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M. Kresken 1 Stoffwechsel

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  • 1M. Kresken Stoffwechsel
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  • 2M. Kresken Stoffwechselwege, Stoffwechselprozesse Metabolismus Stoffwechsel Die Gesamtheit der chemischen Umwandlungen, die in einer lebenden Zelle oder einem Organismus ablaufen. Die daran beteiligten chemischen Verbindungen heien Metabolite. Der geordnete Ablauf chemischer Reaktionen erfolgt ber 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 Intermedirstoffwechsel.
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  • 3M. Kresken Stoffwechselwege, Stoffwechselprozesse Katabolismus Abbaureaktion -Abbau energiereicher hochmolekularer Verbindungen -Reaktion luft exergonisch ab, d.h. Energie wird gewonnen. -z.B. bei der Zellatmung Strke / Glycogen + O 2 CO 2 + H 2 O + Energie -Die freiwerdende Energie wird in einem energiereichen Molekl, meist dem Adenosintriphosphat (ATP), festgelegt.
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  • 4M. Kresken Stoffwechselwege, Stoffwechselprozesse Anabolismus Aufbaureaktion, Biosynthese -Synthese hochmolekularer Verbindungen aus einfach gebauten Moleklen -Reaktion luft endergonisch ab, d.h. Energie wird verbraucht. -z.B. Synthese von Proteinen aus Aminosuren, Strke aus Glucose, -Bei diesen Reaktionen wird das energiereiche ATP abgebaut.
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  • Energiekopplung energetischer Zusammenhang zwischen anabolen und katabolen Stoffwechselreaktionen
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  • Stoffwechselwege
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  • 7M. Kresken Acetyl-CoA Die erste groe Etappe des Abbaus von Fetten, Kohlenhydraten und Proteinen fhrt zur aktivierten Essigsure(Acetyl-CoA, CH 3 -CO-S-CoA). Die Thioesterbindung R ~ S-CoA ist sehr energiereich, deshalb kann Acetyl-CoA den Acetylrest leicht auf andere Molekle bertragen. Beispiel: Fettsuresynthese aus C 2 -Einheiten; die Zahl der C-Atome der lngeren, natrlichen Fettsuren ist stets gerade: Palmitinsure C 16, Linolsure C 18, Arachidonsure C 20,
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  • 8M. Kresken ATP Organismen brauchen fortwhrend Energie fr die Muskelarbeit, fr die Aufrechterhaltung von Ionengradienten, fr die Synthese von Proteinen / Nucleinsuren und um energetisch ungnstige Reaktionen durchzufhren. 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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  • 9M. Kresken Energiegewinnung durch ATP Ein Phosphatrest des ATP kann auch leicht auf andere Molekle bertragen werden, z.B. auf Glucose; das Enzym heit 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 heit NADH. Die dargestellte Reaktion wird von dem Enzym Lactatdehydrogenase vermittelt.
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  • 11M. Kresken 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 CO 2 ist eine der wichtigsten Mglichkeiten des Krpers, um ATP zu gewinnen. Sie gliedert sich in: 1. Glycolyse, oxidative Decarboxylierung 2. Citratzyklus 3. Atmungskette / Endoxidation
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  • Zellatmung / Energiestoffwechsel
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  • Zellatmung / Energie- stoffwechsel
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  • 14M. Kresken Glycolyse Die Glycolyse ist ein kataboler Stoffwechselweg im Cytoplasma, der in fast allen Organismen und Zellen vorkommt unabhngig davon, ob sie aerob oder anaerob leben. Die Glycolyse ist ein anaerober Prozess, d.h. sie also ohne Sauerstoff ab. Fr einige Zellen ist die Glycolyse die einzige ATP-Quelle, z.B. fr Erythrocyten (besitzen keine Mitochondrien), Retina und Knorpel (schlechte O 2 -Versorgung). Die Glycolyse umfasst 10 Einzelschritte. Glucose wird in 2 Molekle Pyruvat zerlegt, d.h. die C 6 -Einheit wird zu zwei C 3 -Einheiten (Pyruvat) abgebaut.
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  • 15M. Kresken Es entstehen auerdem je 2 Molekle ATP und NADH. In den Mitochondrien werden Pyruvat und NADH weiter umgesetzt. Unter anaeroben Bedingungen entstehen aus Pyruvat und NADH Grungsprodukte wie Lactat oder Ethanol. Im anaeroben Zustand ist die Glycolyse die einzige Mglichkeit, ATP zu gewinnen. Glycolyse
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  • 17M. Kresken Pyruvat, das Endprodukt der Glycolyse wird oxidativ decarboxyliert (- CO 2 ) und es entsteht Acetyl-CoA. Oxidative Decarboxylierung
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  • Kohlenhydratstoffwechsel
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  • 19M. Kresken Citratzyklus Der Citratzyklus (Citronensurezyklus, Krebszyklus) ist ein zyklischer Stoffwechselweg (Drehscheibe des Stoffwechsels), der in den Mitochondrien stattfindet. In acht schritten oxidiert er Acetyl-Reste (CH 3 -CO-) zu CO 2. Viele Metabolite aus dem Fettsure- und Aminosureabbau werden hier eingeschleust. Umgekehrt liefert der Citratzyklus die Bausteine fr Pyrimidinbasen, viele Aminosuren und Hm (Hmoglobin). Hauptaufgabe des Citratzyklus ist die Produktion von NADH fr die Atmungskette.
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  • Citratzyklus
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  • 21M. Kresken 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, QH 2 ) auf molekularen Sauerstoff. Bei der 2-Elektronen-Reduktion von O 2 -Anion entsteht zumindest formal das O 2- -Anion, das durch Bindung von 2 H + - Ionen in Wasser bergeht Die bei er H 2 O-Bildung frei werdende Energie wird zur ATP- Synthese benutzt. In dieser biologischen Knallgasreaktion wird der coenzymatisch gebundene Wasserstoff auf Sauerstoff bertragen. Formal handelt es sich um die stark exergone Knallgasreaktion H 2 + O 2 H 2 O
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  • Atmungskette NADH + H + + O 2 + 10 H + innen NAD+ H 2 O + 10 H + auen + 220 kj mol-1
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  • ATP-Gewinnung, Energiebilanz Bei der vollstndigen Oxidation von einem Molekl Glucose entstehen 36 Molekle ATP und 2 Molekle GTP. 2 GTP2 GDP
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  • Stoffwechsel-Regulation Es ist Prinzip, dass auf- und abbauende Stoffwechselwege getrennt verlaufen und reguliert werden. In den meisten Stoffwechselwegen gibt es Schlsselenzyme, an denen die Steuerungsmechanismen ansetzen. Viele Metabolite sind Ausgangspunkte eines katabolen Wegs und gleichzeitig Endprodukt einer anabolen Reaktionskette.
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  • 25M. Kresken Stoffwechsel-Regulation Die Kontrolle des Intermedirstoffwechsels findet auf mehreren Ebenen statt. Alle beteiligten Regulationsmechanismen wirken auf Prozesse, welche die Synthese und/oder die Aktivitt von Schlsselenzymen beeinflussen. Auf der genetischen Ebene wird im Allgemeinen die Transkription von Genen reguliert, die fr Schlsselenzyme 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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  • 26M. Kresken Stoffwechsel-Regulation Erheblich schneller als die Transkriptionskontrolle wirkt die Interkonversion von Enzymen. In diesem Fall liegt das Enzym an seinem Wirkort vor, ist aber zunchst inaktiv. Erst auf ein Hormonsignal hin wird es und unter Vermittlung von Second-Messengern durch ein aktivierendes Enzym in die katalytische wirksame Form berfhrt. Wird der Stoffwechselweg nicht mehr bentigt, versetzt ein inaktivierendes Enzym das Schlsselenzym wieder in seine aktive Ruheform. Die Interkonversion besteht in den meisten Fllen in einer ATP- abhngigen Phosphorylierung durch eine Proteinkinase bzw. Dephosphorylierung durch eine Protein-Phosphatase.