Grundlagen der Umwelttechnik 5. Biomoleküle und Grundlagen des Stoffwechsels Vorlesung an der ochschule Augsburg Dr. Siegfried Kreibe Stand 2013 1 Autotrophe und heterotrophe Organismen Autotrophe Organismen: bauen durch Fotosynthese organische Substanz aus anorganischer, Materie (O 2, 2 O, ) auf. eterotrophe Organismen: müssen organische Substanz abbauen, um daraus Energie zu gewinnen und ihre Körpersubstanz aufzubauen. Dabei setzen sie Abbauprodukte (O 2, 2 O, ) frei. Abbauprozesse: Aerob (unter Sauerstoffzufuhr) Anaerob (unter Sauerstoffabschluss; Gärung ) 2
Wichtigster Aufbauprozess: Fotosynthese Aufbau von Kohlenhydraten durch Fotosynthese: Licht 2n 2 O + n O 2 ( 2 O) n + n 2 O + n O hlorophyll 2 Kohlenhydrate Zum Beispiel: 6 2 O + 6 O 2 Licht hlorophyll 6 12 O 6 + 6 O 2 Glucose (der wichtigste Energielieferant) 3 Gärung (A) u. Atmung (B) beispielhaft Milchsäure 2 3 6 O 3 Energieausbeute ca. 15 mal so hoch wie bei Milchsäuregärung Milchsäuregärung (anaerob) A 1 Reaktionsschritt (ydrierung) Kohlenhydrate 6 12 O 6 Brenztrauben -säure* 2 3 4 O 3 3 4 3 6 O 2 + 6 2 O ca. 10 Reaktionsschritte Zitronensäurezyklus, Atmungskette (ca. 30 Reaktionsschritte) Quelle: Bliefert (2002) S. 22, nach Schidlowski 1973 B Glykolyse (anaerob) Atmung (aerob: + 6 O 2 ) * Salze = Pyruvate 4
Wichtige Biomoleküle 5 Wichtige Biomoleküle Kohlenhydrate sind auptenergielieferant für die meisten Tiere sowie wichtigstes Struktur- und Speichermaterial von Pflanzen. Lipide sind Verbindungen, die mit unpolaren Lösungsmitteln aus Gewebe extrahiert werden können. Sie sind die wichtigste Energie-Speicherform des Körpers. Proteine (Eiweiße) erfüllen vielfältige Funktionen im Körper, sie sind Bestandteil von Muskeln, Sehnen, Knorpel und von Enzymen. Nukleinsäuren (DNA und RNA) sind Träger der Erbinformation (DNA) und haben zentrale Funktionen bei der Proteinbiosynthese (RNA). 6
Kohlenhydrate: Aufbau Monosaccharide Glucose (G), Fructose (F) und viele andere G F Disaccharide (bestehen aus zwei Monosacchariden) z.b. Saccharose (besteht aus Glucose und Fructose) G F Polysaccharaide (bestehen aus vielen Monosacchariden) z.b. ellulose (>10.000 Glucose-Einheiten) G G G G 7 Lipide: Aufbau Die häufigsten Lipide sind Fette (Neutralfette) Fette sind aus drei Fettsäuremolekülen und Glycerin zusammengesetzt: Fettsäure Fettsäure Fettsäure + Glycerin => Fett Fettmoleküle können drei gleiche oder unterschiedliche Fettsäuren enthalten Es gibt gesättigte Fettsäuren (ohne Doppelbindungen) und ungesättigte Fettsäuren (mit Doppelbindungen) Es gibt auch polare Lipide (z.b. Phospholipide) Quelle: Lehninger S. 338 8
Proteine: Aufbau Proteine sind Ketten von Aminosäuren Aminosäure: 2 N OO R Es gibt 20 verschiedenen Aminosäuren (= verschiedene R ) R kann: polar, apolar sein negativ, positiv geladen sein verschiedene funktionelle Gruppen tragen O O O O Protein: N N N N R 1 R 2 R 3 R 4 9 Proteine: die 20 Aminosäuren im Organismus Quelle: F. Gmünder, ET Zürich 10
Proteine: Vielfalt Durch Kombination von 20 unterschiedlichen Aminosäureresten kann eine unvorstellbare Vielfalt an Proteinen entstehen Bsp.: eine Kette mit einer Länge von 20 Aminosäureresten, in der jede Aminosäure nur einmal vorkommt, kann auf 2*10 18 verschiedene Arten aufgebaut sein. Ein Protein enthält ca. 50 bis 1800 (und mehr) Aminosäurereste Proteine sind auf spezifische Weise gefaltet durch: Zusammenlagerung (z.b. von apolaren Resten) Abstoßung (z.b. von gleich geladenen Resten) Bindungen zwischen verschiedenen Aminosäureresten etc. 11 Nukleinsäuren (DNA, RNA) Ein Nukleotid DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure) sind Nukleotid-Ketten Jedes Nukleotid besteht aus Einem Phosphat-Rest Einem Zucker-Molekül: Ribose (RNA) oder Desoxyribose (DNA) Einer stickstoffhaltigen Base ytosin, Uracil, Thymin, Adenin oder Guanin DNA und RNA verwenden nur jeweils vier der fünf stickstoffhaltigen Basen Durch Kombination von vier Nukleotiden werden die Erbinformationen verschlüsselt Das menschliche Genom ist in ca. 4,4 Mrd. Nukleotidpaaren verschlüsselt DNA Molekül Quelle: G. Vogel (1968), S. 30 12
DNA und RNA: Strukturmodell und Basen DNA bilden Doppelhelix RNA bilden Einfachhelix DNA enthält Thymin RNA enthält Uracil http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fd/difference_dna_rna- DE.svg/440px-Difference_DNA_RNA-DE.svg.png (abgerufen: 9.12.2012) 13 DNA und RNA: die Funktionen DNA: Desoxyribonukleinsäure Verschlüsselt genetische Information; Andockstelle für Enzyme (Transkription); Verantwortlich für Regulationsprozesse in der Zelle RNA: Ribonukleinsäure Transport und Übersetzung von in der DNA gespeicherten genetischen Informationen Unterschiedliche Typen von RNA-Molekülen m-rna (Messenger-RNA): kopiert und transportiert genetische Informationen der DNA t-rna (Transfer-RNA): ilfsmolekül bei der Proteinsynthese r-rna (ribosomale-rna): Beteiligung am Aufbau des Ribosoms 14
Enzyme 15 Enzyme sind Biokatalysatoren Enzyme sind Proteine, die als Biokatalysatoren wirken. Enzyme werden bei der Reaktion nicht verbraucht. Enzyme beschleunigen chemische Reaktionen durch Senkung der Aktivierungsenergie. Quelle: Lehninger (1987), S. 234 16
Enzym sind hochspezifisch Enzym passt zum Substrat wie Schloss zum Schlüssel Enzyme sind hochspezifisch Quelle: Lehninger (1987), S. 231, 245 Größenvergleich Das aktive Zentrum (Bsp.) 17 Enzyme: Reaktionsgeschwindigkeit Enzym (E) und Substrat (S) bilden Enzym-Substrat-Komplex (ES), der das Enzym nach der Reaktion zum Produkt (P) wieder freisetzt 1. E+S ES (schnell) 2. ES E + P (langsam) Reaktion 2 bestimmt die Geschwindigkeit der Gesamtreaktion Reaktionsgeschwindigkeit der Gesamtreaktion (V) ist maximal, wenn gesamtes Enzym als ES vorliegt (Enzymsättigung) Quelle: Lehninger (1987), S. 235 V steigt mit zunehmender Substratkonzentration bis zur Enzymsättigung 18
Im Stoffwechsel wirken Multienzymsysteme Substrate werden in der Regel von mehreren Enzymen schrittweise abgebaut Jedes Enzym katalysiert dabei spezifisch einen Reaktionsschritt Quelle: Bogen 1967 S. 205 Bsp.: es gibt ca. 4000 unterschiedliche Enzym-katalysierte Reaktionen im Darmbakterium Escherischia coli 19 Enzyme: Steuerung Enzym-Steuerung erfolgt durch Substrate oder Produkte von Enzymreaktionen, durch ormone, Gifte und andere Stoffe Mechanismen der Enzymsteuerung: Enzyminduktion: Enzym-Produktion wird gestartet/gesteigert Enzymrepression: Enzym-Produktion wird gestoppt/gebremst Enzymaktivierung: vorhandene Enzyme werden in einen wirksamen Zustand versetzt Enzymhemmung: vorhandene Enzyme werden in einen unwirksamen Zustand versetzt 20
Enzym-Steuerung: Beispiel für Induktion (1) Substrat A schaltet im Zellkern Gene für Enzym-Produktion ein (2) Zellkern produziert Messenger-RNA (Enzym-Bauplan) (3) an den Ribosomen werden Enzyme f. d. Abbau von A gebildet Quelle: Lehninger (1987) S. 383 21 Zellstoffwechsel 22
Zellatmung und Zitronensäurezyklus 1. Verdauung der Nährstoffe zu Monosacchariden, Aminosäuren etc. 2. Stufe 1 der Zellatmung : Abbau von Nährstoffen zu zwei--bruchstücken, der Acetylgruppe von Acetyl-oA 3. Stufe 2 der Zellatmung : Abbau des Acteyl-oA im Zitronensäurezyklus. Zitronensäurezyklus = oxidativer Abbau der Nährstoffe zu O 2 ( Drehscheibe des Stoffwechsels ). Die im Zitronensäurezyklus gebildeten energiereichen -Atome werden in Form von NAD (Nicotinamid-Adenin- Dinukleotid) weitergereicht an: 4. Stufe 3 der Zellatmung: Atmungskette Quelle: Vogel (1968), S. 302 23 Atmungskette 4. Stufe 3 der Zellatmung: Atmungskette ier größter Teil der Energieerzeugung. Der Zitronensäurezyklus liefert nur wenig Energie. In der Atmungskette werden energiereiche -Atome der NAD mit molekularem Sauerstoff zu Wasser umgesetzt. Mit der dabei freiwerdenden Energie wird ADP zu ATP umgesetzt. Zitronensäurezyklus und Atmungskette sind in den Mitochondrien ( Kraftwerke der Zelle ) lokalisiert. Quelle: Lehninger (1987), S. 482 24
ATP: wichtigster Energieträger der Zelle Speicherung von Energie im Stoffwechsel durch Umwandlung von ADP (Adenosindiphosphat) zu ATP (Adenosintriphosphat) Diese Energie wird bei Bedarf wieder freigesetzt durch ydrolyse von ATP zu ADP Pro Tag setzt der Körper ca. 190 kg ADP zu ATP um Im Körper vorhandene ATP-Menge: 50 g Quelle: Lehninger (1987), S. 379 25