Der Stoffwechsel: Konzepte und Grundmustern.ethz.ch/~nielssi/download/3....

Der Stoffwechsel: Konzepte undGrundmuster

1

Lebende Organismen

Was unterscheidet lebende Organismen von toter Materie?

• Lebende Organismen haben einen hohen Gehalt anchemischer Komplexität und Organisation

• Lebende Organismen entnehmen, transformieren undverbrauchen Energie aus ihrer Umwelt

• Lebende Organismen haben die Kapazität für genaueReplikation und molekulare Selbstorganisation

2

Stoffwechsel

3

Zwei wichtige Fragen der Biochemie

• Auf welche Weise gewinnen Zellen ausihrer Umgebung Energie undReduktionsäquivalente?

• Wie synthetisieren Zellen die Bausteineihrer Makromoleküle und dann dieMakromoleküle selbst?

4

Grundsätze

• Organismen verwandeln Rohmaterialien inlebende Materie mit Hilfe von Energie, die sieaus der Umwelt beziehen.

– Chemotrophe Organismen benötigen reduzierteBrennstoff-Moleküle, welche oxidiert werdenkönnen um chemisch brauchbare Energie zuproduzieren.

– Phototrophe Organismen verwandeln dieStrahlungsenergie des Sonnenlichts in einechemisch brauchbare Form.

5

Netzwerk von Reaktionen

Diese Prozesse werden durch ein ganzesNetzwerk voneinander abhängiger Reaktionenausgeführt, das man allgemein als Stoffwechseloder Metabolismus bezeichnet.

6

Der Metabolismusbesteht aus vielengekoppeltenReaktionen:Stoffwechselwege

7

Gemeinsame Prinzipien desStoffwechsels

Selbst in einem einfachen Organismus wie E. coli laufen mehrals 1000 chemische Reaktionen ab. Diese Komplexität desStoffwechsels erscheint überwältigend!

Der Stoffwechsel besitzt jedoch ein zusammenhängendesMuster mit vielen gemeinsamen Prinzipien, wie eine„Energiewährung“ und das immer wiederkehrende Auftreteneiner begrenzten Anzahl von aktiven Zwischenprodukten.

In allen Lebensformen spielen ca. 100 Moleküle eine zentraleRolle. Die Anzahl der Reaktionen ist zwar gross, aber es gibtnur wenige Typen von Reaktionen und die Mechanismensind oft einfach. 8

Katabolismus vs. Anabolismus

Katabolismus:

Anabolismus:

Brennstoffe (Kohlenhydrate, Fette) CO2 + H2O + nutzbare Energie

nutzbare Energie + einfache Vorstufen komplexe Moleküle

9

Metabolismus einer Zelle

Organische Abfallprodukte

Anabolismus

Katabolismus

Nährstoffe

Energiefür das Wachstum Energie

für Bewegung

Nährstoffe als Energiequelle

Zellbestandteile

10

Thermodynamische Grundlagen

r r

lnG G RT Q

aA bB cC nN oO pP

n o p

N O P

a b c

A B C

a a aQ

a a a

' 'r r

lnG G RT Q

7

H10 Mc

REP

11

' 'r r

lnG G RT Q

7

H10 Mc

d.h.:H7H 10 M

cc

aA bB cC hH nN oO pP

n o p

N O P

ha b c

HA B C 710 M

c c cQ

cc c c

NN :

cc

c

REP

12

'r ln ' 2.303 log ' G RT K RT K

rr ''

2.303' 10GG

RTRTK e

Bei Raumtemperatur (298.15 K) gilt:

' 1r

1

kJmol

5.71 kJmol' 10

G

K

R = 8.314 10-3 kJ K-1 mol-1

pH = 7.0

REP

13

Grundsätze des Stoffwechsels.......

• Eine thermodynamisch ungünstige Reaktionkann durch eine günstige Reaktion angetriebenwerden

14

Grundsätze ......

• ATP ist die universelle Energiewährung inbiologischen Systemen

15

ATP – ADP – AMP

16

Grundsätze ......

• Die ATP-Hydrolyse treibt den Metabolismus,indem sie das Gleichgewicht gekoppelterReaktionen verschiebt.

5.71 3[C]

10 1.19 10[A] B

GK

' 1r 16.7 kJ molG

A +B C

17

iA +B+ ATP C+ADP +P ' 1r 13.8 kJ molG

iATP ADP +P ' 1r 30.5 kJ molG

' 1r 16.7 kJ molG

A +B C

'' i 5.71 13.8 5.71 2

tot

ADP P[C]10 10 2.61 10

[A] B ATP

GK

'5tot

'2.19 10

K

K

18

Das Gleichgewicht ist um den Faktor 108 verschoben.

' '

tot

i

ATP[C]

[A] B ADP PK K

Das ATP-erzeugende System der Zelle hält den Quotienten

i

ATP

ADP P

hoch, im Allgemeinen in der Grössenordnung von 500.Dann ergibt sich:

' ' 5

tot

[C]500 1.31 10

[A] BK K

19

Selbstverständlich müssen die beiden Reaktio-nen chemisch miteinander gekoppelt sein

A +ATP X + ADP

iX +B C + P

iA +B ATP C + ADP +P

A +B C

iATP ADP +P

iA +B ATP C + ADP +P

20

Beispiel einer chemischen Kopplung

' 1

r14.0kJmolG

21

2 iATP + H O = ADP + P

Glu + NH4+ + ATP = Gln + ADP + Pi

114.0kJmol

'

rG

130.5kJmol

116.5kJmol

22

O

OH OH

NO

N

N

N

NH2

PO

O

O

P

O

O

O

PO

O

O

O

O

H3N H

O

O

ATP

A

X

+ ADP

A +ATP = X + ADP

23

O

O

H3N H

O

OP

O

OO

NH3

-H+

iX +B = C + P

X

B

C Pi24

Übung 1

Verschieden Zelltypen des Menschen enthalten unterschiedlicheKonzentrationen von ATP, ADP, und Pi. Daher ist die Gibbsenergie (G‘) derATP-Hydrolyse unterschiedlich gross in diesen Zellen. Berechnen Sie dieWerte für G‘ der ATP-Hydrolyse in Leber- Muskel- und Gehirnzellen mithilfeder vorgegebenen Angaben in der folgenden Tabelle und ergänzen Sie dieTabelle. In welchem Zelltyp ist die freie Enthalpie der Hydrolyse von ATP amGrössten?

ATP (mM) ADP (mM) Pi (mM) G’ (kJ mol-1)

Leberzellen 3.5 1.8 5.0

Muskelzellen 8.0 0.9 8.0

Hirnzellen 2.6 0.7 2.7

Hilfsgrössen:

ATP + H2O ADP + Pi Gº’ = –30.5 kJ mol-1

R = 8.314 10-3 kJ K-1 mol-1

25

Grundsätze ......

• Das Phosphorylgruppenübertragungspotenzialist eine wichtige Form der Energieumwandlungin der Zelle

26

Verbindungen mit höheremPhosphorylgruppen-übertragungs-potenzialals ATP

Guanidinium-Gruppe

'HydrolyseG

61.9

1(kJ mol )

43.1

49.4

27

Gibbs-Energien der Hydrolyse

28

ATP aus Kreatinphosphat

Im ruhenden Muskel:[ATP] = 4 mM reicht für 1 sec Bewegung[ADP] = 0.013 mM[Kreatinphosphat] = 25 mM reicht für 4 sec Bewegung[Kreatin] = 13 mM

29

ATP-Quellen während körperlicher Anstrengung

30

Wichtigkeit von ATP

• ATP dient als wichtigster unmittelbarerDonor von Gibbsenergie, nicht alsSpeicherform.

• Gesamtmenge ATP im menschlichenKörper ca. 100 g.

• Durchsatz: ruhender Mensch ca. 40 kg in24h; ca. 60 kg in einem 2-Stunden-Lauf.

31

Ein Kolibri kann genügend Brennstoffe speichern, um eineStrecke von ca. 800 km (Golf von Mexiko) ohne zu rastenzurückzulegen. Dies ist möglich, da der Körper ATP laufendaus Brennstoffen regenerieren kann. 32

Wichtigkeit von ATP

Mechanismen zurRegenerierung von ATP sindlebenswichtig

Oxidation von Kohlenstoff-verbindungen,Photosynthese

33

ATP – ADP – Zyklus

34

z.B Oxidation vonEinkohlenstoffverbindungen

- 4 - 2 - 0 +2 +4Ox Zahl

35

Wichtige Brennstoffe

36

Direkte Kopplung von Oxidation mitATP-Synthese

Die Oxidationsenergie wirdanfänglich in einer energiereichenPhosphatverbindung eingefangenund dann zur Bildung von ATPgenutzt.

Substratkettenphosphorylierung37

Indirekte Kopplung von Oxidation mitATP-Synthese über Ionengradienten

Ionengradientenüber eine Membransind eine wichtigeForm zellulärerEnergie, die an dieATP-Synthesegekoppelt werdenkönnen.

oxidative Phosphorylierung38

Stufen des Katabolismus

In der ersten Stufe werden diegrossen Moleküle zu kleinenabgebaut

In der zweiten Stufe werden diesezahlreichen kleinen Moleküle zueinigen einfachen Einheiten abge-baut, die eine zentrale Rolle imStoffwechsel spielen.

In der dritten Stufe entsteht ATPaus der vollständigen Oxidation derAcetylgruppe des Acetyl-CoA. DiesePhase besteht aus dem Citratzyklusund der oxidativen Phosphorylie-rung, den abschliessenden allge-meinen Stoffwechselwege bei derOxidation von Brennstoffmolekülen.

39

1. Aktivierte Carrier im Metabolismus

Wiederkehrende Muster im Stoffwechsel:

40

Elektronen-Carrier: NAD+

Nicotinamidadenindinucleotid: NAD+ 41

Elektronen-Carrier: NAD+

für Brennstoffoxidation

42

Elektronen-Carrier: FAD

Flavinadenindinucleotid: FADblau: Flavinmononucleotidschwarz: AMP-Einheit 43

Elektronen-Carrier: FAD

für Brennstoffoxidation

44

Elektronen-Carrier: FAD

Der reaktive Teil des FAD ist sein Isoalloxazinring, ein Derivat des VitaminsRiboflavin.

45

Carrier von C2-Fragmenten: Coenzym A

46

Carrier von C2-Fragmenten: Coenzym A

vitamine B5

47

NADH, NADPH, FADH2 werden inAbwesenheit von Katalysatoren nur langsamoxidiert (z.B. durch Luftsauerstoff).

ATP und Acetyl-CoA werden in Abwesenheitvon Katalysatoren nur langsam hydrolysiert.

Verwendung von aktivierten Carriern:

48

Die kinetische Stabilität (Inertheit,Trägheit) dieser Moleküle in Abwesenheitspezifischer Katalysatoren ist eineVoraussetzung für ihre biologischeFunktion, da sie Enzymen ermöglicht, denFluss von Gibbsenergie zu kontrollieren.

49

2. Schlüsselreaktionen wiederholen sichim Stoffwechsel

Wiederkehrende Muster im Stoffwechsel:

50

Redoxreaktionen

aus Citratzyklus51

Ligationsreaktionen

Es werden Bindungen neu gebildet:

52

Ähnliche Reaktionsfolgen inverschiedenen Stoffwechselwegen

53

Regulation vonStoffwechselprozessen

Drei grundlegende Arten der Kontrolle:

• Kontrolle der Enzymmenge

Änderung der Transkriptionsrate

• Kontrolle der Enzymaktivität

Allosterische KontrolleRückkopplungshemmung

54

Regulation vonStoffwechselprozessen

• Kontrolle der Verfügbarkeit vonSubstraten

Kontrolle des Substratflusses überGrenzen von Kompartimenten

Konkurrierende Reaktionen

55