Department für hemie TEIL 4: Atmungskette (oxidative Phosphorylierung) Toxische Derivate von Sauerstoff Stickstoffkreislauf Abbau von Aminosäuren arnstoffzyklus Fettsäurestoffwechsel Photosynthese 1
ATMUNGSKETTE - XIDATIVE PSPRYLIERUNG Department für hemie Elektronentransportkette über vier Enzymkomplexe, elektrochemische Potentialdifferenz durch die innere Mitochondrienmembran. 2 + + 1/2 2 + 2 e - 2 Reduktion jedes Sauerstoffatoms erfordert 2 + + 2 e -. Die Energie, die dabei frei wird, wird durch die Bildung von ATP konserviert. 2
1.Abschnitt Fette Proteine Pyruvat Kohlenhydrate Acetyl-oA itrat Isocitrat Department für hemie 2.Abschnitt xalacetat Tricarbonsäure- -Ketoglutarat Zyklus Succinyl-oA Malat Fumarat Succinat 2 2 2 2 3
3.Abschnitt - e -Transport und oxidative Phosphorylierung NAD NAD-Dehydrogenase ytochrom b ytochrom c 1 ytochrom c ytochromoxidase 2 + ½ 2 Ubichinon 2 e - ADP + P i 2 e - 2 e - 2 e - 2 e - 2 e - 2 e - 2 ATP Department für hemie ADP + P i ATP ADP + P i ATP 4
* NAD + + reduziertes Substrat NAD + + + oxidiertes Substrat N 2 + A Department für hemie N 2 + + R NAD + R NAD * NAD-Dehydrogenase: prosthetische Gruppe enthält das oenzym Flavinmononucleotid (FMN) und ein Eisen-Schwefel-Protein; (Flavinmononucleotid bzw. Flavindinucleotid enthalten das Vitamin Riboflavin!) 5
* Ubichinon (oenzym Q) : sammelt Reduktionsäquivalente von flavinabhängigen Dehydrogenasen; Department für hemie 3 3 + 3 3 2 2 n 3 3 + 3 3 2 2 n oxidierte Form reduzierte Form * ytochrome: eisenhaltige, e - -übertragende äm-proteine, enthalten Porphyrin * ytochromoxidase: enthält äm-gruppen, Eisen und Kupfer 6
ytochrom c hochkonserviert! Department für hemie 7
REGULATIN: Fließgleichgewicht, durch Konzentration aller beteiligten Substrate und o-substanzen beinflußt. Department für hemie ADP: steigert die Geschwindigkeit ATP, NAD + : verlangsamen die Geschwindigkeit Weitere emmer für die einzelnen Enzymkomplexe: Barbitursäurederivate, Antimycin A, Kohlenmonoxid, Schwefelwasserstoff, yanid Entkopplung von Elektronentransport und ATP-Bildung durch Dinitrophenol, Valinomycin. Produktion von Thermogenin (Entkoppler) bei Winterschlaf Leerlauf, keine ATP-Bildung, Energie wird als Wärme frei! 8
Toxische Derivate von Sauerstoff Bei einigen wenigen xidationsvorgängen im rganismus Kann das hochreaktive und zerstörend wirkende Radikal 2.- (Superoxidanion) aus Sauerstoff entstehen. 2 + Entschärfung:.- 2 +.- 2 Superoxiddismutase 2 2 + 2 Department für hemie 2 2 + 2 2 Katalase 2 2 + 2 R + A 2 Peroxidase R + 2 + A Reaktive Radikale auch bei Umweltverschmutzung (saurer Regen!) 9
STIKSTFFKREISLAUF Luft ~ 78 Vol % N 2 Stickstoff-Fixierung (Mikroorganismen) Proteine Department für hemie Purine Ammoniak (N 3 ) Nitrifizierung (Bodenbakterien) Nitrat (N 3 ) arnstoff Aminosäurebiosynthese (Pflanzen) Aminosäuren (Tiere) Proteine (Pflanzen) Aminosäuren 10
Department für hemie Nodules (Knöllchen) 11
Abbau von Aminosäuren 1. TRANSAMINIERUNG: α-aminogruppe wird auf α-ketosäure verschoben, es entstehen eine neue Aminosäure und eine neue α-ketosäure. Department für hemie - - - - N 3 + N 3 + 2 + + 2 2 2 2-2 - - Glutamat xalacetat - α-ketoglutarat Aspartat Weiterer Abbau über den arnstoffzyklus (gilt für die meisten Tiere) 12
2. XIDATIVE DESAMINIERUNG : Es kommt zur Freisetzung von N 3. 2 - - 2 - Department für hemie + 3 N N + N 3 R R R N 3 = Zellgift, daher für Transport im Blut: Glutamat + N 4+ + ATP Glutamin + ADP + P i In der Niere: Glutamin + 2 Glutamat + N + 4 Ausscheidung Für die direkte Ausscheidung von Ammoniak ist sehr viel Wasser nötig, daher nur für wasserlebende rganismen geeignet. 13
3. DEARBXYLIERUNG: Eine -Gruppe wird von der Aminosäure entfernt. Es entstehen biogene Amine, die häufig wichtige Funktionen im Stoffwechsel haben: Gewebshormone (istidin - istamin) Neurotransmitter (Glutaminsäure - γ-aminobuttersäure) oenzyme Department für hemie Landreptilien und Vögel: Ausscheidung des Stickstoffs über arnsäure (sehr komplexer Biosyntheseweg) - 2 N R 14
2 + N 4 + Aspartat R-N 2 ATP ytosol 2 N 2 ATP 2 ADP + 2 P i R rnithin itrullin Zyklus Arginosuccinat Arginin 2 Department für hemie Fumarat arbamoylphosphat arnstoff- - - Mitochondrium arnstoff 2 N N 2 15
FETTSÄURESTFFWESEL Aufbau der Fettsäuren: Kohlenwasserstoffkette + endständige arboxylgruppe (siehe organische hemie!) Department für hemie Physiologische Aufgaben: - Bestandteil von Phospholipiden und Glykolipiden (siehe Membranen) - Kovalent an Proteine gebunden (hydrophobe Membrananker) - ormone und intrazelluläre Signalmoleküle - Brennstoffmoleküle (Energiespeicher, Kugeln im ytoplasma der Fettzellen) 16
Abbau der Triacylglycerine: Triacylglycerin Lipasen Glycerin + Fettsäuren R2 2 2 R 1 R 3 2 2 Department für hemie + 2 + R + 3 + Glycerin-3-Phosphat Glykolyse R R - - - sequentielle Abspaltung von 2 -Einheiten 17
Abbau der Fettsäuren: -) Aktivierung der Fettsäuren (äußere Mitochondrienmembran), Department für hemie R- - + oa + ATP Acyl-oA + AMP + PP i -) Transport (durch arnithin) aktivierter langkettiger Fettsäuren in die mitochondrale Matrix, -) β-xidation: 4 Reaktionen bei denen * die Fettsäure um eine 2 -Einheit verkürzt wird und * FAD 2, NAD und Acetyl-oA gebildet werden. Tiere können Fettsäuren NIT in Glukose umwandeln, Pflanzen schon! 18
Synthese von Fettsäuren (ytosol): = Aufeinanderfolgende Addition von 2 -Einheiten an einem Multienzymkomplex (Fettsäure-Synthase-Komplex) mit NADP als Reduktionsmittel, wobei das Substrat von einem aktiven Zentrum zum nächsten transportiert wird. Department für hemie Eventuelle Verlängerungen auf > 16 und eventuelle Doppelbindungen werden von zusätzlichen Enzymen katalysiert. 19
PTSYNTESE Department für hemie Alle freie Energie, die von biologischen Systemen verbraucht wird, stammt von der Sonne. Licht 2 + 2 ( 2 ) + 2 Saccharose Stärke Licht- und Dunkelreaktionen 20
hloroplasten: Thylakoidmembransystem (rt der Photosynthese) Durchmesser ca. 5 μm Department für hemie Lichtabsorption durch hlorophyll Elektronenanregung, Weitergabe Reduktionspotential 21
PIGMENTE: Photorezeptoren, da Netzwerk von alternierenden Einfach- und Doppelbindungen. Department für hemie * hlorophyll a, hlorophyll b absorbieren Licht bei 400-500 nm und 600-700 nm. * arotinoide (β-arotin, Lutein) * Phycobilinfarbstoffe in yanobakterien und Rotalgen (Absorption 470-650 nm;), riesige Komplexe, mehrere Mio Dalton. X = - 3 hlorophyll a X = - hlorophyll b 22
Photosysteme - Lichtsammelkomplex: hlorophylle, "Antennen" - Reaktionszentrum: auch hlorophyll - Elektronentransportkette Department für hemie Licht Photosystem I (P700) Erzeugung von Reduktionsäquivalenten NADP ATP Licht Photosystem II (P680) Übertragung von e - des Wassers auf hinon 2 23
Photosystem II: Reaktionszentrum = P680 (Pigment mit Absorption < 680 nm) Erster Schritt: Übertragung von Elektronen von 2 auf Plastochinon Licht Department für hemie 2 Q + 2 2 2 + 2 Q 2 3 3 3 3 3 2 2 Plastochinon oxidierte Form n n = 6-10 3 2 2 Plastochinol reduzierte Form n Photosystem I: Reaktionszentrum = P700 24
edo pot eta [V] P70* -1,2-1,2 F -0,8-0,8 P68 0* Licht Red -0,4-0,4 Q ADP NAD P+ N ADP ytb ATP 0 Licht ytc Pc +0,4 P hotos hotos ystem I +0,8 2 2 P hotoi hoto I I I system 2 Redoxpotential [V] -1,6-1,2-0,8-0,4 0 +0,4 +0,8 2 Lichtreaktion Licht 2 P680* Q Photosystem II yt b ADP yt c Licht ATP Pc P700* F Photosystem I Red Department für hemie NADP + NADP Q.. Plastochinon yt b.. ytochrom b yt c.. ytochrom c Pc.. Plastocyanin F.. Ferredoxin Red.. Reduktase 25
2 -Assimilation Dunkelreaktion 2 2 3-Phosphoglycerat Ribulose- 1,5-bisphosphat alvin- Zyklus 2 ATP 2 1,3-Bisphosphoglycerat 2 Glycerinaledehyd- 3-phosphat Department für hemie 2 NADP ATP Ribulose- 5-phosphat Transketolase 6 + 3 4 + 5 Aldolase 4 + 3 7 Transketolase 7 + 3 5 + 5 Fruktose- 6-phosphat UDP-Glukose Saccharose-6-Phosphat Saccharose 26 +
3 -Pflanzen (z.b. Getreide, Kartoffel) Unter 28 vorherrschend; Verbrauchen 18 ATP im alvin-zyklus; Department für hemie 4 Pflanzen (z.b. Zuckerrohr, Mais) Können 2 im Gewebe anreichern, daher Verwertung auch möglich, wenn die Außenkonzentration an 2 gering ist: 2 dringt in Stomata der mesophylen Zellen ein, es wird xalacetat (-- 2 -, 4 -Körper) gebildet, und dann in Malat bzw. Aspartat umgewandelt; Transport in Bündelscheidenzelle; dort Abspaltung von 2, das in den alvin-zyklus integriert wird. Verbrauchen insgesamt 30 ATP zur Bildung einer exose; 27