Inhalt der Vorlesung file1. Hydrolyse der Nährstoffe in ihre Grundeinheiten Überführung in Acetyl-CoA-Einheiten Oxidation von Acetyl-CoA zu CO 2 Übertragung der Elektronen von

Stoffwechsel:

1. Grundprinzipien des Metabolismus

2. Enzyme & Cofaktoren

3. Glykolyse und Gärung

4. Citratzyklus – die zentrale Drehscheibe des Metabolismus

5. Atmungskette und ATP-Synthese

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im Stoffwechsel

7. Gluconeogenese und Cori-Zyklus

8. Biosynthese und Abbau von Glycogen

9. Fettsäuresynthese und β-Oxidation

10.Stoffwechsel von Cholesterin, Steroiden und Membranlipiden

11.Aminosäurestoffwechsel und Harnstoffzyklus

12.Stoffwechsel der Nukleotide

Inhalt der Vorlesung

1

Hydrolyse der Nährstoffe in ihre

Grundeinheiten

Überführung in Acetyl-CoA-Einheiten

Oxidation von Acetyl-CoA zu CO2

Übertragung der Elektronen von

reduzierten Elektronenüberträgern (aus

Stufe II u. III) auf O2 zur ATP-Gewinnung

(oxidative Phosphorylierung)

5. Atmungskette und ATP-SyntheseÜbersicht über den Katabolismus

2

3

Bei Eukaryoten befindet sich die Atmungskette in den Mitochondrien in der

inneren Mitochondrienmembran, bei Prokaryoten in der Zellmembran.

5. Atmungskette und ATP-SyntheseLokalisation

ca. 2000 / Zelle

‚Kraftwerke der Zelle‘:

Citrat-Zyklus

Fettsäure-Oxidation

Atmungskette

ATP-Synthese

Gluconeogenese

Porphyrin-Biosynthese

Keton-Körper-Synthese

Harnstoff-Zyklus

Steroid-Synthese

5. Atmungskette und ATP-SyntheseMitochondrien

4

Mitochondriale DNA (mt-DNA):

Ringförmig, codiert für 13 Proteine, tRNA, rRNA

Genetischer Code ist leicht verschieden!

Codon Mitochondrien univ. Code

UGA Trp STOP

AUA Met (=Start) Ile

AG(A, G) STOP Arg

5. Atmungskette und ATP-SyntheseMitochondrien

5

5. Atmungskette und ATP-SyntheseMitochondrien: Endosymbiontentheorie

6

DG°‘ = -nFDE0‘

Anzahl der übertragenen

Elektronen

Faraday-Konstante

(Proportionalitätskonst.)Änderung der

freien Standardenthalpie

Änderung des

Standardredoxpotentials

7

5. Atmungskette und ATP-SyntheseRedoxpotentiale

Die Potentialdifferenz zwischen NADH und O2 ist sehr groß!

Die treibende Kraft bei der oxidativen Phosphorylierung:

Elektronentransfer von NADH (und FADH2) auf O2.

1. Teilreaktion: 1/2 O2 + 2 H+ + 2e- H2O E0` = +0,82V

2. Teilreaktion: NAD+ + H+ + 2e- NADH E0` = -0,32V

1/2 O2 + NADH + H+ H2O + NAD+ ΔE0` = +1,14V

=> NADH ist ein guter e- Donor, O2 ein guter e- Akzeptor:

Die Reaktion ist begünstigt: 1,14 Volt entspricht -220kJ/mol.

5. Atmungskette und ATP-SyntheseRedoxpotentialdifferenz zwischen NADH und O2

8

Die spontane Reaktion von Sauerstoff und

NADH zu Wasser würde mit einem Mal

sehr viel Energie freisetzen, die nicht

effizient in biologischen Systemen

verwendet werden kann. Daher wird die

Redoxreaktion langsam und über diverse

Zwischenstufen durchgeführt, um die

Energie der Elektronenübertragung

effizient in die ATP-Synthese zu leiten.

Dies ist die Aufgabe der Atmungskette.

Der Elektronenfluss durch die Atmungs-

kette bewirkt einen Protonentransport

durch die innere Mitochondrien-Membran.

Der Protonengradient ist die treibende

Kraft der ATP-Synthese.

5. Atmungskette und ATP-SyntheseDie Atmungskette

9

5. Atmungskette und ATP-SyntheseSchrittweiser Elektronentransport in der Atmungskette

10

Intermembranraum

Matrix

Ubichinon und Cytochrom c als

mobile Elektronenüberträger

5. Atmungskette und ATP-SyntheseKomponenten der Elektronentransportkette

11

5. Atmungskette und ATP-SyntheseKomponenten der Elektronentransportkette

Komplex I

Komplex II

Komplex III

Komplex IV

12

FMN (Flavinadeninmononukleotid)

Isoalloxazinring

- strukturell dem FAD ähnlich

- Bestandteil von Flavoproteinen (Riboflavin = Vitamin B2)

5. Atmungskette und ATP-SyntheseDie prosthetischen Gruppen der Elektronenüberträger

13

Eisen-Schwefel (Fe-S)-Cluster

4-S-Koordination

durch Cystein

2Fe-2S-Typ

2 anorganische

Sulfidgruppen

4 Cys

4Fe-4S-Typ

4 anorganische

Sulfidgruppen

4 Cys

Das Eisen in diesen Clustern kann reversibel von Fe2+ zu Fe3+

oxidiert werden und dient daher als Elektronenüberträger.


14


Häm

Cytochrom c-Oxidase Hämoglobin,

Succinat-Dehydrogenase,

Cytochrom c-Reduktase

Cytochrom c

15

Komplex INADH : Ubichinon-Oxidoreduktase

oder

NADH-Dehydrogenase

reduziert mittels NADH

Ubichinon (Q) zum Ubichinol (QH2)

in Eukaryonten 42 Untereinheiten

9 Fe-S-Cluster, FMN

Inhibitoren:

Amytal (Barbiturat),

Rotenon

5. Atmungskette und ATP-SyntheseKomplex I

16

NADH + H+ NAD+

FMNFMNH2

FADH●

1-Elektronentransport zu Fe/S-

Cluster

5. Atmungskette und ATP-SyntheseKomplex I: Rolle von Flavin

17

2 e-

e- e-

E0‘ > +100 mV

Fe2+/3+

E0‘ = +200 bis -250 mV

[2Fe-2S] +/2+

E0‘ = +100 bis -600 mV

[4Fe-4S] +/2+

5. Atmungskette und ATP-SyntheseKomplex I: Rolle von Eisen/Schwefel-Cluster

18

5. Atmungskette und ATP-SyntheseElektronenübertragung ausgehend von NADH

19

5. Atmungskette und ATP-SyntheseMalat-Aspartat-Shuttle

20

So gelangt cytosolisch gebildetes NADH (z.B. aus Glykolyse) in das Mitochondrium:

GOT: Glutamat-Oxalacetat-Transaminase

MDH: Malat-Dehydrogenase

Der Startpfeil (eingekreiste Pfeilspitze,

unten links) markiert den Beginn der

Reaktionsfolge.

Komplex IISuccinat : Ubichinon-Oxidoreduktase

oder

Succinat-Dehydrogenase

Keine Protonenpumpe!

Einschleusen von FADH2

(Ubichinon -> Ubichnol)

Succinat-Dehydrogenase ist

Komponente von Komplex II:

5. Atmungskette und ATP-SyntheseKomplex II

21

5. Atmungskette und ATP-SyntheseKomplex II

22

lipophile

Isoprenoid-Kette

vollständig

oxidiert (Q)

vollständig

reduziert (QH2)

Ubichinon ist ein lipophiler Elektronencarrier.

Bei Ubichinon ist der Elektronentransfer mit Protonen-Bindung

bzw. Freisetzung gekoppelt!

5. Atmungskette und ATP-SyntheseUbichinon (Coenzym Q10)

23

5. Atmungskette und ATP-SyntheseUbichinon als zentraler Elektronencarrier

24


Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase

(α-Glycerophosphat-Dehydrogenase)

ÄMM = äußere Mitochondrienmembran

IMM = innere Mitochondrienmembran 25


Übertragung von

Elektronen aus der

Fettsäureoxidation

auf Ubichinon

26

5. Atmungskette und ATP-SyntheseKomplex III

Komplex IIIUbihydrochinon (Ubichinol) : Cytochrom c-Oxidoreduktase

oder

Cytochrom-c-Reduktase

überträgt die Elektronen vom

Ubichinol auf Cytochrom c

27

Komplex ist Protonenpumpe

Homodimer

Monomer hat 3 Häm-Gruppen und ein

ungewöhnliches Fe-S-Cluster (Rieske-

Zentrum) -> Koordination mit His erhöht

das Reduktionspotential

Komplex hat zwei Bindungsstellen

für Q (Qi und Qo)

Hemmstoff: Antimycin A

QH2 + 2 Cyt c(ox) + 2 H+Matrix → Q + 2 Cyt c(red) + 4 H+

Intermembranraum

5. Atmungskette und ATP-SyntheseKomplex III

28

Vorgang des Elektronentransfers vom QH2 auf Cytochrom C nennt man

Q-Zyklus.

1) Bindung von QH2 an Qo-Stelle

2) Erstes Elektron bindet an Rieske-Cluster und dann weiter zu c1 und schließlich

reduziert es ein Cyt c.

3) Zweites Elektron von QH2 fließt über bL und bH auf ein oxidiertes Q in der Qi-

Tasche.

4) Die H+-Ionen vom QH2 in der Qo-Stelle wandern in zum Intermembranraum!

5. Atmungskette und ATP-SyntheseDer Q-Zyklus (Teil 1)

29

5) Die Qo-Stelle hat nun oxidiertes Ubichinon (Q), die Qi-Stelle das

Semichinonradikalion (Q.-).

6) Cyt c(red) wird durch Cyt c(ox) und Q durch QH2 ersetzt.

7) Elektronenfluss vom neuen QH2 wie beim ersten Schritt.

8) Das Q in der Qi-Stelle nimmt 2 H+ auf und wird zum QH2.

Teilreaktionen:

2 QH2 2 Q

Q QH2

2 Cyt c(ox) 2 Cyt c(red)

4 Protonen von Matrix nach Intermembranraum, 2 Protonen von Matrix an Komplex III

5. Atmungskette und ATP-SyntheseDer Q-Zyklus (Teil 2)

30

5. Atmungskette und ATP-SyntheseKomplex IV

Komplex IVCytochrom c : O2-Oxidoreduktase

oder

Cytochrom-c-Oxidase

überträgt die Elektronen vom

Cytochrom c auf Sauerstoff

⇨ Sauerstoff wird zu Wasser reduziert:

O2 + 4 e- + 4 H+ 2 H2O

31

Hemmstoffe:

CN-, CO, S2-, N3-

13 Untereinheiten, 2 Häm Gruppen (Häm a)

2 Kupferzentren (A und B)

pumpt 4 Protonen in den

Intermembranraum

4 weiterere Protonen werden

für die Bildung von H2O

benötigt

5. Atmungskette und ATP-SyntheseKomplex IV

Inter-

membran-

raum

Matrix

32

Cu2+ Cu+

erstes e- zweites e-

Fe3+ Fe2+ O2-Bindung an das

Häm a3 (vgl. Hämoglobin)

5. Atmungskette und ATP-SyntheseDie Reduktion des O2 (Teil 1)

33

Reduktion des

O2 zu O22-

drittes e-

Spaltung der

O-O Bindung

Fe4+=O (Ferrylgr.)

CuB2+-OH

H+-Aufnahme

viertes e-

Reduktion

der Ferrylgr.

zu Fe3+-OH

H+-Aufnahme

H+-Aufnahme

und Abspaltung

von Wasser

5. Atmungskette und ATP-SyntheseDie Reduktion des O2 (Teil 2)

34

Diese Protonen werden der

Matrix bei der Wasserbildung

entzogen.

Diese Protonen werden aktiv

transportiert (Mechanismus

unbekannt).

Die Matrix verliert bei der Reduktion

von O2 8 Protonen.

5. Atmungskette und ATP-SyntheseCytochrom-c-Oxidase als Protonenpumpe

35

Bei der Reduktion von O2 zu Wasser können durch unvollständige

Reaktionen O2∙ - und O2

2- entstehen:

O2 O2∙ - O2

2-

Superoxid Peroxid

Obwohl die Cytochrom c-Oxidase sehr effizient und zuverlässig

arbeitet, ist nicht zu verhindern, dass geringe Mengen an Superoxid

und Peroxid gebildet werden.

Diese Verbindungen sind sehr toxisch.

5. Atmungskette und ATP-SyntheseProblem: Superoxide und Peroxide

36

O2∙ - + H+ O2 + H2O2

SOD

2 H2O2 O2 + H2OKatalase

Amyotrophe Lateralsklerose ALS: Eine neurodegenerative Krankheit

die Motoneuronen betrifft.

Mutationen im SOD-Gen rufen bei ca. 25% der Patienten die

Krankheit hervor.

5. Atmungskette und ATP-SyntheseLösung: Superoxiddismutase und Katalase

37

ATP-Synthase

(Komplex V)

Protonenpumpen:

NADH-Q-Oxidoreductase (Komplex I)

Q-Cytochrom c-Oxidoreductase (Komplex III)

Cytochrom c-Oxidase (Komplex IV)

- ATP wird durch den Aufbau eines Protonengradienten an der inneren

Mitochondrien-Membran hergestellt.

- Die protonenmotorische Kraft treibt eine ATP-generierende Maschine.

5. Atmungskette und ATP-SyntheseDie chemiosmotische Hypothese

1978 Nobelpreis

5. Atmungskette und ATP-SyntheseDie chemiosmotische Hypothese

39

5. Atmungskette und ATP-SyntheseDie Energie der protonenmotorischen Kraft

Intermembran-

raumMatrix

Konzentrations-Termelektrogener Term

(bei Transport von Ionen)

aktive Mitochondrien:

DG ~ +20 kJ mol-1

40

ADP + Pi ATP DG°‘ ~ 50 kJ mol-1

H+a H+

iDG°‘ ~ -20 kJ mol-1

≥ 3 H+ / ATP

5. Atmungskette und ATP-SyntheseDie Energie der protonenmotorischen Kraft

41

- der ATP-herstellende Enzymkomplex in

der Mitochondrien-Membran

- besteht aus einer protonenleitenden und

einer katalytischen Einheit

katalytische Einheit:

a3, ß3, γ, δ, ε

ß bindet ATP und ADP!!!

Inter-

membran-

raum

Protonenkanal:

10 c-Einheiten, 1 a-Einheit,

2 b-Einheiten (Verbindung)

Rotor: F0 und γε-Stiel

Stator: Rest des Komplexes

5. Atmungskette und ATP-SyntheseATP-Synthase (Komplex V oder F1FO-ATPase)

Matrix

42

ADP + HPO42- + H+ ATP4- + H2O

- ATP bildet sich an der F1-Einheit auch ohne Protonenfluss!!

- Das gebundene ATP verlässt aber nicht das katalytische Zentrum

ohne Protonenfluss!

- Die Funktion des Protonenflusses ist daher nicht die Bildung,

sondern die Freisetzung von ATP von der Synthase.

5. Atmungskette und ATP-SyntheseDie Reaktion der ATP-Synthase

43

Die γ-Einheit macht die drei ß-Einheiten nicht-

äquivalent: Sie kann die Bindung von ATP

modulieren. T (tight)-, L (loose)-, und O (open)-

Konformationen sind möglich.

5. Atmungskette und ATP-SyntheseMechanismus des Bindungswechsels an der β-Einheit der Synthase

44

Das Rotieren von γ ändert die katalytischen Eigenschaften

der ß-Untereinheiten von T (ATP-Synthese ist möglich) über

L (Intermediärzustand) und O (Bindung und Freisetzung von

ATP ist möglich).

5. Atmungskette und ATP-SyntheseMechanismus des Bindungswechsels an der β-Einheit der Synthase

45

5. Atmungskette und ATP-SyntheseWie treibt der Protonenfluss die Rotation der γ-Einheit an?

zur Matrix ausgerichtet

zum Intermembran-

raum ausgerichtet

46

Wenn die c-Einheit in der Membran

(hydrophob) ist, so muss dieser Rest

protoniert sein.

Bei Kontakt mit den Halbkanälen

der a-Einheit kann dieser Rest

reversibel Protonen abgeben.


47

Die c-Einheiten sind

mit der γ-Einheit ver-

bunden!


Intermembranraum

Matrix

c-Einheita-Einheit

48

Matrix

Deprotonierung wird

durch geringe H+-

Konzentration erleichtert

c-Einheita-Einheit


Intermembranraum

49


Intermembranraumhohe Protonenkonzentration

Matrixniedrige Protonenkonzentration 50

rotiert durch

Protonenfluss

keine Rotation von

a, α und ß durch

Verbindung über

b-Einheit

- Eine vollständige Drehung

generiert 3 ATP-Moleküle.

- bei 10 c-Einheiten: 3,3

Protonen müssen für die

Generierung von einem

Molekül ATP transportiert

werden.


51

Mensch: 40 kg ATP / Tag Neusynthese

Jedes ATP-Molekül wird 1000 / Tag aus ADP + Pi neu synthetisiert!

Substratkettenphosphorylierung

Ado-P-P + Pi Ado-P-P-P

Atmungskettenphosphorylierung

5. Atmungskette und ATP-SyntheseATP-Synthese im Menschen: einige Zahlen

52

α

1. Kryoelektronenmikroskopie

a-Untereinheit

g-UntereinheitGogol et al., 1990, PNAS, 87, 9585

2. Cross-linking

kein Effekt

drastisch verringerte ATP-Synthese

g,e,c rotieren zusammen

gec = Rotor

ab2d(ab)3 = Stator

e-Untereinheit

5. Atmungskette und ATP-SyntheseNachweis der Funktionsweise der F1F0-ATPase als molekularer Rotationsmotor

53

3. Video-Fluoreszenz-Mikroskopie:

ATPase-Aktivität

ATP-Hydrolyse:

Drehung in eine Richtung

ATP-Synthese:

Drehung in entgegengesetzte Richtung

nahezu 100% Wirkungsgrad

„A splendid molecular machine“

(P.D. Boyer)

Noji et al., 1997, Nature, 386, 299

3 x 120°-Schritte

5. Atmungskette und ATP-SyntheseNachweis der Funktionsweise der F1F0-ATPase als molekularer Rotationsmotor

54

5. Atmungskette und ATP-SyntheseWeitere Membrankomponenten zur ATP-Synthese

55

Wieviel ATP entsteht ausgehend vom NADH+H+?

Geht man vom NADH+H+ aus, werden in der Atmungskette insgesamt 10 Protonen

aus dem Matrixraum in den Intermembranraum transportiert. Je 4 über Komplex I und

III sowie 2 über Komplex IV.

Nun wird ein Proton dafür benötigt, um ein Phosphat aus dem Zytoplasma ins

Mitochondrium zu transportieren und drei Protonen für die Phosphorylierung von

einem ADP.

Die Bildung eines ATPs kostet also 4 Protonen!

Aus der Oxidation von einem NADH+H+ entsteht in der Atmungskette 2,5 ATP

(weil: 10:4= 2,5).

5. Atmungskette und ATP-SyntheseATP-Ausbeute

56

Wie viel ATP entsteht ausgehend von FADH2?

Ausgehend vom FADH2 werden nicht 10 sondern nur 6 Protonen aus der Matrix

gepumpt.

Warum nur 6?

Weil der Einstieg in die Atmungskette erst bei Komplex I erfolgt, der ja selbst nicht

in der Lage ist, Protonen aus der Matrix zu pumpen.

Da die Bildung von ATP jedoch auch hier 4 Protonen kostet, entstehen deshalb

ausgehend vom FADH2 nur 1,5 ATP (weil: 6:4= 1,5).


57

Der Phosphat/Sauerstoff-Quotient (P/O-Quotient)

Mit dem P/O-Quotient kann man ausdrücken, wieviel Sauerstoff für die Bildung

einer bestimmten Menge an ATP benötigt wird.

Wegen der unterschiedlichen Energie der Elektronen von NADH+H+ und FADH2

ergibt sich für die beiden Reduktionsäquivalente auch ein unterschiedlicher P/O-

Quotient.

Beim NADH werden für einen Sauerstoff 2,5 Phosphate in ADP eingebaut, der

P/O-Quotient beträgt somit 2,5. Beim FADH2 sind es entsprechend nur 1,5.


58

ATP-Synthese

Bakterien, Mitochondrien,

Thylakoide

Na+/K+-Pumpe (Tiergewebe)

H+-Pumpe (Magen)

Ca2+-Pumpe (z.B. Muskel)

Schwermetall-Pumpen (Bakt.)

Ansäuren der Vakuolen in Pfl.

Ansäuren Lysosomen (Tiere)

Homologien

5. Atmungskette und ATP-SyntheseTypen von ATP-Synthasen (ATPasen)

59

5. Atmungskette und ATP-SyntheseEntkoppler der Atmungskette

60

-Aronstab

-braunes Fettgewebe

5. Atmungskette und ATP-Synthese„Gewollte“ Entkopplung von Atmungskette und ATP-Synthese

61

5. Atmungskette und ATP-SyntheseZusammenfassung

62

In der ersten Phase der oxidativen Phosphorylierung werden die Elektronen der in den

katabolen Stoffwechselwegen gewonnenen Reduktionsäquivalente in der

Elektronentransportkette auf Sauerstoff übertragen.

Dies geschieht über mehrere große Membranproteinkomplexe, die Flavine, Eisen-Schwefel-

Zentren, Hämzentren und Kupferzentren als prosthetische Gruppen enthalten.

Beim Elektronenfluss wird in der ersten Phase ein Protonengradient über die innere

Mitochondrienmembran aufgebaut. In der zweiten Phase wird dieser Gradient von der ATP-

Synthase (Komplex V) zur ATP-Produktion genutzt.

Die Elektronen von NADH werden über die NADH-Dehydrogenase (Komplex I) in die

Atmungskette eingeschleust. Cytosolisch gebildetes NADH muss dazu indirekt über den Malat-

Aspartat-Shuttle in die mitochondriale Matrix eingeschleust werden.

Succinat-Dehydrogenase (Komplex II) des Citratzyklus und weitere FAD-abhängige

Dehydrogenasen wie α-Glycerophosphat-Dehydrogenase und ETF-Ubichinon-Oxidoreduktase

bilden ebenfalls Zuflüsse, indem Sie den mobilen Elektronenüberträger Ubichinon reduzieren.

Vom Ubichinon aus fließen die Elektronen über Cytochrom c-Reduktase (Komplex III),

Cytochrom c bzw. Cytochrom c-Oxidase (Komplex IV) zum Sauerstoff, der dabei zu Wasser

reduziert wird.

5. Atmungskette und ATP-SyntheseZusammenfassung

63

Die Elektronentranportkette pumpt zehn (ausgehend von Komplex I) bzw. sechs (ausgehend

von Komplex II) Protonen über die innere Mitochondrienmembran. Die dabei entstehende

protonenmotorische Kraft treibt die Rotation des membranständigen FO-Teils der ATP-

Synthase (Komplex V) an. Diese Drehbewegung wird auf den F1-Teil des Enzymkomplexes

übertragen und dort zur Synthese von ATP aus ADP und Pi genutzt.

Adeninnukleotid-Tranlokase und ein Phosphat-Carrier stellen unter Verbrauch von einem

gepumpten Proton sicher, dass ADP und Pi für die ATP-Synthese in die mitochondriale Matrix

hinein und neu synthetisiertes ATP aus den Mitochondrien hinaus transportiert werden.

Lipophile, schwache Säuren dienen als Entkoppler von Atmungskette und ATP-Synthese,

indem sie die innere mitochondriale Membran für Protonen durchlässig machen und so den

gebildeten H+-Gradienten gleich wieder zunichte machen. Dabei wird Energie in Form von

Wärme freigesetzt. Die „gewollte“ Entkopplung der Atmungskette von der ATP-Synthese wird

vom Aronstab und im brauen Fettgewebe zur Wärmeerzeugung genutzt.

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