Zellatmung

Alternativer Bildtext:

Wachstum und Entwicklung ilation Zellatmung in 3 (4) Schritten: 1. Glykolyse 2: (oxidative Decarboxylierung) Gärung 3. Citratzyklus 4. Endoxidation in der Atmungskette im Cytoplasma und Mitochondrien C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O => 12 H2O + 6 CO2 Dissimilation > organische Stoffe werden wieder abgebaut aerober Prozess ? mit Sauerstoff Menschen, Tiere, Pilze, Pflanzen: Mitochondrien Bakterien: Cytoplasma Zellen bauen Glucose ab Kohlenstoffdioxid Wasser anaerober Prozess ohne Sauerstoff Gärung alkoholische Gärung: Ethanol Milchsäuregärung: Milchsäure 1. GLYKOLYSE ZELLTMUNG Ziel: Zerlegung der Glucose (C6-Körper) in Pyruvat = Brenztraubensäure (2-C3-Körper) Ort: Zytoplasma Edukte: Glucose, NAD+, ADP + P Produkte: Pyruvat (C3H403), NADH + H+, ATP, H2O Wesentliche Prozesse: - Unter Energieaufwand wird die Glucose in 2 Moleküle PGA (Phosphoglycerialdehyd & Glycerinaldehyd-3-Phosphat) gespalten - Unter Energiegewinnung (2 ATP & 2 NADH) wird PGA zu PGS (Phosphoglycerinsäure & Glycerinsäure-3-Phosphat) reduziert - Unter weiterer Energiegewinnung (2 ATP) werden die PGS in Pyruvat (= Brenztraubensäure) umgewandelt Teilbilanz Glykolyse: C6H1206+ 2 NAD+ + 2 (ADP + P) 2 C3H403 + 2 (NADH + H+) + 2 ATP Zusatzinfo: Bei der Oxidation von NAD + 2H => NADH+H wird soviel Energie frei, dass außerdem aus ADP und anorganischem Phosphat (Pi) ATP aufgebaut werden kann. Auch im NADH + H steckt Energie, denn dessen Wasserstoff kann später in der Atmungskette zu Wasser oxidiert werden, wo- bei ATP entsteht. Während aber aus ATP die in ihm enthaltene Energie durch eine einfache Phos- phatabspaltung frei wird, kann NADH+H (und NADPH+H) nur Energie liefern, wenn die Reaktion mit Sauerstoff abläuft. 1. GLYKOLYSE Glucose Glucose-6-phosphat Fruktose-6-phosphat Fruktose-1,6-diphosphat Dihydroxy- aceton- phosphat ATP+ ADP Glycerinsäure- 1,3-biphosphat NADH + H+ Glycerinsäure- 3-phosphat Glycerinsäure- 2-phosphat äure Phosphoenol brenztraubens Brenztrauben säure ADP H20- ADP ATP ATP P ZELLATMUNG PGlycerinaldehyd -3-phosphat NAD+ ATP ATP Aktivierung der Glucose durch Phosphorylierung => Umstrukturierung zur Fruktose Energieverlust (Spaltung ATP zu ADP) Aktivierung der Fructose durch Phosphorlyierung Energieverlust (Spaltung ATP zu ADP) angesammelte Energie (durch Phosphorylierung) wird zur Spaltung des C6-Körpers genutzt. Energiegewinn durch Abgabe des Wasserstoffes an NAD zur Bildung von NADH Phosphorlyierung des PGAs durch freien Phosphatrest Energiegewinnung in Form von 2 ATP PGS Energiegewinnung in Form von 2 ATP. VOLDPLAS b a E 00.00 3OS W i 2. a) OXIDATIVE DECARBOXYLIERUNG Ort: Matrix der Mitochondrien Edukte: Pyruvat, Coenzym A (CoA-SH), NAD+ Produkte: CO2, Acetyl-S-CoA, NADH + H+. Wesentliche Prozesse: - Pyruvat (Brenztaubensäure) wandert in die Mitochondrien (Kraftwerk der Zelle) - In Mitochondrien entsteht bei Anwesenheit von Sauerstoff unter Abspaltung von einem CO2 Molekül (= Decarboxylierung), ein C2-Körper (=> aktivierte Essigsäure) - ! NAD+ wird zu NADH + H+ reduziert und C2-Rest oxidiert! - entstandener C2-Körper bildet nach Oxidation und Reaktion mit dem Coenzym A (CoA-SH) eine energiereiche Verbindung => Acetyl-Coenzym A (Acetyl-S-CoA) Teilbilanz Oxidative Decarboxylierung: ZELLATMUNG Pyruvat ΟΟ Η 2 C3H403 + 2 NAD+ + 2 H2O (Pyruvat) !! 2 C2H4O2 + 2 CO2 + 2 (NADH + H+) (Acetyl-S-CoA) I -C-C—C-H· I H Acetyl-CoA O H3 C-C-S-CoA CO₂ HS-COA (Coenzym A) H₁ NAD+ NADH + H+ 2. b) CITRATZYKLUS (ZITRONENSÄUREZYKLUS) Ziel: Endprodukt Glykolyse soll weiter oxidiert werden, um möglichst viele Reduktionsäquivalente (NADH/H+) zu gewinnen, die dann in der Atmungskette in ATP umgewandelt werden Ort: Matrix der Mitochondrien Edukte: Acetyl-S-CoA, NAD+, FAD, H2O, GDP + P Produkte: CO2, NADH + H+, FADH2, Coenzym A, GTP ! Kreisprozess ! ZELLATMUNG Wesentliche Prozesse: - Aktivierte Essigsäure (Acetyl-S-CoA) reagiert mit einem Akzeptormolekühl (Oxalessigsäure; C4-Körpers) => zu Citrat / Zitronensäure (C6-Körper) -> dabei wird Acetyl-CoA zurückgebildet und kann nun ein weiteren Acetylrest übernehmen - In Folgereaktionen werden von der Zitronensäure zwei Co2-Moleküle abgespalten -> Kohlenwasserstoffskelett wird laufend umgebaut - Weitere Zyklusschritte dienen der Regeneration des Akzeptormoleküls Oxalessigsäure - Kohlenstoffskelett wird laufend umgebaut! -> Mehrmals wird Wasser angelagert und Wasserstoff abgegeben - Bei jedem Kreislauf fallen 8 Wasserstoffatome (H) an, die auf Wasserstoff-Akzeptoren (die Coenzyme FAD und NAD+) übertragen werden Menge der gewonnene Energie durch Citratzyklus ist relativ gering -> pro Acetylrest wird nur ein Molekül energiereiches Phosphat (hier GTP (= Guanotriphosphat, energetisch gleichwertig, wie ATP)) gebildet Hauptaufgabe des Citratzyklus ist die Bereitstellung reduzierter Coenzyme -> Zyklus dient der Gewinnung von Wasserstoff Teilbilanz Citratzyklus: 2 C3H4O2 + 4H2O + 2 FAD + 6 NAD+ + 2 (ADP + P) ⇓ 4 CO2 + 2 FADH2 + 6 (NADH + H+) + 2 ATP Kohlenhydrate Glykolyse Pyruvat B-Oxidation NADH + H' Fette O || Acetyl-CoA H₂C-C-S-COA NAD FADH₂ FAD GTP GDP Proteinkatabolismus NAD' NADH+H* CO₂ Proteine NAD NADH+H* CO₂ a-Aminosäuren 2. a) & b) OXIDATIVE DECARBOXYLIERUNG UND CITRATZYKLUS Gesamtbilanz: Schrittweise Oxidation von zwei C3-Körpern Pyruvat (= Brenztraubensäure) zu zwei mal drei CO2-Molekülen - 2 Moleküle GTP pro Molekül Glucose - 8 Moleküle NADH + H+ 2 Moleküle FADH2 pro Molekül Glucose Teilbilanz Oxd. Decarboxylierung & Citratzyklus: dieser Stoff Pyruvat (C2-Körper) Acetyl CoA (C6-Körper) Citrat Isocitrat a-ketogluterat Succinyl COA Succinat Fumarat Malat toron FADH₂ NADH/H NAD Malat C₁ Fumarat FAD Fumarat- Reduktase Acetyl-CoA C₂ Succinat. ADP, P Oxalacetat (ATP-Citrat- ATP HS-COA ADP, P 2 C3H403 + 8 NAD+ + 2 FAD + 2 GDP + 2 P + 6H2O ATP HS-COA C₁ Lyase Citrat a-Ketoglutarat- Synthase 6 CO2 + 8 (NADH + H+) + 2 FADH2 + 2GTP C₂ Succinyl-CoA Fded CO₂ ZELLATMUNG wird zu Fdox HS-COA Acetyl CoA (C6-Körper) CO2 Citrat Isocitrat a-ketogluterat (C5-Kör- per) Succinyl CoA (C4-Körper) Succinat Fumarat Malat C Isocitrat Oxalacetat NAD(P) C₁ a-ketoglutarat NAD(P)H/H CO₂ unter Abspaltung /Einbringung von COA und Einbringen von Wasser CO₂ CO2, Einbringen von CoA COA Einbringen von Wasser unter Bildung von NADH + H+ NADH + H+ NADH + H+ GTP FADH₂ NADH+H+* mal 2 3. ENDOXIDATION (ATMUNGSKETTE) Ziel: Umwandlung der Reduktionsäquivalente in ATP. Ort: innere Mitochondrienmembran Edukte: NADH + H+, FADH2, ADP + P, O2 Produkte: NAD+, FAD, ATP, H2O Wesentliche Prozesse: - Redoxsystem für Elektronentransport wird aus 4 großen Multienzymkomplexen (und zwei kleinen Molekülen) in der Mitochondrienmembran gebildet -2 (NADH + H+) und FADH2 werden aus Matrix oxidiert -> Ihre Elektronen werden über Elektronentransport durch die 4 Multienzymkomplexe (bzw. 3.bei FADH2) bis zum eingeatmeten Sauerstoff (02) in der Matrix geleitet, der sich dann mit Protonen zu Wasser (H2O) verbindet - Die dabei freiwerdende Energie wird genutzt, um Protonen gegen das Konzentrationsgefälle aus dem Matrixraum durch die Multienzymkomplexe in den Intermembranraum zu pumpen => Entstehung eines Protonengradienten - Natürliche Rückdiffusion passiert durch Tunnelproteine, die sich in Membranenzymen ATP-Synthase befinden - 3 ATP-Moleküle pro NADH + H+ - 2 ATP-Moleküle aus einem FADH2-Molekül - Regeneration der Cofaktoren - Bildung von Wasser (H2O) Teilbilanz Endoxidation: 4H+ 2 e 4H* Fe-S-)}} {{{8 FMN e NADH Dehydrogenasen NAD+ + H+ Oxidierbare Substrate 10 (NADH + H+) + 2 FADH2 +34 (ADP + P) + 6 02 CoQ ZELLATMUNG CoQH -2H+ 12 H2O + 10 NAD+ + 2 FAD + 34 ATP Elektronentransport 10H* 2H+ 4H+ 2H+ cyt b cyt c Fe-S 2H+ Cyt c 20₂ + 2H+ INTERMEMBRAN-RAUM cyt a IV cyt a Fe-Cu 2 e H₂O 2H+ 2H* INNERE MEMBRAN ADP P 3H* 3H+ MATRIX -ATP-Synthase ATP 4. BILANZEN Teilbilanz Glykolyse: Teilbilanz Oxidative Decarboxylierung: Teilbilanz Citratzyklus: Teilbilanz Endoxidation: ZELLATMUNG C6H1206+ 2 NAD+ + 2 (ADP + P) !! 2 C3H403 + 2 (NADH + H+) + 2 ATP 2 C3H403 + 2 NAD+ + 2 H2O ⇓ 2 C2H4O2 + 2 CO2 + 2 (NADH + H+) 2 C3H402 + 4 H2O + 2 FAD + 6 NAD+ + 2 (ADP + P) Nettogleichung der Dissimilation: 4 CO2 + 2 FADH2 + 6 (NADH + H+) + 2 ATP 10 (NADH + H+) + 2 FADH2 + 34 (ADP + P) + 6 02 Į 12 H2O + 10 NAD+ + 2 FAD + 34 ATP Gesamtbilanz (= Bruttogleichung der Dissimilation): C6H12O6 + 10 NAD+ + 38 ADP + P + 2 C3H403 + 6 H2O + 2 C3H4O2 + 2 FAD + 2 FADH2 + 10 NADH/H+ + 6 02 11 2 C3H403 + 10 NADH/H+ + 38 ATP + 2 C3H4O2 + 6 CO2 + 2 FADH2 + 12 H2O + 2 FAD + 10 NAD+ C6H12O6 + 6 02 +38 ADP + P. || 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP (2 ATP abziehen für Transport des NADH/H+ aus dem Cytoplasma ins Mitochondrium) Im Überblick NADH NADH NAD NAD (CO₂ ZELLATMUNG CH₁206 Glukose CH₂- Brenztraubensäure 0 COOH csc CH3- SCOA aktivierte Essigsäure NAD NADH ADP + (P ATP CoA ATP ADP + P Citronensäure ADP +P ADP + P ATP (CO₂ ATP H ADP+(P Glykolyse oxidative Decarboxylierung ATP Citronensäurezyklus Atmungskette