Zusammenfassung Stoffwechsel

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bedeutsame Makromoleküle: Kohlenhydrate • Verbindungen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff ● Hydrate des Kohlenstoffs mit der Summenformel: Cx (H2O) y C-Körper Schema: Kohlenstoffatome als miteinander verbundene. Kugeln Funktionen: ● Energielieferanten (für Lebensvorgänge) ● Bau- und Gerüstsubstanz ● Reservestoffe ● ● ● Energiespeicher an der Oberfläche, damit Zellen sich gegenseitig erkennen können, bzw Signale aufnehmen können Einfachzucker: Monosaccharide besteht aus einem einzigen Zuckermolekül. Bsp: Glucose (C6 H12 06), Fructose,. Galactose Gleiche Summenformel, aber unterschiedliche Strukturformel Zweifachzucker: Disaccharide Verkettung zweier Einfachzucker (eine. Hydroxylgruppe des einen Zuckers reagiert mit der eines anderen Zuckers, wodurch ein Wasseratom abgespalten wird )->glykosidische Bindung Speicherung des Zuckers oder Zellaufbau bei Lebewesen Bsp: Saccharose, Maltose, Lactose ● Mehrfachzucker: Polysaccharide langkettige Kohlenwasserstoffe aus mehreren miteinander. verbundenen Einfach- oder Mehrfachzuckern Bsp: Glykogen, Stärke, Cellulose Fructose Saccharose IT Tiere Glykogen stark verzweigt Glucose Glucose Moleküle Maltose Pflanzen Stärke Weniger verzweigt Galactose Lactose Cellulose 2 2.10 Energiestoffwechsel Zuerst: Menschliche Zelle zum Vergleich ● ● ● ● Golgi- Apparat Mitochondrium Mitochondrium ● ● CREAND ● und Mitochondrien CANT Ribosomen Zytoplasma Endoplasmatisches Retikulum Zellkern Zellmembran Zellkern: ● enthält die DNA in Form von Chromosomen ● steuert die Zelle. Ribosomen: ● Innere Membran hat viele Einstülpungen. -> stark vergrößerte Oberfläche -> selektiert, welche Stoffe in die Mitochondrienmatrix gelangt. in der Matrix sind DNA und Ribosomen -> PBS findet statt Mitochondrium ● dienen der Energiebereitstellung (Ort der Zellatmung) Endoplasmatisches Retikulum raues ER: Proteinbiosynthese findet statt glattes ER: wirkt bei Stoffwechselprozessen im Cytoplasma oder am ER an Produktion von Proteinen beteiligt ● der Ort der ATP (Adenosintriphosphat) Bildung (notenwendigen Enzyme dort) zuständig für die energieeffiziente Zellatmung (Glucose wird unter aeroben Bedingungen in einer Vollständigen Oxidation abgebaut) : vier Teilprozesse die in den Nährstoffen gespeicherte Energie wird zum Aufbau von ATP verwendet Zellorganellen (ca so groß wie Bakterien) die Körperzellen die am meisten Energie in form von ATP benötigen besitzen die meisten Mitochondrien pro Volumeneinheit. Doppelmembran: semiperabel durch Tunnelproteine (Stoffe gelangen in den Intermembranraum) Mitochondrien- matrix innere Membran äußere Membran Intermembranraum MS DNA Ribosom 3 2.11 Grundprinzipien von Stoffwechselwegen Oxidation & Reduktion -> Redoxreaktion ● Oxidation: Elektronenabgabe und Reduktion: Elektronenaufnahme Elektronen in Form von. Wasserstoffatomen Rolle beim Stoffwechsel: ● Glucose oxidiert ● Sauerstoff reduziert Reduktionsäquivalente (ermöglicht den Ablauf von Redoxreaktionen) Coenzym NAD (Nicotinamid-adenin-dinucleotid) Schlüsselrolle in. Redoxreaktionen kann in oxidierter Form (NAD) oder reduzierter Form (NADH+H*) ATP (Adenosin-triphosphat) ● ● ATP als Energieträger Energie Sythese endergonische Reaktion: • Energie wird benötigt Bsp: aktiver Transport je negativer das Redoxpotential, desto größer das Bestreben e- abzugeben ATP ADP+P Bestreben e-Abgabe Kopplung zur Redoxreaktion AH2 wird zu A oxidiert NAD+ wird zu NADH+H reduziert Hydrolyse Bestreben e- Aufnahme exergonische Reaktion: • Energie wird freigesetzt Bsp: Zellatmung Energie wichtigster Überträgerstoff für Energie im Zellstoffwechsel bei der Bildung von ATP wird chemische Energie gespeichert 0 AH₂ alle Lebewesen benötigen es zum Energie zu binden / übertragen wird in allen Zellen benötigt A Fe2+ Reduktion NAD* oxidiert und gibt 2e- ab 2e- NADH+H. Cu Oxidation Reduktion 2+ Fe + Cu²+ -> Fe²+ + Cu Cu2- BH ₂ B reduziert und nimmt 2e: auf B wird zu BH2 reduziert NADH+H oxidiert zu NAD Coenzym ATP dient als Energiespeicher bei ex, Reaktionen frei werdende Energie wird genutzt, um eine Phosphatgruppe. an ein ADP Molekül zu binden. ATP wird innerhalb einer Zelle im Ort seiner Bildung zum Ort seines Bedarfes transportiert Ort des Bedarfs: ATP gibt Energie ab (Spaltung in ADP und eine Phosphatgruppe) 2.12 Tracermethode einzelne Stoffwechselschritte oder ganze Stoffwechselwege untersuchen Tracer (radioaktive Substanz) nimmt im lebenden Körper am Stoffwechsel teil Organe und Gewebe können lokalisiert werden (Bsp. Tumore) Autoradiographie: ● Dissimilationsprozesse untersuchen 1.. Zu einer Zellkultur wird ein Tracer (radioaktiv markierte Glucose) hinzugefügt 2. Tracer wird im Zellstoffwechsel umgesetzt 3. Entstandene Produkte enthalten ebenfalls den Tracer 4. Um herauszufinden wie der Prozess abläuft, muss man die Reihenfolge der entstandenen Stoffe ermitteln 5. Zellen werden nach verschiedenen Inkubationszeiten in Alkohol gegeben 6. Enzyme denaturieren und alle Stoffwechselprozesse brechen ab 7. Isolieren der Mitochondrien & Trennung der Stoffe mit Chromatographie 8. aus dem Vergleich der Proben kann der Stoffwechselprozess abgeleitet werden 5 2.13 Die Glykolyse im Cytoplasma 1. Abschnitt: Energieaufwendungsphase (ATP wird verbraucht) 2. Abschnitt: Energiefreisetzungsphase (ATP wird gebildet). freies P ADP +P ATP ADP ATP ATP Phosphorilierung ADP ATP Übertragung einer Phosphatgruppe auf Glucose ADP Pyruvat C3 Glycerinaldehyd-3-Phosphat C3 NAD* H2O Phosphoenolpyruvat C3 Glucose C6 Übertragung einer Ooooo Phosphatgruppe auf Glucose Glucose-6-Phosphat C6 Phosphorilierung Fructose-6-Phosphat C6 Dephosphorilierung Umwandlung durch Enzym Hexokinase Fructose-1,6-Biphosphat C6 Oxidation von GAP->exergonisch Reduktion von NAD NADH+H Phosphorilierung Spaltung ADP +P ATP ADP ATP 0-0-0-0 Glycerinaldehyd-3-Phosphat C3 NAD* H2O Phosphoenolpyruvat C3 Pyruvat C3 Energieaufwendungsphase NADH+H* Bilanz: 1 Glucose -> 2 Pyruvat; 2 H₂O; 2 NADH + H*; 2 ATP Energiefreisetzungsphase 6 2.14 Pyruvatabbau zu Kohlenstoffdioxid im Mitochondrium Oxidative Decarboxilierung Oxalacetat C4 H2O Malat C4 50 Fumerat C4 Succinat C4 reagiert mit Acetyl CoA und durchläuft den Citratcyklus NADH+H* NAD* CO₂ C1 FADH₂ FAD H2O, Abspaltung Citrat wird zu.Oxalacetat und CO2 abgebaut NADH+H, ATP, FADH2 entstehen Pyruvat C3 Acetat C2 COA Acetyl CoA C2 ATP Coenzym A Verknüpfung mit CoA H2O Citratcyklus NAD* NADH+H* ADP CoA COA CO₂ C1 Bilanz des Citratcyklus + Oxidative Decarboxylierung: Pro Glucosemolekül: 6 CO₂; 2 ATP; 8 NADH+H*; 2FADH₂ Gesamtbilanz: 4 ATP; 10 NADH+H*; 2 FADH₂; 6CO2 Citrat C6 · CO₂ C1 CoA Wird zu seinem Isomere umgesetzt Isocitrat C6 سے نہ 00000 Alpha-Ketoglutarat C5 -> C-Atome des Glucosemoleküls werden zu CO2 Succenyl-CoA C4 NAD Bildung der Reduktionsäquivalente NADH+H* COA NAD. NADH+H* 2.15 die ATP Sythese im Mitochondrium : Atmungskette 4 große Proteinkomplexe (bestehen aus Redoxsystemen für Elektronentransport). Elektronen werden am Ende der Atmungskette auf Sauerstoffmoleküle übertragen Es liegen zwei voneinander getrennte Reaktionsräume vor: Intermembranraum Mitochondrienmatrix ● ● 1. Komplex 1 nimmt das Elektron.auf 2. Schnelle Übertragung auf Ubichion (größeres Bestreben) 3. Weitergeben von Komplex zu Komplex 4. Redoxpaare werden immer energieärmer und besitzen immer positivere Redoxpotentiale (größte hat Sauerstoff) 5. Am Ende der Atmungskette werden Elektronen auf das Sauerstoff übertragen 6. Entstandenen Oxidionen reagieren mit Protonen zu Wasser ● die Stufenweise Übertragung von Komplex zu Komplex macht die Reaktion kontrollierbar (es werden immer nur eine kleine Energiemengen freigesetzt) ● Komplex I H (NADH+H (H+ NAD NADH+H und FADH aus den vorherigen 3 Schritten liefern e-, welche über Redoxsysteme in den Proteinkomplexen weitergeleitet werden -> H+ wird in den Intermembranraum gepumpt (H) Ubichion FADH₂ H -Komplex II H U U U FAD H (H Komplex III Cyt c Verlagern von Protonen führt zu einem Überschuss, und positiver Ladung im Intermembranraum im Vergleich zur Matrix (H₁) 1/2 O₂ (2H) + 1/2O₂ H+ -Komplex IV H20 Protonenkonzentration wird verringert .innere Intermembranraum Mitochondrienmembran Mitochondrienmatrix Redoxpotential steigt von Komplex I bis IV NADH+H hat das niedrigste & Sauerstoff das höchste während des Elektronentransports pumpen Komplex I,II & III Protonen in den Intermembranraum Konzentrationsgradient (unterschiedliche Konzentration kann bis zu zwei PH Einheiten betragen) und. Ladungsgradient (Ladungs Ungleichheit) entstehen (Fluss positiver lonen aus der Zelle), und dienen als Energiequelle für die ATP Synthase FADH+H hat ein höheres Redoxpotential als Komplex I und gibt die Elektronen direkt an Komplex II ab 8 2.16 ATP Synthese im Mitochondrium Hohe H+ Konzentration niedrige H+ Konzentration H (ADP) +P (H* ATP innere Intermembranraum Mitochondrienmembran. 10 NADH+H -> 30 ATP 2 FADH -> 4 ATP ATP Synthase Mitochondrienmatrix ● ● an der inneren Mitochondrien- Membran Protonenmotorische Kraft wird für die ATP Synthese in chemische Energie umgewandelt Protonen können nicht einfach wieder zurück diffundieren. ATP Synthase = Tunnelprotein für Protonen -> Protonen passieren einen Kanal in der ATP Synthase zurück in die Matrix -> Energie der Konzentrationsgradienten wird zur ATP Synthese genutzt Chemiosmose: Redoxreaktionen in der Atmungskette sind an die ATP Synthese gekoppelt ATP gelangt direkt an den Ort seines Verbrauches, um einer Rückreaktion entgegen zu wirken Pro NADH+H kommen 3 H+ in den Intermembranraum (3 Komplexe) -> 3H+ durch ATP-Synthase: 3 ATP Pro FADH2 kommen 2H+ in den Intermembranraum (Komplex I übersprungen) -> 2H+ durch ATP-Synthase: 2 ATP 34 ATP während der Atmungskette gewonnen 9 2 FADH, 2 NADH+H+ 2 NADH+H* 6 NADH+H* 10 NADH+H* 2 FADH₂ Übersicht Glucose Glykolyse 2 Pyruvat oxidative Decarboxylierung 2 Acetyl CoA Reaktionsgleichung aerober Stoffwechsel:. Citratcyklus Atmungskette 6 0₂ Stoffwechselbilanz: 1 Glucose 12 H₂O 2 ATP 2 CO 4.CO, 2 ATP 38 ATP + 12 H,O +6 CO, Coth 20%+6.02.- 6 CO, + 6H,O + 38 ATP Glucose + 6 Sauerstoff -> 6 Kohlenstoffdioxid + 6 Wasser +38 ATP. Cytoplasma Mitochondrien matrix innere Mitochondrien membran 10 2.18 Regulation energieliefernder Stoffwechsel ATP hemmt die Phospho- fructokinase. ADP und AMP aktivieren die ADP Phospho- fructokinase. (AMP) Doty negative Rück- kopplung positive Rück- kopplung Glykolyse Fructose-6-phosphat (ATP) (NADH+H Glucose Phospho- AND fructo- kinase Fructose-1,6-bisphosphat Pyruvat oxidative Decarboxylierung (Acetyl-CoA) Citrat Isocitrat Citrat- zyklus Citrat hemmt die Phospho- fructokinase. a-Ketoglutarat Atmungskette ✪ Fettsäuren) (ADP NAD (ATP)/(NADH+H ● bei ausreichender Menge an ATP in der Zelle, wird der Stoffwechselweg ,,abgeschaltet" ● Regulationsmechanismen können an verschiedenen Abschnitten wirken Allosterische Hemmung des Enzyms. Phosphofructoinase (wichtigste Schaltstelle der Glykolyse) ● ab einer bestimmten Konzentration hemmt ATP die. Phosphofructoinase -> Allosterische Regulation die Geschwindigkeit des Glucoseabbaus sinkt Liegen genügend AMP oder ADP vor, wird das Enzym aktiviert negative Rückkopplung (je mehr, desto weniger) Rückwirkung. des ATP Gehaltes Positive Rückkopplung (je mehr, desto mehr) Induktion oder Repression von Genen kann Enzyme auch. codieren und dadurch eine Möglichkeit zur Regulation sein 11 Energieumsatz des Menschen: Grundumsatz: Energie, die ein Mensch ohne Anstrengung (im Ruhezustand) verbraucht. -> Effektoren: Grösse, Gewicht, Alter Arbeitsumsatz: Energie, die über den Grundumsatz hin verbraucht wird Gesamtumsatz: Grundumsatz + Arbeitsumsatz Energieumwandlung: bei jeder Umwandlung wird ein Teil in Form von Wärme frei -> Energieentwertung ● Zellen und Lebewesen haben offene Systeme, da Energie und Stoffe mit der Umgebung. ausgetauscht werden Zellulärer Glucoseabbau ● Zusammenfassung ● 1. Glykolyse ● im Cytoplasma. ● Glucose zu Pyruvat 2Pyruvat + 2NADH+H+ 2ATP + 2H2O ● ● ● 3. Citratcyklus ● Mitochondrienmatrix ● AcetylCoA zu 2CO2 4CO2 + NADH+H+ 2 FADH + 2 ATP Regulation des Stoffwechsels durch Phosphofructoinase wandelt Fructose-6-Phosphat.in Fructose 1,6Biphosphat um, welches zu PGA gespalten wird ATP als Aktivator 2. oxidative Decarboxilierung ● an innerer Mitochondrienmembran ATP als Inhibitor bindet allosterisch an Phosphofructokinase -> aktives Zentrum -> kein Stoffwechsel Endprodukthemmung; negative Rückkopplung (je mehr ATP, desto weniger aktive. Phosphofructokinase, desto weniger neues ATP.) wirkt Energieüberschuss entgegen Pyruvat zu Acetyl-CoA 2AcetylCoA + 2CO2 + 2NADH+H 4. Atmungskette innere Mitochondrienmenbran ● NADH+H & FADH geben e- an Redoxkomplexe ab -> H+ Konzentrationsgradient -> Ausgleich durch ATP. Synthase (2ATP fro. FADH, 3ATP pro NADH+H) 34 ATP + 12 H2O verändert Phosphofructokinase so, dass Fructose-6-Phosphat binden kann. Positive Rückkopplung (je mehr ADP, desto mehr Phosphofructokinase, desto mehr neues ATP.) Je mehr ATP, desto weniger ADP, je weniger ATP, desto mehr ADP. 12