Stoffwechsel
M. Kresken
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Stoffwechselwege, Stoffwechselprozesse
• Metabolismus  Stoffwechsel
Die Gesamtheit der chemischen Umwandlungen, die in einer
lebenden Zelle oder einem Organismus ablaufen.
• Die daran beteiligten chemischen Verbindungen heißen
Metabolite.
• Der geordnete Ablauf chemischer Reaktionen erfolgt über eine
Reihe von enzymkatalysierten Reaktionen, den
Stoffwechselwegen.
• Eine Reihe zentraler Stoffwechselwege ist den meisten Zellen
und Organismen gemeinsam.
• Diese Wege, die dem Auf-, Ab- und Umbau wichtiger Metabolite
sowie der Energiekonservierung dienen, bezeichnet man als
Intermediärstoffwechsel.
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Stoffwechselwege, Stoffwechselprozesse
• Katabolismus  Abbaureaktion
- Abbau energiereicher hochmolekularer
Verbindungen
- Reaktion läuft exergonisch ab, d.h. Energie wird
gewonnen.
- z.B. bei der Zellatmung
Stärke / Glycogen + O2 ↔ CO2 + H2O + Energie ↑
- Die freiwerdende Energie wird in einem
energiereichen Molekül, meist dem
Adenosintriphosphat (ATP), festgelegt.
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Stoffwechselwege, Stoffwechselprozesse
• Anabolismus  Aufbaureaktion, Biosynthese
- Synthese hochmolekularer Verbindungen aus
einfach gebauten Molekülen
- Reaktion läuft endergonisch ab, d.h. Energie wird
verbraucht.
- z.B. Synthese von Proteinen aus Aminosäuren,
Stärke aus Glucose,…
- Bei diesen Reaktionen wird das energiereiche ATP
abgebaut.
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Energiekopplung – energetischer
Zusammenhang zwischen anabolen und
katabolen Stoffwechselreaktionen
Stoffwechselwege
Acetyl-CoA
• Die erste große Etappe des Abbaus von Fetten, Kohlenhydraten und
Proteinen führt zur aktivierten Essigsäure(Acetyl-CoA , CH3-CO-S-CoA).
• Die Thioesterbindung R ~ S-CoA ist sehr energiereich, deshalb kann
Acetyl-CoA den Acetylrest leicht auf andere Moleküle übertragen.
• Beispiel: Fettsäuresynthese aus C2-Einheiten; die Zahl der C-Atome der
längeren, natürlichen Fettsäuren ist stets gerade: Palmitinsäure C16,
Linolsäure C18, Arachidonsäure C20,…
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ATP
• Organismen brauchen fortwährend Energie für die Muskelarbeit,
für die Aufrechterhaltung von Ionengradienten, für die Synthese
von Proteinen / Nucleinsäuren und um energetisch ungünstige
Reaktionen durchzuführen.
• ATP ist die generelle Energieeinheit des Stoffwechsels. Es ist
das Nucleotid Adenosintriphosphat.
• Die Energie kann durch Hydrolyse (Spaltung unter
Wasseraufnahme) des ATP in ADP und Phosphat freigesetzt
werden.
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Energiegewinnung durch ATP
Ein Phosphatrest des ATP kann auch leicht auf andere Moleküle
übertragen werden, z.B. auf Glucose; das Enzym heißt Hexokinase.
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NAD+
NAD+ (Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid) kann Wasserstoff locker binden und bei
Bedarf wieder abgeben. NAD+ ist die oxidierte Form und nimmt zwei Elektronen
und ein Proton auf. Die dabei entstehende reduzierte Form des Coenzyms
heißt NADH.
Die dargestellte Reaktion wird von dem Enzym Lactatdehydrogenase vermittelt.
Zellatmung / Energiestoffwechsel
• Die Zellatmung, biologische Oxidation oder „innere Atmung“
dient der Versorgung des Organismus mit energiereichen
Verbindungen (besonders ATP).
• Der Abbau von Glucose zu Wasser und CO2 ist eine der
wichtigsten Möglichkeiten des Körpers, um ATP zu gewinnen.
• Sie gliedert sich in:
1. Glycolyse, oxidative Decarboxylierung
2. Citratzyklus
3. Atmungskette / Endoxidation
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Zellatmung /
Energiestoffwechsel
Zellatmung /
Energiestoffwechsel
Glycolyse
• Die Glycolyse ist ein kataboler Stoffwechselweg im Cytoplasma,
der in fast allen Organismen und Zellen vorkommt – unabhängig
davon, ob sie aerob oder anaerob leben.
• Die Glycolyse ist ein anaerober Prozess, d.h. sie also ohne
Sauerstoff ab.
• Für einige Zellen ist die Glycolyse die einzige ATP-Quelle, z.B.
für Erythrocyten (besitzen keine Mitochondrien), Retina und
Knorpel (schlechte O2-Versorgung).
• Die Glycolyse umfasst 10 Einzelschritte.
• Glucose wird in 2 Moleküle Pyruvat zerlegt , d.h. die C6-Einheit
wird zu zwei C3-Einheiten (Pyruvat) abgebaut.
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Glycolyse
• Es entstehen außerdem je 2 Moleküle ATP und NADH.
• In den Mitochondrien werden Pyruvat und NADH weiter
umgesetzt.
• Unter anaeroben Bedingungen entstehen aus Pyruvat und
NADH Gärungsprodukte wie Lactat oder Ethanol.
• Im anaeroben Zustand ist die Glycolyse die einzige Möglichkeit,
ATP zu gewinnen.
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Glycolyse
?
Oxidative Decarboxylierung
• Pyruvat, das Endprodukt der Glycolyse wird oxidativ
decarboxyliert (- CO2) und es entsteht Acetyl-CoA.
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Kohlenhydratstoffwechsel
Citratzyklus
• Der Citratzyklus (Citronensäurezyklus, Krebszyklus) ist ein
zyklischer Stoffwechselweg („Drehscheibe des Stoffwechsels“),
der in den Mitochondrien stattfindet.
• In acht schritten oxidiert er Acetyl-Reste (CH3-CO-) zu CO2.
• Viele Metabolite aus dem Fettsäure- und Aminosäureabbau
werden hier eingeschleust.
• Umgekehrt liefert der Citratzyklus die Bausteine für
Pyrimidinbasen, viele Aminosäuren und Häm (Hämoglobin).
• Hauptaufgabe des Citratzyklus ist die Produktion von NADH für
die Atmungskette.
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Citratzyklus
Citratzyklus
Atmungskette, Endoxidation
• Die Atmungskette ist ein Teil der oxidativen Phosphorylierung
und findet in der inneren Mitochondrienmembran statt.
• Sie katalysiert den stufenweisen Transport von Elektronen von
NADH oder reduziertem Ubichinon (Coenzym Q, QH2) auf
molekularen Sauerstoff.
• Bei der 2-Elektronen-Reduktion von ½ O2-Anion entsteht –
zumindest formal – das O2--Anion, das durch Bindung von 2 H+Ionen in Wasser übergeht
• Die bei er H2O-Bildung frei werdende Energie wird zur ATPSynthese benutzt.
• In dieser „biologischen Knallgasreaktion“ wird der
coenzymatisch gebundene Wasserstoff auf Sauerstoff
übertragen.
• Formal handelt es sich um die stark exergone Knallgasreaktion
H 2 + O2 → H 2O
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Atmungskette
NADH + H+ + ½ O2 + 10 H+ innen  NAD+ H2O + 10 H+ außen + 220 kj • mol-1
ATP-Gewinnung,
Energiebilanz
Bei der vollständigen Oxidation von einem
Molekül Glucose entstehen 36 Moleküle ATP
und 2 Moleküle GTP.
2 GDP
2 GTP
Stoffwechsel-Regulation
• Es ist Prinzip, dass auf- und abbauende Stoffwechselwege getrennt
verlaufen und reguliert werden.
• In den meisten Stoffwechselwegen gibt es Schlüsselenzyme, an denen
die Steuerungsmechanismen ansetzen.
• Viele Metabolite sind Ausgangspunkte eines katabolen Wegs und
gleichzeitig Endprodukt einer anabolen Reaktionskette.
Stoffwechsel-Regulation
• Die Kontrolle des Intermediärstoffwechsels findet auf mehreren
Ebenen statt.
• Alle beteiligten Regulationsmechanismen wirken auf Prozesse,
welche die Synthese und/oder die Aktivität von
Schlüsselenzymen beeinflussen.
• Auf der genetischen Ebene wird im Allgemeinen die
Transkription von Genen reguliert, die für Schlüsselenzyme
codieren.
• Vermittelt wird die durch Regulatorproteine
(Transkriptionsfaktoren), die meist im Promotorbereich der Gene
an die DNA binden.
• Die Wirksamkeit von Transkriptionsfaktoren wird wiederum
durch Metabolite und/oder Hormone gesteuert.
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Stoffwechsel-Regulation
• Erheblich schneller als die Transkriptionskontrolle wirkt die
Interkonversion von Enzymen.
• In diesem Fall liegt das Enzym an seinem Wirkort vor, ist aber
zunächst inaktiv.
• Erst auf ein Hormonsignal hin wird es und unter Vermittlung von
Second-Messengern durch ein aktivierendes Enzym in die
katalytische wirksame Form überführt.
• Wird der Stoffwechselweg nicht mehr benötigt, versetzt ein
inaktivierendes Enzym das Schlüsselenzym wieder in seine
aktive Ruheform.
• Die Interkonversion besteht in den meisten Fällen in einer ATPabhängigen Phosphorylierung durch eine Proteinkinase bzw.
Dephosphorylierung durch eine Protein-Phosphatase.
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Biochemie_Teil_10 - Antiinfectives Intelligence