Mitschrift zur VO Biochemie des Stoffwechsel Prof. Kainz
Mitschrift zur VO Biochemie des Stoffwechsel Prof. Kainz
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<strong>Mitschrift</strong> <strong>zur</strong><br />
<strong>VO</strong> <strong>Biochemie</strong> <strong>des</strong> <strong>Stoffwechsel</strong><br />
<strong>Prof</strong>. <strong>Kainz</strong><br />
Über Umwege ist uns (StV Bio und Molbio) die folgende <strong>Mitschrift</strong> <strong>zur</strong> <strong>VO</strong><br />
<strong>Biochemie</strong> <strong>des</strong> <strong>Stoffwechsel</strong>s in die Hände gefallen. Wenn die <strong>Mitschrift</strong> von<br />
jemandem als die Seinige / Ihrige erkannt werden sollte, besteht natürlich die<br />
Möglichkeit, den Namen <strong>des</strong> / der VerfasserIn am Deckblatt anzuführen, bzw.<br />
das Skriptum wieder offline zu stellen.<br />
Wie immer übernehmen wir KEINE Garantie für den Inhalt.<br />
Lg StV Bio & Molbio<br />
1
OXIDATION = Elektronenabgabe<br />
REDUKTION = Elektronenaufnahme<br />
Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen nimmt ein geeigneter Reaktionspartner auf<br />
= Oxidationsmittel (O2)<br />
Bei der Reduktion liefert der Reaktionspartner die aufzunehmenden Elektronen<br />
= Reduktionsmittel<br />
BIOCHEMIE DES STOFFWECHSELS<br />
„Energiestoffwechsel“, Katabolismus:<br />
Aufnahme von Energie aus der Umgebung unter Nutzung der Sonnenenergie oder durch den Abbau<br />
energiereicher Nährstoffe.<br />
Intermediärstoffwechsel:<br />
Umwandlung von Nährstoffmoleküle in charakteristische Moleküle der Zelle, einschließlich<br />
makromolekularer Vorstufen.<br />
Anabolismus, Biosyntheseweg:<br />
Aufbau von Proteinen, Nucleinsäuren, Lipiden, Polysacchariden und anderen Zellbestandteilen aus<br />
monomeren Vorstufen.<br />
Sekundärstoffwechsel:<br />
Auf- und Abbau von Biomolekülen, die für spezielle Zellfunktionen benötigt werden.<br />
Katabolische <strong>Stoffwechsel</strong>wege liefern chemische Energie in Form von ATP, NADH und NADPH.<br />
Diese werden in anabolischen <strong>Stoffwechsel</strong>wegen zum Aufbau zellulärer Makromoleküle aus<br />
niedermolekularen Vorstufen verwendet.<br />
Allgemeine Prinzipien <strong>des</strong> <strong>Stoffwechsel</strong>s:<br />
1. Große Anzahl von Reaktionen, die Anzahl der Reaktionstypen ist jedoch relativ gering.<br />
2. Die Art der Regulation ist häufig vergleichbar.<br />
3. Zellen gewinnen auf ähnliche Art speicherbare Energie und Reduktionsäquivalente aus der<br />
Umgebung.<br />
Lebende Systeme sind auf laufende Zufuhr Freier Enthalpie angewiesen, die hauptsächlich für 4<br />
Zwecke gebraucht wird:<br />
1. Ausführung mechanischer Arbeit bei Muskelkontraktion und zellulärer Bewegung<br />
2. aktiver Transport von Molekülen und Ionen<br />
3. Synthese von Makromolekülen und anderen Biomolekülen aus einfachen Vorstufen<br />
4. Exergonische Reaktionen können endergonische Reaktionen „ziehen“ (erzeugen). Nicht alle<br />
Einzelreaktionen eines <strong>Stoffwechsel</strong>s sind exergonisch!<br />
(∆G = ∆H - T∆S; ∆G ist die Größe, die uns sagt, ob eine chemische Reaktion ablaufen kann; die<br />
Beiträge von Enthalpie und Entropie werden berücksichtigt; T in Kelvin)<br />
∆G = die Veränderung der freien Enthalpie<br />
∆H = Enthalpie, Wärmegehalt eines Systems<br />
T = absolute Temperatur in Kelvin K<br />
∆S = Entropie = Maß für die Zufälligkeit oder Unordnung in einem System<br />
Freie Enthalpie G stammt aus der Umgebung:<br />
• Bei chemotrophen Organismen: durch die Oxidation von Nährstoffen<br />
• Bei phototrophen Organismen: durch Einfangen von Lichtenergie<br />
Vorgang von Energiespeicherung:<br />
2
Bei beiden Gruppen werden Protonen durch eine Membran gepumpt und eine sog. protonenmotorische<br />
Kraft zu erzeugen. Dieser Protonengradient treibt dann die ATP-Synthese an.<br />
Regulation von <strong>Stoffwechsel</strong>prozessen:<br />
Energetik biochemischer Reaktionen<br />
1. Kontrolle der verfügbaren Enzymmenge<br />
(abhängig von der Geschwindigkeit der Synthese als auch der <strong>des</strong> Abbaus)<br />
2. Kontroller der Enzymaktivität<br />
a. durch reversible allosterische (formverändernde) Kontrolle<br />
(ein anderes Molekül wird vorübergehend an die Oberfläche eines Enzyms gehängt � andere<br />
Form � katalytisches Zentrum wird verschoben � Katalyse wird entweder schneller oder<br />
langsamer)<br />
b. durch reversible kovalente Modifikation<br />
c. durch inaktive Vorstufen (Zymogene)<br />
(kurze Ansätze an Zellen werden selbstverdaut, sodaß endgültige Form entsteht)<br />
3. Variable Verfügbarkeit von Substraten<br />
(z.B. Insulin fördert die Aufnahme von Glucose in viele Arten von Zellen)<br />
Viele <strong>Stoffwechsel</strong>reaktionen werden durch den Energiezustand der Zelle kontrolliert. Ein Index für<br />
den Energiezustand ist die Energielandung (energy charge), die dem Molenbruch <strong>des</strong> ATP plus dem<br />
halben Molenbruch <strong>des</strong> ADP proportional ist, da ATP zwei Anhybridbindungen, ADP aber nur eine<br />
enthält. Damit ist die Energieladung definiert als<br />
Energieladung = [ATP] + ½ [ADP] .<br />
[ATP] + [ADP] + [AMP]<br />
Sie kann einen Wert zwischen 0 (nur AMP) und 1 (nur ATP) annehmen. Daniel Atkinson zeigte, dass<br />
ATP-erzeugende (katabole) <strong>Stoffwechsel</strong>wege durch eine hohe Energieladung gehemmt, ATPverbrauchende<br />
(anabole) <strong>Stoffwechsel</strong>wege dagegen angeregt werden. Trägt man die<br />
Reaktionsgeschwindigkeit solcher <strong>Stoffwechsel</strong>wege gegen die Energieladung auf, dann nehmen die<br />
Kurven bei einer Energieladung von 0,9, wo sie sich gewöhnlich schneiden, einen steilen Verlauf.<br />
Offensichtlich ist die Steuerung dieser <strong>Stoffwechsel</strong>wege darauf ausgelegt, die Energieladung innerhalb<br />
enger Grenzen zu halten. Mit anderen Worten: Die Energieladung ist, wie der ph-Wert einer Zelle,<br />
gepuffert. Die Energieladung der meisten Zellen liegt zwischen 0,8 und 0,95. Ein anderer Index für<br />
den Energiezustand ist das Phosphorylierungspotential, das definiert ist als<br />
Phosphorylierungspotential = [ATP] .<br />
[ATP] [Pi]<br />
Abschnitte der Energiegewinnung aus Nahrungsstoffen (Katabolismus)<br />
1.Stufe: Die großen Moleküle werden zu kleineren Einheiten abgebaut. Die Proteine, die aus 20<br />
verschiedenen AS bestehen, werden zu den einzelnen AS hydrolysiert; die Polysaccharide<br />
werden in einfache Zucker wie z.B. Glucose und die Fette in Glycerin und Fettsäuren zerlegt.<br />
Diese Stufe ist eine reine Vorbereitungsphase; hier entsteht keine verwertbare Energie.<br />
2.Stufe: Diese zahlreichen kleinen Moleküle werden zu einigen einfachen Einheiten abgebaut, die eine<br />
zentrale Rolle im <strong>Stoffwechsel</strong> spielen. Tatsächlich werden die meisten von ihnen – z.B.<br />
3
Kohlenhydrate, Fettsäuren, Glycerin und einige AS – in Acetylgruppen <strong>des</strong> Acetyl-CoA<br />
umgewandelt. In dieser Phase entsteht etwas ATP, aber die Menge ist gering.<br />
3.Stufe: oxidative Phosphorylierung. Hier entsteht ATP aus der vollständigen Oxidation der<br />
Acetylgruppe <strong>des</strong> Acetyl-CoA. Diese dritte Phase besteht aus dem Citratzyklus und der<br />
oxidativen Phosphorylierung, den abschließenden, allgemeinen <strong>Stoffwechsel</strong>wegen bei der<br />
Oxidation von Brennstoffmolekülen. Das Acetyl-CoA liefert die Acetyleinheiten, die im<br />
Citratzyklus vollständig zu CO2 oxidiert werden. Für jede oxidierte Acetylgruppe werden 4<br />
Elektronenpaare (3 auf NAD+, 1 auf FAD) übertragen. Wenn Elektronen von den reduzierten<br />
Formen dieser Carrier auf O2 übergehen, entsteht ein Protonengradient, der dazu genutzt wird,<br />
um ATP zu erzeugen.<br />
NADH (NADPH): universelle Elektronencarrier<br />
Nicotinamidadenindinucleotid (NAD + ) und sein phosphoryliertes Analogon NADP + werden zu NADH<br />
oder NADPH reduziert, wobei sie ein Hydrid-Ion (zwei Elektronen und ein Proton) von einem<br />
oxidierbaren Substrat aufnehmen. Das Hydrid-Ion kann entweder auf der Vorderseite (Typ A) oder auf<br />
der Rückseite (Typ B)<strong>des</strong> planaren Nicotinamid-Ringes addiert werden.<br />
Die UV-Absorptionsspektren von NAD + und NADH:<br />
Die Reduktion <strong>des</strong> Nicotinamid-Ringes führt zu einer neuen, breiten Absorptionsbande mit einem<br />
Maximum bei 340 nm. Man kann die Produktion von NADH im Verlauf einer enzymkatalysierten<br />
Reaktion leicht verfolgen, indem man das allmähliche Erscheinen er Absorption bei<br />
Acetyl-CoA: universeller Acylgruppen-Carrier<br />
Ein aktivierter Carrier von C2-Fragmenten. Das Coenzym A (CoA), ein weiteres Molekül mit einer<br />
zentralen Stellung im <strong>Stoffwechsel</strong>, überträgt Acylgruppen. Acylgruppen spielen eine wichtige Rolle im<br />
Katabolismus, z.B. bei der Oxidation von Fettsäuren, und im Anabolismus, etwa bei der Synthese von<br />
Membranlipiden. Die endständige Sulfhydrylgruppe im CoA ist die reaktive Stelle. Acylgrupen werden<br />
als Thioester an CoA gebunden. Das entstehende Derivat bezeichnet man als Acyl-CoA. Eine oft mit<br />
CoA verknüpfte Acylgrupe ist die Acetyleinheit; das entsprechende Derivat heißt Acetyl-CoA. Der<br />
∆G°´-Wert der Hydrolyse <strong>des</strong> Acetyl-CoA ist stark negativ.<br />
Acetyl-CoA + H2O �� Acetat + CoA + H + ∆G°´ = -31,4 kJ mol -1<br />
Die Hydrolyse eines Thioesters ist thermodynamisch günstiger als die Hydrolyse eines Sauerstoffesters,<br />
da die Elektronen der C-O-Bindung nicht so stabile Resonanzstrukturen mit der C-S-Bindung bilden<br />
können wie mit der C-O-Bindung. Acetyl-CoA hat <strong>des</strong>halb ein hohes<br />
Acetylgruppenübertragungspotential, da der Transfer der Acetylgruppen exergonisch ist. So wie ATP<br />
eine aktivierte Phosphorylgruppe trägt, trägt Acetyl-CoA eine aktivierte Acetylgruppe.<br />
Van der Waals-Kräfte:<br />
Die Edelgase und viele Stoffe, die aus Molekülen aufgebaut sind, lassen sich erst bei tiefen<br />
Temperaturen verflüssigen und <strong>zur</strong> Kristallisation bringen.<br />
Zwischen den Molekülen und zwischen den Edelgasatomen existieren nur schwache ungerichtete<br />
Anziehungskräfte, die als van der Waals-Kräfte bezeichnet werden. Die van der Walls-Kräfte kommen<br />
durch Anziehung zwischen Dipolen zustande, sie sind also elektrostatischer Natur. Die Reichweite ist<br />
sehr gering – sie ist praktisch auf die nächsten Nachbarn beschränkt -, denn da die<br />
Wechselwirkungsenergie proportional r<br />
4<br />
-6 ist, nimmt sie mit wachsendem Abstand viel schneller ab als<br />
die Ionen-Ionen-Wechselwirkung. Man unterscheidet drei Komponenten der van der Waals-Kräfte:<br />
Wechselwirkung permanenter Dipol-permanenter Dipol (Richteffekt):<br />
Bei der Anziehung von Dipolen mit einem permanenten Dipolmoment kommt es u einer Ausrichtung<br />
der Dipole, die dadurch in einem energieärmeren Zustand übergehen. Der Richteffekt ist<br />
temperaturabhängig, da die Wärmebewegung der Ausrichtung der Dipole entgegenwirkt.<br />
Wechselwirkung permanenter Dipol-induzierter Dipol (Induktionseffekt):
Ein permanenter Dipol induziert in einem benachbarten Teilchen ein Dipolmoment, es kommt zu einer<br />
Anziehung. Besitzt das benachbarte Teilchen ein permanentes Dipolmoment, so überlagern sich<br />
Induktionseffekt und Richteffekt. Der Induktionseffekt ist temperaturabhängig.<br />
Wechselwirkung fluktuierender Dipol-induzierter Dipol (Dispersionseffekt):<br />
In allen Atomen und Molekülen entstehen durch Schwankungen in der Ladungsdichte der<br />
Elektronenhülle fluktuierende Dipole. Im Nachbaratom werden durch diese „momentan“ vorhandenen<br />
Dipole gleichgerichtete Dipole induziert, so dass eine Anziehung entsteht. Da mit zunehmender Größe<br />
der Atome bzw. Moleküle die Elektronen leichter verschiebbar sind, lassen sich leichter Dipole<br />
induzieren, die van der Waals-Anziehung nimmt zu. Die thermischen Daten z.B. der Edelgase ändern<br />
sich als Folge davon gesetzmäßig mit der Ordnungszahl.<br />
Die vielfältigen <strong>Stoffwechsel</strong>-Funktionen von Glucose:<br />
In manchen Bakterien:<br />
Glucose dient auch als vielseitige Vorstufe für verschiedenste Biosynthesereaktionen.<br />
In höheren Pflanzen und Tieren:<br />
1. Glucose kann (in guten Zeiten) gespeichert werden (als Polysaccharid oder Sucrose).<br />
2. Glucose kann über den Pentosephosphatweg (Phosphogluconatweg) zu Pentosen oxidiert werden.<br />
3. Verwendung als Energielieferant in der Glycolyse durch Oxidation zu Pyrovat.<br />
Zu wenig Glucose � man stirbt, da ZNS auf Glucose angewiesen ist, da diese für Fette essentiell sind.<br />
GLYCOLYSE<br />
griech. glykos für „süß“ und lysis für „Auflösung“<br />
Die Glycolyse ist eine Folge von Reaktionen, in denen Ein Molekül Glucose zu zwei Molekülen Pyruvat<br />
umgewandelt wird und gleichzeitig zwei Moleküle ATP entstehen. Dieser Prozeß verläuft anaerob (das<br />
heißt er braucht keinen Sauerstoff), da er sich vor der Ansammlung größerer Mengen Sauerstoff in der<br />
Atmosphäre entwickelte. Das Pyruvat kann weiter anaerob zu Lactat (Milchsäuregärung) oder zu<br />
Ethanol (alkoholische Gärung)umgewandelt (vergärt, fermentiert) werden. Unter aeroben Bedingungen<br />
kann das Pyruvat vollständig zu CO2 oxidiert werden.<br />
Die Glykolyse kommt praktisch in allen Zellen vor, sowohl bei Pro- als auch bei Eukaryoten. In<br />
Eukaryotenzellen findet sie im Cytosol statt. Die Glykolyse läuft gewissermaßen in drei Stufen ab:<br />
Stufe 1 ist die Umwandlung von Glucose zu Fuctose-1,6-bisphosphat und besteht aus drei Schritten:<br />
Einer Phosphorylierung, einer Isomerisierung und einer zweiten Phosphorylierung. Die Strategie dieser<br />
ersten Schritte der Glykolyse besteht darin, die Glucose in der Zelle einzufangen und in eine Verbindung<br />
zu überführen, die sich leicht in phosphorylierte C3-Einheiten spalten lässt.<br />
Stufe 2 ist die Spaltung <strong>des</strong> Fructose-1,6-bishpsphats in zwei C3-Fragmente. Diese C3-Einheiten sind<br />
leicht ineinander umwandelbar.<br />
In Stufe 3 wird ATP gewonnen, wenn die C3-Fragmente zu Pyruvat oxidiert werden.<br />
Schritt 1.1.:<br />
Glucose tritt in die Zelle mithilfe spezifischer Transportproteine ein und wird durch ATP zu Glucose-6phosphat<br />
phosphoryliert. (Vorteile: Glucose-6-phosphat kann aufgrund seiner negativen Ladung nicht<br />
durch die Membran diffundieren; die Addition der Phosphorylgruppe beginnt die Glucose zu<br />
<strong>des</strong>tabilisieren und erleichtert so ihren weiteren Abbau). Der Transfer einer Phosphorylgruppe vom ATP<br />
auf die C-6-Hydroxylgruppe der Glucose wird durch die Hexokinase (nur aktiv wenn Mg 2+ -Ionen oder<br />
andere zweiwertige Metallionen wie Mn 2+ vorhanden sind) katalysiert.<br />
Schritt 1.2.:<br />
Der nächste Schritt der Glykolyse ist die Isomerisierung von Glucose-6-phosphat zu Fructose 6phosphat.<br />
Die Isomerisierung von G-6-p zu F-6-p ist die Umwandlung einer Aldose in eine Ketose.<br />
Die von der Phosphoglucose-Isomerase katalysierte Reaktion umfasst zusätzliche Schritte, da sowohl<br />
Glucose-6-phosphat als auch Fructose-6-phosphat hauptsächlich in zyklischer Form vorliegen. Das<br />
5
Enzym muß zuerst den sechsgliedrigen Ring von Glucose-6-phosphat öffnen, die Isomerisierung<br />
katalysieren und dann die Bildung <strong>des</strong> fünfgliedrigen Ringes von Fructose-6-phosphat fördern.<br />
Schritt 1.3.:<br />
Der Isomerisierung folgt eine zweite Phosphorylierung. Fructose-6-phosphat wird durch ATP zu<br />
Fructose-1,6-bisphosphat (F-1,6-BP) phosphoryliert. („bis“ = zwei getrennte Phosphatgruppen, die<br />
nicht durch eine Säureanhydridbindung verbunden sind). Diese Reaktion katalysiert die<br />
Phosphofructokinase (PFK), ein allosterisches Enzym, das die Geschwindigkeit der Glykolyse<br />
bestimmt.<br />
Schritt 2:<br />
Die zweite Stufe der Glykolyse beginnt mit der Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat zu<br />
Glyerinaldehyd-3-phosphat (GAP) und Dihydroxyacetonphosphat (DHAP). Die weiteren Schritte<br />
der Glykolyse laufen nur noch mit C3-Einheiten ab und nicht mehr mit C6-Einheiten. Diese Reaktion<br />
(unter intrazellulären Bedingungen leicht umkehrbar) katalysiert die Aldolase.<br />
Induced Fit (von der Glucose induzierte Strukturveränderung <strong>des</strong> Enzyms) wichtig weil: Die<br />
Umgebung der Glucose wird unpolarer, was die Übergabe der terminalen Phosphorylgruppe <strong>des</strong> ATP<br />
begünstigt. Konformationsänderung in der Kinase bewirkt, dass sie nicht Wasser als bevorzugtes<br />
Substrat akzeptiert. Wassermolekül kann die Bindungsstelle für die –CH2OH-Gruppe der Glucose nicht<br />
besetzen (es würde ADP und Pi entstehen).<br />
Umwandlung der Keto- in die Aldotriose: Vom Glyerinaldehyd-3-phosphat führt die Glykolyse dann<br />
weiter, nicht jedoch vom Dihydroxyacetonphosphat. Wenn es nicht möglich wäre,<br />
Dihydroxyacetonphosphat in Glycerinaldehyd-3-phosphat umzuwandeln, ginge ein für die ATP-<br />
Erzeugung nützliches C3-Fragment verloren. Die beiden Verbindungen sind Isomere, die sich leicht<br />
ineinander umwandeln lassen. Das DHAP ist eine Ketose, das GAP eine Aldose. Die Isomerisierung<br />
dieser phosphorylierten C3-Kohlenhydrate wird durch die Triosephosphat-Isomerase (TIM)<br />
katalysiert. Die Reaktion verläuft sehr schnell und ist reversibel. Im Gleichgewicht liegen 96 % der<br />
Triosephosphate als DHAP vor. Die Reaktion schreitet jedoch sehr schnell vom DHAP zum GAP, da<br />
die nachfolgenden Reaktionen der Glykolyse dieses Produkt sofort entfernen.<br />
Schritt 3:<br />
In den vorhergehenden Schritten der Glykolyse wurde ein Molekül Glucose in zwei Moleküle GAP<br />
umgewandelt. Dabei trat kein Energiegewinn auf. Im Gegenteil: es mußten zwei Moleküle ATP<br />
aufgewendet werden. Im Folgenden kommen wir zu einer Serie von Reaktionen, die einen Teil der im<br />
GAP enthaltenen Energie gewinnen.<br />
Den Anfang bildet die Oxidation (Entzug von e - ) von Glycerinaldehyd-3-phyosphat in 1,3-<br />
Bisphosphoglycerat (1,3-BPG) (= pos. Standardenthalpie � thermodynamisch ungünstig). Die<br />
Aldehydgruppe von Glycerinaldehyd-3-Phosphat wird dehydriert – nicht zu einer freien Carboxygruppe,<br />
sondern zum energiereichen Anhydrid aus Carbonsäure und Phosphosäure mit sehr hoher Freien<br />
Standardenthalpie der Hydrolyse (∆G°´= -49,3 kJ mol L -1 ).<br />
Wesentlicher Aspekt der Bildung von 1,3 BPG aus dem Aldehyd: Die thermodynamisch ungünstige<br />
Entstehung eines Acylphosphats aus einer Carboxylatgruppe wird durch die thermodynamisch<br />
begünstigte Oxidation eines Aldehyds angetrieben. (diese Reaktion wird energetisch von der nächsten<br />
„gezogen“)<br />
Die letzte Stufe der Glykolyse ist die ATP-Erzeugung aus den phosphorylierten C3-Metaboliten der<br />
Glucose. Die Phosphoglycerat-Kinase katalysiert die Übertragung der Phosphorylgruppe vom<br />
Acylphosphat <strong>des</strong> 1,3-BPG auf ADP; dabei entstehen ATP und 3-Phosphoglycerat.<br />
Diese Art der ATP-Erzeugung wird auch als Substratkettenphosphorylierung bezeichnet, da der Donor<br />
der Phosphorylgruppe, das 1,3-BPG, ein Substrat mit einem hohen<br />
Phosphorylgruppenübertragungspotenzial ist.<br />
Die von der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase und der Phosphoglycerat-Kinase katalysierten<br />
Reaktionen haben also folgen<strong>des</strong> Ergebnis:<br />
6
1. Ein Aldehyd, Glycerinaldehyd-3-phosphat, wird zu einer Carbonsäure, dem 3-Phosphoglycerat,<br />
oxidiert.<br />
2. NAD + wird zu NADH reduziert.<br />
3. ATP entsteht aus Pi und ADP auf Kosten der Kohlenstoffoxidation.<br />
Man sollte beachten, dass zwei Moleküle Glycerinaldehyd-3-phosphat entstehen und daher zwei<br />
Moleküle ATP erzeugt werden. Diese ATP-Moleküle gleichen die zwei Moleküle ATP aus, die in der<br />
ersten Phase der Glykolyse verbraucht werden.<br />
Erzeugung eines weiteren ATP und die Bildung von Pyruvat:<br />
In den verbleibenden Schritten der Glykolyse wird das 3-Phosphoglycerat in Pyruvat überführt,<br />
gleichzeitig entsteht ATP aus ADP.<br />
Die erste Reaktion ist eine Umlagerung. Die Position der Phosphorylgruppe (PO3 2- ) verändert sich bei<br />
der Umwandlung von 3-Phosphoglycerat in 2-Phosphoglycerat (von C3 auf C2). In der nächsten<br />
Reaktion wird durch Dehydratisierung (= Wasserentfernung / Dehydrierung = Wasserstoffentfernung)<br />
<strong>des</strong> 2-Phosphoglycerats ein Enol, das Phosphoenolpyruvat (PEP) gebildet. Die Wasserabspaltung<br />
erhöht das Übertragungspotenzial der Phosphorylgruppe beträchtlich. Dies ist die zweite Reaktion der<br />
Glycolyse (1.R.: 1,3-Bisphosphoglycerat), die eine Verbindung mit einem hohen<br />
Phoshatgruppenübertragungspotenzial liefert.<br />
Die Phosphorylgruppe hält das Molekül (Phosphoenolpyruvat) in seiner instabilen Enolform fest. Nach<br />
der Übertragung der Phosphorylgruppe auf ADP lagert sich das Enol in das stabilere Keton, in Pyruvat,<br />
um.<br />
Das hohe Phosphorylgruppenübertragungspotenzial <strong>des</strong> Phosphoenolpyruvats beruht in erster Linie auf<br />
der treibenden Kraft der nachfolgenden Enol-Keton-Umwandlung. Dabei wird Pyruvat gebildet und<br />
gleichzeitig entsteht ATP. Den praktisch irreversiblen Transfer einer Phosphorylgruppe von<br />
Phosphoenolpyruvat zu ADP katalysiert die Pyruvat-Kinase. Da die für die Bildung <strong>des</strong> Fructose-1,6bisphosphat<br />
verbrauchten ATP-Moleküle bereits <strong>zur</strong>ückgewonnen worden sind, sind die zwei aus<br />
Phosphoenolpyruat erhaltenen ATP-Moleküle ein „Gewinn“.<br />
Die Nettoreaktion der Umwandlung von Glucose in Pyruvat lautet:<br />
Glucose + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD + � 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H2O<br />
Pyruvat-Abbau unter anaeroben Bedingungen = Aufrechterhaltung <strong>des</strong> Redoxgleichgewichts<br />
Damit die Glykolyse kontinuierlich ablaufen kann, muß das bei der Glycerinaldehyd-3-phosphat-<br />
Dehydrogenase-Reaktion entstandenen NADH zu NAD + rückoxidiert werden: Umwandlung von<br />
Pyruvat in Ethanol und Lactat (quasi Müllprodukte)<br />
Pyruvat � Ethanol (alkoholische Gärung):<br />
Der erste Schritt ist eine Decarboxylierung <strong>des</strong> Pyruvats, es entsteht Acetaldehyd. Die Reaktion benötigt<br />
Thiaminpyrophosphat als Coenzym (Coenzym leitet sich von Vitamin Thiamin B1 ab). Im zweiten<br />
Schritt wird der Acetaldehyd durch NADH zu Ethanol reduziert. Dieser Prozeß regeneriert NAD + .<br />
Pyruvat � Lactat (Milchsäuregärung):<br />
Reduktion <strong>des</strong> Pyruvats durch NADH zu Lactat. NADH wird unter Sauerstoffmangel oxidiert.<br />
Tritt auch in Zellen höherer Organismen bei Sauerstoffmangel auf: z.B. im Muskel bei intensiver<br />
Beanspruchung.<br />
Reaktionswege die in die Glycolyse einmünden<br />
Regulation <strong>des</strong> <strong>Stoffwechsel</strong>s – Allgemeine Prinzipien<br />
Organismen befinden sich in einem sog. Fließgleichgewicht mit ihrer Umgebung � eine<br />
Konstandhaltung der Zusammensetzung durch dauernde Zufuhr von Nährstoffen und eine konstante<br />
Abgabe von Energie und Abfallprodukten.<br />
7
Ändern sich die äußeren Umstände (zB. erhöhte Muskelaktivität, CO2-Mangel), treten<br />
Regulationsmechanismen in Kraft ,die wieder zu einem Zustand der Homöostase (Konstandhaltung <strong>des</strong><br />
inneren Milieus) führen.<br />
Der Stoffluß durch einen Reaktionsweg ist von der Aktivität der Enzyme abhängig, welche die<br />
einzelnen Reaktionen katalysieren:<br />
1. Substratbegrenzte<br />
Enzymaktivität ist hoch genug, Substrat wird ebenso rasch in Produkt umgewandelt, wie es<br />
angeliefert wird<br />
2. Enzymbegrenzte<br />
Enzym ist „schwach“, die Geschwindigkeit mit der das Substrat umgewandelt wird ist begrenzt.<br />
Mechanismen <strong>zur</strong> Regulation der Enzymaktivität:<br />
1. Allosterische Regulation<br />
2. Hormonsignale führen zu reversibler kovalenter Modifikation<br />
3. Veränderung der Molekülanzahl (längerfristige Veränderung)<br />
<strong>Stoffwechsel</strong>regulation am Beispiel Glycolyse<br />
Die Geschwindigkeit der Umwandlung von Glucose in Pyruvat wird so reguliert, dass zwei<br />
Grundbedürfnisse der Zelle erfüllt werden: die Erzeugung von ATP durch den Abbau von Glucose und<br />
die Bereitstellung von Bausteinen für synthetische Reaktionen, wie etwa die Bildung von Fettsäuren. Im<br />
<strong>Stoffwechsel</strong> stellen Enzyme, die weitgehend irreversible Reaktionen katalysieren, Kontrollpunkte dar.<br />
Regulatorische Glycolyse-Enzyme:<br />
1. Hexokinase<br />
2. Phosphofructokinase 1<br />
3. Pyruvat-Kinase<br />
Sekundärwege der Glucoseoxidation<br />
Transport von Glucose durch die Plamamembran<br />
Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA<br />
Die Bildung von Acetyl-CoA aus Kohlenhydraten verläuft umständlicher als die aus Fetten.<br />
Kohlenhydrate, hauptsächlich Glucose, werden durch die Glukose in Pyruvat umgewandelt. Abhängig<br />
vom jeweiligen Organismus wird unter anaeroben Bedingungen das Pyruvat in Milchsäure oder Ethanol<br />
umgewandelt. Unter aeroben Bedingungen wird das Pyruvat im Austausch gegen OH- durch den<br />
Pyruvat-Carrier, einem Antiporter, in die Mitochondrien transportiert. In der mitochondrialen Matrix<br />
wird das Pyruvat durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex unter Bildung on Acetyl-CoA<br />
oxidativ decarboxyliert (Carboxylgruppe entfernt + Oxidation zu Thioester). Diese irreversible<br />
Reaktion stellt die Verbindung zwischen der Glycolyse und dem Citratcyklus her.<br />
Die Reaktion erfordert die Beteiligung von drei Enzymen <strong>des</strong> Komplexes, wobei je<strong>des</strong> aus mehreren<br />
Polypeptidketten besteht, und von fünf Coenzymen: Thiaminpyrophosphat (TPP), Liponsäure und<br />
FAD dienen als katalytische Cofaktoren sowie CoA und NAD + als stöchiometrische Cofaktoren.<br />
Min<strong>des</strong>tens zwei zusätzliche Enzyme regulieren die Aktivität <strong>des</strong> Komplexes.<br />
Die Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA erfolgt in drei Schritten: Decarboxylierung, Oxidation<br />
und Übertragung der entstandenen Acetylgruppe auf CoA. Diese Reaktionen müssen gekoppelt<br />
verlaufen, um die freie Enthalpie der Decarboxylierung zum Antrieb der Erzeugung von NADH und<br />
Acetyl-CoA zu verwenden.<br />
Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex aus E.coli:<br />
Enzym prosthetische katalysierte Reaktion<br />
Gruppe:<br />
Pyruvat-Dehydrogenase-Komponente (E1) TPP oxidative Decarboxylierung von Pyruvat<br />
Dihydrolipoyl-Transacetylase (E2) Liponamid Transfer der Acetylgruppe auf CoA<br />
Dihydrolipoyl-Dehydrogenase (E3) FAD Regenerierung der oxidierten Form <strong>des</strong><br />
8
Der Citrat-Cyklus im Überblick:<br />
Lipoamids<br />
Acetyl-CoA gibt seine Acetylgruppe an die C4-Verbindung Oxalacetat weiter, das entstehende Citrat<br />
reagiert zu Isocitrat.<br />
Dieses wird unter CO2-Abspaltung <strong>zur</strong> C5-Verbindung α-Ketoglutarat dehydriert, dieses gibt auch CO2<br />
ab und bildet Succinat.<br />
Es folgt eine aus drei Schritten bestehende Reaktion <strong>des</strong> Succinats zu Oxalacetat. Dieses steht nun für<br />
den weiteren Umlauf <strong>zur</strong> Verfügung.<br />
In jedem Umlauf tritt eine Acetylruppe in Form von Acetyl-CoA in den Cyklus ein.<br />
Zwei Moleküle CO2 werden abgegeben.<br />
Je<strong>des</strong> mal wird ein Molekül Oxalacetat <strong>zur</strong> Bildung von Citrat benutzt, ersteres wird nach einer Reihe<br />
von Reaktionen wieder regeneriert.<br />
Vier der acht Schritte sind Oxidationen, bei denen die Energie der Oxidation durch die Bildung von<br />
reduzierten Cofaktoren (NADH und FADH2) mit hohem Wirkungsgrad konserviert wird.<br />
Neben der Energiegewinnung dienen die C4- und C5-Zwischenprodukte als Biosynthesevorstufen für<br />
eine Vielzahl von Verbindungen eine Rolle. Dabei verbrauchte Zwischenprodukte werden durch sog.<br />
analplerotische (= auffüllende) Reaktionen wieder nachgeliefert.<br />
Die einzelnen Reaktionen <strong>des</strong> Citratcyklus:<br />
Reaktion 1: Die Bildung von Citrat aus Oxalacetat und Acetyl-CoA<br />
Das Oxalacetat kondensiert zuerst mit Acetyl-CoA unter Bildung von Citryl-CoA, das dann zu Citrat<br />
und CoA hydrolysiert wird. Die Hydrolyse <strong>des</strong> Citrol-CoA, eines sehr energiereichen Thioesters,<br />
verlagert die Gesamtreaktion weit in Richtung der Citratsynthese.<br />
Reaktion 2: Umwandlung von Citrat in Isocitrat<br />
Für die folgende oxidative Decarboxylierung ist die tertiäre Hydroxylgruppe im Citratmolekül nicht<br />
günstig angeordnet. Deshalb wird Citrat zu Isocitrat isomerisiert, damit sich die C6-Einheit oxidativ<br />
decarboxylieren lässt. Diese Isomerisierung wird durch eine Dehydratisierung und eine darauf folgende<br />
Hydatisierung erreicht. Das Resultat ist ein Austausch eines H-Atoms und einer OH-Gruppe.<br />
Reaktion 3: Oxidative Decarboxlierung von Isocitrat zu α-Ketoglutarat<br />
Erste von insgesamt vier Oxidations-Reduktions-Reaktionen im Citratcyklus.<br />
Isocitrat + NAD + � α-Ketoglutarat + CO2 + NADH<br />
Die Geschwindigkeit der α-Ketoglutarat-Bildung ist mit entscheidend für die Gesamtgeschwindigkeit<br />
<strong>des</strong> Zyklus. Diese Oxidation erzeugt im Zyklus das erste NADH, einen Elektronencarrier mit hohem<br />
Übertragungspotenzial.<br />
Reaktion 4: Oxidative Decarboxylierung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA<br />
Die zweite oxidative Decarboxylierung, diese ähnelt der <strong>des</strong> Pyruvats, das ebenfalls eine α-Ketosäure<br />
ist. Bei beiden Reaktionen findet die Decarboxylierung einer α-Ketosäure statt, worauf die Bildung einer<br />
Thioesterbindung mit CoA folgt, die ein hohes Übertragungspotenzial besitzt. Der Komplex, der die<br />
oxidative Decarboxylierung <strong>des</strong> α-Ketoglutarats katalysiert, ist homolog zum Pyruvat-Dehydrogenase-<br />
Komplex.<br />
Reaktion 5: Umwandlung <strong>des</strong> energiereichen Succinyl-CoA in Succinat unter Bildung von GTP (bzw.<br />
ATP)<br />
9
Der Thioester Succinyl-CoA besitzt eine energiereiche Binddung. Der ∆G°´-Wert für die Hydrolyse <strong>des</strong><br />
Succinyl-CoA beträgt ungefähr –33,5 kJ mol -1 und ist damit dem Wert für ATP (–30,5 kJ mol -1 )<br />
vergleichbar. Bei der Citrat-Synthase-Reaktiion treibt die Spaltung einer Thioesterbindung die Synthese<br />
der C6-Einheit Oxalacetat und einem C2-Fragment an. Die Spaltung der Thioesterbindung <strong>des</strong> Succinyl-<br />
CoA ist mit der Phosphorylierung eines Nucleosiddiphosphats, meistens GDP, gekoppelt.<br />
Dies ist der einzige Schritt <strong>des</strong> Citratzyklus, der direkt eine Verbindung mit einem hohem<br />
Phosphorylgruppenübertragungspotenzial durch Substratkettenphosphorylierung erzeugt.<br />
Reaktionen von Substanzen mit 4 Kohlenstoffatomen beherrschen den letzten Abschnitt <strong>des</strong><br />
Citratzyklus: Die Regenerierung <strong>des</strong> Oxalacetats. Eine Methylengruppe (CH2) wird in drei Schritten in<br />
eine Carbonylgruppe (C=O) umgewandelt: durch eine Oxidation, eine Hydratisierung und eine zweite<br />
Oxidation. Dabei wird nicht nur Oxalacetat für einen weiteren Durchgang <strong>des</strong> Zyklus regeneriert,<br />
sondern es wird auch noch mehr Energie in Form von FADH2 und NADH gewonnen:<br />
Reaktion 6: Oxidation von Succinat zu Fumarat<br />
Bindung wird durch Oxidation <strong>zur</strong> Doppelbindung<br />
Reaktion 7: Hydratisierung von Fumarat zu L-Malat<br />
Das Enzym Fumarase katalysiert die Hydratisierung der trans-Doppelbindung von Fumarat, zeigt jedoch<br />
bei Maleat, dem cis-Isomer von Fumarat, keine Wirkung.<br />
Reaktion 8: Oxidation von Malat zu Oxalacetat<br />
Unter thermodynamischen Standardbedingungen liegt das Gleichgewicht der Reaktion weit auf der<br />
linken Seite. In intakten Zellen wird Oxalacetat dem Gleichgewicht jedoch laufend durch die stark<br />
exergonische Citrat-Synthase-Reaktion entzogen. Dadurch wird die Oxalacetatkonzentration in der Zelle<br />
extrem niedrig gehalten und das Malat-Dehydrogenasegleichgewicht in Richtung der Bildung von<br />
Oxalacetat verschoben.<br />
= hoher Bedarf an Oxalacetat � wird recht rasch entzogen<br />
KATABOLISCHER LIPID-STOFFWECHSEL<br />
Bei Fettsäuren handelt es sich um reine Reihe von Substanzen, die eine lange Kohlenwasserstoffkette<br />
und eine endständige Carboxylgruppe enthalten. Fettsäuren sind u.a. Brennstoffmoleküle. Sie werden als<br />
Triacylglycerine (auch als Neutralfette oder Triglyceride) gespeichert, die ungeladene Ester <strong>des</strong><br />
Glycerins darstellen. Aus Triacylglycerinen mobilisierte Fettsäuren werden oxidiert, um den<br />
Energiebedarf einer Zelle oder eines Organismus zu decken. Oxidation und Synthese von Fettsäuren<br />
sind Prozesse, die als Reaktion auf Hormonwirkungen wechselseitig reguliert werden.<br />
Der Abbau und die Synthese von Fettsäuren sind relativ einfache, im wesentlichen entgegengesetzt<br />
verlaufende Prozesse. Beim Abbauvorgang wird eine aliphatische Verbindung in eine Reihe aktivierter<br />
Acetyleinheiten (Acetyl-CoA) gespalten, die dann im Citratzyklus weiterverarbeitet werden. Eine<br />
aktivierte Fettsäure wird oxidiert, sodaß eine Doppelbindung entsteht; an diese Doppelbindung wird<br />
durch Hydratisierung Sauerstoff angelagert. Der Alkohol wird <strong>zur</strong> Carbonylform oxidiert, und<br />
schließlich wird der C4-Körper durch Coenzym A gespalten, wodurch Acetyl-CoA und eine um zwei<br />
Kohlenstoffatome kürzere Fettsäurekette entstehen. Enthält die Fettsäure eine gerade Zahl von<br />
Kohlenstoffatomen und ist gesättigt, wird dieser Prozeß einfach wiederholt, bis die Fettsäure vollständig<br />
in Acetyl-CoA-Einheiten umgewandelt ist.<br />
Triacylglycerine sind hochkonzentrierte Speicher für <strong>Stoffwechsel</strong>energie, da sie in reduzierter und<br />
wasserfreier Form vorliegen. Bei vollständiger Oxidation liefern Fettsäuren ungefähr 38 kJ g<br />
10<br />
-1 ,<br />
gegenüber ca. 17 kJ g -1 bei Kohlenhydraten und Proteinen. Die Ursache dieses großen Unterschieds in<br />
der Energieausbeute liegt darin, dass Fettsäuren in einem weit höher reduzierten Zustand vorliegen.<br />
Ferner sind Triacylglycerine ausgesprochen unpolar und werden <strong>des</strong>halb in nahezu wasserfreier Form
gespeichert. Protein und Kohlenhydrate dagegen sind weitaus polarer und <strong>des</strong>halb stärker hydratisiert.<br />
Ein Gramm nahezu wasserfreies Fett speichert über 6x mehr Energie als ein Gramm hydratisiertes<br />
Glykogen. Hierin liegt wahrscheinlich der Grund, dass Triacylglycerine in der Evolution als wichtigstes<br />
Energiereservoir gegenüber dem Glykogen bevorzugt wurden.<br />
Bei Säugern werden die Triacylglycerine hauptsächlich im Cytoplasma der Fettzellen (Adipocyten)<br />
gespeichert. Tröpfchen von Triacylglycerinen vereinigen sich zu großen Kugeln, die fast das gesamte<br />
Zellvolumen einnehmen können. Diese Fettzellen sind auf die Synthese und Speicherung von<br />
Triacylglycerinen spezialisiert sowie auf deren Mobilisierung zu Brennstoffmolekülen, die dann mit<br />
dem Blut zu anderen Geweben transportiert werden.<br />
Die meisten Lipide werden in Form von Triacylglycerinen aufgenommen, müssen jedoch zu Fettsäuren<br />
abgebaut werden, damit sie über das Dünndarmepithel absorbiert werden können. In den Zellen der<br />
Dünndarmschleimhaut werden die Fettsäuren wieder in Triacylglycerine.<br />
Ausgangspunkt der Fettverwertung <strong>zur</strong> Energiegewinnung ist die Hydrolyse der Triacylglycerine durch<br />
Lipasen, einen Vorgang den man Lipolyse nennt. Die Triacylglycerine im Fettgewebe werden in freie<br />
Fettsäuren und Glycerin umgewandelt und auf hormonelle Signale hin in den Blutstrom freigesetzt.<br />
Initiiert wird dieser Prozeß durch eine hormonsensitive Lipase. (Adrenalin, Noradrenalin, Glucagon und<br />
ACTH rufen die Lipolyse hervor)<br />
Das durch Lipolyse entstandene Glycerin wird von der Leber absorbiert, phosphoryliert und zu<br />
Dihydroxyaetonphosphat oxidiert, das anschließend zu Glycerinaldehyd-3-phosphat isomerisiert wird.<br />
Dieses Molekül ist ein Zwischenprodukt sowohl der Glykolyse als auch der Gluconeogenese.<br />
Das Glycerin kann also in der Leber, welche die entsprechenden Enzyme enthält, entweder in Pyruvat<br />
oder in Glucose umgewandelt werden.<br />
Fettsäuren werden in den Mitochondrien oxidiert. Vor dem Eintritt in die mitochondriale Matrix müssen<br />
sie aktiviert werden. Unter Verbrauch von ATP wird eine Thioesterbindung zwischen der<br />
Carboxylgruppe der Fettsäure und der Sulfhydrylgruppe <strong>des</strong> Coenzyms A gebildet. Diese<br />
Aktivierungsreaktion erfolgt an der äußeren Mitochondrienmembran und wird von der Acyl-CoA-<br />
Synthetase (auch als Fettsäure-Thiokinase bezeichnet) katalysiert.<br />
Fettsäuren werden an der äußeren Mitochondrienmembran aktiviert, aber in der mitochondrialen Matrix<br />
oxidiert. Damit die langkettigen AcylCoA-Moleküle die innere Mitochondrienmembran überwinden<br />
können, ist ein besonderer Transportmechanismus notwendig. Die aktivierten langkettigen Fettsäuren<br />
werden mithilfe von Carnitin, einem zwitterionischen Alkohol, durch die innere<br />
Mitochondrienmembran transportiert. Dazu wird die Acylgruppe vom Schwefelatom ces Coenzyms A<br />
auf die Hydroxylgruppe <strong>des</strong> Carnitins übertragen, wobei Acylcarnitin entsteht. Diese Reaktion wird von<br />
der Carnitin-Acyltransferase I katalysiert, die auf der cytosolischen Seite der inneren<br />
Mitochondrienmembran lokalisiert ist.<br />
Das Acylcarnitin wird dann von einer Translokase durch die innere Mitochondrienmembran geschleust.<br />
Die Acylgruppe wird auf der Matrixseite wieder auf CoA übertragen. Diese von der Carnitin-<br />
Acyltransferase II katalysierte Reaktion ist einfach die Umkehrreaktion jener Reaktion, die im Cytosol<br />
abläuft.<br />
(diese Geschichte wurde erfunden, weil CoA nicht transportiert werden kann)<br />
Ein gesättigtes Acyl-CoA wird durch eine immer wiederkehrende Sequenz von vier Reaktionen<br />
abgebaut:<br />
1. eine Oxidation unter Beteiligung von FAD,<br />
2. eine Wasseranlagerung<br />
(Hydratisierung der Doppelbindung zwischen C-2 und C-3)<br />
3. eine Oxidation unter Beteiligung von NAD +<br />
11
(führt zu einer Umwandlung der Hydroxylgruppe am C-3 in eine Ketogruppe und <strong>zur</strong> NADH-<br />
Erzeugung)<br />
4. eine Thiolyse durch CoA<br />
(Spaltung <strong>des</strong> 3-Ketoacyl-CoA durch die Thiolgruppe eines zweiten CoA-Moleküls; dabei<br />
entstehen Acetyl-CoA und ein um zwei Kohlenstoffatome verkürztes Acyl-CoA)<br />
Als Resultat dieser Reaktionen wird die Fettsäurekette um zwei Kohlenstoffatome verkürzt und FADH2,<br />
NADH sowie Acetyl-CoA werden erzeugt. Weil die Oxidation am β-Kohlenstoffatom stattfindet,<br />
bezeichnet man diese Reaktionsfolge als β-Oxidation.<br />
β-Oxidation in Mitochondrien und in Peroxisomen (� oxidieren besonders lange FS)<br />
1. am Bsp. einer gesättigten geradzahligen C-Kette:<br />
4-stufige Reaktion, Acetyl-CoA als Abbauprodukte<br />
2. am Bsp. einer einfach ungesättigten, geradzahligen C-Kette:<br />
ein zusätzliches Enzym (Isomerase) erforderlich<br />
3. am Bsp. einer mehrfach ungesättigten, geradzahligen C-Kette:<br />
ein weiteres Enzym (Reduktase) wird benötigt<br />
4. am Bsp. von langkettigen, ungeradzahligen Fettsäuren:<br />
letzte Spaltung ergibt AcetylCoA und Propionyl-CoA. Letzteres wird in einer 3-stufigen Reaktion zu<br />
Succinyl-CoA umgebaut (VitaminB12, Cobalamin)<br />
α-Oxidation<br />
wird benötigt zum Abbau von Phytol (Chlorophyll-Bestandteil)<br />
Refsum´s Desease: schwere Erbkrankheit: Phytansäure kann nicht zu Prystansäure oxidiert werden,<br />
akkumuliert in Myelinscheiden der Nerven � Sehverlust, eigenartige Motorik<br />
Grundproblem: keine Spaghetti und überhaupt nix (Kohlehydrate, Glucose):<br />
Leber muß schaun, dass genug Glucose im Umlauf ist; Bausteine werden aus Citratzyklus abgezwackt<br />
� keine Fettsäuresynthese, wird nur viel abgezwackt<br />
Pool an CoA wird kleiner: β-Oxidation wird gebremst<br />
� Rettungsmechanismus: Keto-Bildung (Ketonkörper) = 2 Acetyl-CoA zusammen � 1 CoA wird frei.<br />
Ketonkörper sind wasserlöslich = lösliche Variante von Fettsäuren;<br />
Fettsäuren schwimmen (weil unlöslich) nicht frei im Blut rum, sind an Proteine gebunden die sie<br />
transportieren, kommen nicht durch Blut-Hirn-Schranke ins Gehirn.<br />
AMINOSÄUREOXIDATION & HARNSTOFFPRODUKTION<br />
Oxidativer Abbau von Aminosäuren erfolgt unter drei verschiedenen Bedingungen:<br />
1. während der regulären Synthese und <strong>des</strong> Abbaus zellulärer Proteine (für die Synthese nicht benötigte<br />
werden oxidiert).<br />
Defekte oder nicht benötigte Proteine werden für den Abbau markiert, indem sich Ketten <strong>des</strong> keinen<br />
Proteins Ubiquitin kovalent an sie binden. Mit mehreren Ubiquitinmolekülen markierte Proteine<br />
werden anschließend durch einen großen ATP-abhängigen Komplex, das sogenannte Proteasom,<br />
abgebaut.<br />
12
2. bei einer proteinreichen Diät, wenn also mehr Aminosäuren aufgenommen werden als für die<br />
Proteinsynthese benötigt werden, kann der Überschuß katabolisiert werden; Aminosäuren können<br />
nicht gespeichert werden !!<br />
Sie werden aber auch nicht ausgeschieden, sondern dienen im <strong>Stoffwechsel</strong> als Brennstoffe. Die α-<br />
Aminogruppe wird entfernt und das Kohlenstoffskelett in ein gängiges <strong>Stoffwechsel</strong>zwischenprodukt<br />
überführt. Die meisten Aminogruppen der überschüssigen Aminosäuren werden im Harnstoffzyklus<br />
in Harnstoff umgewandelt und ihre Kohlenstoff-gerüste in Acetyl-CoA, Acetacetyl-CoA, Pyrovat<br />
oder ein Zwischenprodukt <strong>des</strong> Citrat-Zyklus überführt.<br />
3. wenn während einer Hungerperiode oder bei einer Krankheit (z.B. Diabetes mellitus) Kohlenhydrate<br />
entweder nicht vorhanden sind oder nicht richtig verwertet werden, verwendet der Organismus<br />
körpereigene Proteine als Brennstoff<br />
Der Enzymatische Abbau von Proteinen zu Aminosäuren:<br />
Dieser wird von proteolytischen Enzymen bewerkstelligt.<br />
Sie gehören zu den am längsten bekannten Enzymen. Systematisch gehören sie zu den C-N-<br />
Hydrolasen, denn die von ihnen katalysierte Reaktion ist die Spaltung einer Peptidbindung, also einer<br />
C-N-Bindung (als Proteasen, neuerdings als Peptidasen bezeichnet).<br />
Nach der Lokalisation und der biologischen Funktion kann man folgende Gruppen von Peptidasen<br />
unterscheiden:<br />
1. Verdauungsenzyme: befinden sich im Magen-Darmtrakt und besorgen die Verdauung der<br />
Nahrungsproteine (Endo-Peptidasen und Carboxy- und Amino-Exopeptidasen).<br />
2. Extrazelluläre Peptidasen: im Blut z.B. bei der Blutgerinnung, Fibrinolyse<br />
3. Intrazelluläre Peptidasen: vorwiegend in Zellkompartimenten wie ER, Golgi-Apparat aber auch<br />
im Cytosol (dazu gehört auch der 1.5 MDa-Proteasom-Komplex, der Ubiquitin gelabelte Proteine<br />
verdaut).<br />
Abbauwege von Aminosäuren:<br />
Wie beim Abbau von Kohlenhydraten und von Fettsäuren münden auch die Abbauwege von<br />
Aminosäuren in dieselben grundlegenden Wege <strong>des</strong> Kohlenstoff-<strong>Stoffwechsel</strong>s:<br />
Die C-Ketten der Aminosäuren münden im allgemeinen im Citrat-Cyclus ein. Dort werden sie unter<br />
Bildung von chemischer Energie oxidiert oder an die Gluconeogenese weitergeleitet.<br />
In einem wesentlichen Aspekt unterscheidet sich der Aminosäureabbau von den bisher beschriebenen<br />
Abbauwegen:<br />
Jede Aminosäure enthält eine Aminogruppe. Das Kohlenstoffskelett und die abgetrennte α-<br />
Aminogruppe schlagen vollkommen getrennte <strong>Stoffwechsel</strong>wege ein („biochemische Weggabelung“).<br />
Die Proteinverdauung beginnt im Magen, wo die saure Umgebung ihre Denaturierung begünstigt. In<br />
denaturiertem Zustand sind Proteine leichter als Substrate für die Proteolyse zugänglich als in<br />
natürlicher Form. Das wichtigste proteolytische Enzym im Magen ist Pepsin (max. Aktivität bei pH 2,<br />
kann drum im Magen arbeiten).<br />
Im Dünndarmlumen setzt sich der Proteinabbau durch das Einwirken proteolytischer Enzyme aus dem<br />
Pankreas fort. Die Reihe der Enzyme zeigt ein weites Spektrum an Spezifität, sodaß die Substrate<br />
sowohl zu freien Aminosäuren als auch zu Di- oder Tripeptiden abgebaut werden.<br />
Bei Säugetieren findet der Aminosäureabbau hauptsächlich in der Leber statt. In Anbetracht der<br />
Tatsache, dass in Energieübertragungswegen keine stickstoffhaltigen Verbindungen vorkommen, muß<br />
zunächst die Aminogruppe abgespalten werden. Die aus der Desaminierung von Aminosäuren<br />
hervorgehenden α-Ketosäuren werden so weiterverarbeitet, dass die Kohlenstoffskelette als Vorstufen<br />
für Glucose oder Zwischenprodukte <strong>des</strong> Citratzyklus in den Hauptstoffwechselstrom eintreten können.<br />
HARNSTOFFZYKLUS<br />
13
Ein Teil <strong>des</strong> beim Abbau der Aminosäuren gebildeten NH + 4 wird <strong>zur</strong> Biosynthese stickstoffhaltiger<br />
Verbindungen verbraucht. Das überschüssige NH + 4 wird von den meisten Landwirbeltieren in Harnstoff<br />
umgewandelt und in dieser Form ausgeschieden. Solch Organismen bezeichnet man als ureotelisch.<br />
Zu Beginn <strong>des</strong> Harnstoffzyklus wird freies NH + 4 mit HCO - 3 zu Carbamoylphosphat verbunden<br />
(Enzym: Carbamoylphosphat-Synthetase). Der Verbrauch von zwei Molekülen ATP macht diese<br />
Synthese von Carbamoylphosphat praktisch irreversibel.<br />
Die Carbamoylgruppe von Carbamoylphosphat, das aufgrund seiner Anhydridbindung ein hohes<br />
Übertragungspotenzial besitzt, wird auf Ornithin übertragen, wobei Citrullin entsteht.<br />
Ornithin und Citrullin sind Aminosäuren, finden aber nicht als Bausteine für Proteine Verwendung. Die<br />
Bildung von NH + 4 durch die Glutamat-Dehydrogenase, seine Aufnahme in Carbamoylphosphat und die<br />
nachfolgende Synthese von Citrullin finden in der Mitochondrienmatrix statt. Im Gegensatz dazu<br />
erfolgen die nächsten drei Reaktionen <strong>des</strong> Harnstoffzyklus, die <strong>zur</strong> Bildung von Harnstoff führen, im<br />
Cytosol.<br />
Citrullin wird zum Cytoplasma transportiert, wo es mit Aspartat kondensiert, dem Donor der zweiten<br />
Aminogruppe <strong>des</strong> Harnstoffes. Die Synthese von Argininosuccinat wird durch die Spaltung von ATP in<br />
AMP und Pyrophosphat und die darauffolgende Hydrolyse <strong>des</strong> Pyrophosphats angetrieben.<br />
Die Argininosuccinase spaltet das Argininosucinat in Arginin und Fumarat. Das Kohlenstoffskelett <strong>des</strong><br />
Aspartats bleibt also in Form von Fumarat erhalten.<br />
Schließlich wird Argingin hydrolysiert, wobei Harnstoff und Ornithin entstehen. Das Ornithin wird dann<br />
<strong>zur</strong>ück ins Mitochondrium transportiert und beginnt dort einen neuen Zyklus. Der Harnstoff wird<br />
ausgeschieden.<br />
Die Synthese von Fumarat im Harnstoffzyklus ist bedeutsam, da sie den Harnstoffzyklus mit dem<br />
Citratzyklus verbindet. Das Fumarat wird zu Malat hydratisiert und dieses dann zu Oxalacetat oxidiert.<br />
Oxalacetat hat verschiedene mögliche Schicksale:<br />
1. Transaminierung zu Aspartat<br />
2. Umwandlung in Glucose über die Gluconeogenese<br />
3. Kondensation mit Acetyl-CoA zu Citrat<br />
4. Umwandlung in Pyruvat<br />
Vorlesung 7 - Oxidative Phosphorylierung<br />
Elektronentransfer:<br />
� Transfer direkt als Elektronen<br />
� In Form von H-Atomen (H+ und e-)<br />
� In Form von Hybrid-Ionen (H-)<br />
� Direkte Kombination eines organischen Reduktionsmittels mit Sauerstoff<br />
Ein Maß für die Elektronen-Affinität eines Akzeptors ist das Reduktions-Potential Eo in Volt (=<br />
Redoxpotential, Elektronenübertragungspotential)<br />
Je negativer Eo um so stärker ist der Reduktor (will seine Elektronen loswerden)<br />
Je positiver Eo im Vergleich <strong>zur</strong> Normal-Wassrstoff-Elektrode (Eo=0) um so stärker ist die<br />
Elektroneaffinität<br />
Das Reduktionspotential ist konzentrationsabhängig (Nernst-Gleichung)<br />
Elektronen-Carrier-Typen in der Atmungskette:<br />
� NAD+<br />
� Flavoproteine (FAD)<br />
� Ubichinon (Coenzym Q) Lipophil<br />
(Bewegen sich innerhalb der Membran)<br />
Fungieren als Elektronen-Shuttle zwischen weniger mobilen Carriern<br />
14
� Cytochrome Feenthaltende<br />
Elektronentransfer Protein, im reduzierten Zustand Fe2+ im Porphrin-Ring<br />
� Fe-S-Proteine<br />
Fe befindet sich nicht in einer Hämgruppe, sondern ist mit anorg. Schwefel oder über Schwefel von<br />
Cys assoziiert<br />
Niedriges Redox-Potential was bedeutet gute Elektronen-Donoren<br />
Teilstufen um nicht Energie als Wärme zu verlieren<br />
Komplexe 1 bis 4 aus Proteinen (komplex) aufgebaut<br />
NADH aus Matrix - kann nicht durch innere Membran durch<br />
Hydronium-Ionen hinausgepumpt werden => Elektronepotentialgefälle hinunter => Energie<br />
Teil Arbeit zu leisten - Protonen von Matrix in Intermembranraum zu pumpen<br />
(24fach höhere Konzentration im Intermembran Raum)<br />
Atmungskette:<br />
Treibende Kraft:<br />
Reduktionskraft von NADH und FADH2, in Kombination mit der Oxidationskraft von O2<br />
Trennung der funktionellen Komplexe der Atmungskette:<br />
Mitochondrien zerlegt - Auftrennung<br />
5 Komplexe<br />
Die Komplexe I-IV katalysieren Übertragungen zwischen Donatoren, Zwischenstufencarriern und O2<br />
=> Eigenschaft von Komplex 5 geht verloren weil getrennt von den Protonen => Umgekehrte Reaktion<br />
=> Zerlegt ATP = ATP-Synthase<br />
4 Elektronen-Carrier-Komplexe die jeweils einen Teil der Kette katalysieren können<br />
I und II katalysieren den Elektronentransfer zu Ubichinon von verschiedenen Elektronen-Donatohren (I<br />
- NADH, II - Succinat)<br />
III überträgt Elektronen von Ubichinon auf Cytochrom c<br />
IV vervollständigt Sequenz in dem er Elektronen con Cytochrom c auf O2 überträgt<br />
Komplex I:<br />
NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase<br />
2 gekoppelte Reaktionen<br />
� Übertagen eines Hydrid-Ions von NADH und eines Protons von der Matrix auf Ubichinon<br />
� Endergone Übertragung von 4 Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum<br />
Komplex I ist eine Protonenpumpe die von er Energie <strong>des</strong> Elektronentransfers angetrieben wird<br />
Komplex I katalysiert die Übertragung eines Hydrid-Ions vom NADH auf FMN, von wo 2 Elektronen<br />
über eine Reihe von Eisen-Schwefel-Zentren zum Fe-S-Protein N-2 in den Matrixarm <strong>des</strong> Komplexes<br />
gelangen<br />
Der Elektronentransfer vom N-2 zum Ubichinon (UQ - vollständig oxidiert) auf dem Membranarm<br />
ergibt UQH2 (Ubichinol - vollständig reduziert) das in die Lipiddoppelschicht diffundiert<br />
Mechanismus der Elektronen- und Protonenübertragung nicht vollständig geklärt, wahrscheinlich aber<br />
ein UQ-Zyklus (UQH2 2mal pro Elektronenpaar beteiligt)<br />
Protonenfluss erzeugt über der inneren Mitochondrienmembran ein elektrochemisches Potential<br />
(Intermembranraum positiv, Matrix negativ) das Teil der Energie enthält welche durch die<br />
Elektronenübertragung freigesetzt wurde<br />
Elektrochemische Potential treibt ATP-Synthese an<br />
Komplex II:<br />
(Succinat-Dehndrogenase - membrangebundenes Enzym <strong>des</strong> Citratzyklus)<br />
Kein Auspumpen von Protonen<br />
Wirkung je<strong>des</strong> dieser Elektronen übertragenden Enzyme - Beitrag am Pool an reduzierten<br />
Ubichinon<br />
15
Weg der Elektronen von NADH, Succinat, Fettsäureacyl-CoA und Glycerin-3-Phosphat (cytosolisch)<br />
zum Ubichinon (UQ)<br />
Elektronen vom NADH fließen über Flavoprotein zu einer Reihe von Fe-S-Proteinen (im Komplex I)<br />
und dann zum UQ<br />
Elektronen vom Succinat fließen auf dem Weg zum UQ über Flavoprotein und mehrere Fe-S-Zentren<br />
(im Komplex II)<br />
Glycerin-3-Phosphat gibt Elektronen an Flavoprotein (Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase) ab, das<br />
sich an der Außenseite der inneren Mitochondrienmembran befindet, von hier fließen die Elektronen<br />
zum UQ<br />
Die Acyl-CoA-Dehndrogenase (= erste Enzym der β-Oxidation) überträgt Elektronen auf das<br />
Elektronenübertragende Flavoprotein (ETF), von wo sie über die ETF-Ubichinon-Oxidoreduktase zum<br />
UQ gelangen<br />
Komplex III:<br />
Cytochrom-bc1-Komplex<br />
Koppelt Transfer von Elektronen vom Ubichinol zum Cytochrom c mit dem Transfer von<br />
Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum<br />
1 Molekül UQH2 wird zu UQ oxidiert und 2 Moleküle Cytochrom c werden reduziert<br />
Cytochrom c ist ein lösliches <strong>des</strong> Intermembranraums<br />
Nachdem das Häm <strong>des</strong> Cytochrom c ein Elektron vom Komplex III aufgenommen hat bewegt es<br />
sich zum Komplex IV und gibt dort Elektron ab<br />
Protonenpumpe<br />
Komplex = Dimer aus gleichen Monomeren die aus 11 unterschiedlichen Untereinheiten bestehen<br />
Funktionelle Kern besteht aus 3 UE - Cytochrom b mit seinen 2 Hämen, Rieske-Fe-S-Protein mit 2Fe<br />
2S Zentrum, Cytochrom c1 mit Häm<br />
Die dimere funktionelle Einheit Cytochrom c1 und Rieske-Protein ragen aus der Intermembranraum-<br />
Seite heraus und können mit Cytochrom c (nicht Teil <strong>des</strong> funktionellen Komplexes) Wechselwirken<br />
Komplex - 2 unterschiedliche Bindungsstellen für Ubichinon<br />
Diemehre Struktur für Funktion <strong>des</strong> Komplexes - Grenzfläche zwischen den Monomeren bildet 2<br />
Einbuchtungen die jeweils eine UQ-Stelle <strong>des</strong> einen und eine <strong>des</strong> anderen Monomers - Der Transport<br />
der UQ-Zwischenprodukte innerhalb dieser geschützten Einbuchtungen<br />
Komplex III 2 verschiedene Konformationen<br />
Rieske-Protein einmal nahe beim seinem Elektronenakzeptor, dem Häm <strong>des</strong> Cytochrom c1, jedoch weit<br />
entfernt vom Cytochrom b und der UQH2-Bindungsstelle, wo es Elektronen aufnimmt<br />
Anderen Konformation ist das Fe-S-Zentrum vom Cytochrom c1 weit entfernt, hin zum Cytochrom b<br />
Annahme: Das Rieske-Protein wechselt zwischen den beiden Konformationen während es zuerst<br />
reduziert und dann oxidiert wird<br />
Komplex IV:<br />
Cytochrom-Oxidase<br />
Weg der Elektronen durch den Komplex<br />
Überträgt Elektron vom Cytochrom c auf molekularen Sauerstoff der zu H2O reduziert wird<br />
Elektronentransfer durch den Komplex IV verläuft vom Cytochrom c zum CuA -Zentrum, zum<br />
Häm a, zum a3-CuB-Zentrum und schließlich zum O2<br />
Für jeweils 4 Elektronen die diesen Komplex passieren verbrauch das Enzym 4 Substrate H+ aus<br />
der Matrix wobei O2 zu 2H2O umgesetzt wird<br />
Es nutzt außerdem die Energie dieser Redoxreaktion um für je<strong>des</strong> hindurchfließende Elektron ein<br />
Proton nach außen in den Intermembranraum zu pumpen (trägt zum elektrochemischen Potential<br />
bei das vom redoxgetreibenen Protonentransfer durch durch I und III erzeugt wird)<br />
3 entscheidende Proteine für den Elektronenfluss<br />
Elektronentransfer durch Komplex IV beginnt wenn 2 Moleküle <strong>des</strong> reduzierten Cytochroms c jeweils 1<br />
Elektron an das zweikernige Zentrum CuA abgeben<br />
16
Von dort fließen Elektronen durch Häm a zum Fe-Cu-Zentrum (Cytochrom a3 & CuB)<br />
Nun bindet Sauerstoff an Häm a3 und wird durch 2 Elektronen vom Fe-Cu-Zentrum reduziert<br />
Durch 2 weitere vom Cytochrom c bereitgestellte Elektronen wird der zuvor reduzierte Sauerstoff zu 2<br />
Wassermolekülen umgesetzt wobei auch 4 Substratprotonen aus der Matrix verbraucht werden<br />
Gleichzeitig werden 4 weitere Protonen aus der Matrix gepumpt<br />
Überblick über Elektronen- und Protonenfluss durch die 4 Komplexe der Atmungskette:<br />
Elektronen erreichen UQ über die Komplexe I und II<br />
UQH2 = beweglicher Carrier von Elektronen und Protonen, es gibt Elektronen an den Komplex III ab,<br />
welcher sie an ein weiteres bewegliches Verbindungsglied (Cytochrom c1) weiter gibt<br />
Komplex IV überträgt dann Elektronen von reduziertem Cytochrom c auf O2<br />
Elektronenfluss durch Komplexe I, III und IV wird vom Protonenfluss aus der Matrix in den<br />
Intermembranraum begleitet<br />
Komplex V:<br />
ATP-Synthese (ähnlich der von Chloroplasten und Eubakterien)<br />
2 funktionelle Bereiche Fo und F1<br />
Großer Enzymkomplex der inneren Mitochondrienmembran katalysiert Bildung von ATP aus<br />
ADP und Pi, begleitet vom Protonenfluss von der p <strong>zur</strong> n-Seite der Membran<br />
F1-Komplex - 9 Untereinheit die zu 5 Typen gehören - α3β3χδε<br />
Jede der 3β-UE hat ein katalytisches Zentrum für ATP-Synthese -βATP, βADP, βleer<br />
Unterscheid in der Nucleotidbindung der 3 UE entscheidend für Wirkungsmechanismus<br />
Fo-Komplex bildet Protonenkanal<br />
Eine bestimmte β-UE beginnt in der ADP-Konformation die ADP und Pi aus dem Medium bindet<br />
Die UE ändert dann ihre Konformation und nimmt ATP-Konformation an die ATP fest bindet und<br />
stabilisiert<br />
UE in leer-Konformation welche geringe Affinität für ATP aufweist<br />
=> Neusynthetisierte ATP verlässt Enzymoberfläche<br />
Bakterielle Atmungskette:<br />
Komplex der Plasmamembran überträgt NADH auf Ubichinon bzw. auf Menachinon (=bakterielle<br />
Äquivalent zu UQ) währen er Protonen nach außen pumpt und so ein elektrochemisches Potential<br />
erzeugt, das die ATP-Synthese antreibt<br />
Atmungskette in der Plasmamembran und Dehydrogenase im bakteriellen Cytosol<br />
Chemiosmotische Modell (Mitochondrien):<br />
Elektronen fließen von NADH und anderen oxidierbaren Substanzen durch eine Kette von Carriern<br />
welch asymmetrisch in der inneren Membran angeordnet sind<br />
Elektronenfluss wird begleitet von Protonentransfer durch die Membran<br />
Dabei entsteht sowohl ein chemischer und ein elektrischer Gradient<br />
Innere Mitochondrienmembran ist undurchlässig für Protonen und Protonen könne nur durch protonenspezifische<br />
Kanäle wieder in die Matrix gelangen<br />
Die protonenmotorische Kraft, welche die Protonen in die Matrix <strong>zur</strong>ücktreibt liefert die Energie<br />
für die ATP-Synthese<br />
(Einströmende Protonen induzieren nicht ATP-Synthese sondern durch Konformationsänderung die<br />
ATP-Freisetzung)<br />
Elektronen-Carrier der inneren Membran von pflanzlichen Mitochondrien:<br />
Elektronen könne wie in tierischen Mitochondrien über die Komplexe I, III und IV fließen aber auch<br />
über pflanzenspezifische, alternative Carrier<br />
17
Pflanzen Mitochondrien Versorgung mit ATP bei schwacher Lichteinstrahlung/Dunklen durch<br />
Mechanismen welche analog den nicht photosynthetisierenden Orgaismen sind<br />
Bei Licht Hauptquelle <strong>des</strong> mitochondrialen NADH eine Reaktion bei der Glycerin zu Serin umgesetzt<br />
wird<br />
Pflanzen diese Reaktion auch ausführen wenn kein NADH für ATP-Synthese benötigt<br />
NAD+ aus nicht gebrauchtem NADH zu regenerieren übertragen pflanzliche Mitochondrien Elektronen<br />
vom NADH direkt auf Ubichinon und von diesem direkt auf O2<br />
=> Komplex III und IV und deren Protonenpumpen werden umgangen<br />
=> Energie aus dem NADH wird als Wärme abgegeben - kann auch nützlich sein<br />
Beispiel - Blüte stinkt - anlocken von Insekten - Verbreitung der Pflanze)<br />
Wärmeerzeugung durch entkoppelte Mitochondrien:<br />
Entkopplungsprotein in den Mitochondrien von braunem Fettgewebe ermöglicht es den Protonen auf<br />
einem alternativen Weg in die Mitochondrienmatrix <strong>zur</strong>ückzukehren<br />
Dadurch wird die beim Protonenpumpen umgesetzte Energie als Wärme abgegeben<br />
Transportsysteme der inneren Mitochondrienmembran:<br />
Übertragen ADP und Pi in die Matrix hinein sowie neu synthetisiertes ATP in das Cytosol<br />
� Adeninnucleotid-Translokase<br />
Antiporter - befördert ADP in die Matrix und ATP aus ihr heraus<br />
Der Ersatz von ATP4- durch ADP3- bewirkt einen Nettoausstrom von negativer Ladung, welcher durch<br />
den Ladungsunterschied beiderseits der inneren Membran (außen positiv) gefördert wird<br />
Matrix neg. Nettoladung - protonenmotorische Kraft treib ATP-ADP-Austausch an<br />
� Phosphat-Translokase<br />
Spezifisch für H2PO4-<br />
Während <strong>des</strong> Gemeinsamen Transports von H2PO4- und H+ tritt kein Nettoladungsfluss auf aber die<br />
relativ geringe Protonenkonzentration in der Matrix begünstigt den Transport von H+ nach innen<br />
Protonenmtorische Kraft verantwortlich für:<br />
� Bereitstellung von Energie für ATP-Synthese<br />
� Transport von Substraten (ADP und Pi) in die Mitochondrienmatrix hinein sowie von Produkten<br />
(ATP) aus ihr heraus<br />
Malat-Aspartat-Shuttle:<br />
In Leber, Nieren und Herz zum Transport von Reduktionsäquivalenten vom cytosolischen NADH in die<br />
Mitochondrienmatrix<br />
1. NADH im Cytosol (Intermembranraum) gibt 2 Reduktionsäquivalente an Oxalacetat ab wobei Malat<br />
entsteht<br />
2. Malat passiert mithilfe <strong>des</strong> Malat-α-Ketogluterat-Transportsystems die innere Membran<br />
3. In der Matrix gibt Malat 2 Reduktionsäquivalente an NAD+ ab und das dabei gebildete NADH wird<br />
durch die Atmungskette oxidiert. Das aus dem Malat gebildete Oxalacetat kann nicht direkt ins<br />
Cytosol gelangen<br />
4. Transaminierung zu Aspartat<br />
5. Kann über den Glutamat-Aspartat-Transporter austreten<br />
6. Oxalacetat wird im Cytosol regeneriert<br />
Glycerin-3-phosphat-Shuttel:<br />
Transportalternative in Skelettmuskel und Gehirn<br />
Befördert Reduktionsäquivalent vom Cytosol in die Mitochondrienmatrix<br />
Im Cytosol nimmt Dihydroxyacetonphosphat 2 Reduktionsäquivalente vom NADH auf - Diese Reaktion<br />
wird von cytosolischer Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase katalysiert<br />
Eines von deren Isoenzymen ist an die Außenseite der inneren Membran gebunden und überträgt dann 2<br />
Reduktionsäquivalente vom Glycerin-3-Phosphat im Intermembranraum zum UQ<br />
(Shuttel beinhaltet keine Membrantransportsysteme)<br />
18
Vorlesung 8 - Photophosphorylierung und Kohlenstoff-Fixierung<br />
Licht- und Dunkelreaktion gekoppelt<br />
Lichtreaktion:<br />
Die Lichtreaktion der Photosynthese erzeugt auf Kosten der Sonnenenergie die energiereichen<br />
Verbindungen NADPH und ATP<br />
Dunkelreaktion = Kohlenstoff-Fixierungs-Reaktion (bei Licht oder im Dunklen):<br />
Die entstandenen energiereichen Verbindungen <strong>zur</strong> Reduktion von CO2 und dann <strong>zur</strong> Synthese von<br />
Triosen und komplexeren Verbindungen (z.B. Glucose)<br />
2 Energietransfermodelle (Photosystem):<br />
� Resonanzenergietransfer: Photon regt<br />
Molekül I im Grundzustand an, dieses Molekül leitet die Energie zu einem identischen Molekül II<br />
welches einen höheren Energiestatus annimmt während Molekül I in den Grundzustand <strong>zur</strong>ückfällt<br />
� Elektronentransfer:<br />
Einfangen <strong>des</strong> Photons<br />
Weiterleiten der Energie zum Reaktionszentrum<br />
Im Reaktionszentrum => Anregung der beiden Reaktionschlorophylle (mehrere verschiedenen<br />
Anregungszustände)<br />
Anordnung der Photosystem-Komponenten in der Thylakoid-Membran:<br />
Photoreaktionszentrum von Antennen-Chlorophyllen (an Proteine gebunden) und Hilfspigmenten (z.B.<br />
Carotenoide) umgeben<br />
Absorption eines Photons durch irgendeines der Antennen-Chlorophylle führt <strong>zur</strong> Anregung <strong>des</strong><br />
Reaktionszentrums indem die Lichtenergie von Molekül zu Molekül bis ins Reaktionszentrum<br />
In der T-Membran auch noch Cytochrom b6f-Komplex und ATP-Synthase eingebettet<br />
Im Reaktionszentrum setzt die photochemische Reaktion Energie eines Photons in eine<br />
Ladungstrennung um so das ein Elektronenfluss eingeleitet wird<br />
2 Photosysteme arbeiten zusammen<br />
I = nachgeschalten<br />
II = startet<br />
Übersicht über die Reaktionen in der T-Membran:<br />
Photosystem I und II und der Cytochrom-b6f-Komplex separate Proteinkomplexe in der T-Membran<br />
Elektronentransfer von PS II zum Cytochrom-b6f-Komplex<br />
Transfer vom Cytochtom-b6f-Komplex zum PS I<br />
Elektronen die aus dem PS II hervorgehen werden vorübergehend im Plastohydrochinon gespeichert -<br />
werden über Cytochrom-b6f-Komplex und das lösliche Protein Plastocyanin zum PS I übertragen<br />
Wie Komplex III der Mitochondrien befördert Cytochrom-b6f-Komplex Elektronen von einem<br />
reduzierten Chinin - einem lipidlöslichen mobilen Carrier 2 Elektronen (in Mitochondrien UQ, in<br />
Chloroplasten PQB) zu einem wasserlöslichen Protein das ein Elektron transportiert (Mitochondrien<br />
Cytochrom c, Plastocyanin in Chloroplasten)<br />
Anordnung der Komponenten in der T-Membran:<br />
Lichtsammelkomplex und ATP-Synthase in gestapelten Bereichen (Grana-Lamellen) und in den nicht<br />
gestapelten Bereichen (Stroma-Lamellen)<br />
Beide können leicht auf ADP und NADP+ im Stroma zugreifen<br />
Photosystem II fast nur in den gestapelten Bereichen<br />
Photosystem I fast nur in den nicht gestapelten Bereichen die zum Stroma hin frei liegen<br />
Lichtsammelkomplex = Kleber - Hält gestapelten Lamellen zusammen<br />
19
Regulation gestapelte ���� nicht gestapelt:<br />
Ein hydrophober Bereich <strong>des</strong> Lichtsammelkomplexes in einer Thylakoid-Lamelle ragt in die<br />
benachbarte Lamelle hinein und hält dadurch die beiden Membranen nahe beieinander<br />
Die Akkumulation von Plastohydrochinon stimuliert eine Proteinkinase die einen Thr-Rest im<br />
hydrophoben Bereich <strong>des</strong> Lichtsammelkomplexes phosphoryliert<br />
Dadurch wird Affinität herabgesetzt und Grana-Lamellen werden in Sroma-Lamellen umgewandelt<br />
Diese regulatorische Phosphorylierung kann durch eine spezifische Proteinphosphatase wieder<br />
umgekehrt werden wenn das Verhältnis der Konzentration von PQ zu PQH2 ansteigt<br />
Elektronenfluss kann linear oder zyklisch sein<br />
Ist genug NADPH vorhanden so wird aus dem linearen ein zyklischer Fluss<br />
Zyklische Fluss betrifft nur PS I<br />
Elektronen wieder eingespeist und nicht an NADP+ weitergeleitet sondern über Cytochrom-b6f-<br />
Komplex <strong>zur</strong>ück zum Plastocyanin<br />
Protonen ins Lumen gepumpt<br />
ATP-Synthase nicht beeinträchtigt<br />
Elektronen- und Protonenfluss durch den Cytochrom-b6f-Komplex<br />
Im PS II gebildetes Plastohydrochinon (PQH2) wird durch das Cytochrom-b6f in mehreren Schritten <strong>des</strong><br />
Q-Zyklus oxidiert, ähnlich wie im UQ-Zyklus im Komplex III der Mitochondrien<br />
Ein Elektron geht auf das Fe-S-Zentrum <strong>des</strong> Rieske-Proteins über und das andere auf die Hämgruppe<br />
<strong>des</strong> Cytochroms b6<br />
Letztlich gehen damit Elektronen vom PQH2 auf das lösliche Protein Plastocyanin über, das sie zum PS<br />
I befördert<br />
Protonen- und Elektronenfluss in Tylakoiden:<br />
� Elektronen<br />
fließen über H2O über Photosystem II sowie die dazwischenliegende Carrier -Kette und PSI schließlich<br />
zu NADP+<br />
� Protonen<br />
werden durch den Elektronenfluss der durch die Carrier-Kette zwischen PSII und PSI verläuft in das<br />
Thylakoid-Lumen gepumpt und kehren in das Stroma <strong>zur</strong>ück über Protonenkanäle, die vom Fo-Teil der<br />
ATP-Synthase gebildet werden<br />
Photosynthese der Bakterien:<br />
Nur eine Art von Reaktionszentrum<br />
Kein Wasser wird gespalten (keine Freisetzung von Sauerstoff)<br />
NADP+ nicht reduziert<br />
Protonenfluss und ATP-Synthase:<br />
� Mitochondrium<br />
� Chloroplast<br />
In Chloroplasten ist sowohl die Orientierung der ATP-Synthese als auch die Richtung <strong>des</strong><br />
Protonenpumpens entgegengesetzt <strong>zur</strong> Richtung der Mitochondrien<br />
� Bakterium<br />
In allen Fällen hat der Protonengradient relativ <strong>zur</strong> ATP-Synthase dieselbe Orientierung<br />
Calvin Zyklus (=Dunkelreaktion):<br />
Zweigeteilt - CO2-Fixierung und Regeneration<br />
CO2 Fixierung in 3 Stufen<br />
20
1. Fixierung von CO2 in 3-Phosphoglycerat<br />
2. Umsetzung vom 3-Phosphoglycerat zu Glycerinaldehyd-3-phoshat (in 2<br />
Schritten die im Wesentlichen die Umkehrung der entsprechenden Schritte der Glycolyse sind mit<br />
einer Ausnahme Nucleotid-Cofaktor für Reduktion 1,3 Bisphosphoglycerat ist NADH anstatt<br />
NADPH)<br />
3. Regenerierung von Ribulose-1,5 bisphosphat aus Triosephosphaten<br />
Pro Molekül Triosephosphat das aus CO2 synthetisiert wird sind 6 NADPH und 9 ATP Moleküle nötig<br />
Calvin Zyklus nützt ATP und NADPH aus der Lichtreaktion um CO2<br />
Kohlendioxid aus der Luft diffundiert in das Stroma der Chloroplasten und wird dort an das Carbonyl-<br />
C-Atom von Ribulose-1,5-bisphosphat addiert<br />
Diese Reaktion wird durch Ribulose-1,5-bisphosphat Carboxylase katalysiert<br />
Lichtabhängige Aktivierung der Dunkelreaktionsenzyme:<br />
Lichtreaktion aktiviert direkt Enzyme der Dunkelreaktion<br />
Einige Enzyme <strong>des</strong> Calvinzyklus werden aktiviert über Reduktion der Disulfide<br />
Elektron der Lichtreaktion reduzieren Ferredoxin was wiederum oxidiertes Thiorredoxin zu Thioredoxin<br />
reduziert dieses wiederum aktiviert einen lichtabhängigen Mechanismus<br />
Photorespiration:<br />
Photorespiration resultiert aus der Oxygenase-Aktivität von Rubisco<br />
Rubisco - aktive Zentrum kann CO2 und O2 nicht gut unterscheiden<br />
Die Oxygenase-Aktivität und Rubisco verbrauchen O2 und erzeugen CO2 = Photorespiration<br />
C4-Zyklus:<br />
Für je<strong>des</strong> CO2-Molekül das fixiert wird muss ein PEP-Molekül unter Verbrauch von 2 energiereichen<br />
Phosphatgruppen aus ATP regeneriert werden<br />
C4-Pflanzen brauchen um 2 ATP-Moleküle (5) mehr um 1 Molekül CO2 zu fixieren<br />
Vorlesung 9 - Nucleotide: Biosynthese und Abbau<br />
Rolle Nucleotide im Metabolismus:<br />
Als Bausteine der Nucleinsäuren<br />
Als Energieträger ATP und GTP<br />
Als Bestandteile von Cofaktoren NAD und FAD; S-Adenosylmethionin und CoA<br />
Als sekundäre Botenstoffe cAMP und cGMP<br />
2 Arten von Reaktionsfolgen die zu Nucleotiden führen:<br />
� De Novo Synthese<br />
Geht von den metabolischen Vorstufen Aminosäuren, Ribosephosphat, CO2 und NH3 aus<br />
� Recyclingwege<br />
Führen freie Basen und Nucleoside, die beim Abbau anfallen, wieder in den Prozess <strong>zur</strong>ück<br />
De Novo Synthese:<br />
In fast allen Lebewesen gleich<br />
Unterschied zwischen Purinen und Pyrimidinen:<br />
Purine:<br />
Werden so erzeugt, dass bis auf Glycin lautrer Einzelatome an Ribose gehängt werden<br />
Pyrimidine:<br />
Werden als Orotat synthetisiert, an Ribose gebunden und dann erst zu den üblichen Pyrimidinen<br />
umgewandelt<br />
21
De Novo Synthese von Purinen und Pyrimidinen haben gemeinsame Vorstufe - PRPP (Phospho-<br />
Ribosyl-Pyrophosphat)<br />
Aminosäuren: Gly für Purine und Asp für Pyrimidine<br />
2 weitere Aspekte:<br />
1. Enzymkomplexe sind beteiligt<br />
2. Menge an freien Nukleontiden (außer ATP) in den Zellen ist sehr gering weswegen die<br />
Nukleotidsynthese ständig laufen muss<br />
Biosynthese von AMP und GMP aus IMP:<br />
Ausgeglichene Synthese der beiden Ribonucleotide<br />
GTP für AMP-Bildung und ATP für GMP-Bildung benötigt<br />
De-novo-Synthese von Pyrimidinnucleotiden - Synthese von UTP und CTP über Orotidylat:<br />
Pyrimidine setzen sich aus Carbamoylphophat und Aspartat zusammen<br />
Anschließend wird durch Orotat-Phosphoribosyltransferase an den vollständigen Pyrimidinring Ribose-<br />
5-Phosphat angelagert<br />
Der erste Schritt in diesem Syntheseweg ist die Synthese von Carbamyolphosphat aus CO2 und NH4+ -<br />
Bei Eukaryoten katalysiert durch Carbomyolphosphat-Synthetase II<br />
Regulation der Pyrimidin-Synthese hauptsächlich als Rückkopplungshemmung bei Schritt 1<br />
Asp-Transcarbamoylase II wird durch Endprodukt CTP gehemmt<br />
!! CTP-Synthetase wird durch CTP allosterisch inhibiert und durch GTP aktiviert<br />
Reduktion von Ribonucleotiden zu Desoxyribonucleotiden durch Ribonucleotid-Reduktase:<br />
Ribonucleotide = Vorstufen der Desoxyribonucleotide<br />
Die Reduktion erfolgt durch direkte Reduktion <strong>des</strong> C-2 an der D-Ribose<br />
Substrate sind Ribonucleosiddiphosphate<br />
Enzym Ribonucleotid-Reduktase<br />
Reaktion ist komplex und verläuft über radikalische Zwischenprodukte<br />
Regulation der Ribonucleotid-Reduktase:<br />
Durch allosterische Wechselwirkung<br />
Reduktase besitzt mehrere Konformationen mit jeweils anderen katalytischen Eigenschaften<br />
Das komplexe Regulationsschema garantiert die ausgewogene Versorgung mit den 4 <strong>zur</strong> DANN-<br />
Synthese benötigten dNTPs<br />
Synthese von Desoxythymidylat:<br />
Entsteht durch Methylierung von Desoxyuridylat<br />
U kommt in der DANN nicht vor<br />
(Wahrscheinliche Grund - Spontane Desaminierung von C zu U)<br />
T = methyliertes Analog <strong>des</strong> U<br />
Somit kann in der DANN durch Desaminierung entstandenes U vom N-Uracil-Glycosylase-System<br />
(Reparatursystem) erkannt werden<br />
Enzym - Thymidylat-Synthese (Umwandlung von dUMP zu dTMP)<br />
Katabolismus der Purinnucleotide:<br />
Primaten mehr Stickstoff als Harnstoff über den Harnstofzyklus ausscheiden als in Form von Harnsäure<br />
aus dem Abbau von Purinen<br />
22
1. Vorlesung 10<br />
Teil 1 Gluconeogenese<br />
Teil 2 Biosynthese von Aminosäuren & einigen Aminosäurederivaten<br />
Synthese von Kohlenhydraten aus einfachen Vorstufen<br />
Tieren und Pflanzen => Weg von Phosphenolpyruvat zu Glucose-6-Phosphat<br />
Pflanzen und photosynthetisierende Bakterien => CO2 zu Kohlenhydraten<br />
Gluconeogenese ����Glycolyse<br />
Gluconeogenese - Bildung von Glucose aus Vorstufen die keine Hexosen sind<br />
Unerlässlich bei Säugetieren - Gehirn, Nervensystem, Erythrocyten - Glucose aus Blut<br />
einzige/wichtigste Brennstoff angewiesen<br />
7 der 10 nzymatischen Reaktionen der Gluconeogenese sind Umkehrung glycolytischer Reaktionen<br />
Glycolyse - 3 irreversible Reaktionen<br />
1. Umsetzung Glucose zu Glucose-6-Phosphat<br />
2. Phosphorylierung von Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6 bisphosphat<br />
3. Umsetzen von Phosphoenolpyruvat zu Pyruvat<br />
Gluconeogenese (viel Energie nötig)<br />
1. Umsetzung Pyruvat in Phosphoenolpyruvat => 2 exergone Reaktionen erforderlich<br />
2. Fructose-1,6 bisphosphat zu Fructose-6-Phosphat => über irreversible Hydrolyse<br />
3. Glucose-6-Phosphat zu Glucose => Hydrolyse eines Phosphatesters<br />
Alternative Wege vom Pyruvat zum Phosphoenolpyruvat:<br />
Welcher Weg dominiert abhängig von der glucogenen Vorstufe - Lactat oder Pyruvat<br />
Lactat Vorstufe => um einen Schritt kürzer weil cytosolisches NADH bei der Lactat-Dehydrogenase-<br />
Reaktion erzeugt wird und nicht aus dem Mitochondrium heraustransportiert werden muss<br />
Synthese von Phosphoenolpyruat aus Pyruvat:<br />
Im Mitochondrium:<br />
Pyruvat wird zu Oxalacetat umgesetzt - katalysiert durch biotinabhängige Pyruvat-Carboxylase<br />
Im Cytosol:<br />
Oxalacetat durch Einwirkung der Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase zu Phosphoenolpyruvat<br />
Das CO2 das bei der Pyruvat-Carboxylase-Reaktion eingebracht wurde wird nun wieder als CO2<br />
abgegeben<br />
Die Decarboxylierung führt zu einer Verschiebung von Elektronen<br />
Beteiligte Proteine <strong>des</strong> ER die an der Bildung von Glucose aus cytoplasmatischem Glucose-6-<br />
Phosphat beteiligt sind:<br />
T1 transportiert Glucose-6-Phosphat in das Lumen <strong>des</strong> ER<br />
T2 und T3 transportierten Pi beziehungsweise Glucose <strong>zur</strong>ück ins Cytosol bringt<br />
Die Glucose-6-Phsphatase wird durch ein Ca2+ binden<strong>des</strong> Protein (SP) stabilisiert<br />
Quellen für Glucoseherstellung:<br />
Propionyl-CoA (von ungeraadzahligen Fettsäuren) =>=> Oxalacetat<br />
Lactat => Pyruvat<br />
Alanin => Pyruvat<br />
Andere Aminosäuren => Pyruvat oder Oxalacetat<br />
Glycerol<br />
Fettsäuren mit einer geraden Anzahl von Kohlenstoffatomen sind bei Tieren und Mikroorganismen<br />
keine Quelle für die Nettosynthese von Glucose<br />
23
Fettsäuren zu Acetyl-CoA katabolisiert und für je 2 Kohlenstoffatome die als Acetyl-CoA in den<br />
Citratzyklus gelangen werden 2 als CO2 abgegeben<br />
Daher keine Nettoproduktion von Oxalacetat welche Biosynthese von Glucose unterstützen könnte<br />
Fettsäureoxidation liefert jedoch für Gluconeogenese viel Energie in Form von NADH, ATP, GTP<br />
Muskel ���� Leber<br />
Muskel erspart sich arbeit der Glucoseherstellung<br />
Lactat = Sackgasse<br />
Nicht in die Mitochondrien<br />
In der Leber - Gluconeogenese<br />
Muskel verwendet Glycogen als Energiequelle und erzeugt über Glycolyse Lactat<br />
Während der Erholungsphase wird ein Teil dieses Laktats <strong>zur</strong> Leber transportiert und dient dort <strong>zur</strong><br />
Bildung von Glucose durch Gluconeogenese<br />
Glucose ins Blut => zum Muskel<br />
Glucose => Laktat => Glucose = Cori Zyklus<br />
Regulierung:<br />
1 Regulierungsstelle bestimmt Schicksal von Pyruvat in den Mitochondrien:<br />
� Zu Acetyl-CoA (durch Pyruvat Dehydrogenase Komplex) um in den Citratzyklus zu gelangen<br />
� Zu Oxalacetat (duch Pyruvat Carboxylase) womit Gluconeogenese eingeleitet wird<br />
Acetyl-CoA ist ein positiver allosterischer Modulator der Pyruvat Carboxylase und ein negativer<br />
Modulator der Pyruvat Dehydrogenase<br />
Energiebedarf der Zelle gedeckt => Oxidative Phosphorylierung wird langsamer, NADH akkumuliert<br />
sich und hemmt Citratzyklus => Acetyl-CoA reichert sich an => Pyruvat Dehydrogenase Komplex wird<br />
gehemmt => Verlangsamt Bildung von Acetyl-CoA aus Pyruvat und stimuliert Gluconeogenese durch<br />
Aktivierung der Pyruvat Carboxylase<br />
2 Regulationsstelle - bei Gluconeogenese ist Reaktion die durch Fructose 1,6 bisphosphat katalysiert<br />
wird die durch AMP stark gehemmt wird<br />
Das entsprechende Enzym der Glycolyse die Phosphofructokinase 1 wird durch AMP und ADP<br />
stimuliert jedoch durch ATP und Citrat gehemmt<br />
Allgemein: Konzentration Acetyl-CoA oder Citrat (Produkt Kondensation von Acetyl-CoA mit<br />
Oxalacetat) ausreichend hoch ist oder großer Anteil <strong>des</strong> Adenylats der Zelle als ATP vorliegt =><br />
Gluconeogenese begünstigt<br />
Biosynthese von Aminosäuren:<br />
Vorstufen aus der Glycolyse, dem Citratzyklus und dem Pentosephosphatweg<br />
� Glycolyse:<br />
Aus 3-Phosphoglycerat => Serin (=> Glycin, Cystein)<br />
Aus Pyruvat => Alanin, Valin, Leucin<br />
Aus Phosphoenolpyruvat => Tryptophan, Phenylalanin, Tyrosin<br />
� Citratzyklus:<br />
Aus α-Ketogluterat => Glutamat (=> Glutamin, Prolin, Arginin)<br />
Aus Oxalacetat => Aspartat (=> Asparagin, Methionin, Threonin, Lysin, Isoleucin)<br />
� Pentosephosphatweg:<br />
Glucose-6-Phosphat => Ribose-5-Phosphat => Histidin<br />
3-Phosphoglycerat => Erythrose-4-Phosphat => Tryptophan, Phenylalanin, Tyrosin<br />
Biosynthese einiger Neurotransmitter aus Aminosäuren:<br />
� Tyrosin:<br />
Tyrosinhydroxylase => Dopa => Aromatische AS-Decarboxylase => Dopamin => Dopamin-β-<br />
Hydroxylase => Noradrenalin => Phenylethanolamin-N-Methyltransferase => Adrenalin<br />
� Glutamat<br />
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Glutamat-Decarboxylase => γ-Aminobutyrat<br />
� Histidin<br />
Histidin-Decarboxylase => Histamin<br />
� Tryptophan<br />
Tryptophan-Hydroxylase => Aromatische AS-Decarboxylase => Serotonin<br />
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Vorlesung 11 - Biosynthese von Lipiden:<br />
Lipide erfüllen vielfältige Aufgaben im <strong>Stoffwechsel</strong>:<br />
� Wichtigste Speicherform von Energie<br />
� Hauptbestandteile von Zellmembranen<br />
� Pigmente<br />
� Cofaktoren<br />
� Detergentien<br />
� Hormone<br />
� Botenstoffe<br />
� Ankergruppen von Membranproteinen<br />
� Elektronenkette (Atmungskette)<br />
Synthesewege sind endergonisch (brauchen ATP) und reduzierend (NADPH)<br />
Fettsäuren zu synthetisieren ist lebensnotwendig für Organismen<br />
Lipide sind optimale Speicherform denn bei Kohlenhydraten wird auch Hydratwasser eingelagert<br />
Unterschiedliche Verwertbarkeit von Acetyl-CoA:<br />
Fettsäureabbau<br />
Fettsäuresynthese<br />
Kohlenhydratabbau<br />
(Nicht durch die innere mitochondriale Membran - als Citrat durch wenn im Citratzyklus genügend Oxalacetat)<br />
β-Oxidationsweg:<br />
Bei jedem Durchlauf wird ein Acetylrest in Form von Acetyl-CoA vom Carboxylende der<br />
Fettsäureacylkette entfernt<br />
Zum Beispiel aus Palmitat (C16) werden 8 Moleküle Acetyl-CoA gebildet<br />
Acetyl-CoA-Carboxylase-Reaktion:<br />
Acetyl-CoA-Carboxylase hat 3 funktionelle Bereiche<br />
� Biotin-Carrier-Protein<br />
� Biotin-Carboxylase<br />
Die CO2 aktiviert indem sie es in einer ATP-abhängigen Reaktion an ein Stickstoffatom im Biotinring<br />
bindet<br />
� Transcarboxylase<br />
Überträgt aktiviertes CO2 vom Biotin auf Acetyl-CoA wobei Malonyl-CoA entsteht<br />
Fettsäuresynthase:<br />
Eine 4-stufige Reaktionsfolge verlängert wachsende Fettsäureacylketten um 2 Kohlenstoffatome<br />
1. Kondensation einer aktivierten Acylgruppe (Die erste Acylgruppe ist eine Acetylgrupp) und zweier<br />
Kohlenstoffatome die sich vom Malonyl-CoA herleiten unter Eliminierung von CO2 AUS DER<br />
Malonylgruppe<br />
2. Reduktion der β-Ketogruppe zu einem Alkohol<br />
3. Dehydratisierung - Eliminierung von H2O erzeugt Doppelbindung<br />
4. Reduktion der Doppelbindung wodurch die entsprechend gesättigte Fettsäureacylgruppe entsteht<br />
Strukturen von Fettsäure-Synthasen:<br />
Bakterien, Pflanzen => 7 Aktivitäten auf 7 separaten Polypeptiden<br />
Hefe => 7 Aktivitäten auf 2 seperaten Polypeptiden<br />
Wirbeltiere => 7 Aktivitäten auf 1 großen Polypeptid<br />
Transport von Acetylgruppen und Reduktionsäquivalenten in das Cytosol:<br />
26
Shuttel-System für die Übertragung von Acetylgruppen aus dem Mitochondrien in das Cytosol<br />
Äußere Mitochondriale Membran keine Barriere - Poren<br />
Acetyl-CoA als Citrat durch die innere mitochondriale Membran (Antiportersystem)<br />
Citrat im Cytosol zerlegt => Oxalacetat und Acetyl-CoA welches aber ATP benötigt<br />
Aus dem Cytosol in die Mitochondrien Phosphat, Malat, Teil <strong>des</strong> Malats in Pyruvat und dann über<br />
Transportsystem ins innere<br />
Produktion von NADPH:<br />
2 Wege<br />
Katalyse durch Malat-Enzym - Malat zu Pyruvat ( aus NADP+ wird NADPH + H+)<br />
Pentosephosphatweg Glucos-6-Phosphat zu Ribulose-5-Phosphat (2 NADH)<br />
Regulation der Fettsäure-Synthese:<br />
Fettsäuresynthese erreicht Maximum wenn Kohlenhydrate im Überschuss vorhanden und der<br />
Fettsäurespiegel niedrig ist<br />
Kurzzeit- und Langzeit-Kontrollmechanismen sind wichtig<br />
� Citratkonzentration im Cytosol wichtigste Kurzzeitregulator Citrat<br />
stimuliert Acetyl-CoA-Carboxylase die die Bildung von Malonyl-CoA katalysiert welcher der<br />
wichtigste Schrittmacher der Fettsäuresynthese ist Citratspiegel hoch wenn sowohl<br />
Acetyl-CoA als auch ATP reiclich vorhanden<br />
� Palmityl-CoA entgegengesetzte Wirkung auf Acetyl-CoA - bei Überschuss an Fettsäure reichlich<br />
vorhanden Hemmt außerdem Translokase<br />
die Citrat von Mitochondrien ins Cytosol transportiert, sowie die Glucose-6-phosphat-<br />
Dehydrogenase die NADPH erzeugt<br />
� Die Acetyl-CoA-Carboxylase wird wie die Glycogen-Synthase durch Phosphorielierung deaktiviert -<br />
somit kommt Fettsäuresynthese zum Stilstand wenn Blutglucosespiegel niedrig ist<br />
� Insulin begünstigt Fettsäuresynthese - zeigt an das genügend Brennstoffmoleküle vorhanden<br />
Langzeitkontrolle erfolgt über Änderungen der Synthese- und Abbaugeschwindigkeit der Enzyme der<br />
Fettsäuresynthese<br />
Längere Fettsäuren als Palmitat:<br />
In Eukaryoten durch Kettensverlängerungsreaktion die von Enzymen auf der cytosolischen Seite der<br />
Membran <strong>des</strong> ER katalysiert werden<br />
Essentielle Fettsäuren:<br />
Säugern fehlen Enzyme die Fettsäuren Doppelbindungen nach dem C9 einfügen<br />
Deshalb können Säuger z.B. kein Linolat oder Linolenat herstellen welche jedoch essentiell sind, diese<br />
müssen daher in der Nahrung enthalten sein<br />
Biosynthese von Cholesterin:<br />
Lebensnotwendig<br />
Vorstufe von Steroidhormonen<br />
1. 3 Acetateinheiten kondensieren zum Zwischenprodukt Mevalonat<br />
2. Mevalonat wird zu aktiviertem Isopren umgesetzt<br />
3. Durch Polymerisation von 6 C5-Isopreneinheiten entstegt die lineare C30-Struktur <strong>des</strong> Squalens<br />
4. Zyklisierung und etliche Modifikationen an den Ringen<br />
27
VL 12 - Koordination <strong>des</strong> <strong>Stoffwechsel</strong>s in Säugetieren:<br />
Wichtigste Funktion <strong>des</strong> <strong>Stoffwechsel</strong>s ist die Erzeugung von:<br />
� ATP<br />
� Reduktionsäquivalenten<br />
� Bausteinen für Biosynthesen<br />
ATP:<br />
� Universelle Energiewährung<br />
� Hohes Gruppenübertragungspotential<br />
� Durch Kopplung mit der Hydrolyse von ATP-Molekülen kann aus einer thermodynamisch<br />
ungünstigen eine günstige Reaktion werden<br />
� Entsteht durch Oxidation von Brennstoffmolekülen wie Glukose, AS, Fettsäuren<br />
� Gemeinsames Zwischenprodukt Acetyl-CoA (im Citratcyclus zu 2 CO2 oxidiert)<br />
� Die Protonenmotorische-Kraft die die ATP-Synthese antreibt entsteht dadurch das die reduzierten<br />
Elektronencarrier (NADH, FADH2) Elektronen an die Atmungskette abgeben<br />
NADPH:<br />
� Wichtigster Elektronen-Donor bei reduktiven Biosynthesen<br />
Biomoleküle:<br />
� Entstehen aus einer relativ kleinen Anzahl von verschiedenen Bausteinen<br />
� Erzeugt werden die Bausteine für die Biosynthese komplexer Moleküle von <strong>Stoffwechsel</strong>wegen die<br />
auch ATP und NADPH erzeugen<br />
Strategien der <strong>Stoffwechsel</strong>regulation:<br />
1. Allosterische Wechselwirkung Meist ein<br />
wichtiger Kontrollpunkt ist die erste irreversible Reaktion eines <strong>Stoffwechsel</strong>weges (In die Richtung<br />
wo Bedarf ist / Verhindern von unnutzem Bereitstellen)<br />
2. Reversible kovalente Modifikation<br />
Oft zu Verstärkungseffekten (viele Enzyme nicht nur allosterisch sondern auch durch kovalente<br />
Modifikationen regulierbar)<br />
3. Enzymmenge Hormonelle<br />
Steuerung von Synthese- und Abbaugeschwindigkeit<br />
4. Kompartimentierung Verteilung auf<br />
Kompartimente (Mitochondriale-Matrix, Cytosol)<br />
5. <strong>Stoffwechsel</strong>spezialisierung von Organen<br />
Leber � Muskel -- Glukose<br />
Zusammenspiel verschiedener <strong>Stoffwechsel</strong>wege:<br />
� Pasteur-Effekt: Hemmung der Glycolyse durch die Atmung<br />
� Glukoseabbau: Bereitstellen von Kohlenstoffgerüsten<br />
� Glycolyse - Schlüsselenzym Phosphofructokinase<br />
� Pentosephosphatweg - Oxidation von Glucose-6-Phosphat = Schrittmacher<br />
� Fettsäuresynthese - Acetyl-CoA-Carboxylase = wichtigste Kontrollstelle der Fettsäurebiosynthese<br />
Wichtige Knotenpunkte:<br />
� Glucose-6-Phosphat - Glykolen oder Pyruvat oder Ribose-5-phosphat<br />
� Pyruvat - Laktat oder Alanin oder Oxalacetat oder Glucose-6-Phosphat oder Acetyl-CoA<br />
� Acetyl-CoA - Fettsäuren oder CO2 oder Cholesterin oder Ketonkörper<br />
28
Glucose-6-Phosphat:<br />
Verwertung hängt vo Bedarf an NADPH, Ribose-5-Phosphat und ATP ab<br />
� Mehr Ribose-5-Phosphat benötigt als NADPH (Ribose-5-Phosphat <strong>zur</strong> Synthese von<br />
Nukleotidvorstufen für die DNA-Synthese) Durch Glycolyse wird<br />
das meiste Glucose-6-Phosphat zu Fructose-6-Phosphat und Glycerinaldehyd-3-Phosphat<br />
umgewandelt ATP wird benötigt<br />
� Bedarf NADH und Ribose-5-Phosphat ausgeglichen Bildung von 2<br />
NADPH und einem Ribose-5-Phosphat aus Glucose-6-Phosphat durch den oxidativen Zweig <strong>des</strong><br />
Pentosephosphatwegs<br />
<strong>Stoffwechsel</strong>profile von Gehirn, Muskulatur, Fettgewebe und Leber:<br />
Gehirn:<br />
� Glucose praktisch der einzige Brennstoff<br />
� Existieren keine Vorräte <strong>des</strong>halb ständige Versorgung erforderlich<br />
� Hungerzustand ersetzen Ketonkörper teilweise die Glukose als Energielieferant<br />
� Acetoacetat wird durch CoA-Transfer von Succinyl-CoA aktiviert. Die Spaltung <strong>des</strong> so entstandenen<br />
Acetoacetyl-CoA durch die Thiolase liefert 2 Moleküle Acetyl-CoA, die in den Citratzyklus<br />
eingehen<br />
Muskulatur:<br />
� Wichtigsten Brennstoffe sind Glukose, Fettsäuren und Ketonkörper<br />
� Besitzen beträchtlichen Glycogenvorrat (¾ <strong>des</strong> gesamten Glycogen)<br />
� Muskel besitzt wie Gehirn keine Glucose-6-Phosphatase und gibt daher keine Glucose an das Blut<br />
ab<br />
� Muskel hält seinen bevorzugten Brennstoff Glucose für plötzliche Aktivitäten <strong>zur</strong>ück<br />
� Aktiv kontrahierenden Skelettmuskel Geschwindigkeit Glycolyse weit höher als Citratcyclus -<br />
Großteil <strong>des</strong> Pyruvats zu Lactat reduziert und als solches <strong>zur</strong> Leber transportiert und dort wieder<br />
zu Glukose umgewandelt (Cori-Cyclus)<br />
� Im aktiven Muskel entsteht durch die Transaminierung von Pyruvat viel Alanin was auch wieder<br />
in der Leber zu Glucose umgewandelt wird<br />
� Ruhende Muskel Hauptbrennstoff Fettsäuren<br />
� Herzmuskel kann auch Ketonkörper verwerten<br />
Fettgewebe:<br />
� Enormer Brennstoffvorrat (Triacylglycerine) gespeichert<br />
� Spezialisiert auf Veresterung von Fettsäuren und auf ihre Freisetzung von Triacylglycerine<br />
� Leber Hauptort der Fettsäuresynthese<br />
� Wichtigste biosynthetische Aufgabe ist die Aktivierung dieser Fettsäuren und die Übertragung der<br />
entstehenden CoA-Derivate auf Glycerin<br />
� Wichtiges Zwischenprodukt ist Glycerin-3-Phosphat<br />
� Fettzellen können endogenes Glycerin nicht phosphorylieren weil die entsprechende Kinase fehlt<br />
� Demnach brauchen Fettzellen Glucose <strong>zur</strong> Triacylglycerinsynthese<br />
� Triacylglycerine in Fettzellen werden ständig hydrolysiert und resynthetisiert<br />
Leber:<br />
� Wichtig für die Versorgung von Gehirn, Muskulatur und anderen peripheren Organen mit Brennstoff<br />
� Kontrolle von zahlreichen Metaboliten im Blut<br />
� Kann große Menge an Glucose aufnehmen und in Glycogen umwandeln<br />
� Wichtigsten Vorstufen für die Glucose sind Lactat, Alanin aus dem Muskel, Glycerin aus dem<br />
Fettgewebe und glucogene AS aus der Nahrung<br />
� Kontrolliert Lipidstoffwechsel<br />
� Reichlich Brennstoffe vorhanden synthetisiert die Leber Fettsäuren, vereitert sie und gibt sie in Form<br />
von Lipidproteinen sehr geringer Dicht an das Blut ab<br />
� Im Hungerzustand wandelt Leber Fettsäuren in Ketonkörper um<br />
29
� Wie erfolgt Umschaltung?<br />
� Wie deckt Leber eigenen Energiebedarf? Bevorzugt Kettsäuren (AS ohne Aminogruppe) die aus<br />
Abbau von AS stammt<br />
� Glycolyse in der Leber dient in erster Linie der Gewinnung von Bausteinen für Biosynthesen<br />
� Acetoacetat ist ein ungeeigneter Brennstoff weil sie nur wenig von der <strong>zur</strong> Aktivierung nötigen<br />
CoA-Transverase besitzt<br />
� Leber verzichtet auf die Brennstoffe die sie an Muskel und Gehirn abgibt<br />
� Langkettige Fettsäuren können innere Mitochondrien-Membran nur passieren wenn sie mit Carnitin<br />
vereitert sind Die Carnitin-Acyltransferase I welche<br />
die Bildung von Acylvarnitin an der Außenseite der inneren Membran katalysiert wird durch<br />
Malonyl-CoA inhibiert<br />
Hormone als Regulatoren <strong>des</strong> Energiestoffwechsels:<br />
� Wichtige Rolle<br />
� Besonders Insulin, Glucagon, Adrenalin und Noradrenalin haben großen Einfluss auf Speicherung<br />
und Mobilisierung von Brennstoffen und damit zusammenhängende <strong>Stoffwechsel</strong>vorgänge<br />
� Adrenalin signalisiert bevorstehende Aktivität<br />
Stresssituation erhöhte Aktivität erfordert - Auslösung von Nervensignalen - Freisetzung v.<br />
Adrenalin aus Nebennierenmark - Katecholamine erhöht die v. der Leber abgegebene Glucosemenge<br />
& setzt die Glucoseaufnahme im Muskel herab<br />
Regulation <strong>des</strong> Blutglucosespiegels:<br />
Glucagon signalisiert niedrigen Blutglucosespiegel<br />
Abgesenkter Blutglucosespiegel löst Ausschüttung von Glucagon aus und vermindert Freisetzung von<br />
Insulin<br />
Glucagon bewirkt Anstieg Blutglucosekonzentration<br />
Stimuliert (wie Adrenalin) Netto-Abbau und Leberglycogen indem es Glycogen-Phosphorylase aktiviert<br />
und Glycogen-Synthase inaktiviert<br />
Glucogon inhibiert (im Gegensatz zu Adrenalin) Abbau von Glucose durch Glycolyse in der Leber und<br />
regt Synthese von Glucose durch Gluconeogenese<br />
Anpassung <strong>des</strong> <strong>Stoffwechsel</strong>s an lange Hungerperioden:<br />
� Kohlenhydratreserven bereits nach einem Tag fasten erschöpft<br />
� Bei monatelangen Hungerperioden ermöglichen gespeicherten Brennstoffe in Form von<br />
mobilisierbaren Proteinen und in Form von Triacylglycerinen<br />
� Wichtigsten Umstellungen nach 3 Hungertagen - Bildung großer Mengen an Acetoacetat in der<br />
Leber - Durch die Gluconeogenese kommt es zu einem Mangel an Oxalacetat - ...<br />
Woher Energie für Kurzstreckensprint im Vergleich zu einem Marathonläufer:<br />
Energiequelle für Muskelkontraktion<br />
Bei kurzzeitiger starker Aktivität, leichter Aktivität oder in Ruhe werden unterschiedliche Brennstoffe<br />
<strong>zur</strong> Synthese von ATP genutzt<br />
ATP kann rasch aus Phosphocreatin hergestellt werden<br />
Kurzzeitige, starke Aktivität: Muskelglycogen<br />
Leichte Aktivität oder Ruhe: Fettsäuren, Ketonkörper, Blutglucose<br />
Kurzzeitige, starke Aktivität: Phosphocreatin<br />
Ceratinphosphat:<br />
Creatinphosphat ist ein Reservoir für energiereiches Phosphat im Muskel<br />
Creatin aus Arginin<br />
Keratinphosphat + ADP + H+ � ATP + Creatin<br />
30
Glykolyse:<br />
<strong>Stoffwechsel</strong>weg, in dem ein Molekül Glucose in einer von zehn Enzymen katalysierten Reaktionskette<br />
zu zwei Molekülen Pyruvat abgebaut wird.<br />
In Zellen ohne Mitochondrien oder bei Sauerstoffmangel (Anaerobiosis) wird Pyruvat zu Lactat, dem<br />
Endprodukt <strong>des</strong> Glucoseabbaus in anaeroben Zellen umgewandelt. In Hefezellen ist das Endprodukt das<br />
anaeroben Glucoseabbaus Ethanol (alkoholische Gärung).<br />
Für anaerobe Zellen (z.B. Erythrocyten) ist die Glykolyse die einzige Energiequelle. Pro mol abgebauter<br />
Glucose können zwei mol energiereiches ATP gewonnen werden, ohne dass dabei Sauerstoff verbraucht<br />
wird.<br />
Die Glykolyse, auch Emden-Meyerhof-Parnas-Weg genannt, läuft fast in allen biologischen Systemen<br />
ab.<br />
In aeroben menschlichen tierischen Zellen ist der glykolytische Abbau von Glucose bis zum Pyruvat<br />
eine Voraussetzung für den nachfolgenden oxidativen Endabbau im Citrat-Zyklus (Abbau <strong>des</strong><br />
Kohlenstoffgerüstes zu CO2) und in der Atmungskette (Oxidation <strong>des</strong> Substratwasserstoffs zu Wasser).<br />
Pyruvat wird zunächst in den Mitochondrien in einer vorgeschalteten Reaktion durch den<br />
Multienzymkomplex Pyruvat-Dehydrogenase oxidativ zu CO2 und Acetyl-CoenzymA decarboxyliert.<br />
Die Energieausbeute beim vollständigen oxidativen Abbau der Glucose zu CO2 und Wasser ist um einen<br />
Faktor von 19 größer (38 ATP) als beim anaeroben Abbau zu Lactat (2 ATP).<br />
C6H12O6 + 6 O2 � 6 CO2 + 6 H2O<br />
Gluconeogenese:<br />
<strong>Stoffwechsel</strong>weg in der Leber und Niere <strong>des</strong> Menschen und höherer Tiere, in dem aus<br />
Nichtkohlenhydraten wie Lactat und Aminosäuren (insbesondere Alanin, Serin, Glycin, Gltuamat,<br />
Aspartat) bzw. ihren Abbauprodukten (Pyruvat, Oxalacetat, α-Ketolutarat) Glucose synthetisiert wird.<br />
Die meisten Einzelreaktionen der Gluconeogenese werden von den gleichen Enzymen katalysiert, die<br />
auch bei der Glykolyse, dem Abbauweg der Glucose, mitwirken.<br />
Drei Reaktionen verlaufen jedoch aus energetischen Gründen über spezifische gluconeogenetische<br />
Enzyme (Pyruvat-Carboxylase und Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase umgehen die glykolytische<br />
Reaktion der Pyruvat-Kinase, Fructose-1,6-bisphosphat-Phosphatase umgeht die Reaktion der<br />
Phosphofructokinase und Glucose-6-phosphat-Phosphatase umgeht die Reaktion der Gluco- bzw.<br />
Hexokinase).<br />
Die Gluconeogenese wird durch die Hormone Glucagon , Gatecholamine und Glucocorticoide gefördert<br />
und durch Insulin gehemmt. Die Bildung von Glucose auf dem Weg der Gluconeogenese ist ein<br />
endergoner Prozeß, der pro mol gebildeter Glucose die Hydrolyseenergie von sechs mol ATP benötigt.<br />
Die Bereitstellung von Glucose in der Leber ist für die Aufrechterhaltung <strong>des</strong> Blutglucose-spiegels<br />
(Homöostase) in der Postresorptionsphase (einige Stunden ohne Nahrungsaufnahme) und im<br />
Hungerzustand ein wichtiger Prozeß. Dadurch wird die Versorgung von glucoseabhängigen Organen<br />
(Gehirn, Erythrocyten) gewährleistet. In der Niere ist die Gluconeogenese an der Regulation <strong>des</strong> Säure-<br />
Basen-Haushaltes (pH) beteiligt.<br />
Atmungskette:<br />
Elektronentransportkette, die in aeroben Zellen Elektronen von Substraten (Abbauprodukte der<br />
Nahrungsstoffe) auf molekularen Sauerstoff überträgt.<br />
Die Atmungskette besteht aus einem komplexen Enzym-System, das in der inneren<br />
Mitochondrienmembran lokalisiert ist. Die prosthetischen Gruppen bzw. *Coenzyme der Atmungskette<br />
stellen *Redoxpaare dar, die Wasserstoff bzw. Elektronen aufnehmen und abgeben können. Die<br />
32
Reihenfolge der Redoxpaare in dieser Elektronentransportkette (Redoxreihe) wird durch die jeweiligen<br />
Redoxpotentiale der prosthetischen Gruppen bzw. Coenzyme bestimmt; die Elektronen fließen spontan<br />
vom Redoxpaar mit weniger positivem zum Redoxpaar mit positiverem Redoxpotential.<br />
Mit Hilfe mitochondrialer Dehydrogenasen <strong>des</strong> *Citratzyklus bzw. <strong>des</strong> oxidativen *Fettsäureabbaus<br />
wird von Substraten Wasserstoff auf NAD (*Nicotinamidadenindinucleotid) bzw. FAD<br />
(*Flavinadenindinucleotid) unter Ausbildung von NADH2 bzw. FADH2 übertragen.<br />
Über diese reduzierten Coenzyme gelangt der Wasserstoff in die Atmungskette, wo er letztendlich mit<br />
Atmungssauerstoff und Wasser oxidiert wird. Die Elektronenübertragung vom Wasserstoff zum<br />
Sauerstoff erfolgt stufenweise über die verschiedenen Redoxpaare der Atmungskette. Die Reihenfolge<br />
dieser Elektronen transportierenden Komplexe zeigt das Schema. Die Komplexe I, III und IV sind mit<br />
Protonenkanäle assoziiert, durch die aktiv Protonen durch die innere Mitochondrienmembran von innen<br />
nach außen gepumpt werden, wodurch ein Protonengradient (elektrochemisches Potential) aufgebaut<br />
wird. Die Energie für den Aufbau dieses Protonengradienten entstammt den Redoxreaktionen zwischen<br />
den einzelnen Redoxpaaren während <strong>des</strong> Elektronentransportes. Die elektromotorische Kraft dieses<br />
Protonengradienten dient der Synthese von energiereichem *ATP - Adenosintriphosphat<br />
(*Atmungskettenphosphorylierung).<br />
NADH<br />
↓<br />
Komplex I: NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase<br />
(Redoxpaar: FMN)<br />
↓<br />
Ubiquinon ← Komplex II: FADH2<br />
↓<br />
Komplex III: Ubidihydrochinon-Cytochrom c-Oxidoreduktase<br />
(Redoxpaar: Porphyriineisen)<br />
↓<br />
Cytochrom c<br />
(Redoxpaar: Porphyrineisen)<br />
↓<br />
Komplex IV: Cytochrom c-Sauerstoff-Oxidoreduktase<br />
(Redoxpaar: Porphyrineisen, Cu 2+/1+ )<br />
↓<br />
O2<br />
Atmungsketten-Phosphorylierung:<br />
Mit dem exergonischen Prozeß <strong>des</strong> Elektronentransportes in der *Atmungskette vom<br />
Substratwasserstoff über NADH2 bzw. FADH2 zum molekularen Sauerstoff ist ein endergonischer<br />
Prozeß (energieverbrauchende Reaktion), die enzymatische Phosphorylierung von ADP und<br />
anorganischem Phosphat zu ATP (*Adeninnucleotide), gekoppelt. Diese Kopplung der<br />
energieliefernden Oxidation und der energieverbrauchenden Phosphorylierung erfolgt über einen<br />
Protonengradienten.<br />
In der inneren Mitochondrienmembran befinden sich an verschiedenen Stellen spezifische<br />
Protonenkanäle (F0-Kanäle), durch welche die aktiv nach außen gepumpten Protonen in den<br />
mitochondrialen Innenraum <strong>zur</strong>ückfließen können. Durch den Protonenrückfluß kommt es zum Abbau<br />
<strong>des</strong> Protonengradienten. Die daraus entstehende elektromotorische Kraft wird über einen noch nicht<br />
restlos aufgeklärten Mechanismus <strong>zur</strong> enzymatischen Synthese (ATP-Synthase = F1-Komplex) von<br />
energiereichem ATP verwendet.<br />
Die Oxidation von 1 mol NADH2 erzeugt maximal 3 mol ATP (3 Protonenpumpen beim Elektronenfluß<br />
von NADH2 zu O2; P/O-Quotient = 2).<br />
Das in den Mitochondrien gebildete ATP gelangt durch ein spezifisches Transportsystem, die ATP-<br />
ADP-Translocase, im stöchiometrischen Austausch mit ADP aus den Mitochondrien ins Cytosol.<br />
33
Der prozentuale Wirkungsgrad der Atmungsketten-Phosphorylierung hinsichtlich der ATP-Bildung ist<br />
40 %; die restliche Energie wird für den Transport von ADP, ATP und Phosphat (P) durch die<br />
mitochondriale Membran verbraucht oder fällt als Wärme an.<br />
Ein durchschnittlicher Energiebedarf <strong>des</strong> Menschen von 10.000 kJ/24h erfordert die tägliche Bildung<br />
von etwa 70 kg ATP aus ADP und P in der Atmungsketten-Phosphorylierung.<br />
Entkoppler der Atmungsketten-Phosphorylierung bewirken eine Erniedrigung der Ausbeute an mol ATP<br />
pro Grammatom reduziertem Sauerstoff (1/2 O2) und dem entsprechend eine Erniedrigung <strong>des</strong> P/O-<br />
Quotienten.<br />
Die Regulation der Atmungsketten-Phosphorylierung und damit auch <strong>des</strong> katabolen <strong>Stoffwechsel</strong>s<br />
erfolgt durch den ADP/ATP-Quotienten. Hohe zelluläre Konzentrationen steigern die Rate der<br />
Atmungsketten-Phosphorylierung.<br />
Citratzyklus:<br />
Der Citratzyklus ist ein Sammelbecken für metabolische Zwischenprodukte, die entweder dem Aufbau<br />
zelleigener Stoffe (Anabolismus) dienen oder die unter Energiegewinn oxidativ weiter abgebaut werden<br />
(Katabolismus). Die Enzyme <strong>des</strong> Citratzyklus sind in der Matrix der Mitochondrien aerober Zellen<br />
lokalisiert.<br />
Wichtige anabole Funktionen hat der Citratzyklus bei der Bildung von *Aminosäuren durch<br />
Transaminierungsreaktionen (*Aminotransferasen), bei der Bildung von Clucose aus Oxalaetat<br />
(*Gluconeogenese) und bei der *Porphyrinsynthese.<br />
Die katabole Funktion <strong>des</strong> Citratzyklus besteht in der Oxidation <strong>des</strong> Kohlenstoffes der Acetylgruppe <strong>des</strong><br />
*Acetyl-Coenzyms A zu 2 CO2 und in der Bereitstellung von Substratwasserstoff aus der Acetylgruppe<br />
und Wasser. Dieser wird in Form <strong>des</strong> reduzierten NADH und <strong>des</strong> FADH in die Atmungskette<br />
eingeschleust und dort zu Wasser oxidiert. Acetyl-CoA entsteht als gemeinsames Zwischenprodukt beim<br />
oxidativen Abbau der Nahrungsstoffe Glucose, Fettsäuren und der meisten Aminosäuren in der Zelle.<br />
Der oxidative Abbau <strong>des</strong> Acetyl-CoA im Citratzyklus lässt sich bilanzmäßig folgendermaßen<br />
formulieren:<br />
Acetyl-CoA + 3 NAD + FAD + GDP + P + 2 H2O →<br />
2 CO2 + CoA + 3 NADH + 3 H + + FADH2 + GTP.<br />
Akzeptor für die Acetylgruppe <strong>des</strong> Acetyl-CoA ist Oxalacetat, das nach einem Umlauf imCitratzyklus<br />
stöchiometrisch wieder entsteht.<br />
Fettsäurestoffwechsel:<br />
Geradzahlige Fettsäuren können mit Ausnahme der essentiellen ungesättigten Fettsäuren Linol- und<br />
Linolsäure in verschiedene Zellen <strong>des</strong> menschlichen Körpers aus dem aktivierten Acetat Acetyl-<br />
CoenzymA aufgebaut werden. Diese im Cytoplasma ablaufende Synthese wird durch einen<br />
Multienzym-Komplex katalysiert, der als Fettsäure-Synthase bezeichnet wird.<br />
Zuvor muß Acetyl-CoenzymA iin einer durch das biotinabhängige Enzym Acetyl-CoA-Carboxylase<br />
katalysierten Reaktion zu Malonyl-CoenzymA carboxyliert werden. Acetyl-CoenzymA und Malonyl-<br />
CoenzymA sind die eigentlichen Vorstufen der Fettsäuresynthese, bei der das Coenzym NADPH2<br />
Wasserstoffdonator ist.<br />
Acetyl-CoenzymA ist auch Baustein für die Kettenverlängerung von mittelkettigen zu langkettigen<br />
Fettsäuren.<br />
Der Abbau von Fettsäuren geschieht auf der Stufe der Coenzym-A-aktivierten Fettsäuren durch β-<br />
Oxidation. Die an dieser Reaktionskette beteiligten Enzyme sind in den Mitochondrien der Zelle<br />
lokalisiert.<br />
Endprodukte der β-Oxidation der Fettsäuren sind Acetyl-CoenzymA-Moleküle, die im Citratzyklus<br />
weiter abgebaut werden.<br />
34
Der bei der β-Oxidation freiwerdende Wasserstoff wird auf die Coenzyme FAD und NAD übertragen,<br />
die ihn an die Atmungskette weitergeben.<br />
Der hohe Anteil an Wasserstoff in den Fettsäuren bedingt den hohen Energiegehalt dieser<br />
Verbindungen. Fettsäuren und deren Glycerinester (Triacylglycerin) haben einen kalorischen und<br />
physiologischen Brennwert on 38 kJ/g.<br />
Fettsäure-Synthase: Multienzymkomplex, der die Synthese von ungesättigten Fettsäuren aus Acetyl-<br />
CoenzymA und Malonyl-CoenzymA in zyklischen Schritten katalysiert.<br />
Photosynthese:<br />
Enzymatische Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie (ATP) und ihre Verwendung <strong>zur</strong><br />
Synthese von Kohlenhydraten und Sauerstoff aus Kohlendioxid und Wasser in grünen Pflanzen.<br />
Die Absorption von Lichtstrahlen erfolgt in Photosynthesepigmenten, deren wichtigste die Chlorophylle<br />
sind.<br />
Gesamtgleichung der Photosynthese: n CO2 + n H2O � (CH2O)n + n O2<br />
In einer lichtabhängigen Teilreaktion erfolgt mit Hilfe der Sonnenenergie die Wasserspaltung unter<br />
Bildung von reduziertem NADPH und energiereichem ATP. In der nachfolgenden lichtunabhängigen<br />
Dunkelreaktion wird CO2 mit Hilfe von NADPH und ATP als Energiequelle letztlich zu Glucose<br />
aufgebaut.<br />
Die Bildung von Kohlenhydraten in den grünen Pflanzen unter Ausnutzung der Sonnenenergie ist die<br />
Grundlage für die Nahrungsversorgung aller tierischen Organismen und der Menschen.<br />
Photosynthetische Phosphorylierung: enzymatische Phosphorylierung von ADP zu energiereichem<br />
ATP in Verbindung mit dem lichtabhängigen Elektronentransport von licht-energetisch angeregtem<br />
Chlorophyll in photosynthetisierenden Zellen.<br />
Photosystem: funktioneller Komplex von lichtabsorbierenden Pigmenten und den damit gekoppelten<br />
Eletronenakzeptoren in photosynthetisierenden Zellen.<br />
Chlorophylle: Porphyrin-Farbstoffe in den Chloroplasten der grünen Pflanzen sowie in<br />
photosynthetisierenden Algen und Bakterien mit der Fähigkeit, die Energie <strong>des</strong> Sonnenlichtes zu<br />
absorbieren, die dann in den Reaktionen der Photosynthese <strong>zur</strong> Bildung von ATP und<br />
Reduktionsäquivalenten (NADPH) verwendet werden kann.<br />
Harnstoffzyklus:<br />
Zyklischer <strong>Stoffwechsel</strong>weg in den periportalen Zellen der Leber, in dem die Synthese von Harnstoff<br />
aus Kohlendioxid (CO2), Ammoniak und einer Aminogruppe <strong>des</strong> Aspartats erfolgt.<br />
Ammoniak entsteht im Körper vor allem bei der oxidativen Desaminierung von Aminogruppen, z.B.<br />
von Glutamat durch die Glutamat-Dehydrogenase, von Purin- und Pyrimidinnucleotiden durch<br />
Desaminasen, von biogenen Aminen durch Monoaminoxidasen sowie durch hydrolytische Spaltung von<br />
Glutamin zu Glutamat durch die Glutaminase.<br />
Wichtigste Aufgabe <strong>des</strong> Harnstoffzyklus ist die Eliminierung <strong>des</strong> freigesetzten Ammoniaks. Dies<br />
geschieht in einer vorgeschaltenen Reaktion durch die Bildung von Carbamylphosphat aus Ammoniak,<br />
CO2 und zwei Molekülen ATP durch das Enzym Carbamylphosphat-Synthetase. Der Carbamylrest wird<br />
auf die Aminosäure Ornithin unter Bildung von Citrullin übertragen. Citrullin reagiert mit der<br />
35
Aminogruppe eines Aspartats unter Freisetzung von Fumarat zu Arginin, aus dem mit Hilfe <strong>des</strong> Enzyms<br />
Arginase Harnstoff abgespalten und dabei Ornithin <strong>zur</strong>ückgebildet wird.<br />
Wasserstoffübertragung:<br />
Die Übertragung von Wasserstoff (H2) von einem Substrat auf ein anderes führt <strong>zur</strong> Reduktion <strong>des</strong><br />
letzteren und Oxidation <strong>des</strong> ersteren (Redoxreaktion).<br />
Die H2-Übertragung wird in der Biologie durch eine Enzymgruppe katalysiert, die als Dehydrogenasen<br />
bzw. Reduktasen bezeichnet werden; sie gehören in die Hauptklasse der Oxidoreduktasen (Enzyme).<br />
An der enzymatischen Übertragung von H2 sind die Coenzyme NAD + , NADP + , FAD und FMN<br />
beteiligt. Sie können reversibel Wasserstoff aufnehmen und in die reduzierte Form übergehen: NADH2,<br />
NADPH2, FADH2 und FMNH2.<br />
Triebkraft für eine Redoxreaktion ist die Redoxpotentialdifferenz zwischen den beiden Redoxpaaren.<br />
Redoxpaare:<br />
Konjugiertes System bestehend aus einem Elektronendonator und seiner entsprechenden oxidierten<br />
Form, dem Elektronenakzeptor:<br />
Oxidation<br />
Elektronendonator ← Elektronenakzeptor + n e -<br />
→<br />
Reduzierte Form Reduktion Oxidierte Form + Elektronen<br />
Jedem Redoxpaar kann ein bestimmtes Elektronenübertragungspotenzial (Redoxpotenzial) zugeordnet<br />
werden, das als Maß für die reduzierende (Reduktionspotenzial) bzw. oxidierende (Oxidationspotenzial)<br />
Wirkung aufgefasst werden kann.<br />
Es ist praktisch nicht möglich, das Potenzial eines Redoxpaares zu messen; man kann nur die<br />
Potenzialdifferenz zwischen zwei Redoxpaaren messen. Um die Redoxpotenziale der verschiedenen<br />
Redoxpaare vergleichen zu können, muß man einen Nullpunkt der Redoxpotenzialskala als<br />
Bezugssystem festlegen, wofür man die Normalwasserstoffelektrode gewählt hat.<br />
Redoxreaktion:<br />
Reaktion, bei der Elektronen von der reduzierten Verbindung eines Redoxpaares auf die oxidierte<br />
Verbindung eines anderen Redoxpaares übertragen werden. Triebkraft der Redoxreaktion ist die<br />
Redoxpotenzialdifferenz zwischen den beiden Redoxpaaren.<br />
Oxidation = Elektronenabgabe<br />
Reduktion = Elektronenaufnahme<br />
Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen nimmt ein geeigneter Reaktionspartner auf<br />
= Oxidationsmittel (O2)<br />
Bei der Reduktion liefert der Reaktionspartner die aufzunehmenden Elektronen<br />
= Reduktionsmittel (H)<br />
Endergone Reaktionen:<br />
Reaktionen, die für ihren Ablauf die Zufuhr von Energie benötigen (energieverbrauchende Reaktionen).<br />
In Lebewesen wird in der Regel die durch Hydrolyse von *ATP erzeugte Energie (∆G`o = -30 bis –33<br />
kJ/mol) zum Ablauf endergoner Reaktionen in der Zelle verwendet. (Energetische Kopplung von<br />
endergonen und exergonen Reaktionen).<br />
Exergone Reaktionen:<br />
Reaktionen, bei deren Ablauf Energie freigesetzt wird. Diese Energie kann im Körper in mechanische<br />
Arbeit, z.B. Muskelkontraktion, elektrische (osmotische) Arbeit, z.B. Aufbau von Membranpotentialen,<br />
36
und chemische Arbeit, z.B. Biosynthese bzw. Kopplung mit *endergonen Reaktionen, umgewandelt<br />
werden. Ein beträchtlicher Teil der freigesetzten Energie geht in Wärme über, die teilweise der<br />
Aufrechterhaltung der Körpertemperatur dient. In der Biologie ist die wichtigste endergone Reaktion die<br />
Hydrolyse von ATP in ADP und anorganisches Phosphat (*Adeninnucleotide) wobei eine Standardfreie<br />
Energie (∆G`o) von<br />
-30 bis –33 kJ/mol erzeugt wird.<br />
Adeninnucleotide:<br />
Zu den Adeninnucleotiden zählen Adenosinmonophosphat (AMP), Adenosindiphosphat (ADP) und<br />
Adenosintriphosphat (ATP).<br />
AMP besteht aus der Purinbase Adenin, die N-glykosidisch mit einer Ribose verknüpft ist, an der<br />
esterartig eine Phosphatgruppe angelagert ist.<br />
ADP enthält eine weitere, über eine Säureanhydridbindung mit AMP verknüpfte Phosphatgruppe. ADP<br />
ist eine dreibasige Säure und entsteht im Zellstoffwechsel vor allem durch Hydrolyse von ATP mittels<br />
ATPasen bzw. durch Phosphatgruppenübertragung auf Substrate und Metabolite mittels Kinasen<br />
(Enzyme, Coenzyme). ADP spielt als Akzeptor einer weiteren Phosphatgruppe im Energiezyklus der<br />
Zelle eine wichtige Rolle.<br />
ATP besitzt zwei energiereiche Säurehydridbindungen. ATP ist eine vierbasige Säure. Sie entsteht in<br />
der Zelle aus ADP und energiereichen Phosphatverbindungen durch die Wirkung von Kinasen (Enzyme,<br />
Coenzyme).<br />
In aeroben Zellen erfolgt die Bildung von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat insbesondere<br />
durch die mitochondriale ATP-Synthetase bei der *Atmungsketten-Phosphorylierung. ATP ist der<br />
wichtigste Phosphatgruppendonator im Energiezyklus der Zelle. Die meisten biochemischen Prozesse in<br />
der Zelle (z.B. Biosynthesen, Stofftransport, Zellbewegung) verlaufen endergonisch und sind nur<br />
möglich, wenn sie mit einer zweiten exergonischen Reaktion, meist der Hydrolyse von ATP, gekoppelt<br />
sind. In der Zelle ist ATP sowohl Energieüberträger als auch Energiespeicher. Die Hydrolyse von ATP<br />
zu ADP oder AMP ist stark exergonisch: ∆G`o beträgt etwa -30 bis –33 kJ/mol und Bindung.<br />
NAD, NADH:<br />
Nicotinamidadenindinucleotid stellt in seiner oxidierten und reduzierten Form ein Redoxpaar dar, das<br />
als *Coenzym an der Wasserstoffübertragung durch NAD-abhängige *Dehydrogenasen<br />
(Oxidoreduktasen) beteiligt ist.<br />
Die eigentliche Wirkgruppe ist das Nicotiniamid, <strong>des</strong>sen Pyridinring reversibel Wasserstoff aufnehmen<br />
oder abgeben kann, wobei die reduzierte (NADH + H + ) bzw. oxidierte (NAD + ) For entsteht. Der an<br />
NADH gebundene Wasserstoff wird letztlich an die mitochondriale *Atmungskette abgegeben, wo er<br />
mit Atmungssauerstoff unter Energiegewinnung (ATP, Wärme) zu Wasser oxidiert wird. Das dabei<br />
entstehende oxidierte NAD + steht den mitochondrialen Dehydrogenasen als Wasserstoffakzeptor wieder<br />
<strong>zur</strong> Verfügung.<br />
Das unterschiedliche Absorptionsspektrum von NADH und NAD + + im Wellenbereich von 340 nm<br />
kann für die quantitative photometrische Bestimmung der chemischen Verbindungen genützt werden,<br />
die Wasserstoff von NADH übernehmen bzw. auf NAD + übertragen können.<br />
NADP, NADPH:<br />
Nicotinamidadenindinucleotidphosphat stellt in seiner oxidierten und reduzierten Form ein Redoxpaar<br />
dar, das als *Coenzym an der Wasserstoffübertragung durch NADP-abhängige *Dehydrogenasen<br />
(Oxidoreduktasen) beteiligt ist.<br />
NADP<br />
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+ unterscheidet sich von NAD + nur durch eine weitere Phosphatgruppe, die mit der alkoholischen<br />
Gruppe am C-Atom 2 der Ribose esterartig verknüpft ist.
Der an NADH gebundene Wasserstoff wird im Zellstoffwechsel im wesentlichen für die<br />
Reduktionsreaktion bei Biosynthesen, z.B. von Cholesterin, Fettsäuren, Desoxynucleotiden sowie für<br />
Hydroxylierungsreaktionen durch Momooxygenasen (Hydroxylasen) verwendet.<br />
FAD, FADH2 (Flavinadenindinucleotid):<br />
*Coenzym wasserstoffübertragender Enzyme, die wegen der gelben Farbe <strong>des</strong> oxidierten<br />
Riboflavinanteils <strong>des</strong> FAD als *Flavoproteine bezeichnet werden.<br />
Das Wasserstoffpaar kann an die Stickstoff-Atome N1 und N5 <strong>des</strong> Isoalloxazinringsystems reversibel<br />
angelagert werde.<br />
Im Gegensatz zu NAD und NADP sind FAD und FMN kovalent mit dem Enzymprotein (Apoenzym)<br />
verbunden (prostetische Gruppe).<br />
FMN (Flavinmononucleotid) = *Coenzym wasserstoffübertragender Flavoprotein-Enzyme, das wie<br />
Flavinadenindinucleotid Wasserstoff aufnehmen oder abgeben kann.<br />
FMN ist z.B. prosthetische Gruppe <strong>des</strong> Metalloproteinenzyms NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase der<br />
Atmungskette, welches Wasserstoff von NADH auf Ubichinon übertägt.<br />
Flavoproteine = Wasserstoffübertragende Enzyme (Flavin-Dehydrogenasen), die FMN oder FAD als<br />
prosthetische Gruppe enthalten, deren Isoalloxazinring als Zwischenträger eines Wasserstoffatompaares<br />
dient, das vom Substrat abgespalten wurde.<br />
Beispiele für Flavoproteine: Succinat-Dehydrogenase <strong>des</strong> Citratzyklus, Acetyl-CoA-Dehydrogenase der<br />
β-Oxidation von Fettsäuren (Fettsäurestoffwechsel), NADH-Ubichinon-Reduktase der Atmungskette.<br />
Dehydrogenasen:<br />
Enzyme, welche die reversible Übertragung von Wasserstoffpaaren zwischen Substraten und<br />
Intermediaten <strong>des</strong> <strong>Stoffwechsel</strong>s und Coenzymen katalysieren.<br />
Sie gehören <strong>zur</strong> Hauptklasse der Oxidoreduktasen, welche biologische Oxidations- und<br />
Reduktionsreaktionen beschleunigen.<br />
Die wichtigsten Coenzyme der Dehydrogenasen sind NAD, NADP und FAD.<br />
Coenzyme:<br />
Coenzyme sind nicht-eiweißhaltige, niedermolekulare Verbindungen, die an der Katalyse derjenigen<br />
Enzyme beteiligt sind, die nur als Holoenzym (Apoenzym + Coenzym) aktiv sind. Das Coenzym stellt<br />
in solchen Fällen das aktive Zentrum <strong>des</strong> Enzyms oder einen Teil <strong>des</strong>selben dar, ist also an der<br />
Enzymkatalyse direkt beteiligt.<br />
Die Bindung <strong>des</strong> Coenzyms an das Enzym kann mehr oder weniger fest sein; im Falle einer festen<br />
Bindung wird das Coenzym auch als prosthetische Gruppe <strong>des</strong> Enzyms bezeichnet. Coenzyme im<br />
eigentlichen Sinn nehmen an dem katalytischen Prozeß der chemischen Umwandlung <strong>des</strong> Substrates in<br />
ein Produkt teil, gehen aber wie Katalysatoren aus der Reaktion unverändert wieder hervor. Für die<br />
meisten Coenzyme trifft dies nicht zu, da sie im Verlauf der enzymatischen Reaktion verändert werden.<br />
Aus diesem Grund bezeichnet man neuerdings diese Coenzyme besser als Cofaktoren bzw. Cosubstrate<br />
enzymatischer Reaktionen.<br />
Die Bedeutung der Coenzyme für den Intermediärstoffwechsel liegt darin, dass sie an<br />
Gruppenübertragungsreaktionen in streng spezifischer Weise beteiligt sind.<br />
Coenzyme stehen in enger Verbindung zu Vitaminen, da viele Vitamine Bausteine von Coenzymen sind<br />
oder zu Coenzymen umgewandelt werden.<br />
Cofaktoren = niedermolekulare Bestandteile wie Metallionen (Mg 2+ , Zn 2+ , Ca 2+ , Cu 2+ , Fe 2+ u.a.), die für<br />
die Aktivität viele Enzyme notwendig sind.<br />
Acetyl-Coenzym A:<br />
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Wichtiges Zwischenprodukt im Zellstoffwechsel der Kohlenhydrate, Lipide und Aminosäuren.<br />
Chemisch handelt es sich um einen aus Acetat und CoenzymA gebildeten Thioester mit hohem<br />
Standard-Übertragungspotential für Acetylgruppen (-31,4 kJ/mol).<br />
Intermediärstoffwechsel:<br />
Innerhalb der Zelle ablaufende enzymkatalysierte Reaktionen, durch welche Kohlenhydrate, Fette,<br />
Eiweiße und Nucleinsäuren bzw. deren Bausteinmoleküle metabolisiert werden um:<br />
1. energiereiche Nucleosidphosphate, vor allem ATP, für energieverbrauchende Prozesse <strong>des</strong><br />
Körpers (Muskelkontraktion, Transportarbeit, Biosynthesen) zu gewinnen (kataboler<br />
<strong>Stoffwechsel</strong>);<br />
2. Bausteinmoleküle für die Biosynthese zelleigener Makromoleküle (Proteine, Nucleinsäuren,<br />
Lipidkomplexe) und Wirkstoffe (Hormone, Cytokine, Coenzyme, Transmitter) zu erhalten<br />
(anaboler <strong>Stoffwechsel</strong>).<br />
Früher verstand man unter dem Begriff Intermediärstoffwechsel (Zwischenstoffwechsel) die<br />
<strong>Stoffwechsel</strong>vorgänge, die zwischen der Aufnahme der Nahrung und der Ausscheidung von<br />
Endprodukten liegen. Heute versteht man darunter alle enzymatischen Vorgänge <strong>des</strong> katabolen und<br />
anabolen <strong>Stoffwechsel</strong>s innerhalb der Zelle.<br />
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