Mitschrift 3 - StV Biologie Salzburg

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
BIOCHEMIE DES STOFFWECHSELS
1. GLYKOLYSE
1.1 VORGANG
• Im Cytoplasma
• Alle Zellen verfügen darüber (für einige Zelle einzige ATP-Quelle: Erythrocyten)
• Dabei wird 1 Molekül Glucose zu 2 Molekülen Pyruvat abgebaut (6C � 2 x 3C)
• Ein Teil der freiwerdenden Energie wird in Form von ATP und NADH gespeichert
• Anaerober Prozess
• Glycolyse verläuft in 10 Schritten
o Die ersten 5 sind vorbereitend, dabei müssen 2 Moleküle ATP investiert werden
� chemische Energie wird in die freie Enthalpie von Zwischenprodukten gesteckt
o Ertragsstufe: dort wird Energie gewonnen (4ATP � Bilanz: 2 ATP Nettogewinn +
Energiegewinn, weil für jedes Molekül Glucose 2 Moleküle NADH gebildet
werden)
Glucose
Hexokinase (ATP � ADP)
Glucose-6-Phosphat � Glycogenbildung / Pentosephosphatweg
Fructose-6-Phosphat
Phosphofructokinase (ATP � ADP)
Fructose-1,6-Bisphosphat
Dihydroxyacetonphosphat
Glycerinaldehyd-3-Phsophat
Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase (2 NAD + � 2 NADH)
1,3-Diphosphohglycerat
Phosphoglycerat-Kinase (2 ADP � 2 ATP) � Substratkettenphosphorylierung
2 x 3-Phosphoglycerat
2 x 2-Phosphoglycerat
Phosphoenolpyruvat
Pyruvat
Pyruvat-Kinase (2 ADP � 2 ATP)
1

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
1.2. DIE WICHTIGSTEN REAKTIONEN ZUSAMMENGEFASST
• Abbau von Glucose zu Pyruvat – Vorstufen für Biosynthesen
• Phosphorylierung von ADP zu ATP durch energiereiche Phosphatverbindungen, die
während der Glykolyse gebildet werden und die Bildung von NADH aus NAD +
1.3. PYRUVAT KANN 3 WEGE EINSCHLAGEN
• Aerobe Bedingungen:
o Einschleusen in den Citrat-Cyclus
• Anaerobe Bedingungen:
o kann NADH nicht zu NAD + oxidiert werden, das für die weitere Oxidation von
Pyruvat als Elektronenakzeptor nötig wäre � Stillstand der Reaktion
o Darum wird Pyruvat zu Lactat reduziert und übernimmt die Elektronen von NADH,
wodurch NAD + entsteht und die Fortsetzung der Glykolyse möglich wird
o Oder Reduktion zu Ethanol � alkohol. Gärung; Bakterien
• Carboxylase zu Oxalacetat
o In Mitochondrien
o Einleitung der Gluconeogenese
1.4. REGULATION
• Phosphofructokinase bestimmt die Geschwindigkeit der Glycolyse („Kontrollpunkt“)
• Hohe ATP-Konzentration hemmt Phosphofructokinase
• AMP aktiviert Phosphofructokinase
• Citrat hemmt Phosphofructokinase
o Genug Vorstufen für Biosynthese vorhanden
• Weitere regulatorische Enzyme:
o Glycogen-Phosphorylase (In Muskel und Leber unterschiedlich reguliert)
o Hexokinase
o Pyruvat-Kinase
1.5. ERGEBNIS DER GLYCOLYSE
Glucose + 2 ATP + 2 Phosphat � 2 Lactat + 2 ATP + 2 H2O
2

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
2. GLUCONEOGENESE
2.1. AUSGANGSPUNKT
• Oxalacetat entsteht aus Pyruvat und ist Ausgangsprodukt
o Es wird aber auch im Citrat-Cyclus zur Verarbeitung von Acetyl-CoA gebraucht
o Pyruvatcarboxylase wird allosterisch durch Acety-CoA aktiviert
• Welchen weg das Oxalacetat einschlägt hängt von der ATP-Konzentration ab
o Bei einem Überschuß an ATP � Gluconeogenese
2.2. VORGANG
• In der Leber
o Dient in Hungerphasen der Glucoseversorgung des Hirns und zur
Glycogensynthese
• Cori-Zyklus:
o Bei plötzlichem Energiebedarf und O2-Mangel benutzt der Muskel die Glycolyse
zur ATP-Produktion
o es entsteht Lactat, das in die Leber transportiert wird
o Die Leber synthetisiert aus dem Lactat wieder Glucose (Gluconeogenese)
• Gluconeogenese ist nicht die umgedrehte Reaktion der Glycolyse
o Sie wird zum Teil von anderen Enzymen katalysiert
o Getrennte Regulation der beiden Stoffwechselwege
Pyruvat
Oxalacetat
Pyruvatcarboxylase
Phosphoenolpyruvat
2 x 2-Phosphoglycerat
2 x 3-Phosphoglycerat
1,3-Diphosphohglycerat
Glycerinaldehyd-3-Phsophat
Fructose-1,6-Bisphosphat
Fructose-1,6-Bisphosphatase
Fructose-6-Phosphat
Glucose-6-Phosphat
Glucose
Glucose-6-Phosphatase
• Glycolyse und Gluconeogenese laufen nicht gleichzeitig ab � ATP-Verschwendung
o Faktoren, die die Glycolyse aktivieren hemmen die Gluconeogenese
o Citrat aktiviert 1,6-Biphosphatase � AMP hemmt das Enzym
3

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
3. CITRATCYCLUS
3.1. VORGANG
• Metabolische Brennstoffe vieler Quellen werden eingespeist:
o Pyruvat aus Glycolyse
o Acetyl-CoA aus Fettsäureabbau
o C-Skelette aus Aminosäureabbau
• Citryt-Cyclus liefert:
o Bausteine für Pyrimidinbasen
o Viele AS
o Häm (für Hämpglobin + Cytochrom der Atmungskette)
o NADH für Atmungskette (H des NADH wird mit O2 zu Wasser verbrannt und ATP
produziert)
3.2. UMWANDLUNG VON PYRUVAT ZU ACETYL-COA:
• Pyruvat muss in Acetyl-CoA umgewandelt werden � Pyruvat-Dehydrogenase (PDH)
• Es ist ein Multienzymkomplex (enthält mehrere enzymatische Aktivitäten)
• Benötigt 5 Co-Faktoren
o Thiaminpyrophosphat
o FAD
o NAD +
o CoA
o Liponsäureamid
• Wird durch ATP, NADH und Acetyl-CoA gehemmt und durch ADP aktiviert
3.3. OXIDATION VON ACETYL-CO-A ���� CITRATCYCLUS
• Ort: Mitochondrienmatrix
• Besteht aus 8 Reaktionen:
Acetyl-CoA + Oxalacetat
Citrat
Isocitrat
α-Ketoglutarat
Citratsynthase
Isocitrat-Dehydrogenase (NAD + � NADH/H + + CO2)
α-Ketoglutarat-Dehydrogenase (NAD + + CoA � NADH/H + + CO2)
Succinyl-CoA
(GDP + P � GTP + CoA) Substratkettenphosphorylierung
Succinat
(FAD � FADH2)
Fumarat
+ H2O
Malat � Pyrimidinsynthese
(NAD + � NADH/H + )
Oxalacetat
4

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
3.4. REGULATION
• Durch die 3 Enzyme:
o Citratsynthase
o Isocitrat-Dehydrogenase
o α-Ketoglutarat-Dehydrogenase
• ADP und NAD + aktivieren
• ATP und NADH hemmen
• Regulatoren sind das Verhältnis von ATP/ADP und NADH/NAD +
o Citrat-Cyclus liefert NADH für Atmungskette � Produktion von ATP
o Hohes ATP/ADP � genug ATP vorhanden � Hemmung
• Geschwindigkeit wird bestimmt durch:
o Substratangebot
o Inhibition durch sich anreichernde Produkte
o Allosterische Rückkopplungshemmung
3.5. GLYOXYLAT-CYCLUS
• Variante des Citratcyclus
• Ermöglicht es Bakterien und Pflanzen, Kohlenhydrate aus Fetten aufzubauen und diese
als einzige Energiequelle zu nutzen
• Findet in den Glyoxisomen statt (spezialisierte Peroxisomen)
5

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
4. OXIDATIVE PHOSPHORYLIERUNG
4.1. DIE ATMUNGSKETTE ÜBERTRÄGT ELEKTRONEN VON REDUKTIONSÄQUIVALENTEN AUF
O2
• Zelle braucht Energie in Form von ATP für:
o Synthese von Proteinen und Nukleinsäuren
o Aufrechterhaltung von Ionengradienten
• ATP gewinnt die Zelle durch:
o Oxidation von Glucose und Fettsäuren zu CO2 und H2O
o CO2 entsteht bei der PDH-Reaktion im Citrat-Cyclus
o H2O entsteht in der Atmungskette aus O2 und NADH bzw. FADH2 � freiwerdende
Energie wird zur ATP-Synthese verwendet
„oxidative Phosphorylierung“
• Effizientester ATP-produzierender Prozess der Zelle:
o Bei vollständiger Oxidationvon einem Molekül Glucose entstehen 38 Moleküle
ATP
o 2 (Glycolyse) + 2 GTP (Citrat-Cyclus) + 34 (Oxidative Phosphorylierung)
4.1.1. VORGANG
• In Mitochondrien
o Bestehen aus 2 Phospholipiddoppelschichten
o Innen: Matrix
• Enzyme liegen in innerer Mitochondrienmembran
• 3 Enzymkomplexe
o Komplex I
o Komplex III
o Komplex IV (Cytochrom C-Oxidase)
• Enthalten Eisen-Schwefel-Komplexe und Co-Faktoren (Flavinmononukleotid, Häm-
Gruppen, Cu 2+ -Ionen)
• Sind durch CoQ und Cytochrom C verbunden
• Komplex II (Succinat-Dehydrogenase des Citrat-Cyclus)
o FAD nimmt Elektronen von Succinat auf und überträgt sie auf Coenzym Q (CoQ)
o CoQ gibt die Elektronen an Komplex III weiter
• NADH gibt 2 Elektronen an das Flavoprotein ab � NADH + 2 Protonen bleiben zurück
• Elektronen wandern von Komplex I � Komplex III � Komplex V
• beim Komplex IV werden sie auf ½ O2 übertragen (mitochondriale
Elektronentransportkette)
• O 2- reagiert mit den beiden Protonen zu H2O
• Bei der Wanderung der Elektronen wird Energie frei (Knallgasreaktion)
o Diese Energie wird benützt, um Protonen aus der Matrix in den
Zwischenmembranraum zu pumpen
o In allen 3 Komplexen werden Protonen gepumpt
o Protonengradient entsteht
4.1.2. REAKTIONSSUMME
NADH + H + + ½ O2 � NAD + + H2O
6

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
4.2. DIE OXIDATION DER REDUKTIONSÄQUIVALENTE IST MIT DER PHOSPHORYLIERUNG VON
ADP GEKOPPELT
• Protonengradient zwischen Matrix und Zwischenmembranraum
o Zwischenmembranraum: hohe H + -Konzentration � niedriger pH
o Matrix: niedrige H + -Konzentration � hoher pH
• Gradient treibt ATP-Synthase an: ADP + Phosphat � ATP
• Enzym besteht aus :
o einem Kanal, durch den die Protonen die innere Membran passieren
o einem katalytischen Zentrum, in dem die ATP-Synthese abläuft
• Oxidation von NADH � 3 ATP
• Oxidation von FADH2 � 2 ATP
o Elektronen des FADH2 treten erst beim CoQ in die Elektronentransportkette ein
(Komplex III + Komplex IV)
• In der Matrix sammelt sich ATP an
• ATP/ADP-Translocase (Antiporter): transportiert ATP raus und ADP rein
(Protonengradient liefert Antriebskraft)
4.3. HEMMER DER OXIDATIVEN PHOSPHORYLIERUNG
• Entkoppler:
o Hemmen Phosphorylierung von ADP
o Bilden selbst Kanäle (Valinomycin, Gramicidin): erlauben Protonen Membran zu
passieren, ohne ATP zu bilden
• Hemmer der Atmungskette:
o Stoppen den Elektronenfluss
o Barbiturate: hemmen e - - Übertragung von Komplex I auf CoQ
o Antimycin A (Antibiotikum): hemmt Übertragung von Häm b auf Häm c1
o Cyanid, Azid und CO: hemmen Übertragung von Komplex IV auf Sauerstoff
� Bilden Komplexe mit den Fe der Häm-Gruppen des Komplex IV
7

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
5. GLYCOGEN SPEICHERT GLUCOSE
• Glycogen wird gespeichert von:
o Muskeln (2/3)
� Dient als Energiereserve für die Muskelarbeit
� Kann keine Glucose ins Blut abgeben (Enzym Glucose-6-Phosphatase
fehlt)
o Leber (1/3)
� Regulierung des Blutglucosespiegels
5.1. ABBAU
• verzweigtes Glycogenmolekül muss linearisiert werden
o Transferase überführt jeweils 3 Glcosylreste von einem Zweig auf den nächsten
o α-1,6-Rest bleibt und wird von der α-1,6-Glucosidase abgespaltet
• Abbau erfolgt durch die Glycogen-Phosphorylase
• Enzym spaltet nacheinander Glucosereste vom nichtreduzierenden Ende ab
• α-1,4-glycosidische Bindung phosphorolytisch gespalten � Glucose-1-Phosphat entsteht
• Glucose-1-Phosphat wird durch die Phosphoglucomutase in Glucose-6-Phosphat
umgewandelt
• Mögliche Wege:
o Glycolyse
o Pentosephosphatweg
o Zu Glucose dephosphoryliert
• In Leber:
o Glucose-6-Phosphatase entfernt Phosphatrest
o Glucose entsteht
o Kann über Glucose-Transporter Zelle verlassen und mit Blut Muskel und Hirn
erreichen
o Muskel und Hirn besitzen keine Glucose-6-Phosphatase
5.2. SYNTHESE
• Geht vom Glucose-6-Phosphat aus
• Daraus entsteht Glucose-1-Phosphat
• Glucose-1-Phosphat wird durch UTP zu UDP-Glucose aktiviert
• Glycogen-Synthase fügt an nichtreduzierenden Enden des Glycogens neue Glucosereste
an � UDP wird freigesetzt
5.3. REGULATION
• Glycogenab- und aufbau benutzen verschiedene Enzyme
o Glycogensynthase
o Glycogen-Phosphorylase
• Aufbau und Abbau laufen nicht gleichzeitig ab
• Aktivität der Enzyme wird durch die Hormone Adrenalin, Glucagon und Insulin gesteuert
o Adrenalin, Glucagon:
� Aktivieren über cAMP die Phosphorylase
� Hemmen die Synthase
o Insulin:
� Synthetase wird synthetisiert
� Fördert Glycogenbildung
8

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
6. PENTOSEPHOSPHATWEG
• Im Cytoplasma
• Ausgangssubstanz ist Glucose-6-Phosphat
6.1. OXIDATIVER TEIL
• Liefert NADPH + D-Ribose-5-Phosphat
o D-Ribose-5-Phosphat wird zu Nucleosidsynthese gebraucht
o NADPH wird für die Fettsäure- und Steroidsynthese gebraucht
o Pentosephosphatweg kommt daher v.a. in Fett- und Nebennierenrindengeweben
vor
• Bilanz:
Glucose-6-Phosphat + 2 NADP + + H2O � Ribose-5-Phosphat + CO2 + 2NADPH + 2H +
6.2. REGENERATIVER TEIL
• Ist im Stande 6 mol Pentosen in 5 mol Hexosen umzuwandeln und der Glycolyse
zuzuführen, wenn der Bedarf an NADPH höher ist als an Ribose-5-Phosphat
9

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
7. LIPIDSYNTHESE
• Im Cytoplasma
• Aufgaben von Lipiden:
o Speicherform von Energie
o Hauptbestandteile der Zellmembran
o Pigmente (Retional)
o Detergentien
o Hormone
• Die Synthesewege sind endergonisch (ATP) und reduzierend (NADPH)
7.1. TYPISCHE VERBINDUNGEN DES LIPIDSTOFFWECHSELS
• Häufig auftauchende Verbindungen (Thioester des Coenzym A):
o Acetyl-CoA
o Acetoacetyl-CoA
o Acyl-CoA
• Da sie sehr energiereich sind, nennt man sie auch aktivierte Fettsäuren
• Sie entstehen aus freien Säuren durch Umsetzung mit ATP und CoA
o Verwendetes Enzym: Thiokinase
• NADPH liefert den Wasserstoff für reduzierende Reaktionen
7.2. FETTSÄUREN WERDEN AUF C2-EINHEITEN ÜBERTRAGEN
• Geht vom Acetyl-CoA aus
• 2 Enzyme sind beteiligt:
o Acetyl-CoA-Carboxylase
o Fettsäuresynthase
(Multienzymkomplex: enthält alle enzymatischen Funktionen für die Verlängerung
von Fettsäureresten)
Acetyl-CoA + CO2
Malonyl-CoA
Acetyl-CoA-Carboxylase
Fettsäuresynthase (5 Reaktionen laufen ab): Verestert Malonylrest mit SH-
Gruppe
Butyrylrest (aus dem Malonylrest)
Weiterer Malonylrest wird angehängt
...
• Entstandene Fettsäuren werden auf Glycerin-3-Phosphat übertragen
o Glycerin-3-Phosphat entsteht durch Reduktion von Dihydroxyacetonphsophat
• Diglycerid:
o Glycerin-3-Phosphat + 2 Acyl-CoA � Phosphatidsäure
o Phosphat abspalten
• Triglycerid:
o Diglycerid + Acyl-CoA
10

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
7.3. REGULATION
• Über Acetyl-CoA-Carboxylase
• Stellt Malonyl-CoA aus Acetyl-CoA + CO2 her
• Indikator für Energieversorgung der Zelle: Citratkonzentration im Cytoplasma
o Reichert sich an, wenn Enzym Isocitrat-Dehydrogenase durch hohe ATP-
Konzentration gehemmt wird
o Hohes Citrat = viel ATP = guter Energiestatus
o Macht keinen Sinn Acetyl-CoA zur Energiegewinnung in Citratzyklus
einzuschleusen
o Citrat aktiviert Acetyl-CoA-Carboxylase � synthetisiert Fettsäuren aus Acetyl-CoA
o Fettsäuren werden in Form von Triglyceriden gespeichert
o Bei ATP-Mangel baut Zelle Speicherfett ab
o Konzentration an Acyl-CoA im Cytoplasma steigt
o Hohe Acyl-CoA-Konzentration hemmt Acetyl-CoA-Carboxylase
7.4. CHOLESTEROL ENTSTEHT AUS ACETYL-COA UND ACETOACETYL-COA
• Hauptsächlich im Cytoplasma von Leberzellen
• Regulationsstelle:
o 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA-Reduktase (HMG-Reduktase)
o Wird durch Cholesterol gehemmt
Acetyl-CoA + Acetoacetyl-CoA
Mehrere Zwischenstufen (u.a. HMG-Reduktase)
Isopentenylpyrophosphat + Dimethylallylpyrophosphat (aktivierte Isoprene)
Squalen
Cholesterol
Polymerisation von sechs C5-Isopreneinheiten entsteht lineare C30-Struktur
11

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
8. LIPIDABBAU
8.1. FETTSÄUREN WERDEN DURCH β-OXIDATION ABGEBAUT
• Gesättigte, geradzahlige C-Kette
o 4-stufige Reaktion
o Acetyl-CoA als Abbauprodukt
• Einfach ungesättigte, geradzahlige C-Kette
o Zusätzliches Enzym notwenidig: Isomerase
• Mehrfach undgesättigte, geradzahlige C-Kette
o Zusätzliches Enzym notwendig: Reduktase
• Langkettige, ungeradzahlige C-Kette
o Letzte Spaltung ergibt Acetyl-CoA + Propionyl-CoA
o Propionyl-CoA wird in 3stufiger Reaktion zu Succinyl-CoA umgebaut (Vitamin
B12)
• Verwendete Enzyme zur Freisetzung von Fettsäuren:
o Triglyceride: Lipasen
o Phospholipide: Phospholipasen
• Lipase des Fettgewebes ist Hormonsensitiv:
o Insulin: hemmt
o Adrenalin + Glucagon: aktivieren
• Fettsäuren werden ins Blut abgegeben und an Albumin gebuden
• Zellen die Fettsäuren brauchen, speichern sie gebunden an Proteine
• Zum Verbrauch werden sie wieder mit CoA zu Acyl-CoA verestert
• Acyl-CoA wird mit Hilfe von Carnitin in die Mitochondrien transportiert und dort zu Acetyl-
CoA abgebaut (β-Oxidation)
• Sukzessive C2-Einheiten (Acetylreste) werden abgespalten
• Acetylreste werden:
o Als Acetyl-CoA in den Citratzyklus eingespeist
o Zu Ketokörper verarbeitet
• Getrennte Regulierung von Abbau und Synthese durch:
o Getrennte Kompartimente (Mitochondrium – Cytosol)
o Verschiedene Enzyme
8.2 AUS ACETYL-COA KÖNNEN KETOKÖRPER ENTSTEHEN
• Gehirn und Erythrocyten fehlt die β-Oxidation
o Sie können keine Fettsäuren abbauen
o Sie sind für Energiegewinnung auf Glucose angewiesen
• Glucose wird von der Leber geliefert
• Problem bei Hungerperiode:
o Glycogenvorrat, aus dem Glucose hergestellt wird, hält nicht ewig
o Leber und fährt Glucoseverbrauch herunter
o Muskel fährt ebenfalls Glucoseverbrauch runter (Pyruvat wird nicht in Acetyl-CoA
umgewandelt, sonder zur Leber transportiert)
o Dort findet Gluconegenese statt (Pyruvat � Glucose)
� Glucose wird ins Blut abgegeben � Glucosekonzentration bleibt konstant
o Eigener Energiebedarf wird durch Oxidation von Fettsäuren gedeckt
� Es entsteht massenhaft Acetyl-CoA
12

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
� Citratzyklus kann nicht soviel aufnehmen, da Oxalacetat fehlt (wird für
Gluconeogenese benötigt)
o Überschüssiges Acetyl-CoA wird zu Ketokörper umgesetzt
� Acetyacetat
� Hydroxybutyrat
� Aceton
o Acetoacetat + Hydroxybutyrat kann Gehirn zu Acetyl-CoA umsetzen und in den
Citratzyklus einschleusen
o Gehirn spart so Glucose und Aminosäuren
8.3. CHOLESTEROL WIRD ZU GALLENSÄURE ABGEBAUT
• Teil des Cholesterols wird in Leber zu Gallensäuren umgewandelt:
o Cholat
o Deoxycholat
• Diese werden mit Glycoin oder Taurin konjugiert
• Konjugate fließen über die Galle in den Darm
• Konjugate werden durch Darmbakterien wieder zu Gallensäuren gespalten
• Gallensäuren werden
o Zum Teil ausgeschieden
o Zum Großteil wieder in die Leber zurücktransportiert und wieder mit Glycin oder
Taurin konjugiert (enterohepatischer Kreislauf)
• Cholesterol wird in Galle abgegeben und gelangt in den Darm
• Dort wird es teils rückresorbiert, teils durch Darmbakterien zu Koprosterin reduziert und
ausgeschieden
8.4. LIPIDE WERDEN VON LIPOPROTEINEN TRANSPORTIERT
• Da Lipide nicht wasserlöslich sind, sind Träger für den Transport im Blut nötig
o Fettsäuren � Albumin
o Triglyceride, Phospholipide, Cholesterol, Cholesterolester � Lipoproteine
• Lipoproteine bestehen aus:
o Protein
o Triglyceriden
o Phospholipiden
o Cholesterol
o Cholesterolestern
• Proteinanteil bestimmt Lipidbindungskapazität + Umsatzgeschwindigkeit
• Chylomikronen
o Werden nach fettigen Mahlzeiten in Mucosazellen des Darmes gebildet
o Bestehen zu 98% aus Lipiden (v.a. Triglyceriden)
o Werden im Fettgewebe durch Lipoprotein-Lipasen gespalten
o Fetsäuren werden von Adipocyten aufgenommen
o Reste werden in der Leber abgebaut
• VLDL (very low density lipoprotein)
o Wird in Leber gebildet und im Blut zu Fettgewebe transportiert
o Triglyceride werden durch Lipoprotein-Lipasen gespalten
o Fettsäuren werden durch Adipocyten aufgenommen
o VLDL wird in LDL umgewandelt
13

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
• LDL (low density lipoprotein)
o Beliefert Gewebe mit Cholesterol
• HDL (high density lipoprotein)
o In Leber synthetisiert
o Enthält viel Protein und Phospholipide
o Transportiert überschüssiges Cholesterol vom Fettgewebe in die Leber
8.5. β-OXIDATION IN PEROXISOMEN
• Peroxisomen sind kleine, mit einer einfachen Membran umhüllte Vesikel, die sich im
Cytoplasma befinden
• Da können Reaktionen ablaufen, die für den Organismus gefährlich wären
o Sie enthalten Enzyme (Oxidasen), die Wasserstoff mit Sauerstoff zu
Wasserstoffperoxid verbinden
o Peroxidasen bauen das Wasserstoffperoxid ab
• Zerlegen große Fettsäuren in kleinere
14

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
9. PURIN- UND PYRIMIDINBASEN
9.1. BIOSYNTHESE DER PURIN- UND PYRIMIDINBASEN
• Purin- und Pyrimidinbasen werden benötigt zum Aufbau von:
o Nucleinsäuren
o Enzymatischer Cofaktoren
� ATP
� NADH
� CoA
• Biosynthese der Pyrimidinbasen (Cytosin, Thymin, Uracil)
Asparaginsäure + Carbamoylphosphat
Orotsäure
Aspartat-Carbamoyl-Transferase
UMP (Uridinmonophosphat)
o Aminierung von UMP � CMP (Cytidinmonophosphat)
o Methylierung von UMP � dTMP (desoxy-Thymidinmonophsophat)
o Schlüsselenzym: Aspartat-Carbamoyl-Transferase
� Bei Bakterien: Feedback-Hemmung durch CTP
• Biosynthese der Purinbasen (Adenin, Guanin)
Ribose-5-Phosphat (aus Pentosephosphatweg)
Aufbau eines Purinrestes aus Aminogruppen: Aspartat, Glutamin, Glycin, CO2,
2 Formyl-Gruppen (von Cofaktor THF übertragen)
IMP (Inosinmonophosphat)
o Weitere Reaktion zu:
� AMP
� GMP (kostet viel Energie)
o Cofaktor THF (Tetrahydrofolsäure) ist essentiell
9.2. ABBAU DER PURIN- UND PYRIMIDINBASEN
• Zelleuläre DNA wird kaum abgebaut
• mRNA zeichnet sich durch hohen Umsatz aus
• Abbau von Nucleinsäure:
Nucleinsäuren (DNA, RNA) � Mononucleotide � Nucleoside � Basen
• Aus AMP � IMP � Hypoxanthin
• Aus CMP � Uracil
15

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
• Pyrimidinbasen:
o Reduktion
o Ringöffnung
o Abbau zu CO2 und Ammoniak
• Purinbasen:
o Desaminierung + Oxidation des Puringerüsts
o Abspaltung der Ribose
o Es entstehen Zwischenprodukte: Guanin + Hypoxanthin
o Endprodukt: Harnsäure
• Da die Purinsynthese energetisch aufwendiger ist, wird der größte Teil der Purinbasen
wiederverwendet:
o Enzyme:
� Adenin-Phosphoribosyl-Transferase
� Guanin- / Hypoxanthin-Phosphoribosyl-Transferase (GHPT)
o Wandeln freie Purine in Purinnucleosid-5’-Phoaphate um
16

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
10. AMINOSÄURENSYNTHESE UND -ABBAU
10.1. PROTEINABBAU / PROTEOLYSE
• Abhängig davon wo die Proteolyse stattfindet unterscheidet man:
o Intrazelluläre Proteolyse
� Abbau zelleigener Proteine im Proteasom (Proteinkomplex)
� Abbau von durch Phagocytose aufgenommener Proteine im Lysosom
(Zellorganell mit Proteasen, Lipasen, etc.)
o Extrazelluläre Proteolyse
10.2. BIOSYNTHESE DER AMINOSÄUREN
• AS stammen aus der Hydrolyse von Nahrungsproteinen
o Nicht-essentielle AS können im Körper synthetisiert und ineinander umgewandelt
werden
o Schaltstellen:
� Citratzyklus
� Transaminierungsreaktionen
� Transfer von C1-Einheiten
• Citratzyklus, Glykolyse, Pyruvat:
o Liefern die Grundgerüste (α-Ketosäuren / C-Skelette)
o Pyruvat ist C-Skelett von Alanin
• Transaminasen:
o Übertragen α-Aminogruppen einer AS auf α-Ketosäure
o Coenzym: Pyridoxalphsophat
o Leber und Muskel enthalten viele Transaminasen
� Wenn Hepatocyten absterben, verlieren sie ihre Transaminasen ans
Serum
� Bei Leberschäden erhöht sich daher Serumspiegel von Transaminasen
• C1-Einheiten:
o Diese werden bei der Synthese einiger AS übertragen
o Glycin entsteht aus Serin:
� β-C-Atom des Serins wird auf THF übertragen
� es entsteht N5,N10-Methylen-THF
� diese Umwandlung ist Hauptquelle von C1-Enheiten
10.3. AMINOSÄUREABBAU
• Der Stickstoff wird durch Transaminierung auf α-Ketoglutarat (Citratzyklus) übertragen
• Es entsteht Glutamat und die entsprechende α-Ketosäure (C-Skelett)
o Serin + Threonin können direkt desaminiert werden
• Abbau der α-Ketosäuren läuft über 2 Wege:
o Glucogene AS:
� α-Ketosäuren liefern Oxalacetat
� aus diesem kann über Gluconeogenese Glucose hergestellt werden
o Ketogene AS:
� Liefern Acetyl-CoA oder Ketokörper Acetoacetat
• Im Zentrum des Abbaus steht der Citratzyklus
17

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
• Der übertragene Stickstoff wird:
o Durch Transaminierung zum Aufbau neuer AS verwendet
o Als NH3 freigesetzt
• 2 Mechanismen zur Freisetzung von NH3:
o Oxidative Desaminierung
� Die Aminogruppe wird unter Beteiligung von NAD + zur Iminogruppe
dehydriert
� Iminogruppe wird hydrolytisch abgespalten
� α-Ketosäure entsteht
� Enzym: Glutamatdehydrogenase der Leber
o Hydrolytische Desaminierung
� Ammoniak wird aus Säureamidbindungen freigesetzt
� Enzym: Glutaminase
18

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
11. HARNSTOFFZYKLUS
• Der beim Aminosäureabbau entstehende Ammoniak wird durch die Leber und den
Harnstoffzyklus entfernt
• Baut Ammoniak in Harnstoff um
• Ammoniak + CO2 � Carbamoylphosphat
o Verbrauch: 2 ATP
• Carbamoylphosphat + Ornithin � Citrullin
• Citrullin + Aminogruppe von Aspartat (kommt von Citratzyklus) � Argininosuccinat
• Argininosuccinat � Arginin + Fumarat (geht in Citratzyklus)
• Arginin � Harnstoff + Ornithin
• Schrittmacherenzym: Carbamoylphsphat-Synthase
• Harnstoffsynthese + Citratzyklus sind gekoppelt:
o Aus Fumarat wird über Malat das Oxalacetat
o Oxalacetat wird durch Transaminierung zu Aspartat umgesetzt
19

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
12. PHOTOPHOSPHORYLIERUNG
• Als Photosynthese bezeichnet man die Erzeugung (die Synthese) von organischen
Stoffen in Lebewesen unter Verwendung von Lichtenergie
12.1. PRINZIP DER PS
• Die Photosynthese kann in drei Schritte untergliedert werden
o 1. Schritt:
� elektromagnetische Energie (in Form von Licht) unter Verwendung von
Farbstoffen absorbiert
o 2. Schritt:
� Umwandlung der elektromagnetischen Energie in chemische Energie
o 3. Schritt:
� chemische Energie wird für den Stoffwechsel zur Synthese von
organischen Verbindungen und zum Wachstum verwendet
• Der bei der Synthese benötigte Kohlenstoff stammt aus:
o einfachen organischen Verbindungen (z.B. Acetat) – nur bei Bakterien
o Kohlendioxid (CO2)
• Primäres Syntheseprodukt: Glucose
o Glucose dient sowohl als Energielieferant als auch als Ausgangsmaterial für den
nachfolgenden Aufbau von Bau- und Reservestoffen
• Brutto-Reaktionsgleichung für die Photosynthese:
6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
• Netto-Reaktionsgleichung für die Photosynthese:
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
• Wortgleichung:
Aus Kohlenstoffdioxid und Wasser entstehen, mit Hilfe von Licht und Chlorophyll,
Traubenzucker und Sauerstoff
12.2. PRIMÄR- UND SEKUNDÄRREAKTION (LICHT- UND DUNKELREAKTION)
• Photosynthese besteht aus einer Primär- bzw. Sekundärreaktion
• In der Primärreaktion entsteht zunächst unter Nutzung von Lichtenergie chemische
Energie (in Form von ATP) und ein Reduktionsmittel (NADPH)
• ATP und NADPH werden in der anschließenden lichtunabhängigen Reaktion genutzt, um
ohne Licht organische Stoffe zu bilden, meistens Glucose
o Dabei wird CO2 mit ATP als Energiequelle und NADPH als Reduktionsmittel zu
Glucose und Wasser umgesetzt
o NADPH gibt bei diesem Vorgang den von ihm transportierten Wasserstoff und
zwei Elektronen ab und wird selbst zum NADP+ oxidiert
o ein zweiter Wasserstoff wird aus H+-Ionen entnommen
• Bei Pflanzen findet die Synthese von Glucose in den Chloroplasten der Zelle statt
o lichtabhängigen Reaktionen: Thylakoiden
o lichtunabhängige Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus): Stroma (Matrix)
20

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
12.3. PRIMÄRREAKTION
• Nicht-zyklische Photophosphorylierung
o Licht wird durch sogenannte Lichtsammelkomplexe absorbiert
� Das sind in Thylakoid-Membranen gebundene Proteine, an die Farbstoffe
gebunden sind
o Durch die Absorption von Licht werden in den Farbstoffen Elektronen in einen
energiereichen („angeregten“) Zustand versetzt
o Als Lichtsammler können verschiedene Farbstoffe (Pigmente) fungieren
o Die Anregungsenergie wird über weitere, benachbarte Pigment-Proteine
weitergeleitet (in wenigen Pikosekunden) bis sie schließlich auf ein als
Reaktionszentrum bezeichnetes Chlorophyll-Molekül gelangt
o Dieses ist räumlich so zu Elektronenüberträgern angeordnet, dass es in
angeregtem Zustand ein Elektron daran abgeben kann
o Durch diese chemische Reaktion, eine Redoxreaktion, in der das Chlorophyll
oxidiert und der primäre Elektronenüberträger reduziert wird, wird also die
Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt.
o Zunächst wird die im Photosystem II befindlichen Chlorophyll-Moleküle durch die
von den Lichtsammelkomplexen an sie weitergeleitete Lichtenergie auf ein
höheres Energieniveau gehoben (niedrigeres Redoxpotential: gibt leichter
Elektronen ab
o Die Elektronen werden an Plastochinon weitergegeben
o Die Elektronen über einen Cytochrom-Komplex an Plastocyanin weitergegeben
� Bei dieser Weitergabe wird außerdem pro Elektron ein H+ aus dem
Stroma des Chloroplasten in den Thylakoidinnenraum transportiert
o Die im Chlorophyll fehlenden Elektronen werden anschließend durch die Spaltung
von Wasser in Elektronen, Protonen und ½ O2 (Photolyse) ersetzt
o Ein gespaltenes Wasser-Molekül ersetzt zwei Elektronen in den Photosystemen
o Das Photosystem I nutzt wie das Photosystem II die von einem
Lichtsammelkomplex absorbierte Lichtenergie, um Elektronen an das Ferredoxin
(Fd) abzugeben
o Ersetzt werden die abgegebenen Elektronen aus dem Plastocyanin
o Vom Ferredoxin werden die Elektronen auf die NADP+-Reduktase übertragen, wo
NADP+ zu NADPH reduziert wird
o Der Transport von H+-Ionen in den Thylakoidinnenraum bewirkt im Vergleich zum
Chloroplasten-Stroma einen Protonen-Konzentrationsunterschied, der die ATP-
Synthase antreibt, wodurch der Energieträger ATP gewonnen wird
(=Photophosphorylierung)
o In der Lichtreaktion mit nicht-zyklischem Elektronentransport wird also zweierlei
gewonnen:
� eine Energiequelle in Form von ATP
� ein Reduktionsmittel in Form von NADPH
• Zyklische Photophosphorylierung
o Der zyklische Elektronentransport wird nur vom Photosystem I angetrieben
o Dabei werden die Elektronen vom Ferredoxin (Fd) nicht an die NADP+-Reduktase
weitergegeben, sondern zurück zum Plastochinon geführt, wodurch sie wiederum
zum Photosystem I gelangen
o Dadurch wird kein NADPH gebildet, sondern ausschließlich ATP
21

Zmyslowska Ewelina VO: Biochemie des Stoffwechsels
Matrikelnummer: 0420200
13. CO2-FIXIERUNG, CALVIN-ZYKLUS
• In der Sekundärreaktion wird als erstes Kohlenstoffdioxid an eine durch den Organismus
gebildete und als Akzeptor fungierende organische Verbindung gebunden
• C3-Pflanzen:
o primärer Akzeptor: Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP)
o Enzym: Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/-Oxygenase (RubisCO)
• C4-Pflanzen:
o Primärer Akzeptor: Phosphoenolpyruvat (PEP)
o Enzym: PEP-Carboxylase
o auch bei ihnen wird das CO2 später über RubisCO in den Calvin-Zyklus
eingeschleust
13.1. CALVIN-ZYKLUS
• C3-Pflanzen:
o nach der CO2-Aufnahme zerfällt das entstandene, aus 6 C-Atomen bestehende
Molekül sofort in zwei Moleküle Glycerinsäure-3-phosphat
o Diese Moleküle werden in mehreren Schritten mit NADPH als Reduktionsmittel zu
Zucker reduziert
o Die Energie für diese Reaktion wird vom ATP geliefert
o In einem komplizierten, mehrstufigen Prozess werden aus 6 aufgenommenen
CO2-Molekülen und der RuBP 12 Moleküle Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P)
o 10 G3P-Moleküle bleiben im Zyklus und bilden unter erneuter Energielieferung
durch ATP wieder die ursprünglich eingesetzten 6 Moleküle RuBP
• Aus 2 Molekülen wird rechnerisch ein Molekül Glucose C6H12O6
• Die Glucose wird jedoch nicht in freier Form gebildet. Für die Weiterverarbeitung gibt es
zwei alternative Wege:
o Aus dem Calvin-Zyklus wird Fructose-6-phosphat abgezweigt, das im
Chloroplasten zu Stärke verarbeitet wird
o Aus dem Calvin-Zyklus wird G3P abgezweigt, das über einen Phosphat-
Translokator im Tausch gegen Phosphat in das Cytosol exportiert wird, wo es zu
Saccharose weiterverarbeitet wird
22