Metabolismus(3) Stoffwechsel VorlesungZell-und Molekularbiologie

(1)

Stoffwechsel

Vorlesung

Zell- und Molekularbiologie

Metabolismus (3)

Stoffwechsel

Überblick

Glykolyse Citratcyklus

Chemiosmotische

Prinzipien

(2)

Glucose und in der Glykolyse daraus gebildete

phosphorylierte Metabolite

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

Glykolyse 2

(3)

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

(4)

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 + ATP → G-6-P + ADP

∆ 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!')

(5)

Reaktion der Pyruvat- Dehydrogenase

Pyr + (HS-)CoA + NAD → Acetyl-CoA + NADH ₂ + CO ₂ Multienzym-Komplex

mit mehreren Enzymen und Cofaktoren

• Redoxreaktion, erste Bildung von CO

₂

, Aktivierung von Acetat durch Coenzym A statt ATP

• Aktivierung durch CoA (Thioester) entspricht energetisch der mit Phosphat, kann sogar ausgetauscht werden:

Phosphotransacetylase: Ac-CoA + Pi <=> Ac-P + CoA

• Acetatkinase wichtige ATP-liefernde Reaktion bei Anaerobiern:

Ac-P + ADP → Ac + ATP

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.

(6)

Metabolite des Tricarbonsäure- Cyclus

TCC-Metabolite

Stoffwechsel

Überblick

Chemiosmotische

Prinzipien

(7)

+ - + - + - + - + - + -

Prinzip der chemiosmotischen Energiekonservierung

Energiewandlung : elektrochemischer Gradient/chemische Reaktion

• Bakterium oder Mitochondrium (= ehemaliges Bakterium)

• Die Atmungskette könnte auch ein Photosystem in einem Chloroplasten oder Bakterium sein.

• H

⁺

könnte auch Na

⁺

sein.

• Es gibt keine Elektronentransport- Phosphorylierung, oxidative Phosphory- lierung oder Photo- phosphorylierung.

Reversible Phosphorylierung von ADP gekoppelt an den Transport von Protonen über eine Membran durch die ATP-Synthase oder ATPase

_ _ _ _ _ _

+ + + + + +

ATPase 1

(8)

Eines der wichtigsten Enzyme irdischer Lebewesen.

ATPase 3

(9)

• Die wichtigste chemiosmotische Triebkraft ist nicht der Protonengradient sondern das Membranpotenzial.

Was treibt die Protonen über die Membran?

• Obwohl eine Prokaryotenzelle (oder ein Mitochondrium bzw. Chlorplast) nur ca. sechs freie Protonen enthält, können viele hunderttausend gepumpt werden. Das Plasma ist extrem gut gepuffert.

• Elektrische Ladungen werden nicht abgepuffert - jede Ladung zählt.

• Die Nernstsche Gleichung kann in gleicher Weise für Redoxreaktionen wie für Membranpotenziale verwendet werden. Es geht immer nur um die Ungleichverteilung und die Wahrscheinlichkeit von Vorgängen.

Chemiosmotische Energiewandlung

Metabolismus(3) Stoffwechsel VorlesungZell-und Molekularbiologie

Stoffwechsel

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Zell- und Molekularbiologie

Metabolismus (3)

Stoffwechsel

Glykolyse Citratcyklus

Chemiosmotische

Prinzipien

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 + ATP → G-6-P + ADP

∆ 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!')

Reaktion der Pyruvat- Dehydrogenase

Pyr + (HS-)CoA + NAD → Acetyl-CoA + NADH 2 + CO 2 Multienzym-Komplex

mit mehreren Enzymen und Cofaktoren

• Redoxreaktion, erste Bildung von CO

, Aktivierung von Acetat durch Coenzym A statt ATP

• Aktivierung durch CoA (Thioester) entspricht energetisch der mit Phosphat, kann sogar ausgetauscht werden:

Phosphotransacetylase: Ac-CoA + Pi <=> Ac-P + CoA

• Acetatkinase wichtige ATP-liefernde Reaktion bei Anaerobiern:

Ac-P + ADP → Ac + ATP

Der Tricarbonsäure- Cyclus ist die zentrale Drehscheibe des

Stoffwechsels zwischen Anabolismus und

Katabolismus

• Katabolisch leistet er die

vollständige Oxidation zu

CO

und liefert 8 [H] (3

NADH

,1 FADH

) + 1 ATP

(Substratphosphorylierung)

pro Acetyl-CoA.

Metabolite des Tricarbonsäure- Cyclus

Stoffwechsel

Chemiosmotische

Prinzipien

+ - + - + - + - + - + -

+ - + - + - + - + - + -

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

Pyr + (HS-)CoA + NAD → Acetyl-CoA + NADH ₂ + CO ₂ Multienzym-Komplex