Einführung in die Biochemie

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1 Stoffwechselvorgänge, bei denen Kohlenhydrate abgebaut werden um dem rganismus Energie zur Verfügung zu stellen, können auf verschieden Wegen ablaufen: 1. Die Atmung ist der aerobe Abbau, bei dem zur Energiegewinnung Glukose zu Kohlenstoffdioxid oxidiert wird. Als Endprodukte entstehen 2 und Wasser. 2. Der anaerobe Abbau erfolgt ohne gasförmigen Sauerstoff. Dabei werden zwei Abbauprinzipien unterschieden: Die anaerobe Atmung einiger Bakterienarten vom Prinzip her wie der aerobe Abbau mit dem Unterschied, dass statt Sauerstoff sauerstoffreiche Anionen wie Nitrate (N 3- ) und Sulfate (S 4 2- ) umgesetzt werden. Die Gärung kommt ohne Sauerstoff aus. Es entstehen organische Produkte wie Ethanol oder Milchsäure aber kein Wasser. Der Energiegewinn ist geringer als bei den anderen Mechanismen. Viele niedere rganismen sind nur zum anaeroben Abbau in der Lage (Anaerobier). Sie scheiden die Gärungsprodukte als Endprodukte aus. Hefepilze und höhere Lebewesen können beide Abbauverfahren nutzen (fakultative Anaerobier). Sie nutzen Gärungsprodukte zum weiteren Energiegewinn durch aeroben Abbau. 2

2 Glykolyse Der Abbau der Glukose beginnt beim aeroben und beim anaeroben Abbau nach dem gleichen Prinzip, der Glykolyse. Dabei wird Brenztraubensäure (2-Ketopropansäure) gebildet. Die Glykolyse ist die erste Stufe des abbauenden Stoffwechsels, die im Zellinneren (Zytoplasma) abläuft. Langkettige Kohlenhydrate werden bei der extrazellulären Verdauung bereits vorher enzymatisch in Zuckermoleküle zerlegt. Die Glykolyse beginnt mit Reaktionsschritten, die ATP und somit Energie verbrauchen: H l H 2 \ ATP ADP P l H 2 \ P l H 2 \ H ATP ADP P l H 2 \ P I H 2 H 2 Glukose Glukose-6-phosphat Fruktose-6-phosphat Fruktose-1,6-diphosphat 3

3 Gärungen sind ATP liefernde Energiestoffwechsel, die ohne Sauerstoff als xidationsmittel ablaufen. Ein Grund zur Nutzung der Gärung kann ein plötzlich anstehender Bedarf an rasch verfügbarerer Energie sein, wie in den Muskeln bei intensiver körperlicher Betätigung. Gärungsprozesse können schneller auf hohe Energieumsätze beschleunigt werden, weil kein Sauerstoff herangeholt und präpariert werden muss. Alle benötigten Stoffe stehen zur Verfügung. Freier Sauerstoff ist ein Zellgift! Bis zur Stufe der Brenztraubensäure (Glykolyse) verlaufen alle Gärungen einheitlich. Danach unterscheidet man mehrere Varianten, von denen die Milchsäuregärung und die alkoholische Gärung für den Menschen wichtig sind. 13

4 Gärung ist die Form der Dissimilation, die unter anaeroben Bedingungen abläuft. Energiereiche organische Stoffe werden zu energieärmeren organischen Stoffen abgebaut. Gärungsart Ausgangsstoff Produkt Nutzung Alkoholische Gärung Glucose Ethanol, Kohlenstoffdioxid Wein und Bier brauen, Backen Milchsäuregärung Glucose Milchsäure (Lactat) Käsereifung Essigsäuregärung Ethanol Essigsäure Speiseessigherstellu ng Fäulnis Eiweiß Schwefelwasserstoff Ammoniak Zersetzung von Tier und Pflanzenresten Verwesung Eiweiß Kohlenstoffdioxid, Wasser, Ammoniak Humusbildung 14

5 Milchsäuregärung Die Milchsäuregärung läuft unter anderen anaeroben Bedingungen in der Muskelzelle ab. Dabei wird Pyruvat enzymatisch unter Verbrauch von NADH zu Milchsäure bzw. Lactat abgebaut. Pyruvat (reduzierte Form der Brenztraubensäure) - NADH + H + NAD + H H - Lactat Milchsäure 6 H ADP + 2 P 2 -HH-H + 2 ATP Auch bei der Milchsäuregärung ergibt sich der Energiegewinn aus der Bildung von 2 mol ATP, die bei der Glykolyse gebildet werden. 15

6 Milchsäuregärung Die Skelettmuskulatur verwendet diesen Stoffwechselweg, wenn die Muskeln nicht ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden können. Dabei droht eine Übersäuerung von Blut und Muskulatur. Milchsäure wird deswegen auf verschiedene Arten vom Körper wieder abgebaut. Kann der Abbau nicht mit dem Aufbau mithalten, kommt es zum Muskelkater. Bei Milchsäurebakterien ist die Milchsäure das Endprodukt ihres Stoffwechsels. Wir nutzen die Bakterien z. B. zur Herstellung von Joghurt, Käse und Buttermilch oder auch zur Herstellung von Sauerkraut. Das Sauerwerden der Produkte trägt zur Konservierung bei, da es die Fäulnis verhindert. 16

7 Alkoholische Gärung Einführung in die Biochemie Bei der alkoholische Gärung wird das bei der Glycolyse gebildete Pyruvat unter anaeroben Bedingungen decarboxyliert. Es entsteht Ethanal, der enzymatisch weiter zu Ethanol reduziert wird. Dabei wird NADH + H + zu NAD + oxidiert. NADH + H + H H + 2 NAD + - H Pyruvatdecarboxylasdehydrogenase H Alkohol- H Pyruvat Ethanal Ethanol Durch die schnell ablaufende Gärungsreaktion wird das Pyruvat abgebaut und NAD + wieder regeneriert. 17

8 Alkoholische Gärung Der Energiegewinn beschränkt sich auf 2 mol ATP, die bei der Glykolyse der Kohlenhydrate anfallen. 6 H ADP + 2 P H 5 H + 2 ATP Die alkoholische Gärung ist ein Stoffwechselprozess, der von Hefezellen zur Energiegewinnung genutzt wird. Hefe besitzt die dazu notwendigen Enzyme Pyruvatcarboxylase und Alkoholdehydrogenase 18

9 Alkoholische Gärung Beispiel Bierherstellung Einführung in die Biochemie Quellung und Keimung der Gerstenkörner Stärke wird durch Enzyme zu Zucker Malz HefepilzeHefeenzyme steuern die Vergärung von Zucker zu Ethanol Glucose Hefeenzyme Ethanol H 12 6 Hefeenzyme 2 2 H 5 H