Grundlagen der Physiologie

(1)

Grundlagen der Physiologie

www.icbm.de/pmbio

Abbau eines Zuckermoleküls

Lebensweise eines

heterotrophen

Aerobiers

(2)

Stoffwechsel

Überblick

Glykolyse Citratcyklus

Chemiosmotische Prinzipien

Anabolismus - Katabolismus

o Energieinhalt von Möbeln ≈ der von Bäumen

o Aber: Umstrukturierung braucht Energie, z.B. durch Verbrennung von Holz

o Organische Stoffe als Bau- und Brennstoff der Biosynthese

o Assimilation: divergent zu vielerlei Produkten führend, <CH ₂ O> als einfache Biomasseformel o Dissimilation: konvergent zu wenigen Reaktionen

des Energiestoffwechsels führend

(3)

Wachstum mit Glucose

Assimilation: C ₆ H ₁₂ O ₆ → 6 <CH ₂ O>

<CH ₂ O> ≈ Biomasse (C ₁₀₆ H ₂₆₃ O ₁₁₀ N ₁₆ P ₁ S ₁ )

Erfahrungswert: Y _ATP ≈ 10.5 g Trockenmasse/mol ATP

Dissimilation: C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6 O ₂ → 6 CO ₂ + 6 H ₂ O

∆ G°' = -2872 kJ/mol

2872 : 75 ( ∆ G _biol von ATP) → thermodyn. Erwartung

≈ 38 ATP pro Glucose

Redfield 1963

Schritte des Glucoseabbaus

- Transport (z.T. bereits kombiniert mit Phosphorylierung) - Glykolyse (z.B. Fructose1,6-Bisphosphat-Weg)

o Aktivierung durch Phosphatreste

o Spaltung in C

₃

-Körper, teilw. Oxidation, 2 ATP (netto) - Pyruvat-Dehydrogenase

o Oxidation zu Acetat-Coenzym A + CO

₂

- Tricarbonsäure-Cyclus

o Vollst. Oxidation (2 ATP) und Drehscheibe für Assimilation - Atmungskette

o Übertragung der Reduktionsequivalente auf Sauerstoff

(kein ATP, aber Aufbau eines Protonengradienten)

(4)

Glykolyse 1

Glucose und in der Glykolyse daraus gebildete

phosphorylierte Metabolite

Phosphorylierte C ₃ -Verbindungen aus der Glykolyse sowie Pyruvat und Lactat

Glykolyse 2

(5)

Glykolyse, Umsetzung von Glucose zu Pyruvat über Fructose-1,6- Bisphosphat

Anbringen von zwei P-'Griffen'

Spaltung Oxidation und noch ein 'Griff', daraus dann ATP

2 ATP = 'Griffe' zurück gewonnen

Glykolyse 3

Energetik und Regulation der Glykolyse durch allosterische Mechanismen

Glykolyse 4

AMP ADP

∆G < 0, irreversibel

∆G ≈0, reversibel

•••• Irreversible Schritte mehrfach reguliert (ATP-Umsetzung)

Vereinfachte, unvollständige

Darstellung, z.B. je nach Organismus Reaktionen u.a. auch von Hormonen (Insulin) reguliert.

•••• ATP und G-6-P zum Teil gleichzeitig Substrat oder Produkt und Inhibitor

•••• ADP und AMP als

korrespondierende

Effektoren

(6)

Substratphosphorylierung

∆ G° ' - 15.1 kJ/mol, irreversibel

Reaktion der Hexokinase:

Substratphosphorylierung 1

• Glucose wird unter ATP-Verbrauch aktiviert

Glucose + ATP → → → → G-6-P + ADP

Energetisch vergleichbar mit Hexokinase: Reaktion der

Phosphofructokinase: F-6-P + ATP → → → → F-1,6-BP + ADP

• Rückreaktion auf durch Umweg: Glucose-6-Phosphatase

Glucose-6-P + H ₂ O → → → → Glucose + P _i

∆ G° ' - 16.7 kJ/mol, irreversibel

• 15.1 + 16.7 = 31.8 kJ/mol:

für ATP-Hydrolyse!

• Regulation zwingend zur Vermeidung eines 'futile cycle', der nichts bewirkt als ATP zu dephosphorylieren!

Substratphosphorylierung

Reaktion der

Phosphoglyceratkinase

Substratphosphorylierung 2

• Woher kommt die zweite, so energiereiche Phosphatgruppe?

GAP + NAD + P

_i

→ → → → 1,3-PGA + NADH

₂

1,3-PGA + ADP → → → → 3-PGA + ATP

∆ G ° ' nahe Null, reversibel

• Redoxreaktion: Aldehyd wird zur Säure oxidiert, NADH

₂

gebildet, Energiedifferenz zur Bindung von Phosphat genutzt

= 'Energie konserviert', Energiewandlung

• Reaktion kompliziert aber reversibel

Reaktion der Pyruvatkinase: PEP + ADP → → → → Pyruvat + ATP

∆ G ° ' < 0, irreversibel

• Liefert das netto ATP, nachdem die obige Reaktion das für die

Aktivierung nötige ATP regeneriert hat ('PEP hat Pep!')

(7)

Der Tricarbonsäure- Cyclus ist die zentrale Drehscheibe des

Stoffwechsels zwischen Anabolismus und

Katabolismus

TCC

•••• Katabolisch leistet er die vollständige Oxidation zu CO

₂

und liefert 8 [H] (3 NADH

₂

,1 FADH

₂

) + 1 ATP (Substratphosphorylierung) pro Acetyl-CoA.

Metabolite des

Tricarbonsäure-

(8)

Pyruvat-Oxidation und Tricarbonsäure-Cyclus.

o Bei der Bildung von Succinat entsteht GTP, das seinen Phosphatrest auf ADP übertragen kann

o der TCC wirkt auch als zentrale Drehscheibe für Biosynthesen, wird dann durch anaplerotische Sequenzen kurzgeschlossen

Bilanzen

Glykolyse

Glucose + 2 ADP + 2 P _i → 2 Pyr + 4 [H] + 2 ATP Pyr-DH

2 Pyr + 2CoA → 2 Acetyl-CoA + 2 CO ₂ + 4 [H]

TCC

2 Ac-CoA + 2 ADP + 2 P _i → 4 CO ₂ + 16 [H] + 2 CoA + 2 ATP Summe

Glucose + 6 H ₂ O + 4 ADP + 4 P _i → 6 CO ₂ + 24 [H] + 4 ATP (Vollst. Oxidation ohne O ₂ , nur 4 ATP konserviert

20 [H] als NADH ₂ , 4 als FADH ₂ )

(9)

Stoffwechsel

Überblick

Chemiosmotische Prinzipien

Reduktionsequivalente [H] = H

⁺

+ e

^-

(vgl. H

₂

, H

⁺

, e

^-

)

NAD, NADP, FMN, FAD im oxidierten und reduzierten Zustand. Die Positionen, die [H] übertragen, sind

markiert. NADP

unterscheidet sich von NAD durch einen Phosphatrest an der Ribose, FAD von FMN (Flavin-

Mononukleotid) durch

zusätzliches Phosphat,

Ribose und Adenin

(10)

Grundlagen der Physiologie

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Abbau eines Zuckermoleküls

Lebensweise eines

heterotrophen

Aerobiers

Stoffwechsel

Glykolyse Citratcyklus

Chemiosmotische Prinzipien

Anabolismus - Katabolismus

o Energieinhalt von Möbeln ≈ der von Bäumen

o Aber: Umstrukturierung braucht Energie, z.B. durch Verbrennung von Holz

o Organische Stoffe als Bau- und Brennstoff der Biosynthese

o Assimilation: divergent zu vielerlei Produkten führend, <CH 2 O> als einfache Biomasseformel o Dissimilation: konvergent zu wenigen Reaktionen

des Energiestoffwechsels führend

Wachstum mit Glucose

Assimilation: C 6 H 12 O 6 → 6 <CH 2 O>

<CH 2 O> ≈ Biomasse (C 106 H 263 O 110 N 16 P 1 S 1 )

Erfahrungswert: Y ATP ≈ 10.5 g Trockenmasse/mol ATP

Dissimilation: C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O

∆ G°' = -2872 kJ/mol

2872 : 75 ( ∆ G biol von ATP) → thermodyn. Erwartung

≈ 38 ATP pro Glucose

Redfield 1963

Schritte des Glucoseabbaus

- Transport (z.T. bereits kombiniert mit Phosphorylierung) - Glykolyse (z.B. Fructose1,6-Bisphosphat-Weg)

o Aktivierung durch Phosphatreste

o Spaltung in C

-Körper, teilw. Oxidation, 2 ATP (netto) - Pyruvat-Dehydrogenase

o Oxidation zu Acetat-Coenzym A + CO

- Tricarbonsäure-Cyclus

o Vollst. Oxidation (2 ATP) und Drehscheibe für Assimilation - Atmungskette

o Übertragung der Reduktionsequivalente auf Sauerstoff

(kein ATP, aber Aufbau eines Protonengradienten)

Glucose und in der Glykolyse daraus gebildete

phosphorylierte Metabolite

Phosphorylierte C 3 -Verbindungen aus der Glykolyse sowie Pyruvat und Lactat

Glykolyse, Umsetzung von Glucose zu Pyruvat über Fructose-1,6- Bisphosphat

Anbringen von zwei P-'Griffen'

Spaltung Oxidation und noch ein 'Griff', daraus dann ATP

2 ATP = 'Griffe' zurück gewonnen

Energetik und Regulation der Glykolyse durch allosterische Mechanismen

•••• Irreversible Schritte mehrfach reguliert (ATP-Umsetzung)

Vereinfachte, unvollständige

Darstellung, z.B. je nach Organismus Reaktionen u.a. auch von Hormonen (Insulin) reguliert.

•••• ATP und G-6-P zum Teil gleichzeitig Substrat oder Produkt und Inhibitor

•••• ADP und AMP als

korrespondierende

Effektoren

Substratphosphorylierung

∆ G° ' - 15.1 kJ/mol, irreversibel

Reaktion der Hexokinase:

• Glucose wird unter ATP-Verbrauch aktiviert

Glucose + ATP → → → → G-6-P + ADP

Energetisch vergleichbar mit Hexokinase: Reaktion der

Phosphofructokinase: F-6-P + ATP → → → → F-1,6-BP + ADP

• Rückreaktion auf durch Umweg: Glucose-6-Phosphatase

Glucose-6-P + H 2 O → → → → Glucose + P i

∆ G° ' - 16.7 kJ/mol, irreversibel

• 15.1 + 16.7 = 31.8 kJ/mol:

für ATP-Hydrolyse!

• Regulation zwingend zur Vermeidung eines 'futile cycle', der nichts bewirkt als ATP zu dephosphorylieren!

Substratphosphorylierung

Reaktion der

Phosphoglyceratkinase

• Woher kommt die zweite, so energiereiche Phosphatgruppe?

GAP + NAD + P

→ → → → 1,3-PGA + NADH

1,3-PGA + ADP → → → → 3-PGA + ATP

∆ G ° ' nahe Null, reversibel

• Redoxreaktion: Aldehyd wird zur Säure oxidiert, NADH

gebildet, Energiedifferenz zur Bindung von Phosphat genutzt

= 'Energie konserviert', Energiewandlung

• Reaktion kompliziert aber reversibel

Reaktion der Pyruvatkinase: PEP + ADP → → → → Pyruvat + ATP

∆ G ° ' < 0, irreversibel

• Liefert das netto ATP, nachdem die obige Reaktion das für die

Aktivierung nötige ATP regeneriert hat ('PEP hat Pep!')

Der Tricarbonsäure- Cyclus ist die zentrale Drehscheibe des

o Assimilation: divergent zu vielerlei Produkten führend, <CH ₂ O> als einfache Biomasseformel o Dissimilation: konvergent zu wenigen Reaktionen

Assimilation: C ₆ H ₁₂ O ₆ → 6 <CH ₂ O>

<CH ₂ O> ≈ Biomasse (C ₁₀₆ H ₂₆₃ O ₁₁₀ N ₁₆ P ₁ S ₁ )

Erfahrungswert: Y _ATP ≈ 10.5 g Trockenmasse/mol ATP

Dissimilation: C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6 O ₂ → 6 CO ₂ + 6 H ₂ O

2872 : 75 ( ∆ G _biol von ATP) → thermodyn. Erwartung

Phosphorylierte C ₃ -Verbindungen aus der Glykolyse sowie Pyruvat und Lactat

Glucose-6-P + H ₂ O → → → → Glucose + P _i

Glucose + 2 ADP + 2 P _i → 2 Pyr + 4 [H] + 2 ATP Pyr-DH

2 Pyr + 2CoA → 2 Acetyl-CoA + 2 CO ₂ + 4 [H]

2 Ac-CoA + 2 ADP + 2 P _i → 4 CO ₂ + 16 [H] + 2 CoA + 2 ATP Summe

Glucose + 6 H ₂ O + 4 ADP + 4 P _i → 6 CO ₂ + 24 [H] + 4 ATP (Vollst. Oxidation ohne O ₂ , nur 4 ATP konserviert

20 [H] als NADH ₂ , 4 als FADH ₂ )