Inhaltsverzeichnis - Kapitel

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1 Inhaltsverzeichnis - Kapitel 1. Einleitung: Die hemie des Lebens 2. Kohlenhydrate 3. Lipide und Membranen 4. Nukleinsäuren 5. Aminosäuren und Proteine 6. Enzyme und Katalyse 7. Vitamine & Kofaktoren 8. toffwechsel I: Kohlenhydratstoffwechsel 9. : itratcyclus & oxidative Phosphorylierung 10.I: β-xidation & Aminosäureabbau 11.toffwechselphysiologie & Ernährungsbiochemie 1 2

2 Überblick Glucosestoffwechsel Glykogenspeicher: ca. 1 kg (Leber/Muskel), ca. 1 Tag 5 mm Blutglucose! Blutzuckerwert: Konz. an gelöster Glukose im Blut durch Insulin gelangt Glukose aus dem Blut in die Zelle -> Glykolyse Nüchtern-Blutzuckerwert im Blutplasma: < 100 mg/dl (5,6 mmol/l) Nach dem Essen (postprandial): max.140 mg/dl (7,7 mmol/l) 3 Der itratzyklus Der itratzyklus (Krebs-Zyklus) ist ein zentraler Kreislauf biochemischer Reaktionen im toffwechsel aerober Zellen. Er dient dem oxidativen Abbau organischer toffe zum Zweck der Energiegewinnung und der Bereitstellung von Zwischenprodukten für Biosynthesen. -> Der itratzyklus vollendet damit die xidation des glykolytischen Endprodukts Pyruvat zu Kohlendioxid. 4

3 Rolle des itratzyklus im toffwechsel Das beim Abbau von Fetten, Zuckern und Aminosäuren als Zwischenprodukt entstehende Acetyl-oA wird im itratzyklus zu 2 und 2 abgebaut, wobei für den Anabolismus des rganismus nutzbare Zwischenprodukte gebildet werden und direkt (als ATP) und indirekt (als Reduktionsäquivalente NAD & FAD 2 ) Energie gebildet wird. 5 itratzyklus = Krebszyklus Nobelpreis für Medizin/Physiologie 1953 Die zyklische Natur des itratzyklus wurde in den 1930iger Jahren von ir ans Krebs entdeckt (daher oft auch als Krebszyklus bezeichnet!) ir ans Krebs ( ) For his discovery of the citric acid cycle 6

4 Lokalisation des itratzyklus In Eukaryonten findet der itratzyklus in der sog. Matrix der Mitochondrien statt: 7 Überblick itratzyklus Die 8 Reaktionen überführen Acetyl-oA in Kohlendioxid ( 2 ) + Wasser ( 2 ). Die freiwerdende Energie wird in Form von NAD, FAD 2 und GTP gespeichert: 3 NAD + + FAD + GDP + Pi + Acetyl-oA NAD + FAD 2 + GTP + oa Die im itratzyklus gewonnenen, an NAD und FAD 2 gebundenen Elektronen werden der Atmungskette zugeführt und auf den Elektronenakzeptor auerstoff ( 2 ) übertragen -> xidative Phosphorylierung. Die dabei frei werdende Energie wird genutzt, um ATP zu bilden -> dabei entstehen aus NAD ca. 3 ATP und aus FAD 2 ca. 2 ATP. 8

5 ytoplasma Mitochondriale Matrix Der itratzyklus Das erste Intermediat im itratzyklus ist itrat (Name!) 9 Teilschritte des itratzyklus 10

6 ynthese von Acetyl-oA Der Treibstoff für den itratzyklus ist Acetyl-oA, ein energiereicher Thioester. Das Endprodukt der Glykolyse Pyruvat kann zu Acetyl-oA umgewandelt werden. Diese Umwandlung erfolgt über den Pyruvatdehydrogenase-Komplex in fünf aufeinanderfolgenden Reaktionsschritten, die wie folgt zusammengefasst werden können: Pyruvat + NAD + + oa PD Komplex Acetyl-oA NAD 11 Der Pyruvatdehydrogenase Multienzymkomplex Drei Enzyme sind an der irreversiblen oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-oA beteiligt: Pyruvatdehydrogenase (E1) Dihydrolipoyltransacetylase (E2) Dihydrolipoyldehydrogenase (E3) Diese drei Enzyme bilden einen gemeinsamen Multienzymkomplex. Durch die Generierung von Acetyl-oA aus Pyruvat wird eine Verbindung zwischen der Glykolyse und itratzyklus hergestellt. 12

7 truktur des Multienzymkomplexes Der PD-Multienzymkomplex ist einer der größten Enzymkomplexe mit einer Masse von 4,6-9,5 MDa und einem Durchmesser von Å (30-50 nm). Der Kern des Komplexes besteht aus Molekülen E2 (Dodekaeder-truktur). Der Kern ist von Molekülen E1 (orange) und 12 Molekülen E3 (pink) umgeben. 13 Vorteile von Multienzymkomplexen Der Vorteil von Multienzymkomplexen im Vergleich zu einzelnen Enzymaktivitäten besteht vor allem in Folgendem: Kurze Distanz ermöglicht eine Beschleunigung der Reaktionsraten Produkt einer Reaktion kann direkt als ubstrat für die nächste Enzymreaktion dienen ( substrate channeling ); dadurch wird ein Verlust vermieden! Koordinierte Kontrolle der Gesamtreaktion 14

8 oenzyme in der Pyruvatdehydrogenase An den enzymatischen Reaktionen sind zahlreiche ofaktoren beteiligt: oenzym chritt Funktion Thiaminpyrophosphat gebunden an E1 Decarboxyliert Pyruvat unter (Vitamin B 1, TPP) Ausbildung eines TPP-arbanions (ydroxyethyl-tpp) Liponsäure kovalent gebunden übernimmt ydroxyethyl-gruppe an E2 nach xidation zu Acetylgruppe von TPP (es entsteht die E-reiche Thioesterverb. -Acetylliponamid) oenzym A (oa) ubstrat für E2 übernimmt die Acetylgruppe vom Liponsäureamid und wird zu Acetyl-oA Flavinadenindinucleotid (FAD) gebunden an E3 reoxidiert das Dihydroliponamid zu Liponsäureamid Nicotinamidadenin- ubstrat für E3 wird von FAD 2 reduziert, wodurch dinucleotide (NAD + ) dieses wieder regeneriert wird 15 Die 5 Reaktionen des PD-Komplexes FAD NAD TPP pyruvate dehydrogenase (E1) R lipoamide 4 5 dihydrolipoyl dehydrogenase (E3) FAD NAD + 3 TPP 3 2 dihydrolipoyl transacetylase (E2) R 3 oa R 3 oa acetyl-oa 16

9 Kovalente Verknüpfung der Liponsäure mit E2 Die Liponsäure ist über eine Lysinseitenkette kovalent mit E2 verbunden. Dadurch kann die Liponsäure die aktiven Zentren von E2 und E3 erreichen. 17 Regulation und emmung der PD Regulation emmung / Inaktivierung: emmung durch die Endprodukte Acetyl-oA und NAD (Produkthemmung) Inaktivierung durch Phosphorylierung von 3 erinresten der E 1 -Untereinheit durch eine Pyruvatdehydrogenase-Kinase (PDK) Aktivierung / timulierung: timulierung durch alcium- sowie Magnesiumionen Aktivierung durch Aufhebnung der erin-phosphorylierung über die Phosphopyruvatdehydrogenase-Phosphatase (PDP) emmstoffe Toxisch: Arsen(III)-Verbindungen wie Arsenit (As 3 3 ), organische Arsenverbindungen 18

10 Zur Toxizität von Arsen Die Toxizität von Arsen beruht auf der Reaktivität von Arsenit und organischen Arsenverbindungen mit Thiolgruppen, wie z. B. mit Dihydroliponamid: -> kovalente Verbindungen mit Thiolgruppen -> inaktivieren Dihydroliponamid Inhibition der Pyruvat-Dehydrogenase (und der α-ketoglutaratdehydrogenase) blockiert die Atmung! Bakterielle Enzyme sind empfindlicher für Arsen-Verbingungen (siehe Entwicklung von alvarsan ) 19 Liponsäurederivate in Pflanzen auptbestandteile: 1.2-Dithiolan-4-carbonsäure (pargelsäure) und Methylester 1.2-Dithiol 3 ENZYMATIER ABBAU Asparagus officinalis (Liliaceae) 3 -Methylthioacrylat 3 -Methyl-3-(methylthio) thiopropionat 3 Übelriechende ubstanzen, mit Urin ausgeschieden ca. 40% der Menschen besitzen erforderliche Enzyme 20

11 1. chritt: itratsynthase Die itratsynthase katalysiert die KNDENATIN von Acetyl-oA und xalacetat zu itrat: (äure-base-katalyse: Asparaginsäurerest 375 als katalysierende Base, is320 als äure): chritt: Aconitase Die Aconitase katalysiert die IMERIIERUNG von itrat zu Isocitrat: citrate cis-aconitate isocitrate Die Anwesenheit eines Eisen-chwefel- lusters als ofaktor entscheidet über die Funktion der Aconitase. Die spezifische Konformation des Enzyms mit dem [4Fe-4]- luster lässt die Reaktion stereospezifisch vom achiralen itrat ausschließlich zum (1,2R)-Isocitrat ablaufen. 22

12 Fluoressigsäure hemmt die Aconitase Fluoressigsäure wird als Natriumfluoroacetat (Natriumsalz der Fluoressigsäure) zur Bekämpfung von Nagetieren in Giftködern verwendet. Natürlicherweise ist das alz in über 40 Pflanzen Australiens, Brasiliens und üdafrikas enthalten ( Fraßgift ): Zum Beispiel findet es sich als giftiger Inhaltsstoff in den Blättern des südafrikanischen trauches Gifblaar (Dichapetalum cymosum). Bereits ein Blatt kann ein chaf töten. Pflanzen wie Gastrolobium & xylobium enthalten bis zu 2.65 g Fluoressigsäure pro kg Blattfrischgewicht. In kleinen Mengen kommt die Verbindung auch in Teeblättern vor. Gastrolobium bilobum (Leguminaceae) -> eart leaved poison 23 Fluoressigsäure: Letale Biosynthese Fluoressigsäure ist an sich nicht toxisch, wird aber über die itratsynthase in einen toxischen Metaboliten umgewandelt. Dieser bindet als Pseudosubstrat an die Aconitase. fluoroacetic acid fluoroacetyl-oa 2 oxaloacetate 2 2 F F oa oa citrate synthase 2 F fluorocitrate Die Aconitase kann jedoch Fluorocitrat nicht in Aconitat umwandeln, und dadurch wird der itratzyklus gehemmt und die Zellen von der E-Zufuhr abgeschnitten! metabolic block! aconitase 2 aconitate 24

13 Toxizität der Fluoressigsäure Die meisten Warmblüter werden durch Fluoressigsäure vergiftet. Durchschnittlich sind bei Warmblütlern 1mg/kg Körpergewicht tödlich: Die letale Dosis beträgt für Menschen etwa 5 mg/kg. Bei Maus oder Ratte liegt die Dosis bei 0,1 mg/kg. Ausnahme Kängurus: Kängurus haben eine Toleranz für Fluoressigsäure entwickelt, die auf eine Entgiftung durch Glutathion beruht! Kangaroo (Bettongia spp.) chritt: Isocitratdehydrogenase Isocitratdehydrogenase katalysiert die XIDATIVE DEARBXYLIERUNG von Isocitrat zu α-ketoglutarat: Mn 2+ -katalysiert Diese Reaktion setzt das erste von zwei 2 Molekülen im itratzyklus frei. Die Isocitratdehydrogenase-Reaktion ist ähnlich der Phosphogluconat-Dehydrogenase- Reaktion im Pentosephosphatweg (siehe Kapitel 8). Wie jede Dehydrogenase ist auch die Isocitrat-Dehydrogenase durch ATP bzw. ADP regulierbar: ATP bewirkt indirekte emmung, ADP indirekte Aktivierung. 26

14 4. chritt: α-ketoglutaratdehydrogenase α-ketoglutaratdehydrogenase (Komplex!) katalysiert die XIDATIVE DEARBXYLIERUNG von α-ketoglutarat zu uccinyl-oa: 2 NAD + oa- NAD oa α-ketoglutarate succinyl-oa Die α-ketoglutaratdehydrogenase-reaktion ist quasi identisch mit der Pyruvat-Dehydrogenase- Reaktion -> ähnliche Multienzym-Komplexe: 2-Ketoglutarat-Dehydrogenase E1 Dihydrolipoamid-uccinyltransferase E2 Dihydrolipoamid-Dehydrogenase E3 Diese Reaktion setzt das zweite 2 Molekül frei! chritt: uccinyl-oa ynthetase uccinyl-oa ynthetase koppelt die YDRLYE eines energiereichen Thioesters an die ERTELLUNG einer energiereichen Anhydridverbidnung (GTP): uccinyl-oa + GDP + Phosphat = uccinat + GTP + oa 28

15 6. chritt: uccinatdehydrogenase Bis zu diesem chritt wurden 2 2, 2 NAD und ein GTP gebildet. Die letzten chritte beinhalten die Rückbildung von xalacetat aus uccinat. Zunächst wird über die uccinatdehydrogenase uccinat zu Fumarat DEYDRGENIERT. E-FAD E-FAD 2 succinate fumarate 29 Besonderheiten der uccinatdehydrogenase Im Gegensatz zu den meisten anderen Flavoproteinen (Vitamin B 2 ) enthält das Enzym ein kovalent verknüpftes FAD: N enzyme 2 N R N 10 5 N 1 N 2 4 N 3 itratzyklus Die uccinatdehydrogenase, genauer uccinat: Ubichinon-xidoreduktase (= Komplex II der Atmungskette), ist als einziges Enzym des itratzyklus in der inneren Mitochondrienmembran eingebettet und speist die Elektronen direkt in die Atmungskette ein. 30

16 Besonderheiten der uccinatdehydrogenase Das Enzym katalysiert also nicht nur die xidation von uccinat zu Fumarat im itratzyklus, sondern auch die Reduktion von Ubichinon (oenzym Q) zu Ubichinol in der Atmungskette. Die REDX-Kette der uccinatdehydrogenase: Reoxidation von FAD 2 erfolgt über eine Kette von Elektronenübertragungen über 3 Fe/-luster zum ytochrom b 556. Letzteres reduziert Ubiquinon (oenzym Q) zu Ubiquinol chritt: Fumarase Fumarase katalysiert die YDRATATIN (Addition von Wasser) von Fumarat zu Malat: fumarate carbanion transition state malate 32

17 8. chritt: Malatdehydrogenase Im letzten chritt des itratzyklus wird Malat zu xalacetat DEYDRGENIERT (oxidiert): malate NAD + NAD + + oxaloacetate 33 Zusammenfassung Die xidation einer Acetylgruppe setzt 1 GTP frei. Weiters entstehen 8 Elektronen, die zur Reduktion von 3 NAD + und 1 FAD benutzt werden: Diese 3 NAD und 1 FAD 2 werden in der Atmungskette zur Erzeugung von 3 Molekülen ATP pro NAD und 2 pro FAD 2 genutzt. Damit werden 12 Moleküle ATP pro Durchgang im itratzyklus gewonnen (24 pro Molekül Glucose). Es entstehen also 38 Moleküle ATP beim aeroben Abbau der Glucose (nur 2 unter anaeroben Bedingungen!). 34

18 Regulation des itratzyklus itratsynthase, Isocitratdehydrogenase und α-ketoglutarat-dehydrogenase werden durch folgende Faktoren reguliert: 1. Verfügbarkeit von ubstrat 2. Produktinhibition 3. Kompetitive Rückkopplung Acetyl-oA, itrat und uccinyl-oa wirken als Produktinhibitoren. ATP und uccinyl-oa wirken als kompetitive Rückkoppler. NAD spielt eine Rolle sowohl als Produktinhibitor als auch Rückkoppler (siehe chema). 35 Wechselwirkungen mit anderen toffwechselwegen Metaboliten des itratzyklus spielen auch eine Rolle für andere toffwechselwege, wie z. B. xalacetat für die Gluconeogenese (amphiboler harakter). Andere Reaktionen liefern Metabolite des itratzyklus an. Diese werden als anaplerotische Reaktionen bezeichnet. Beispiele sind der Abbau von bestimmten Aminosäuren und die Pyruvatcarboxylase- Reaktion). 36