Energiegewinnung - Energiestoffwechsel

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Energiegewinnung - Energiestoffwechsel
Bei der Glycolyse wird Glucose (6C) unter Energiegewinn (ADP=> ATP) in Pyruvat (3 C)
abgebaut.
Aus Pyruvat wird unter Energiegewinn Essigsäure(2C). Auch beim Abbau von Fetten und vieler
Aminosäuren entsteht Essigsäure, die als Acetyl-Coenzym A in den Citratcyclus eingespeist wird.
Dort wird in kleinen Schritten unter Energiegewinn Kohlendioxid abgespalten und Wasserstoff auf
andere Stoffe (NAD +, FAD) übertragen.
In der Atmungskette wird dieser Wasserstoff zu Wasser oxidiert, wobei wieder Energie frei wird.
Anaerobe
Organismen
(leben
ohne
Sauerstoff) stellen Milchsäure oder Ethanol
aus Glucose her,
aerobe Organismen (leben mit Sauerstoff)
produzieren bei der Glycolyse Pyruvat
("Brenztraubensäure") aus Glucose.

Allgemeines zur Glycolyse
Die Glycolyse - nach ihren Entdeckern auch
EMBDEN-MEYERHOFF-Weg
genannt
verläuft bei fast allen Organismen im
Zellplasma.
Die Glycolyse ist keine allzu effiziente
Energiegewinnung. Dennoch gibt es - auch im
menschlichen Körper - Zellen, die ihren
Energiebedarf
ausschließlich
durch die
Glycolyse decken.
.
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Biochemische Reaktionen (im Citrat-Zyklus)
Transaminierung
Bei diesem Prozess wird die -Aminogruppe auf eine -Ketosäure (2-Oxosäure) übertragen,
wobei aus der Aminosäure eine -Ketosäure wird und aus der vorherigen -Ketosäure eine
Aminosäure.
Da die Transaminierung reversibel ist, kann der Körper auch umgekehrt aus Ketosäuren
-Aminosäuren herstellen. Durch diesen Prozess können nicht essentielle Aminosäuren für die
Proteinbiosynthese hergestellt werden.
Beispiele:
Alanin
Pyruvat (Brenztraubensäure)
NH2
C
O
C
C
COOH
Phenylalanin
C
COOH
Phenylpyruvat (Phenylbrenztraubensäure)
O
NH2
C
C
C
C
COOH
COOH
http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/aminosaeuren/transam-d.html
Decarboxylierung
Als Decarboxylierung bezeichnet man eine chemische Reaktion, bei der aus einem Molekül
Kohlenstoffdioxid CO 2 abgespalten wird.
Durch Enzyme (Decarboxylasen) kann eine Decarboxylierung besonders leicht bei Carbonsäuren
(bevorzugt: β-Ketosäuren und Aminosäuren) erfolgen.
O
O
C
C
C
COOH
Decarboxylase
C
C
-Ketobuttersäure wird zu Aceton decarboxyliert.
C
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Hydrierung/Dehydrierung
Als Hydrierung bezeichnet man eine chemische Reaktion, bei der an eine Doppelbindung 2 HAtome angelagert werden. Bei einer Dehydrierung werden aus einem Molekül 2H-Atome eliminiert.
Enzyme: Hydrogenasen/Dehydrogenasen (reversible Reaktion)
Beispiel: Lactat  Pyruvat
OH
C
COOH
C
LactatDehydrogenase
LDH
-2H
+
O
C
C
COOH
+
NAD /NADH-H
H
Beispiel: Succinat  Fumarat
HOOC
H
H
C
C
H
H
SuccinatDehydrogenase
-2H
H
HOOC
COOH
FAD/FADH2
C
C
COOH
H
http://de.wikipedia.org/wiki/Nicotinamidadenindinukleotid
http://de.wikipedia.org/wiki/FADH2
Hydratisierung/Dehydratisierung
Als Hydratisierung bezeichnet man eine chemische Reaktion, bei der (an ein Molekül) Wasser
angelagert wird. Bei der Dehydratisierung wird ein Wassermolekül abgespalten.
Enzyme: Hydratasen/Dehydratasen (reversible Reaktion)
Beispiel: Fumarat

Malat
H
HOOC
C
C
COOH
FumaratHydratase*
+ H2O
- H 2O
HOOC
H
oder/bzw.
*: Fumarase
HOOC
OH
H
C
C
H
H
H
H
C
C
H
OH
COOH
COOH
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Citrat-Zyklus (Zitronensäure-Zyklus)
http://de.wikipedia.org/wiki/Citratzyklus
http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/12/bs12d.htm?bs12-22.htm
Was ist das Ziel des Citrat-Zyklus ?
Die Glycolyse lieferte ja bereits etwas Energie. Glucose wurde gespalten, und aus jedem
Glucosemolekül konnten im Endeffekt 2 ATP gewonnen werden. Wenn den Zellen allerdings
Sauerstoff zur Verfügung steht, ist eine wesentlich effektivere Oxidation der Glucose möglich, so
dass viel mehr ATP gebildet werden kann.
In den Zellen findet eine Knallgasreaktion statt, in der Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser
reagieren. Natürlich wird hier kein gasförmiger Wasserstoff eingesetzt, sondern chemisch
gebundenen Wasserstoff, z.B. in Form von NADH/H + oder FADH 2 (Co-Enzyme bei der
Dehydrierung bzw. Oxidation). Dieser chemisch gebundene Wasserstoff muss aber erst einmal
gewonnen werden. Organische Verbindungen wie Glucose enthalten jede Menge Wasserstoff (ein
Glucose-Moleküle besitzt z.B. 12 H-Atome), und die Zelle muss es irgendwie schaffen, den
organischen Molekülen möglichst viel von diesem Wasserstoff zu entziehen. Um dies zu schaffen,
hat die Natur den Citratzyklus (Zitronensäurezyklus) "erfunden". Das Ziel dieses zyklischen
Prozesses kann wie folgt formuliert werden:
Aus dem Endprodukt der Glycolyse (dem Pyruvat) sollen möglichst viele H-Atome gewonnen
werden (in Form von Form von NADH/H + oder FADH2), damit diese dann unter ATP-Bildung mit
Sauerstoff reagieren können.
Ziel des Citratzyklus
Die Abbildung hier zeigt, wie ein
Teilschritt des Citratzyklus ein
+
NAD -Teilchen reduziert, und wie
+
das so gewonnene NADH/H
anschließend unter ATP-Bildung
mit
Sauerstoff
zu
Wasser
reagiert.

Grundprinzip und
Übersicht
Der
in
den
Mitochondrien
ablaufende
Citratzyklus
(Zitronensäurezyklus) ist einer
der wichtigsten Stoffwechselwege überhaupt. Er nimmt eine
zentrale Stellung im Rahmen der
aeroben Dissimilation ein
In einem vorgeschalteten Schritt reagiert das Pyruvat aus der Glycolyse mit dem Coenzym A. Das
Pyruvat gibt eine COOH-Gruppe in Form von CO2 ab, und die beiden restlichen C-Gruppen
werden an das Coenzym A angelagert, es entsteht das sogenannte Acetyl-Coenzym A.
Da diese Reaktion gleichzeitig eine Oxidation ist, kann der freigesetzte Wasserstoff auf NAD +
übertragen werden. Bereits bei dieser vorbereitenden Reaktion entsteht also ein NADH/H + pro
Pyruvat-Molekül, also zwei pro Glucose-Molekül.
Das Acetyl-Coenzym A überträgt den Acetyl-Rest dann auf eine Verbindung namens Oxalacetat,
welche aus 4 C-Gruppen besteht. Es ensteht dabei das Citrat (6 C-Gruppen). Nach dieser
organischen Verbindung hat der ganze Zyklus seinen Namen: Citratzyklus oder
Zitronensäurezyklus.
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Und jetzt passiert etwas Eigenartiges. Das Citrat wird in mehreren Schritten abgebaut, bis am
Ende wieder Oxalacetat vorliegt. Dabei wird zweimal Kohlendioxid abgegeben, welches aber nur
als Abfallprodukt anzusehen ist (obwohl da die grünen Pflanzen anderer Meinung sind, sie leben
schließlich vom Kohlendioxid)
Viel wichtiger aber: während dieser vielen Abbauschritte wird fleißig NADH/H+ gewonnen. Die
meisten Abbauschritte sind nämlich Oxidationsreaktionen, die Wasserstoff freisetzen, der dann
vom NAD+ aufgenommen wird.
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Citrat – Zyklus im Detail
http://www.u-helmich.de/bio/stw/reihe3/citrat1.htm; http://www.u-helmich.de/bio/zell/4/index.html
Vorbereitung:
Herstellung von Acetyl-CoA aus
Coenzym A und Pyruvat
Enzym:
Pyruvat-Dehydrogenase
Diese Reaktion gehört eigentlich nicht zum Zyklus selbst,
sondern wird als letzter Schritt der Glycolyse bzw. des
Fettsäure-Abbaus angesehen.
Das Coenzym A tritt bei dieser Reaktion als Überträger
eines C2-Körpers auf.
+
+
Pyruvat + NAD + CoA ----> Acetyl-CoA + NADH/H +
CO2
Diese Reaktion wird durch den Multi-Enzym-Komplex
Pyruvat-Dehydrogenase katalysiert. Die Reaktion verläuft
exotherm. Wie man der Reaktionsgleichung entnehmen
kann, findet nicht nur eine Decarboxylierung statt
(Abspaltung von Kohlendioxid), sondern das Pyruvat wird
auch noch oxidiert (Reduktion von NAD).
Schritt 1: (nicht reversibel)
Bildung von Citrat
Im diesem ersten Schritt des Citratzyklus entsteht aus
dem Oxalacetat und dem Acetyl-Coenzym A der C6Körper Citrat:
Acetyl-CoA + Oxalacetat + H2 O ----> CoA + Citrat
Diese exotherme Kondensation wird durch das Enzym
Citrat-Synthase katalysiert.
Der 1. Schritt ist geschwindigkeitsbestimmend für den
gesamten Citrat-Zyklus. Wird die Citrat-Synthetase
gehemmt, so läuft quasi nichts mehr.
Enzym:
Citrat-Synthetase
Die Geschwindigkeit des 1. Schrittes hängt im wesentlichen von
drei Faktoren ab:
1. Konzentration des Acetyl-Coenzym A
2. Konzentration des Oxalacetats
3. Konzentration der Verbindung Succinyl-Coenzym
A
Dass die Geschwindigkeit von den beiden ersten
Faktoren abhängt, dürfte klar sein (Motto: wo nichts ist,
kann auch nichts reagieren).
Bei Punkt 3 handelt es sich um eine kompetitive
Hemmung; das Succinyl-Coenzym A hat eine ähnliche
Struktur wie das Acetyl-Coenzym A und konkurriert mit
diesem um die Citrat-Synthetase. Je mehr nun SuccinylCoA vorhanden ist, desto geringer wird die
Umsetzungsgeschwindigkeit.
Liegt genug energiereiches ATP und NADH vor, wird die
Citrat-Synthetase ebenfalls gehemmt (allosterische
Hemmung).
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Schritt 2: (reversibel)
Isomerisierung: Citrat - Isocitrat
Hier handelt es sich um eine typische Isomerisierung, wie
wir sie bereits beim 2. Schritt der Glycolyse
kennengelernt haben. Die Strukturformel des Citrats wird
nur geringförmig geändert, indem eine OH-Gruppe und
ein H-Atom ihren Platz tauschen.
Dadurch gelangt die OH-Gruppe an das zweite C-Atom
von unten und kann anschließend im dritten Schritt
oxidiert werden. Würde diese OH-Gruppe noch an der
alten Position sitzen, so wäre keine Oxidation zur
Carbonylgruppe C=O möglich (das dritte C-Atom von
unten müsste dann fünfbindig sein).
Enzym:
Aconitase
Interessant ist, dass das Gleichgewicht dieser Reaktion
stark auf der Seite des Citrats liegt (93%). Durch die
nachfolgenden Reaktionsschritte wird dem Zyklus jedoch
ständig Isocitrat entzogen, so dass auch ständig neues
Citrat zu Isocitrat umgesetzt wird.
Info für Chemiker: Zunächst wird ein Wassermolekül
abgespalten. Es bildet sich eine C=C-Doppelbindung.
(die Verbindung heißt Aconitat). Dann wird ein
Wassermolekül addiert. Dabei erhält das andere C-Atom
die OH-Gruppe.
Schritt 3: (reversibel)
Oxidation (Dehydrierung) von Isocitrat
Das Isocitrat gibt zwei Wasserstoff-Atome ab und wird
dadurch oxidiert. Die Wasserstoffatome werden durch
NAD aufgenommen.
Das Oxalsuccinat (Oxalbernsteinsäure) wird nicht
freigesetzt, sondern bleibt an das Enzym gebunden und
wird vom gleichen Enzym sofort zu Ketoglutarat
umgesetzt (Schritt 4).
Enzym:
Isocitrat-Dehydrogenase IDH
Schritt 4: (reversibel)
Decarboxylierung von Oxalsuccinat
Enzym:
Isocitrat-Dehydrogenase IDH
Aus Oxalsuccinat (Oxalbernsteinsäure) bildet sich in
einer exothermen Reaktion Ketoglutarat. Dabei wird
Kohlendioxid abgespalten.
Insgesamt wurden zu diesem Zeitpunkt bereits zwei
Kohlendioxidmoleküle abgespalten: das erste bei der
Bildung des Acetyl-Coenzym A, das zweite bei der
Bildung von Ketoglutarat. Man bedenke, dass es das im
Citratzyklus gebildete Kohlendioxid ist, welches wir beim
normalen Atmen ausatmen.
Die Isocitrat-Dehydrogenase ist für die beiden Schritte 3
und 4 verantwortlich. Es handelt sich um ein
allosterisches Enzym, welches durch ADP aktiviert und
durch ATP und NADH gehemmt wird.
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Schritt 5: (nicht reversibel)
Bildung von Succinat
Enzyme:
Ketoglutarat-Dehydrogenase (-KGDH)
Succinyl-CoenzymA
Dieser Schritt ist sehr kompliziert, weil eine Vielzahl
chemischer Reaktionen gleichzeitig ablaufen. Ein
einzelnes Enzym reicht zur Beschleunigung der Reaktion
nicht aus, es werden mehrere Enzyme benötigt, die Hand
in Hand arbeiten, ein so genannter Multienzymkomplex.
Der erste Teilschritt ähnelt in vieler Hinsicht der
Einstiegsreaktion in den Citratzyklus. Dort wurde Pyruvat
auf CoA übertragen, verlor dabei eine Carboxylgruppe in
Form von CO 2, und wurde gleichzeitig oxidiert, so dass
Reduktionsprodukte in Form von NADH freiwurden.
Genauso ist es hier:
Es wird Ketoglutarat auf CoA übertragen, auch hier wird
Kohlendioxid freigesetzt, und das Substrat wird ebenfalls
oxidiert, so dass NADH gebildet werden kann. Das
Endprodukt des ersten Teilschrittes heißt SuccinylCoenzym A.
Ketoglutarat + CoA + NAD+ --->
Succinyl-CoA + NADH/H+ + CO 2
Diese Oxidation und Decarboxylierung ist sehr exotherm. Die
Aufgabe des Coenzym A ist es, den bei der Decarboxylierung
des Ketoglutarats entstandenen C4-Körper (Succinat) zu binden
und zum nächsten Enzym des Citratzyklus zu übertragen. Nach
dieser Übertragung wird das Coenzym A wieder freigesetzt:
Succinyl-CoA + GDP/Pi ---> Succinat + CoA + GTP
Wie man sofort sieht, ist auch diese Reaktion exotherm,
sonst könnte kein energiereiches GTP gebildet werden.
Schritt 6: (nicht reversibel)
Dehydrierung (Oxidation) von Succinat Bildung von Fumarat
Enzym:
Succinat-Dehydrogenase
Die Succinat-Dehydrogenase oxidiert das Succinat zu
Fumarat. Hauptzweck dieses Schritts ist die Gewinnung
von Wasserstoff in Form von FADH2 . Gleichzeitig wird
aber auch der 8. Schritt vorbereitet, bei dem ebenfalls
Wasserstoff gewonnen wird - wir erinnern uns:
Der eigentliche Sinn des Zitratzyklus ist die Bereitstellung
von möglichst viel Wasserstoff, damit die Atmungskette
angetrieben werden kann.
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Schritt 7: (reversibel)
Hydratisierung von Fumarat Bildung von Malat
Es wird ein Wassermolekül an die Doppelbildung addiert.
Sinn und Zweck dieses Schrittes ist es, den nächsten zu
ermöglichen, bei dem dann die neue OH-Gruppe oxidiert
+
wird, um wieder NADH/H zu gewinnen.
Enzym:
Fumarase (Fumarat-Hydratase)
Schritt 8: (reversibel)
Dehydrierung (Oxidation) von Malat Bildung von Oxalacetat
In diesem letzten Schritt des Citratzyklus wird nun endlich
das Oxalacetat regeneriert. Die soeben angelagerte OH+
Gruppe wird oxidiert, es entsteht noch einmal NADH/H .
Interessanterweise
ist
diese
Reaktion
ziemlich
endotherm, und das chemische Gleichgewicht liegt stark
auf der linken Seite. Die Reaktion kann daher nur
ablaufen, wenn die Malat-Konzentration hoch und die
Oxalacetat-Konzentration niedrig ist.
Enzym:
Malat-Dehydrogenase MDH
http://www.vetbio.unizh.ch/teaching/multimedia/istw-i/S098/S098.swf
http://www.uni-koeln.de/med-fak/biochemie/biomed/wisspro/martin_kuder.html
http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/12/bs12d.htm?bs12-22.htm
http://pharm1.pharmazie.uni-greifswald.de/biochem/biochem.html
http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-medizinerneu/kohlenhydrate/glycolyse.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Citratzyklus
http://www.chemienet.info/ub8/8-bc4.html