Zellatmung

Alternativer Bildtext:

die Energie und bindet sich mit der abgespaltenen Phosphat- gruppe, es entsteht ATP, ein freies Phosphatmolekül sowie ein Molekul. Bei der Abspaltung einer Phosphatgruppe vom ATP- Molekul wird Energie freigesetzt, es entstent ADP und ein freies Phosphatmolekul. Die Reaktion von Glucase zu Glucose-6-Phosphat, nutzt die Energie und das freie Phosphatmolekul reagiert mit einerh weiteren freiem Phosphatmolekúl zu einem phosphorylierten Molekul, welches eine Bindung mit dem 6. C-Atom von Glucose eingeht, es entsteht Glucose-6-Phosphat. Elektronen- und Wasserstofftransport durch NAD*/NADH+H* NAD+ ээ Oxidation Reduktion NADH + H* AH₂- A Oxidation Reduktion Energie in Form von Elektronen (e-) ● Speicherung und Übertragung von Energie in Form von e- möglich • Aufnahme von e durch ein Atom/Molekül: REDUKTION Energie kann auch in Form von Elektronen gespeichert und übertragen werden. Ein wichtiges Überträgermolekül (auch "Reduktionsäquivalent" genannt) ist NAD* bzw. NADH+H*. NAD* ist die oxidierte Form des Moleküls, NADH+H* ist die reduzierte Form des Moleküls. • Abgabe von e durch ein Atom/Molekül: OXIDATION • Kopplung von Reduktion und Oxidation: Redoxreaktion BH₂ B NAD+ + 2H+ + 2e NADH+H* NAD+ als Elektronenakzeptor • NAD+ kann durch zwei Wasserstoffatome unter Energieaufwand zu NADH reduziert werden → Übertragung von 2 e- und einem H* auf NAD+ (zweites Proton wird ans Medium abgegeben): NADH+H+ kann seine e auf andere Stoffe übertragen (siehe Reduktion von B zu BH₂) Abbau von Glucose durch Zellatmung (Gesamtüberblick) Größenverhältnisse geändert! Über die Nahrung aufgenommene Kohlenhydrate werden im Darm enzymatisch zu Glucose verdaut. Glucose gelangt ins Blut und durch aktiven Membrantransport in die Zellen des Körpers. In der Glykolyse, die im Cytoplasma stattfindet, wird der C6-Körper (Glucose) in zwei C3-Körper (Pyruvat) zerlegt. Es werden geringe Mengen ATP sowie das mit Protonen und Elektronen beladene Reduktionsäquivalent NADH+H* gebildet. Der Citratzyklus findet in den Mitochondrien statt: Die C3- Körper (Pyruvat) werden in die Mitochondrien transportiert. Von ihnen wir jeweils ein Molekül CO₂ abgespalten, sodass C₂ - Körper entstehen. Die C₂ - Körper werden zu CO₂ abgebaut; zudem werden geringe Mengen ATP sowie die mit Protonen und Elektronen beladenem Reduktionsäquivalente NADH+H* und FADH₂ gebildet. Die Atmungskette findet im Inneren der Mitochondrienmembran statt. Hier werden die Elektronen der Reduktionsäquivalente auf O₂ übertragen. Zusammen mit den Protonen entsteht Wasser. Die Freiwerdens Energie wird genutzt, um eine Phosphatgruppe an ADP zu binden. Diese Art der ATP- Bindung nennt man oxidative Phosphorylierung. Sie liefert den größten Teil des in der Zellatmung entsteht ATPs. Stoff- und Energiebilanz der Zellatmung und erweitertes Reaktionsschema Pro Glucosemolekul ergibt sich: Glykolyse: Endprodukte: 2 Pyruvat; Energieausbeute: 2ATP, 2 NADH+H* oxidative Decarboxylierung: Endprod.: 2 Acetyl-CoA, 2 CO₂; Energieaush: 2NADH + H² Citratzyklus: Endprod.: 4CO₂; Energieausb.: 2ATP, 6NADH+H, 2 FADH₂ Atmungskette: Endprod.: 12 H₂0; Energieausb: 10 NADH *H* ergeben 30ATP, 2FADH₂ >4 ATP Bei der vollständigen Oxidation in der Zellatmung werden insgesamt 24 Wasserstoffatome an 12 Reduktionsäquivalente gebunden. Deren Oxidation liefert in der Atmungskette 12 Moleküle Wasser! Daraus leitet sich die erweiterte Reaktionsgleichung der Zellatmung ab: C6H₁2O6 + 6H₂O + 60₂ 6CO₂ + 12H₂O Citratzyklus oxidative Decarboxylierung: irreversibel ablaufende chemische Reaktion, bei der eine carboxylgruppe (-COOH) in Form von kohlenstoffdioxid abgespalten wird. Das Molekul axidiert. Das aus der Glykolyse entstandene Pyruvat gelangt über einen aktiven (Energieverbrauchend) Transport aus dem Cytoplasma in die Mitochondrien. Der C3-Körper Pyruvat oxidiert zu dem C₂ - Körper Acetyl-Coenzym A, das abgegebene Kohlenstoffdioxid - Molekul atmen wir wieder aus. Das Acetyl-CoA reagiert mit Oxalacetat (Cy-Verbindung) zu Citrat, dieses lagert sich im nächsten Schritt zu Isocitrat um. Danach wird Isocitrat oxidiert (gibt Elektronen an NAD+ ab) und es entsteht ein Molekul NADH. Des Weiteren wird CO₂ abge- spalten (Decarboxylierung). Das entstandene x-ketoglutarat (C5) wird ebenfalls oxidiert und decarboxyliert, es entsteht wieder ein Molekül NADH. Zusätzlich wird ein Coenzym A übertragen, es entsteht Succinyl-COA (Cu). Im nächsten Schritt wird das Coenzym A wieder abgepalten, dabei wird Energie in Form von ATP frei und es entstent succinat (Cu). Succinat oxidiert danach zu Fumarat (cu), die abgegebenen Elektronen werden auf FAD übertragen. → FADH₂. Danach bindet sich ein Wassermole- kül mit Fumarase, wodurch Malat (Cu) entstent. Malat wird. daraufhin oxidiert und es bildet sich das Molekul Oxalacetat und ein Molekul NADH. Oxalacetat kann nun wieder mit Acetyl-CoA zu Citrat reagieren. Bilanzgleichung 2 Pyruvat+8 NAD++ 2FAD+ 6H₂O + 2ADP+P; · Pyruvat →→ CO₂ ∞ Acetyl-CoA 88 Oxalacetat B Citrat Coo HO-CH CH₂ COO Coo CH HC Coo co₂ - 00₂ coo CH₂ CH₂ coo CO₂ Oxidative Decarboxy- NAD lierung NADH+ H COO CHO CH₂ COO NADH+H NAD H₂O Fumarat C₂ Malat C FADH Transportprotein- FAD Oxalacetat C Succinat C H₂O ATP ADP P H.O COA SH C₁ Pyruvat 0-0 C-0 CH₂ Citrat- zyklus -CoA-SH C₂ Acetyl-CoA CH₂ COA SH ·6CO₂ + 8 NADH+H* + 2FADH₂ + 2ATP S-CoA C CoA SH CSuccinyl-CoA Citrat Intermembranraum coo CH₂ HỌ-C-000? CH₂ COO Mitochondrienmembran Mitochondrienmatrix CIsocitrat 0 S-COA C CH₂ CH₂ Coo NAD NADH+H CO₂ NAD NADH+H Co₂ innere Coo CH₂ HC-COO но-сн Ca Ketoglutarat COO CH₂ CH₂ C-0 coo C 2 Pyruvat +8 [NAD + 2 FAD+ 6H₂O +2 ADP+P6CO₂ +8 NADH+H² + 2 FADH₂ + 2 ATP 1 Oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus. A C-Körper-Schema; B ausführliches Schema; C Bilanzgleichung COO Atmungskette → abschließende Reaktion der Zellatmung, bei der Elektronen von NADH+H* & FADH₂ über verschiedene membranassoziierte Elektronentransporter auf molekularen Sauerstoff abertragen. werden. Die bei den Oxidationsreaktionen abgegebenen Elektronen (NADH+H* und FADH₂) gelangen von der Mitochondrienmatix in die innere Mitochondrien membran. Dort oxidieren sie zu NAD* und FAD, die abgegebenen Elektronen werden auf Redoxsysteme übertragen (2 kleine Moleküle, 4 große Multienzymkomplexe). Die Elektronen wandern von Redoxsystem zu Redoxsystem, mit jedem mal wird Energie freigesetzt (fließen, bergab" Energiegefalle). Die Energie wird genutzt, um Protonen in den Intermembran- raum zu transportieren. Es entsteht ein Konzentrationsunter- schied (Konzentrationsgradient). Am Ende der Elektronentran- sportkette ist das kanalprotein ATP-Synthase. Die kraft des Protonengradienten treibt die Protonen durch den Kanal und gleichzeitig wird ATP gebildet (oxidative Phosphorylierung). Das letzte Redoxsystem überträgt die Elektronen auf sauer- stoffmolekule. Gemeinsam mit Wasserstoffprotonen reagieren sie zu Wasser. äußere Mitochondrien- membran- H* innere Mitochondrien- membran NADH + H+ H+ H* -Komplex I H* H* FADH, NAD +2 H H* H* H* Komplex II Komplex III Ubichinon FAD + 2 H+ H* 1 Atmungskette und oxidative Phosphorylierung H* H* H* H* H* Protonengradient Cytochrom c- H* (0₂ H* 20 H* -Komplex IV ATP-Synthase- H* ADE H* Cytoplasma 2 H*) H* Intermem- branraum Matrix |ATP| H₂O