Zellstoffwechsel Stoffwechsel

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06.10.2011
Zellstoffwechsel
Stoffwechsel
Gesamtheit aller chemischen und energetischen
g
Umsetzungen
g im
Organismus.
Der Austausch erfolgt über Oberflächen und spezielle Organe.
Stoffaufnahme
Stoffabgabe
Fließgleichgewicht
1
06.10.2011
OXYDATION
Dehydrierung
- H2
CH3 – CH – COOH
CH3 – C – COOH
OH
O
+ H2
REDUKTION
Hydrierung
Milchsäure
Brenztraubensäure
A – Substrat – H + Ferment
A – Substrat + Ferment – H
Ferment – H + B – Substrat
B – Substrat – H + Ferment
H2 – übertragendes Ferment als „Vermittler“ (Katalysator)
entspricht der Funktion der Enzyme
2
06.10.2011
Aufbau eines Enzyms
Holoenzym
Proteinanteil
Nichtproteinanteil
Apoenzym
Coenzym
Wirkungsmechanismus von Enzymen
3
06.10.2011
Verdauungsenzyme:
Einteilung nach Wirkungsrichtung:
Kohlehydrate……………Amylasen
Disaccharasen,
Hexokinase, Isomerase, Aldolase,
Fette………………………Lipasen
Eiweiße…………………...Proteasen
Polypeptidasen
Dipeptidasen
Pepsin
4
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Strukturformel
von AMP, ADP
ATP
energiereiche
Verbindung
Phosphorylierung
= P-Abgabe
Phosphorylierung
ATP überträgt
üb t ä t das
d endständige
d tä di Ph
Phosphorsäuremolekül
h ä
l kül auff
Glucose und überführt sich selbst damit in das um 1
Phosphatgruppe ärmere ADP
Mg ++
Glucose + ATP
Glucose – 6 – Phosphat + ADP
Hexokinase
5
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Vitamine
Fettlösliche Vitamine: A D E K
A: enge chem.
chem Beziehung zum Carotin (Retinol)
Schutzwirkung auf Epithelien
D: Steroid, kann unter UV-Einfluss in Haut Gebildet werden (Calciferol)
enth. in Leberöl, Butter
verantw. Für Ca-Resorption im Darm (Rachitis)
hoher Ca-Stoffw.
hoher Vitaminbedarf (Wachstum)
E: Tocopherol
Antioxidans, wirkt toxischen Oxidationsprodukten entgegen
stabilisiert oxidationsempfindliche Phospholipide
K: Blutgerinnungsfaktor (Faktor VII) antihämorrhag. Vitamin
Mangel: Störung in Blutgerinnung
Wasserlösliche Vitamine
• B-Komplex B1:
C
Coenzym
d
der D
Decarboxylasen
b
l
und
dd
der Ald
Aldehydtransferasen
h dt
f
wirkt
i kt b
beii
Decarboxilierung der BTS Mangel: Störungen KH-Abbau
Degeneration der Nerven und Muskelgewebe (Beri-Beri-Krankheit
19. Jh Verzehr von poliertem Reis
• B2:
Bestandteil von > 50 Enzymen (Riboflavin)
Mangel: Hauterkrankungen,
Hauterkrankungen Wachstumsstillstand
• B6: Pyridoxin
Coenzym in AS-Stoffwechsel
Mangel: Wachstumsstörungen, Anämie Lymphknotenatrophie
6
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Wasserlösliche Vitamine
• B12:
Teil von CoA, verantwortlich mit für Stoffwechsel
Mangel: Senkung der Erythrozyten (Wachstumsfaktor)
• C: Ascorbinsäure
Mangel: allg. Schwäche, Gelenkschmerzen, Skorbut
enthalten in Zitrusfrüchten, Sauerkraut
• H: Biotin
verantw. Enzymaufbau Carboxylasen
Mangel: Hauterkrankungen, Haarausfall
Entstehung von Energie im Körper
Glucose
1 Schritt
1.
Glycolyse
Pyruvat
CO2
Gärung
Acetyl CoA
CO2
Ethanol
NADH/H+
Citratzyklus
CO2
CO2
Atmungskette
O2
H2O
7
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Zellatmung
Energiegewinnung
Atmungsgleichung (Glukose)
C6 H12 O6 + 6O2
6CO2 + 6H2O + 675 kcal
Gl k l
Glykolyse
(Mil
(Milchsäuregärung)
h ä
ä
)
C6 H12 O6
2C3H6O3 + Energie
Glukose
Milchsäure
Glykolyse:
Glukose
Triose
Zitronensäurezyklus
Atmungskette
aerob
Brenztraubensäure
CO2 + H2
H2 + O
CH3-CO-COOH
CO COOH
Kohlendioxid
Wasser
anaerob
Milchsäure
8
06.10.2011
Glukose
+ATP
Glukose – 6 – phosphat
Fruktose – 6 – phosphat
ADP
6C
6C
Fruktose – 1,6 – diphosphat
1
2
+ATP
ADP
6C
2 Phosphoglyzerinaldehyd
3C
2 Diphosphoglyzerinsäure
3C
2 Phosphoglyzerinsäure
3
4
+2H3PO4 +2 ADP
2ATP
5
2 Phosphoglyzerinsäure – 2
6
2 Phosphoenolbrenztraubensäure
7
2 Brenztraubensäure
+2 ADP
2ATP
8
CH3-CO-COOH
9
06.10.2011
Entstehung von Energie im Körper
Glucose
Glycolyse
Pyruvat
CO2
2. Schritt
Gärung
Acetyl CoA
CO2
Ethanol
CO2
Citratzyklus
NADH/H+
CO2
Atmungskette
O2
H2O
Einschleusung der BTS in den ZSZ
BTS
CH3 – C – H – TPP + CO2
=
CH3 – C – COOH + TPP
=
I
I.
Azetaldehyd
O
O
Liponsäure
(CH3 – C – H) - TPP + S – CH – (CH2)4 – COOH
=
II.
Liponsre. enth.
Disulfidbindung
Reduzierung d.
Disulfidbindung
S – (CH2)2
TPP …Thiaminpyrophosphat
CH3 – C – S – Liponsre. + TPP
=
Aldehydrest
=
O
O
HS
10
06.10.2011
Einschleusung der BTS in den ZSZ
- CH3 – C - S – CoA + HS – L.
=
CH3 – C – S – L + CoA
=
III
III.
O
HS
O
Die Liponsre. wird dann von
NAD+ oxydiert
HS – L + NAD+
HS
Aktivierte Essigsäure = Acetyl-CoA
S – L – NADH + H+
HS
S
6
COOH
H2C - COOH
+ H2O
CH2 – C – S – CoA + C = O
HO – C – COOH + CoA - SH
=
O
CH2
H2C - COOH
COOH
„aktivierte
Oxalessig-
Essigsre.
Säure
2C
4C
Zitronensäure
6C
11
06.10.2011
Zitratzyklus
Grundprinzip des Zitratzyklus
C- Atom
12
06.10.2011
Bei der Regulation des Zellstoffwechsels
beteiligte Mechanismen
Vorgang
Bedeutung
Förderung der Synthese von Boten-RNA
Förderung bzw. Ausbildung d. Synthese
von Enzymen (Enzyminduktion)
Hemmung der Synthese von Boten-RNA
Hemmung der Synthese von Enzymen
und anderen Proteinen
Erhöhter Abbau von Enzymen u.a.
Proteinen durch zelleigene Proteasen
Abnahme der Enzymtätigkeit
Aktivierung u
u. Hemmung von Enzymen
Regulation der Enzymaktivität
Steigerung des Umsatzes und des
Abbaues von Nährstoffen
Erhöhte Bereitstellung von ATP für
funktionelle Leistungen (Kontraktion,
Sekretion usw.)
Endprodukthemmung von Enzymketten,
Konkurrenz um Koenzyme
Enzymregulation
Entstehung von Energie im Körper
Glucose
Glycolyse
Pyruvat
CO2
Gärung
Acetyl CoA
CO2
Ethanol
3. Schritt
NADH/H+
Citratzyklus
CO2
CO2
Atmungskette
O2
H2O
13
06.10.2011
Atmungskette
Zytochrome (enth. Fe-Ion)
H2 - Transport
Elektronen- Transport
Succinat
Ubichinon – H2
Sauerstoff O2
+
Flavoenzym – H2
NAD – H2
ZSZ
H2
(NADP – H2)
2 - + 2Fe+++ 2Fe++
-
Phyllochinon – H2
Co-Fermente
3 Wege
CO2
2 - + 2Fe+++ 2Fe++
2Fe+++
2H+
2Fe+++
O- -
H2O
Schaffung von Reaktionsbedingungen für H2 u. O2
Flavinenzyme: enthält Riboflavin (Vit. B12)
NAD….Nikotinamid – Adenin Dinukleotid
Resultat:
2 CO2 – Moleküle
Ausatmung
8 H – Atome
Atmungskette
11 ATP + 1 energiereiche Bindung
insges. 12 ATP
 Abbau von 1 Mol Glucose
24 gebildet
14
06.10.2011
Energiebilanz für 1 Mol Glucose
Glykolyse
Substratphosphorylierung……………………………2 ATP
Oxydation der bis Azetyl-CoA
Gebildeten 4 Mol NADH……………………………12 ATP
Zitronensäurezyklus………………………………..24 ATP
insges. 38 ATP
Biologischer Sinn des Zellstoffwechsels
• Oxydation des Substrat – H2
• Freiwerdende Energie stufenweise gewinnen, um sie für
die Zelle besser nutzbar zu machen
• Oxydationsenergie wird zum Aufbau energiereicher
Adenosinphosphate verwendet.
= oxydative Phosphorylierung
15
06.10.2011
Proteinsynthese
Der genetische Code
U
U
C
A
G
UUU
UUC
UUA
UUG
CUU
CUC
CUA
CUG
AUU
AUC
UC
AUA
AUG
GUU
GUC
GUA
GUG
C
Phe
Leu
Leu
Ile
e
Met
Val
UCU
UCC
UCA
UCG
CCU
CCC
CCA
CCG
ACU
ACC
CC
ACA
ACG
GCU
GCC
GCA
GCG
A
Ser
Pro
Thr
Ala
G
UAU
UAC
UAA
UAG
UGU
UGC
ochre UGA
amber UGG
CAU
CAC
CAA
CAG
His
AAU
AAC
C
AAA
AAG
GAU
GAC
GAA
GAG
Tyr
Gln
Asn
Lys
Asp
Glu
CGU
CGC
CGA
CGG
AGU
AGC
GC
AGA
AGG
GGU
GGC
GGA
GGG
Cys
opal
Trp
Arg
Ser
Arg
Gly
U
C
A
G
U
C
A
G
U
C
A
G
U
C
A
G
16
06.10.2011
Schritte von
der
Transkription
eines Gens bis
zur
Proteinbildung
Translation: a. Ribosom mit P- und A-Ort, kleine Untereinheiten mit m-RNA in
Kontakt; b. erste Aminoacyl-t-RNA am P-Prt, Einrücken eines zweiten Moleküls
in den A-Art; c. Verknüpfung der Aminosäuren; d. Entlassung der ersten t-RNA
aus dem P-Ort; e. Die zweite Aminoacyl-t-RNA ist an den P-Ort gerückt
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06.10.2011
Gengesteuerte Proteinsynthese
Aufbau einer eukaryotischen Transkriptionseinheit
Schematische Darstellung der drei Grundelemente einer eukariotischen
Transkriptionseinheit mit Angabe der regulatorischen Sequenzen im Promotor
(TATA-Box) un der 3`-Region (AATAAA- und PyGTGTTPyPy-Signal; PY =
Pyrimidin). Das vorliegende Strukturgen besteht aus fünf Exons (E1 – E5), die
durch vier Introns (I1 – I4) voneinander getrennt sind.
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06.10.2011
Organisation von Genen in einem Chromosom und Beispiel für den
Aufbau eines Gens bei Wirbeltieren
Replikation
1.
Besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Zellteilungen der nur eine
identische Replikation vorausgeht
2.
Stark abgewandelte 1. Teilungsphase
homologen Chromosomen
3.
Bildung von Bivalenten (Tetraden)
4
4.
Interchromosomale Rekombination
Erbanlagen
5.
Kreuzweise Umtausch
homologen Chromosomen
Längspaarung der
zufällige Vereilung der
Crossing over zwischen nicht
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06.10.2011
Schematische Darstellung des
Stoffaustausches
20
06.10.2011
Natrium-Kalium-Pumpe, ein besonderer Fall von aktivem Transport
Passiver und aktiver Transport im Vergleich
21
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