TEIL 4: Atmungskette (oxidative Phosphorylierung) Toxische
Werbung
Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie TEIL 4: Atmungskette (oxidative Phosphorylierung) Toxische Derivate von Sauerstoff Stickstoffkreislauf Abbau von Aminosäuren Harnstoffzyklus Fettsäurestoffwechsel Photosynthese 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 1 ATMUNGSKETTE - OXIDATIVE PHOSPHORYLIERUNG Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Elektronentransportkette über vier Enzymkomplexe, elektrochemische Potentialdifferenz durch die innere Mitochondrienmembran. 2 H+ + 1/2 O2 + 2 e- H2O Reduktion jedes Sauerstoffatoms erfordert 2 H+ + 2 e-. Die Energie, die dabei frei wird, wird durch die Bildung von ATP konserviert. 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 2 Proteine 1.Abschnitt Kohlenhydrate Pyruvat Fette Acetyl-CoA Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Isocitrat Citrat -Ketoglutarat 2.Abschnitt Oxalacetat TricarbonsäureSuccinyl-CoA Zyklus Succinat Malat Fumarat 2H 04.05.2012 2H Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 2H 2H 3 NADH 2 eNADH-Dehydrogenase ADP + Pi - 2e ATP Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Ubichinon 2 e3.Abschnitt Cytochrom b 2 e- ADP + Pi - e -Transport und oxidative Phosphorylierung Cytochrom c1 ATP - 2e Cytochrom c 2 eCytochromoxidase 2 e- ADP + Pi ATP 2 H + ½ O2 04.05.2012 Biochemie für LW H2O I Unit 4 I Erika Staudacher 4 * NAD+ + reduziertes Substrat NADH + H+ + oxidiertes Substrat H H O C H C C C C CH C R O C H NH2 + H H Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie H C C C A H H C CH NH2 + H+ CH R NAD+ NADH * NADH-Dehydrogenase: prosthetische Gruppe enthält das Coenzym Flavinmononucleotid (FMN) und ein Eisen-Schwefel-Protein; (Flavinmononucleotid bzw. Flavindinucleotid enthalten das Vitamin Riboflavin !) 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 5 * Ubichinon (Coenzym Q) : sammelt Reduktionsäquivalente von flavinabhängigen Dehydrogenasen; Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie O OH C H3C H3C O O C C C C C O + C H2 C CH3 CH3 C H C C H2 H n H3C O C C H3C O C C + C H2 C oxidierte Form OH CH3 CH3 C H C C H2 H n reduzierte Form * Cytochrome: eisenhaltige, e--übertragende Häm-Proteine, enthalten Porphyrin * Cytochromoxidase: enthält Häm-Gruppen, Eisen und Kupfer 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 6 Cytochrom c – hochkonserviert ! Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 7 REGULATION: Fließgleichgewicht, durch Konzentration aller beteiligten Substrate und Co-Substanzen beinflußt. Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie ADP: steigert die Geschwindigkeit ATP, NAD+: verlangsamen die Geschwindigkeit Weitere Hemmer für die einzelnen Enzymkomplexe: Barbitursäurederivate, Antimycin A, Kohlenmonoxid, Schwefelwasserstoff, Cyanid Entkopplung von Elektronentransport und ATP-Bildung durch Dinitrophenol, Valinomycin. Produktion von Thermogenin (Entkoppler) bei Winterschlaf Leerlauf, keine ATP-Bildung, Energie wird als Wärme frei ! 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 8 Toxische Derivate von Sauerstoff Bei einigen wenigen Oxidationsvorgängen im Organismus Kann das hochreaktive und zerstörend wirkende Radikal O2.(Superoxidanion) aus Sauerstoff entstehen. 2 H+ Entschärfung: O2.- + O2.H2O2 + O2 Superoxiddismutase H2O2 + H2O2 Katalase ROOH + AH2 Peroxidase Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie 2 H2O + O2 ROH + H2O + A Reaktive Radikale auch bei Umweltverschmutzung (saurer Regen !) 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 9 STICKSTOFFKREISLAUF Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Luft ~ 78 Vol % N2 Proteine Stickstoff-Fixierung (Mikroorganismen) Ammoniak (NH3) Aminosäuren Harnstoff (Tiere) Proteine Nitrifizierung (Bodenbakterien) Nitrat (NO3) 04.05.2012 (Pflanzen) Aminosäurebiosynthese (Pflanzen) Biochemie für LW Purine I Unit 4 I Erika Staudacher Aminosäuren 10 Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Nodules (Knöllchen) 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 11 Abbau von Aminosäuren 1. TRANSAMINIERUNG: Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie α-Aminogruppe wird auf α-Ketosäure verschoben, es entstehen eine neue Aminosäure und eine neue α-Ketosäure. COO- NH3+ C COOH CH2 CH2 COO- O + COO- COO- C O CH2 CH2 COO- CH2 Oxalacetat NH3+ C + COO- Glutamat C H CH2 COO- Aspartat α-Ketoglutarat Weiterer Abbau über den Harnstoffzyklus (gilt für die meisten Tiere) 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 12 2. OXIDATIVE DESAMINIERUNG : Es kommt zur Freisetzung von NH3. COO+H3N C R 2H H H2O COO- HN Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie COO C O R C + NH3 R NH3 = Zellgift, daher für Transport im Blut: Glutamat + NH4+ + ATP Glutamin + ADP + Pi In der Niere: Glutamin + H2O Glutamat + NH4+ Ausscheidung Für die direkte Ausscheidung von Ammoniak ist sehr viel Wasser nötig, daher nur für wasserlebende Organismen geeignet. 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 13 3. DECARBOXYLIERUNG: Eine COOH-Gruppe wird von der Aminosäure entfernt. Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Es entstehen biogene Amine, die häufig wichtige Funktionen im Stoffwechsel haben: Gewebshormone (Histidin - Histamin) Neurotransmitter (Glutaminsäure - γ-Aminobuttersäure) Coenzyme Landreptilien und Vögel: Ausscheidung des Stickstoffs über Harnsäure (sehr komplexer Biosyntheseweg) COOH2N C H R 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 14 Aspartat R-NH2 ATP CO2 + NH4+ 2 ATP 2 ADP + 2 Pi Arginosuccinat Harnstoff- O C Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Citrullin Carbamoylphosphat H2N Cytosol Fumarat Zyklus R H COO- C C COO- H Ornithin Arginin H2O Harnstoff Mitochondrium O H2N 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher C NH2 15 FETTSÄURESTOFFWECHSEL Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Aufbau der Fettsäuren: Kohlenwasserstoffkette + endständige Carboxylgruppe (siehe organische Chemie !) Physiologische Aufgaben: - Bestandteil von Phospholipiden und Glykolipiden (siehe Membranen) - Kovalent an Proteine gebunden (hydrophobe Membrananker) - Hormone und intrazelluläre Signalmoleküle - Brennstoffmoleküle (Energiespeicher, Kugeln im Cytoplasma der Fettzellen) 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 16 Abbau der Triacylglycerine: Triacylglycerin Glycerin Lipasen + Fettsäuren Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie O O O R2 C O CH2 C CH2 O C R CH2 R1 + H2 O H O C HO C CH2 R3 C OO OH H + R C OO OH R O + 3 H+ C - O Glycerin-3-Phosphat sequentielle Abspaltung von C2-Einheiten Glykolyse 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 17 Abbau der Fettsäuren: -) Aktivierung der Fettsäuren (äußere Mitochondrienmembran), R-COO- + CoA + ATP Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Acyl-CoA + AMP + PPi -) Transport (durch Carnithin) aktivierter langkettiger Fettsäuren in die mitochondrale Matrix, -) β-Oxidation: 4 Reaktionen bei denen * die Fettsäure um eine C2-Einheit verkürzt wird und * FADH2, NADH und Acetyl-CoA gebildet werden. Tiere können Fettsäuren NICHT in Glukose umwandeln, Pflanzen schon ! 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 18 Synthese von Fettsäuren (Cytosol): Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie = Aufeinanderfolgende Addition von C2-Einheiten an einem Multienzymkomplex (Fettsäure-Synthase-Komplex) mit NADPH als Reduktionsmittel, wobei das Substrat von einem aktiven Zentrum zum nächsten transportiert wird. Eventuelle Verlängerungen auf > C16 und eventuelle Doppelbindungen werden von zusätzlichen Enzymen katalysiert. 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 19 PHOTOSYNTHESE Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Alle freie Energie, die von biologischen Systemen verbraucht wird, stammt von der Sonne. Licht H2O + CO2 (CH2O) + O2 Saccharose Stärke Licht- und Dunkelreaktionen 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 20 Chloroplasten: Thylakoidmembransystem (Ort der Photosynthese) Durchmesser ca. 5 μm Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Lichtabsorption durch Chlorophyll Weitergabe Reduktionspotential 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 Elektronenanregung, I Erika Staudacher 21 PIGMENTE: Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Photorezeptoren, da Netzwerk von alternierenden Einfach- und Doppelbindungen. * Chlorophyll a, Chlorophyll b absorbieren Licht bei 400-500 nm und 600-700 nm. * Carotinoide (β-Carotin, Lutein) * Phycobilinfarbstoffe in Cyanobakterien und Rotalgen (Absorption 470-650 nm;), riesige Komplexe, mehrere Mio Dalton. X = - CH3 Chlorophyll a X = - CHO Chlorophyll b 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 22 Photosysteme - Lichtsammelkomplex: Chlorophylle, "Antennen" - Reaktionszentrum: auch Chlorophyll - Elektronentransportkette Licht Photosystem I (P700) Erzeugung von Reduktionsäquivalenten Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie NADPH ATP Licht 04.05.2012 Photosystem II (P680) Übertragung von e- des Wassers auf Chinon Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher O2 23 Photosystem II: Reaktionszentrum = P680 (Pigment mit Absorption < 680 nm) Erster Schritt: Übertragung von Elektronen von H2O auf Plastochinon Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Licht O 2 Q + 2 H2O H3C O2 + 2 QH2 H3C CH3 H3C C H2 O C H C OH C H2 CH3 H3C H n Plastochinon n = 6-10 oxidierte Form C H2 C H C C H2 H n OH Plastochinol reduzierte Form Photosystem I: Reaktionszentrum = P700 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 24 -1,6 Lichtreaktion P700* F Universität für Bodenkultur Wien Red Department für Chemie -0,8 P680* Licht ADP Q -0,4 NADP+ NADPH ATP Cyt b Cyt c 70* P F -0,8-0,8 68 P 0* hotIIo th Isytem Im syte P D A P D A D A N D A N ytc C P D A c P P P 0,4+0,4 + + N P +P P T A P T A ytb C icht L 00 ed R icht L Q -0,4-0,4 pot eta ] [V -1,2-1,2 edo Redoxpotential [V] -1,2 hh otsots steym m stey II 0,8+0,8 + 2 O 2H O H P P 2 O 0 Licht Pc Photosystem Q .. Plastochinon I +0,4 +0,8 H2O Cyt b .. Cytochrom b Cyt c .. Cytochrom c Pc .. Plastocyanin F .. Ferredoxin Red .. Reduktase Photosystem II O2 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 25 CO2-Assimilation Dunkelreaktion 2 3-Phosphoglycerat 2 ATP 2 1,3-Bisphosphoglycerat CO2 Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie 2 NADPH Ribulose1,5-bisphosphat Calvin- 2 Glycerinaledehyd3-phosphat Zyklus ATP Fruktose6-phosphat Ribulose5-phosphat 04.05.2012 C6 + C3 C4 + C3 C7 + C3 Transketolase Aldolase Transketolase Biochemie für LW I C4 + C5 C7 C5 + C5 Unit 4 I + UDP-Glukose Saccharose-6-Phosphat Erika Staudacher Saccharose 26 C3 - Pflanzen (z.B. Getreide, Kartoffel) Unter 28°C vorherrschend; Verbrauchen 18 ATP im Calvin-Zyklus; Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie C4 – Pflanzen (z.B. Zuckerrohr, Mais) Können CO2 im Gewebe anreichern, daher Verwertung auch möglich, wenn die Außenkonzentration an CO2 gering ist: CO2 dringt in Stomata der mesophylen Zellen ein, es wird Oxalacetat (COOH-COCH2-COOH, C4-Körper) gebildet, und dann in Malat bzw. Aspartat umgewandelt; Transport in Bündelscheidenzelle; dort Abspaltung von CO2, das in den Calvin-Zyklus integriert wird. Verbrauchen insgesamt 30 ATP zur Bildung einer Hexose; 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 4 I Erika Staudacher 27
