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BIOCHEMIE ZUSAMMENFASSUNG, Leitfäden, Projektarbeiten und Recherchen von Biochemie

BIOCHEMIE ZUSAMMENFASSUNG. GLYKOLYSE: EINLEITUNG. Warum wurde Glukose von den Lebewesen als. Energiespeicher gewählt? Es herrscht ein GGW zwischen offener ...

Art: Leitfäden, Projektarbeiten und Recherchen

2021/2022

Hochgeladen am 27.06.2022

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bg1
Carmen Joder 2017
1
BIOCHEMIE ZUSAMMENFASSUNG
GL YKOLYSE:
EI NLE ITU NG
Warum wurde Glukose von den Lebewesen als
Energiespeicher gewählt?
Es herrscht ein GGW zwischen offener und ge-
schlossener Form:
Offene Form: Aldehyd reagiert mit primären A-
minen, also auch mit Aminosäuren.
Geschlossene Form: Alles Substituenten sind in der äquatorialen
Form stabilste Form GGW liegt auf der Seite der geschlosse-
nen Form, wodurch verhindert wird, dass Proteine durch die of-
fene Form falsch gebunden werden würden
ÜB ERB LIC K
1 Glucose
2 Pyruvate + 2 ATP
Anaerobisch
Findet im Zytoplasma statt
Wird in einen Energie-konsumierenden und einen Ener-
gie-liefernden Abschnitt unterteilt
Wasserfallprinzip: Beinhaltet stark exergonische Pro-
zesse und erhöhte «Levels»
1. AB SCH NIT T: ENE RGI EKON STU MIE REN DER TEI L
1 Glucose + 2 ATP
2 Glyceraldehyde-3-phosphate (GAP)
1. Hexokinase phosphoryliert Glukose zu G6P, welches nun
in der Zelle «gefangen» ist, da es aufgrund seiner nega-
tiven Ladung die Zelle nicht mehr verlassen kann
Der Glukosetransport aus dem Blut in die Zelle verläuft
passiv (Konzentrationsabhängig)
Hexokinase:
«-Kinase»: Phosphoryliert andere Moleküle
Besteht aus 2 Flügeln: Sobald Glucose gebunden wird,
bewegen sich diese zueinander und verdrängen dabei
Wasser aus der aktiven Stelle hinaus schafft dadurch
eine gute, katalytische Umgebung. Wäre Wasser in der
aktiven Stelle vorhanden, könnte die Glukose nicht
phosphoryliert werden. Das Wasser selbst würde ATP
dephosphorylieren.
Nur die C6-OH Gruppe der Glucose ist für das ATP noch
zugänglich Dort wird die Glukose phosporyliert
Xylose is similar to glucose but has a hydrogen atom at C-5 instead
of a hydroxymethyl substituent. The rate of ATP hydrolysis of purified
hexokinase is markedly enhanced by the addition of xylose. Why?
The Enzyme mistakes xylose with glucose and binds it in the same
way. The missing OH-Group at the C6 carbon leads to a small hole
that allows water to stream in. Therefore, water dephosphorylizes
ATP instead of xylose.
2. Phosphoglukose Isomerase isomerisiert G6P(Hexose) zu
F6P(Pentose). Dies ist nur möglich, wenn sich die Glu-
kose in der offenen Kettenform befindet
Das GGW zwischen offener Kettenform und geschlosse-
ner Ringform liegt aber auf der Seite der geschlossenen
Ringform Die Isomerase muss die G6P Form aufbre-
chen und die Aldose zu einer Ketosen-Struktur umwan-
deln, welche nun beide gleich stabil sind. Die Ketose
kann nun in leicht in die F6P Pentose überführt werden
3. Phosphofruktokinase phosphoryliert F6P zu Fruktose-
1,6-bisphosphat.
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BIOCHEMIE ZUSAMMENFASSUNG

GLYKOLYSE:

EINLEITUNG

Warum wurde Glukose von den Lebewesen als Energiespeicher gewählt? Es herrscht ein GGW zwischen offener und ge- schlossener Form: Offene Form: Aldehyd → reagiert mit primären A- minen, also auch mit Aminosäuren. Geschlossene Form: Alles Substituenten sind in der äquatorialen Form→ stabilste Form → GGW liegt auf der Seite der geschlosse- nen Form, wodurch verhindert wird, dass Proteine durch die of- fene Form falsch gebunden werden würden ÜBERBLICK 1 Glucose2 Pyruvate + 2 ATP

  • Anaerobisch
  • Findet im Zytoplasma statt
  • Wird in einen Energie-konsumierenden und einen Ener- gie-liefernden Abschnitt unterteilt
  • Wasserfallprinzip: Beinhaltet stark exergonische Pro- zesse und erhöhte «Levels»

1. ABSCHNITT: ENERGIEKONSTUMIERENDER TEIL

1 Glucose + 2 ATP2 Glyceraldehyde- 3 - phosphate (GAP)

  1. Hexokinase phosphoryliert Glukose zu G6P, welches nun in der Zelle «gefangen» ist, da es aufgrund seiner nega- tiven Ladung die Zelle nicht mehr verlassen kann
  • Der Glukosetransport aus dem Blut in die Zelle verläuft passiv (Konzentrationsabhängig) Hexokinase:
  • «-Kinase»: Phosphoryliert andere Moleküle
  • Besteht aus 2 Flügeln: Sobald Glucose gebunden wird, bewegen sich diese zueinander und verdrängen dabei Wasser aus der aktiven Stelle hinaus → schafft dadurch eine gute, katalytische Umgebung. Wäre Wasser in der aktiven Stelle vorhanden, könnte die Glukose nicht phosphoryliert werden. Das Wasser selbst würde ATP dephosphorylieren.
  • Nur die C6-OH Gruppe der Glucose ist für das ATP noch zugänglich → Dort wird die Glukose phosporyliert Xylose is similar to glucose but has a hydrogen atom at C-5 instead of a hydroxymethyl substituent. The rate of ATP hydrolysis of purified hexokinase is markedly enhanced by the addition of xylose. Why? The Enzyme mistakes xylose with glucose and binds it in the same way. The missing OH-Group at the C6 carbon leads to a small hole that allows water to stream in. Therefore, water dephosphorylizes ATP instead of xylose.
  1. Phosphoglukose Isomerase isomerisiert G6P(Hexose) zu F6P(Pentose). Dies ist nur möglich, wenn sich die Glu- kose in der offenen Kettenform befindet Das GGW zwischen offener Kettenform und geschlosse- ner Ringform liegt aber auf der Seite der geschlossenen Ringform → Die Isomerase muss die G6P Form aufbre- chen und die Aldose zu einer Ketosen-Struktur umwan- deln, welche nun beide gleich stabil sind. Die Ketose kann nun in leicht in die F6P Pentose überführt werden
  2. Phosphofruktokinase phosphoryliert F6P zu Fruktose- 1,6-bisphosphat.
  • Von dieser Reaktion an, findet man die Zwischenpro- dukte normalerweise nicht mehr einfach so in der Zelle
  1. Aldolase schneidet eine Hexose (F-1,6-BP) in zwei Trio- sen (DHAP und GAP)
  • Das Gleichgewicht liegt auf der GAP-Seite, da dieses weiterverarbeitet und dadurch aus dem Gelichgewicht entfernt wird (le Châtelier). Aldolase: Der Name «Aldolase» kommt von der umgekehrten Reak- tion, der Aldolkondensation → Aldolase katalysiert also die Retro-Aldol-Reaktion, in welcher sie Substrate schneidet Diese Reaktionen befinden sich in einem Gleichgewicht und sind somit reversibel EXKURS: Enolisierung Was am α-Kohlenstoff zu einer Carbonyl- oder Imingruppe angemacht ist, ist grund- sätzlich labil: Bindung kann gut gebrochen werden! (hier: >=O als Elektronenakzeptor) Die Triose-Phosphat-Isomerase katalysiert die Umwandlung von DHAP in GAP. Das Gleichgewicht liegt auf der Seite des Ketons (=DHAP) ~20:1 DHAP:GAP Triose-Phosphat-Isomerase - Ein Ausfall der Triose-Phosphat-Isomerase führt zur Blo- ckade der Glykolyse und endet tödlich - Das Enzym katalysiert eine intermolekulare Redox-Reak- tion wobei es ein H-Atom vom einen C-Atom auf ein an- deres transferiert (Überführt eine Ketose in eine Al- dose) - Isomeration mittels Aldolase ist 1010 mal schneller ver- glichen mit einer normalen Base - Die Reaktion führt über eine Enediol Zwischenstufe. Al- dolase sorgt mittels Einschluss des Enediols in seine ak- tive Stelle dafür, dass keine schädigende Seitenreaktio- nen ablaufen können 2. ABSCHNITT: ENERGIE-GEWINNUNENDER TEIL
  1. Durch das hohe Phosphorylierungspotential von 1,3- BPG wird ATP mittels ADP hergestellt (substrate level phosphorylation) und 1,3-BPG wird zu 3 - phosphoglycerate umgewandelt
  2. 3 - Phosphoglycerate wird zu 2-phosphoglycerate umge- stellt, indem die Phosphoglycerat-Mutase ein Phospho- ryl transferiert (Ping-Pong-Phosphorylierung) Zuerst wirkt das Enzym als Pi-Donor und wandelt 3PG zu 3 - BPG um. Anschliessend entfernt es das 3-P, wodurch das 2-phs- phoglycerate entsteht:
  3. Die Enolase dehydriert 2-PG zu Phosphoenolpyruvat (H 2 O wird entfernt). Dieses hat wieder ein hohes Phos- phorylierungspotential, da dieses Molekül in einer un- stabilen Enol Form gefangen ist.
  4. Die Pyruvat Kinase transferiert die Phosphatgruppe auf ein ADP wodurch ATP entsteht. Dabei wird das Molekül in seine stabilere Keton-Form Pyruvat überführt.
  • Keton-Enol-Tautomerie als treibende Kraft dieser Reaktion KEY POINTS
  • Substrate Level Phosphorylierung wird durch Moleküle mit einem hohen Phosphorylierungs-Potential erreicht (höheres Potential als ATP!)
  • Durch Kohlenstoff-Oxidation (exergon) werden Mole- küle mit einem hohen Phosphorylierungs-Potential er- zeugt (endergon) ⇒ Reaktionskopplung
  • Substrate mittels engen, wasserundurchlässigen Ver- schlüssen im Enzym zu behalten ist wichtig für katalyti- sche Reaktionen
  • Die Aufteilung einer Hexose in zwei Triosen ist wichtig zur ATP-Gewinnung, da ab hier jeder Schritt 2 Mal ge- rechnet werden kann
  • Glykolyse besteht aus «Wasserfällen» und «Levels» (exergonsiche und endergonische Prozesse)
  • Abgesehen der Phosphorylierung und der Dephospho- rylierung sind alle Schritte reversibel Wenn man alle Reaktionen zusammenrechnet, verläuft die Glykolyse netto exergonisch ((∆G<0). Es ist möglich, dass ei- nige Schritte zeitweise endergonisch verlaufen, aber ihr Gleichgewicht wird sich durch Änderungen der Substratkon- zentrationen ändern (le Châtelier) und sie werden dadurch weiterlaufen.
  1. Schritt der Glykolyse ist geschwindigkeitsbestimmend (G- 6 - P zu F- 6 - P durch Phosphofruktokinase) Netto Bilanz: Glucose + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+2 pyruvate + 2 ATP + 2 NADH + H+^ + 2 H 2 O

REGENERATION VON NAD+

Um die Glykolyse aufrecht zu erhalten muss NADH wieder zu NAD+ zurückoxidiert werden. Aerobe Bedingungen:

  • Pyruvat wird vollkommen zu CO 2 oxidiert Unter anaeroben Bedingungen bleiben 2 Möglichkeiten, mit- tels Pyruvatumwandlungen NAD+ zurückzugewinnen:
  • Pyruvat wird in Laktat umgewandelt (Gärung)
  • Pyruvat wird in Ethanol umgewandelt (Gärung) GÄRUNG
  • Anaerobische ATP-Produktion (Gärung) kommt aufgrund einer Unterversorgung von Sauerstoff zustande (O 2 fehlt als finaler Elektronen Akzeptor in der oxidati- ven phosphorylierung.)
  • Aerobische Produktion ist allerdings viel effizienter und produziert mehr ATP (32 pro Zyklus), wohingegen die an- aerobische Gärung in der ATP-Produktion limitiert ist. (2 ATP pro Zyklus)
  • Gärung geschieht nach der Glykolyse, welche somit grundlegend für sie ist.
  • Gärung läuft solange ab, bis eine «Übermüdung» auf- grund einer Laktatakkumulation eintretet (⇒ pH fällt ⇒ Inhibition der Phosphofructokinase ⇒ keine Glykolyse ⇒ kein Pyruvat).
  • Gärung hat keine netto Reduktion/Oxidation ⇒ Redox - Balance wird aufrechtgehalten, da alles NADH zurück zu NAD+^ oxidiert wird
    • Durch die alkoholische Gärung entsteht Ethanol, Co2 und NAD+ (2-Schritt Reaktion)
    • Durch die Milchsäure-Gärung entsteht Laktat und NAD+ (1-Schritt Reaktion)

EINTRITT ANDERER SAC CHARIDE IN DIE GLYKOLYSE

Auch andere Zucker können in der Glykolyse verwertet wer- den:

  • Galactose:
  1. galactokinase: phosphorylation ⇒ galactose 1-phos- phate
  2. transferase: transfer of an uridyl group of UDP-glucose (uridine diphosphate glucose) to galactose 1-phosphate ⇒ UDP-galactose + glucose 1-phosphate
  3. epimerase: epimerizes the C4 group of galac-tose ⇒ UDP-glucose which can again be used for step 2.
  4. phosphoglucomutase: converts glucose 1-phosphate to glucose- 6 - phosphate that is entering glycolysis (not shown in figure below).
  • Fructose: is transformed into fructose- 6 - phosphate and also enters the glycolytic pathway at the end of the energy consuming steps.

GLUKONEOGENESIS:

ÜBERSICHT

→Gleiche Enzyme und Reaktionswege wie in der Glykolyse sind in Blau, Eigenwege der Neogenese in Rot gekennzeich- net (Bypasses)

  • Produktion von Glukose aus den Ausgangsstoffen (Laktat, Aminosäure, Glycerol..)
  • Geschieht hauptsächlich in der Leber (und Nieren)
  • Tritt spezifisch während dem «Hungern» auf
  • Hilft, Gehirn und Muskelfunktionen aufrecht zu erhalten
  • Ist nicht exakt der umgekehrte Pro- zess der Glykolyse!! Irreversible «Wasserfälle» der Glykolyse müssen «bypassed» werden, in dem neue Reaktionswege mit anderen Enzy- men begangen werden
  • Beginnt in den Mitochondrien, ver- läuft dann über das ER und endet im Zytoplasma

ENERGIEKOSEN

In der Glukoneogenese werden 6 Komponenete mit hohem Phosphorylierungspotential (4 ATP + 2 GTP) gebraucht, in der Glykolyse jedoch nur zwei (2ATP) → Glukoneogenese ist ein viel kostspieligerer Prozess, da die in der Glykolyse entstandenen Wasserfälle überbrückt wer- den müssen (Konzentrationsverhältnisse unmöglich)

  • Es gibt 3 Umleitungen (Bypasses) EINTRITT DES GLYCEROLS →Fette werden in Fettsäuren und Glycerol zerteilt UMLEITUNG 1: PYRUVAT KINASE PyruvatePEP ∆G° = 0.8 kJ/mol
  1. Pyruvat Carboxylase verwendet CO 2 um Pyruvat zu car- boxylieren ⇒ es entsteht Oxalacetat (erstes Zwischen- produkt des Citratzyklus) PYRUVATE CARBOXYLASE
  • Verwendet Biotin als Cofaktor
  • Ist ein Tetramer aus vier identischen Untereinheiten
  • Carbonische Anhydrase versichtert, dass CO 2 in Form des HCO 3 -^ in der Lösung vorliegt CO 2 + H 2 O ⇄ HCO 3 -^ + H+
  • Die Aktivität ist durch die Vorwärts- und Rückwärtsbe- wegung der BCCP-Domänen, welche das CO 2 binden, bedingt I. Die BC (Biotin Carboxylations) Untereinheiten katalysieren die Phosphorylation von HCO 3 -^ mittels ATP ⇒ HOCO 2 - PO 32 -^ (Carboxyphosphate). Dieser Schritt findet nur statt, falls Acetyl CoA an das Enzym gebunden ist. (allos- terischer Aktivator)!

II. BCCP Untereinheiten katalysieren die Bindung von CO 2 ⇒ BCCP wird zu einer andere Aktiven Stelle verlegt III. CT Untereinheiten transferieren CO 2 auf das Pyruvat ⇒ es entsteht Oxalacetat. Wichtig: Es ist nicht das CO 2 des HCO 3 -^ , welches auf das O- xalacetat transferiert wird! Das CO 2 wir wieder abgespalten und wird somit nicht in die Glukose integriert! Struktur des Biotins: → Die Verbindung zwischen der Pyruvat Carboxylase und dem Biotin wird durch Interaktionen mit einer Lys Einheit er- möglicht, welche kovalent an das Biotin bindet

  1. Die Malat Dehydrogenase reduziert Oxaloacetat mittels NADH zu Malat. (Oxaloacetat kann das Mitochondrium nicht verlassen) Dieses wird ins Zytoplasma transportiert und dort mittels NAD+^ wieder oxidiert. Für diesen Schritt werden 2 verschiedene Dehydrogenasen gebraucht: Eine in den Mitochondrien und eine im Zytoplasma.
  2. PEPCK ( Phosphoenolpyruvat Carboxykinase ) decarbory- liert und phosphoryliert Oxaloacatat zu PEP (Phos- phoenolpyruvat) →Carboxylierung und Decarboxylierung erlauben die sehr endergonische Umwandlung des Pyruvats zum Phos- phoenolpyruvat zu umgehen.
  3. Nach dieser Umleitung wird PEP zu F- 1 ,6-BP in umge- kehrter Reihenfolge mittel derselben Enzymen der Gly- kolyse umgewandelt UMLEITUNG 2: PHOSPHO FRUKTOKINASE Fructose-1,6-BisphosphateF6P ∆G° = - 16.3 kJ/mol
  • Fruktose 1,6-Bisphosphatase ermöglicht die Umkehrung des unentbehrlichen Schrittes der Glykolyse UMLEITUNG 3: HEXOKINASE G6PGlucose ∆G° = - 13.8 kJ/mol
  • Die letzte Umleitung geschieht nur in der Leber oder den Nieren. In anderen Zellen vollziehen sich nur die beiden ersten Umleitungen und G6P findet anderweitige Ver- wendung.
  • Nach der endgültigen Produktion der Glukose wird diese aus der Zelle hinaus transportiert, was in den meisten Fäl- len nicht erwünscht wäre. In der Leber ist dies allerdings der Schlüssel zur Blutzucker-Regulation
  • Der Import des G6P aus dem Zytoplasma in das ER Lu- men wird von der Glukose 6-Phosphatase (ist ein ER Membranprotein) ausgeführt. Im ER Lumen wird G6P zu Glukose und Pi hydrolysiert.
  • Sowohl Glukose als auch Pi werden wieder zurück ins Zy- toplasma exportiert

OXIDATIVE PHASE:

G6P2 NADPH + 1 ribulose 5-phsphate KM der Glukose- 6 - P-Dehydrogenase ist für NADP+ 1000x hö- her als für NAD+

  1. G6P Dehydrogenase oxidiert G6P wodurch ein NADPH und ein Lakton produziert wird (Einen cyklischer Ester). (G6P Dehydrogenase ist sehr spezifisch für NADP+.)
  2. Mittels Hydrolyse kreiert die Laktonase eine CO 2 Gruppe in 𝛼- Position zum Stereozenter (Öffnet nur den Ring!)
  3. CO 2 wird durch eine andere Dehydrogenase gespalten (decarboxylierung) und dadurch entsteht ein anderes NADPH und ribulose- 5 - Phosphat
  4. Die Oxidative Phase endet mit einer inneren Umstellung der Ribulose- 5 - Phosphat NICHT OXIDATIVE PHASE Dieses Stadium benötigt nur 2 Enzyme! (Transketolase & Al- dolase). Diese verbinden den Pentose-Phosphate-Pathway mit der Glykolyse mittels 3 Reaktionen (fragment shufflings). Transaldolase
  • Beinhaltet keine Coenzyme
  • Verschiebt C3-Gruppe von einer Ketose auf eine Aldose
  • Bricht die Bindung in einer Ketose zwischen einem 𝛼 und 𝛽 Kohlenstoff

Genauerer Mechanismus Konvertiert eine Ketose zu einer kovalent gebundenen Schiffs-Base (R2-C=N-R’), indem es seine eigene Lys verlinkt

  1. Protonierung der Schiffs-Base
  2. Freilassung des Aldose Produkts (Aldehyd)
  3. Das Produkt wird von einem anderen Aldose Substrat ersetzt
  4. Das enzymgebundene Fragment attackiert das Aldosen Substrat
  5. Deprotonierung
  6. Durch Hydrolyse wir das Ketose Produkt freigelassen Transketolase
  • Bildet eine prosthetische Gruppe (TPP: Thiamine Pyro- phosphate)
  • Verschiebt eine C2-Gruppe von einer Ketose auf eine Al- dose
  • Bricht die Bindung zwischen einer C=O Cabonylgruppe und einem 𝛼 Kohlenstoffatom. (Viel schwerer als eine Trennung zwischen 𝛼 and 𝛽 Kohlenstoff!) Detaillierter Mechanismus:
  1. TTP-Ionisierung (Es entsteht ein Carbanion, welches ext- rem nukleophil ist.)
  2. Nukleophiler Angriff auf die Ketose, es entsteht ein En- zym-Substrat Komplex 3. Ausscheiden der Aldosen Komponente (Positives N+ als “ electron sink ”), welche dann durch ein anderes Aldose Substrat ersetzt wird. Der TPP bildet jetzt ein aktiviertes Glycoaldehyd Intermediat. 4. Das Glykoaldehyd attackiert nun das Aldosen Substrat 5. Freisetzung des Ketose Produkts. Unterschiede zwischen der Transketolase und Transaldolase INTEGRIERUNG DES PEN TOSE PATHWAYS IN DIE GLYKOLYSE UND GLUKON EOGENESE - Glykolyse und Pentose-Pathway sind durch G6P mitei- nander verbunden - Konzentration des NADP+ entscheidet darüber, was mit G6P geschehen wird: ⇒ Nur falls es im Überschuss vorhanden ist, kann der Pentose pathway eingeschritten werdenNochmals: Dieser Schritt als eine irreversible Reaktion ist ein typisches Ziel für Regulationen - Der Pentose-Pathway wird gestartet, sobald sich die Zelle in einem spezifischen «Mode» befindet. Dies bein- haltet eine spezielle Kombination von der Glykolyse, der Glukoneogenese und dem Pentose pathway selbst. Transaldolase Transketolase Schneidet zwischen 𝛼 und 𝛽 Kohlenstoff Schneidet zwischen C=O und 𝛼 Kohlenstoff Stabilisierung des Über- gangs-Carbanion mittels Resonanz und protonier- ter Schiffbase (Schritt 5) Stabilisierung des Übergangs- Carbanion mittels Resonanz und TTP (Schritt 3)

MODE 4

ATP und NADPH werden gebraucht G6P Dehydrogenase ist aktiv, T ransketolase und – Aldolase wandeln Ribose- 5 - Phosphat und Xylulose- 5 - P in GAP und F6P um, welche in der Glykolyse dann dazu verwendet werden, ATP herzustellen. Wie bereits im Cori Zyklus gezeigt, kann Laktat von aktiven anaerobischen Zellen in andere Zellen mit speziellen Durch- gängen (Laktat und Pyruvat Importer) transportiert werden. Da es mit Glykose Redox-ausballanciert ist, wird es zu einer geeignete Quelle um die Glykoneogenese anzutreiben (Von unten nach oben)

DER CITRAT-ZYKLUS

  • Findet in der Mitochondrienmatrix statt
  • Die Meisten Molekül treten in Form von acetyl CoA in den Kreis ein
  • Das Acetyl CoA kondensiert bei seinem Eintritt in den Kreis mit dem Oxaloacetat ⇒ zur Erinnerung: O xaloacetat wird in der ersten Umlei- tung der Gluconeogenesis aus Pyruvat hergestellt.
  • Der Zyklus enthält eine Serie von oxidativen Reaktionen, wobei Acetyl CoA und Oxaloacetat zu 2 CO 2 und Citrat oxidiert werden
  • Die treibende Kraft ist die Hydrolyse des Thioesters (∆G << 0)
  • Das Hauptziel ist es, hochenergetische Elektronen zu liefern, welche später in der oxidativen Phosphorylie- rung zur ATP Produktion verwendet werden.
  • Der Citrat-Zyklus ist Anaerob und somit O 2 - unabhängig Merke: Alle Kohlenstoffe die in grün markiert sind, kann man nur bis zur Bildung des Succinates zurückverfolgen. Dieses Substrat ist symmetrisch und dadurch verliert man die Ori- entierung → Die Markierungen werden zu 50: in den darauffolgenden Intermediaten verteilt sein. VON DER GLYKOLYSE ZU CYTRAT-ZYKLUS
    • Das Pyruvat der Glykolyse (im Zytoplasma) wird mittels MPC ins Mitochondrium transportiert. - Die Pyruvat Dehydrogenase verbindet die Glykolyse mit dem Citrat-Zyklus: Es wandelt Pyruvat in Acetyl CoA um - Merke 3: In den Cytrat-Zyklus treten 3 Substrate (CoA, pyruvate, NAD+) ein und es verlassen ihn drei Produkte (CO 2 , NADH, acetyl CoA) Die Pyruvat Dehydrogenase (PDH):
  • Komplex-Enzym, welcher 3 Untereinheiten beinhaltet. (E1-E3)
  • “Giant complex” (sogar grösser als Ribosomen)
  • Es werden 3 Coenzyme gebraucht: FAD, TPP (thiamine pyrophosphate) und Lipoamid
  • Katalysiert einen irreversiblen Schritt
  • E2 formt das Zenter des Komplexes, Lipoamide ist an eine Lys Einheit angemacht
  • Multiple Kopien von E1 and E3 umgeben das E3 Zent- rum Die Aktivität des Enzyms wird durch die Lipoamid Bewegun- gen reguliert: Es bewegt sich von der einen aktiven Seite zur Anderen.

SCHRITT 1: CITRAT SYNTHESE:

  • Kondensierung des Oxaloacetats mit dem acetyl CoA muss zur Bildung des Citrates führen, da dieses der 1. Schritt des Citratzyklus darstellt.
  • Citrat Synthase stellt sicher, dass keine unerwünschten Seitenreaktionen auftreten
  1. Oxaloacetat wird an die Citrate Synthase gebunden und bewirkt eine konformationelle Änderung der Aktiven Stelle → (Flügel werden geschlossen und Wasser wird ausgeschlossen). Erst danach wird die zusätzliche Bin- dungsstelle für das acetyl CoA zugänglich und somit wird acetyl CoA erst nach dem Oxaloacetat gebunden.
  2. Acetyl CoA wird gebunden und enolisiert, sodass die Elektronen der dadurch entstandenen Doppelbindung die Carbonylgruppe des Oxaloacetats angreifen können. Es entsteht ein cytrisches Coa, welches sehr reaktiv ist.
  3. Es folgt die Hydrolyse der Thioester Bindung im cytri- schen CoA, wodurch Citrat gebildet wird. (Merke: acetyl CoA selbst wird nie hydrolysiert, da die Synthasen Struk- tur so festgelegt ist, dass die hydrolysierbare Region erst dann freigesetzt wird, wenn die Kondensation des O- xaloacetats und des Acetyl-CoA stattgefunden hat!)
  4. SCHRITT: ACONITASE
  • Isomerisierung des Citrats zu Isocitrat, wobei die 3-OH Gruppe zu der 2-OH wird, wodurch spätere Decarboxy- lierung ermöglicht wird. (Isomerisierung wird erreicht, in dem H 2 O eliminiert und darauffolgend wieder addiert wird.)

SCHRITT 3: ISOCITRAT DEHYDROGENASE

  • Oxidative Carboxylierung des Isocitrats zu 𝛼-Ketogluta- rate
  • Das erste NADH wird geformt SCHRITT 4: 𝛼-KETOGLUTARAT DEHYDR OGENASE
  • Oxidative Carboxylierung des 𝛼-Ketoglutarate zu Succinyl-CoA
  • Wiederholt werden hier CO 2 and NADH gebildet
  • Hat Ähnlichkeiten mit der TPP-Umpolung → Es wird eine Thioester Bindung in 𝛼 Position gebildet (diese ist hoch reaktiv ⇒ CoA kann nun leicht geschnitten werden.) SCHRITT 5: SUCCINYL-CoA SYNTHETASE
  • Succinyl-CoA Synthetase entfernt CoA und phosphory- liert dabei ADP zu ATP (⇒ Substrat Phosphorylierung)
  • Die Energie, welche in dem aktiven Thioesters (Succinyl CoA) gespeichert ist, wird als hohes phosphorylierungs- potential des ATPs übertragen

SCHRITT 6: SUCCINAT DEHYDROGENASE, FUMARASE

UND MALAT DEHYDROGENASE

  • Regeneration des Oxaloacetats in drei Schritten:
  • Ähnlichkeiten zu der 𝛽 Oxidation von Lipiden
  • CH 2 wird in C=O umgewandelt Oxidation I Succinate Dehydro- genase FAD wird zu FADH 2 reduziert und eine CC Doppelbindung wird geformt ⇒ Es ent- steht Fumarat. Es wird FAD anstatt von NAD+^ reduziert, da das ∆G Level nicht genug negativ ist! Hydration Fumarase Addition eines H+^ und eines OH-^ (Von ge- genüberliegenden Seiten her). Die Addi- tion ist stereospezifisch : Oxidation II Malat Dehydro- genase Stark exergon, aber reversibel.

KONZENTRATIONEN UND RECHNUNGEN

  • Die Oxaloacetat Konzentration ist sehr tief: Ihre Produk- tion ist stark endergonisch (Schritt 8: ∆G = 29kJ/mol), und der darauffolgende Schritt (Schritt 1: ∆G = - 31.4kJ/mol), wobei sie weiterverarbeitet wird, sehr exergonisch
  • Die Malatkonzentration ist sehr hoch, da das GGW im Schritt 8 auf der linken Seite liegt. Frage: Assuming a ratio of [NAD+]/[NADH] of 8 and a pH of 7, what is the lowest [malate]/[oxaloacetate] ratio at which oxaloacetate can be formed from malate?

OXIDATIVE PHOSPHORYLIERUNG

ÜBERSICHT

  • ATP Synthese wird von der ATP-Synthease durchge- führt, welche mittels dem H+-Gradienten angetrieben wird.
  • Der H+-Gradient wird aufgebaut, in dem der eigentlich endergonische H+-Transport (entgegen des Konzentrati- onsgefälles) an den exergonischen Elektronentransfer (Oxidation des NADH und FADH 2 ) gekoppelt wird.
  • Dieser Prozess findet in der inneren Mitochondrien- membran statt. (Zwischen IMR und Matrix)
  • Die Elektronen werden am Schluss auf O 2 übertragen, wodurch H 2 O entsteht.
  • Alle Elektronen fliessen durch den Komplex II und II EXKURS: REDUKTIONSPOTENTIAL Reduktionspotential Eo’ (in volt)= Tendenz einer Substanz, eine andere Substanz zu reduzieren → Wie gut gibt es ein Elektron ab → Ein wie starkes Reduktionsmittel ist es? Eo’=0: : per Definition hat H 2 bei einem PH von Null ein Re- duktionspotential von 0 (Bei pH = 7Eo’(H 2 ) = - 0.42V) ⇒Eo’ < 0: nicht spontane Elektroenabgabe - > Substanz ist ein schwaches Reduktionsmittel, aber ein stärkeres Oxidations- mittel → endergon ⇒Eo’ > 0: spontane Elektronenabgabe - > Substanz ist ein gu- tes Reduktionsmittel, die Oxidation dieser Substanz verläuft exergonsich Je negativer das Eo’ (weiter oben), desto stärker ist das Re- duktionsmittel n= Anzahl der transportierten Elektronen F= Faraday Konstante ΔEo’= Änderung des Reduktionspotentials Veränderungen der Gibbs-Energie (free energy) liefern In- formation darüber, ob eine Reaktion spontan abläuft oder nicht. ∆G° < 0 ⇒ spontan, exergonische Reaktion ∆G° > 0 ⇒ nicht-spontan, endergonische Reaktion Beispiel: Wie sind das Reduktionspotential und die Gibbs Energie ver- bunden? Oxidation: NADH + H+^ ⇆ NAD+^ + 2H+^ + 2e- Achtung: Wir betrachten eine Oxidation, also eine “verkehrte” ReduktionMüssen das Vorzeichen wechseln! Bei einer Oxidation das Vorzeichen wechseln! – Eo’ = Eox (Von rechts nach links) Hier also: – Eox (NADH) = +0.32V. Reduktion: ½ O 2 + 2H+^ + 2e-^ ⇆ H 2 O Eo’ = +0.82V
    • Sauerstoff ist ein starkes Reduktionsmittel! (Aufgrund der hohen Elektronegativität!) Redox Reaktion: NADH + H+ + ½ O 2 ⇆ H 2 O + NAD+ Das totale Redox Potential wird definiert als die Änderung des Reduktionspotentials: ∆Eo’ = 0.32+0.82 = 1.14V. Ich rechne lieber so: ∆Eo’ = Ered – Eox (hier wird bei der Oxidation das Vorzeichen aber nicht ge- wechselt!)

SCHRITTE DER OXIDATI VEN PHOSPHORYLIERUNG :

  • Die Elektronen werden durch 4 grosse Komplexe trans- portiert: Complex I NADH-Q Oxidoreduktase NADH wird oxidiert, Q wird reduziert Complex II Succinate Q Reduktase Succinate wird oxidiert Q wird reduziert Complex III Q-cytochrome c Oxidore- duktase Cytochrom wird oxidiert Q wird reduziert Complex IV Cytochrome c Oxidase
  • Die Elektronen werden zwischen den Komplexen mittels 2 Elektronen Transporter transportiert Coenzym Q (short: Q) Hydrophobischer Cofaktor, welcher die Elektronen von Komplex 1 auf den Kom- plex 3 transportiert Cytochrom c Ein hydrophobes Enzym, welches die Elektronen vom Komplex III auch IV transportiert Alle Komplexe welche ein «Q» im Namen enthalten, sind in der Lage, an das Coenzym Q zu binden COENZYM Q Der Cofaktor hat einen sehr langen hydrophoben Bereich, wodurch es ihm ermöglicht wird, sich im In- nern der mitochondrischen Membran zu integrieren Der Cofaktor hat aber auch eine hydrophilische Kopfregion, in welcher Sauerstoff sowohl in oxidierter, als auch in resuzierter Form vorliegen kann. - Oxidierte Form (Qox or Q): Wird Ubiquinon genannt, O er- scheint in der Keto-Form - Reduzierte Form (Qred or QH 2 ): wird Ubiqionol genannt, O erscheint in einer Hydroxy-Gruppe - Der Elektronentransfer von einem Cofaktor hin und wie- der weg ist immer gekoppelt mit einer H+^ Anlagerung o- der Abspaltung. Dies ist der Hauptschlüssel des Aufbaus des Protonen-Gradienten ELEKTRONENTRANSPORT Elekt- ronen kön- nen höchstens über einen Abstand von 22Å transportiert werden. In Proteinen können Elektronen allerdings viel schneller und weiter transportiert werden als im Vakuum (10Å), da hier eine Umgebung mit konjugierten Systemen und S-FE-Clusters vorliegt. EISEN-SCHWEFEL-CLUSTERS - Die Komplexe der Elektronentransportkette beinhalten Fe-S-Clusters - Diese Cluster geben dem Elektronentransport eine be- stimmte Richtung vor → Redoxpotential des Eisens nimmt gegen das Ende stetig zu! (Das Reduktionspoten- tial des Eisens ist stark von der Umgebung und der Struktur abhängig!Riesen Bandbreite an Reduktions- potentialen) Stark exergone Reaktion