Der Stoffwechsel: Konzepte und Grundmuster

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1 Der Stoffwechsel: Konzepte und Grundmuster 1

2 Lebende Organismen Was unterscheidet lebende Organismen von toter Materie? Lebende Organismen haben einen hohen Gehalt an chemischer Komplexität und Organisation Lebende Organismen entnehmen, transformieren und verbrauchen Energie aus ihrer Umwelt Lebende Organismen haben die Kapazität für genaue Replikation und molekulare Selbstorganisation 2

3 Stoffwechsel 3

4 Zwei wichtige Fragen der Biochemie Auf welche Weise gewinnen Zellen aus ihrer Umgebung Energie und Reduktionsäquivalente? Wie synthetisieren Zellen die Bausteine ihrer Makromoleküle und dann die Makromoleküle selbst? 4

5 Grundsätze Organismen verwandeln Rohmaterialien in lebende Materie mit Hilfe von Energie, die sie aus der Umwelt beziehen. Chemotrophe Organismen benötigen reduzierte Brennstoff-Moleküle, welche oxidiert werden können um chemisch brauchbare Energie zu produzieren. Phototrophe Organismen verwandeln die Strahlungsenergie des Sonnenlichts in eine chemisch brauchbare Form. 5

6 Netzwerk von Reaktionen Diese Prozesse werden durch ein ganzes Netzwerk voneinander abhängiger Reaktionen ausgeführt, das man allgemein als Stoffwechsel oder Metabolismus bezeichnet. 6

7 Der Metabolismus besteht aus vielen gekoppelten Reaktionen: Stoffwechselwege 7

8 Gemeinsame Prinzipien des Stoffwechsels Selbst in einem einfachen Organismus wie E. coli laufen mehr als 1000 chemische Reaktionen ab. Diese Komplexität des Stoffwechsels erscheint überwältigend! Der Stoffwechsel besitzt jedoch ein zusammenhängendes Muster mit vielen gemeinsamen Prinzipien, wie eine Energiewährung und das immer wiederkehrende Auftreten einer begrenzten Anzahl von aktiven Zwischenprodukten. In allen Lebensformen spielen ca. 100 Moleküle eine zentrale Rolle. Die Anzahl der Reaktionen ist zwar gross, aber es gibt nur wenige Typen von Reaktionen und die Mechanismen sind oft einfach. 8

9 Katabolismus vs. Anabolismus Katabolismus: Brennstoffe (Kohlenhydrate, Fette) CO 2 + H 2 O + nutzbare Energie Anabolismus: nutzbare Energie + einfache Vorstufen komplexe Moleküle 9

10 Metabolismus einer Zelle Nährstoffe Organische Abfallprodukte Energie für das Wachstum Energie für Bewegung Anabolismus Zellbestandteile Katabolismus Nährstoffe als Energiequelle 10

11 Thermodynamische Grundlagen REP aa bb cc nn oo pp ln r r G G RT Q Q n o p a a a N O P a b c a a a A B C ' ' G G RT Q c r r ln 7 H 10 M 11

12 REP ' ' G G RT Q c r r ln 7 H 10 M d.h.: c H c H 7 10 M c : c N c N aa bb cc hh nn oo pp Q n o p c c c N O P c c c a b c c 10 M H A B C 7 h 12

13 REP ' rg RT ln K ' RT log K ' K r G RT ' e 10 ' rg ' 2.303RT R = kj K -1 mol -1 ph = 7.0 Bei Raumtemperatur ( K) gilt: K ' 10 rg kjmol 5.71 kj mol '

14 Grundsätze des Stoffwechsels... Eine thermodynamisch ungünstige Reaktion kann durch eine günstige Reaktion angetrieben werden 14

15 Grundsätze... ATP ist die universelle Energiewährung in biologischen Systemen 15

16 ATP ADP AMP 16

17 Grundsätze... Die ATP-Hydrolyse treibt den Metabolismus, indem sie das Gleichgewicht gekoppelter Reaktionen verschiebt. A +B C r G 16.7 kj mol ' 1 [C] G K [A] B

18 A +B C r G 16.7 kj mol ' 1 K ATP ADP +P i ' 1 rg 30.5 kj mol A +B+ ATP C+ADP +P i ' 1 rg 13.8 kj mol ' ' [C] ADP P i G tot [A] B ATP ' Ktot ' K 5 18

19 K ' ATP [C] K [A] B ADP P ' tot i Das ATP-erzeugende System der Zelle hält den Quotienten ATP ADP P hoch, im Allgemeinen in der Grössenordnung von 500. Dann ergibt sich: K [C] ' ' 5 Ktot [A] B i Das Gleichgewicht ist um den Faktor 10 8 verschoben. 19

20 Selbstverständlich müssen die beiden Reaktionen chemisch miteinander gekoppelt sein A +ATP X + ADP A +B C X +B C + P i ATP ADP +P i A +B ATP C + ADP +P i A +B ATP C + ADP +P i 20

21 Beispiel einer chemischen Kopplung r G ' kJmol 21

22 G r ' 14.0kJmol 1 ATP + H O = ADP + P 2 i 30.5kJmol 1 Glu + NH 4+ + ATP = Gln + ADP + P i 16.5kJmol 1 22

23 A +ATP = X + ADP NH 2 N N O O P O O P O O P O O N N O O O OH OH ATP H 3 N H O O O O A + ADP X 23

24 X +B = C + P i O H 3 N H O O P O X O O O NH 3 B -H + C P i 24

25 Übung 1 Verschieden Zelltypen des Menschen enthalten unterschiedliche Konzentrationen von ATP, ADP, und P i. Daher ist die Gibbsenergie (G ) der ATP-Hydrolyse unterschiedlich gross in diesen Zellen. Berechnen Sie die Werte für G der ATP-Hydrolyse in Leber- Muskel- und Gehirnzellen mithilfe der vorgegebenen Angaben in der folgenden Tabelle und ergänzen Sie die Tabelle. In welchem Zelltyp ist die freie Enthalpie der Hydrolyse von ATP am Grössten? ATP (mm) ADP (mm) P i (mm) G (kj mol -1 ) Leberzellen Muskelzellen Hirnzellen Hilfsgrössen: ATP + H 2 O ADP + P i Gº = 30.5 kj mol -1 R = kj K -1 mol -1 25

26 Grundsätze... Das Phosphorylgruppenübertragungspotenzial ist eine wichtige Form der Energieumwandlung in der Zelle 26

27 Verbindungen mit höherem Phosphorylgruppenübertragungs-potenzial als ATP G ' Hydrolyse 1 (kj mol ) 61.9 Guanidinium-Gruppe

28 Gibbs-Energien der Hydrolyse 28

29 ATP aus Kreatinphosphat Im ruhenden Muskel: [ATP] = 4 mm [ADP] = mm [Kreatinphosphat] = 25 mm [Kreatin] = 13 mm reicht für 1 sec Bewegung reicht für 4 sec Bewegung 29

30 ATP-Quellen während körperlicher Anstrengung 30

31 Wichtigkeit von ATP ATP dient als wichtigster unmittelbarer Donor von Gibbsenergie, nicht als Speicherform. Gesamtmenge ATP im menschlichen Körper ca. 100 g. Durchsatz: ruhender Mensch ca. 40 kg in 24h; ca. 60 kg in einem 2-Stunden-Lauf. 31

32 Ein Kolibri kann genügend Brennstoffe speichern, um eine Strecke von ca. 800 km (Golf von Mexiko) ohne zu rasten zurückzulegen. Dies ist möglich, da der Körper ATP laufend aus Brennstoffen regenerieren kann. 32

33 Wichtigkeit von ATP Mechanismen zur Regenerierung von ATP sind lebenswichtig Oxidation von Kohlenstoffverbindungen, Photosynthese 33

34 ATP ADP Zyklus 34

35 z.b Oxidation von Einkohlenstoffverbindungen Ox Zahl

36 Wichtige Brennstoffe 36

37 Direkte Kopplung von Oxidation mit ATP-Synthese Die Oxidationsenergie wird anfänglich in einer energiereichen Phosphatverbindung eingefangen und dann zur Bildung von ATP genutzt. Substratkettenphosphorylierung 37

38 Indirekte Kopplung von Oxidation mit ATP-Synthese über Ionengradienten Ionengradienten über eine Membran sind eine wichtige Form zellulärer Energie, die an die ATP-Synthese gekoppelt werden können. oxidative Phosphorylierung 38

39 In der ersten Stufe werden die grossen Moleküle zu kleinen abgebaut Stufen des Katabolismus In der zweiten Stufe werden diese zahlreichen kleinen Moleküle zu einigen einfachen Einheiten abgebaut, die eine zentrale Rolle im Stoffwechsel spielen. In der dritten Stufe entsteht ATP aus der vollständigen Oxidation der Acetylgruppe des Acetyl-CoA. Diese Phase besteht aus dem Citratzyklus und der oxidativen Phosphorylierung, den abschliessenden allgemeinen Stoffwechselwege bei der Oxidation von Brennstoffmolekülen. 39

40 Wiederkehrende Muster im Stoffwechsel: 1. Aktivierte Carrier im Metabolismus 40

41 Elektronen-Carrier: NAD + Nicotinamidadenindinucleotid: NAD + 41

42 Elektronen-Carrier: NAD + für Brennstoffoxidation 42

43 Elektronen-Carrier: FAD Flavinadenindinucleotid: FAD blau: Flavinmononucleotid schwarz: AMP-Einheit 43

44 Elektronen-Carrier: FAD für Brennstoffoxidation 44

45 Elektronen-Carrier: FAD Der reaktive Teil des FAD ist sein Isoalloxazinring, ein Derivat des Vitamins Riboflavin. 45

46 Carrier von C 2 -Fragmenten: Coenzym A 46

47 Carrier von C 2 -Fragmenten: Coenzym A vitamine B 5 47

48 Verwendung von aktivierten Carriern: NADH, NADPH, FADH 2 werden in Abwesenheit von Katalysatoren nur langsam oxidiert (z.b. durch Luftsauerstoff). ATP und Acetyl-CoA werden in Abwesenheit von Katalysatoren nur langsam hydrolysiert. 48

49 Die kinetische Stabilität (Inertheit, Trägheit) dieser Moleküle in Abwesenheit spezifischer Katalysatoren ist eine Voraussetzung für ihre biologische Funktion, da sie Enzymen ermöglicht, den Fluss von Gibbsenergie zu kontrollieren. 49

50 Wiederkehrende Muster im Stoffwechsel: 2. Schlüsselreaktionen wiederholen sich im Stoffwechsel 50

51 Redoxreaktionen aus Citratzyklus 51

52 Ligationsreaktionen Es werden Bindungen neu gebildet: 52

53 Ähnliche Reaktionsfolgen in verschiedenen Stoffwechselwegen 53

54 Regulation von Stoffwechselprozessen Drei grundlegende Arten der Kontrolle: Kontrolle der Enzymmenge Änderung der Transkriptionsrate Kontrolle der Enzymaktivität Allosterische Kontrolle Rückkopplungshemmung 54

55 Regulation von Stoffwechselprozessen Kontrolle der Verfügbarkeit von Substraten Kontrolle des Substratflusses über Grenzen von Kompartimenten Konkurrierende Reaktionen 55