Stoffwechsel. Metabolismus (2)

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1 Vorlesung Zell- und Molekularbiologie Stoffwechsel Metabolismus (2) Coenzyme und prosthetische Gruppen 1

2 Coenzyme Apoenzym + Coenzym fi funktionsfähiges Holoenzym Das Coenzym kann nach der Reaktion verändert sein, das Enzym verlassen und mit einem anderen Enzym reagieren. NAD und FAD NAD FAD sind die wichtigsten Elektronenüberträger. NADP meist bei anabolischen, NAD in katabolischen Reaktionen FMN ist oft fest gebundene prosthetische Gruppe von Redox- Enzymen. Redoxpotential von NAD/NADH 2 : -320 mv Redoxpotential von FAD/FADH 2 : -200 mv 2

3 Prosthetische Gruppen Prostethische Gruppen Eisen-Schwefel- Zentren und Porphyrine sind wichtige prosthetische Gruppen (fest gebundene Coenzyme). Porphyrine treten auch als Bestandteile von Coenzymen auf. Was sind Reduktionsequivalente? Elektronen e -? Keine freien Elektronen (Elektronenstrahl) in der Zelle! H? Wasserstoffatome?? H +? Protonen ganz ohne Elektronen?? H 2? Molekularer gasförmiger Wasserstoff?? H + + e -? Das ist gemeint, manchmal zu verwenden, siehe aber erste Zeile! [H]? Das ist es! [H] beschreibt Reduktionsequivalente ohne Rücksicht auf die beteiligten Überträger. Energetische Berechnungen sind damit nicht möglich. 3

4 ATP ATP Anhydrid Ester Adenin N-glykosidische Bindung Adenosin Adenosinmonophosphat Adenosindiphosphat Adenosintriphosphat AMP ADP ATP Nukleosid Nukleotide Weshalb steckt in ATP Energie? ATP ~ ~ Zahlreiche O-Atome und negative Ladungen stoßen sich ab Oft Mg 2+ zur Kompensation benötigt Wieviel Energie steckt in ATP? ATP + H 2 O fi ADP + P i DG ' = kj/mol (-7.6 kcal/mol) Hydrolyse, Wasser oft nicht aufgeschrieben bezeichnet Standard-Bedingungen (manchmal auch ): - alle Konzentrationen 1 mol/l, Wasser 1, Gase 1 atm - Temperatur 25 C = 298 K ' bedeutet [H + ] = 10-7 mol/l, d.h. ph = 7 wg. Milieu biologischer Systeme Phosphatgrupppen meist nicht abgespalten sondern übertragen 4

5 Wieviel Energie steckt im ATP? ~ ~ Freie Energie DG 0 einiger Reaktionen von ATP kj/mol ATP + H 2 O fi ADP + P i ATP + H 2 O fi AMP + PP i *) ATP + AMP fi 2 ADP 0 PP i + H 2 O fi 2 P i Die Adenylatkinase ist eines der aktivsten Enzyme: ATP + AMP «2 ADP A-R-P-P-P + P-R-A «A-R-P-P + P-P-R-A *) PP i = Pyrophosphat, Abspaltung bei besonders wichtigen Reaktionen, z.b. Protein- oder DNA- Synthese Achtung: Werte gelten nur unter Standardbedingungen bei ph = 7 ATP Wieviel ATP ist in der Zelle? ATP Energieladungszustand (energy charge, EC) der Zelle EC = [ATP] [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP] > 0.8 z.b. [ATP] 10 mm, ADP 1 mm, AMP 1 mm EC = 10.5/12 = D.h. die Zelle ist normalerweise immer energetisch aufgeladen. 5

6 Wieviel ist ATP in der Zelle wert? Berücksichtigung von Konzentrationen für energetische Berechnungen: G = G + RT ln(c Produkt /c Edukt ) Chemiebuch (Standardbedingungen) ATP + H 2 O ADP + P i DG ' = -32 kj/mol In der Zelle: [ATP] 0.01 M, [H 2 O]='1', ADP M, [P i ] 0.01 M Produkt-Edukt-Verhältnis wird (0.001*0.01)/(0.01 * 1) = G biol. = G 0 ' + RT ln = G 0 ' -17 = -49 kj/mol DG biol = -50 kj/mol bei mehreren Edukten und/oder Produkten wird multipliziert: Für Regenerierung aufgewendet: meist etwa 75 kj/mol ATP In der Zelle ist ATP mehr wert als unter Standardbedingungen und auch nicht so leicht zu regenerieren. ATP G = G + RT ln(c P1. Cp P2 / C E1. C E2 ) Mechanismen der ATP-Nutzung ATP-Nutzung Typische anabole Reaktionen sind endergon und nicht spontan ablaufend: X fi Y DG > 0 Aber (a) X + ATP fi X-P i + ADP DG 0 (möglich) (b) X-P i fi Y + P i DG 0 (möglich) Summe (a + b) X + ATP fi Y + ADP + Pi DG 0 (möglich) Reaktionsgleichungen und DG-Werte dürfen addiert und substrahiert werden. Für mindestens eine der Reaktionen a und b muss DG < 0 sein. 6

7 Mechanismen der ATP-Regenerierung ATP-Regenerierung Es gibt nur zwei Möglichkeiten. Substrat-Phosphorylierung (b + a rückwärts, gekoppelt an gleichzeitige exergone Reaktionen, z.b. Redoxreaktion) Ionentransport-Phosphorylierung (H + oder Na + ) (membrangebunden, getrieben durch elektrisches Membranpotential + chemischen Gradienten) Begriffe: Energiegewinn? 'Energie-Konservierung', 'ATP-Gewinn'? Substratketten-Phosphorylierung, engl. substrate level phosphorylation!? Es gibt keine oxidative Phosphorylierung oder Elektronentransportgetriebene Phosphorylierung, und auch keine Photophosphorylierung Lassen Sie sich durch veraltete Begriffe nicht verdummen! Thermodynamik - Wärmelehre 1. Haupsatz: Die Energie eines abgeschlossenen Systems bleibt unverändert. Verschiedene Energieformen können sich ineinander umwandeln. Haupsätze Energieerhaltungssatz: Es gibt kein perpetuum mobile 1. Art. 2. Haupsatz: Es gibt eine extensive Zustandsgröße Entropie S, die in einem abgeschlossenen System niemals abnimmt. Es gibt kein perpetuum mobile 2. Art. 3. Haupsatz: Beim absoluten Temperatur-Nullpunkt wird die Entropie eines idealen Kristalls 0. 7

8 Entropie Entropie Weshalb fliegen Gasmoleküle mit»1000 km/h durch die Luft? Solange Teilchen bei einer Temperatur >0 K sind, enthalten sie Energie, die Entropie (Energie pro Temperatur). Diese kann (bei konstantem Druck und Temperatur) nicht für Arbeit genutzt werden. Energie/Entropie Woher weiß ich, dass die Teilchen sich nach rechts oben bewegen werden? 8

9 Energie/Entropie Die Wahrscheinlichkeit, dass sich Teilchen von rechts oben nach links unten bewegen, ist momentan Null. Weshalb steckt in einem Gradienten Energie? Maxwell s Dämon Der Dämon lässt nur heiße Teilchen von links nach rechts. Warum soll es ihne kann es ihn nicht geben können? Energie hängt ab von Information 9

10 Weshalb steckt in einem Gradienten Energie? Patent-Membran Ohne Energie lässt sich kein Gradient herzaubern. Energie in Gradienten lässt sich aber nutzen. Die drehbaren Dreiecke lassen impulsreiche (heiße) Teilchen in eine Richtung durch. Leider verlieren die Teilchen bei der Wechselwirkung mit der Patentmembran Energie. Wieviel Energie steckt in einem Gradienten? Energie/Entropie C 2 Merken! C 1 G = (-)RT. ln(c 1 /c 2 ) Dieselbe Formel wie bei der Berechnung der Konzentrationsabhängigkeit chemischer Reaktionen! 10

11 Beispiel Transportenergie: Aufnahme ungeladener Teilchen über eine Membran entlang einem Gradienten c außen und c innen seien 100 und 1 mm Transport Es gilt (pro Mol): DG = -RT ln(c a /c i ) ln(100) = RT = J mol -1 K K = 2478 J mol -1 G = kj mol -1 Chemische Energie Chemische Energie o in Reaktionsmöglichkeiten, nicht in Verbindungen! o auch Licht sofort in chemische Energie umgewandelt o Die freie Energie G entscheidet, ob eine Reaktion abläuft 11

12 Freie Energie chemischer Reaktionen chem. Reaktionen DG = DH - T. DS (Gibbs-Helmholtz-Gleichung) G : freie Energie [J] (nutzbar bei T, P = const.) H : Reaktions-Enthalpie (Bestreben der Reaktanten) [J] T : absolute Temperatur [K] S : Entropie (Energie pro Temperatur, J K -1 ) Das DG chemischer Reaktionen setzt sich aus dem Bestreben zu reagieren (Enthalpie) und der Änderung der Entropie (bei Raumtemperatur meist 10 %) zusammen. DG chemischer Reaktionen kann leicht aus den tabellierten Bildungsenthalpien DG '(f) berechnet werden: G berechnen DG = S DG f (Produkte) - S DG f (Edukte) 12

13 Beispiel Glucose-Oxidation mit Sauerstoff Glucose-Oxidation C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O Dass Sauerstoff nicht direkt mit Glucose reagiert, spielt in der Thermodynamik keine Rolle, nur die Differenz zwischen Anfangs- und Endzustand. Bildungsenthalpien DG '(f) laut Tabelle unter Standardbedingungen ([ ]: 25 C, je 1 mol/l in Wasser [Gas 1atm], [']: bei ph=7) in kj/mol C 6 H 12 O 6 : (Edukt: x -1) O 2 : 0 (Edukt: x -6) 0 CO 2 : (Produkt: x 6) H 2 O : (Produkt: x 6) Summe: DG '= kj mol -1 Energie von Redoxreaktionen Redoxreaktionen DG = -n F. DE R T c red DE = DE 0 -. ln (Nernstsche Gleichung) n F c ox E 0 : Redoxpotential unter Standardbedingungen n : Zahl der Ladungen oder Elektronen pro Reaktion F : Faradaykonstante (Energie pro mol Ladungen und Volt) 96.5 kj mol -1 V -1 Die Faraday-Konstante erlaubt die einfache Umrechnung von DE und DG. 13

14 Beispiel Knallgasreaktion Knallgasreaktion H 2 + ½ O 2 H 2 O Standard-Redoxpotenziale E 0 ' (V) 2 H + /H ½ O H + /H 2 O DG = -n F. DE G 0 ' = kj mol -1 V V = -238 kj/mol Beispiel Knallgasreaktion Knallgasreaktion H 2 + ½ O 2 H 2 O Bildungsenthalpien DG '(f) laut Tabelle unter in kj/mol H 2 : 0 (Edukt: x -1) 0 O 2 : 0 (Edukt: x -0.5) 0 H 2 O : -238 (Produkt: x 1) -238 Summe: -238 kj/mol 14

15 Lichtenergie Lichtenergie E = h. ν E : Energie in kj/mol h : Planck'sches Wirkungsquantum ( Js) ν : Frequenz (Lichtgeschwindigkeit ( 1 sec zum Mond) [ m/s]/wellenlänge [nm]) Beispiel grünes Licht mit 546 nm: 220 kj mol -1 Photonen zum Vergleich: E = m. c 2 (Kernreaktionen!) 15