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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.
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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:
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Die kinetische Stabilität (Inertheit,Trägheit) dieser Moleküle in Abwesenheitspezifischer Katalysatoren ist eineVoraussetzung für ihre biologischeFunktion, da sie Enzymen ermöglicht, denFluss von Gibbsenergie zu kontrollieren.
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2. Schlüsselreaktionen wiederholen sichim Stoffwechsel
Wiederkehrende Muster im Stoffwechsel:
50
Redoxreaktionen
aus Citratzyklus51
Ligationsreaktionen
Es werden Bindungen neu gebildet:
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Ähnliche Reaktionsfolgen inverschiedenen Stoffwechselwegen
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Regulation vonStoffwechselprozessen
Drei grundlegende Arten der Kontrolle:
• Kontrolle der Enzymmenge
Änderung der Transkriptionsrate
• Kontrolle der Enzymaktivität
Allosterische KontrolleRückkopplungshemmung
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Regulation vonStoffwechselprozessen
• Kontrolle der Verfügbarkeit vonSubstraten
Kontrolle des Substratflusses überGrenzen von Kompartimenten
Konkurrierende Reaktionen
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