Alles Wichtige zur Stoffwechselbiologie

Alles Wichtige zur Stoffwechselbiologie
1. Enzyme:
- Reaktionsträgheit kann durch Wärmezufuhr überwunden werden
- RGT – Regel, bei 10°C Erhöhung steigt die Geschwindigkeit der Reaktion auf das 2-3
Fache an.
- In Zelle kann Reaktion nicht durch Wärmezufuhr aktiviert werden, dafür gibt es Enzyme.
- Enzyme werden nicht verändert oder verbraucht
- Enzyme sind Kettenmoleküle aus Aminosäuren
- Enzyme haben ein aktives Zentrum
- Enzymatische Katalysation:
1. Substrat lagert sich an aktives Zentrum (Enzym – Substrat – Komplex)
2. Substrat ist nun im aktiven Zustand
3. Sekunden später folgt eine Reagtion und Substrat verändert sich und passt nicht mehr ins
aktive Zentrum.
4. Substrat löst sich folglich ab
5. Enzym kann neues Substrat binden.
- zwei Enzyme können ein Substrat bevorzugen, aber eine völlig verschiedene Wirkung
entfalten.
- Enzyme sind substratspezifisch, wirkungsspezifisch, abhängig von Temperatut (Optimum
bei 37°C), abhängig vom PH- Wert (Optimum bei 7), abhängig von
Substratkonzentration, abhängig von Hemmstoffen (kompetitive Hemmung: ähnliches
Substrat blockiert aktives Zentrum für eigentliche Substrat; allosterische Hemmung:
Lagern sich an anderer Stelle des Enzyms an und verändern damit die Raumstrucktur >
Substrat passt nicht mehr so gut ins aktive Zentrum), manchmal abhängig vom Coenzym
(NAD ist H2- übertragend, ATP überträgt Phosphatgruppen
2. Energieumwandlung in den Zellen (grober Überblick)
- Verdauung: Nahrung wird in kleine Moleküle zerlegt
- Zucker, Aminosäure, Glycerin und Fettsäuren werden im Zellinneren weiter abgebaut und
es entsteht vor allem aktive Essigsäure
- Aktive Essigsäure wird in Kohlendioxid und Wasser zerlegt, CO2 wird veratmet, H bindet
sich an NAD
- H an NAD gebunden reagiert mit eingeatmeten O2, freiwerdende Energie wird in Form
von ATP gebildet
2.1 Verdauung
- Im Mund wird Stärke zu Malzzucker abgebaut (Amylase)
- Im Magen wird Eiweiß in Peptide zerlegt (Pepsin)
- In der Leber spaltet der Gallensaft Fett in Fetttröpfchen
- In Bauchspeicheldrüse wird malzzucker in Traubenzucker zerlegt (Amylase), Peptide
werden in Aminosäuren zerlegt (Trypsin), vom Fett werden Fettsäuren abgespalten
(Lipase)
- Der Dünndarmsaft spaltet Malzzucker weiter in Traubenzucker auf (Maltase, Amylase),
Peptide werden weiter zu Aminosäuren zerlegt (Erepsin) und Fett wird in Glycerin und
Fettsäuren zerlegt (Lipase)
3. Glykolyse
- Glucose wird unter ATP Verbrauch zu Fructose – Diphosphat
- Fructose – Diphosphat wird zu 2 Glycerinaldehyd – Phosphat
-
-
Glycerinaldehyd - Phosphat wird zu Glycerinsäure – Phosphat oxidiert (2 H –Atome
werden abgespalten und auf NAD übertragen, gleichzeitig entsteht aus ADP + P = ATP)
Eine weitere Phosphatgruppe wird umgelagert und Wasser wird abgespalten > Bildung
eines weitern ATPs > es entsteht Brenztrauebnsäure, die ins Mitochondrium
transpotiert wird.
Zusammenfassend: 1 Glukose wird in 2 Brenztraubensäure zerlegt. Die Spaltung hat eine
geringe Ausbeute an NADH2 und ATP. Die Glykolyse findet im Cytoplasma statt. Sie
kann nur ablaufen, wenn genügend NAD+ vorhanden ist, um H aufzunehmen.
4. Zitronensäurezyklus
Von der Brenztraubensäure wird CO2 und H2 abgespalten. Das H2 wird an NAD gebunden.
Es entsteht Essigsäure, die an Coenzym A gebunden wird > aktivierte Essigsäure, die in den
Citronensäurezyklus eintritt. Die Hauptaufgabe des Zyklus ist CH3 Gruppen zu oxidieren.
- aktivierte Essigsäure + Oxalsäure = Zitronensäure (Coenzym A wird frei)
- aus Zitronensäure wird unter Abspaltung von H2 und CO2 Oxalsäure zurückgebildet.
- Es erfolgt ein vollständiger Stoffabbau. Es werden genau so viele C – Atome, die in Form
von aktivierter Essigsäure in den Zyklus eintreten als CO2 – Atome freigesetzt.
5. Atmungskette
Hier werden große Mengen ATP gebildet. In der Glykolyse und in dem TCC werden H2
abgespalten, die sich an NAD binden. NADH muß aber wieder zu NAD oxidiert werden,
sonst kämen die Oxidationsvorgänge in den beiden Zyklen zum Erliegen. NADH gibt H2O an
Enzym ab, die eine Redoxsystemkette (Atmungskette) bilden. Bei der Atmungskette wird
Energie abgegeben. Die Elektronen müssen „bergauf“ wandern zum O2 > H2O. Bei der
Oxidation von H2 zu H2O wird viel Energie frei. Diese wird stufenweise freigesetzt und ATP
wird gebildet.
6. ATP – Synthese (Herstellung)
- Vorraussetzung zur ATP – Bildung: ADP und P müssen in ausreichender Menge
vorhanden sein. Dies ist gewährleistet durch 2 Trasportproteine in der
Mitochondrienmembran. Das eine transportiert P und H in den Innenraum, dass andere
ADP hinein und ATP hinaus.
- Herstellung von ATP wird enzymatisch katalysiert (ATP – Synthase)
- Energie für Reaktion ADP + P = ATP liefert der H+ - Ionengradient. H+ Ionen können
nicht zurückdiffundieren. ATP- Synthase ist so in die Membran integriert, dass dort die
H+ - Ionen in den Innenraum des Mitochondriums fließen. Die Energie der fließenden H+
- Ionen nutzt das Enzym wie eine Turbine zur Herstellung von ATP.
7. Glukoseabbau ohne Sauerstoff (anaerobe Atmung)
Alkoholgärung durch Hefe: Unter Luftabschluß vergären Hefe Glukose zu Ethanol und CO2.
Die Hefen nutzen die ATP – Bildung in der Glykolyse.
- Brenztraubensäure wird ohne H2 – Entzug decarboxiliert. Es entsteht Acetaldehyd.
- Acetaldehyd wird mit Hilfe von coenzymgebundenen H2 aus der Glykolyse zu Ethanol
reduziert. Dadurch wird NAD zurückgewonnen
- Summengleichung:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 P >>> 2 C2H5OH + 2CO2 + 2ATP Pro Molekül Glukose werden
zwei ATP gebildet.
Milchsäuregärung: Brenztraubensäure wird unmittelbar mit Hilfe des coenzymgebundenen
H2 aus der Glykolyse zu Milchsäure reduziert. Summengleichung: C6H12O6 + 2 ADP + 2 P
>> 2 C3H603 + 2 ATP
8. Fettabbau
Im Unterschied zur Glykolyse erfolgt der Fettabbau bis zur aktivierten Essigsäure nicht im
Cytoplasma, sondern im Innenraum des Mirochondriums. ATP kann nicht gespeicher t
werden > Regulationsmechanismus in jeder Zelle.
9. Fotosynthese
FS ist abhängig von
- Temperatur (Optimum bei 20 – 30° C)
- CO2 (Optimum bei 0,15 Vol %)
- Lichtintensität
- Lichtqualität (blau und rotes Licht)
Fotosynthesegleichung:
1. normal: 6 CO2 + 6 H2O + Licht >>> C6H12O6 + 6 O2
2. erweitert: 6 CO2 + 12 H2O + Licht >>> C6H12O6 + 6 O2 + & H2O
Primärprozess:
- Licht bewirkt eine über den Antennenkomplex vermittelte Energiezufuhr zum
Reaktionszentrum des Photosystems 2. P2 geht in den angeregten Zustand P2* über.
- Die energiereichen Elektronen werden auf einen Elektronenakzeptor übertragen
(Plastochinon), Dieser ist das erste Glied eines Redoxsystems, das die Elekronen entlang
eines Energiegefälles weiterleiten. Das letzte Gliede dieser Kette ist Plastocyanin, das die
Elektronen auf das Fotosystem 1 übertragen kann.
- Im Reaktionszentrums des Photosystems 2 ist nun eine Elektronenlücke aufgetreten, die
durch Elektronen aus einem vorgeschaltetem System geschlossen wird. Dieses System übt
einen Elektronensog aus, das so H2O Moleküle spaltet. Es entstehen O2 und H+ - Ionen
und Elektronen (Photolyse)
- Auch beim Photosystem 1 bewirkt das Licht die Energiezufuhr zum Reaktionszentrum P1,
das in den angeregten Zustand P1* übergeht.
- Auch hier werden die Elektronen auf den Elektroenakzeptor Ferredoxin übertragen (erste
Gliede von redoxsystem entlang eines Energiegefälles). Endakzeptor ist NADP. Aus der
Wasserspaltung werden H+ - Ionen verwertet und es entsteht NADPH2
- Auch hier entsteht eine Elektonenlücke im Reaktionzentrum P1. Sie wird durch
Übernahme von Elektonen vom Elektronenakzeptor Plastocyanin geschlossen.
- Es kann auch zu zyklischem Elektronentransport kommen und zwar, wenn ferredoxin die
Elektronen nicht an das NADP weitergibt, sondern in Richtung auf das als Cytochrom –
bf- Komplex bezeichnete Redoxsystem
- Dieses Redoxsystem ist entscheident für die mit Elektronentransport einhergehende
Bildung von ATP.
Sekundärprozess (Calvin – Benzen- Cyclus)
- 6 Moleküle CO2 werden je einem Akzeptormolekül (Ribulosediphosphat) gebunden.
Dabei entstehen 6 Moleküle eines instabilen Zwischenprodukts.
- Jedes dieser Teilchen zerfällt sofort in je 2 Moleküle Glycerinsäure – 3- Phosphat.
- Glycerin – Säure – 3 – Phospaht wird unter Energieverbrauch zu 12 Molekülen
Glycerinaldehyd –3 – Phosphat reduziert (Energieverbrauch). Die Energie für den Antrieb
der reaktionsfolge wird durch Spaltung von 12 ATP herbeigeführt. Die H- Atome, die zur
Reduktion benötigt werden, werden durch 12 NADPH2 bereit gestellt.
- Aus 2 der 12 Glycerinaldeyd – 3 - Phosphat- Molekülen wird durch weitere
Reaktionsfolgen ein Molekül Glucose aufgebaut.
- Dann werden die Akzeptormoleküle regeneriert. Dabei werden bei einer Aufeinanderfolge
von raktionen aus den restlichen 10 Glycerinaldehyd – 3- Phosphat- Molekülen sechs
Moleküle Ribulosediphosphat rückgebildet. Dabei werden 6 Atp gespaöten.