aus NAD + ) über Oxalsuccinat 

zu α-Ketoglutarat (unter Abspaltung 

von CO 2 

) durch Isocitrat-Dehydrogenase



Cyclus: 

Reaktion 4: 

Oxidative Decarboxylierung von α-Ketoglutarat 

zu Succinyl-CoA durch α-Ketoglutarat-Dehydrogenase 

unter Bildung 

von NADH aus NAD + und CO 2



Cyclus: 

Reaktion 5: 

Überführung von Succinyl-CoA zu 

Succinat durch Succinyl-CoA-Synthetase 

unter Speicherung der Freien 

Enthalpie der Thioesterbindung durch 

parallele Synthese des ‘energiereichen’ 

GTP aus GDP und P i



Cyclus: 

Reaktion 6: 

Oxidation der zentralen Einfachbindung 

des Succinats zu einer trans-Doppel- 

Bindung unter Bildung von Fumarat 

durch Succinat-Dehydrogenase unter 

paralleler Reduktion von FAD zu FADH 2 

Reaktion 6 bis 8 des Citronensäure- 

Cyclus dienen der Oxidation von 

Succinat zu Oxalacetat zur Vorbereitung 

der nächsten Runde des Cyclus



Cyclus: 

Reaktion 7: 

Hydration der Doppelbindung von 

Fumarat zu Malat durch Fumarase



Cyclus: 

Reaktion 8: 

Oxidation der sekundären OH-Gruppe 

des Malats zum entsprechenden Keton 

des Oxalacetats durch Malat-Dehydrogenase 

unter Bildung eines dritten 

NADH aus NAD +


Allgemeine Betrachtung: 

Citronensäure-Cyclus besteht aus einer Reihe von Reaktionen, durch die die 

Acetylgruppe eines Acetyl-CoA-Moleküls zu zwei Molekülen CO 2 

oxidiert wird, wobei 

die freigesetzte Freie Enthalpie konserviert und zur ATP-Erzeugung genutzt wird; 

dient damit der Energiegewinnung aus Pyruvat (zuvor umgewandelt in Acetyl-CoA) 

als Metabolit der Kohlenhydrat-, Fettsäure- und Aminosäureoxidation; 

stellt gleichzeitig zahlreiche Vorstufen für die Biosynthese bereit; 

= amphibolisch (sowohl katabolisch 

als auch anabolisch) 

wirkt infolge der Regeneration des Oxalacetats katalytisch: eine unendliche Anzahl 

von Acetylgruppen (Pyruvateinheiten) kann mit Hilfe eines einzigen Oxalacetat- 

Moleküls oxidiert werden.


Geschichtliches I: 

1937 Hans Krebs postuliert den Citronensäure-Cyclus (gilt als eines der wichtigsten Beiträge 

innerhalb der Stoffwechselchemie) 

Krebs’ Postulat basiert auf Ergebnissen aus den 30er Jahren: 

Befund das Metaboliten des Cyclus wie Lactat, Acetat, Malat, α-Ketoglutarat etc. 

rasch durch Atmung oxidiert werden; 

Befund das Malonat, das als starker Inhibitor der Oxidation von Succinat zu Fumarat 

bekannt war, auch die Atmung hemmt, woraus geschlossen wurde, daß Succinat im 

oxidativen Stoffwechsel eine zentrale Rolle spielt; 

1935 Befund von Albert Szent-Györgyi, daß katalytische Mengen von Succinat, 

Fumarat, Malat oder Oxalacetat die Atmung und Oxidation von Pyruvat drastisch 

beschleunigen (Zusatz dieser Substanzen stimuliert die O 2 -Aufnahme und CO 2 - 

Abgabe weit stärker als für die bloße Oxidation der Metaboliten nötig wäre); 

Szent-Györgyi fand zudem, daß o.g. Verbindungen nach folgender Reaktionsfolge 

umgewandelt werden: Succinat Fumarat Malat Oxalacetat; 

Befund von Martins und Knoop, daß Citrat über cis-Aconitat zu Isocitrat umgewandelt 

wird;


Geschichtliches II: 

Befund das α-Ketoglutarat oxidativ zu Succinat und CO 2 

decarboxyliert wird, 

wodurch auf folgende Reaktionsfolge geschlossen wurde: 

Citrat cis-Aconitat Isocitrat α-Ketoglutarat Succinat Fumarat 

Malat Oxalacetat 

Beweis des Cyclus durch Demonstration, daß Oxalacetat in Citrat überführt werden kann: 

1936 zeigte Martins und Knoop, daß Citrat aus Oxalacetat und Pyruvat zunächst 

nichtenzymatisch unter alkalischen Bedingungen und Einwirkung von Wasserstoffperoxid 

entstehen kann; 

Endgültiger Beweis das Citrat aus Oxalacetat und Pyruvat enzymatisch gebildet werden kann 

und es sich tatsächlich um einen Cylcus handelt erst durch die Entdeckung von Coenzym A 

(Kaplan und Lipmann 1945) bzw. von Acetyl-CoA durch Ochoa und Lynen (1951). 

Hans Krebs fand bereits 1932 den Harnstoff-Cyclus (Bildung von Harnstoff aus NH 3 und CO 2 )


Vorgelagerte Reaktion: Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA durch Pyruvat-Dehydrogenase 

Reaktion: 

energiereiche 

Bindung 

Coenzym A (CoASH oder CoA) besteht aus einer 

ß-Mercaptoethylamin-Gruppe; dem amidisch 

gebunden Vitamin Pantothensäure, einem über 

eine Pyrophosphatbrücke gebunden Adenosin-3’- 

phosphat; 

Die Acetylgruppe ist als Thioester an den Schwefel 

der ß-Mercaptoethylamin-Gruppe gebunden; 

CoA fungiert als Trägermolekül (Carrier) für Acetylund 

andere Acylgruppen (A in CoA steht für Acetylierung); 

Acetyl-CoA ist eine energiereiche Verbindung ( G°’ für 

die Hydrolyse der Esterbindung = -31,5 kJ mol -1 ; 

Reaktion ist etwas exergonischer als ATP-Hydrolyse )


Vorgelagerte Reaktion: Allgemeiner Aufbau der Pyruvat-Dehydrogenase aus Säugetieren: 

Pyruvat-Dehydrogenase ist ein Multienzymkomplex mit 3 katalytischen Aktivitäten: 

1. Pyruvat-Dehydrogenase (E 1 

) 

2. Dihydrolipoyl-Transacetylase (E 2 

) 

3. Dihydrolipoyl-Dehydrogenase (E 3 

) 

Das Rinderenzym ist ein 8400 kD-Komplex bestehend aus: 

30 E 1 

-α 2 

β 2 

Tetrameren 

6 E 2 

-Dimeren 

60 E 3 

-Monomeren 

Vorteil von Multienzymkomplexen: 

- Substrate/Intermediate bleiben am Enzym gebunden: Geschwindigkeitsgewinn; 

- Vermeidung von Nebenreaktionen insbesondere bei reaktiven Intermediaten; 

- Multienzymkomplexe erlauben eine koordinierte Kontrolle aller durch den Komplex 

katalysierter Reaktionen.


Vorgelagerte Reaktion: Mechanismus der Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA durch 

Pyruvat-Dehydrogenase 

Die Acetyl-CoA-Bildung umfaßt 5 Reaktionen: 

2. Übertragung des 

Acetylrestes auf 

Lipoamid (E 1 

) 

5. Reoxidation des FADH 2 

durch NAD + (E 3 

) 

4. Reoxidation des Dihydrolipoamids (E 3 

) 

1. Decarboxylierung 

von Pyruvat (E 1 

) 

3. Übertragung des Acetylrestes 

von Lipoamid auf CoA (E 2 

)


Vorgelagerte Reaktion: Coenzyme und prosthetische Gruppen der Pyruvat-Dehydrogenase:


Vorgelagerte Reaktion: Struktur von Thiaminpyrophosphat (TPP) und Liponsäure: 

Struktur von Thiaminpyrophosphat (TPP): 

Thiazoliumring bildet die katalytisch 

aktive funktionelle Gruppe zur Addition 

an Carbonylfunktionen 

reduziertes Dithiol 

Struktur von Lipoamid und Dihydrolipoamid kovalent 

über eine Amidbindung an die ε-NH 2 

-Funktion eines 

Lysinrestes gebunden)


Vorgelagerte Reaktion: Liponsäure fungiert als ‘Lipoylarm’ und befördert die Zwischenprodukte 

von einer Untereinheit des Pyruvat-Dehydrogenase- 

Multienzymkomplexes zur nächsten: 

‘Lipoylarm’ 

Lysinseitenkette 

des Enzyms 

Lipoyllysyl-Arm ist an E 2 

gebunden und fungiert wie 

eine Liane, an der das Disulfid mit seinem reduzierten 

acetylierten Reaktionsprodukt von E 1 

nach E 3 

schwingt; 

E 2 

-Untereinheit bei Säugetieren hat 60 solcher Lipoyl- 

Arme;


Vorgelagerte Reaktion: Rascher Austausch der Acetylgruppen aber auch Disulfidbrücken der 

Lipoyl-Arme untereinander: 

System mit hoher Dynamik und Flexibilität; 

Lipoyl-Arme schwingen auch gegeneinander; 

Jede E 1 

-Untereinheit kann daher zahlreiche E 2 

- 

Untereinheiten acetylieren, während jede E 3 

- 

Untereinheit mehrere Dihydrolipoamid-Gruppen 

reoxidieren kann.


Vorgelagerte Reaktion: Toxizität von Arsenverbindungen beruht auf der Maskierung des Lipoamids: 

As(III) wie Arsenit und organische 

Arsenverbindungen gehen kovalente 

Verbindungen mit den Sulfhydryl- 

Gruppen der Liponsäure ein und 

unterbrechen auf diese Weise die 

Atmung; 

Toxizität für Mikroorganismen 

allerdings höher als für den Menschen; 

Arsenverbindungen daher früher als 

‘Antibiotikum’ zur Behandlung 

von Syphilis eingesetzt (Problem: 

Nebenwirkungen…..)


Vorgelagerte Reaktion: ‘Native’ Kontrolle der Pyruvat-Dehydrogenase: 

Kontrolle des Enzyms außerordentlich bedeutsam: 

da die Decarboxylierung von Pyruvat durch E 1 

irreversibel verläuft; 

und bei Säugetieren Acetyl-CoA nur aus Pyruvat synthetisiert werden kann. 

Kontrolle des Enzyms durch: 

1. Produkthemmung durch NADH und Acetyl-CoA 

2. Kovalente Modifizierung durch Phosphorylierung/Dephosphorylierung der Pyruvat- 

Dehydrogenase-Untereinheit E 1


Reaktionsschritt 1: Kondensation von Acetyl-CoA und Oxalacetat zu Citrat durch Citrat-Synthase: 

Ablauf: 

geordnete sequenzielle Bindung von Oxalacetat und nachfolgend von Acetyl-CoA an die 

Citrat-Synthase; 

Bindung von Oxalacetat führt zur Konformationsänderung des Enzyms, die wiederum zur 

Ausbildung der Acetyl-CoA-Bindungsstelle führt (induced fit); 

die Citrat-Synthase-Reaktion läuft nach einer gemischten Aldol-Claisen-Esterkondensation 

in 3 Schritten ab:


Reaktionsschritt 1: Mechanismus der Kondensation von Acetyl-CoA und Oxalacetat zu Citrat 

durch Citrat-Synthase: 

1. Erzeugung des Carbanions des Acetyl-CoA vermittelt durch einen His-Rest des Enzyms, 

der als Base fungiert, wobei die Thioesterbindung zu CoA das carbanionische 

Zwischenprodukt stabilisiert; 

2. Nukleophiler Angriff des Acetyl-CoA-Carbanions an die Carbonylgruppe des Oxalacetats 

ausschließlich von der si-Seite des Carbonyl-C-Atoms von Oxalacetat - Stereospezifität 

(das Reaktionsprodukt Citryl-CoA bleibt Enzym-gebunden); 

3. Hydrolyse von Citryl-CoA zu Citrat und CoA (Hydrolyse ist stark exergonisch ( G 0 ’=-31,5 

kJ mol -1 ) und liefert die thermodynamische Triebkraft der Reaktion)


Reaktionsschritt 2: Isomerisierung von Citrat über cis-Aconitat zu Isocitrat durch Aconitase: 

Ablauf und Mechanismus: 

1.Schritt: 

Dehydratation von Citrat unter Bildung von cis-Aconitat als 

Zwischenprodukt 

Mechanismus: Protonabspaltung von C(2) des Citrats durch 

Enzymbase und anschließende trans-Eliminierung der OH- 

Gruppe am C(3); 

2. Schritt: 

Rehydratation der cis-Aconitat-Doppelbindung unter Bildung 

von Isocitrat 

Mechanismus: Anlagerung von H 2 

O erfolgt stereospezifisch durch 

trans-Addition von OH - und H + (nicht-enzymatische Addition 

würde 4 Stereoisomere liefern)


Reaktionsschritt 2: Fluoracetat (respektive Fluorcitrat) hemmt die Aconitase: 

Fluoracetat kommt in den Blättern einiger Pflanzen 

in Afrika, Australien und Südamerika vor; 

hochtoxisch (LD 50 bei Ratten: 0,2 mg pro kg 

Körpergewicht; LD…letale Dosis); 

Istselbstnichttoxischwirdaberin derZelle 

durch Acetat-Thiokinase in Fluoracetyl-CoA 

umgewandelt und nachfolgend durch Citrat- 

Synthase zu (2R,3R)-Fluorcitrat umgesetzt; 

(2R,3R)-Fluorcitrat hemmt schließlich spezifisch 

die Aconitase.


Reaktionsschritt 3: Oxidation von Isocitrat über Oxalsuccinat zu α-Ketoglutarat durch Isocitrat- 

Dehydrogenase: 

Ablauf: 

Oxidation der sekundären Alkoholfunktion von 

Isocitrat unter Bildung von Oxalsuccinat als 

Intermediat und Reduktion von NAD + zu NADH; 

Decarboxylierung der zum gebildeten Keton 

ß-ständigen Carboxylgruppe unter Bildung 

von CO 2 

und α-Ketoglutarat. 

Oxidation gefolgt von Decarboxylierung 

=oxidative Decarboxylierung 

(Oxalsuccinat-Zwischenproduktdissoziertnicht 

vom Enzym, daher in Klammern)


Reaktionsschritt 4: Oxidative Decarboxylierung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA durch α-Ketoglutarat-Dehydrogenase: 

Ablauf: 

Reaktion (und Enzymaufbau) sind ähnlich zur 

Pyruvat-Dehydrogenase-katalysierten Reaktion: 

Multienzym-Komplex: 

α-Ketoglutarat-Dehydrogenase (E1), 

Dihydrolipoyl-Transsuccinylase (E2), 

Dihydrolipoyl-Dehydrogenase (E3) 

Unterschiede zur Pyruvat-Dehydrogenase: 

nicht durch kovalente Modifizierung reguliert; 

statt Acetyl-CoA wird Succinyl-CoA gebildet


Reaktionsschritt 5: Überführung von Succinyl-CoA zu Succinat durch Succinyl-CoA-Synthetase: 

Beachte: Succinyl-CoA-Synthetase katalysiert die 

Hydrolyse von Succinyl-CoA zu Succinat unter 

Bildung von GTP; 

Enzymname können sich sowohl auf die Hinals 

auch Rückreaktion beziehen; im Fall der 

Succinyl-CoA-Synthetase ist die Rückreaktion 

namensgebend (=die Synthese von Succinyl- 

CoA aus Succinat)! 

Reaktion ist vollständig reversibel


Reaktionsschritt 5: Die Enthalpie der Succinyl-CoA Thioesterbindung wird durch aufeinanderfolgende 

Bildung mehrerer energiereicher Phosphate konserviert: 

Schritt 1: Succinyl-CoA reagiert mit P i zu Succinylphosphat und CoA: 

Schritt 2: Übertragung der Phosphorylgruppe des Succinylphosphats auf das N(3) eines 

Histidin-Restes des Enzyms unter Freisetzung von Succinat:


Reaktionsschritt 5: Die Enthalpie der Succinyl-CoA Thioesterbindung wird durch aufeinanderfolgende 

Bildung mehrerer energiereicher Phosphate konserviert: 

Schritt 3: Übertragung der Phosphorylgruppe vom N(3) des Histidins auf GDP unter 

Bildung von GTP: 

Konservierung der Freien Hydrolyseenthalpie des energiereichen Succinyl-CoA Thioesters 

über Succinylphosphat, einen 3-Phosphohistin-Rest und schließlich im GTP


Reaktionsschritt 6: Dehydrierung von Succinat zu Fumarat durch Succinat-Dehydrogenase: 

Charakteristika: 

Stereospezifische Oxidation der zentralen Einfachbindung 

des Succinats zu einer trans-Doppelbindung unter Bildung 

von Fumarat und FADH 2 

aus FAD; 

Ungewöhnlich ist, daß das FAD kovalent an einen His-Rest 

des Enyzms gebunden ist (üblich ist eine nicht-kovalente 

Bindung dieses Coenzyms); 

Gebildetes FADH 2 

(anders als NADH) kann daher nicht als 

Metabolit fungieren; Reoxidation des FADH 2 

erfolgt daher 

über Elektronentransportkette (Ursache dafür, daß das 

Enzym als einziges Enzym des Citronensäure-Cyclus 

membranständig ist; alle anderen sind in der Matrix der 

Mitochondrien gelöst); 

Malonat als Strukturanalogon ist ein starker kompetitiver 

Inhibitor des Enzyms. 

Beachte: FAD zur Oxidation von Alkanen zu Alkenen; 

NAD + zur Oxidation von Alkoholen zu Aldehyden 

oder Ketonen


Reaktionsschritt 7: Hydratation von Fumarat zu Malat durch Fumarase: 


Addition von OH - an C(2) Atom des Fumarats und Bildung 

eines an C(3) negativ geladenen Carbanion-Übergangszustandes; 

Protonierung an C(3) und Bildung des L-Malats 

(geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Reaktion).


Reaktionsschritt 8: Oxidation der sekundären OH-Gruppe des Malats zum Keton unter Rückbildung 

von Oxalacetat durch Malat-Dehydrogenase: 


Abspaltung des Hydrid-Ions von der Alkoholfunktion 

des Malats und Übertragung auf NAD + unter Bildung 

von NADH; 

Deprotonierung am C(2) und Bildung von NADH +H + . 

Beachte: 

Konzentration des gebildeten Oxalacetats im Gleichgewicht 

ist sehr niedrig ( G°’=+29,7 kJ mol -1 ), 

Nachfolgende Reaktion (Citrat-Synthase-Reaktion und 

1. Reaktion des Citronensäure-Cyclus) ist jedoch stark 

exergonisch ( G°’=-31,5 kJ mol -1 ) 

Diese Kopplung macht es möglich, daß der Cyclus 

auch bei sehr niedrigen Oxalacetat-Konzentrationen 

überhaupt abläuft!


Energetische Bilanz des Citronensäure-Cyclus 

Cyclus: 

1. Eine Acetylgruppe wird formal in einem 4-Elektronenpaar-Prozeß netto zu zwei 

Molekülen CO 2 

oxidiert (C-Atome stammen jedoch vom Oxalacetat, nicht vom 

eingespeisten Acetyl-CoA; 

2. Drei Moleküle NAD + werden zu NADH reduziert, womit drei der Elektronenpaare 

konserviert sind; 

3. Ein Molekül FAD wird zu FADH 2 

reduziert, wodurch auch das vierte Elektronenpaar 

konserviert wird; 

4. Erzeugung einer ‘energiereichen’ Phosphatgruppe in Form von GTP. 

Weiterleitung der 4 Elektronenpaare an die Elektronentransportkette, wo sie zwei 

Moleküle O 2 zu Wasser reduzieren. 

Pro NADH werden über die oxidative Phosphorylierung drei Moleküle ATP gebildet; 

Elektronenpaar des FADH 2 führt zur Bildung zweier weiterer Moleküle ATP. 

Gesamtenergie-Bilanz: 12 ATP pro Cyclus


Regulation des Citronensäure-Cyclus 

Cyclus: 

Erinnerung: Regulatorische Enzyme sind solche, die weit vom Gleichgewicht entfernt arbeiten 

und die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte des Stoffwechselweges darstellen. 

Citrat-Synthase, Isocitrat-Dehydrogenase und 

α-Ketoglutarat-Dehydrogenase arbeiten weit 

vom Gleichgewicht entfernt und sind die 

‘Schrittmacher-Enzyme’ des Citronensäure- 

Cyclus. 

Unter Beachtung der physiologischen 

Konzentration der Substrate und Produkte


Schema der Regulation des Citronensäure-Cyclus 

Cyclus über die ‘Schrittmacher-Enzyme‘:


Regulation der ‘Schrittmacher-Enzyme‘; 

Physiologisch essentiell, um die NADH-Produktion auf den Energieverbrauch abzustimmen; 

Regulation erfolgt weniger komplex als bei der Glycolyse und beruht auf 3 einfachen und 

direkten Kontrollsystemen: 

1. Substratverfügbarkeit 

2. Produkthemmung 

3. kompetitive Rückkopplungshemmung durch später im Cyclus auftretende Intermediate 

Die wichtigsten Regulatoren sind die Ausgangssubstrate Acetyl-CoA und Oxalacetat sowie das 

Produkt des Cyclus NADH; 

Acetyl-CoA und Oxalacetat liegen in Konzentrationen vor, die die Citrat-Synthase nicht 

sättigen (Citrat-Synthase steht daher unter direkter Kontrolle der Substratverfügbarkeit); 

Erhöhung der Konzentration beider Substrate führt daher zur Erhöhung des 

Stoffwechselflusses durch den Cyclus; 

NADH als direktes Produkt und ATP als indirektes Produkt hemmen die Schrittmacher-Enzyme.


Amphibole Natur des Citronensäure-Cyclus 

Cyclus: 

Metabolite des Citronensäure-Cyclus dienen auch als Ausgangsverbindungen für die Biosynthese 

(Anabolismus); verbrauchte Metabolite müssen im Gegenzug durch andere Biosynthesewege 

aufgefüllt werden (=anaplerotische Reaktionen):

Stoffwechsel: Oxidative Phosphorylierung 

Oxidative Phosphorylierung: Prozeß der Oxidation der durch Nährstoffoxidation (Glycolyse 

und Citronensäure-Cyclus) gebildeten NADH und FADH 2 

unter gleichzeitiger Bildung von ATP. 

Die Oxidation erfolgt nicht direkt, sondern durch Übertragung der Elektronen auf eine 

Elektronentransportkette (Atmungskette); 

Elektronentransportkette umfaßt eine Vielzahl von Oxidations-Reduktions-Schritten an mehr als 

10 Redoxzentren bevor sie O 2 

zu H 2 

O reduzieren; 

Die dabei freiwerdende Freie Enthalpie wird in einem Protonengradienten (pH-Gradienten) 

konserviert und schließlich zur Bildung von ATP aus ADP und P i durch oxidative Phosphorylierung 

genutzt; 

Pro vollständig zu CO 2 

und H 2 

O oxidiertem Glucosemolekül werden insgesamt 38 ATP gebildet; 

Sowohl Elektronentransport als auch oxidative Phosporylierung laufen in den Mitochondrien ab 

(‘Kraftwerke’ der Zelle).


Mitochondrien: 

Zellorganellen bei Eukaryonten mit 

vermutlich prokaryontischem 

(bakteriellem) Ursprung: 

Abb.: 

Stammbaum mit den Abstammungslinien 

des zellulären Lebens auf der Erde


Aufbau des Mitochondriums: 

Typischerweise ellipsoid mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1 µm (entspricht Bakteriengröße) 

(Größe und Form ist allerdings von Herkunft und Stoffwechselzustand abhängig und kann erheblich variieren) 

Abgeschlossen durch ein glatte äußere Membran; 

Stark eingefaltete innere Membran (Einbuchtungen werden als Cristae bezeichnet, Fläche im 

Durchschnitt ca. 15 mal größer als die der äußeren glatten Memran); 

Innere Memran enthält die Enzyme für den Elektronentransport und die oxidative 

Phosphorylierung; 

Inneres Kompartiment wird als Matrix bezeichnet (gelartig mit


Die innere Membran des Mitochondriums: 

Protein-reich (ca. 75 Gew.-% Protein); 

Enthält neben den Proteinen für den Elektronentransport und die oxidative Phosphorylierung 

auch zahlreiche Proteine die den Durchtritt von Metaboliten wie ATP, ADP, Pyruvat und Phosphat 

kontrollieren (als Partikel in elektronenmikroskopischen Aufnahmen sichtbar):


Die innere Membran des Mitochondriums: 

Frei permeable lediglich für O 2 

, CO 2 

und H 2 

O; 

Diese kontrollierte Impermeabilität der inneren Membran für die meisten Ionen, Metaboliten und 

Verbindungen mit niedriger Molekülmasse führt zur Kompartimentierung der Stoffwechselfunktionen 

in Cytosol und Mitochondrien. 

Gleichzeitig können Ionengradienten über diese Barriere erzeugt werden. 

Mitochondrien besitzen komplexes Transportsystem für den spezifischen Transport der meisten 

hydrophilen Substanzen, z.B.: 

ATP wird in den Mitochondrien aus ADP und P i erzeugt aber im Cytosol verwertet; 

Das im Cytosol gebildete P i wird über einen P i /H + -Symport (angetrieben durch einen 

pH-Gradienten wieder ins Mitochondrium transportiert. 

Transport des durch die Glycolyse gebildeten NADH erfolgt durch Shuttle-Systeme, wobei 

lediglich die Elektronen des cytosolisch gebildeten NADH durch die innere Membran ins 

Mitochondrium transportiert werden: 

Glycerinphosphat-Shuttle 

Malat-Aspartat-Shuttle


Der Glycerinphosphat-Shuttle: 

Transport der Elektronen cytosolisch gebildeten NADH ins Mitochondrium (im Flugmuskel von 

Insekten, dem Gewebe mit der größten bekannten Dauerleistung): 

1. Oxidation des cytosolischen NADH durch 3- 

Phosphoglycerin-Dehydrogenase unter Bildung 

von 3-Phosphoglycerin aus 

Dihydroxyacetonphosphat 

2. Oxidation des gebildeten 3-Phosphoclycerins 

durch Flavoprotein-Dehydrogenase unter 

Bildung von FADH 2 (Enzym befindet auf der 

Außenseite der inneren Mitochondrienmembran 

und überträgt die Elektronen schließlich auf die 

Elektronentransportkette unter Reoxidation von 

FADH 2 und Bildung von FAD)


Der Malat-Aspartat 

Aspartat-Shuttle: 

Bei Säugetieren; energieeffizienter 

da nicht FADH 2 

sondern NADH als Produkt 

des Transports gebildet wird; allerdings komplexer: 

Prozeß verläuft in 2 Stufen zu je 

3 Reaktionen: 

Stufe A 

(Transport der Elektronen in die Matrix) 

1. Reoxidation des NADH mittels Oxalacetat 

durch Malat-Dehydrogenase; 

2. Transport des gebildeten Malats ins 

Mitochondrium im Austausch gegen 

α-Ketoglutarat durch Malat/α-Ketoglutarat 

Carrier; 

3. Regenerierung von NADH durch mitochondriale 

Malat-Dehydrogenase; 

Stufe B 

(Regeneration v. Oxalacetat im Cytosol) 

1. Transaminierung des gebildeten Oxalacetats 

zu Aspartat mit Glutamat 

unter Bildung von α-Ketoglutarat 

durch Aspartat-Aminotransferase 

2. Transport von Aspartat ins Cytosol im 

Austausch mit Glutamat durch Glutamat/Aspartat-Carrier; 

3. Transaminierung von Aspartat zu 

Oxalacetat mit α-Ketoglutarat unter 

Bildung von Glutamat durch cytosolische 

Aspartat-Aminotransferase


Die Elektronentransportkette: 

…die Übertragung der Elektronen von NADH und FADH 2 

auf O 2 

unter ATP-Synthese: 

Thermodynamik des Elektronentransports: 

Die Oxidation von 1 mol NADH durch Sauerstoff (Übertragung von 2 Elektronen) liefert unter biochemischen 

Standardbedingungen eine Freie Enthalpie von 218 kJ mol -1 

Thermodynamischer Wirkungsgrad der oxidativen Phosphorylierung: 

Synthese von 1 mol ATP aus ADP und P i benötigt eine Freie Standardenthalpie von 30,5 kJ mol -1 ; 

Aus 1 mol NADH werden 3 mol ATP erzeugt (3 x 30,5 kJ mol -1 x 100/218 kJ mol -1 =42%); 

Da die physiologischen Bedingungen von den biochemischen Standardbedingungen abweichen 

(Konzentration der Reaktanden/Produkte, pH-Wert etc.) liegt der tatsächliche Wirkungsgrad bei 

ca. 70%.


Reaktionsfolge beim Elektronentransport: 

Energieübertragung der Oxidation von NADH durch O 2 erfolgt nicht direkt, sondern in drei 

‘kleineren Portionen’ vermittelt durch drei Proteinkomplexe mit zunehmend größerer 

Elektronenaffinität (=zunehmendem Standardreduktionspotential). 

Jeder Einzelschritt ist über die oxidative Phosphorylierung an die Synthese von ATP gekoppelt. 

Standardreduktionspotential


Aufklärung der Reaktionsfolge: 

Abfolge der einzelnen Reaktionen wurde mithilfe von Inhibitoren aufgeklärt; 

Analyse einer funktionierenden Elektronentransportkette durch O 2 

-Verbrauch mithilfe von 

Sauerstoffelektroden messbar; 

Spezifische Inhibitoren erlauben den Weg der Elektronen zu verfolgen und festzustellen, 

wo die Elektronen von verschiedenen Substraten in die Elektronentransportkette eingespeist 

wurden. Besonders nützliche Inhibitoren dabei waren: Rotenon (pflanzliches Insektizid), Amytal 

(Barbiturat), Antimycin A (Antibiotikum) und Cyanid:


Komponenten der Elektronentransportkette: 

Komponenten (Komplexe I-IV) bestehen aus verschiedenen Proteinkomponenten die 

mit unterschiedlichen redoxaktiven prosthetischen Gruppen assoziert sind; 

Komplexe ‘schwimmen’ in der inneren Mitochondrienmembran und liegen nicht in 

äquimolaren Konzentrationen vor; 

Komplexe bilden keine stabilen übergeordneten Strukturen.


Mitochondriale Elektronentransportkette: 

Weg der Elektronenübertragung (schwarz) und des Protonenpumpvorgangs (rot). 

Die Elektronen werden durch das membranlösliche CoQ von Komplex I auf Komplex III und 

durch das periphere Membranprotein Cytochrom c von Komplex III auf IV:


Komplex I: 

NADH-Coenzym-Q-Reduktase leitet die Elektronen von NADH an Coenzym Q weiter. 

Coenzym Q (CoQ) oder auch Ubichinon (wegen seines ubiquitären Vorkommens) ist ein 2,3- 

Dimethoxy-5-methylbenzochinon, das eine aus Dihydroisopreneinheiten aufgebaute, isoprenoide 

Seitenkette trägt. 

Aufgrund der unterschiedlichen Länge der isoprenoiden Seitenkette bzw. der verschiedenen 

Anzahl der Dihydroisopreneinheiten unterscheidet man: U.-30 (U.-6), U.-35 (U.-7), U.-40 (U.-8), 

U.-45 (U.-9) und U.-50 (U.-10). 

U.-50 z.B. hat eine isoprenoide Seitenkette aus 50 C-Atomen bzw. 10 Dihydroisoprenresten und 

wird auch als Coenzym Q10, UQ-50, UQ10, Q-10 oder CoQ10 bezeichnet:


Komplex I: 

NADH-Coenzym-Q-Reduktase: 

mit ca. 850 kD vermutlich die größte Proteinkomponente der inneren Mitochondrien-Membran; 

enthält ein Molekül Flavinmononukleotid (FMN) als redoxaktive prosthetische Gruppe und 

zusätzlich 6-7 Eisen-Schwefel-Cluster neben CoQ als Coenzym: 

Flavinmononukleotid (FMN): 

FMN ist ein Riboflavin-5‘-phosphat


FMN und CoQ können in 3 Oxidationsstufen auftreten (da ihre Semichinon-Formen stabil sind), 

wodurch sie wahlweise sowohl 1 als auch 2 Elektronen aufnehmen oder abgeben können. 

NADH kann nur eine Zweielektronenübertragung 

eingehen. 

Im Gegensatz dazu sind die Cytochrome 

von Komplex III (an die die Elektronen 

übertragen werden) nur zur Einelektronenreduktion 

fähig. 

FMN und CoQ bilden somit die Schaltstelle 

zur Elektronenweitergabe von NADH (2 e - 

Donor) auf die Cytochrome (1 e - Akzeptor) 

Abb.: 

Oxidationsstufen von FMN (a) und CoQ 

(b). Beide Coenzyme bilden stabile freie 

Semichinonradikale.


Eisen-Schwefel-Cluster oder Eisen-Schwefel-Zentren (Formel: nFe-mS]) kommen bei 

sog. Nichthäm-Eisen-Proteinen als prosthetische Gruppe vor; 

die häufigsten Eisen-Schwefel-Cluster sind [2Fe-2S] und [4Fe-4S]: 

Beide bestehen aus der gleiche Anzahl von Eisen- und Schwefelatomen, die jeweils über vier 

Cystein-Sulfhydrylgruppen koordiniert sind; 

Fe-Atome selbst sind jeweils von vier S-Atomen koordiniert; 

Oxidierter und reduzierter Zustand unterscheiden sich bei allen Eisen-Schwefel-Clustern 

unabhängig von der Anzahl der Fe-Atomen durch nur eine Formalladung, da die Fe-Atome 

in jedem Cluster ein konjugiertes System bilden und daher Oxidationsstufen zwischen den 

für einzelne Fe-Atome möglichen Werten +2 und +3 aufweisen können. 

Anordnung von Fe-S-Clustern 

in einem Nichthäm-Eisen-Protein 

(bakterielles Ferredoxin)


Komplex II: 

Succinat-Coenzym-Q-Reduktase: 

besteht aus dem dimeren Enzym des Citronensäure-Cyclus Succinat-Dehydrogenase und 3 

weiterer kleinerer hydrophober Untereinheiten; 

leitet die Elektronen vom Succinat an CoQ weiter unter Beteiligung eines kovalent gebundenen 

FAD, ein [4Fe-4S]-Cluster, 2 [2Fe-2S]-Cluster und ein Cytochrom b 560 

; 

Standardelektronenpotential für die Elektronenübertragung von Succinat auf CoQ zu niedrig für 

die Synthese von ATP; 

Bedeutung des Komplexes besteht darin, diesen Elektronen des Citronensäure-Cyclus dennoch 

den Eintritt in die Elektronentransportkette zu ermöglichen.


Komplex III: 

Coenzym-Q-Cytochrom-c-Reduktase: 

leitet die Elektronen von reduziertem CoQ an Cytochrom c weiter; 

Komplex III enthält 2 b-Typ-Cytochrome, 1 Cytochrom c 1 

und 1 [2Fe-2S]-Cluster. 

Cytochrome: 

=Redoxaktive Proteine, die bei allen Organismen (mit Ausnahme einiger obligater Anaerobier) 

vorkommen (Funktionsaufklärung 1925 durch David Keilin); 

Cytochrome enthalten Häm-Gruppen, deren Fe während des Elektronentransports reversibel 

zwischen Fe(II) und Fe(III) hin- und herwechseln; 

Häm-Gruppen der reduzierten Fe(II)-Cytochrome weisen im sichtbaren Bereich typische 

Absorbtionsspektren auf, die aus 3 Peaks bestehen: α, β und γ-(Soret-)Banden:


Absorptionsspektren von Cytochromen im sichtbaren Bereich: 

Peakmuster und insbesondere die Wellenlänge des α-Paeks der reduzierten Cytochrome wird zur Unterscheidung 

der verschiedenen Cytochrom-Typen und Untertypen herangezogen (α-Peak fehlt in der oxidierten 

Form); 

z.B. Cytochrom b 560 : Cytochrom vom b-Typ mit einem Absorptionsmaximum des α-Peaks bei 560 nm 

(Individuelle Absorptionsmaxima der Cytochrom-Typen hängen von individueller Häm-Umgebung ab)


Cytochrom-Typen enthalten unterschiedlich substituierte Porphyrinring-Systeme: 

Chemische Strukturen der Häm- 

Gruppen: 

Cytochrome vom a-Typ besitzen einen langen 

hydrophoben Schwanz aus Polyisopren, 

der an das Protein gebunden 

ist; 

Cytochrome vom b-Typ enthalten 

Protoporphyrin IX (wie das Hb) 

Cytochrome vom c-Typ bilden 

Thioetherbrücken zu Cys-Sulfhydryl-Gruppen 

des Proteins. 

Axiale Liganden der Häm-Gruppen: 

Bei Cytochromen a und b sind beide Liganden 

Histidin-Reste; 

bei Cytochrom c liegt ein Histidin und 

ein Methionin vor. 

Abb.: 

(a) Chemische Strukturen und (b) axiale 

Liganden der Häm-Gruppen in den Cytochromen 

a, b und c.


Postulierte Struktur von Cytochrom b:


Mechanismus der Elektronenübetragung von Cytochromen: 

Reduzierte Häm-Gruppen sind hochreaktive Einheiten, die Elektronen mit physiologisch 

signifikanter Geschwindigkeit über Entfernungen von 1 bis 2 mm übertragen können; 

Somit haben Cytochrome in gewissem Sinn die umgekehrte Funktion wie Enzyme: 

Anstatt unreaktive Substrate zu einer Reaktion zu bringen, hindern sie ihre Häm-Gruppen daran, 

Elektronen unspezifisch auf andere Zellbestandteile zu übertragen; 

Abschirmung erfolgt durch Einbettung ins umgebende Protein; 

Einbettung setzt aber andererseits auch Mechanismen zur Übertragung der Elektronen auf die 

spezifischen Partner voraus (ein Modell hierfür existiert bislang nur für einfacherer Cytochrome 

wie z.B. für Cytochrom c):


Struktur von Cytochrom c: 

peripheres Membranprotein mit bekannter Kristallstruktur; 

locker an die äußere Öberfläche der inneren Mitochondrienmembran gebunden; 

bindet abwechselnd an Cytochrom c 1 

von Komplex III und an Cytochrom-c-Oxidase von Komplex 

IV und fungiert auf diese Weise als Elektronen-Shuttle zwischen beiden Komplexen:


Bedeutung der Lys-Reste des Cytochroms c für die spezifische Elektronenübertragung: 

Lys-Reste bilden einen Ring um die vollständig im Protein versenkte Häm-Gruppe 

(aufgeklärt durch chemische Modifizierung des Komplexes aus Cytochrom c (e - Donor) und Cytochrom c 1 (e - 

Akzeptor) mittels Acetanhydrid; Cytochrom c 1 schirmt diese Lys-Reste vollständig ab – keine Acetylierung); 

Spezifische Bindung des e - Akzeptors erfolgt durch einen komplementären Ring aus negativen 

Ladungen (Asparaginsäure- oder Glutaminsäure-Reste); 

Phenylalanin 

Häm-Gruppe 

e - Donor 

Histidin 

‘e - Fluß’ 

Ladungskomplementarität ermöglicht parallele 

Annäherung der Häm-Gruppen von Donor und 

Akzeptor bis auf 1,8 nm, wobei zwischen 

beiden Ringen (und ebenfalls parallel dazu) 

zwei weitere konjugierte Ringsysteme 

(Histidin- und Phenylalanin-Rest des Enzyms) 

als Elektronenleitung’ fungieren. 

Häm-Gruppe 

e - Akzeptor 

Abb.: 

Postulierte Elektronenleitung im Cytochrom c


Komplex IV: 

Cytochrom-c-Oxidase 

katalysiert nacheinander die Ein-Elektronenoxidationen von vier reduzierten Cytochrom-c- 

Molekülen unter gleichzeitiger Vierelektronenreduktion eines O 2 

-Moleküls: 

4 Cytochrom c 2+ + 4 H + + O 2 

4 Cytochrom c 3+ + 2 H 2 

O 

Transmembranprotein mit transmembranalen Helices (ähnlich Cytochrom b) von ca. 200 kDa 

bestehend aus 6 bis 13 Untereinheiten (bei Säugetieren); 

Untereinheiten I und II enthalten 4 redoxaktive Zentren: 2 Häm-Gruppen vom a-Typ (a und a 3 

) 

und 2 Kupferatome (Cu A 

und Cu B 

), die zwischen den Oxidationsstufen +1 und +2 hin- und 

herwechseln; 

negativ geladener Ring aus Asparaginsäure- und Glutaminsäure-Resten (Bindungsstelle zum 

e - Donor Cytochrom c) auf der Untereinheit II um Cu A 

Atom.


Struktur von Cytochrom-c-Oxidase 

(Komplex IV): 

untersucht mittels Elektronenmikroskopie; 

zeigt eine charakteristische Y-Form; 

Anordnungen der Untereinheiten zueinander 

wurde aus der Bindung spezifischer Antikörper 

und Ergebnissen von Vernetzungsuntersuchungen 

abgeleitet:


Der Elektronenfluß von Cytochrom c durch die 4 redoxaktiven Zentren der Cytochrom-c-Oxidase 

zum O 2 

: 

Häm a und Cu A 

haben ein niedriges Standard- 

Reduktionspotential; 

Häm a 3 und Cu B haben ein höheres Potential: 

Mechanismus: 

O 2 bindet an den zweikernigen Cytochrom-a 3 - 

Cu B 

-Komplex, indem es Fe(II)a 3 

und Cu(I) B 

zum 

Komplex [Fe(II)-O-O-Cu(I)] verbrückt; 

Reduktion von O 2 

und H 2 

O Bildung durch schrittweise 

Übertragung von 4 e - und Aufnahme von 4 

Protonen. Dauer der Gesamtreaktion ca. 1 ms.


Oxidative Phosphorylierung koppelt freigesetzte Freie Enthalpie des Elektronentransports an den 

endergonen Prozeß der ATP-Synthese ( (‘Energiekopplung‘): 

Historisch wurden zum Prozeß der Energiekopplung zahlreiche Hypothesen aufgestellt: 

1) Hypothese der chemischen Kopplung: (ähnlich Glycolyse vermittelt durch ‘energiereiche‘ 

Intermediate wie 1,3-Bisphosphoglycerat, dessen Phosporylgruppe durch Übertragung 

auf ADP zur Synthese von ATP genutzt wird – Substratkettenphosphorylierung) 

trotz intensiver Suche waren jedoch keine reaktiven Metabolite identifizierbar 

2) Hypothese der Kopplung über Konformationsänderungen: Elektronentransport 

führt zur Bildung ‘energiereicher‘ Konformationen der Elektronentransport-Proteine, deren 

Relaxation die Synthese von ATP antreibt 

kaum stützende experimentelle Befunde 

3) Chemiosmotische Hypothese: Konservierung der Freien Enthalpie des Elektronentransports 

durch Erzeugung eines pH-Gradienten/elektrochemischen Potentials (aktiver 

Transport von H + aus den Mitochondrien in den Intermembranraum) 

Hypothese die am besten mit den experimentellen Befunden korreliert


Befunde die die chemiosmotische Hypothese stützen: 

1) Oxidative Phosphorylierung bedarf einer intakten inneren Mitochondrienmembran; 

2) die innere Mitochondrienmembran ist für Ionen wie H + , OH - , K + und Cl - (deren freie 

Diffussion einen elektrochemischen Gradienten entladen würden) undurchlässig; 

3) der Elektronentransport führt zu einem Transport von H + aus den Mitochondrien, wodurch 

sich ein (meßbarer) elektrochemischer Gradient über die innere Membran aufbaut; 

4) Verbindungen, die die Permeabilität der inneren Membran für Protonen erhöhen (und auf 

diese Weise den Gradienten abbauen), lassen einen Elektronentransport zu, hemmen aber die 

ATP-Synthese, d.h. sie ‘entkoppeln’ Elektronentransport und oxidative Phosphorylierung; 

5) umgekehrt stimuliert eine Erhöhung der Acidität außerhalb der inneren Mitochondrienmembran 

die ATP-Synthese.


Erzeugung des Protonengradienten: 

Protonentransport erfolgt gegen einen elektrochemischen Gradienten von einem Bereich 

niedriger H + -Konzentration (Matrix) zu einem Bereich hoher H + -Konzentration (Intermembranraum) 

und somit von einem Bereich mit negativem elektrostatischen Potential zu einem Bereich 

mit hohem elektrostatischen Potential; 

pH-Wertunterschied zwischen Matrix und Intermembranraum beträgt 0,75 Einheiten 

Die im resultierenden elektrochemischen Gradienten konservierte Freie Enthalpie wird als 

protonenmotorische Kraft bezeichnet; 

Unter physiologischen Bedingungen beträgt G für den Protonentransport 21,5 kJ mol -1 ; 

Die physiologische Freie Enthalphie zur Synthese eines ATP-Moleküls beträgt zw. 40–50 kJ mol -1 ; 

somit sind zw. 2 und 3 Protonen zur Synthese eines ATP-Moleküls nötig 

(Messung schwierig, durch die Tendenz der Protonen ‘zurüchzusickern’)


Mechanismus des Protonentransports: 

Mechanismus im Detail noch ungeklärt; 

Zwei Mechanismen vorgeschlagen: Redoxschleifen-Mechanismus und Protonen-Pump- 

Mechanismus 

Redoxschleifen-Mechanismus: 

Komplexe nehmen nicht nur Elektronen auf, sondern gleichzeitig auch Protonen; 

Protonen werden auf der Außenseite wieder abgegeben, während die Elektronen weiter 

übertragen werden: 

Problem: 

Defizit an Carriern die sowohl 

e - als auch H + transportieren, 

da nur 2 Redox-Carrier (FMN 

und CoQ) H + transportieren 

können (3 aber für ATP- 

Synthese erforderlich!). 

‘X’ als hypothetischen Carrier 

postuliert (zweimalige Beteiligung 

von CoQ im ‘Q-Cyclus’)


Der Protonen-Pump 

Pump-Mechanismus: 

Übertragung der Elektronen führt zur Konformationsänderung der Komplexe, wobei diese 

Konformationsänderung mit einer Änderung der pK-Werte und der Lage von Aminosäure- 

Seitenketten einhergeht (ähnlich dem Bohr-Effekt im Hämoglobin); 

Redox-Zentren selbst wären bei diesem Mechanismus nicht direkt am H + -Transport beteiligt; 

Funktionsweise der Protonen-Pumpe: 

1) Bindung von n Protonen an den Komplex 

auf der Matrix-Seite; 

2) Reduktion des beladenen Komplexes bewirkt 

Konformationsänderung im Komplex; 

3) Konformationsänderung bewirkt Verringerung 

des pK-Wertes der H + -tragenden 

Gruppe und deren Translokation zur Außenseite 

der Membran; 

4) Abdissoziation der Protonen in den Intermembranraum 

5) Reoxidation des Komplexes durch e - - 

Weiterleitung


Der Protonen-Pump 

Pump-Mechanismus: 

Protonen-Pump-Mechanismus beim Bacteriorhodopsin von Halobacter halobium 

nachgewiesen: Freie Enthalpie zum Pumpen von Protonen durch Absorption von Licht 

Protonen-Pump-Mechanismus: 

1) Im Ruhezustand ist die prosthetische Gruppe 

Retinal (R) protoniert und zeigt zur Matrix; 

Lichtabsorption führt zur Konformationsänderung 

von R zu R* - R*H + zeigt jetzt zur 

Außenseite; 

2) Konformationsänderung senkt den pK-Wert 

von R* gegenüber R, wodurch H + auf der 

Außenseite der Membran von R* abdissoziert; 

3) Relaxation der Pumpe in den Ausgangszustand; 

4) Relaxation ist von einer pK-Wert-Erhöhung begleitet, 

die zur erneuten Protonierung von R 

auf der Innenseite führt.


Mechanismus der ATP-Synthese: 

ATP-Synthese aus dem elektrochemischen Protonengradienten erfolgt durch die ‘protonenpumpende 

ATP-Synthase‘ (auch ‘F 0 F 1 -ATPase‘ genannt); 

Aufbau der F 0 F 1 -ATPase: 

- ist das Enzym mit der kompliziertesten Struktur 

in der inneren Mitochondrienmembran; 

- besteht aus zwei größeren funktionellen 

Einheiten und mehreren kleineren 

Unterheinheiten. 

DCCD…Dicyclohexylcarbodiimid (Carboxyreagenz das 

einen Glu/Asp-Rest der F 0 -Untereinheit modifiziert und 

hemmt) 

OSCP…oligomycin-sensitivity-conferring protein 

(Oligomycin ist ein von Streptomyces produziertes 

Antibiotikum, daß die ATPase hemmt)



- in mikroskopischen Aufnahmen von ‘Lollipop-ähnlicher‘ Gestalt; 

zur ATP-Synthese 

befähigt



- isolierte F 0 F 1 -ATPase ist von hantelförmiger Gestalt:


Mechanismus der ATP-Synthese durch F 0 F 1 -ATPase: 

Mechanismus der ATP-Synthese kann in 3 Phasen unterteilt werden: 

1) Protonentranslokation durch F 0 

2) durch F 1 

katalysierte Bildung der ATP-Phospoanhydridbindung 

3) Kopplung der Dissipation des Protonengradienten mit der ATP-Synthese, wofür eine 

Wechselwirkung zwischen F 1 

und F 0 

erforderlich ist 

Reaktionen der ATP-Synthese gehen von 3 Zuständen der F 1 

-Untereinheit aus: 

L-Zustand, Substrate und Produkte sind lose gebunden; 

T-Zustand, Substrate und Produkte sind fest gebunden; 

O-Zustand, Substrate und Produkte sind nicht gebunden (offener Zustand) 

Die Reaktion der ATP-Synthese selbst erfolgt in 3 Schritten: 

1) Bindung von ADP und P i an die ‘lose‘ (L-) Bindungsstelle; 

2) energieabhängige Umwandlung der L-Form in die T-Form unter Bildung von ATP getrieben 

durch die gleichzeitige Protonentranslokation und Abbau des elektrochemischen Gradienten 

und Umwandlung der ATP-haltigen T-Stelle in eine ‘offene‘ (O-) Stelle und der O-Stelle in 

eine L-Stelle; 

3) Synthese von ATP an der T-Stelle, während das ATP von der O-Stelle abdissoziiert.


Mechanismus der ATP-Synthese durch F 0 F 1 -ATPase: 

ATP-Synthese ist dabei fest an den Elektronentransport (und damit an die Oxidation von 

NADH und FADH 2 durch O 2 

) gekoppelt; 

Wegen der impermeablen Mitochondrienmembran können die Protonen nur durch den F 0 

-Teil 

der F 0 F 1 -ATPase wieder in die Matrix zurückkehren; 

Im Ruhezustand wird der elektrochemische Gradient so lange aufgebaut, bis er das weitere 

Pumpen von Protonen verhindert und somit auch den Elektronentransport hemmt.


‘Entkopplung‘ der oxidativen Phosphorylierung: 

Viele Verbindungen, wie z.B. 2,4-Dinitrophenol (DNP) oder Carbonylcyanid-p-trifluormethoxyphenylhydrazon 

(FCCP), ‘entkoppeln‘ den e - -Transport von der oxidativen Phosphorylierung; 

DNP und FCCP sind Verbindungen, die Permeabilität der Mitochondrienmembran für H + erhöht: 

DNP/FCCP sind schwache Säuren deren Lipophilie ihre Permeation durch Membranen begünstigt; 

nehmen auf der sauren Seite der Membran H + auf, diffundieren durch die Memran und geben 

die H + auf der alkalischen Seite wieder ab, wodurch der elektrochemische Gradient abgebaut 

wird (DNP als ‘Diätpille‘…); 

derartige Enkoppler werden als Ionophore bezeichnet.


Hormon-kontrollierte 

‘Entkopplung‘ der oxidativen Phosphorylierung: 

kommt im braunen Fettgewebe vor; 

die physiologische Funktion des braunen Fettgewebes ist die Wärmeerzeugung (unterscheidet 

sich von typischem weißen Fettgewebe dadurch, daß es neben großen Mengen an Triglyceriden 

auch zahlreiche Mitochondrien enthält - Braunfärbung); 

Winterschlafende Tiere und neugeborene Säugetiere ohne Fell (z.B. Mensch) besitzen im Halsund 

oberen Rückenbereich braunes Fettgewebe das zur Thermogenese ohne Muskelzittern 

(‘biologisches Heizkissen‘) dient; (ATP-Hydrolyse während der Muskelkontraktion des Zitterns 

produziert ebenfalls Wärme); 

Wärmeerzeugung im braunen Fettgewebe erfolgt durch eine regulierte Entkopplung der 

oxidativen Phosphorylierung; 

Entkopplung erfolgt durch ein kanalbildendes Protein (Thermogenin), das bei kälteadaptierten 

Tieren bis zu 15% der Membranproteine der Mitochondrien des braunen Fettgewebes ausmachen 

kann.


Mechanismus der Hormon- 

kontrollierten ‘Entkopplung‘ :


Kontrolle der ATP-Produktion: 

Produktion: 

Bedarf an Stoffwechselenergie pro Frau und Tag ca. 6300 – 7500 kJ (1500 – 1800 kcal); 

o.g. Stoffwechselenergie entspricht der Freien Enthalpie der Hydrolyse von mehr als 200 mol ATP 

zu ADP und P i ; 

Gesamtmenge an ATP im Körper beträgt jedoch weniger als 0,1 mol ATP 

Energiebereitstellung durch kontinuierliches Recycling 

ATP-Bedarf bei anstrengenden Tätigkeiten kann 100mal höher sein als im Schlaf, dennoch wird 

immer nur soviel ATP produziert wie gerade benötigt wird; 

feinbalancierte Kontrolle durch den Energiestatus der Zelle basierend auf dem [NADH]/[NAD + ]- 

Verhältnis und dem [ATP]/[ADP] [P ]-Verhältnis i (ATP-Massenwirkungskoeffizienten); 

reguliertes Enzym ist die Cytochrom-Oxidase (letztes Enzym der Elektronentransportkette; 

irreversibel; weit entfernt vom Gleichgewicht); 

o.g. Verhältnis wirkt sich direkt auf die Konzentration an reduziertem Cytochrom c aus (Substrat 

der Cytochrom-Oxidase); 

Aktivität der Cytochrom-Oxidase korreliert mit der Cytochrom c-Konzentration.


Kontrolle der ATP-Produktion 

Produktion - Fallbeispiele: 

1) Ruhezustand: 

minimale ATP-Hydrolyse; wenig ADP und P i ; großer ATP-Massenwirkungskoeffizient; niedrige 

Konzentration an reduziertem Cytochrom c; niedrige Geschwindigkeit des Elektronentransports; 

minimale oxidative Phosphorylierung 

2) Arbeitszustand: 

erhöhte ATP-Hydrolyse; viel ADP und P ; i kleiner ATP-Massenwirkungskoeffizient, hohe 

Konzentration an reduziertem Cytochrom c; hohe Geschwindigkeit des Elektronentransports; 

erhöhte oxidative Phosphorylierung 

= Kontrolle der oxidativen Phosphorylierung über den ATP-Massenwirkungskoeffizient 

(Akzeptorkontrolle; da die Geschwindigkeit mit der Konzentration an ADP, dem Phosphorylgruppenakzeptor 

steigt)


Herz-Kreislauf 

Kreislauf-Erkrankungen und oxidative Phosphorylierung: 

Stillstand der oxidativen Phosphorylierung führt zum Zelltod, wobei vor allem rasch atmende 

Gewebe/Organe wie Herz und Gehirn betroffen sind (Herzinfakt und Schlaganfall); 

Physiologischer Ablauf: 

gestörte Durchblutung führt zu O 2 

-Unterversorgung; 

Produktion von ATP nur noch durch Glycolyse bzw. aus (limitierten) Speichervorräten möglich; 

Bildung von Milchsäure; pH-Wert-Absenkung; Inaktivierung der Glycolyse-Enzyme; Zusammenbruch 

der ATP-Produktion; 

ATP-abhängige Ionenpumpen stellen Arbeit ein; osmotischer Druck steigt; Zellen und 

Zellorganellen schwellen an; Membranen werden durchlässig; Inhaltsstoffe treten aus 

(diagnostischer Marker für Herzinfakt; herzspezifische Enzyme im Blut nachweisbar) 

ausgetretene Inhaltsstoffe der Lysosomen (Proteasen) führen zum unkontrolliertem Verdau des 

Zellinhalts; 

irreversible Zellschäden als finale Folge….

Stoffwechsel: Photosynthese 

Photosynthese, die lichtabhängige Kohlenstoff-Assimilation, d.h. die Bildung von Kohlenhydraten 

aus Kohlendioxid und Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht, wobei Sauerstoff freigesetzt wird. 

Die P. führen sowohl höhere Pflanzen als auch Grünalgen sowie Cyanobakterien (früher als 

blaugrüne Algen klassifiziert) und Bakterien der Ordnung Rhodospirillales (Photosynthesebakterien) 

durch. 

Summenformel (eukaryontischen) der Photosynthese: 

Licht 

CO 2 

+ H 2 

O (CH 2 

O) + O 2 

ist damit formal betrachtet die Umkehrung des oxidativen Kohlenhydratabbaus. 

Schätzungen zufolge werden jährlich 10 11 Tonnen Kohlenstoff photosynthetisch fixiert, 

was einer gespeicherten Energie von 10 18 kJ entspricht; 

ist für den Sauerstoff in der heutigen Atmosphäre verantwortlich; 

Grundlage allen Lebens auf der Erde….


Historie I: 

Erkenntnis das sich Pflanzen von ‘ungreifbaren Dingen‘ wie Licht und Luft ernähren entwickelte 

sich über einen Zeitraum von fast 200 Jahren; 

1648 fand der flämische Arzt Jean-Baptiste von Helmont das beim Wachstum einer Pflanze das 

Gewicht der Topferde sich praktisch nicht ändert, woraus er schlussfolgerte, daß die Gewichtszunahme 

vom Wasser herrühren müsse; 

1727 postulierte Stephen Hales, daß ein Teil der Gewichtszunahme zusätzlich aus der Luft 

stammt; 

1771 berichtete der englische Geistliche Joseph Priestley, der zugleich ein Pionier der Chemie 

war, daß Pflanzen in der Lage sind Sauerstoff zu produzieren:


Historie II: 

1779 wies der holländische Arzt Jan Ingen-Housz nach, daß die ‘luftreinigende‘ Kraft der Pflanzen 

auf der Einwirkung von Sonnenlicht auf grüne Pflanzenteile beruht; 

1782 fand der schweizer Pastor Jean Senebier, daß CO 2 

(‘fixierte Luft‘) während der Photosynthese 

aufgenommen wird; 

1804 konnte gezeigt werden, daß die von Pflanzen produzierte organische Substanz mehr wiegt 

als das CO 2 

das die Pflanzen verbrauchen, woraus geschlossen wurde, daß das fehlende Gewicht 

aus dem Wasser stammt (das als einzige Substanz dem System zugeführt wurde); 

Der deutsche Physiologe Robert Mayer, der den ersten Hauptsatz der Thermodynamik 

formulierte, kam schließlich zu der These, daß Pflanzen Lichtenergie in chemische Energie 

umwandeln.


Ort der Photosynthese bei Eukaryonten (Algen und höhere Pflanzen) sind die Chloroplasten: 

Chloroplasten sind membranreiche Organellen im Zellinneren: 

Vermutung das Chloroplasten eine Rolle bei der Photosynthese spielen stammt Theodor Engelmanns 

(1882) der feststellte, daß bewegliche O 2 

-suchende Bakterien sich über dem einzigen 

Chloroplasten einer bestimmten Algenart sammeln, jedoch nur solange wie dieser belichtet wird.


Chloroplasten: 

- Pro Zelle typischerweise zwischen 1 – 1000; 

- gingen phylogenetisch aus Cyanobakterien hervor, die in enger Symbiose mit nicht photosynthese-aktiven 

Eukaryonten lebten; 

- variieren stark in Form und Größe, erscheinen aber typischerweise als 5 µm lange Ellipsoide; 

- sind damit ähnlich den Mitochondrien, denen sie auch im Aufbau ähneln: 

‣ besitzen eine äußere durchlässige Membran und eine innere nahezu undurchlässige 

Membran 

‣ mit einem schmalen Intermembranraum dazwischen; 

‣ die innere Membran umschließt das Stroma (=konzentrierte Enzymlösung), die zusätzlich 

DNA, RNA und Ribosomen enthält, die an der Synthese von Chloroplastenproteinen 

beteiligt sind; 

‣ Stroma ist von einem dritten membranreichen Kompartiment, dem Thylakoid umgeben 

(griech. thylakos: Sack, Beutel); erscheint als Stapel flach gepackter Säckchen, den sog. 

Grana, die ihrerseits durch freiliegende Stromalamellen miteinander verbunden sind; 

Membranlipide der Thylakoidmembran zeigen eine charakteristische Zusammensetzung:


Zusammensetzung der Thylakoidmembran: 

bestehen nur zu ca. 10% aus den üblicherweise für Membranen typischen Phospholipiden; 

Hauptbestandteil (ca. 80%) sind ungeladene Mono- und Digalactosyl-diacylglyceride; 

ca. 10% sind Sulfolipide (Sulfochinovosyl-diacylglyceride):


Allgemeiner Ablauf der Photosynthese: 

die Photosynthese läuft in zwei unterscheidbaren Abschnitten ab: 

1) die Lichtreaktion; verbraucht Lichtenergie und erzeugt NADPH und ATP 

2) die Dunkelreaktion; ist vom Licht unabhängig und verbraucht NADPH und ATP um aus 

CO 2 

und H 2 

O Kohlenhydrate herzustellen. 

die Lichtreaktion finden in der Thylakoidmembran statt und verläuft ähnlich dem Elektronentransport 

und der oxidativen Phosphorylierung in den Mitochondrien; 

Photosynthetisch aktive Prokaryonten besitzen keine Chloroplasten; 

Lichtreaktion erfolgt dort an der inneren Zellmembran bzw. daraus abgeleiteten Einstülpungen 

(= Chromatophoren); 

die Dunkelreaktion verläuft in einer cyclischen Abfolge Enzym-katalysierter Reaktionen.


Die Lichtreaktion: 

zunächst nahm man an, daß Licht von den Photosynthesepigmenten absorbiert wird und direkt 

zur chemischen Reduktion von CO 2 

führt; 

1931 fand Cornelis van Niels jedoch, daß grüne photosynthetisch aktive anaerobe Bakterien statt 

Wasser H 2 

S zur Photosynthese benutzen und als Endprodukt Schwefel produzieren; 

wegen der Verwandtschaft von H 2 

S und H 2 

O postulierte man, daß nicht CO 2 

sondern H 2 O unter 

aeroben Bedingungen photolytisch gespalten wird und die eigentliche O 2 

Quelle darstellt 

(bestätigt durch Robert Hill (1937) mittels isolierter Chloroplasten in CO 2 

-freier Atmosphäre unter 

Verwendung künstlicher Elektronenakzeptoren – sog. Hill-Reaktion); 

daraus läßt sich folgende Summenformel für die anaerobe Photosynthese ableiten: 

Licht 

CO 2 

+ 2H 2 

O (CH 2 

O) + O 2 

+ H 2 

O 

o.g. Summenformel läßt sich in 2 Teilschritte zerlegen: 

Licht 

1) 2H 2 

O O 2 

+ 4[H] (Lichtreaktion) 

2) 4[H] + CO 2 

(CH 2 

O) + H 2 

O (Dunkelreaktion)


Absorption von Licht: 

Chlorophyll - der wichtigste Photorezeptor der Photosynthese: 

Tetrapyrrol-Ringsystem, das wie das Häm 

aus dem Protoporphyrin IX hervorgeht aber 

sich in 4 Punkten vom Häm unterscheidet: 

1) Mg 2+ statt Fe 2+ als Zentralatom; 

2) an den Pyrrolring III schließt sich ein 

Cyclopentanon-Ring an (Ring V); 

3) einzelne Pyrrol-Ringe liegen teilweise 

reduziert vor (Ring II oder/und Ring IV 

in Abhängigkeit vom Chlorophyll-Typ); 

4) die Propionyl-Seitenkette im Ring IV ist 

mit einem Diterpenalkohol (Phytol oder 

Geranylgeraniol in Abhängigkeit vom 

Chlorophyll-Typ) verestert.


Molekülformen von Chlorophyll a und b sowie von Bakteriochlorophyll a und b:


Antennen-Chlorophyll absorbieren (sammeln) Licht und übertragen es auf das s photosynthetische 

Reaktionszentrum: 

hellgrün: Antennen-Chlorophylle 

dunkelgrün: Chlorophylle der Reaktionszentren 

Antennenpigmente sammeln Photonen, leiten 

sie weiter und übertragen sie auf die Chlorophylle 

der Reaktionszentren durch Resonanzenergie-Transfer 

(oder geben sie gelegentlich 

als Fluoreszenz wieder ab); 

Prinzip einer ‘Energiefalle‘, die dadurch funktioniert, 

daß die Energie zur Anregung der Reaktionszentren 

geringer ist (Umgebungseffekt) 

als die der Antennenpimente (beides aber 

chemisch identische Chlorophylle); 

Energieübertragung auf Reaktionszentrum 


Hilfspigmente füllen ‘Lücken‘ im Absorptionsspektrum der Antennen-Chlorophylle: 

Häufigstes Hilfspigment: Carotenoide (=lineare Polyene): 

kommen in allen grünen Pflanzen vor und 

darüber hinaus in vielen photosynthetisch 

aktiven Bakterien 

(sie sind für die leuchtenden Herbstfarben 

der Laubbäume und das Orange der 

Karotten verantwortlich). 

Hilfspigmente bei aquatischen Organismen: 

Spezielle Hilfspigmente nötig, da Licht außerhalb des Wellenlängenbereichs von 450 – 550 nm 

(blaues und grünes Licht) von einer Wasserschicht >10 m vollständig absorbiert wird: 

Typisch sind offenkettige Tetrapyrrole wie das 

rote Phycoerythrobilin oder das blaue 

Phycocyanobilin bei Rotalgen oder auch 

Cyanobakterien: 

(fast die hälfte der Photosynthese auf der 

Erde wird von aquatischen Organismen 

geleistet)


Absorptionsspektren der Hilfspigmente im Vergleich zum Chlorophyll 

ll a und b:


Der photosynthetische Proteinkomplex von Bakterien ( (Rhodopseudomonas 

viridis): 

Aufbau: 

3 große Untereinheiten; H (rosa), M (blau) und L (orange), 

die die Bakterienmembran durchspannen (helikaler Bereich); 

Cytochrom c (grün) mit 4 Häm-Gruppen, daß an der Außen- 

Seite des Komplexes gebunden ist; 

Vielzahl von prosthetischen Gruppen, die das Reaktionszentrum 

bilden (gelb). 

(Röntgenstruktur von 1984; erste Strukturaufklärung eines 

Transmembranproteins) 

Reaktionszentrum


Elektronentransport im photosynthetischen Reaktionszentrum ( (Rhodopseudomonas 

viridis) ) I: 

Aufbau: 

Zweizählige Symmetrie mit der chromatophoren 

Ringsysteme mit: 

‘Spezialpaar‘: zwei BChl-b Moleküle; 

BPhaeo a: zwei Moleküle Bakteriophaeophytin 

(=BChl-b-Variante, bei der Mg 2+ durch 2H + ersetzt ist); 

1 Redox-Coenzym Ubichinon und ein damit 

verwandtes Menachinon (Vitamin K 2 ); 

1 Eisen(II)-Ion. 

Mechanismus: 

(angeregten Moleküle in rot) 

a) Absorption eines Photons durch Spezialpaar 

(wodurch es gemeinsam angeregt wird) 

extrem schnell; 

b) Übertragung eines e - auf BPhaeo (linker Arm) 

innerhalb von 4 ps; Spezialpaar bleibt mit 

positiver Ladung zurück und wird durch 

Cytochrom c reoxidiert;


Elektronentransport im photosynthetischen Reaktionszentrum ( (Rhodopseudomonas 

viridis) ) II: 

Mechanismus: 

(angeregten Moleküle in rot) 

c) Übertragung des e - von BPhaeo auf 

Menachinon (200 ps später); 

d) Übertragung des e - von Menachinon auf 

Ubichinon innerhalb von 100 µs (Fe(II) bleibt 

vom vorbeiwandernden e - unreduziert ist aber 

dennoch essentiell); 

e) Übertragung eines zweiten e - auf Ubichinon in 

analoger Weise; danach Aufnahme von 2 H + 

durch Ubichinon unter Bildung von Hydrochinon 

aus der umgebenden cytoplasmatischen Lösung 

und Überführung in den membrangebundenen 

Ubichinonpool (e - -Rückführung auf Spezialpaar 

über Cytochrom c). 

Ubichinon fungiert als molekularer Wandler, der 

aus 2 lichtgetriebenen Einelektronen-Anregungen 

1 chemische Zweielektronen-Reduktion macht.


Elektronentransport erfolgt schrittweise auf immer niedrigere Energieniveaus: 

Übertragung auf niedrigere Energieniveaus und rasche Entfernung des angeregten e - vom 

‘Spezialpaar‘ (P870*) machen den Elektronentransport irreversibel; 

Netto-Quantenausbeute (=Verhältnis reagierender Moleküle zu absorbierten Photonen) ist 

scheinbar 100%! 

Die Photosynthese in Bakterien ist durch die Rückführung der (nichtangeregten) e - ein cyclischer 

Prozeß.


Resultat des lichtgetriebenen Elektronentransports: 

Führt, da cyclisch, zu keiner Netto-Oxidation oder Reduktion; 

Stattdessen bewirkt er die Translokation cytoplasmatischer Protonen (die vom Ubichinon aufgenommen 

wurden) durch die Plasmamembran, was dazu führt, daß das Cytoplasma im Vergleich 

zum umgebenden Milieu basischer wird; 

Der hierdurch gebildete pH-Gradient wird zur Synthese von ATP durch Photophosphorylierung 

genutzt (ähnlich der oxidativen Phosphorylierung). 

Herkunft der Reduktionsäquivalente: 

Bei grünen Pflanzen und Cyanobakterien durch Oxidation von Wasser; 

Bei Bakterien durch die Oxidation einer Vielzahl von Verbindungen (H 2 

S, S, H 2 

, organische 

Verbindungen…) ; 

Uratmosphäre reich an solchen Reduktionsmitteln, später erschöpften sich diese Vorräte und das 

Endprodukt O 2 

reicherte sich an und drängte die Bakterien in die heutigen Nischen zurück (O 2 

ist 

für diese Bakterien toxisch, da sie unter aeroben Bedingungen keine Photosynthese betreiben 

können).


Lichtreaktion bei Pflanzen und Cyanobakterien: 

Das bei der lichtgetriebenen Oxidation von H 2 

O enstehende Reduktionspotential wird im 

Unterschied zu photosynthetisch aktiven Bakterien zur Herstellung von NADPH genutzt; 

Gesamtprozeß läßt sich in zwei Halbreaktionen unterteilen: 

1) O 2 

+ 4e - + 4H + 2H 2 

O 

2) NADP + + H + + 2e - NADPH 

Die daraus abgeleitete Gesamtreaktion lautet: 

2NADP + + 2H 2 

O 2 NADPH + O 2 

+ H + 

; Elektronentransfer von H 2 O auf NADPH 

Das Standartreduktionspotential (-1,1135 V) dieser Vierelektronen-Reaktion entspricht einer 

Änderung in der Freien Standardethalpie von 438 kJ mol -1 ; 

Aus dieser Energiebilanz läßt sich ableiten, daß die Photosynthese (selbst bei einem Wirkungsgrad 

von 100%) mehr als ein Photon sichtbares Licht benötigt um ein Molekül O 2 zu erzeugen. 

Experimentelle Messung zeigen, daß tatsächlich 8 bis 10 Photonen zur Bildung eines Moleküls O 2 

nötig sind. 

Wie erfolgt dieser Multiphotonenprozeß?


Grundlegender Mechanismus der pflanzlichen Photosynthese: 

Besteht aus 2 hintereinander geschaltene Photosystemen: 

1) Photosystem 1 (PSI); erzeugt ein starkes Reduktionsmittel, das NADP + reduzieren kann, 

dabei entsteht gleichzeitig ein schwaches Oxidationsmittel; 

2) Photosystem 2 (PSII); erzeugt ein starkes Oxidationsmittel, das H 2 

O zu oxidieren 

vermag, dabei entsteht gleichzeitig ein schwaches Reduktionsmittel. 

Z-Schema der beiden Photosysteme 

(PSI und PSII): 

PSI und PSII treiben lichtgetrieben 

die Elektronen von H 2 

O zu NADPH; 

die blauen Pfeile zeigen den Elektronenfluß 

in Richtung zunehmenden Reduktionspotential 

(daher spontan); 

beide Photosysteme müssen arbeiten damit 

die Photosynthese ablaufen kann.


Herbicid 3-(3,4-Dichlorphenyl)-1,1-dimethylharnstoff 

blockiert den Elektronentransport zwischen 

beiden Photosystemen: 

Herbicid (besser bekannt unter der Bezeichnung DCMU - 3-(3,4-dichlorophenyl)1,1-dimethylurea - 

blockiert die Elektronenübertragung von PSII auf Cytochrom f: 

DCMU 

Oxidation des Cytochrom f ist von einer 

Reduktion gefolgt usw., was einen e — 

Transport anzeigt; 

DCMU verhindert die Reduktion des 

oxidierten Cytochrom f und führt stattdessen 

zu einer weitern Oxidation; 

hemmt damit den Elektronentransport


Organisation der Proteinkomplexe in der Chloroplasten-Membran: 

im wesentlichen 3 Proteinkomplexe (PSI, PSII und Cytochrom b 6 

-f) die über mobile Elektronen- 

Carrier in Wechselwirkung stehen (schwarze Pfeile geben den e - -Fluß an):


Schritt 1 der Photosynthese: 

= Oxidation von 2H 2 

O zu einem Molekül O 2 

, 4H + und 4e - erfolgt in einer 5-stufigen cyclischen 

Reaktionsfolge durch einen Mn-haltigen Proteinkomplex der in 5 verschiedenen Stadien (S 0 

-S 4 

) 

auftritt: 

- die 4 Übergänge zwischen S 0 

bis S 4 

sind photonen-getriebene Redox-Reaktionen, wobei die S- 

Stadien unterschiedlichen Oxidationsstadien des Mn-haltigen Proteins entsprechen; 

- bei jedem dieser Übergänge jeweils ein Elektron dem Wassermolekül entzogen wird; 

- bei jedem dieser Übergänge (mit Ausnahme von S 2 

S 3 

) wird zudem ein vom H 2 

O 

stammendes H + in den inneren Thylakoidraum transloziert; 

- beim Übergang von S 4 

zu S 0 

wird O 2 

freigesetzt.



= Übertragung der Elektronen auf Subtanz Z, von der nachfolgend die Elektronen vom 

wasserspaltenden Mn-Proteinkomplex auf das PSII übertragen werden: 

Substanz Z überträgt die Elektronen 

aus dem Wasser auf das ‘Spezialpaar‘ 

des PSII, wo sie angeregt werden; 

Treibende Kraft für die Wasser- 

spaltung ist die lichtgetriebene 

Bildung des angeregten 

‘Spezialpaares‘, das zu den 

stärksten bekannten biologischen 

Oxidantien gehört!



= Übertragung der einzelnen Elektronen vom angeregten ‘Spezialpaar‘ auf einen Chinon- 

Akzeptor (Plastochinon), der seinerseits zwei Protonen von der stromaseite der 

Thylakoidmembran aufnimmt und vom Proteinkomplex in den Hydroplastochinon-Pool 

übergeht: 

Ablauf der Elektronenübertragung ist analog zum bakteriellen 

Photosystem; 

der ähnliche Aufbau der Komplexe deutet zudem darauf hin, daß 

sich beide Systeme aus dem gleichen Vorläufer entwickelt haben; 

DCMU (und viele andere gebräuchliche Herbicide) konkurrieren 

mit Plastochinon um die Bindungsstelle am PSII-Proteinkomplex.



= Übertragung der Elektronen vom Hydroplastochinon(-Pool) auf den Cytochrom-b 6 

-f-Komplex 

Komplex ähnelt dem Komplex III der mitochondrialen Elektronentransportkette (enthält ein 

Cytochrom f, ein Cytochrom b 6 

mit 2 Häm-Gruppen, ein [2Fe-2S]-Eisen-Schwefel-Protein und ein 

gebundenes Plastochinon); 

Der Komplex transportiert sowohl die 

Elektronen von der Außenseite der 

Thylakoidmembran auf die Innenseite als 

auch Protonen; 

Der Komplex erzeugt damit maßgebliche den 

elektrochemischen Protonengradienten der die 

nachfolgende ATP-Synthese antreibt.



= Übertragung der Elektronen vom Cytochrom-b 6 

-f-Komplex auf PSI: 

Elektronenübertragung wird durch Plastocyanin, einem peripheren (mobilen) Membranprotein auf 

der Lumenseite der Thylakoidmembran vermittelt: 

Plastocyanin besteht aus ca. 100 As und besitzt ein kupferhaltiges 

Redoxzentrum, das zwischen Kuper(I)- und Kupfer(II)-Oxidationszuständen 

hin und her wechselt; 

sowohl der Kupfer(I)- als auch der Kupfer(II)-Komplex sind mit 

dem Protein über 4 Liganden koordiniert, wobei beide Komplexe 

tetraedrisch sind. 

Zusatz: Kupfer(II)-Komplexe mit 4 Liganden nehmen typischerweise 

eine quadratisch-planare Geometrie ein; 

es wird vermutet das die durch das Protein auferzwungene 

tetraedrische Geometrie für das ungewöhnlich hohe Standardreduktionspotential 

von Plastochinon verantwortlich ist (0,370 V im 

vgl. zu 0,158 V bei normalen Kupfer(II)-Kupfer(I)-Halbreaktionen)



Zwei Wege der Elektronenübertragung möglich: 

1) Übertragung der Elektronen auf NADP + unter Bildung von NADPH (nicht-cyclischer Weg); 

2) Übertragung der Elektronen zurück auf den Cytochrom-b 6 

-f-Komplex (Plastochinon) unter 

Translokation von Protonen (cyclischer Weg). 

Nicht-cycl. Weg verläuft über eine 

Reihe von Elektronenüberträgern: 

A 0 

: Chl-a-Monomer 

A 1 

: Phyllochinon (Vitamin K 1 

) 

X, A, B: membrangeb. Ferredoxine die 

[4Fe-4S]-Cluster enthalten 

Fd: lösl. Ferredoxin mit [2Fe-2S]-Cluster 

Reduziertes Fd wird durch Ferredoxin- 

NADP + -Reduktase unter Bildung des 

Endproduktes NADPH oxidiert. 

Cyclischer Weg reguliert die Bildung 

von ATP (aus Protonengradienten) und 

erlaubt der Zelle das Verhältnis von ATP 

und NADPH dem Bedarf anzupassen.



Kopplung des Abbaus des erzeugten Protonengradienten an die enzymatische Synthese von ATP 

=Photophosphorylierung: 

ATP-Synthese verläuft mechanistisch analog zur ATP-Synthese in den Mitochondrien; 

Die ATP-Synthase in den Chloroplasten (=CF 0 

CF 1 

-Komplex) ähnelt zudem in ihrer Struktur der 

ATP-Synthase (F 0 

F 1 

-Komplex) in den Mitochondrien: 

- beides hydrophobe Transmembranproteine, die 

einen Protonentransport-Kanal enthalten; 

-CF 1 

besitzt wie F 1 

den typischen multiplen Aufbau 

aus mehreren Untereinheiten; 

- beide ATPasen werden durch Oligomycin und Dicyclohexylcarbidiimid 

inhibiert. 

Einziger signifikanter Unterschied: 

In den Mitochondrien erfolgt der Protonentransport 

in den Matrixraum, während bei den Chloroplasten 

die Protonen aus dem Thylakoidraum exportiert 

werden.


Energiebilanz der ATP-Synthese der Photosynthese: 

Bei optimaler Belichtungsintensität wird ein Protonengradient von ca. 3,5 pH-Einheiten über die 

Thylakoidmembran erzeugt, der gespeist wird durch: 

1) die Herstellung eines Moleküls O 2 aus zwei Molekülen H 2 O unter Bildung von vier Protonen, die in den 

Thylakoidraum entlassen werden; 

2) den Transport der vier freigesetzten Elektronen durch den Cytochrom-b 6 -f-Komplex, der mit einer 

Translokation von acht Protonen vom Stroma in den Thylakoidraum erfolgt. 

Insgesamt werden damit beim nicht-cyclischen Elektronentransport ca. 12 Protonen pro Molekül 

O 2 

verschoben; 

Zur Synthese von einem Molekül ATP werden von der Chloroplasten-ATPase ca. 3 Protonen 

(die aus dem Thylakoidraum heraustransportiert werden) benötigt; 

Daraus ergibt sich, daß ca. 4 Moleküle ATP pro O 2 

-Molekül synthetisiert werden; 

Dementsprechend werden pro absorbiertem Photon ca. 0,5 Äquivalente ATP durch den nichtcyclischen 

Elektronentransport produziert (cyclischer Elektronentransport: ca. 0,66 Äquivalente). 

Nicht-cyclischer Elektronentransport liefert darüber hinaus NADPH dessen freie Enthalpie 

ausreicht um 3 ATP‘s zu produzieren (pro O 2 

-Molekül werden 2 NADPH und damit weitere 6 ATP 

gebildet, was pro Photon weiteren 0,75 ATP-Äquivalenten entspricht). 

Energieausbeute nicht-cyclischer e - -Transport: 0,5 + 0,75 = 1,25 ATP pro Photon


Die Dunkelreaktion(en) der Photosynthese: 

=Nutzung des durch Lichtenergie erzeugten ATP und NADPH zur Synthese von Kohlenhydraten 

(und anderen Biomolekülen) aus CO 2 

: 

Schlüsselweg zur Kohlenhydrat-Synthese aus CO 2 

ist der Calvin-Cyclus (auch reduktiver 

Pentosephosphat-Cyclus genannt; besser aber ‘Kohlenstoff-Fixierungsreaktion, da die 

‘Dunkelreaktion‘ im Dunkeln nicht mit nennenswerter Geschwindigkeit abläuft): 

- aufgeklärt durch Calvin, Bassham und Benson 

zwischen 1946 und 1953; 

- Aufklärung erfolgte mittels 14 CO 2 

Radionuklid 

und Analyse des Verbleibs von 14 C durch 

zweidimensionale Papierchromatographie 

zusammen mit Autoradiographie; 

- durch Analyse der Stoffwechselprodukte zu 

verschiedenen Zeiten wurde die Reihenfolge 

ihrer Bildung bestimmt; 

- Ausgangssubstrate sind Ribulose-1,5-bisphoshat 

und CO 2 

.


Der Calvin-Cyclus 

Cyclus: 

Cyclus läßt sich in 2 Stufen untereilen: 

1) die Produktionsphase, bei der 3 Moleküle Ribulose-1,5-bisphosphat mit 3 CO 2 

reagieren und 6 Moleküle Glyceraldehyd-3-phosphat unter Verbrauch von 9 ATP und 6 

NADPH-Molekülen bilden; durch die cyclische Natur des Weges ist er der Synthese eines 

Glyceraldehyd-3-phosphates aus 3 CO 2 

äquivalent; 

2) die Ruhephase, in der die verbleibenden 5 Glyceraldehyd-3-phosphate zu den 3 

Molekülen Ribulose-1,5-bisphosphat zurückgebildet werden. 

Stufe 2 besteht aus 4 Reaktionen: 

1) C 3 

+ C 3 

C 6 (Glyceraldehyd-3-phosphat + Dihydroxyacetonphosphat Fructose-6-phosphat) 

2) C 3 

+ C 6 

C 4 

+ C 5 (Glyceraldehyd-3-phosphat + Fructose-6-phosphat Erythrose-4-phosphat + 

Xylulose-5-phosphat) 

3) C 3 

+ C 4 

C 7 (Dihydroxyacetonphosphat + Erythrose-4-phosphat Sedoheptulose-1,7- 

bisphosphat) 

4) C 3 

+ C 7 

C 5 

+ C 5 (Glyceraldehyd-3-phosphat + Sedoheptulose-1,7-phosphat Ribose-5-phosphat 

+ Xylulose-5-phosphat) 

Gesamtstöchimetrie: 5 C 3 

3 C 5


Einteilung des Calvin-Cyclus 

Cyclus auch teilweise in 3 Stufen: 

‘Zusätzliche Stufe‘: Fixierung von CO 2 

Reduktion von CO 2 

zu einfachen 

(reduzierten) organischen 

Verbindungen wird neben ‘CO 2 

- 

Fixierung‘ auch als ‘Kohlenstoff- 

Fixierung‘ oder ‘CO 2 

-Assimilierung‘ 

bezeichnet.


Die CO 2 

-Fixierung: 

=Kondensation von CO 2 

mit Ribulose-1,5-bisphosphat unter Bildung von 2 Molekülen 3- 

Phosphoglycerat durch Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase (auch bezeichnet als RuBP- 

Carboxylase/Oxygenase oder Rubisco): das wohl wichtigste Enzym der Welt…. 

Spaltung des Zwischen- 

Produktes unter Bildung 

einer neuen Carboxylatgruppe 

ist die treibende 

Kraft der Reaktion 

( G 0 ‘=-35,1 kJ mol -1 ) 

Deprotonierung durch 

Enzymbase ist der 

geschwindigkeitsbestimmende 

Schritt 

der Reaktion


Rubisco: 

- macht ca. 50% der Chloroplasten-Proteine aus; 

- damit vermutlich mengenmäßig das häufigste Protein der Biosphäre überhaupt (es werden 

schätzungsweise 40 Mio. Tonnen (4x10 13 g) pro Jahr davon synthetisiert); 

- Enzym hat eine komplexe Struktur, bestehend aus 8 großen Untereinheiten (je 53.000) die 

jeweils ein aktives Zentrum aufweisen; zusätzlich besitzt es 8 kleinere Untereinheiten (je 

14.000), deren Funktion bislang noch nicht vollständig geklärt ist (großen UE‘s für sich bereits 

katalytisch aktiv). 

k cat ~ 3 s -1 

Rubisco aus Spinat 

a) Aufsicht, 

b) Seitenansicht


Stufe 2: Reaktion 1 und 2: Umsetzung von 3-Phosphoglycerat3 

zu Glyceraldehyd-3-phosphat 

- Umsetzung erfolgt in 2 Schritten, die im Wesentlichen die Umkehrung der analogen Schritte der 

Glycolyse darstellen (einziger Unterschied: statt NADH kommt NADPH zum Einsatz); 

Schritt 1: 3-Phosphoglycerat zu 1,3-Bisphosphoglycerat durch 3-Phosphoglycerat-Kinase 

Schritt 2: 1,3-Bisphosphoglycerat zu Glyceraldehyd-3-phosphat durch Glyceraldehyd-3-phosphat- 

Dehydrogenase


Stufe 2: Reaktion 3: Umsetzung von Glyceraldehyd-3-phosphat 

zu Dihydroxyacetonphosphat 

- Reversible Umwandlung von Glyceraldehyd-3-phosphat in Dihydroxyaceton-phosphat durch 

Triosephosphat-Isomerase 

- ‘Schicksal‘ des Dihydroxyaceton-phosphates: a) Speicherung durch Umwandlung in Stärke (im 

Chloroplasten); b) Export ins Cytosol und Umwandlung in Saccharose od. c) Abbau durch 

Glycolyse zur Energiegewinnung (insbesondere in neu entstehenden Blättern)


Stufe 3: Regenerierung von Ribulose-1,5 

1,5-bisphosphat 

aus Triosephosphaten 

- Regenerierung notwendig da in der ersten Reaktion bei der CO 2 -Fixierung Ribulose-1,5- 

bisphosphat verbraucht wird; 

- Prozess beinhaltet eine Reihe von Umlagerungen der Kohlenstoffgerüste von Glyceraldehyd-3- 

phosphat und Dihydroxyacetonphosphat; 

- als Zwischenprodukte dieses Prozesses treten C 3 -, C 4 -, C 5 -, C 6 -und C 7 -Zucker auf; 

- Umwandlungen werden durch insgesamt 7 Enzyme katalysiert;


Stufe 3: Regenerierung von Ribulose-1,5 

1,5-bisphosphat 

aus Triosephosphaten 

blauen Pfeile kennzeichnen exergone 

Reaktionen, die den Prozeß irreversible 

machen


Stufe 3: Transketolase-katalysierte katalysierte Übertragungsreaktionen 

Schritt 3: Umsetzung einer Hexose und einer Triose: 

Allgemeine Reaktion: 

Schritt 6: Umsetzung eines C 7 - und eines C 3 -Zuckers:


Stufe 3: Mechanismus der Transketolase-katalysierten katalysierten Übertragungsreaktion am Beispiel der C 2 

- 

Gruppenübertragung von Sedoheptulose-7-phosphat 

phosphat auf Glyceraldehyd-3-phosphat 

phosphat:


Regulation des Calvin-Cyclus 

Cyclus: 

Licht stimuliert und Dunkelheit deaktiviert den Calvin-Cyclus (auch Dunkelreaktion); 

Regulation erfolgt durch: 

1) Veränderung von pH-Wert als Folge der Belichtung (bei Belichtung steigt der pH-Wert von 

ca. 7,0 auf 8,0 weil Protonen aus dem Stroma in den Thylakoidraum gepumpt werden) – 

Schlüsselenzyme des Calvin-Cyclus haben ein enges pH-Optimum bei pH 8,0; 

2) Veränderung der Mg 2+ -Konzentration als Folge der Belichtung (Efflux von Protonen ist von 

einem Influx von Mg 2+ Ionen in das Stroma begleitet) – Schlüsselenzyme des Calvin- 

Cyclus werden durch Mg 2+ aktiviert; 

3) Veränderung der NADPH-Konzentration als Folge der Belichtung (Belichtung von PSI führt 

zur Produktion von NADPH) – Schlüsselenzyme des Calvin-Cyclus werden durch NADPH 

allosterisch aktiviert; 

4) Lichtgetriebene Reduktion von Disulfidbindungen durch Elektronen aus dem PSI – 

Schlüsselenzyme des Calvin-Cyclus werden durch reduktive Spaltung von Disulfidbindungen 

aktiviert; 

5) Kovalente Modifizierung (Carbamoylierung eines Lys-Restes von Rubisco katalysiert von 

Rubisco-Aktivase) – Carbamoylierung führt zur Aktivierung von Rubisco.


Photorespiration: 

Bei Lichtexposition und niedriger CO 2 

- und hoher O 2 

- 

Konzentration verbrauchen Pflanzen O 2 

und erzeugen CO 2 

= Photorespiration 

Ursache: O 2 

kompetiert mit CO 2 

als Substrat um Rubisco (daher 

auch die Bezeichung Ribulose-bisphosphat-Carboxylase 

Oxygenase) 

Mechanismus: bei der Oxygenase-Reaktion von Rubisco 

reagiert O 2 

mit Ribulose-1,5-bisphat unter Bildung von 2- 

Phosphoglycolat (und 3-Phosphoglycerat); 

2-Phosphoglycolat wird von Glycolatphosphatase zu Glycolat 

hydrolysiert und durch eine Kette enzymatischer Reaktionen die 

in den Peroxisomen und Mitochondrien ablaufen teilweise zu CO 2 

umgewandelt; 

2 Glycin reagieren 

zu Ser und CO 2 

Netto-Resultat: 

scheinbar nutzlose Vergeudung von in der 

Lichtreaktion erzeugten ATP und NADPH


Funktion der Photorespiration: 

im Detail unbekannt, da 2-Phosphoglycolat ein ‘nutzloser‘ Metabolit ist; 

man nimmt an, daß die Entwicklung des Systems zum großen Teil ablief bevor O 2 

zu einem 

Hauptbestandteil der Atmosphäre wurde; 

möglich ist auch, daß die Photorespiration den photosynthetischen Apparat vor Schäden durch 

Photooxidation bewahrt wenn zu wenig CO 2 

vorhanden ist und die absorbierte Lichtenergie 

anderweitig verbraucht werden muss; 

für o.g. Hypothese spricht, daß Pflanzen bei Belichtung und Abwesenheit von CO 2 

und O 2 

rasch 

ihre Photosyntheseaktivität verlieren. 

Auswirkungen der Photorespiration: 

üblicherweise übertrifft die Geschwindigkeit der Photosynthese die der Photorespiration; 

Photorespiration nimmt jedoch mit Temperaturerhöhung zu (durch Verringerung der CO 2 

-Affinität 

von Rubisco) und kann an heißen und sonnigen Tagen der Geschwindigkeit der Photosynthese 

nahekommen und somit die Bildung von Biomasse bis zu 50% hemmen (Problem in der 

Landwirtschaft – Genmanipulation); 

einige Pflanzen haben einen Mechanismus der die Photorespiration minimiert (C 4 -Pflanzen).


Minimierung der Photorespiration bei C 4 

-Pflanzen: 

Pflanzen tropischen Ursprungs wie Zuckerrohr, Mais aber auch viele Unkräuter besitzen einen 

Stoffwechsel-Cyclus (C 4 

-Cyclus), der CO 2 

in den photosynthetischen Zellen konzentriert (ca. 

Faktor 10); 

CO 2 

-Konzentrierung führt zu nahezu vollständiger Unterdrückung der Photorespiration; 

Blätter von C 4 

-Pflanzen haben eine charakteristische Anatomie (besitzen 2 Arten von Zellen, sog. 

Leitbündelscheiden-Zellen und Mesophyllzellen in charakteristischer Anordnung):


Der C 4 

-Cyclus: 

aufgeklärt in den 60er Jahren durch die Biochemiker Marshall Hatch und Rodger Slack (Hatch- 

Slack-Weg der CO 2 -Fixierung); 

insgesamt kennt man 3 Reaktionswege des C 4 

-Metabolismus, mit dem o.g. als bestuntersuchten; 

Mechanismus: 

1) Aufnahme atmosphärischem CO 2 

durch Mesophyllzellen (besitzen kein Rubisco) und 

Kondensation des CO 2 

als HCO 3 - mit Phosphoenolpyruvat zu Oxalacetat; 

2) Reduktion von Oxalacetat zu Malat und Transport des Malats in die Leitbündelscheiden-Zellen 

(der Name C 4 -Cyclus bezieht sich auf diese C 4 -Carbonsäure); 

3) Decarboxylierung des Malats zu Pyruvat und CO 2 

. 

Bemerkung: Pflanzen die diesen Mechanismus nicht besitzen nennt man in Analogie zu den C 4 

- 

Pflanzen auch C 3 

-Pflanzen, da sie CO 2 

zunächst in Form von C 3 

-Carbonsäuren 

fixieren.


Der C 4 

-Cyclus: 

Cyclus führt zur Anreicherung von CO 2 

in den Leitbündelscheiden-Zellen; 

Anreicherung erfolgt auf Kosten von 2 ATP pro CO 2 

, dennoch Wachstumsvorteil in heißen 

Gegenden (in kühleren Klimazonen haben dagegen C 3 

-Pflanzen einen Vorteil, da sie weniger 

Energie für die CO 2 

-Fixierung benötigen).


CAM-Pflanzen: Eine Variante der C 4 

-Pflanzen: 

CAM-Pflanzen sind wüstenbewohnende Pflanzen; 

trennen die CO 2 

-Aufnahme zeitlich vom Calvin-Cyclus; 

CO 2 

-Aufnahme setzt die Öffnung von Poren voraus, was jedoch bei Tage zu einer unanehmbar 

hohen Verlust von Wasser durch Verdampfen führen würde; 

CO 2 

-Aufnahme erfolgt daher nur bei Nacht, während der Calvin-Cyclus am Tage abläuft; 

Speicherung des aufgenommenen CO 2 

erfolgt in einem Prozeß der als Crassulacean Acid 

Metabolism (CAM; er wurde zuerst in Pflanzen der Familie Crassulaceae entdeckt) bezeichnet 

wird; 

Speicherung des CO 2 

erfolgt in Form von großen Mengen an Malat; 

CAM-Pflanzen sind mit diesem Mechanismus in der Lage, die Photosynthese mit minimalem 

Wasserverlust durchzuführen.

Stoffwechsel: Fettsäurestoffwechsel 

Fettsäurestoffwechsel 

1) Verdauung, Aufnahme und Transport von Fetten 

2) Fettsäureoxidation 

3) Ketokörper 

4) Biosynthese von Fettsäuren 

5) Regulation des Fettsäurestoffwechsels 

6) Cholesterinstoffwechsel 

7) Arachidonsäurestoffwechsel 

8) Stoffwechsel der Phospholipide und Glycolipide


Bedeutung der Lipide: 

Essentiell für die Struktur der Zelle und für ihren Stoffwechsel; 

Lipide sind die wichtigste Energiespeicherform in tierischen Organismen; 

Cholesterin ist ein wesentlicher Bestandteil der Zellmembran und eine Vorstufe von 

Steroidhormonen und Gallensäuren; 

Aus Arachidonsäure werden Prostaglandine, Prostacycline, Thromboxane und Leukotriene, die 

zusammen die Gruppe der Eicosanoide bilden, hergestellt und als interzelluläre Mediatoren eine 

Vielzahl komplexer Prozesse regulieren; 

Glyco- und Phospholipide sind Hauptbestandteile biologischer Membranen.


Aufbau von Fetten: 

Lipide oder Fette auch bekannt als Triacylglycerine, Triglyceride oder Depotlipide bestehen aus 

Fettsäure-Glycerin-Triestern, wobei Palmitin- und Ölsäure typische Fettsäuren sind:

Stoffwechsel: Fettsäurestoffwechsel


Energiegehalt von Fetten: 

Triglyceride machen ca. 90% der mit der Nahrung aufgenommenen Fette aus und sind mit 

ebenfalls 90% Hauptbestandteil des Energiereservoirs des Menschen; 

Ursache: hoher Energiegehalt von Fetten 

Hoher Energiegehalt der Fette begründet sich auf die niedriger Oxidationsstufe der meisten C- 

Atome, die niedriger ist als die von Glucose – oxidativer Abbau von Fetten liefert daher in etwa 

doppelt soviel Energie wie der Abbau der gleichen Trockenmasse von Kohlenhydraten bzw. 

Proteinen; 

Darüber hinaus sind Fette wasserfrei speicherbar, während Glucose (Speicherform Glycogen) als 

polare Verbindung hydratisiert gespeichert wird (zwei drittel des Glycogens besteht aus Wasser)


Verdauung von Fetten: 

Abbau der Triglyceride erfolgt wegen ihrer Wasserunlöslichkeit durch (wasserlösliche) 

Verdauungsenzyme an Fett-Wasser-Grenzflächen im Darm; 

Geschwindigkeit ihrer Verdauung hängt durch die Größe der Oberfläche dieser Schicht ab, die 

durch die emulgierende Wirkung von Gallensäuren (wirken als starke Detergentien, werden durch 

die Leber hergestellt und über die Gallenblase in den Dünndarm abgegeben) und die 

peristaltische Bewegung des Darms erheblich vergrößert wird; 

Verdau der Triglyceride beginnt mit der Hydrolyse der Fettsäure-Glycerin-Esterbindungen an den 

Postitionen 1 und 3 durch Pankreas-Lipase unter Bildung der 2-Acylglycerine, der 

Zwischenprodukte mit 2 Fettsäuren (1,2-Diacylglycerineund der Na + -und 

K + -Salze der freigesetzten Fettsäuren; 

Die freigesetzten Fettsäuren (Seifen) wirken als amphipathische Verbindungen emulgierend und 

unterstützen den weiteren Abbau; 

Pankreas-Lipase bildet einen 1:1-Komplex mit Colipase; letztere verankert die Lipase an der 

Phasengrenze und verhindert deren Denaturierung; 

Endprodukte: Mischung aus Fettsäuren, Mono- und Diacylglycerinen


Aufnahme von Fetten: 

Aufnahme des Gemisches aus Fettsäuren, Mono- und Diacylglycerinen erfolgt durch die 

Mukosazellen (=Zellen die den Dünndarm auskleiden); 

Aufnahme wird durch Gallensäure-vermittelte Micellenbildung in den die unpolaren 

Abbauprodukte integriert sind erleichtert; 

Fehlen die Gallensäuren (z.B. bei Gallengangsverschluß) können nur geringe Mengen der 

Nahrungsfette resorbiert werden, während der Großteil der hydrolysierten Lipide ausgeschieden 

wird (Steatorrhöe); 

Gallensäuren helfen damit nicht nur bei der Verdauung sondern auch bei der Aufnahme der 

Nahrungsfette; 

darüber hinaus vermitteln Gallensäuren in gleicher Weise auch die intestinale Resorption der 

fettlöslichen Vitamine A, D, E und K.


Weiteres ‘Schicksal‘ der Fette: 

Nach Resorption der Fette durch die Mukosazellen erfolgt eine Resynthese zu den Triglyceriden 

und deren ‘Verpackung‘ in wasserlösliche Lipoproteinpartikel (Chylomikronen); 

Ausschleusung der wasserlöslichen Chylomikronen über das Lymphsystem in den Blutkreislauf; 

‘Entpacken‘ und vollständige Hydrolyse der Triglyceride zu den freien Fettsäuren und Glycerin 

durch Lipoproteinlipase in den Kapillaren des Fettgewebes und der Skelettmuskulatur; 

Aufnahme der freigesetzten Fettsäuren durch Muskel- und Fettzellen; Transport des freigesetzten 

Glycerins zur Leber oder zu den Nieren und Umwandlung in Dihydroxyacetonphosphat durch 

Glycerin-Kinase und Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase und Abbau mittels Glycolyse; 

Mobilisierung der im Fettgewebe gespeicherten Lipide erfolgt Hormon-kontrolliert durch 

Triacylglycerin-Lipase durch vollständige Spaltung in Fettsäuren und Glycerin und Abgabe in den 

Blutkreislauf wo die freien Fettsäuren Protein-gebunden (Albumin) transportiert werden.


Abbau der Fettsäuren: 

erfolgt in einem Prozeß der als Fettsäureoxidation oder auch ß-Oxidation bekannt ist; 

Aufgeklärt durch Franz Knoop 1904: 

Verfütterung von am endständigen C-Atom benzylierten Fettsäuren an Hunde und Isolierung der 

phenylhaltigen Stoffwechselendprodukte aus dem Urin: 

bei der Gabe von geradzahligen Fettsäuren wurde Hippursäure (Bz-Gly-OH) ausgeschieden; 

bei ungeradzahligen Fettsäuren wurde Phenylacetursäure (Phenylacetyl-Gly-OH) gefunden:


Knoop‘s Theorie aus den Verfütterungsexperimenten: 

Oxidation der Fettsäuren erfolgt ß-ständig zu Carboxylat-Gruppe, da ansonsten Phenylessigsäure 

weiter zu Benzoesäure hätte oxidiert werden müssen; 

Knoop schlug den Begriff ß-Oxidation vor (Theorie wurde 1950 mittels der die Fettsäureoxidation 

katalysierenden Enzyme bestätigt). 

ß-Oxidation: 

1) Aktivierung der Fettsäuren 

2) Transport durch die Mitochondrienmembran 

3) ß-Oxidation 

4) Oxidation ungesättigter Fettsäuren 

5) Oxidation von ungeradzahligen Fettsäuren 

6) Peroxisomale ß-Oxidation


Aktivierung der Fettsäuren: 

ß-Oxidation setzt eine Aktivierung von Fettsäuren voraus; 

Aktivierung erfolgt in einer ATP-abhängigen Reaktion unter Bildung aktivierter Fettsäure-Acyl- 

CoA-Ester: 

Mechanismus der Fettsäureaktivierung: 

Fettsäure bildet mit der a-Phosphorylgruppe von ATP ein 

gemischtes Acyladenylat-Anhydrid unter Abspaltung von 

Pyrophosphat; 

Spaltung des Pyrophophates durch die ubiquitär 

vorkommende anorganische Pyrophosphatase 

(energetische Triebkraft der Reaktion); 

Angriff des gemischten Anhydrids durch die Sulfhydrylgruppe 

des CoA unter Bildung von AMP und des 

aktivierten Fettsäure-Acyl-CoA-Esters; 

Katalyse der Reaktion erfolgt durch Acyl-CoA-Synthetase 

(Thiokinase).


Transport der aktivierten Fettsäuren durch die Mitochondrien-Membran: 

Membran: 

Aktivierung erfolgt im Cytosol; der weitere Abbau dagegen in den Mitochondrien 

Transport ins Mitochondrium; 

Transport durch die innere Mitochondrien-Membran erfolgt nicht direkt, sondern vermittelt durch 

Carnitin und einem Carnitin-Carrier-Protein: 

1) Übertragung der Fettsäure von CoA auf Carnitin; 

2) Transport des Acyl-Carnitins durch Carrier-Protein durch die innere Mitochondrien-Membran; 

3) Übertragung des Fettsäure-Restes von Carnitin zurück auf CoA in der Mitochondrien-Matrix; 

4) Rücktransport des freien Carnitins ins Cytosol.


Transport der aktivierten Fettsäuren durch die Mitochondrien-Membran: 

Membran: 

Die Acylierung von Carnitin (wie auch die Rückreaktion im Mitochondrium) wird von der Carnitin- 

Palmityl-Transferase katalysiert:


Die ß-Oxidation: 

= oxidativer Abbau der aktivierten Fettsäure-Acyl-Co-Ester; 

Abbau umfaßt 4 Reaktionen: 

1) Bildung einer trans-α,ß-Doppelbindung in einer Dehydrierungsreaktion katalysiert durch Acyl- 

CoA-Dehydrogenase: 

Annahme: Abstrahierung eines Protons vom C α und nachfolgend eines Hydrid-Ions vom C ß und 

Übertragung auf FAD; gebildetes FADH 2 

wird dann über die Elektronentransportkette reoxidiert.


Ein Defekt der Acyl-CoA 

CoA-Reduktase 

hat tödliche Folgen: 

In bis zu 10% der Fälle des ‘plötzlichen Kindstodes‘ wurde ein Defekt der Acyl-CoA- 

Dehydrogenase festgestellt; 

Tod tritt oft Nachts ein; man nimmt an, daß nach dem Aufbrauchen der Glucose nach einer 

Mahlzeit die Umschaltung auf die Fettsäureoxidation nicht funktioniert und dadurch bedingt der 

plötzliche Tod eines offensichtlich gesunden Kleinkindes eintreten kann. 

Verzehr unreifer Akipflaumen führt zur sog. Jamaika-Brechkrankheit, die über Erbrechen, gefolgt 

von Krämpfen und Koma zum Tod führen kann; 

Ursache: 

ist die in diesen Früchten vorhanden 

ungewöhnliche Aminosäure Hypoglycin A, 

die durch den Metabolismus in ein Acyl- 

Co-Derivat umgewandelt wird, das die 

Acyl-CoA-Dehydrogenase inaktiviert


Reaktion 2 und 3 der ß-Oxidation: 

2) Hydratisierung der trans-α,ß-Doppelbindung durch 

Enoyl-CoA-Hydratase unter Bildung von 3-L- 

Hydroxy-acyl-CoA; 

3) Dehydrierung von 3-L-Hydroxyacyl-CoA durch 3-L- 

Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase unter Bildung 

der entsprechenden ß-Ketoacyl-CoA-Verbindung.


Reaktion 4 der ß-Oxidation: 

Spaltung der C α ― C ß -Bindung in einer Thiolysereaktion katalysiert durch ß-Ketoacyl-CoA-Thiolase 

unter Bildung von Acetyl-CoA und den um 2 C-Atome kürzeren Fettsäure-Acyl-CoA-Ester: 

Die Thiolase-Reaktion läuft in 4 Schritten ab


Mechanismus der Thiolase-Reaktion: 

Schritt 1-4: 

1) Nukleophiler Angriff einer Cys-Thiolgruppe des Enzyms 

auf das elektrophile Carbonyl-C ß -Atom der ß-Ketoacyl- 

CoA-Verbindung; 

2) Spaltung der C α ― C ß -Bindung unter Bildung der verkürzten 

Fettsäure und eines Acetyl-CoA-Carbanion-Intermediates 

(Resonanz-stabilisiert durch e - -ziehende Carbonylgruppe 

des Thioester) – Mechanismus entspricht einer 

Claisen-Esterspaltung; 

3) Protonierung des Acetyl-CoA-Carbanion-Intermediates 

durch einen Säure-Rest des Enzyms unter Bildung von 

Acetyl-CoA; 

4) Umesterung des Enzym-Thioester-Zwischenproduktes mit 

CoA unter Bildung des um 2 C-Atome verkürzten Fettsäure- 

Acyl-CoA-Esters


Energie-Bilanz der ß-Oxidation: 

Jeder Durchlauf der ß-Oxidation produziert: 1 NADH 

1 FADH 2 

1 Acetyl-CoA (Oxidation im Citronensäure-Cyclus) 

Beispiel Palmityl-CoA (C 16 

): 

7 ß-Oxidationscyclen erforderlich 

Oxidation liefert 7 FADH 2 

, 7 NADH und 8 Acetyl-CoA 

8 Acetyl-CoA führt zu 8 GTP, 24 NADH und 8 FADH 2 

insgesamt 31 NADH und 15 FADH 2 

oxidative Phosphorylierung von 31 NADH liefert 93 ATP 

oxidative Phosphorylierung von 15 FADH 2 

liefert 30 ATP 

Minus 2 ATP für die Aktivierung der Fettsäure 

8 GTP (ATP) + 93 ATP + 30 ATP - 2 ATP = 129 ATP 

Die Nettoausbeute der Oxidation eines Palmitinsäure-Moleküls liefert 129 ATP-Äquivalente!


Oxidation ungesättigter Fettsäuren: 

Ungesättigte Fettsäuren biologischen Ursprungs enthalten: 

- i.d.R. nur cis-Doppelbindungen; 

- die erste Doppelbindung i.d.R. zwischen C(9) und C(10); bezeichnet als 9 - 

Doppelbindung; 

- weitere Doppelbindungen (sofern vorhanden) im Abstand von drei Kohlenstoffatomen 

und sind niemals konjugiert. 

Problem 1: ß,γ-Doppelbindungen (=Doppelbindung an einem ungeradzahligen C-Atom): 

ß,γ-cis-Doppelbindung ist als Substrat für die 

Enoyl-CoA-Hydratase ungeeigent; 

daher erfolgt eine Umwandlung der cis- 3 - 

Doppelbindung in die stabilere esterkonjugierte 

trans- 2 -Form durch Enoyl-CoA-Isomerase; 

trans- 2 -Form wird von der Enoyl-CoA-Hydratase 

als normales Substrat erkannt und die ß- 

Oxidation wird fortgesetzt.


Problem 2: 

4 -Doppelbindungen (=Doppelbindung an einem geradzahligen C-Atom): 

fortschreitende ß-Oxidation führt zur Bildung 

eines 2,4-Dienoyl-CoA-Zwischenprodukt, das 

nur langsam von der Enoyl-CoA-Hydratase 

umgesetzt wird; 

In E.coli: 

Reduktion der 4 -Doppelbindung durch 2,4- 

Dienoyl-CoA-Reduktase unter Bildung von 

trans-2-Enoyl-CoA (=gewöhnl. Zwischenprodukt 

der ß-Oxidation) 

In Säugern: 

Reduktion der 4-Doppelbindung durch das 

analoge Säuger-Enzym führt zur Bildung von 

trans-3-Enoyl-CoA, das nachfolgend durch 

3,2-Enoyl-CoA-Isomerase zu trans-2-Enoyl- 

CoA isomerisiert wird.


Oxidation von Fettsäuren mit einer ungeraden Zahl von C-Atomen: C 

Die meisten Fettsäuren biologischen Ursprungs enthalten eine gerade Anzahl von C-Atomen und 

werden daher vollständig zu Acetyl-CoA-Einheiten abgebaut; 

Einige Pflanzen und marine Lebewesen synthetisieren jedoch Fettsäuren mit einer ungeraden 

Anzahl von C-Atomen; 

Abbau liefert in der letzten Runde der ß-Oxidation statt Acetyl-CoA Propionyl-CoA; 

Verwertung des Propionyl-CoA erfolgt durch die Überführung in Succinyl-CoA, das in den 

Citronensäure-Cyclus eingeschleust wird. 

Zusatz: bakterielle Fermentation von Kohlenhydraten im Pansen von Rindern liefert neben Acetat 

ebenfalls Propionat, das von den Tieren aufgenommen wird und den größten Teil des 

Kalorinbedarfs der Rinder deckt.


Umwandlung von Propionyl-CoA 

in Succinyl-CoA 

CoA: 

Reaktion 1: Umwandlung von Propionyl-CoA in (S)- 

Methylmalonyl-CoA 

Carboxylierung durch Propionyl-CoA-Carboxylase 

Reaktion verläuft über die Carboxylierung des Biotins, 

das als prosthetische Gruppe des Enzyms fungiert (ATPabhängig); 

Übertragung der mittels Biotin aktivierten Carboxy- 

Gruppe vom Carboxy-Biotin auf Propionyl-CoA unter 

Bildung von (S)-Methylmalonyl-CoA 

Mechanismus 

Beachte: Keine Carboxylierung am C(3), die direkt zum 

Produkt geführt hätte, sondern stattdessen zunächste 

eine Carboxylierung an C(2)!


Mechanismus der Carboxylierung von Propionyl-CoA 

CoA: 

Carboxylierung von Biotin ausgehend von einem Hydrogencarbonat-Ion mit simultaner 

Hydrolyse von ATP 

Angriff eines Propionyl-CoA-Carbanions auf Carboxy-Biotin unter 

Carboxylierung des Propionyl-CoA 

Abspaltung des Protons am C(2) wegen Stabilisierung 

des sich bildenden Carbanions durch den Elektronenzug 

des Thioesters erleichtert; 

wird als Ursache für die Carboxylierung an C(2) 

diskutiert, obwohl eine hypothetische Carboxylierung 

an C(3) bereits zum Produkt geführt hätte.


Reaktion 2: Umwandlung von (S)-Methylmalonyl( 


in (R)-Methylmalonyl( 


durch Methyl- 

Malonyl-CoA 

CoA-Racemase: 

Racemase-Reaktion verläuft über ein resonanzstabilisiertes 

Carbanion-Zwischenprodukt:


Reaktion 3: Umwandlung von (R)-Methylmalonyl( 


in Succinyl-CoA 

durch Methylmalonyl- 

CoA-Mutase 

Mutase: 

Methylmalonyl-CoA-Mutase katalysiert eine 

ungewöhnliche Umlagerung im Kohlenstoffskelett: 

=Umlagerung einer C-C Bindung, wobei gleichzeitig ein 

H-Atom ausgetauscht wird 

(R)-Methylmalonyl-CoA 

Succinnyl-CoA



CoA-Mutase 

besitzt 5‘-Desoxyadenosylcobalmin 

(Coenzym 

B 12 ) als prosthetische 

Gruppe: 

5‘-Desoxyadenosyl-Gruppe 

Corrinring (ähnlich Häm aus 4 Pyrrolringen 

(A-D) aufgebaut 

6-fach koordiniertes Cobald-Ion mit 

den 4 N-Atomen der Pyrrolringe, dem N- 

Atom von 5,6-Dimethylbenzimidazol und 

der 5‘-Desoxyadenosyl-Gruppe als Liganden 

(Bindung der Desoxyadenosylgruppe erfolgt 

über eine kovalente C-Co-Bindung = einzige 

bekannte biologische Kohlenstoff-Metall- 

Bindung) 

5,6-Dimethylbenzimidazol-Rest (zusätzlich 

zur Bindung über Cobald kovalent an den Ring 

D des Corrins gebunden)


Mutmaßlicher Mechanismus der Methylmalonyl-CoA 

CoA-Mutase-Reaktion: 

gebildetes Methylmalonyl- 

CoA-Radikal 

Entzug eines H-Atoms vom 

Methylmalonyl-CoA durch 5‘- 

Desoxyadenosyl-Radikal 

(hypothetische) Umlagerung des 

Methylmalonyl-CoA-Radikals in 

ein Succinyl-CoA-Radikal 

Homolytische Spaltung (!) der 

C-Co(III)-Bindung unter Bildung 

eines 5‘-Desoxyadenosyl-Radikals 

Rückübertragung des H-Atoms vom 5‘-Desoxyadenosin 

auf das Succinyl-CoA-Radikal; 

Bildung des Succinyl-CoA 

Wiederherstllung des Coenzyms 

Zusatz: homolytische Spaltungen sind in biologischen Systemen 

ungewöhnliche (i.d.R. heterolytische Spaltungen)


Vitamin B 12 -Mangel und perniziöse Anämie: 

Erkrankung die bei älteren Menschen auftritt und oft tödlich verläuft; 

geht einher mit einer erniedrigten Zahl roter Blutkörperchen, einer niedrigen Hämoglobin- 

Konzentration und neurologischen Ausfällen; 

wurde früher mit dem Verzehr großer Mengen an roher Leber behandelt; 

Ursache liegt gewöhnlich nicht in einer mangelnden Zufuhr mit der Nahrung sondern in einer 

unzureichenden Sekretion des sog. Intrinsic-Faktors; 

der Intrinsic-Faktor ist ein Glycoprotein, das vom Magen sezerniert wird und Vitamin B 12 

spezifisch bindet; 

die Resorption des Komplexes erfolgt nachfolgend spezifisch durch einen Rezeptor in der 

Darmschleimhaut, von wo aus es als freies Vitamin B 12 

ins Blut abgegeben wird; 

Speicherung des Vitamins B 12 

erfolgt in der Leber (Vorrat reicht für 3 bis 5 Jahre); 

der Tagesbedarf an Vitamin B 12 

ist mit 3 µg sehr niedrig, was wegen der Speicherung in der 

Leber den schleichenden Ausbruch der perniziösen Anämie erklärt;


Vitamin B 12 -Mangel und perniziöse Anämie: 

Vitamin B 12 

kann weder von Pflanzen noch von Tieren hergestellt werden und nur wenige 

Bakterien sind hierzu nicht in der Lage; 

derartige Bakterienarten besiedeln den Darm von Tieren, durch die Tiere ihren Bedarf an Vitamin 

B 12 

decken (einige Tiere, z.B. Kaninchen und Corillas müssen aus diesem Grund regelmäßig 

etwas von ihrem eigenen Faeces zu sich nehmen, um ausreichenden Mengen des Vitamins zu 

erhalten….); 

Menschen nehmen Vitamin B 12 

mit der Nahrung, insbesondere durch den Verzehr von Fleisch 

und tierischer Milch auf; 

Pflanzen dagegen besitzen praktisch keine Vitamin B 12 

, wodurch strikte (menschliche) Vegetarier 

an Vitamin B 12 

-Mangel erkranken können (trifft insbesondere auf gestillte Kinder zu, deren Mütter 

keine tierischen Produkte zu sich nehmen).


Ketokörper: 

‘Schicksal‘ des bei der ß-Oxidation produzierten Acetyl-CoA: 

1) weitere Oxidation im Citronensäure-Cyclus 

2) Ketogenese (Hauptweg) 

Ketogenese: 

=Umwandlung von Acetyl-CoA in Acetoacetat oder D-ß-Hydroxybutyrat, die zusammen mit 

Aceton (nicht ganz korrekt) als ‘Ketokörper‘ bezeichnet werden. 

Ketokörper dienen als wichtige ‘Brennstoffe‘ für viele periphere Organe, vor allem für das Herz 

und die Skelettmuskulatur und sind damit energiereiche wasserlösliche Fettsäureäquivalente. 

Zusatz: Gehirn nutzt i.d.R. ausschließliche Glucose als Energiequelle (Fettsäuren können die Blut-Hirn-Schranke 

nicht passieren), schaltet jedoch bei längerem Fasten auf Ketokörper als Hauptlieferant um.


Synthese von Acetoacetat: 

verläuft in 3 Schritten: 

1) Kondensation von 2 Acetyl-CoA zu Acetoacetyl- 

CoA durch Thiolase (auch Acetyl-CoA-Acetyltransferase); 

Enzym arbeitet in umgekehrter 

Richtung wie im letzten Schritt der ß-Oxidation; 

2) Kondensation von Acetoacetyl-CoA mit einem 

dritten Acetyl-CoA unter Katalyse von HMG- 

CoA-Synthase (=ß-Hydroxy-ß-methylglutaryl- 

CoA-Synthase) unter Bildung von ß-Hydroxyß-methyl-glutaryl-CoA 

(=HMG-CoA); 

3) Abbau des HMG-CoA zu Acetoacetat und Acetyl- 

CoA in einer gemischten Aldol-Claisen-Spaltung 

durch HMG-Lyase.


HMG-CoA 

CoA-Synthase 

und HMG-CoA 

CoA-Lyase 

katalysieren in der Summe lediglich die hydrolytische 

Spaltung von Acetoacetyl-CoA 

CoA: 

Acetoacetyl-CoA + H 2 

O 

Acetoacetat + CoA 

Umsetzung durch eine einfache Hydrolysereaktion hätte zum gleichen Ergebnis geführt; 

Grund für die komplizierte Durchführung über HMG könnte eine bessere Regulation sein. 

Synthese von D-ß-Hydroxybutyrat: 

Umwandlung erfolgt in einer einfachen Reduktionsreaktion aus Acetoacetat katalysiert durch ß- 

Hydroxybutyrat-Dehydrogenase:


‘Schicksal‘ des gebildeten Acetoacetats und ß-Hydroxybutyrats: 

Abgabe beider Ketokörper aus der Leber in den Blutkreislauf 

wo es als Brennstoff für periphere Gewebe dient; 

In den Geweben erfolgt die Rückbildung von Acetyl-CoA: 

Schlüsselenzym für die Verwertung beider Ketokörper 

ist die 3-Ketoacyl-CoA-Transferase, die die Aktivierung 

von Acetoacetat (und damit auch dem Vorläufer D-ß- 

Hydroxybutyrat) katalysiert; 

In der Leber (als Produzent der Ketokörper) kommt dieses 

Enzym nicht vor, wodurch die Ketokörper in der Leber nicht 

verwertet werden können und sie dadurch anderen Geweben 

zur Verfügung stehen.


Rolle des Acetons als 3. Ketokörper: 

Bildung des Acetons erfolgt spontan (nicht-enzymatisch) aus Acetoacetat, das als ß- 

Ketocarbonsäure leicht zu Aceton und CO 2 

decarboxyliert; 

Prozeß wird als Ketoazidose bezeichnet und ist ein pathologischer Zustand, der immer dann 

auftritt, wenn Acetoacetat schneller produziert wird als es metabolisiert werden kann; 

Tritt bei Diabetis mellitus auf, der durch eine unzureichende Insulinsektretion oder mangelhafte 

Stimulation der Zielzellen durch Insulin zustande kommt, infolgedessen die Blutglucose-Konzentration 

soweit ansteigt, daß Glucose mit dem Urin ausgeschieden wird; 

Trotz der hohen Blutglucose-Konzentration leiden die Gewebe jedoch unter Glucosemangel, die 

durch eine erhöhte ß-Oxidation und Bildung von Ketokörpern kompensiert wird; 

Als Folge steigt die Ketokörper-Konzentration im Blut stark an, was zur spontanen 

Decarboxylierung von Acetoacetat und damit zur Bildung von Aceton führt, das teilweise über 

den Atem abgegeben wird (erkennbar durch charakteristisch süßen Acetongeruch des Atems). 

Zusatz: Ketokörper führen als Säuren zur einer Überlastung der Pufferkapazität von Blut und 

Niere; letztere stabilisiert den pH-Wert durch Ausscheidung von H + mit dem Urin, der von einer 

Ausscheidung u.a. von Wasser begleitet wird und zu einer schweren Dehydratation 

(verantwortlich für den starken Durst) und zur Abnahme des Blutvolumens führt. Beide 

Situationen sind lebensbedrohlich.


Biosynthese von Fettsäuren: 

In den Grundzügen aufgeklärt 1945 durch David Ritterberg und Konrad Bloch, mit 

mechanistischen Details in den späten 50er Jahren. 

Die Biosynthese von Fettsäuren erfolgt formal in Umkehrung der ß-Oxidation durch Kondensation 

von C 2 

-Einheiten; 

Im Detail existieren jedoch eine Reihe von Unterschieden zwischen Abbau und Synthese: 

1) Lokalisation (Abbau im Mitochondrium; Aufbau im Cytosol) 

2) Acyl-Gruppen-Carrier (Abbau; CoA; Aufbau: ACP (=Acyl-Carrier-Protein) 

3) Elektronen-Akzeptor/-Donor (Abbau: FAD und NAD als Akzeptor; Aufbau: NADPH als Donor) 

4) Stereochemie der Hydratisierung/Dehydratisierung (Abbau: L-ß-Hydroxyacyl-Gruppe; Aufbau: 

D-ß-Hydroxyacyl-Gruppe) 

5) die Form, in der C2-Einheiten als Produkt entstehen bzw. als Substrate verwertet werden 

(Abbau: Produkt ist die C 2 -Einheit ‘Acetyl-CoA‘; Aufbau: Donor der C 2 -Einheit ist ‘Malonyl-CoA‘)


Reaktion 1 der Fettsäurebiosynthese: 

=Umwandlung von Acetyl-CoA in Malonyl-CoA durch Acetyl-CoA-Carboxylase: 

(geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Gesamtreaktion) 

Reaktionsmechanismus analog der Propionyl-CoA-Carboxylierung über eine ATP-abhängige CO 2 

- 

Aktivierung durch Biotin und Übertragung der aktivierten Carboxygruppe auf Acetyl-CoA unter 

Bildung von Malonyl-CoA (vgl. Abbau von Fettsäuren mit ungerader Anzahl von C-Atomen).


Regulation der Acetyl-CoA 

CoA-Carboxylase: 

Acetyl-CoA-Carboxylase von Säugern und Vögeln werden durch Polymerisation reguliert; 

Monomere des Enzyms (in Form von flachen Rechtecken) lagern sich zu langen Filamenten mit 

einer molaren Masse von zwischen 4000 – 8000 kD zusammen; 

Nur diese Filamente sind katalytisch aktiv, nicht jedoch das einzelne 

Monomer! 

Geschwindigkeit der Acetyl-CoA-Carboxylase (und damit der Fettsäurebiosynthese) 

wird durch das Gleichgewicht zwischen monomerer 

(inaktiver) und filamentöser (aktiver) Form reguliert; 

Beeinflussung des Gleichgewichtes durch: Citrat (Polymerbildung); 

Palmityl-CoA als Endprodukt der Fettsäurebiosynthese (Monomerbildung); 

zusätzlich hormonelle Regulation des Gleichgewichts 

(Glucagon, Adrenalin, Noradrenalin – Monomerbildung; 

Insulin – Polymerbildung)


Reaktion 2 der Fettsäurebiosynthese: 

= eigentliche Kettenverlängerung; Hauptprodukt ist i.d.R. Palmitinsäure (C 16 

-Fettsäure); 

Kettenverlängerung wird durch die Fettsäure-Synthase (in Tieren) katalysiert, einem 

Multienzymkomplex mit einem Molekulargewicht von 500 kD, bestehend aus 2 identischen 

Polypeptidketten, die die zur Fettsäurebiosynthese notwendigen 7 enzymatischen Aktivitäten 

tragen; 

Bakterien katalysieren die Fettsäurebiosynthese mithilfe von analogen Einzelenzymen (= 7 

Einzelenzyme); 

Pflanzen synthetisieren Fettsäuren analog zu Bakterien, wobei die Fettsäuresynthese bei Pflanzen 

ausschließlich in den Chloroplasten stattfindet; 

Mit 7 unterschiedlichen Enzymaktivitäten ist die tierische Fettsäure-Synthase der Multienzymkomplex 

der die meisten Enzymaktivitäten auf einer Polypeptidkette trägt.


Schematische Darstellung der zwei identischen Polypeptidketten der d 

tierischen Fettsäure- 

Synthase-Multienzymkomplexe:


Teilreaktion 1 und 2 der Kettenverlängerung: 

= Beladung der Fettsäure-Synthase mit einem Acetyl- und Malonyl-Rest ausgehend von Acetyl- 

CoA und Malonyl-CoA durch jeweils spezifische Acyl-CoA-ACP-Transacylasen (Bestandteil des 

Fettsäure-Synthase-Komplexes): 

Übertragung des Acetyl-Restes von ACP 

auf eine Cys-Seitenkette des Enzyms 

Bindung von Malonyl-ACP 

an das Enzyms


Teilreaktion 3 der Kettenverlängerung: 

=Kondensation des Acetyl-Restes mit Malonyl-ACP katalysiert durch ß-Ketoacyl-ACP-Synthase: 

Acetoacetyl-ACP 

Reaktion verläuft über die Decarboxylierung von Malonyl-ACP; Bildung des Carbanions, Angriff 

der Acetylthioester-Bindung durch das Carbanion und Bildung des Acetoacetyl-ACP-Produktes 

unter Freisetzung der SH-Gruppe des Cys-Restes im aktiven Zentrum des Enzyms; 

Decarboxylierung dient dazu, die Reaktion anzutreiben, wobei sie über die Acetyl-CoA- 

Carboxylase-Reaktion indirekt an die Hydrolyse von ATP gekoppelt ist.


Teilreaktion 4 bis 6 der Kettenverlängerung: 

=Reduktion von Acetoacetyl-ACP zu D-ß- 

Hydroxybutyryl-ACP durch ß-Ketoacyl-ACP- 

Reduktase; 

Dehydratisierung von D-ß-Hydroxybutyryl- 

ACP zu α,ß-trans-Butenoyl-ACP durch ß-Hydroxyacyl-ACP-Dehydrase; 

Reduktion von α,ß-trans-Butenoyl-ACP zu 

Butyryl-ACP durch Enoyl-ACP-Reduktase.


Weitere Kettenverlängerung: 

durch erneute Beladung von ACP mit einer Malonylgruppe und Wiederholung der Reaktionen 

2 bis 6; 

sechsmalige Wiederholung des Cyclus führt zur Bildung von Palmityl-ACP; 

Teilreaktion 7 der Fettsäure-Synthase 

Synthase-Reaktion: 

=Spaltung der Thioesterbindung des gebildeten Palmityl-ACP durch Palmityl-Thioesterase unter 

Freisetzung von Palmitinsäure: 

Gesamtstöchiometrie der Palmitinsäure-Synthese: 

Acetyl-CoA + 7 Malonyl-CoA + 14 NADPH + 14 H + 

Palmitinsäure + 7 CO 2 

+ 14 NADP + + 8 CoA + 6 H 2 

O 

da die 7 Malonyl-CoA von Acetyl-CoA abstammen ergibt sich für die Biosynthese von 

Palmitinsäure: 

8 Acetyl-CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 14 H + 

Palmitinsäure + 14 NADP + + 8 CoA + 6 H 2 

O + 7 ADP + 7 P i


Palmitinsäure als Hauptprodukt der Fettsäure-Synthase 

ist die Vorstufe für längerkettige, 

gesättigte und ungesättigte Fettsäuren: 

Verlängerung der Fettsäurekette erfolgt durch sog. Elongasen; 

die Synthese ungesättigter Fettsäuren aus den gesättigten Vorstufen wird durch sog. 

Desaturasen katalysiert. 

Elongation: 

Erfolgt sowohl in den Mitochondrien (in formaler Umkehrung der Reaktionsschritte der Fettsäureoxidation 

durch schrittweises Anhängen weiterer Acetyl-Einheiten) als auch im endoplasmatischen 

Reticulum durch schrittweises Anhängen von Malonyl-CoA gefolgt von Reduktionen und 

Dehydratationen analog zur Fettsäure-Synthase. 

Desaturierung: 

Einführung von Doppelbindungen bei Tieren beschränkt sich hauptsächlich auf den terminalen 

Bereich von Fettsäuren; 

Grund: besitzen nur 4 verschiedene terminale Desaturasen ( 9 -, 6 -, 5 -und 4 -Fettsäure-Acyl- 

CoA-Desaturasen) die jedoch ein breites Spektrum verschieden langer Fettsäuren akzeptieren 

(Doppelbindungen an Positionen jenseits von C(9) können durch tierische Organismen jedoch 

nicht eingeführt werden).


Kombination von Elongation und Desaturierung: 

Kombination beider Reaktionen ermöglicht zwar die Synthese einer Vielzahl von ungesättigten 

Fettsäuren, dennoch sind dem tierischen Organismus Grenzen gesetzt: 

z.B.: Palmitinsäure ist die kürzeste Fettsäure die synthetisiert werden kann; 

da keine Doppelbindung jenseits von C(9) eingeführt werden kann, ist die Bildung von 

Linolsäure ( 9,12 -Octadecadiensäure) nicht möglich; 

Linolsäure ist aber eine Vorstufe zur Synthese von wichtigen körpereigenen Verbindungen 

(Prostaglandinen); 

Linolsäure muß folglich mit der Nahrung aufgenommen werden (=essentielle Fettsäure; 

Pflanzen besitzen entsprechende Desaturasen und sind damit zur Bildung von Linolsäure 

befähigt). 

Mangel an Linolsäure: 

fettfreie Nahrung (und damit Mangel an Linolsäure) führt zu verzögertem Wachstum, langsamer 

Wundheilung und Dermatitis, die zu lebendsbedrohlichen Zuständen führt; 

Linolsäure ist zudem ein wichtiger Bestandteil epidermaler Sphingolipide, die die Wasser- 

Permeabilitätsschranke der Haut aufbauen.


Regulation des Fettsäurestoffwechsels: 

Der Fettsäurestoffwechsel wird sowohl durch eine Langzeit- als auch Kurzzeitregulation 

kontrolliert: 

Kurzzeitregulation: 

erfolgt schnell und hormonell durch: 

Glucagon, Adrenalin und Noradrenalin = Aktivierung der Enzyme der Fettsäureoxidation; 

Insulin = Aktivierung der Enzyme der Fettsäurebiosynthese 

Langzeitregulation: 

Über die Konzentration der Enzyme die am Aufbau bzw. Abbau von Fettsäuren beteiligt sind; 

Fasten aber auch mehrfach ungesättigte Fettsäuren in der Nahrung inhibieren die Synthese der 

Fettsäure-Synthase und damit die Fettsäurebiosynthese; 

großes Nahrungsangebot (und damit dauerhaft hohe Insulinkonzentration) erhöht die 

Konzentration an Lipoprotein-Lipase, einem Enzym, das die Aufnahme von Fettsäuren in das 

speichernde Fettgewebe einleitet (Fasten hat einen gegenteiligen Effekt); 

Regelmäßiges sportliches Training senkt die Glucosekonzentration im Blut und führt über eine 

Veränderung des Hormongleichgewichtes zu einem langfristigen Konzentrationsanstieg der 

Enzyme der Fettsäureoxidation, die von einem Absinken der Fettsäurebiosynthese begleitet wird.


Cholesterinstoffwechsel: 

Funktion und Bedeutung von Cholesterin: 

- essentieller Bestandteil der Zellmembran; 

- Ausgangsverbindung für die Synthese von Steroidhormonen und Gallensäuren; 

Biosynthese von Cholesterin: 

Biosynthese des Cholesterins erfolgt aus Acetat: 

Acetat 

isoprenoides Intermediat Squalen Cyclisierungsprodukt Cholesterin 

(Synthesereaktionen erfolgen im Cytosol der Leber) 

Struktur des Isoprens (2-Methyl-1,3-butadien):


Struktur des aus Isopreneinheiten synthetisierten Squalens: 

Squalen: Polyisopren-Kohlenwasserstoff (C 30 -Verbindung) , der in gefalteter Form bereits die 

Vorstufen der 4 Sterrolringe enthält, aus denen Cholesterol aufgebaut ist; 

nicht nur die Vorstufe für Cholesterol, sondern auch weiterer wichtiger Isoprenoide, 

wie Ubichinon (CoQ), Dolichol oder auch Isopentenyladenosin (eine modifizierte tRNA- 

Base);


Schritt 1 der Cholesterin-Biosynthese: 

Umwandlung von Acetat in die Isoprenoidzwischen- 

produkte (i) Isopentenylpyrophosphat und (ii) Dimethylallylpyrophosphat: 

1) Bildung von Hydroxymethylglutaryl-CoA (HMG-CoA) 

mittels Thiolase und HMG-CoA-Synthase 

( s. Biosynthese von Ketokörpern) 

2) HMG-CoA-Reduktase = Schlüsselenzym der 

Cholesterinbiosynthese katalysiert die Umwandlung 

von Hydroxymethylglutaryl-CoA in Mevalonat unter 

Thioesterspaltung und Reduktion der Carboxygruppe 

von HMG-CoA zur Alkoholfunktion von Mevalonat 

3) Phosphorylierung der neugebildeten OH-Gruppe durch 

Mevalonat-5-phospho-Transferase (1. Phosphorylierung) 

und nachfolgender 2. Phosphorylierung zum 

Pyrophosphat durch Phosphomevalonat-Kinase 

4) Decarboxylierung und Dehydratisierung von Mevalonatpyrophosphat 

durch Pyrophosphomevalonat-Decarboxylase 

unter Bildung v. Isopentenylpyrophosphat


Struktur des gebildeten Isopentenylpyrophosphates: 

Isomerisierung erfolgt durch Protonierungs- und Deprotonierungsreaktion unter Katalyse der 

Isopentenylpyrophosphat-Isomerase 

Isomerase:


Biosynthese des Squalens: 

Squalen wird durch Kondensation von 6 Isopren- 

Einheiten gebildet, wobei 4 Isopentenylpyrophosphat-Einheiten 

und 2 Moleküle Dimethylallylpyrophosphat 

miteinander kondensieren: 

Synthese erfolgt in 3 Reaktionen katalysiert durch 

2 Enzyme: 

1) Kopf-Schwanz(=1‘-4)-Kondensation von Dimethylallylpyrophosphat 

und Isopentenylpyrophosphat zu 

Geranylpyrophosphat durch Prenyl-Transferase; 

2) Kopf-Schwanz-Kondensation von Geranylpyrophosphat 

mit Isopentenylpyrophosphat zu Farnesylpyrophosphat 

ebenfalls durch Prenyl-Transferase; 

3) Kopf-Kopf(1-1‘)-Kondensaton von zwei Farnesylpyrophat-Molekülen 

zu Squalen durch Squalen- 

Synthase. 

Zusatz: Kondensationsreaktionen verlaufen über eine 

ungewöhnliche Carbokation-Zwischenstufe.


Cyclisierung des Squalens führt zum Lanosterin: 

Die Cyclisierung von Squalen verläuft in zwei Schritten: 

Schritt 1: Oxidation von Squalen zu 2,3-Oxidosqualen katalysiert durch Squalen-Epoxidase:


Schritt 2: Umwandlung von 2,3-Oxidosqualen in Lanosterin 

katalysiert durch Oxidosqualen-Cyclase: 

Reaktion ist komplex und umfaßt die Cyclisierung von 2,3- 

Oxidosqualen zu einem Protosterol-Kation und die nachfolgende 

Umwandlung des Kations zu Lanosterin: 

Mechanismus: 

Bildung des Kations beginnt mit der Protonierung des 

Squalenepoxid-Sauerstoffs durch das Enzym; 

Nach Öffnung des Epoxids entsteht an dieser Stelle ein 

Elektronendefizit, dessen Verschiebung die Cyclisierung 

antreibt, durch die das Protosterol-Kation gebildet wird; 

Eliminierung eines Protons vom C(9) des Protosterol-Kations 

führt zur Bildung einer Doppelbindung, gefolgt von 

einer Reihe von 1,2-Hydrid- und Methylverschiebungen, 

die in ihrer Folge zum neutralen Lanosterin führen.


Die Synthese von Cholesterins 

aus Lanosterin erfolgt in 19 

Einzelschritten….


Weiteres ‘Schicksal‘ des Cholesterins: 

Speicherung des Cholesterins als Cholesterinester in der Leber; 

Abgabe des Cholesterins aus den Leberzellen in den Blutkreislauf und Transport zu den peripheren 

Geweben gebunden an LDL (=low density lipoprotein); 

Aufnahme des Cholesterins durch die peripheren Gewebe durch Rezeptor-vermittelte Endocytose 

und Einbau in die Zellmembran oder Speicherung als Cholesterinester; außerdem ist Cholesterin 

die Vorstufe zur Synthese von Steroidhormonen (5 Klassen: Gestagene, Glucocorticoide, Mineralocorticoide, 

Androgene und Östrogene) 

neben der de novo-Synthese wird Cholesterin mit der Nahrung aufgenommen und im Blutkreislauf 

ähnlich transportiert wie endogen synthetisiertes Cholesterin; 

Überschüssiges Cholesterin wird über den Blutkreislauf gebunden an HDL (=high density 

lipoprotein) zur Leber transportiert, über Endocytose durch die Leberzellen aufgenommen und 

über die Umwandlung in Gallensäuren beseitigt (Mechanismus verhindert die Akkumulation des in 

hoher Konzentration potentiell gefährlichen wasserunlöslichen Cholesterins).


Der quantitativ bedeutsamste Verwertungsweg des Cholesterins ist die Bildung von Gallensäuren: 

Gallensäuren werden in der Leber aus Cholesterin synthetisiert, als Konjugate mit Glycin oder 

Taurin in die Gallenblase abgegeben, von wo aus sie in den Dünndarm gelangen und als 

Emulgatoren bei der Verdauung und Absorption von Fetten und fettlöslichen Vitaminen dienen; 

die wichtigsten Gallensäuren sind Cholsäure und Chenodesoxycholsäure: 

Strukturelle Unterschiede 

zwischen Gallensäuren und 

Cholesterin: 

1) Sättigung der 5,6- 

Doppelbindung; 

2) Epimerisierung der 3ß-OH- 

Gruppe; 

3) Einführung von OH-Gruppen 

in die Position 7α und 12α; 

4) Oxidation von C(24) zu einer 

Carboxygruppe; 

5) Konjugation dieser Carboxygruppe 

mit Glycin o. Taurin.


Gallensäuren unterliegen einem effizienten Recyclingsystem: 

Sezernierte Gallensäuren werden zusammen mit resorbierten Nährstoffen wieder aufgenommen, 

über den Blutkreislauf zurück zur Leber transportiert und auf diese Weise mehrmals am Tag 

wiederverwendet; 

weniger als 1 g Gallensäure pro Tag entkommt diesem Recyclingsystem, wird von 

Microorganismen im Darm abgebaut und schließlich ausgeschieden (nur auf diesem Weg kann der 

Körper Cholesterin ausscheiden); 

Abweichungen des Cholesterin-Spiegels im Blut: 

Beobachtet wird nahezu ausschließlich ein erhöhter Cholesterin-Spiegel (=Hypercholesterinämie) 

hervorgerufen durch eine Überproduktion und/oder eine geringe Verwertung von LDL (entweder 

erblich bedingt (=familiäre Hypercholesterinämie; FH oder durch übermäßige Zufuhr mit der 

Nahrung); FH ist ein dominanter genetischer Defekt; 

unabhängig ob erblich oder durch übermäßige Zufuhr mit der Nahrung ist die Folge eine erhöhte 

Konzentration an Cholesterin und damit an LDL als Transportform des Cholesterins.


Behandlung der Hypercholesterinämie: 

Behandlung kann neben einer Cholesterin-armen Diät auf zwei Wegen erfolgen: 

1) Einnahme von Harzen, die Gallensäuren binden und damit deren Adsorption (Recycling) im 

Darm verhindern – führt zu verstärkter Ausscheidung von Gallensäuren, wodurch die Leber 

mehr Cholesterin in Gallensäuren umwandelt (führt zur Senkung des Cholesterin-Spiegels); 

‘Nebenwirkung‘: verringerte Plasmakonzentration von Cholesterin induziert gleichzeitig die 

körpereigene Cholesterin-Biosynthese, wodurch im Endeffekt der Cholesterin-Spiegel nur um 

15 bis 20% gesenkt werden kann. 

2) Behandlung mit kompetitiven Inhibitoren der HMG-Reduktase, insbesondere mit den 

Pilzprodukten Compactin und Lovastatin – führt zu einer Inhibierung und damit zu einer 

verlangsamten Cholesterin-Biosynthese; 

‘Nebenwirkung‘: Verringerung der Cholesterin-Konzentration im Blut führt zu einer verstärkten 

Biosynthese von LDL-Rezeptoren und HMG-Reduktase, Senkung des Cholesterin-Spiegel liegt 

aber immer noch bei 30%. 

Üblich ist die Kombination beider Mittel, wodurch sich der Cholesterin-Spiegel um 50 bis 60% 

senken läßt.


Arachidonsäurestoffwechsel: 

=5,8,11,14-Eicosatetraensäure 

Vorstufe von Prostaglandine und den mit ihnen verwandten Prostacycline, Thromboxane und 

Leukotriene (in ihrer Gesamtheit als Eicosanoide bezeichnet, da sie alle C 20 

-Verbindungen sind 

– griech.; eikosi, zwanzig); 

Eicosanoide besitzen wie Hormone bereits in geringer Konzentration physiologische Effekte: 

- beteiligt an Entzündungsreaktionen, insbesondere der Gelenke (rheumatoide Arthritis), 

der Haut (Psoriasis) und der Augen; 

- Entstehung von Schmerz und Fieber; 

- Blutdruckregulation; 

- Auslösung der Blutgerinnung; 

- Kontrolle mehrerer, die Fortpflanzung betreffender Funktionen (z.B. Auslösung der 

Wehen) 

- Regulation des Schlaf/Wach-Cyclus 

Entdeckt Anfang der 30er Jahre durch Ulf von Euler aufgrund ihrer uteruskontrahierenden und 

blutdrucksenkenden Wirkung; 

Name ‘Prostaglandine‘ stammt von der ursprünglichen Vermutung ihrer Bildung in der 

Prostatadrüse.


Eicosanoide: 

Im Unterschied zu Hormonen werden sie nicht über den Blutkreislauf an den Ort ihrer Wirkung 

transportiert (Eicosanoide sind chemisch und biologisch instabile Verbindungen, wobei einige von 

ihnen in vitro innerhalb von wenigen Minuten zerfallen); 

sind im Unterschied zu Hormonen lokale Mediatoren, d.h. sie wirken dort wo sie gebildet werden; 

5,8,11,14-Eicosatetraensäure 

Eicosatetraensäure: : C 20 -Fettsäure mit vier nichtkonjugierten Doppelbindungen: 

Arachidonsäure ist eine ω-6-Fettsäure (Doppelbindung an C(14) ist 6 C-Atome vom terminalen 

Kohlenstoffatom (=ω-C-Atom) entfernt); 

Fast alle Säugerzellen (mit Ausnahme der roten Blutkörperchen) produzieren Prostaglandine und 

in praktisch allen Fällen ist Arachidonsäure die synthetische Vorstufe.


Biosynthese von Arachidonsäure: 

Arachidonsäure wird durch Elongation und Dehydrierung aus Linolsäure (ebenfalls eine ω-6-Fettsäure) 

hergestellt:


Arachidonsäure ist die Synthesevorstufe der Typ 2 und 3 Prostaglandine; 

8,11,14-Eicosatriensäure 

ist der Vorläufer der Typ 1 Prostaglandine: 

Speicherung der Arachidonsäure, verestert mit Glycerin in Phospholipiden, erfolgt in der Zellmembran 

und wird bei Bedarf aus diesen freigesetzt; 

Freisetzung erfolgt durch Lipasen: 

- Phospholipase A 2 

- 1,2-Diacylglycerin-Lipase 

Corticoidsteroide inhibieren Phospholipase A 2 und wirken über die Drosslung der Arachidonsäure- 

Freisetzung entzündungshemmend.


Synthese der Prostaglandine, Prostacycline und Thromboxane erfolgt im ‘cyclischen‘ 

Weg‘ des 

Arachidonsäurestoffwechsels: 


Umwandlung von Arachidonsäure in PGH 2 

durch Prostaglandinendoperoxid-Synthase; 

Enzym besitzt 2 Aktivitäten: 

1) Cyclooxygenase-Aktivität (katalysiert die 

Addition von 2 Molekülen O 2 

an Arachidonsäure 

unter Bildung von PGG 2 

; 

2) Hydroperoxidase-Aktivität (katalysiert die 

Umwandlung der Hydroperoxid-Gruppe 

in eine OH-Gruppe in einer Glutathionabhängigen 

Reaktion; 

PGH 2 

ist die unmittelbare Vorstufe für die 

Synthese aller Typ 2-Prostaglandine, Prostacycline 

und Thromboxane.


Schicksal von PGH 2 

hängt von der relativen Aktivität der Enzyme der jeweiligen Zellen len ab: 

Blutplättchen: enthalten Thromboxan-Synthase, die die Bildung von Thromboxan A 2 

(TxA 2 

) 

katalysiert: 

Thromboxan ist ein Vasokonstriktor und stimuliert die Plättchenaggregation




Gefäßendothelzellen: enthalten Prostacyclin-Synthase, die die Bildung von Prostacyclin I 2 

(PGI 2 

) 

katalysiert: 

Prostacyclin I 2 

ist ein Vasodilator und inhibiert die Plättchenaggregation




Herzmuskelzellen: enthalten Prostaglandin-Synthasen, die die Bildung verschiedener Prostaglandine 

katalysieren: 

PGD 2 

, PGE 2 

und PGF 2α 

werden von Herzmuskelzellen in ungefähr gleichen Mengen synthetisiert.


Nichtsteroidale Antiphlogistika inhibieren die Synthese von Prostaglandinen, Prostacyclinen 

und Thromboxanen: 

Inhibitionsmechanismus: Hemmung der Cyclooxygenase-Aktivität der Prostaglandinendoperoxid- 

Synthase 

z.B.: Acetylsalicylsäure (Aspirin) inhibiert die Cyclooxygenase-Aktivität irreversibel durch 

Acetylierung des Enzyms; 

langfristige Anwendung in geringer Dosis kann die 

Wahrscheinlichkeit von Herzinfakten und Schlaganfällen 

verringern (Effekt basiert auf der selektiven Hemmung 

der Plättchenaggregation und damit der Bildung von 

Blutgerinnseln)


Nichtsteroidale Antiphlogistika inhibieren die die Synthese von Prostaglandinen, Prostacyclinen 

und Thromboxanen: 

Auswahl anderer nichtsteroidaler entzündungshemmender Pharmaka:


Synthese von Leukotrienen erfolgt im ‘linearen Weg‘ des Arachidonsäurestoffwechsels: 

Vorkommen: Leukotriene werden von einer Vielzahl von Zellen gebildet: 

Leukocyten; Mastzellen (=Bindegewebszellen, die aus dem blutbildenden Gewebe 

stammen); Lunge; Milz; Gehirn und Herz; 

Funktion: lösen die Kontraktion der glatten Gefäßmuskulatur, der Bronchien und des Magen- 

Darm-Traktes aus; 

bedeutsam für anaphylaktische und allergische Reaktionen (u.U. sogar mit tödlicher 

Wirkung) und an der Entstehung von Asthma 

sind bereits in extrem geringer Konzentration wirksam (bis zu 10 -10 mol/L) 

Biosynthese: beginnt mit der Oxidation von Arachidonsäure zu 5-Hydroperoxyeicosatetraensäure 

(5-HPETE) 

Lipoxygenase 

O 2


Bildung von Leukotrienen aus 5-HPETE 5 

über 

das instabile Epoxid Leukotrien A 4 

: 

(…Index ‘4‘ kennzeichnet die Zahl der Doppelbindungen) 

Synthese: 

1) Beginnt mit der Bildung des instabilen 

Epoxids Leukotrien A 4 

(LTA 4 

); 

2) Addition von Glutathion über dessen SH- 

Gruppe an das Epoxid unter Bildung von 

Leukotrien C 4 

(=erstes Peptidoleukotrien); 

3) Alternativ zu 2) kann LTA 4 

zu Leukotrien 

B 4 

durch Leukotrien-A 4 -Hydrolase umgesetzt 

werden; 

4) Umsetzung von LTC 4 

zu LTD 4 

durch 

Abspaltung des Glutaminsäure-Restes 

durch γ-Glutamyl-Transferase; 

5) Abspaltung des Glycin-Restes von LTD 4 

durch Dipeptidase unter Bildung von LTE 4


Marine Fette können die Konzentrationen von Cholesterin, Prostaglandinen und Leukotrienen 

senken: 

Meerestierfette enthalten einen hohen Anteil an mehrfach ungesättigten Fettsäuren mit 

5,8,11,14,17-Eicosapentaensäure (EPA; =ω-3-Fettsäure) als Hauptbestandteil; 

EPA hemmt die Bildung von Thromboxan A 2 

und ist selbst eine Ausgangsverbindung für Typ-5- 

Leukotriene, die physiologisch weitaus weniger aktiv sind als die Arachidonsäure-Derivate (=Typ- 

4-Leukotriene); 

führt zur Senkung der Häufigkeit und Stärke von Entzündungsreaktionen an denen Leukotriene 

und Prostaglandine beteiligt sind und senkt darüber hinaus die Plasmakonzentration von 

Cholesterin und Triacylglycerinen; 

Volksguppen die sich überwiegend von Meerestieren ernähren (z.B. Eskimos Grönlands), leiden 

kaum unter koronaren Herzerkrankungen und Thrombosen, obwohl ihre Nahrung reichlich 

Cholesterin und Fett enthält.


Stoffwechsel der Phospholipide und Glycolipide: 

Phospholipide und Glycolipide sind sog. ‘komplexe Lipide‘, die aus einem Glycerin- oder Ceramid- 

Grundkörper mit (unpolaren) Fettsäure-Resten und einer (polaren) Kopfgruppe (Kohlenhydrat 

oder Phosphat-Rest) aufgebaut sind = doppelschwänzige amphibatische Moleküle 

Phospholipide und Glycolipide sind die wichtigsten Lipidbestandteile biologischer Membranen 

Grundkörper: 

Von beiden Grundkörpern leiten sich zwei Klassen von Phospho- und Glycolipiden ab: 

1) Glycerophospholipide / Glyceroglycolipide 

2) Sphingophospholipide / Sphingoglycolipide


Allgemeine Struktur der Glycerolipide und Shingolipide: 

(sn…stereospecific numbering: entspricht einer stereospezifischen Nummerierung, wobei diejenige Gruppe, die 

in pro-S-Konfiguration zu einem prochiralen Zentrum steht, mit 1 bezeichnet wird) 

häufige Kopfgruppen X


Häufig vorkommende polare Kopfgruppen:


Glycerophospholipide: 

Entsprechend zuvor gezeigtem Aufbau, wobei am C(1) i.d.R. gesättigte und am C(2) i.d.R. ungesättigte 

Fettsäuren gebunden sind. 

Biosynthese: 

Synthese erfolgt ausgehend von 1,2-Diacyl-sn-glycerin (auch Ausgangsverbindung für die 

Synthese von Triacylglycerinen) unter Veresterung mit den polaren Kopfgruppen unter Bildung 

der charakteristischen Phosphodiester-Bindung; 

Beispiel: Synthese von Phosphatidylethanolamin 

und Phosphatidylcholin (Lecithin) 

1) ATP abhängige Phosphorylierung der OH- 

Gruppe von Cholin bzw. Ethanolamin unter 

Bildung von Phosphorylethanolamin bzw. 

Phosphorylcholin durch Ethanolamin-/Cholin- 

Kinase


Biosynthese von Phosphatidylethanolamin / Phosphatidylcholin: 

Schritt 2 der Biosynthese: 

Übertragung von Phosphoethanolamin /Phosphocholin 

auf CTP (Cytidintriphosphat) unter Bildung 

aktivierter CDP-Ethanolamin-/-CDP-Cholin-Kopfgruppen 

katalysiert durch spezifische Transferasen; 

Schritt 3: 

Transferase-katalysierte Übertragung der aktivierten 

Kopfgruppen auf die C(3)-OH-Gruppe von 

1,2-Diacyl-sn-glycerin unter Abspaltung von CMP 

und Bildung der Endprodukte Phosphatidylethanolamin 

und Phosphatidylcholin 

Zusatz: Phosphatidylcholin ist Hauptbestandteil des Oberflächensekrets 

der Lunge und verhindert ihr Kollabieren 

beim Ausatmen (Mangel ist für das Atemnotsyndrom 

– acute respiratory distress syndrome ARDS – von Frühgeborenen 

verantwortlich)


Plasmalogen und Alkylacylglycerophospholipid: 

beide Glycerophospholipide sind in bedeutenden Mengen in der Membran eukaryotischer Zellen 

enthalten; 

Plasmalogene: 

besitzen eine Kohlenwasserstoffkette am C(1), 

die über eine Vinyletherbindung gebunden ist 

Alkylacylglycerophospholipide: 

Kohlenwasserstoffkette am C(1) ist über eine 

Etherbindung gebunden


Biosynthese von 

Plasmalogenen und 

Alkylacylglycero- 

phospholipiden: 

1) Austauch der Acylgruppe von 1-Acyldihydroxyacetonphosphat gegen Alkohol 

2) Reduktion der Keton-Funktion zum 1-Alkyl-sn-glycerin-3-phosphat 

3) Acylierung der gebildeten C(2)-OH-Gruppe durch Acyl-CoA 

4) Hydrolyse der Phosphorylgruppe 

5) Veresterung der C(3)-OH-Gruppe mit der aktivierten Kopfgruppe 

6) bei Plasmalogenen: Einführung einer Doppelbindung in den Alkyl-Rest


Sphingophospholipide: 

kommen nur in geringen Mengen in pflanzlichen und tierischen Geweben vor; 

wichtigster Vertreter ist das Sphingomyelin (=N-Acylsphingosinphosphocholin), einem wichtigen 

Strukturlipid der Membran von Nervenzellen; 

besonders hohe Konzentration findet sich in den Myelinscheiden von Nervenzell-Axonen, die die 

Axone elektrisch isoliert (Reizleitung); 

Synthese: 

häufige Fettsäuren: 

Palmitinsäure (16:0); 

Stearinsäure (18:0); 

weniger häufig: 

Nervonsäure (24:1); 

Behensäure (22:0)


Sphingoglycolipide: 

deutlich häufiger als Sphingophospholipide; 

Hauptklassen der Sphingoglycolipide: 

bestehen aus Ceramid und Kohlenhydrat, wobei 

letzteres über eine glycosidische Bindung mit der 

C(1)-OH-Gruppe des Ceramids verknüpft ist; 

unterscheiden sich hauptsächlich in der Art und Anzahl 

der Kohlenhydrateinheiten.


Biosynthese der Sphingoglycolipide: 

Schritt 1: Biosynthese des Ceramids als Vorläufer aller Sphingoglycolipide: 

Synthese des Ceramids erfordert 4 Reaktionen und geht von Palmityl-CoA und Serin aus: 

1. Kondensation von Palmityl-CoA und Serin unter 

Bildung von 3-Ketosphinganin und CO 2 

2. Reduktion der Ketogruppe von 3-Ketosphinganin 

zum Alkohol unter Bildung von Sphinganin


Biosynthese der Sphingoglycolipide: 

3. Acetylierung der 2-Aminogruppe von Sphinganin 

durch Acetylgruppenübertragung mittels 

Acetyl-CoA unter Bildung von Dihydroceramid 

4. Oxidation von Dihydroceramid zum Ceramid


Biosynthese der Cerebroside: 

Biosynthese erfolgt durch Addition UDP(=Uridindiphosphat)-aktivierter Glycosyleinheiten an 

Ceramid; 

häufigste Vertreter: Galactocerebrosid (kommt im Gehirn vor) und Glucocerebrosid (seltener und 

dient vor allem als Synthesevorstufe der Goloboside und Ganglioside) 

Biosynthese der Sulfatide: 

Sulfatide (=Galactocerebrosid-3-sulfat) machen 15% der weißen Substanz des Gehirns aus; 

Biosynthese erfolgt aus Galactocerebrosid durch Übertragung einer aktivierten Sulfatgruppe auf 

die C(3)-OH-Gruppe des Galactose-Restes:


Biosynthese der Globoside und Ganglioside: 

Biosynthese erfolgt durch schrittweise Verlängerung der Kohlenhydratkette durch spezifische 

Glycosyltransferasen; 

Aktivierung der Glycosyleinheiten analog zur Synthese der Cerebroside mittels Uridindiphosphat 

(UDP). 

Abbau der Sphingoglycolipide: 

Abbau erfolgt in den Lysosomen (=Zellorganellen mit hoher Konzentration an Hydrolasen); 

Abbau-Prozeß: Hydrolye der Kohlenhydrateinheiten durch Glycosidasen 

Abspaltung der Sulfatgruppe mittels Sulfatase 

Hydrolyse der Fettsäuren durch Lipasen 

Phospholin-Abspaltung durch Esterase 

Angeborener Mangel eines dieser Enzyme führt zu einer Sphingolipid-Speicherkrankheit, die 

anfangs häufig unauffällig sind und erst mit fortschreitender Akkumulation des nicht abgebauten 

Sphingolipids auftritt (dann aber häufig mit schwersten Symptomen):


Sphingolipid-Speicherkrankheiten: 

Speicherkrankheiten: 

am häufigsten: Tay-Sachs-Krankheit

Stoffwechsel: Aminosäurestoffwechsel 

Aminosäurestoffwechsel 

1) Hauptwege des Aminosäureabbaus 

2) Harnstoff-Cyclus 

3) Metabolischer Abbau einzelner Aminosäuren 

4) Aminosäuren als Vorstufen bei Biosynthesen 

5) Aminosäure-Biosynthese 

6) Stickstoff-Fixierung


Hauptwege des Aminsäureabbaus: 

Abbau von Aminosäuren wird mittels dreier Hauptreaktionen eingeleitet: 

1) Desaminierung (Entfernung der Aminogruppe) 

2) Einbau der Stickstoffatome in Harnstoff und Ausscheidung 

3) Umwandlung des Kohlenstoffgerüsts der Aminosäuren in Metabolite des Stoffwechsels 

Aminosäure-Desaminierung 

Desaminierung: 

=Entfernung der α-Aminogruppe von Aminosäuren; 

Aminosäure-Desaminierung ist fast immer die erste Reaktion beim Abbau einer Aminosäure; 

trennt das Kohlenstoffgerüst vom Stickstoff, mit dem Ziel überschüssigen Stickstoff 

auszuscheiden und das Kohlenstoffgerüst abzubauen; 

Desaminierung der meisten Aminosäuren erfolgt zunächst durch Transaminierung; 

Transaminierung ist die Übertragung der α-Aminogruppe auf eine α-Ketocarbonsäure:


Transaminierung: 

Reaktion 1: 

Übertragung der α-Aminogruppe der abzubauenden Aminosäure auf α-Ketoglutarat (= bedeutendster 

Aminogruppen-Akzeptor bei der Transaminierung zum Zwecke des Aminosäureabbaus): 

Aminosäure + α-Ketoglutarat 

α-Ketocarbonsäure + Glutamat 

Transaminierungsreaktionen werden durch Aminotransferasen (=Transaminasen) katalysiert; 

Reaktion 2: 

Desaminierung von Glutamat unter Rückbildung von α-Ketoglutarat: 

Glutamat + NAD + + H 2 

O α-Ketoglutarat + NH 3 

+ NADH + H + 

Reaktion verläuft unter der Katalyse von Glutamat-Dehydrogenase


Transaminierung von Aminosäuren läuft in 2 Schritten ab: 

Schritt 1: 

Übertragung der Aminogruppe auf das Enzym unter Bildung der analogen Ketocarbonsäure und 

des aminierten Enzyms: 

Aminosäure + Enzym α-Ketocarbonsäure + Enzym-NH 2 

Schritt 2: 

Übertragung der Aminogruppe vom aminierten Enzym auf den Ketocarbonsäure-Akzeptor (z.B. 

α-Ketoglutarat) unter Bildung der entsprechenden Aminosäure (z.B. Glutaminsäure) und 

Regenerierung des Enzyms: 

α-Ketoglutarat + Enzym-NH 2 

Glutamat + Enzym 

Als Aminogruppenakzeptor von Transaminasen 

dient das Coenzym Pyridoxyl-5‘-phosphat 

(PLP), ein Derivat von Pyridoxin (Vitamin B6):


Transaminasen: 

unterscheiden sich in ihrer Substratspezifität für die zu transaminierende Aminosäure, wobei ein 

breites Spektrum an Aminosäuren transaminiert werden kann (Bildung einer Vielzahl von α-Ketocarbonsäuren; 

als Ketocarbonsäure-Substrat wird von den meisten Transaminasen jedoch lediglich α-Ketoglutarat 

und in geringerem Maße Oxalacetat akzeptiert; 

folglich werden als Aminosäure-Produkte hauptsächlich Glutamat oder Aspartat bei der 

Transaminierung von Aminosäuren gebildet, wobei beide durch die Glutamat-Aspartat- 

Aminotransferase ineinander konvertierbar sind; 

Glutamat und Aspartat sind die beiden Aminogruppendonatoren bei der Synthese von Harnstoff, 

der Ausscheidungsform überschüssigen Stickstoffs bei Landsäugetieren; 

Die Harnstoffsynthese erfolgt im Harnstoff-Cyclus.


Harnstoff-Cyclus 

– Allgemeines I: 

Grundsätzliche Ausscheidungsformen für überschüssigen Stickstoff durch Organismen: 

1) direkte Abgabe von Ammoniak: erfolgt durch im Wasser lebende Tiere direkt an das 

umgebende Medium; 

2) Umwandlung von Ammoniak in die weniger toxische Harnsäure: bei Vögeln und 

landlebenden Reptilien; 

3) Umwandlung des Ammoniaks in Harnstoff: bei landlebenden Säugetieren 

Ammoniakausscheider: ammonotelische Organismen; 

Harnsäureausscheider: uricotelische Org.; 

Harnstoffausscheider: ureotelische Org. 

Einige Organismen können bei Wasserknappheit die Ausscheidungsform wechseln.



– Allgemeines II: 

Harnstoffsynthese erfolgt in der Leber durch die Enzyme des Harnstoff-Cyclus; 

Abgabe des synthetisierten Harnstoffs in den Blutkreislauf; 

Entfernung des Harnstoffs aus dem Blut durch die Niere und Ausscheidung mit dem Urin; 

Aufklärung des Harnstoff-Cyclus erfolgte 1932 durch Hans Krebs und Kurt Henseleit (erster 

Cyclus der überhaupt aufgeklärt wurde); 

Nettoreaktion des Harnstoff-Cyclus 

Cyclus: 

NH 3 

+ HCO 3 - + Aspartat + 3ATP 

Harnstoff + Fumarat + 2ADP + 2P i + AMP + PP i 

Herkunft der Atome des Harnstoffs: 

Kohlenstoffatom aus HCO 3 

- 

Ammoniak 

(aus Glutamat) 

aus Aspartat



Cyclus: 

besteht aus insgesamt 5 

enzymatischen Reaktionen, 

wovon 2 in den Mitochondrien 

und 3 im Cytosol der Leberzellen 

ablaufen



Cyclus: 

Vorgelagerte Reaktion: 

Aktivierung und Kondensation von NH + 4 

und HCO - 3 

zu Carbamoylphosphat unter gleichzeitiger 

Hydrolyse von 2 ATP katalysiert durch Carbamoylphosphat-Synthetase; 

Reaktionsmechanismus: 

Reaktion läuft vermutlich in 3 Schritten ab: 

1) Aktivierung von HCO - 3 

durch ATP unter Bildung von Carbonylphosphat und ADP; 

2) Angriff von Ammoniak auf Carbonylphosphat unter Abspaltung von P i und Bildung von 

Carbamat; 

3) Phosphorylierung von Carbamat durch eine zweites ATP unter Bildung des finalen Produktes 

Carbamoylphosphat und ADP 

Reaktion ist irreversibel und bildet den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Harnstoff- 

Synthese.



Cyclus: 

Reaktion 1: 

Übertragung der Carbamoyl-Gruppe von Carbamoylphosphat auf Ornithin unter Bildung von 

Citrullin katalysiert durch Ornithin-Transcarbamylase; 

Ornithin gelangt über ein spezifisches Transportsystem in die Mitochondrien, während Citrullin 

über eine analoges System aus den Mitochondrien in das Cytosol transportiert wird. 

Zusatz: weder Ornithin noch Citrullin kommen als Aminosäuren in Proteinen vor.



Cyclus: 

Reaktion 2: 

Einbau des zweiten Stickstoffatoms durch Kondensation 

der Ureido-Gruppe des Citrullins mit der Aminogruppe 

von Aspartat katalysiert durch Argininsuccinat- 

Synthetase; 

Mechanismus: 

Aktivierung des Ureidosauerstoffs von Citrullin durch 

Bildung eines Citrullyl-AMP-Zwischenproduktes; 

Verdrängung des AMP‘s durch die Aminogruppe des 

Aspartats untere Bildung von Argininsuccinat.



Cyclus: 

Reaktion 3: 

Spaltung von Argininsuccinat in Arginin und Fumarat unter Katalyse von Arginin-Succinase; 

Arginin fungiert als unmittelbare Vorstufe des Harnstoffs; 

Zusatz: Harnstoff-Cyclus ist über das Produkt Fumarat bzw. das Substrat Aspartat (das durch 

Transaminierung von Oxalacetat entsteht) mit dem Citronensäure-Cyclus gekoppelt.



Cyclus: 

Reaktion 4: 

=letzte Reaktion des Harnstoff-Cyclus; 

Hydrolyse des Arginins unter Bildung von Harnstoff und Ornithin 

katalysiert durch die Arginase; 

Rücktransport des Ornithins ins Mitochondrium und erneuter Start 

des Cyclus; 

Resultat: 

Umwandlung von Ammoniak in das weniger toxische Exkretionsprodukt 

Harnstoff auf Kosten von 4 energiereichen Phosphatbindungen 

(3 ATP liefern 2 ADP, 2 P i , AMP und PP i , wobei PP i 

rasch zu 2 P i hydrolysiert wird); 

Energieaufwand wird jedoch durch die Energie, die während der 

Bildung der Substrate des Harnstoff-Cyclus freigesetzt wird 

überkompensiert (Rückumwandlung von Fumarat über Oxalacetat 

zu Aspartat (im Citronensäure-Cyclus) liefert 3 ATP; vorgelagerte 

Glutamat-Dehydrogenase-Reaktion liefert weitere 3 ATP =6 ATP)


Regulation des Harnstoff-Cyclus 

Cyclus: 

Kontrolle des Schrittmacherenzyms des Harnstoff-Cyclus (Carbamoylphosphat-Synthetase) erfolgt 

allosterisch durch N-Acetylglutamat; 

Erhöhung der Konzentration an N-Acetylglutamat ist die Folge eines erhöhten Aminosäureabbaus 

und des daraus folgenden Überschusses an Stickstoff, der ausgeschieden werden muss; 

erhöhter Abbau von Aminosäuren führt zur verstärkten Bildung von Glutamat aus den Transaminierungsreaktionen, 

das nachfolgend enzymatisch in N-Acetylglutamat umgewandelt wird und 

die Aktivität des Schrittmacherenzyms stimuliert und damit die Geschwindigkeit des Harnstoff- 

Cyclus erhöht (alle nachfolgenden Enzyme werden durch Substratverfügbarkeit reguliert); 

Anomalien: 

angeborener Mangel an Enzymen des Harnstoff-Cyclus führt i.d.R. nicht zu einer signifikanten 

Reduktion der Harnstoffproduktion (Enzyme sind Substrat-reguliert, Enzym ist nicht limitierend); 

allerdings führt Enzymmangel zur Akkumulation des jeweiligen Substrates, wodurch sich die 

Konzentration an Ammoniak im Blut erhöht (Hyperammonämie); 

Ammoniak ist toxisch (insbesondere für das Gehirn) und führt zu Symptomen wie geistige 

Retardierung und Lethagie); 

völliges Fehlen eines Enzyms führt dagegen bereits kurz nach der Geburt zum Tod.


Metabolischer Abbau einzelner Aminosäuren: 

Abbauprodukte von Aminosäuren sind i.d.R. Intermediate des Citronensäure-Cyclus oder deren 

Vorstufen die entweder vollständig zu CO 2 

oxidiert werden in der Gluconeogenese 

(Glycogen=Speicherform von Kohlenhydraten) eingesetzt werden; 

oxidativer Aminosäureabbau liefert typischerweise 10 – 15% der im Stoffwechsel erzeugten 

Energie eines Tieres; 

bedingt durch die unterschiedliche Struktur des Kohlenstoffgerüstes der 20 proteinogenen 

Aminosäuren läuft die Umwandlung in Zwischenprodukte des Citronensäure-Cyclus auf 

unterschiedlichen Wegen ab; 

Abbau der Standardaminosäuren liefert 7 verschiedene Intermediate des Stoffwechsels (Pyruvat, 

α-Ketoglutarat, Succinyl-CoA, Fumarat, Oxalacetat, Acetyl-CoA und Acetoacetat); 

die Aminosäuren können je nach katabolischem Weg entsprechend des gebildeten Abbau- 

Intermediates in glucogene Aminosäuren (liefern die Glucosevorstufen Pyruvat, α-Ketoglutarat, 

Succinyl-CoA, Fumarat, Oxalacetat) oder ketogene Aminosäuren (liefern die Fettsäurevorstufe 

Acetyl-CoA oder den Ketokörper Acetoacetat) eingeteilt werden; 

z.B. Alanin ist glucogen, da sein Transaminierungsprodukt Pyruvat liefert, das als Ausgangs- 

Substrat für die Synthese von Glucose dienen kann;


Metabolischer Abbau einzelner Aminosäuren: 

z.B. Leucin und Lysin dagegen sind als einzige Aminosäuren ketogen und liefern als Abbauprodukte 

Acetyl-CoA und Acetoacetat (Tiere verfügen nicht über einen Stoffwechselweg der Acetyl- 

CoA und Acetoacetat in Glucose umwandeln kann!) 

Isoleucin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Tyrosin sind dagegen sowohl glucogen als 

auch ketogen und liefern damit Vorstufen sowohl für die Kohlenhydrat- wie auch 

Fettsäuresynthese. 

Aminosäuren die als Abbauprodukt Pyruvat liefern: 

Gruppe umfaßt 5 Aminosäuren (Alanin, Cystein, Glycin, Serin und Threonin); 

Alanin: 

Serin: 

Cystein: 

Glycin: 

Umwandlung in Pyruvat durch Transaminierung 

Umwandlung in Pyruvat durch Eliminierung von Wasser durch Serin-Dehydratase 

Umwandlung in Pyruvat kann auf mehreren Routen erfolgen, wobei die Sulfhydrylgruppe 

entweder als H 2 

S, SO 2- 3 

oder SCN - abgespalten wird 

Umwandlung in Pyruvat erfolgt über die Bildung von Serin durch den Transfer einer 

C 1 

-Einheit und nachfolgender Umwandlung des Serins in Pyruvat


Aminosäuren die als Abbauprodukt Pyruvat liefern: 

Threonin: Abbau erfolgt durch Spaltung in Glycin und Acetaldehyd katalysiert durch Serin- 

Hydroxymethylthransferase (reversible Reaktion): 

Weiterer Abbau des Glycins zu Pyruvat und rasche Oxidation des freigesetzten Acetaldehyds zu 

Acetyl-CoA (Threonin ist somit glucogen als auch ketogen).


Aminosäuren die als Abbauprodukt Oxalacetat liefern: 

Gruppe umfaßt 2 Aminosäuren (Asparagin und Asparaginsäure); 

Asparaginsäure: 

Umwandlung in Oxalacetat durch Transaminierung: 

Asparagin: 

Umwandlung in Oxalacetat durch Überführung in 

Asparaginsäure katalysiert durch Asparaginase:


Aminosäuren die als Abbauprodukt α-Ketoglutarat 

liefern: 

Gruppe umfaßt 5 Aminosäuren (Arginin, Glutaminsäure, Glutamin, Histidin und Prolin); 

Arginin, Glutamin, Histidin und Prolin werden dabei zunächst zu Glutaminsäure umgewandelt, das 

dann durch Glutamat-Dehydrogenase in α-Ketoglutarat überführt wird; 

Abbauwege vor allem für das Histidin komplexer. 

Aminosäuren die als Abbauprodukt Succinyl-CoA 

liefern: 

Gruppe umfaßt 3 Aminosäuren (Isoleucin, Methionin und Valin); 

Abbauwege sind komplex und führen zunächst zu Propionyl-CoA, dem Abbauprodukt 

ungeradzahliger Fettsäuren; 

Propionyl-CoA wird in einer Reaktionsfolge unter Beteiligung von Biotin und Coenzym B 12 

schließlich zu Succinyl-CoA umgewandelt (s. Abbau ungeradzahliger Fettsäuren). 

Zusatz: Defekt beim Abbau von verzweigtkettigen Aminosäuren (Isoleucin, Valin, Leucin) führt 

zur Akkumulation ihrer Transaminierungsprodukte (=analogen α-Ketocarbonsäuren), die mit dem 

Urin ausgeschieden werden und den für Ahornsirup charakteristischen Geruch haben (‘Ahornsirup-Krankheit‘)


Aminosäuren die als Abbauprodukt Acetoacetat und Acetyl-CoA 

liefern: 

Gruppe umfaßt 2 Aminosäuren (Leucin und Lysin); 

Leucin: 

Umwandlung in Acetoacetat und Acetyl-CoA erfolgt durch eine Kombination von 

Reaktionen der ß-Oxidation und der Ketokörpersynthese; 

Reaktionsfolge: Leucin α-Ketoisocapronsäure Iovalyryl-CoA ß-Methylcrotonyl- 

CoA ß-Methylglutaconyl-CoA ß-Hydroxy-ß-methylglutaryl-CoA 

(HMG-CoA) Acetyl-CoA + Acetoacetat 

Lysin: 

Abbau erfolgt in 11 Einzelreaktionen ebenfalls durch Kombination von Reaktionen der 

ß-Oxidation und der Ketokörpersynthese. 

Zusatz: 

Defekt im Schlüsselenzym des Lysinabbaus (Enzym 1 des Abbauweges=Saccharopin- 

Dehydrogenase) führt zur Hyperlysinämie und Hyperlysinurie (erhöhter Lysinspiegel im 

Blut bzw. Urin), die mit geistiger und körperlicher Unterentwicklung einhergehen. 

Tryptohan wird zu Alanin und Acetyl-CoA 

abgebaut: 

Abbau ist noch komplexer als der des Lysins und erfordert 16(!) Einzelreaktionen…


Phenylalanin und Tyrosin werden zu Fumurat und Acetoacetat abgebaut: 

Phenylalanin: 

Tyrosin: 

Umwandlung zunächst in Tyrosin 

Abbau des Tyrosins erfolgt unter Ringöffnung in insgesamt 5 Reaktionen 

Anomalien des Phenylalanin- und Tyrosin-Abbaus: 

Alkaptonurie: Defekt des Enzyms Homogentisat-Dioxygenase (Enzym 4 des Phe-, Tyr-Abbaus); 

führt zur Akkumulation und Ausscheidung großer Mengen an 

Homogentisinsäure; Symptome: relativ milde und zeigen sich erst im 

Erwachsenenalter, typischerweise tritt Arthritis auf und infolge der Luftoxidation 

des ausgeschiedenen Homogentisats färbt sich der Urin dunkel. 

Alkaptonurie=erste Erbkrankheit die den Zusammenhang zum vererbten Enzymdefekt 

zeigte 

Phenylketonurie: Defekt des Enzyms das die Umwandlung von Phe zu Tyr katalysiert; 

führt zur Erhöhung des Phe-Spiegels im Blut (Phenylalaninämie), wobei das 

überschüssige Phe auf einem sonst unbedeutenden Stoffwechselweg zu 

Phenylpyruvat transaminiert wird; Ausscheidung von Phenylpyruvat 

(=Phenylketon) war namensgebend;


Folgen und Behandlung von Phenylketonurie: 

bei Nichtbehandlung sofort nach der Geburt kommt es innerhalb weniger Monate zu schweren 

geistigen Schäden; 

man schätzt das 1% der Patienten in psychiatrischen Anstalten Phenylketonuriker sind… 

Behandlung erfolgt durch Phe-armen Diät unter ständiger Überwachung des Phe-Spiegels in den 

ersten 5 bis 10 Lebensjahren (die o.g. negativen Auswirkungen verschwinden nach dieser Zeit); 

Phänotyp zeigt sich auch in einer hellen Haar- und Hautfarbe; 

Ursache ist, dass ein hoher Phe-Spiegel ein Enzym zur Bildung des schwarzen Hautpigments 

Melanin inhibiert; 

Hyperphenylalaninämie kann auch andere Ursachen haben: 

z.B. Mangel von Enzymen für die Regeneration eines sehr spezifischen Cofaktors, der für die 

Umwandlung von Phe in Tyr benötigt wird (Tetrahydrobiopterin); 

gleicher Cofaktor wird auch im Gehirn für die Synthese der Neurotransmitter Noradrenalin und 

Serotonin benötigt; 

Solchen Patienten muß zusätzlich Dihydroxyphenylalanin (DOPA) und Hydroxytrypthophan als 

Vorstufen der Neurotransmitter verabreicht werden.


Aminosäuren als Vorstufen bei Biosynthesen: 

Aminosäuren sind Vorstufen wichtiger Biomoleküle wie Nukleotide, Coenzyme, Häm, Hormone, 

Neurotransmitter etc. 

1) Häm-Synthese: 

Synthese des Häms erfolgt aus Glycin und Acetat; 

genetische Defekte der Häm-Synthese führen zur 

Anhäufung von Synthesevorstufen und werden 

in ihrer Gesamtheit zu einem Phänotyp der als 

Porphyrie zusammengefaßt wird bezeichnet; 

Symptome: Rotfärbung des Urins; Ablagerung in den 

Zähnen (rotbraune Fluoreszenz); lichtempfindliche 

Haut die zur Bildung von Geschwüren und entstellenden 

Narben neigt; verstärkter Haarwuchs im Gesicht und 

Extremitäten


2) Synthese physiologisch aktiver Amine: 

Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin, Serotonin (5-Hydroxytryptamin), γ-Aminobuttersäure (GABA) 

und Histamin sind Hormone und Neurotransmitter, die von Aminosäuren abstammen; 

Verbindungen entstehen durch Decarboxylierung der entsprechenden Aminosäuren und werden 

in ihrer Gesamtheit als ‘biogene Amine‘ bezeichnet; 

Auswahl der physiologischen Funktion einiger biogener Amine: 

Adrenalin: Stimulierung des Glycogenabbaus 

Dopamin: Neurotransmitter, dessen Fehlen Parkinson (degenerativer Zustand, der zur 

Schüttellähmung führt) auslöst 

Serotonin: Kontraktion der glatten Muskulatur 

GABA: 

Hauptneurotransmitter im Gehirn, der an 30% der Synapsen freigesetzt wird 

Histamin: Kontrolle der Säuresekretion des Magens; allergische Reaktionen


Synthese von Histamin und GABA: 

Bildung von Histamin und GABA erfolgt in einer einstufigen Synthese durch Decarboxylierung von 

Histidin und Glutaminsäure: 

Synthese von Serotonin: 

erfolgt aus Tryptophan in einer zweistufigen Reaktion, wobei der Decarboxylierung eine 

Hydroxylierung von Tryptophan vorausgeht


Synthese von Serotonin: 

Synthese von Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin (sog. Catecholamine):


Synthese der Catecholamine: 

ausgehend von Tyrosin in 4 Schritten: 

1) Hydroxylierung von Tyrosin zu 3,4-Dihydroxyphenylalanin (=DOPA) 

2) Decarboxylierung von DOPA zu Dopamin 

3) zweite Hydroxylierung führt zur Bildung von Noradrenalin 

4) Methylierung der Aminogruppe von Noradrenalin unter Bildung von Adrenalin 

Welches der verschiedenen Catecholamine gebildet wird hängt vom individuellen Enzymstatus 

der jeweiligen Zellen ab: 

hormonproduzierendes Rückenmark: 

hauptsächlich Adrenalin 

im Gehirn lassen sich einzelne Bereiche unterscheiden: 

Bereiche mit Noradrenalin als Hauptprodukt 

Bereiche mit Dopamin als Hauptprodukt (substantia nigra; Ursache von Parkinson ist ein 

Dopamin-Mangel durch Degeneration der substantia nigra; teilweise Behandlung durch die 

Gabe von DOPA möglich, das die Blut-Hirn-Schranke überwinden kann und im Gehirn zu 

Dopamin decarboxyliert wird (Dopamin direkt kann die Blut-Hirn-Schranke nicht passieren)


3) Synthese von Glutathion: 

Tripeptid bestehend aus Glu, Cys und Gly mit ungewöhnlicher γ-Amidbindung: 

Funktion: bedeutsam bei einer Reihe von Entgiftungs-, Transport- und Stoffwechselprozessen 

(z.B. Abbau von Peroxiden, Leukotrien-Synthese oder Aminosäuretransport) 

Synthese: durch sequentielle Kopplung der Aminosäuren mittels γ-Glutamyl-cystein-Synthetase 

und GSH-Synthetase unter ATP-Verbrauch


Aminosäurebiosynthese: 

in Säugetieren vorkommende proteinogene Aminosäuren können entweder nichtessentiell oder 

essentiell sein; 

nichtessentielle Aminosäuren: durch Säugetiere synthetisierbar 

essentielle Aminosäuren: 

durch Säugetiere nicht synthetisierbar 

Zusatz: für Kinder ist Arginin essentiell, 

da die Menge des durch den Harnstoff- 

Cyclus bereitgestellten Arginins nicht ausreicht; 

Milcheiweiß enthält ein für die menschliche 

Ernährung optimales Verhältnis an essentiellen 

und nicht essentiellen Aminosäuren; 

Bohnen z.B. enthalten viel Lysin aber 

wenig Methionin; bei Weizen dagegen ist 

es umgekehrt (ausgewogene Ernährung 

auf Basis verschiedener Proteinquellen).


1) Biosynthese nichtessentieller Aminosäuren: 

Nichtessentielle Aminosäuren (mit Ausnahme von Tyrosin) werden auf einfachen Wegen ausgehend 

von vier Grundbausteinen des Stoffwechsels (Pyruvat, Oxalacetat, α-Ketoglutarat und 3- 

Phosphoglycerat) synthetisiert (Tyrosin entsteht durch Hydroxylierung des essentiellen Phenylalanins); 

Alanin, Asparagin, Asparaginsäure, , Glutamin und Glutaminsäure stammen von Pyruvat, Oxal- 

acetat, α-Ketoglutarat 

ab: 

Pyruvat, Oxalacetat und α-Ketoglutarat sind die analogen α-Ketocarbonsäuren von Alanin, 

Asparaginsäure und Glutaminsäure, deren Synthese in einfachen Transaminierungsreaktionen 

erfolgt; 

Asparagin und Glutamin werden durch ATP-abhängige Amidierung aus Asparaginsäure und 

Glutaminsäure gebildet; 

Prolin, Arginin und Ornithin stammen von der Glutaminsäure ab: 

Pro, Arg und Orn werden wegen ihrer Bildung aus Glutaminsäure auch als Aminosäuren der 

‘Glutamat-Familie‘ bezeichnet;


Biosynthese der Aminosäuren der 

‘Glutamat-Familie‘:


Serin, Glycin und Cystein stammen vom Glycolyse-Zwischenprodukt 3-Phosphoglycerat3 

ab: 

Serin: Synthese aus 3-Phosphoglycerat erfolgt durch 3 Reaktionen: 

1) Oxidation der 2-OH-Gruppe von 3-Phosphoglycerat zum 

Keton unter Bildung von 3-Phosphohydroxypyruvat durch 

3-Phosphoglycerat-Dehydrogenase; 

2) Transaminase-katalysierte Transaminierung von 3-Phosphohydroxypyruvat 

zu Phosphoserin; 

3) Hydrolyse von Phosphoserin zu Serin durch Phosphoserin-Phosphatase 

Glycin: Synthese erfolgt aus Serin katalysiert durch Serin-Hydroxymethyltransferase 

oder Glycin-Synthase (=2 Bildungswege) 

Cystein: Bildung aus Serin und Homocystein (=Abbauprodukt des 

Methionins) unter Bildung von Cystathion; 

Spaltung des Cystathions durch Cystathion-Lyase liefert 

Cystein und α-Ketobutyrat.


2) Biosynthese essentieller Aminosäuren: 

Essentielle Aminosäuren werden durch Pflanzen und Mikroorganismen gebildet; 

Biosynthese erfolgt wie bei den nichtessentiellen Aminosäuren aus bekannten metabolischen 

Vorstufen, wobei die Synthesewege typischerweise mehr Schritte enthalten; 

es wird vermutet, daß die Enzyme zur Synthese essentieller Aminosäuren möglicherweise wegen 

ihrer leichten Verfügbarkeit früh in der Evolution der Tierwelt verloren gingen; 

Synthesewege lassen sich entsprechend ihrer Vorstufen in 3 Familien einteilen: 

1) Aspartat-Familie: Umwandlung von Asparaginsäure liefert Lysin, Methionin und Threonin 

2) Pyruvat-Familie: Leucin, Isoleucin und Valin werden aus Pyruvat synthetisiert 

3) Familie der aromatischen Aminosäuren: Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan werden aus 

Phosphoenolpyruvat (Glycolyse-Metabolit) und Erythrose-4-phosphat unter Bildung der 

gemeinsamen Ausgangsverbindung Chorismat synthetisiert: 

7 Reaktionen 

6 Reaktionen 

3 Reaktionen 

3 Reaktionen 

Tryptophan 

Tyrosin 

Phenylalanin


Histidin bildet eine eigene ‘Familie‘: 

Synthese verläuft über insgesamt 9 Stufen ausgehend von 5-Phosphoribosyl-α-pyrophosphat und 

ATP: 

9 Reaktionen 

5 C-Atome des Histidins stammen aus 5-Phosphoribosyl-α-pyrophosphat und 1 C-Atom aus ATP; 

ungewöhnlicher Histidin-Syntheseweg ausgehend von einem Purin wird als Hinweis auf eine 

frühere ‘RNA-Welt‘ mit Ribozymen als Synthesekatalysatoren gesehen; 

der Syntheseweg selbst gilt dementsprechend als ‘Fossil‘ des Übergangs von dieser ‘RNA-Welt‘ 

zur effizienteren ‘Protein-Welt‘.


Stickstoff-Fixierung 

Stickstoffquelle für die Aminosäurebiosynthese: atmosphärisches N 2 

Problem: N 2 

ist ein inertes Gas, äußerst stabil und reaktionsträge 

Metabolische Nutzbarkeit setzt Reduktion von N 2 

zu NH 3 

voraus (=Stickstoff-Fixierung), wozu nur 

wenige Bakterienarten in der Lage sind: 

Bakterien der Gattung Rhizobium: 

sind zur Stickstoff-Fixierung befähigt; 

leben in Symbiose mit den Zellen der Wurzelknöllchen 

von Leguminosen (z.B. Erbsen, Bohnen, 

Klee etc.); 

produzieren mehr metabolisch verwertbaren 

Stickstoff als sie selbst und die Leguminosen 

benötigen; 

Überschuß wird in den Boden abgegeben 

(Bodenverbesserer). 

Wurzelknöllchen 

von Vogelfuß-Klee:


N 2 

-Reduktion: 

Summenformel der Stickstoff-Fixierung: 

N 2 

+ 8H + + 8e - + 16ATP 

2NH 3 

+ H 2 

+ 16ADP + 16P i 

Enzymsystem zur Stickstoff-Fixierung: 

Schlüsselenzym: Nitrogenase 

Nitrogenase besteht aus 2 Proteinen, in denen [Fe-S]- und [Fe-Mo-S]-Cluster als Elektronen- 

Carrier-System zur Reduktion von N 2 

arbeiten; 

Elektronen entstammen entweder aus der Photosynthese oder sind oxidativer Herkunft und 

werden initial auf Ferredoxin übertragen:


N 2 

-Reduktion erfolgt in 3 getrennten Schritten: 

Pro fixiertem N 2 

-Molekül werden 6 Elektronen jeweils paarweise in 3 Schritten übertragen: 

da pro Elektronenpaar-Übertragung 2 ATP benötigt werden ergibt sich ein Bedarf von 12 ATP pro 

fixiertem N 2 

-Molekül; tatsächlich werden aber 16 benötigt; 

‘Fehlbetrag‘ resultiert aus einer Nebenaktivität der Nitrogenase, wobei neben N 2 

auch H 2 

O zu H 2 

(typischerweise im Verhältnis 1:1) reduziert wird (ist vermutlich ähnlich der Photorespiration die 

Folge der Kompliziertheit solcher Fixierungsreaktionen); 

mit 16 ATP pro reduziertem N 2 

-Molekül ist die Stickstoff-Fixierung ein energetisch sehr aufwendiger 

Prozeß, der z.B. bei einer Erbsenpflanze fast 20% des von der Pflanze produzierten ATP‘s 

verbraucht.


Die Nitrogenase ist ein O 2 

-empfindliches Enzym: 

Nitrogenase wird duch O 2 

rasch inaktiviert; 

Problem: Rhizobium ist ein aerobes Bakterium, daher ist ein effizienter Schutz vor O 2 

notwendig 

Schutz erfolgt durch Leghämoglobin, das symbiontisch synthetisiert wird (Pflanze produziert 

den Proteinanteil während das Bakterium das Häm bildet) =Kuriosität der Evolution, da man 

derartige Hämoglobine sonst nur aus Tieren kennt; 

Leghämoglobin bindet O 2 

mit hoher Affinität und hält auf diese Weise den O 2 

-Partialdruck in der 

Zelle niedrig und schützt so die Nitrogenase vor Inaktivierung; 

gleichzeitig übernimmt Leghämoglobin den O 2 

-Transport des aeroben Bakteriums.

Stoffwechsel: Proteinbiosynthese 

Proteinbiosynthese 

1) Der genetische Code 

2) Messenger- und Transfer-RNA 

3) Ribosomen 

4) Translation (Proteinbiosynthese) 

5) Inhibitoren der Proteinbiosynthese 

6) Posttranslationale Modifikationen


Der genetische Code: 

‘Klassisches‘ Dogma der Molekularbiologie: 

Transkription 

Translation 

DNA RNA Protein 

Information zur Biosynthese des Proteins ist in der DNA codiert, wird in RNA transkripiert und 

abschließend in die Proteinsequenz translatiert (Struktur und Aufbau der Polymere s. Biochemie I). 

DNA codiert die Proteinsequenz durch ‘Codons‘: 

DNA besteht aus 4 Basen (Urazil, Cytosin, Adenin und Guanin) 

Protein enthält dagegen 20 Aminosäuren 

mehr als nur eine Base zur Codierung erforderlich; 

Diplett-Code: 4 2 =16 oder Triplett-Code: 4 3 =64 

Triplett-Code enthält 44 überzählige Codons, wodurch viele Aminosäuren durch mehr als nur ein 

Codon spezifiziert werden könnten; 

ein derartiger Code wird daher in Anlehnung an die Mathematik als ‘degeneriert‘ oder ‘entartet‘ 

bezeichnet.


Charakteristika des genetischen Codes: 

1) eine Aminosäure wird durch ein Codon bestehend aus 3 Basen codiert (Basentriplett) 

2) der Code ist hochgradig degeneriert (3 Aminosäuren, Arg, Leu und Ser, werden durch 6 Codons 

spezifiziert, die meisten anderen durch 2 bis 4, nur Met und Trp besitzen nur jeweils ein 

einziges Codon; Codons die dieselbe Aminosäure codieren werden Synonyme genannt) 

3) die Degeneration des genetischen Codes schützt 

vor Mutationen (Austausch der letzten Base führt 

ist in praktisch allen Fällen phänotypsich still; 

Austausch in der ersten Base führt meist zu einer 

ähnlichen Aminosäure) 

4) neben Codons die für Aminosäuren codieren gibt es 

solche die als Start(AUG, GUG)- bzw. als Stop(UAG, 

UAA, UGA)-Codons fungieren 

5) der genetische Code wird nicht-überlappend und 

komma-frei abgelesen 

ABCDEFGHI 

nicht: ABC, BCD, CDE…..


Charakteristika des genetischen Codes: 

6) nicht die Codons aber die Gene können sich 

überlappen (gefunden bei Phagen-DNA mit 

ausgeprägter ‘Ökonomie‘) 

Gen-Karte eines Bakteriophagen 

(Gene sind mit A-J bezeichnet und 

werden nach verschiedenen Leserastern 

gelesen): 

7) der genetische Code ist weit 

verbreitet aber nicht universell 

(Abweichungen vom genetischen 

Code sind von einigen Mitochondrien 

bekannt):


Messenger- und Transfer-RNA: 

An der Umschreibung der Strukturgene der DNA in das entsprechende Protein sind 2 Typen von 

RNA essentiell: 

1) Messenger-RNA (mRNA) 

2) Transfer-RNA (tRNA) 

mRNA entsteht durch Umschreibung eines Strukturgenes der DNA in einen komplementären 

RNA-Strang im Prozeß der Trancription und ist die eigentliche Matrize für die Proteinbiosynthese; 

mRNA wird rasch produziert, besitzt nur eine geringe Halbwertszeit von typischerweise 

wenigen Minuten und wird durch RNA-Polymerasen im Zellkern (Eukaryonten) oder Cytosol 

(Prokaryonten) synthetisiert; 

tRNA‘s sind ‘Adapter-Moleküle‘ die mit jeweils einer spezifischen Aminosäuren beladen sind und 

die Information der DNA (respektive 

mRNA) aus der Sprache der Basensequenz 

in die der Aminosäuresequenz 

übersetzen:


Primär und Sekundärstruktur der tRNA: 

Organismen enthalten viele unterschiedliche tRNA-Spezies (mind. eine für jede der 20 Aminosäuren), 

die jedoch in ihren Strukturen ähnlich sind und i.d.R. eine Länge zwischen 60 und 95 (meist 

76) Nukleotiden besitzen; 

alle bekannten tRNA‘s weisen eine sog. Kleeblatt-Konformation mit 

folgenden Eigenschaften auf: 

1) eine 5‘-terminale Phosphat-Gruppe; 

2) einen 7 bp langen Stamm (das 5‘-terminale Nukleotid 

eingeschlossen) = Akzeptor (od. Aminosäure)-Stamm, 

da die zu übertragende Aminosäure an der 3‘-terminalen 

OH-Gruppe gebunden ist; 

3) einen 3 oder 4 bp langen Stamm, der in einer Schleife 

endet = D-Arm (enthält häufig die modifizierte Base Dihydrouridin 

(=D); 

4) einen 5 bp langer Stamm mit Schleife, der das Anticodon 

enthält = Anticodon-Arm; 

D-Arm 

Anticodon- 

Arm 

T-Arm


Primär und Sekundärstruktur der tRNA: 

5) einen 5 bp langer Stamm mit Schleife = T-Arm; 

6) alle tRNA‘s enden in der Sequenz CCA mit einer freien 

OH-Gruppe, an die die Aminosäure angeknüpft wird; 

7) der Abschnitt größter Variabilität befindet sich auf dem 

sog. variablen Arm (besteht aus 3 bis 21 Nukleotiden 

und kann einen bis zu 7 bp langen Stamm enthalten); 

8) tRNA‘s enthalten einen hohen Anteil (bis zu 20%) an 

modifizierten Basen; 

Bedeutung dieser Modifizierungen ist weitgehend unbekannt 

(vermutet wird, daß modifizierte Basen in Nachbarschaft 

zum Anticodon die Genauigkeit der Codon-Anticodon-Erkennung 

erhöhen) 

variabler 

Arm


Auswahl modifizierter Basen der tRNA: 

Bislang sind mehr als 50 modifizierte 

Basen bekannt:


Tertiärstruktur der tRNA: 

L-förmige Struktur, wobei ein Schenkel vom Akzeptor- und T-Stamm und der andere durch den D- 

und Anticodon-Arm gebildet wird; 

beide Schenkel falten sich zu einer Doppelhelix; 

jeder Schenkel ist ca. 

6 nm lang; 

Anticodon und Aminosäure-Bindungsstelle 

befinden sich an entgegengesetzten 

Enden etwa 

7,6 nm voneinander entfernt; 

geringe Breite von nur 

2 bis 2,5 nm.


Aminosäurebeladung der tRNA: 

Die Beladung der tRNA‘s unter Bildung sog. ‘Aminoacyl-tRNA‘s‘ 

erfolgt am 3‘-terminalen Ribose-Rest entweder über die 3‘-OH- 

Gruppe oder die 2‘-OH-Gruppe: 

Für die exakte Umschreibung der Strukturgene der DNA in die 

Aminosäuresequenz des jeweiligen Proteins ist eine exakte Beladung 

essentiell (richtig Aminosäure an die richtige tRNA); 

Beladung der tRNA erfolgt durch Aminosäure-spezifische Enzyme 

(=Aminoacyl-tRNA-Synthetasen) in einem energetisch aufwendigen 

2-stufigen Prozeß: 

1) Aktivierung der Aminosäure mittels ATP unter Bildung eines 

Aminoacyl-AMP-Derivates (gemischtes Anhydrid) und PP i 

2) Reaktion des gemischten Anhydrids mit der jeweiligen tRNA 

Die Reaktion ist reversibel, wird jedoch durch die rasche enzymatische Hydrolyse des abgespaltenen 

Pyrophosphates vollständig zur Produktseite verschoben.


Aminoacyl-tRNA 

tRNA-Synthetasen 

und tRNA-Erkennung: 

für jede der 20 Aminosäuren gibt es mindestens eine Aminoacyl-tRNA-Synthetase; 

die Struktur der verschiedenen Aminoacyl-tRNA-Synthetasen ist erstaunlich heterogen, obwohl alle 

formal die gleiche Reaktion an ähnlichen Substraten katalysieren; 

4 Typen von Aminoacyl-tRNA-Synthetasen bislang bekannt (α, α 2 

, α 4 

und α 2 

ß 2 

), wobei die Größe 

der Untereinheiten zwischen 334 und 1000 Aminosäure-Resten variiert; 

Synthetasen mit Spezifität für eine bestimmte Aminosäure zeigen von Organismus zu Organismus 

Sequenzhomologien, Synthetasen mit Spezifität für verschiedene Aminosäuren besitzen dagegen 

nur wenig Ähnlichkeit; 

Verschiedenartigkeit wird als Hinweis auf eine sehr frühe evolutive Entstehung (noch bevor sich 

der ‘moderne‘ Protein-Syntheseapparat entwickelte) diskutiert; 

für die Erkennung der richtigen tRNA besitzt das Anticodon i.d.R. nur eine sehr geringe Rolle, 

stattdessen erkennen kleinere Synthetasen hauptsächlich die Akzeptor-Region ihrer tRNA 

(Wechselwirkung mit nur sehr wenigen Basen), 

während größere mit weiten Teilen der inneren Oberfläche (‘inneres L‘) der tRNA wechselwirken;


Aminoacyl-tRNA 

tRNA-Synthetasen 

und Aminosäure-Erkennung: 

Aminoacyl-tRNA-Synthetase erkennen die richtige Aminosäure erstaunlich zuverlässig; 

Experimente selbst mit strukturell ähnlichen Aminosäuren (Ile und Val) zeigten eine Genauigkeit 

von 1:50.000; 

Hohe Genauigkeit ist die Folge zweier Selektionsprozesse: 

1) das aktive Zentrum akzeptiert nur die jeweils spezifische Aminosäure, während alle 

ähnlichen Aminosäuren die größer sind nicht in die Bindungstasche passen 

2) ein Korrekturlese-Mechanismus der Synthetase hydrolysiert alle falschen Aminoacyl-AMP- 

Derivate, wobei diese Hydrolyse an einem anderen katalytischen Zentrum erfolgt, in das 

nur Aminosäure-Derivate passen die kleiner sind als das richtige 

Doppelter Korrekturmechanismus erklärt die hohe Genauigkeit von Aminoacyl-tRNA-Synthetasen; 

Nachteil des Systems: Korrektur erfolgt auf Kosten von ATP


Codon-Anticodon 

Anticodon-Erkennung: 

entscheidend für die Selektion der Aminosäure-beladenen tRNA entsprechend der mRNA-Matrize; 

Erkennung erfolgt durch Basenpaarung in antiparalleler Weise, wobei viele tRNA‘s zwei oder drei 

Codons (die für dieselbe Aminosäure codieren) erkennen (=Entartung); 

z.B.: Hefe-tRNA Phe mit dem Anticodon GmAA erkennt die beiden Codons UUC und UUU: 

z.B.: Hefe-tRNA Ala mit dem Anticodon IGC erkennt die drei Codons GCU, GCC und GCA:


Codon-Anticodon 

Anticodon-Erkennung: 

Entartung (Mehrfacherkennung von Codons durch Aminoacyl-tRNA‘s) wird vorwiegend durch eine 

Variabilität in der dritten Codon-Position hervorgerufen; 

Entartung ist die Folge einer ‘Wobble-Paarung‘ (engl. wobble, wackeln) der dritten Basen, 

während die beiden ersten klassisch nach Watson-Crick paaren; 

Wobble-Paarung erlaubt durch die Bildung von mehreren Nicht-Watson-Crick-Basenpaarungen 

eine (begrenzte) Flexibilität in der 3. Position; 

weder von Prokaryonten noch Eukaryonten sind tRNA‘s bekannt die ohne ‘Wobble‘ auskommen 

(alle tRNA‘s sind demzufolge isoakzeptorisch); 

Flexibilität wird durch eine modifizierte Base in der 3. Anticodon-Position begünstigt; 

unter Berücksichtigung der Gesetzmäßigkeiten der Wobble-Theorie existieren theoretisch 

mindestens 31 tRNA‘s für die 61 Aminosäure-codierenden Tripletts (plus eines für die Initiation der 

Translation); die meisten Zellen besitzen jedoch mehr als 32 tRNA-Spezies); 

alle isoakzeptorischen tRNA‘s einer Zelle werden von einer einzigen Aminoacyl-tRNA-Synthetase 

beladen.


Ribosomen: 

namensgebend war ihr Aufbau aus 2/3 RNA und 1/3 Protein 

(E. coli-Ribosomen); 

kleine UE 

Ribosomen sind kugelförmige Gebilde mit einem Durchmesser 

von 25 nm und einem Molekulargewicht von 2,5 x 10 6 D; 

bis zu 20.000 Ribosomen in einer einzigen E. coli-Zelle, wobei 

die RNA bzw. die Proteine der Ribosomen bis zu 80% der gesamten 

RNA bzw. 10% der gesamten Proteinkonzentration der 

E. coli-Zelle ausmachen kann; 

große UE 

Ribosomen bestehen aus zwei dissoziierbaren Untereinheiten; 

einer großen Untereinheit mit einer Sedimentationskonstante 

von 50 S und einer kleineren mit einer Sedimentationskonstante 

von 30 S (E. coli); 

kleine Untereinheit: 16S-rRNA-Molekül und 21 verschiedenen 

Proteinen; 

große Untereinheit: 5S- und 23S-rRNA und 32 verschiedene 

Polypeptide.


RNA der Ribosomen: 

rRNA liegen in stabilen, doppelhelikalen Konformationen vor; 

z.B.: 16S-rRNA aus E. coli 

(1542 Nukleotide): 

‘blütenartige Abfolge von 

Stielen und Schleifen‘ bildet 

4 Domänen und ist formgebend 

für die gesamte 

30S-Untereinheit 

Ein analoger Aufbau wurde 

für die 5S- und 23S-rRNA‘s 

der großen Untereinheit bestehend 

aus 120 bzw. 2904 

Nukleotiden nachgewiesen.


Proteine der Ribosomen: 

schwer zu charakterisieren, da in gängigen Puffersystemen praktisch unlöslich; 

Bezeichnung erfolgt mit vorgestelltem Präfix 

S (small; kleine UE) bzw. L (large; große UE) 

gefolgt von einer Zahl, die ihre Position von 

oben links nach unten rechts in einem 2D-Gel- 

Elektropherogramm angibt, 

(entspricht in erster Näherung der Reihenfolge 

abnehmender molarer Masse); 

Größe der Proteine reicht von nur 46 Aminosäure-Resten 

(L34) bis zu 557 Resten (S1); 

Proteine zeigen untereinander nur wenig 

Sequenzhomologien, sind jedoch allesamt 

reich an basischen Aminosäuren (typisch für 

Interaktionen mit polyanionischer RNA) und 

enthalten wenig aromatische Aminosäuren. 

Gel-Elektropherogramm der kleinen Untereinheit des Ribosoms 

aus E. coli:


Funktionale Komponenten der Ribosomen: 

unter geeigneten Bedingungen und dem Vorliegen aller Komponenten assemblieren sich die 

ribosomalen Untereinheiten spontan und sind funktional intakt; 

Funktionale Lokalisation: 

1) 3‘-Ende der 16S-rRNA und die mit dieser Position assoziierten Proteinen sind an der Bindung 

der mRNA beteiligt; 

2) die Anticodon-Bindungsstelle befindet sich in der ‘Spalten‘-Region der kleinen Untereinheit; 

3) die Peptidyl-Transferase-Funktion (=eigentliche Syntheseaktivität) besetzt das ‘Tal‘ zwischen 

den beiden Höckern der großen Untereinheit; 

4) die Stelle mit der das Ribosom an Membranen bindet befindet sich auf der großen Untereinheit; 

5) die GTPase-Reaktionen (‘Energiebereitstellung‘) am ‘Stiel‘ der großen Untereinheit. 

kleine Untereinheit: hauptsächlich an ribosomalen Erkennungsprozessen (mRNA- und tRNA- 

Bindung) beteiligt 

große Untereinheit: hauptsächlich katalytische Funktion, wie die Verlagerung der Polypeptidkette.


Eukaryontische vs. prokaryontische Ribosomen: 

Eukaryontische Ribosomen ähneln in Struktur und Funktion denen der Prokaryonten sind jedoch 

im Detail unterschiedlich; 

Übersicht der Unterschiede: 

Molekulargewicht eukaryontischer Ribosomen beträgt zwischen 3,9 bis 4,5 x 10 6 D 

(vgl. 2,5 x 10 6 D bei Prokaryonten); 

die Sedimentationskonstante beträgt 80 S (70 S bei Prokaryonten); 

eukaryontische Ribosomen dissoziieren in zwei Untereinheiten (40S und 60S), deren Aufbau sich 

trotz ähnlicher morphologischer Gestalt deutlich von denen der prokaryontischen Untereinheiten 

unterscheiden; 

kleine 40S-Untereinheit besteht aus 33 Polypeptiden und einer 18S-rRNA während die große 60S- 

Untereinheit 49 verschiedene Polypeptide und drei rRNA‘s (5S; 5,8S und 28S) enthält; 

Sequenzvergleiche analoger rRNA der Eukaryonten mit denen der Prokaryonten zeigen deutliche 

Unterschiede, wobei jedoch die Sekundärstrukturen evolutiv konserviert sind.


Proteinbiosynthese - Allgemeines: 

die Polypeptidsynthese verläuft in Richtung vom N- zum C-Terminus; 

Ribosomen lesen die mRNA in der 5‘ 3‘-Richtung und damit analog zur Richtung der mRNA- 

Synthese; 

die eigentliche Proteinbiosynthese erfolgt durch Polyribosomen (=Polysomen), wobei die einzelnen 

Ribosomen Perlenschnur-artig hintereinander angeordnet sind (Zwischenräume zwischen den 

einzelnen Ribosomen betragen zwischen 5 bis 15 nm (=80 bis 240 Nukleotiden); 

Polysomen entstehen, wenn ein aktives Ribosom seine Initiationsstelle im Verlauf der Kettenverlängerung 

räumt und ein zweites Ribosom die Proteinsynthese startet. 

0,1 µm 

Elektronenmikroskopische Aufnahme von Polysomen aus der Seidendrüsenzelle der Seidenraupe Bombyx mori 

(das 3‘-Ende befindet sich an der rechten Seite; die Pfeile markieren Seidenfibroin-Polypeptide)


Proteinbiosynthese - Allgemeines: 

Ribosomale Proteinbiosynthese: Kettenstart; Kettenverlängerung; Kettenabbruch 

Kettenstart ( (E. 

coli): 

Voraussetzungen für den Kettenstart: 1) Startcodon AUG auf der mRNA 

2) vorgelagerte ‘Shine-Dalgarno-Sequenz‘ 

3) fMet-tRNA 

4) dissozierte kleine und große ribosomale Untereinheit 

Startcodon: AUG fungiert als universelles Startcodon und initiiert bei Prokaryonten den Kettenstart 

AUG allein reicht dafür aber nicht aus (codiert auch für proteininterne Methionin- 

Reste) 

Shine-Dalgarno-Sequenz: ist 3 bis 10 Nukleotide dem Startcodon AUG vorgelagert; 

=Purin-reicher Abschnitt, der mir der Pyrimidin-reichen Sequenz des 3‘- 

Endes der 16S-rRNA paart und die Erkennung von AUG als Startcodon 

vermittelt



coli): 

Shine-Dalgarno-Sequenz: 

Auswahl von Translations-Startsequenzen, die von E. coli-Ribosomen erkannt werden. 

Shine-Dalgarno-Sequenzen (rot) und komplementärer Abschnitt am 3‘-Ende der 16S-rRNA (grün); 

Startcodon (blau).



coli): 

fMet-tRNA: =N-Formylmethionyl-tRNA 

universelle Start-tRNA bei der E. coli- 

Proteinbiosynthese codiert durch Startcodon; 

alle von E. coli synthetisierten Proteine 

beginnen mit einem fMet-Rest; 

tRNA‘s von fMet und Met (zum Einbau 

interne Met-Reste) sind verschieden, 

wodurch fMet nur N-terminal eingebaut 

wird (ansonsten Kettenabruch); 

fMet wird post-translational i.d.R. deformyliert (Deformylase) und in vielen Fällen wird 

auch das N-terminale Methionin abgespalten (geschieht meist noch am nascierenden 

Polypeptid).



coli): 

Am Kettenstart sind bei E. coli weiterhin 3 lösliche Proteinfaktoren beteiligt: 

Initiationsfaktor Masse [kD] Funktion 

IF-1 9 unterstützt die Bindung von IF-3 

IF-2 97 bindet Initiator-tRNA und GTP 

IF-3 22 entläßt die 30S-Untereinheit vom inaktiven 

Ribosom und vermittelt die mRNA-Bindung 

Kettenstart erfolgt in 3 Schritten: 

1) nach Beendigung einer Proteinsynthese bleiben die 30S- und 50S-UE als inaktive 70S- 

Ribosomen assoziiert. IF-3 (unterstützt durch IF-1) bindet an die 30S-UE und initiert die 

Dissoziation des Ribosomenkomplexes; 

2) Bildung des 30S-Initiationskomplexes durch Bindung von GTP, mRNA und eines 

Komplexes aus IF-2 mit fMet-tRNA and die 30S-UE unter Beteiligung von IF-3 (IF-3 vermittelt 

die Bindung der 30S-UE an die Shine-Dalgarno-Sequenz); 

3) Bildung des 70S-Initiationskomplexes durch Bindung der 50S-UE an den 30S- 

Initiationskomplex nach vorheriger Ablösung von IF-1, IF-2 und IF-3 bzw. der Hydrolyse von 

GTP zu GDP und P ; i


Kettenstart erfolgt in 3 Schritten: 

Resultat: Bildung eines 70S-Initiationskomplexes aus fMet-tRNA+mRNA+Ribosom, bei dem die P-Bindungsstelle 

des Ribosoms mit fMet-tRNA besetzt ist (einzige tRNA mit direktem Zugang zur P-Stelle; alle anderen 

nur über den Umweg der A-Stelle), während die A-Bindungsstelle zur Aufnahme der hinzutretenden 

Aminoacyl-tRNA bereitsteht.


Kettenstart bei Eukaryonten: 

Kettenstart ähnelt dem der Prokaryonten, wobei Unterschiede nur im Detail existieren: 

1) deutlich größere Anzahl an Initiationsfaktoren (Bezeichnung: eIF-n; oft mehr als 20); 

2) Translation beginnt immer am ersten AUG der mRNA (keine Shine-Dalgarno-Sequenz) 

(eIF-4 ist ein Cap-Bindungsprotein und vermittelt die Bindung der kleinen 40S-UE an das 5‘- 

Ende (‘Cap‘) der mRNA gefolgt von einem Stromabwärtswandern bis zum ersten AUG- 

Startcodon – keine Translation cyclischer mRNA durch Eukaryonten möglich); 

3) Translation beginnt zwar mit Methionin, letzteres ist aber nicht formyliert. 

Kettenverlängerung: 

erfolgt mit einer Geschwindigkeit von bis zu 40 Aminosäure-Resten pro Sekunde! 

Kettenverlängerung ist einem 3-stufigen Prozeß, wobei die jeweils hinzukommende Aminosäure 

an den C-Terminus der wachsenden Polypeptidkette angeknüpft wird; 

Kettenverlängerung erfordert die Teilnahme mehrerer nicht-ribosomaler Proteine (=Elongationsfaktoren 

)



Elongationsfaktoren bei E. coli: 

Elongationsfaktor Masse [kD] Funktion 

EF-Tu 43 bindet Aminoacyl-tRNA und GTP 

EF-Ts 74 verdrängt GTP von EF-Tu 

EF-G 77 fördert die Translokation durch Bindung von GTP 

an das Ribosom 

Stufe 1 der Kettenverlängerung: Bindung der Aminoacyl-tRNA 

Bildung eines binären Komplexes aus GTP und dem Elongationsfaktor EF-Tu; 

Assoziation des gebildeten binären Komplexes mit der eintretenden Aminoacyl-tRNA unter Bildung 

eines ternären Komplexes; 

Bindung des ternären Komplexes an den ribosomalen 70S-Initiationskomplex; 

die Aminoacyl-tRNA wird dabei unter GTP-Hydrolyse als Codon-Anticodon-Komplex in die 

ribosomale A-Bindungsstelle gebunden; 

Freisetzung von ‘EF-Tu ● GDP+P i ‘ und Regeneration zu ‘EF-Tu ● GTP‘ durch Verdrängung von 

‘GDP+P i ‘ via Bindung von EF-Ts (Bildung von ‘EF-Tu ● EF-Ts‘) und Austausch von EF-Ts durch 

GTP (EF-Tu ist mit ca. 100.000 Kopien das häufigste Protein in E. coli; entspricht ca. 5% des 

gesamten Proteingehaltes und damit der Gesamtmenge an tRNA-Molekülen)



Stufe 1 der Kettenverlängerung: Bindung der Aminoacyl-tRNA



Stufe 2 der Kettenverlängerung: Transpeptidierung 

Nukleophiler Angriff der N α - 

Aminogruppe der AminoacyltRNA 

der A-Bindungsstelle 

auf das Carbonyl-C-Atom der 

Peptidyl-tRNA der P-Bindungsstelle, 

wobei das nascierende 

Polypeptid von der P- zur 

A-Bindungsstelle übertragen 

wird. 

Peptidyl-Transferase-Aktivität 

befindet sich vollständig auf 

der großen UE des Ribosoms; 

katalytisch aktive Komponente: 

23S-rRNA



Stufe 3 der Kettenverlängerung: Translokation 

Überführung der nunmehr unbeladenen tRNA aus der P-Bindungsstelle zur Austrittsstelle E und 

nachfolgender Freisetzung; 

Translokation der Peptidyl-tRNA (zusammen mit der von ihr gebundenen mRNA) aus der A- 

Bindungsstelle zur P-Bindungsstelle; 

Translokation wird durch EF-G vermittelt, der als binärer Komplex mit GTP an das Ribosom bindet; 

Translokation führt zur GTP-Hydrolyse und nachfolgender Freisetzung von EF-G.



verläuft bei Eukaryonten grundsätzlich analog; statt EF-Tu und EF-Ts besitzen Eukaryonten nur 

einen Elongationsfaktor (eEF-1) der aber die beiden analogen Funktionen vermittelt. 

Kettenabbruch: 

eingeleitet durch Stopcodons (UAA, UGA und UAG); 

Stopcodons besitzen keine korrespondieren tRNA‘s, sondern werden stattdessen von Release- 

Faktoren (RF‘s) erkannt (RF-1 erkennt UAA und UAG, RF-2 erkennt UAA und UGA), ein dritter 

Releasing-Faktor (RF-3, GTP-abhängig) stimuliert die ribosomale Bindung von RF-1 und RF-2; 

RF‘s binden in der A-Bindungsstelle des aktiven Ribosoms (an das Stopcodon) und vermitteln die 

Peptidyl-Transferase-katalysierte Übertragung des Peptidyl-Restes von der jeweiligen tRNA auf 

Wasser statt auf eine neu eintretende Aminoacyl-tRNA; 

Dissoziation des synthetisierte Peptids, der nunmehr freien tRNA, der RF‘s (bei gleichzeitiger 

Hydrolyse des gebunden GTP) und der mRNA vom Ribosom unter Zurücklassung eines inaktiven 

70S-Ribosoms; 

Kettenabbruch bei Eukaryonten verläuft analog, wobei jedoch die Funktionen der RF‘s nur durch 

einen einzigen Releasing-Faktor übernommen werden.


Kettenabbruch:


Bedeutung der GTP-Hydrolyse während der ribosomalen Peptidsynthese: 

Translation findet, wenn auch extrem langsam und für ein Wachstum unzureichend, in 

Abwesenheit von GTP statt (=Freie Enthalpie der Transpeptidierung reicht prinzipiell aus, um den 

gesamten Translationsprozeß anzutreiben); 

Beschleunigender Effekt der GTP-Hydrolyse beruht auf der Vermittlung allosterischer 

Konformationsänderungen der ribosomalen Komponenten; 

die Hydrolyse von GTP wird nicht zur Bildung energiereicher Zwischenprodukte (wie es bei vielen 

Biosynthesereaktionen der Fall ist) verwendet. 

Genauigkeit der Translation: 

Fehlerquote bei der Translation liegt typischerweise bei 10 -4 Fehlern pro Codon (=1 falsches 

Anticodon auf 10.000 Codons); 

aus dem Verlust an Bindungsenergie durch Fehlpaarung einer einzigen Base bei der Codon- 

Anticodon-Interaktion (ca. 12 kJ mol -1 ) läßt sich eine höhere Fehlerquote von etwa 10 -2 Fehlern 

pro Codon berechnen; 

Ursache: zusätzlicher kinetischer Korrekturmechanismus


Kinetischer Korrekturmechanismus der Translation: 

Ablauf des ‘kinetischen‘ Korrekturlesens: 

1) anfängliche Erkennung basiert 

auf ‘normaler‘ Codon-Anticodon- 

Erkennung basierend auf der 

Bindungsenergie; 

Codon-Anticodon-Erkennung führt zur 

Hydrolyse des GTP und der Bildung 

eines energiereichen Zwischenproduktes 

2) energiereiches Zwischenprodukt 

kann auf 2 Wegen weiter reagieren: 

A) ‘EF-Tu ● GDP‘ dissoziiert mit einer 

Geschwindikeitskonstanten k 3 

ab und 

die Peptidbindung bildet sich; 

B) Aminoacyl-tRNA dissoziiert mit einer Geschwindigkeitskonstanten k 4 

vor dem ‘EF-Tu ● GDP‘- 

Komplex vom Ribosom ab (keine Einbau der falschen Aminosäure ins Polypeptid). 

Fazit: fehlerhaft gepaarte tRNA dissoziiert rascher als ‘EF-Tu ● GTP‘ zu ‘EF-Tu ● GDP‘, was zur 

Dissoziation fehlerhaft gepaarter Aminoacyl-tRNA‘s führt (Korrektur auf Kosten von GTP)


Inhibitoren der Proteinbiosynthese (Antibiotika): 

Antibiotika werden von Bakterien und Pilzen mit dem Ziel der Inhibierung des Wachstums anderer 

Organismen synthetisiert; 

Antibiotika hemmen eine Vielzahl essentieller biologischer Prozesse, wie DNA-Replikation, 

Transcription oder auch die bakterielle Zellwandsynthese, die meisten Antibiotika inhibieren jedoch 

die Translation; 

Ausgewählte Antibiotika: 

1) Streptomycin: 

gehört zur Familie der Aminoglycoside, die Prokaryonten- 

Ribosomen in vielfältiger Weise inhibieren; 

in niedrigen Konzentrationen führt es zu Lesefehlern bei der 

Translation (verhindert das Wachstum, aber ist nicht letal); 

in hoher Konzentration verhindert es die ordnungsgemäße 

Initiation (Kettenstart) und führt zum Zelltod; 

Resistente Stämme haben entweder ein verändertes 12S-Protein 

Oder eine Basenmutation in der 16S-rRNA.



2) Chloramphenicol: 

erstes sog. ‘Breitband‘-Antibiotikum, das die Peptidyl- 

Transferase auf der großen Untereinheit des Ribosoms 

der Prokaryonten inhibiert; 

Inhibierung beruht auf einer Störung der Interaktion 

der Aminoacyl-tRNA‘s mit der A-Bindungsstelle; 

toxische Nebenwirkungen hervorgerufen durch die Sensitivität der mitochondrialen Ribosomen 

(klinische Anwendung daher nur in sehr schweren Fällen). 

3) Tetracyclin: 

ebenfalls Breitband-Antibiotika, die durch Bindung an 

die kleine Untereinheit prokaryotischer Ribosomen und 

die Einbindung der Aminoacyl-tRNA inhibieren; 

zunehmende Resistenz vieler Bakterienstämme verursacht 

ein ernsthaftes klinisches Problem; 

Resistenz beruht auf einer verringerten Permeabilität der bakteriellen Zellmembran, weniger auf 

Veränderungen der ribosomalen Komponenten selbst.



4) Cycloheximid: 

inhibiert die Peptidyl-Transferase auf der großen 

Untereinheit der Eukaryonten-Ribosomen. 

5) Erythromycin: 

blockiert den Translokations-Prozeß der großen 

Untereinheit bei Prokaryonten. 

6) Fusidinsäure: 

inhibiert bei Prokaryonten die 

Elongation durch Verhinderung 

der EF-G ● GDP-Dissoziation von 

der großen Untereinheit.


Diphtherietoxin: 

Diphtherie wird durch Infektion mit Corynebacterium diphtheriae verusacht; 

bis zur Einführung von Routine-Impfungen mit Beginn des letzten Jahrhunderts war Diphtherie 

eine der häufigsten Todesursachen bei Kindern; 

bakterielle Infektion selbst beschränkt sich auf die oberen Atemwege und verläuft eher harmlos; 

tödliche Wirkung wird durch das sog. Diphtherietoxin verursacht; 

das Diphtherietoxin wird zwar vom Bakterium sezerniert, ist aber Phagen-codiert 

(Corynebacterium diphtheriae trägt den Bakteriophagen Corynephage ß); 

Diphtherietoxin inaktiviert spezifisch den eukaryotischen Elongationsfaktor eEF-2 und inhibiert 

dadurch die Proteinsynthese von Eukaryonten; 

Wirkungsweise: 

Diphtherietoxin ist ein monomeres Protein (58 kD), das aus zwei Domänen (A+B) besteht; 

B-Domäne bindet an einen Rezeptor auf der Plasmamembran der anfälligen Zelle; 

Proteolytische Spaltung des Toxins in die A- und B-Domäne (leicht durch Trypsin oder Trypsinähnliche 

Proteasen möglich) und Aufnahme der A-Domäne ins Cytosol durch Endocytose;


Wirkungsweise: 

…B-Domäne vermittelt die Aufnahme der A-Domäne (A-Domäne allein hat keine toxische 

Wirkung); 

A-Domäne ist katalytisch aktiv und vermittelt im Cytosol die ADP-Ribosylierung von eEF-2 mit 

NAD + (führt zur Inaktivierung von eEF-2): 

ADP-ribosylierter Aminosäure-Rest des eEF-2 ist ein 

modifiziertes Histidin (=Diphthamid): 

Wegen der katalytischen Aktivität des 

Diphtherietoxins genügt ein einziges 

Molekül zur Inaktivierung der gesamten 

Menge an eEF-2 einer Zelle und damit zur 

vollständigen Blockierung der Proteinbio- 

synthese. 

Diphthamid kommt nur in eEF-2 

vor, wobei jedoch auch Mutanten 

ohne Diphthamid lebensfähig sind


Posttranslationale Modifikationen 

Auswahl posttranslationaler Modifikationen: 

1) Proteolytische Spaltungen: 

häufigste Art der posttranslationalen Modifikation; 

findet bei nahezu allen Proteinen statt, wenn auch nur durch exoproteolytische 

Entfernung des Initiations-Methionins (kurz nachdem Austritt aus dem Ribosom); 

darüber hinaus werden viele Proteine als inaktive Vorstufen (=Proproteine) 

synthetisiert, die nachfolgend durch (limitierte) Proteolyse aktiviert werden; 

z.B.: Aktivierung von Chymotrypsinogen/Trypsinogen in ihre aktiven Formen 

Bildung aktiven Insulins aus Proinslulin durch Entfernung eines internen, 

33 Aminosäure langen Restes 

Kollagen-Synthese als Prototyp posttranslationaler Modifikationen: 

Kollagen: tripel-helicales Faserprotein, das aus den sich wiederholenden 

Aminosäuresequenzen (Gly-X-Y) n besteht; X häufig Prolin, Y häufig 

4-Hydroxyprolin (Hyp) und n=340 

Kollagenfaser


Kollagen-Synthese als Prototyp posttranslationaler Modifikationen: 

Kollagen wird als Prokollagen synthetisiert; 

Prokollagen besitzt C- wie auch N-terminale Prosequenzen mit etwa 100 Aminosäuren Länge, 

deren Sequenzen sich von denen des reifen Kollagens unterscheiden; 

Prosequenzen vermitteln die Faltung und Tripelhelix-Bildung; 

Abspaltung der Prosequenzen erfolgt durch Amino- und Carboxyprokollagen-Peptidasen (Defekt 

führt zum Ehlers-Danlos-Syndrom VII, das mit extrem verwundbarer Haut einhergeht)


Kollagen ist ein ‘Präproprotein‘: 

Transmembranproteine und sekretorische Proteine enthalten i.d.R. ein N-terminales Signalpeptid 

(13-36 vorwiegend hydrophobe Aminosäure-Reste); 

Signalpeptid vermittelt die Durchschleusung solcher Peptide durch die Membran (meist schon 

während ihrer eigenen Synthese am Ribosom); 

Proteine mit Signalpeptid werden als Präproteine bezeichnet (falls sie zusätzlich Prosequenzen 

enthalten als Präproproteine); 

Signalpeptid wird nach Durchtritt durch die Membran von einer Signalpeptidase abgespalten; 

Proteolytische Spaltungen des Kollagens: 

(1) Deletion des Initiations-Methionins; (2) Entfernung des Signalpeptids 

(2) Abspaltung der Prosequenzen 

Polypeptide: 

Sequenzen von zwei oder mehreren Proteinen, wobei die Einzelproteine durch proteolytische 

Spaltung aus dem Polypeptid-Verläufer gebildet werden; 

z.B.: viele Hormone; Proteine von Viren (Polio- und AIDS-Virus), Ubiquitin (Eukaryontenprotein)


2) Kovalente Modifikation: 

=Modifikationen an den Aminosäure-Seitenketten wie auch am N- oder C-Terminus; 

insgesamt mit mehr als 150 verschiedene Arten solcher Modifizierungen bekannt, die alle 

Aminosäuren mit Ausnahme von Ala, Gly, Ile, Leu, Met und Val betreffen; 

z.B.: Acetylierungen, Glycosylierungen, Hydroxylierungen, Methylierungen, Nucleotidylierungen, 

Phosphorylierungen, ADP-Ribosylierungen sowie zahlreiche Kombinationen daraus 

Modifizierungen beeinflussen die Enzymaktivität (Phosphorylierungen, ADP-Ribosylierungen, 

Anknüpfung von Coenzymen etc.); die Bindungseigenschaften und Struktur von Proteinen 

(Glycosylierungen) oder stabilisieren supramolekulare Aggregate (s. Kollagen); 

im Kollagen dient die Hydroxylierung von Prolin u.a. als Anknüpfstelle für Kohlenhydrate und zur 

Stabilisierung der Tripelhelix durch H-Brücken; 

die Funktion vieler Modifizierungen ist jedoch noch unbekannt…

Stoffwechsel: Übersicht

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