M. Kresken 1

Stoffwechsel

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Stoffwechselwege, Stoffwechselprozesse

• Metabolismus StoffwechselDie 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.

Energiekopplung – energetischer Zusammenhang zwischen anabolen und

katabolen Stoffwechselreaktionen

Stoffwechselwege

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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.

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.

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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

Zellatmung /Energiestoffwechsel

Zellatmung /Energie-

stoffwechsel

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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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• 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.

Glycolyse

Glycolyse

?

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• Pyruvat, das Endprodukt der Glycolyse wird oxidativ decarboxyliert (- CO2) und es entsteht Acetyl-CoA.

Oxidative Decarboxylierung

Kohlenhydratstoffwechsel

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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.

Citratzyklus

Citratzyklus

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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 ATP-

Synthese benutzt. • In dieser „biologischen Knallgasreaktion“ wird der

coenzymatisch gebundene Wasserstoff auf Sauerstoff übertragen.

• Formal handelt es sich um die stark exergone Knallgasreaktion H2 + O2 → H2O

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 GTP2 GDP

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.

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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 ATP-abhängigen Phosphorylierung durch eine Proteinkinase bzw. Dephosphorylierung durch eine Protein-Phosphatase.