Importance of Glucose

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1 Importance of Glucose C6H12O6 Glucose 2 C3 Glycogen Glucose-6-P Glycolyse 2 Pyruvat 2 C2 2 Acetyl-CoA 2 CO2 2 (C4 + C2) Citrat-Zyklus oder Tricarbonsäure 4 CO2 Zyklus 6 H O 2 6 O2 Atmungskette Als Produkt des Citratzyklus entsteht nicht nur CO2, sondern (weil die Reduktions-/Oxidationsbilanz aufgehen muss; s.u.) auch so genannte Reduktionsäquivalente (NADH; vgl. unten). Diese Reduktionsäquivalente sind Substrat der dritten Stufe des Energiestoffwechsels, der Atmungskette, in deren Verlauf molekularer Sauerstoff (O2) zu Wasser reduziert wird.

2 Importance of Glucose C6H12O6 Glucose Baustoffwechsel Glycogen Glucose-6-P Glycolyse 2 Pyruvat 2 Acetyl-CoA Fettstoffwechsel 6 O2 2 CO2 Citrat-Zyklus oder Tricarbonsäure 4 CO2 Zyklus 6 H2O Atmungskette Der hier vorgestellte dreiteilige Stoffwechselweg dient den Lebewesen nicht ausschließlich als Energiequelle, sondern auch als Ausgangspunkt für die Biosynthese von Baustoffen für die Zelle (Aminosäuren, Lipide,...). Außerdem werden andere Nahrungsbestandteile als Glucose an bestimmten Punkten in den Metabolismus eingeführt.

3 Energetics of Life H O C HO-C-H H 6 O=O 6 6 O=C=O + + Energie!G =!H - T"!S!G freie Enthalpie!H Reaktionswärme!S Entropieänderung H 2 O Die Umsetzung von Glucose mit O2 zu CO2 und Wasser ist exergon, und stellt eine freie Enthalpie zur Verfügung, die sich aus der Reaktionwärme und der Entropieänderung zusammensetzt.

4 Energetics of Life H O C HO-C-H H 6 O=O 6 6 O=C=O + + Energie!G =!H - T"!S H 2 O #!G =!G + RT"ln( cproducts ) # ceducts The activity of pure water is assigned a value of 1, even though its concentration is 55.5 M. This... simplifies the free energy expressions for reactions in dilute solutions... Voet; Voet & Pratt (p. 17) Die Umsetzung von Glucose mit O2 zu CO2 und Wasser ist exergon, und stellt eine freie Enthalpie zur Verfügung, die sich aus der Reaktionwärme und der Entropieänderung zusammensetzt. Die tatsächlich frei werdende Enthalpie kann man aus der Standardenthalpie (also der freien Enthalpie bei Raumtemperatur und 1-molaren Konzentrationen der Reaktionpartner) und der aktuellen Konzentration der Reaktionspartner berechnen. Wichtige Bemerkungen: In der Biochemie liegen die Reaktionen weit ab von den 1-molaren Standardbedingungen, insbesondere die H3O + -Ionenkonzentration. 1 M H3O + -Ionen entsprechen einem ph-wert von 0; in der Zelle herrschen maximal ph-werte zwischen 6,5 und 7,5. Daher wird in der Biochemie ein ( Strich, engl. prime ) gesetzt, wenn ein ph von 7 angenommen wird. Ferner wird die Wasserkonzentration vernachlässigt bzw. auf 1 gesetzt, weil sie mit 55,5 M soviel größer ist als die der biochemischen Reaktionspartner.

5 Energetics of Life H O C HO-C-H H 6 O=O 6 6 O=C=O H 2 O Energie kj/mol Chem. Phosphoryl. -Potential Redoxpotential useful conversions??? - ATP -??? Die auf der vorigen Folie eingeführte (biochemische) freie Standardenthalpie "G 0 beträgt für die vollständige Oxidation von Glucose mit 6 O2 zu 6 CO2 und 6 H2O "G 0 = kj/mol. (Berechnen Sie "G 0 pro Molekül, und konvertieren Sie die Größe zu kbt!) - Wie, konkret, wird aber diese Energie in ATP umgewandelt und gespeichert?

6 96% Masse von Zellen 3% Masse von Zellen < 0,1% Masse von Zellen mol % Life Seawater Crust (earth) Carbon 10 % 0,001 % 0,19 % Oxygen 26 % 33 % 47 % Hydrogen 63 % 66 % 0,22 % Nitrogen 1,00 % 0,001 % 5,0 % Phosphorus 0,22 % 0,0005 % 0,1 % Sulfur 0,05 % 0,017 % 0,1 % Wie, konkret, ist freie Enthalpie in ATP gespeichert? - Phosphor spielt hier eine wichtige Rolle, und Phosphor ist offenbar so wichtig, dass Lebewesen darauf zurückgreifen mussten, obwohl es ein seltenes Element im Meerwasser ist. In der Biochemie findet sich Phosphor (bis auf wenige Spezialfälle) immer als Phosphat, H2PO4 - bzw. HPO4 2- (vgl. Säure/Base im nächsten Kapitel).

7 Adenosin-tri-phosphat $ % & In der Biochemie findet sich Phosphor (bis auf wenige Spezialfälle) immer als Phosphat, H2PO4 - bzw. HPO4 2- (vgl. Säure/Base im nächsten Kapitel). Phosphat kann miteinander und mit OH-Gruppen eine Phosphorsäure-Anhydridbindung ausbilden. (Biochemiker sprechen meist - inkorrekt - von Phosphodiester-Bindungen; gemeint ist dasselbe.) Das ATP-Molekül enthält drei linear hintereinander gebundene Phosphatgruppen.

8 Adenosin-di-phosphat $ % & In der Biochemie findet sich Phosphor (bis auf wenige Spezialfälle) immer als Phosphat, H2PO4 - bzw. HPO4 2- (vgl. Säure/Base im nächsten Kapitel). Phosphat kann miteinander und mit OH-Gruppen eine Phosphorsäure-Anhydridbindung ausbilden. (Biochemiker sprechen meist - inkorrekt - von Phosphodiester-Bindungen; gemeint ist dasselbe.) Das ATP-Molekül enthält drei linear hintereinander gebundene Phosphatgruppen. Im ADP-Molekül liegen nur 2 Phosphatgruppen vor, die so genannte #-Phosphatgruppe des ATP-Moleküls ist hydrolytisch abgespalten.

9 Adenosin-di-phosphat In der Biochemie findet sich Phosphor (bis auf wenige Spezialfälle) immer als Phosphat, H2PO4 - bzw. HPO4 2- (vgl. Säure/Base im nächsten Kapitel). Phosphat kann miteinander und mit OH-Gruppen eine Phosphorsäure-Anhydridbindung ausbilden. (Biochemiker sprechen meist - inkorrekt - von Phosphodiester-Bindungen; gemeint ist dasselbe.) Das ATP-Molekül enthält drei linear hintereinander gebundene Phosphatgruppen. Im ADP-Molekül liegen nur 2 Phosphatgruppen vor, die so genannte #-Phosphatgruppe des ATP-Moleküls ist hydrolytisch abgespalten. ATP-hydrolysierende Enzyme positionieren ein Wassermolekül in Reihe zum #-Phosphat, wodurch (mit gewisser Wahrscheinlichkeit) ein Umklappen der Moleküloritale erfolgt, das zur Freisetzung der #-Phosphatgruppe als Phosphat führt.

10 Adenosin-di-phosphat - 3. Ionisierung (Verschiebung des chemischen Gleichgewichts) H 1. Weniger Resonanzformen (1 Doppel- Bindung, 2 Phosphate) Elektrostatische Abstoßung 4. Solvationsenergie Die gespeicherte Energie der #-Phosphatgruppe lässt sich auf 4 Umstände zurückführen: (1) Resonanzenergie der Molekülorbitale, (2) elektrostatische Abstoßung der (im Wasser ionisiert vorliegenden) Phosphatgruppen, (3) Verschiebung des chemischen Gleichgewichts durch Deprotonierung des Reaktionsprodukts Phosphat, und (4) entropische Effekte durch Änderung der Solvationsenergie.

11 H 2 O!G ATP-Hydrolyse = - 30,5 kj/mol = 12 bis 13 k B T (20 bis 37 C) Die gespeicherte Energie der #-Phosphatgruppe lässt sich auf 4 Umstände zurückführen: (1) Resonanzenergie der Molekülorbitale, (2) elektrostatische Abstoßung der (im Wasser ionisiert vorliegenden) Phosphatgruppen, (3) Verschiebung des chemischen Gleichgewichts durch Deprotonierung des Reaktionsprodukts Phosphat, und (4) entropische Effekte durch Änderung der Solvationsenergie. Messungen haben ergeben, das pro Mol ATP unter (biochemischen) Standardbedingungen -30,5 kj/mol oder kbt freigesetzt werden.

12 !G Glc-6~P PP i + H 2 O ATP + H 2 O P~Kreatin P~EP + H 2 O + H 2 O + H 2 O Glucose ADP 2 P i + P i + P i Kreatin Pyruvat - 13,8 kj/mol - 19,2 + P i kj/mol - 30,5 kj/mol - 43,1 kj/mol - 61,9 kj/mol Phosphorylierungspotentiale spielen auch an anderen Stellen des Energiestoffwechsels eine Rolle. Eine Vielzahl an Stoffwechselintermediaten (sowohl Energie-, als auch Bau-) tragen Phosphosäureanhydrid-Bindungen (Phosphodiester-). Je nach konkreter Gestalt des Intermediats tragen sie mehr oder weniger Energie. [Vgl. Übungsaufgabe!]

13 H 2 O!G ATP-Hydrolyse = - 30,5 kj/mol Erythrozyten: [ADP] [P i ]!G =!G + RT ln [ATP] 0,25 1,65 = - 30,5-2,45 ln 2,25 = - 30,5-21,1 = - 51,6 kj/mol Die aktuelle freie Enthalpie des Phosphorylierungspotentials von ATP muss die vorliegenden Konzentrationen der Reaktanden berücksichtigen; Stichwort: Nernst-Gleichung. Man sieht, dass unter zellulären Bedingungen erhebliche Abweichungen zur freien Standardenthalpie auftreten.

14 Phosphoenol- Pyruvat H 2 O Pyruvat + Phosphat!G Hydrolyse = - 61,9 kj/mol Ein wichtiges Stoffwechsel-Intermediat soll hier noch eingeführt werden: Phospho-enol-Pyruvat. Auch hier ist freie Enthalpie in Form eines Phosphorylierungspotentials gespeichert.

15 Acetat - H + Acetyl-Coenzym A H 2 O!G AcCoA-Hydrolyse = - 31,4 kj/mol Auch bei Acteyl-Coenzym A handelt es sich um eine Verbindung, die Energie speichern kann. Hier liegt sie nicht in Form einer Phosphosäure-Anhydridbindung vor, sondern (chemisch ähnlich) in Form eines Thioesters.