Inhaltsverzeichnis - Kapitel 1. Einleitung: Die Chemie des Lebens 2. Kohlenhydrate 3. Lipide und Membranen 4. Nukleinsäuren 5. Aminosäuren und Proteine 6. Enzyme und Katalyse 7. Vitamine & Kofaktoren 8. Stoffwechsel I: 9. Stoffwechsel II: Citratcyclus & oxidative Phosphorylierung 10.Stoffwechsel III: β-oxidation & Aminosäureabbau 11.Stoffwechselphysiologie & Ernährungsbiochemie 1 2
Stoffwechsel 1 Überblick über metabolische Prozesse Die Prinzipien des Stoffwechsels sind in allen Organismen gleich ( Evolution / Thermodynamische Gesetze ): -> Reaktionstypen Regulation - speicherbare Energie Organismen unterscheiden sich jedoch in ihrer trophischen Strategie (autotroph, heterotroph, etc.). - Autotrophe Organismen (fotosynthetisierende Organismen): bauen das anorganische Material durch Fotosynthese unter Produktion von O 2 in organische Substanz um, die den heterotrophen Organismen als Nahrung dienen - Heterotrophe Organismen: bauen die organische Substanz ab um aus ihr Energie zu gewinnen - unter sauerstoffarmen Bedingungen: anaerober Abbau oder Gärung - unter sauerstoffreichen Bedingungen: aerober Abbau oder Atmung 3 Stoffwechsel 1 Überblick über metabolische Prozesse Anaerober Abbau von organischen Substanzen: 2 Wege 1. GÄRUNG: O 2 fehlt; organisches Substrat dient als H-Akzeptor (z.b. Hefen) 2. ANAEROBE ATMUNG: NO 3 oder SO 4 dienen als H-Akzeptoren Endprodukte sind auch v.a. CO 2 und H 2 O. 4
Stoffwechsel 1 Stoffwechselwege Eine Abfolge spezifischer Reaktionen, die zu einem definierten Produkt führen wird als STOFFWECHSELWEG bezeichnet. Der Abbau verschiedener Substanzklassen führt zu einem zentralen Stoffwechselprodukt (Acetyl-CoA), das dann weiter abgebaut (oxidiert) wird. Dabei werden reduzierte Coenzyme generiert (FADH 2 und NADPH), die im weiteren Verlauf durch Sauerstoff (re-)oxidert werden. (oxidative Phosphorylierung). Bei diesem Prozess entsteht ATP (Adenosintriphosphat), das universell als Energieträger eingesetzt werden kann. 5 Stoffwechsel 1 Katabole und anabole Stoffwechselwege Katabolismus Reaktion des Körpers auf Belastung Abbau von Stoffwechselprodukten zu einfachen Molekülen Energiegewinnung für anabole Reaktionen (exergonisch) Anabolismus Aufbau von körpereigenen Bestandteilen Energie wird verbraucht (endergonisch) Energie stammt aus katabolen Reaktionen Kurzzeitiger Energiespeicher und Energieüberträger = ATP Katabolismus Anabolismus Katabole und anabole Reaktionen hängen voneinander ab, aber laufen in der Zelle nicht gleichzeitig ab. 6
Stoffwechsel 1 Katabole und anabole Stoffwechselwege Produkte des katabolen Stoffwechsels werden in exergonischen Reaktionen gebildet und daher muss für die Umkehrung des Prozesses (anabole Stoffwechselwege) ein energieliefernder Schritt eingeschaltet werden! Daher unterscheiden sich katabole und anabole Stoffwechselwege in mindestens einem Schritt! Dies ist von Vorteil, da die Prozesse damit unabhängig voneinander reguliert werden können: Stoffwechselweg A Stoffwechselweg XY 7 Stoffwechsel 1 Katabole Stoffwechselwege: E-Gewinnung Kataboler Stoffwechsel: 8
Stoffwechsel 1 Regulation von Stoffwechselwegen Allosterische Regulation: Ein Endprodukt hemmt eine frühe Reaktion im Stoffwechselweg (negative Rückkopplung) Diese sogenannten Effektoren binden an allosterische Taschen ( aktives Zentrum) am Enzym Produkthemmung/negative Rückkopplung Allosterie: Veränderung der Konformation unter Beeinflussung des aktiven Zentrums / Bindungszentrums 9 Stoffwechsel 1 Energiereiche Verbindungen Die vollständige Oxidation von Kohlenhydraten und Fetten setzt Energie frei, die in Form von sog. Energiereichen Verbindungen gespeichert wird (vor allem ATP). Diese Verbindungen können dann dazu verwendet werden endergonische Reaktionen ( uphill -> Reaktion braucht Energie) anzutreiben. 10
Stoffwechsel 1 Warum ist ATP ein energiereiches Molekül? Im Anhydrid konkurrieren die beiden Sauerstoffatome um die Elektronen des Brückensauerstoffatoms. Außerdem kommt es zur elektrostatische Abstoßung der negativen Ladungen im Anhydrid. Die hydratisierten Produkte sind besser solvatisiert und daher energieärmer. Spaltung einer Anhydrid- Bindung setzt > 30 kj/ mol an Energie frei! 11 Stoffwechsel 1 Acylphosphate In Acylphosphaten besteht eine noch größere Konkurrenz um die Elektronen des Brückensauerstoffs. Daher besitzen diese Verbindungen ein höheres Phosphatgruppenübertragungspotential als ATP. Acylphosphate sind gemischte Phosphorsäure/Carbonsäure Anhydride 12
Stoffwechsel 1 Thioester Auch die Hydrolyse einer Thioesterbindung ist exergonisch und kann für die Synthese von ATP verwendet werden! 13 Stoffwechsel 1 Phosphatgruppenübertragungspotential Verbindungen mit hohem Potential können die Phosphatgruppe auf Verbindungen mit niedrigem Potential übertragen. ATP steht dabei im Zentrum der Übertragungswege. 14
Stoffwechsel 1 Kopplung von Reaktionen Wie kann eine exergonische Reaktion eine endergonische antreiben? + - Endergone Reaktion Exergone Reaktion Gibbs-Energie Chemische Reaktionen folgen den Gesetzen der Thermodynamik. Dabei ist die Veränderung der Gibbs-Energie ΔG das entscheidende Kriterium: ΔG < 0: ΔG = 0: ΔG > 0: exergone Reaktion läuft spontan ab Gleichgewicht keine Reaktion endergone Reaktion braucht Energie-Zufuhr 15 Stoffwechsel 1 Beispiele für gekoppelte Reaktionen 16
Stoffwechsel 1 Bildung von ATP im Stoffwechsel ATP wird permanent im menschlichen Körper umgesetzt (ca. 1,5 kg/h!) und muss daher ständig generiert werden. Es gibt drei prinzipielle Wege ATP herzustellen: 17 Abbau von Kohlenhydraten - Glycolyse Die Glykolyse (gr.: glykys = süß; lysis = auflösen) ist der schrittweise Abbau von C 6 - Zuckern wie der Glucose zu 2 C 3 -Molekülen (Pyruvat) und besteht aus 10 enzymatischen Einzelschritten. Sie ist ein zentraler, katabolischer Prozess zur Energiegewinnung in den Zellen der meisten Lebewesen. Sie ist der einzige metabolische Weg, den fast alle Organismen gemeinsam haben, was auf eine sehr frühe Entstehung hinweist. Insgesamt werden 2 Moleküle ATP pro Molekül Glucose hergestellt. Weiters entstehen 2 Moleküle NADH. Außerdem kann das Endprodukt Pyruvat zur weiteren Oxidation, d.h. Energieerzeugung verwendet werden. 18
Glycolyse - Fakten Die Glykolyse findet im Cytoplasma aller (differenzierten) Zelltypen statt Die Glykolyse liefert Energie und bereitet Glucose für den oxidativen Abbau vor Sie liefert auch Vorläufer für die Biosynthese anderer Verbindungen: Pyruvat: Dihydroxyacetonphosphat (DHAP): Phosphoenolpyruvat (PEP): 3-Phosphoglycerat (3PG): Fettsäuresynthese; Aminosäuren-Synthese (Alanin, Valin, Leucin) Lipid-Synthese Biosynthese aromatischer Aminosäuren (Phenylalanin, Tryptophan, Tyrosin) Biosynthese von L-Serin Bei der Glykolyse wird ATP 100x schneller bereitgestellt als über die vollständige oxidative Phosphorylierung in der Atmungskette. Manche spezialisierte Zellen beziehen ihre Energie ausschließlich aus der Glykolyse: Gehirn, Nierenmark, Erythrozyten, Spermien, proliferierende Tumorzellen In der Glykolyse werden neben ATP auch die Reduktionsäquivalente NADH erzeugt -> werden in der Atmungskette für weiteren ATP-Gewinn reoxidiert, oder zum Zweck der NAD + -Regeneration als Reduktionsmittel für Synthese anderer Moleküle verwendet. 19 Glycolyse auch ohne Sauerstoff Die Glykolyse läuft auch unter sauerstoffarmen/freien Bedingungen ab: Mikroorganismen können so in einem anoxischen Milieu Energie gewinnen bei Wirbeltieren: bei starker Muskelbeanspruchung muss die Zelle Energie kurzfristig ausschließlich aus der Glykolyse beziehen, da mehr O 2 verbraucht wird als vorhanden ist -> Glucose schnell durch Glykolyse und Milchsäuregärung zu Lactat umgesetzt Pflanzen betreiben die Glykolyse auch zusätzlich in den Plastiden. Dadurch kann der Stoffwechsel bei Licht- oder O 2 -Armut aufrechterhalten werden. 20
Glycolyse - Reaktionen und Enzyme 6 1 7 2 3 8 4 9 5 10 21 Glycolyse 2 PHASEN Die Glycolyse kann in zwei Abschnitte unterteilt werden: 1. INVESTMENT-Phase: -> Energie investiert Im ersten Abschnitt wird Glucose 2x phosphoryliert und schlussendlich in 2 Moleküle Glycerinaldehyd-3-phosphat zerlegt. Dieser Abschnitt verbraucht 2 Moleküle ATP pro Molekül Glucose. 2. ERNTE-Phase: -> liefert Energie und Reduktionsäquivalente Im zweiten Abschnitt wird Glycerinaldehyd-3-Phosphat (G3P) zu Pyruvat abgebaut. Bei diesem Abbau werden insgesamt 4 Moleküle ATP gebildet (2 pro G3P). Daraus ergibt sich eine Nettosynthese von 2 ATP. 22
Glycolyse - die Investment phase 1 2 Hexokinase Phosphoglucoseisomerase 3 4 Phosphofructokinase 5 Aldolase Triosephosphatisomerase 23 1. Schritt: Hexokinase 1. Phosphorylierung der Glucose: Übertragung einer Phosphatgruppe von ATP auf die C-6 Alkoholgruppe der Glucose -> Bildung des Phosphomonoesters Glucose-6-Phosphat Hexokinase 1 Molekül ATP wird investiert. Glucose-6-Phosphat reichert sich in der Zelle an, da die Zellmembran nur für Glucose durchlässig ist. Außerdem sinkt die intrazelluläre Glucose-Konzentration im Vergleich zur extrazellulären, wodurch die Aufnahme von Glucose begünstigt wird. 24
Substrat-induzierte Konformationsänderung Beispiel eines INDUCED FIT: Glucose und ATP werden im aktiven Zentrum zusammengeführt Wasser wird ausgeschlossen um Hydrolyse von ATP zu vermeiden 8 Å Offene Konformation Geschlossene Konformation 25 2. Schritt: Phosphoglucoisomerase (G6P-Isomerase) 2. Isomerisierung (Aldohexose zu Ketohexose): Die Phosphoglucoisomerase oder Glucose-6- Phosphat-Isomerase katalysiert die Isomerisierung von G6P in Fructose-6-Phosphat (F6P). Unter Standardbedingungen liegt das Gleichgewicht auf der Seite von G6P. Das Produkt F6P reagiert aber schnell weiter, darum wird es dem Gleichgewicht entzogen und die Isomerisierung läuft zu Gunsten der Ketohexose ab. Phosphoglucoisomerase 26
3. Schritt: Phosphofructokinase Ein 2. Molekül ATP wird investiert. Phosphofructokinase 27 Phosphofructokinase: 1. Kontrollpunkt der Glycolyse Warum Kontrollpunkt / Schlüsselenzym? Die Phosphofructokinase als Regulatorenzym katalysiert den Geschwindigkeitsbestimmenden Schritt ( Flaschenhals ) im ersten Teil der Glykolyse und bestimmt so entscheidend mit, wie viel verfügbare Energie die Zelle (ATP, Citrat, NADH/H + ) beziehungsweise der Organismus (Blutglucose) besitzt. (-> siehe REGULATION) Dieser dieser Schritt macht neben der Glucokinase sowie der Pyruvatkinase die Glykolyse unter physiologischen Bedingungen irreversibel. Weiters ermöglicht diese zweite Phosphorylierung im nächsten Schritt die Bildung von zwei phosphorylierten Triosen (DHAP und GAP) -> C1-C3 der F1,6bP finden sich dann in DHAP, C4-C6 in GAP. Zwei Enzymformen: PFKI (Bildung von Fructose-1,6-bisphosphat (F-1,6-BP)) PFKII (Bildung des PFK-I-Effektors und Isomers Fructose-2,6-bisphosphat (F-2,6-BP)) Beide Enzyme regulieren damit auch den Blutzucker durch Verarbeitung der Signale von Glucagon und Insulin. 28
Phosphofructokinase: Regulation Regulation: Allosterische Inhibierung: ATP : Substrathemmung NADH+H+, Citrat Allosterische Aktivierung: ADP, AMP: Energiemangelsignale F-2,6-bisP: Isomer von F-1,6,-bisP gebildet durch PFKII Aktivität der PFK als Funktion von F6P -> 29 Allosterische Regulation der Phosphofructokinase 30
Allosterische Regulation der Phosphofructokinase Allosterische Bindung von ADP/ATP ATP hemmt und AMP aktiviert das Enzym 31 4. Schritt: Aldolase 4. Spaltung in 2 Triosen: Spaltung des C-6 Zuckers F-1,6-bisP in zwei C-3 Fragment: Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) Glycerinaldehyd-3-Phosphat (GAP) Aldolase 32
5. Schritt: Triosephosphatisomerase 5. Isomerisierung von DHAP in GAP: Da nur GAP weiterverwendet wird, muss DHAP in GAP umgewandelt (isomerisiert) werden: Die Isomerisierung in GAP wird dadurch begünstigt, dass GAP in der Glykolyse weiter abgebaut wird -> Konzentration in der Zelle wird niedrig gehalten. Triosephosphatisomerase 33 Zusammenfassung Investment phase In der ersten Phase der Glycolyse wird Glucose zu 2 Glycerinaldehyd-3-Phosphat umgewandelt. Dabei wurde 2 Moleküle ATP verbraucht. In der zweiten Phase der Glycolyse findet eine Nettobiosynthese von ATP statt (Energiegewinn). 34
Glycolyse - die Ernte / Amortisierungs-Phase 6 7 Glycerinaldehyd-3-phospat 8 Phosphoglycerat-Kinase Phosphoglycerat-Mutase 9 10 Enolase Pyruvatkinase 35 6. Schritt: Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase 6. Bildung einer Energiereiche Verbindung: In dieser Reaktion wird die Oxidation und Phosphorylierung von G3P mit der Synthese von NADH gekoppelt. Gleichzeitig entsteht ein energiereiches Acylphosphat (gemischtes Säureanhydrid): 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3-BPG). GAP-Dehydrogenase 36
7. Schritt: Phosphoglycerat-Kinase 7. Substratkettenphosphorylierung 1: Dies ist der erste Schritt, in dem durch eine Substratkettenphosphorylierung ATP hergestellt wird -> 1 Molekül ATP pro 1,3-BPG. Aus 1,3-BPG entsteht dabei 3-Phosphoglycerat (3PG). Feedbackregulation: Falls die Zelle bereits viel ATP hat, hält die Reaktion an dieser Stelle an, bis wieder genügend ADP zur Verfügung steht. D.h. diese Reaktion ist auch ATP/ADP-reguliert und damit die 2. irreversible Reaktion der Glykolyse. Phosphoglycerat-Kinase 37 8. Schritt: Phosphoglycerat-Mutase 8. Umlagerung der Phosphatgruppe: Dieser Schritt ist notwendig, um in der nächsten Reaktion wieder eine energiereiche Verbindung herzustellen: Dabei wird 3-Phosphoglycerat in 2-Phosphoglycerat umgewandelt, wobei die Phosphatgruppe dabei zwischenzeitlich auf einen Aminosäurerest des Enzyms übertragen wird. Phosphoglycerat-Mutase 38
9. Schritt: Enolase 9. Bildung einer energiereichen Verbindung durch Dehydratisierung: Die Dehydratisierung von 2-Phosphglycerat generiert die energiereiche Verbindung Phosphoenolpyruvat (PEP). Dies besitzt ein hohes Phosphatgruppen- Übertragungspotential, was im letzten Schritt der Glykolyse für die Generierung eines weiteren ATPs genutzt wird. Enolase 39 10. Schritt: Pyruvatkinase 10. Substratkettenphosphorylierung 2: In der letzten glykolytischen Reaktion wird das zweite energiereiche Produkt PEP zur Synthese von ATP via Substratkettenphosphorylierung verwendet. Dabei entsteht aus PEP Pyruvat. Diese Reaktion ist ebenfalls ATP/ADPreguliert und damit die 3. irreversible Reaktion der Glykolyse. Pyruvatkinase 40
Zusammenfassung Ernte phase Aus jedem Molekül GAP werden in der Erntephase 2 Moleküle ATP durch Substratkettenphosphorylierung gewonnen, d.h. ein Nettogewinn von 2 ATP pro 1 Molekül Glucose: 1 Glucose - 2 ATP GAP Pyruvat + 2 ATP GAP Pyruvat + 2 ATP Außerdem werden 2 Moleküle NADH erzeugt, die ebenfalls zur ATP-Gewinnung herangezogen werden können (im Zuge der oxidativen Phosphorylierung). Pyruvat wird weiter abgebaut (Citratcyclus); dabei wird ebenfalls ATP generiert. 41