Bioenergetik. Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien

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1 Bioenergetik Quellen: 1. Physiologie des Menschen (mit Pathophysiologie) R.F. Schmidt, F. Lang, G. Thews, 29. Auflage Springer Medizin Verlag Heidelberg (2005), ISBN bamberg.de/t3/fileadmin/images/fachbereiche/biologie/dateien/kh-abbau.ppt

2 Die Zelle Zelle mit Kern, Kernhülle, endoplasmatischem Retikulum und Golgi-Apparat. Die Kernhülle geht aus dem endoplasmatischen Retikulum hervor. Sie besteht aus zwei Membranlagen, deren Zwischenräume als Zysternen bezeichnet werden. Das endoplasmatische Retikulum ist teilweise mit Ribosomen besetzt. Der Golgi-Apparat ist ein Membranstapel, aus dem sich ständig kleine Bläschen (Vesikel) abschnüren. Diese sind mit lebenswichtigen Molekülen gefüllt (z.b. Insulin) und stehen zur Exozytose bereit. Nach Löffler u. Petrides (2003).

3 Mitochondrium

4 Die äußere Mitochondrienmembran ist durchlässig für die meisten Ionen und kleine Moleküle. Die innere Mitochondrienmembran ist undurchlässig - Transporter inder inneren Membran benötigt. Innere Membran als Sitz der Enzyme und Komponenten der oxidativen Phosphorylierung. Mitochondrienmatrix enthält oxidative Enzyme, Enzyme des Zitronensäurezyklus und der Fettsäureoxidation.

5 Struktur und Funktion des Mitochondriums Das ca. 100x100x1000 nm 3 große Organell besitzt eine stark gefaltete innere Membran, an der die enzymatischen Prozesse ablaufen. Nahrungsmoleküle treten ins Mitochondrium ein und werden im Zitronesäurezyklus metabolisiert. Mit Hilfe verschiedener Enzyme werden Protonen zwischen äußerer und innerer Mitochondrienmembran angehäuft. Die daraus resultierende chemische Triebkraft treibt eine Protonenpumpe (ATPase = ATP-Synthase) zur Bildung von ATP. Dieses energiereiche Produkt verlässt das Mitochodrium und steht der Zelle als Kraftstoff zur Verfügung (Alberts, Bray und Lewis (2002)).

6 Wichtige Begriffe und Fragen: ATP, ADP o.k. ATP-Synthase o.k. Zitronensäurezyklus? Elektronentransportkette? NAD, NADH? Azetyl-CoA? Pyruvat? Fettsäuren?

7 ATP ATP ist die universelle Energiewährung: Das hohe Phosphorylgruppenübertragungspotenzial des ATP prädestiniert es dazu, als Energiequelle für die Muskelkontraktion, den aktiven Transport, die Signalverstärkung und für Biosynthesen zu fungieren. Die Hydrolyse eines ATP-Moleküls verändert das Gleichgewichtverhältnis von Produkten zu Reaktanden bei einer gekoppelten Reaktion etwa um den Faktor So kann durch Kopplung mit einer Hydrolyse genügend vieler ATP-Moleküle aus einer thermodynamisch ungünstigen Reaktion eine sehr günstige werden.

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9 NAD, NADH? Gewinnung von Energie aus der Verbrennung (Oxidation) von Stoffen Oxidative Phosphorylierung

10 NAD, NADH? Prinzip der oxidativen Phosphorylierung: 1. Reduzierte Carriermoleküle (NADH, FADH) übertragen Elektronen, die ein hohes Potential besitzen, über eine Elektronentransportkette in der inneren Membran der Mitochondrien auf O 2 2. Elektronenfluss ermöglicht Aufbau eines Protonengradienten 3. Ausgleich des Protonengradienten zur ATP-Synthese benutzt

11 NAD, NADH? Treibende Kraft der oxidativen Phosphorylierung: Elektronenübertragungspotential von NADH 2 und FADH 2 von NADH 2 : ΔE = -0,32 V von O 2 : ΔE = +0,82 V Differenz: -1,14 V Freie Energie: ~220 kj/mol Oxidation von Brennstoffen (

12 NAD, NADH? NAD Elektronencarrier FAD Die Struktur der oxidierten Form des Nicotinamidadenindinucleotids (NAD+) und des Nicotinamidadenindinucleotidphosphats.

13 FAD = flavin adenine dinucleotide FAD + 2H. FADH 2

14 Reaktive Teile NAD + NADH FAD oxidierte Form FADH 2 reduzierte Form

15 NAD, NADH?

16 NAD, NADH? Ereignisse bei der oxidativen Phosphorylierung

17 O Acetyl-CoA CH 3 - C OH + Co-enzym A Acetate Acetyl ~CoA Acetate group

18 Acetyl-CoA ATP wird durch Oxidation von Brennstoffmolekülen wie Glucose, Fettsäuren und Aminosäuren erzeugt. Das gemeinsame Zwischenprodukt ist Acetyl-CoA. Die Kohlenstoffatome der Avetylgruppe werden im Zitronesäurezyklus vollständig zu CO 2 oxidiert, wobei gleichzeitig NADH und FADH 2 entstehen, Diese Elektronen-Carrier übertragen ihre Elektronen hohen Potenzials anschließend auf die Atmungskette. Der Elektronenfluss zum O2 bewirkt, dass Protonen durch die innere Mitochondrienmembran gepumpt werden. Dieser Protonengradient wird dann zur ATP- Synthese benutzt. Auch bei der Glykose entsteht ATP, die erzeugte Menge ist jedoch viel geringer als bei der oxidativen Phosphorylierung. Die Oxidation von Glucose zu Pyruvat liefert nur zwei ATP, die vollständige Oxidation zu CO 2 hingegen 30.

19 Der Kohlenhydratabbau

20 Mund Stärke (u.a. Zucker) Verdauung Nahrungsaufnahme Magen- Darm- Trakt Verdauungs -enzyme Dünndarm Glucose Zelle Blut Transport Leber Transport Blutkreislauf Pfortader Glykogen Lebervene

21 Glucose ( C 6 Körper ) Gärungen anaerob Glykolyse Zellplasma BTS (Brenztraubensäure) (= Pyruvat) Gemeinsamer Abbauschritt bei Atmung und Gärung ( C 3 ) ( 2x! ) Mitochondrium Zellatmung aerob Milchsäuregärung Alkoholische Gärung Ox. Decarboxylierung Citratzyklus Atmungskette Milchsäure Ethanol + CO 2 H 2 O + CO 2 ( C 3 ) ( C 2 )

22 Die Glykolyse Glykolyse: Diese Folgevon Reaktionen läuft im Cytosol ab und verwandelt ein Molekül Glucose in zwei Moleküle Pyruvat, wobei zwei ATP und zwei NADH gebildet werden. Das NAD +, das die von der Glycerinaldehyd-3- posphat-deydrogenase katalysierte Reaktion verbraucht, muss regeneriert werden, damit die Glykolyse weiter ablaufen kann. Unter aneroben Bedingungen, etwa im hochaktiven Skelettmuskel, geschieht dies durch die Reduktion von Pyruvat zu Lactat. Unter aneroben Bedingungen dagegen wird NAD + durch Elektronenübertragung von NADH auf O 2 über die Elektronentransportkette regeneriert. Die Glykolyse hat zwei Hauptfunktionen: den Abbau der Glucose zur ATP- Erzeugung und die Bereitstellung von Kohlenstoffgerüsten für die Biosysnthese.

23 Energieinvestition ATP Glucose ADP Glucose-6-phosphat ATP ( C 6 ) (Fructose-6-phosphat) ADP Fructose-1,6-diphosphat Die Glykolyse NAD + 2 NADH/H + 2 ATP ADP 2 BTS PEP (2-PGS) ( C 3 ) Energiegewinn (DHAP) (2) GAP Dehydrierung = Oxidation (1,3-dPGS) 2 ADP + P i 2 ATP 2 3-PGS

24 Gelangt Glucose in eine Zelle, wird sie rasch zu Glucose-6- phosphat phosphoryliert, das als Glykogen gespeichert oder in Ribose-5-phosphat umgewandelt werden kann. Glykogen entsteht, wenn Glucose-6-phosphat und ATP im Überschuss vorhanden sind

25 Bilanzgleichung der Glykolyse Glucose ( C ( ADP + P i ) NAD + 6 ) BTS ( C 3 ) + 2 ATP + 2 NADH/H + ( C 6 H 12 O 6 ) ( CH 3 -C-COOH ) ( C 3 H 4 O 3 ) II Summenformel O Halbstrukturformel

26 Die Oxidation der Glykolyse als Strukturformelgleichung Aldehydgruppe Säuregruppe O C H NAD + NADH/H + + H 2 O O C O OH H C OH H C OH O H 2 C O P H 2 C ADP + P i ATP + H 2 O O O P GAP = Glycerin- Aldehyd- Phosphat Kondensation! PGS = Phospho- Glycerin- Säure

27 Alkoholische Gärung Gärungen Milchsäure Gärung CO 2 + Ethanol Glucose Milchsäure (Lactat) H I CH 3 C H I OH NAD + NAD + H I CH 3 C COOH I OH Glykolyse Hydrierung = Reduktion NADH/H + NADH/H + Hydrierung = Reduktion Acetaldehyd Ethanal BTS CH 3 C H II O CO 2 CH 3 C COOH O II

28 Bilanzgleichungen der Gärungen Alkoholische Gärung inklusive Glykolyse Glucose ( C 6 ) + 2 ( ADP + P i ) ( C 6 H 12 O 6 ) 2 Ethanol ( C 2 ) + 2 CO ( C 2 H 6 O ) ( CH 3 -CH 2 OH ) ATP Milchsäure Gärung Glucose ( C 6 ) + 2 ( ADP + P i ) 2 Milchsäure ( C 3 ) + 2 ATP ( C 6 H 12 O 6 ) ( C 3 H 6 O 3 ) ( CH 3 -CHOH-COOH )

29 Weiterverarbeitung der Brenztraubensäure bei der Zellatmung

30 Oxidative Decarboxylierung CO 2 Coenzym A BTS Acetyl-CoA C 3 NAD + NADH/H + C 2 = aktivierte Essigsäure Citratzyklus = Zitronensäurezyklus Tricarbonsäurezyklus Citratzyklus im Überblick (Krebszyklus) Oxalessigsäure FADH 2 3 NAD + C 4 C 6 3 NADH/H + Zitronensäure CO 2 FAD C 4 GTP ATP GDP + P i C 5 CO 2

31 Zitronensäurezyklus (Krebszyklus) Der Zitronensäurezyklus und oxidative Phosphorylierung. Die Reaktionen dieses gemeinsamen Stoffwechselweges zur Oxidation von Brennstoffen Kohlenhydraten, Aminosäuren und Fettsäuren finden in den Mitrochondrien statt. Die meisten Nahrungsstoffe treten als Acetyl- CoA in den Zyklus ein. Die vollständige Oxidation einer Acetyleinheit erzeugt ein GTP und vier Elektronenpaare in Form von drei Molekülen NADH und einem Molekül FADH 2. Diese Elektronen werden über die Elektronentransportkette auf O 2 übertragen, wobei ein Protonengradient entsteht, der die ATP-Synthese antreibt. Die Elektronendonatoren werden nur oxidiert und wieder dem Zitronensäurezyklus zugeführt, wenn gleichzeitig ADP zu ATP phoshoryliert wird. Diese enge Kopplung, die man als Atmungskontrolle bezeichnet, sorgt für die Anpassung der Geschwindigkeit des Zitronensäurezyklus an den ATP-Bedarf.

32 Die Endoxidation in der Atmungskette Die ATP-Bildung bei dieser oxidativen Phosphorylierung erfolgt nicht direkt, wie bei der Substratketten-Phosphorylierung, sondern chemiosmotisch über einen Protonengradienten (wie bei der Photophosphorylierung). I: FMN = Flavinmononucleotid II: Fe/S-Protein Q = Ubichinon Lipid! III: Cytochrom b/c 1 Cytochrom c (grün = mobile Transporter) IV: Cytochrom a/a 3

33 Energie NADH/H + NAD + 2H FMN ATP ADP + P i I FMNH 2 ATP 2H FADH 2 FAD Q ADP + P i Wasserstofftransport = Zweielektronentransport QH 2 2H + Die Endoxidation in der Atmungskette 2x 1e - ATP (II) Fe 3+ III Fe 2+ ADP + P i 2x 1e - Einelektronentransport Fe 3+ IV Fe 2+ 2x 1e - + O 2- ½ O 2 H 2 O Reaktion