Bionanotechnologie 7
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Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Bioenergetik Quellen: 1. Physiologie des Menschen (mit Pathophysiologie) R.F. Schmidt, F. Lang, G. Thews, 29. Auflage Springer Medizin Verlag Heidelberg (2005), ISBN 3-540-21882-3. 2. www.cg.bnv bamberg.de/t3/fileadmin/images/fachbereiche/biologie/dateien/kh-abbau.ppt Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Die Zelle Zelle mit Kern, Kernhülle, endoplasmatischem Retikulum und Golgi-Apparat. Die Kernhülle geht aus dem endoplasmatischen Retikulum hervor. Sie besteht aus zwei Membranlagen, deren Zwischenräume als Zysternen bezeichnet werden. Das endoplasmatische Retikulum ist teilweise mit Ribosomen besetzt. Der Golgi-Apparat ist ein Membranstapel, aus dem sich ständig kleine Bläschen (Vesikel) abschnüren. Diese sind mit lebenswichtigen Molekülen gefüllt (z.B. Insulin) und stehen zur Exozytose bereit. Nach Löffler u. Petrides (2003). Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Mitochondrium Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Die äußere Mitochondrienmembran ist durchlässig für die meisten Ionen und kleine Moleküle. Die innere Mitochondrienmembran ist undurchlässig - Transporter inder inneren Membran benötigt. Innere Membran als Sitz der Enzyme und Komponenten der oxidativen Phosphorylierung. Mitochondrienmatrix enthält oxidative Enzyme, Enzyme des Zitronensäurezyklus und der Fettsäureoxidation. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Struktur und Funktion des Mitochondriums Das ca. 100x100x1000 nm3 große Organell besitzt eine stark gefaltete innere Membran, an der die enzymatischen Prozesse ablaufen. Nahrungsmoleküle treten ins Mitochondrium ein und werden im Zitronesäurezyklus metabolisiert. Mit Hilfe verschiedener Enzyme werden Protonen zwischen äußerer und innerer Mitochondrienmembran angehäuft. Die daraus resultierende chemische Triebkraft treibt eine Protonenpumpe (ATPase = ATP-Synthase) zur Bildung von ATP. Dieses energiereiche Produkt verlässt das Mitochodrium und steht der Zelle als „Kraftstoff“ zur Verfügung (Alberts, Bray und Lewis (2002)). Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Wichtige Begriffe und Fragen: ATP, ADP o.k. ATP-Synthase o.k. Zitronensäurezyklus ? Elektronentransportkette ? NAD, NADH ? Azetyl-CoA ? Pyruvat ? Fettsäuren ? Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie ATP ATP ist die universelle Energiewährung: Das hohe Phosphorylgruppenübertragungspotenzial des ATP prädestiniert es dazu, als Energiequelle für die Muskelkontraktion, den aktiven Transport, die Signalverstärkung und für Biosynthesen zu fungieren. Die Hydrolyse eines ATP-Moleküls verändert das Gleichgewichtverhältnis von Produkten zu Reaktanden bei einer gekoppelten Reaktion etwa um den Faktor 108. So kann durch Kopplung mit einer Hydrolyse genügend vieler ATP-Moleküle aus einer thermodynamisch ungünstigen Reaktion eine sehr günstige werden. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie NAD, NADH ? Gewinnung von Energie aus der Verbrennung (Oxidation) von Stoffen Oxidative Phosphorylierung Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie NAD, NADH ? Prinzip der oxidativen Phosphorylierung: 1. Reduzierte Carriermoleküle (NADH, FADH) übertragen Elektronen, die ein hohes Potential besitzen, über eine Elektronentransportkette in der inneren Membran der Mitochondrien auf O2 2. Elektronenfluss ermöglicht Aufbau eines Protonengradienten 3. Ausgleich des Protonengradienten zur ATP-Synthese benutzt Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie NAD, NADH ? Treibende Kraft der oxidativen Phosphorylierung: Elektronenübertragungspotential von NADH2 und FADH2 von NADH2: ΔE = -0,32 V von O2: ΔE = +0,82 V Differenz: -1,14 V Freie Energie: ~220 kJ/mol Oxidation von Brennstoffen ( Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie NAD, NADH ? Elektronencarrier NAD FAD Die Struktur der oxidierten Form des Nicotinamidadenindinucleotids (NAD+) und des Nicotinamidadenindinucleotidphosphats. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie FAD = flavin adenine dinucleotide FAD + 2H. Æ FADH2 Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Reaktive Teile NAD+ FAD oxidierte Form Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien NADH FADH2 reduzierte Form Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie NAD, NADH ? Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie NAD, NADH ? Ereignisse bei der oxidativen Phosphorylierung Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie O || CH3 - C –OH Acetate Acetyl-CoA + Co-enzym A Æ Acetyl ~CoA Acetate group Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Acetyl-CoA ATP wird durch Oxidation von Brennstoffmolekülen wie Glucose, Fettsäuren und Aminosäuren erzeugt. Das gemeinsame Zwischenprodukt ist Acetyl-CoA. Die Kohlenstoffatome der Avetylgruppe werden im Zitronesäurezyklus vollständig zu CO2 oxidiert, wobei gleichzeitig NADH und FADH2 entstehen, Diese Elektronen-Carrier übertragen ihre Elektronen hohen Potenzials anschließend auf die Atmungskette. Der Elektronenfluss zum O2 bewirkt, dass Protonen durch die innere Mitochondrienmembran gepumpt werden. Dieser Protonengradient wird dann zur ATPSynthese benutzt. Auch bei der Glykose entsteht ATP, die erzeugte Menge ist jedoch viel geringer als bei der oxidativen Phosphorylierung. Die Oxidation von Glucose zu Pyruvat liefert nur zwei ATP, die vollständige Oxidation zu CO2 hingegen 30. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Der Kohlenhydratabbau Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Nahrungsaufnahme Mund Verdauung MagenDarmTrakt (u.a. Zucker) Dünndarm Blut Stärke Transport Pfortader Verdauungs -enzyme Glucose Leber Glykogen Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Zelle Transport Lebervene Blutkreislauf Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Glucose Gemeinsamer Abbauschritt bei Atmung und Gärung Glykolyse Zellplasma (Brenztraubensäure) (= Pyruvat) anaerob Milchsäuregärung Milchsäure ( C3 ) ( C3 ) ( 2x! ) BTS Gärungen ( C6 – Körper ) Alkoholische Gärung Ethanol + CO2 ( C2 ) Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Mitochondrium Zellatmung aerob Ox. Decarboxylierung Citratzyklus Atmungskette H2O + CO2 Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Die Glykolyse Glykolyse: Diese Folgevon Reaktionen läuft im Cytosol ab und verwandelt ein Molekül Glucose in zwei Moleküle Pyruvat, wobei zwei ATP und zwei NADH gebildet werden. Das NAD+, das die von der Glycerinaldehyd-3posphat-Deydrogenase katalysierte Reaktion verbraucht, muss regeneriert werden, damit die Glykolyse weiter ablaufen kann. Unter aneroben Bedingungen, etwa im hochaktiven Skelettmuskel, geschieht dies durch die Reduktion von Pyruvat zu Lactat. Unter aneroben Bedingungen dagegen wird NAD+ durch Elektronenübertragung von NADH auf O2 über die Elektronentransportkette regeneriert. Die Glykolyse hat zwei Hauptfunktionen: den Abbau der Glucose zur ATPErzeugung und die Bereitstellung von Kohlenstoffgerüsten für die Biosysnthese. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Die Glykolyse ATP 2 ( C6 ) BTS ( C3 ) 2 ATP ADP Glucose-6-phosphat 2 ADP ATP(Fructose-6-phosphat) 2 PEP ADP Fructose-1,6-diphosphat (DHAP) 2 NAD+ (2)GAP 2 2 NADH/H+ Dehydrierung (1,3-dPGS) = Oxidation ADP + Pi Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien (2-PGS) 2 2 ATP 3-PGS Energiegewinn Energieinvestition Glucose Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Gelangt Glucose in eine Zelle, wird sie rasch zu Glucose-6phosphat phosphoryliert, das als Glykogen gespeichert oder in Ribose-5-phosphat umgewandelt werden kann. Glykogen entsteht, wenn Glucose-6-phosphat und ATP im Überschuss vorhanden sind Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Bilanzgleichung der Glykolyse Glucose ( C6 ) + ( C6H12O6) Summenformel 2 ( ADP + Pi ) + 2 NAD+ ( CH3-C-COOH ) II O Halbstrukturformel Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien 2 BTS ( C3 ) + ( C3H4O3) 2 ATP + 2 NADH/H+ Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Die Oxidation der Glykolyse als Strukturformelgleichung Aldehydgruppe O Säuregruppe H NAD+ + H2 O C H C H2C NADH/H+ C OH O H P O ADP + Pi OH O O + H2 O ATP C H2C OH O Kondensation ! GAP = PGS = GlycerinAldehydPhosphat PhosphoGlycerinSäure Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien P O Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Gärungen Alkoholische Gärung CO2 + Milchsäure – Gärung Ethanol H I CH3 – C – H I OH Glucose Milchsäure (Lactat) NAD+ NAD+ H I CH3 – C – COOH I OH Glykolyse Hydrierung = Reduktion NADH/H+ Acetaldehyd Ethanal CH3 – C – H II O NADH/H+ BTS CO2 CH3 – C – COOH II O Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Hydrierung = Reduktion Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Bilanzgleichungen der Gärungen inklusive Glykolyse Alkoholische Gärung Glucose ( C6 ) + 2 ( ADP + Pi ) ( C6H12O6) 2 Ethanol ( C2 ) + ( C2H6O ) ( CH3-CH2OH ) 2 CO2 + 2 ATP Milchsäure – Gärung Glucose ( C6 ) + 2 ( ADP + Pi ) ( C6H12O6) Milchsäure ( C3 ) ( C3H6O3) ( CH3-CHOH-COOH ) Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien 2 + 2 ATP Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Weiterverarbeitung der Brenztraubensäure bei der Zellatmung Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie CO2 Oxidative Decarboxylierung Coenzym A BTS C3 Acetyl-CoA NAD+ NADH/H+ Citratzyklus ==Zitronensäurezyklus Tricarbonsäurezyklus Zitronensäurezyklus Citratzyklus im Überblick (Krebszyklus) Oxalessigsäure = „aktivierte Essigsäure“ C2 3 NAD+ C4 C6 Zitronensäure 3 NADH/H+ CO2 FADH2 GTP ATP FAD C4 Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien GDP + Pi C5 CO2 Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Zitronensäurezyklus (Krebszyklus) Der Zitronensäurezyklus und oxidative Phosphorylierung. Die Reaktionen dieses gemeinsamen Stoffwechselweges zur Oxidation von Brennstoffen – Kohlenhydraten, Aminosäuren und Fettsäuren – finden in den Mitrochondrien statt. Die meisten Nahrungsstoffe treten als AcetylCoA in den Zyklus ein. Die vollständige Oxidation einer Acetyleinheit erzeugt ein GTP und vier Elektronenpaare in Form von drei Molekülen NADH und einem Molekül FADH2. Diese Elektronen werden über die Elektronentransportkette auf O2 übertragen, wobei ein Protonengradient entsteht, der die ATP-Synthese antreibt. Die Elektronendonatoren werden nur oxidiert und wieder dem Zitronensäurezyklus zugeführt, wenn gleichzeitig ADP zu ATP phoshoryliert wird. Diese enge Kopplung, die man als Atmungskontrolle bezeichnet, sorgt für die Anpassung der Geschwindigkeit des Zitronensäurezyklus an den ATP-Bedarf. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Die Endoxidation in der Atmungskette Die ATP-Bildung bei dieser oxidativen Phosphorylierung erfolgt nicht direkt, wie bei der Substratketten-Phosphorylierung, sondern chemiosmotisch über einen Protonengradienten (wie bei der Photophosphorylierung). I: FMN = Flavinmononucleotid II: Fe/S-Protein Q = Ubichinon Lipid! III: Cytochrom b/c1 Cytochrom c (grün = mobile Transporter) IV: Cytochrom a/a3 Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie NADH/H+ Energie 2H FADH2 FMN I ATP Die Endoxidation in der Atmungskette NAD+ FMNH2 (II) FAD 2H Q ADP + Pi QH2 2x 1eFe3+ ATP III Fe2+ ADP + Pi 2x 1eFe3+ IV ATP ADP + Pi Wasserstofftransport = Zweielektronentransport 2H+ Fe2+ 2x 1e+ O2- ½ O2 H2O Einelektronentransport Reaktion Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien
