1

Nahrung: Stärke, Glucose, Maltose

Glucose

Pyruvat

CO2Citratzyklus

Atmung

CO2 + EtOH Alkoholische Gärung

Lactat Milchsäuregärung

GlykolyseEmbden-Meyerhof-Parnas-Weg 10 Enzymatische Schritte

Wege des Pyruvats

2

Aufnahme von Glucosedurch Carrier-Proteine.

Glykolyse findet im Cytoplasma statt.

Citratzyklus und oxidative Phosphorylierung findet in den Mitochondrien statt.

Sauerstoff und Kohlendioxiddiffundieren durch die Membran.

Prototyp eines Stoffwechselweges

3

Mitochondrien

ca. 2000 / Zelle

Kraftwerke:

Pyruvat-DH (Säuger) Citratzyklus Fettsäure-Oxidation Atmungskette ATP-Synthese

Gluconeogenese Porphyrin-Biosynthese Ketonkörper-Synthese Harnstoffzyklus Steroidsynthese

4

5

Mitochondrien

6

Ausschnitt aus der Doppelmembran eines Mitochondriums

Zusammensetzung:innen 75% Proteine

7

mitochondriale DNA (mt-DNA): ringförmig, codiert für 13 Proteine, tRNA, rRNA genetischer Code ist leicht verschieden!

Codon Mitochondrien univ. CodeUGA Trp STOP

AUA Met IleAGG STOP ArgAGA

Mitochondrien

8

Mitochondrien – Endosymbiontenhypothese

9BC I –10-9

10

Co-Enzym A

11

Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex

Einschleusung von Pyruvat in den Citratzyklus

12

Pyruvat-Dehydrogenase-Multi-Enzymkomplex

3 Enzyme5 Coenzyme

TPP Liponamid

FAD

E1 E2

E3

Pyruvat

Acetyl-CoA

13

+ 24 Moleküle Pyruvat-Dehydrogenase (E1)8 x 3 Moleküle

Dihydrolipoyl-Transacetylase

(E2)

+ 12 Moleküle Dihydrolipoyl-

Dehydrogenase (E3)

Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex

Zusammensetzung

14

8 x 3 Moleküle Dihydrolipoyl-Transacetylase (E2)

15

Aufbau des Pyruvat-Dehydrogenase Multienzymkomplexes

16

Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex

Thiaminpyrophosphat (TPP)

• Umsetzung von Aldehyden/Ketonen zu Hydroxyalkylgruppen

• Übertragung der Hydroxyalkylgruppen

• Decarboxylierung von α-Ketocarbonsäuren (z.B. Pyruvat)

17

Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex

18

Liponamid

Dihydro-Liponamid

E‘° ~ -300 mV

Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex

Rolle von Liponsäure

19

20

21

22

Pyruvat-Dehydrogenase

Dihydrolipoyl-transacetylase

Dihydrolipoyl-dehydrogenase

Alternativer Name:Pyruvat-Decarboxylase

E1

E2 E3

TPP=Thiamin-diphosphat

Funktion des Pyruvat-Dehydrogenase Multienzymkomplexes

23

Redoxpotential der Elektronenüberträger

Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex

25

Citratzyklus

26

Citratzyklus: 1. Citrat-Synthase

G°‘ = -32 kJ mol-1

27

Citratzyklus: 1. Citrat-Synthase

Mechanismus

28

Citrat ist prochiral !

Citratzyklus: 1. Citrat-Synthase

Stereochemie

29

Citratzyklus: 1. Citrat-Synthase

ohne Substrat: R-Konformation

mit Substrat: T-Konformation

30

31

Citratzyklus: 2. Aconitase

G°‘ = 13,3 kJ mol-1

32

Citratzyklus: 2. Aconitase

33

34

trans-Eliminierung

35

Citratzyklus: 3. Isocitrat-Dehydrogenase

1. Oxidative Decarboxylierung

G°‘ = -21 kJ mol-1

36

Citratzyklus: 3. Isocitrat-Dehydrogenase

Mechanismus derIsocitrat-Dehydrogenase

37

Homolog zum Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex

2. Oxidative Decarboxylierung G°‘ = -33,5 kJ mol-1

Citratzyklus: 4. -Ketoglutarat-Dehydrogenase

38

Citratzyklus: 5. Succinyl-CoA-Synthetase

auch Succinat-Thiokinase

G°‘ = -3 kJ mol-1

39

-UE

-UE

Citratzyklus: 5. Succinyl-CoA-Synthetase

phosphoryliertes Enzymintermediat

40

Citratzyklus: 6. Succinat-Dehydrogenase

membrangebunden ! Komplex II der Atmungskette Eisen-Schwefel Cluster + FAD

G°‘ = 0 kJ mol-1

41

Citratzyklus: 6. Succinat-Dehydrogenase

Eigenschaften

42

43

Citratzyklus: 7. Fumarase

= Fumarat-Hydratase

G°‘ = -4 kJ mol-1

44

Citratzyklus: 7. Fumarase

45

Citratzyklus: 8. Malat-Deyhdrogenase

G°‘ = 30 kJ mol-1 !

46

48

NAD+/NADHFAD/FADH2

Redoxequivalente:

49

Citratzyklus: theoretische Energiebilanz

Substratketten-P

Substratketten-P

Atmungsketten-P

Atmungsketten-P

Atmungsketten-P

Atmungsketten-P

3 ATP/NADH

theoretisch:38 ATP mol-1

50BC I –10-50

Energiestoffwechsel

51

Koordinierte Kontrolle von Glykolyse und Citratzyklus:

53

Atmungskette:

• Transport der Elektronen von NADH oder reduziertem Ubichinon auf molekularen Sauerstoff

• durch die grosse Differenz der Redoxpotentiale ist die Reaktion stark exergon

• Energie wird zur ATP-Bildung verwendet• Elektronentransportkette:

drei Proteinkomplexe (I, III, IV)bewegliche Überträger Ubichinon (CoEnzymQ) undCytochrom cProteinkomplex II: Succinatdehydrogenase des Citratcyclus

54

Atmungskette

55

½ O2 / H2O

NAD+ / NADH- 320 mV

~ - 200 mV

0 mV

2H+ / H2- 420 mV Glycerinaldehyd-P, Pyruvat, Isocitrat,-Ketoglutarat, Malat, etc.

Qox / Qred

Succinat, Acyl-P, Glycerin-P

NADH + H+ + ½ O2 NAD+ H2O

NADH + H+ / NAD+ E0‘ = - 320 mV2 [H] + ½ O2 / H2O E0‘ = + 815 mV

815 mV

E0‘ = 1135 mV

mit G = -nFE 220 kJ / 2 e-

theoretisch > 4 ATP / 2 e-

Atmungskette

56

zFcc

RTGtN

Pln

Die Energie der protonenmotorischen Kraft

NADH + 11 HN+ + ½ O2 → NAD+ + 10 HP

+ + H2O Konzentrations-Term

elektrogener Term(durch Transport von Ionen)

aktive Mitochondrien:pH = ~0.75 = 0.15 - 0.20 VGt(H+) = ~20 kJ mol-1

1‐

1

VkJ8.96pHmolkJ7.5tG

Biochemie I – 11-57

I III IV

58

Chemiosmotische Hypothese

1978 Nobelpreis

59

Anordnung der Atmungskette

60

Energieverlauf der Atmungskette

61

Elektronentransfer

62

Redoxsysteme der Atmungskette

63

Atmungskette: Komplex I

64

Atmungskette: Komplex I

NADH

NAD+

Q

QH2

H+

Inhibitoren:Amytal (Barbiturat)Rotenon, Piericidin

in Eukaryonten 42 Untereinheiten

9 Fe-S-Cluster, FMN

65

66

Rolle von Flavin

Atmungskette: Komplex I

NADH + H+ NAD+

FMNFMNH2

1-Elektronentransport zu Fe/S-Cluster

FADH●

67

Rolle von Eisen/Schwefel-Cluster

Atmungskette: Komplex I

Helmut Beinert

E0‘ > +100 mVFe2+/3+

E0‘ +200 bis -250 mV[2Fe-2S] +/2+

E0‘ +100 bis -600 mV[4Fe-4S] +/2+

68

Ubiquinon als zentraler Elektronen-Carrier

E0‘ = 0,045 V

69

Ubiquinon als zentraler Elektronen-Carrier

70

Ubiquinon als zentraler Elektronen-Carrier

71

Komplex III – Ubiquinol:Cytochrom C Oxidoreduktase

72

Hemmstoff: Antimycin A

Komplex III – Ubiquinol:Cytochrom C Oxidoreduktase

73

Häme als Elektronenüberträger in der Atmungskette

E0‘(V):

cyt a: +0,55 cyt b +0,08 c1: +0,22

cyt a3: +0,3 c : +0.25

rote Farbe

Biochemie I – 11-74

Model des Cytochrom b: Teil des Komplexes III

enzym/cyt-b563

75

Komplex IV – Cytochrom C Oxidase

76

Struktur des Cytochrom c

Voet/4-cyt-c

77Biochemie I – 11-77

Struktur derCytochrom c-Oxidase

Bra-Too/c12Membr-7

78

Komplex IV – Cytochrom C Oxidase

79

Hemmstoffe:CN-, CO, S2-, N3

-

Komplex IV – Cytochrom C Oxidase

80

81

Mechanismus der Cytochrom c Oxidase

82

Atmungskettenphosphorylierung

Biochemie I – 11-83

E-transp.swf

Biochemie I – 1-84

85Biochemie I – 11-85

AtmungskettenphosphorylierungKomplex V: F0F1-Typ ATP-Synthase

F1F0

86

Komplex V: FoF1-Typ ATP-Synthase

F1 F0

Atmungskettenphosphorylierung

John E. Walker

87

H+-Gradient zur ATP-Freisetzung benötigt !!!

FoF1-ATP-Synthase

Binding Change - Mechanismus

Paul Boyer

88

FoF1-ATP-Synthase

Nachweis des Rotationsmechanismus (F1-ATPase)

biochemisch spektroskopisch(PARAP)

biochemisch(Mikrovideographie)

89

FoF1-ATP-Synthase

Nachweis des Rotations-mechanismus(FoF1-ATPase)

90

91

92

P/Q-Quotient

P/Q = mol ATP gebildetmol O verbraucht (2 e-)

1. Pumpleistung der Atmungskette: 10 H+ / 2 e-

2. ATP Synthase: ≥3 H+ / ATP(-20 kJ mol-1 H+ zurück)(+50 kJ mol-1 für ATP-Bildung)

P / Q (theoretisch): 3 / 2 e- NADH (2 FADH2)P / Q (gemessen): 2,5 / 2 e- NADH (1,5 FADH2)

Atmungskettenphosphorylierung

93

Atmungskettenphosphorylierung

Entkoppler der Atmungskette

94

Gewollte Entkoppelung Atmung/ATP-Synthese

Aaronstab braunes Fettgewebe

95

Typen von ATP-Synthasen (ATPasen)

ATP-Synthese Bakterien,

Mitochondrien &Thylakoide

Na+/K+-Pumpe (Tiergewebe) H+-Pumpe (Magen) Ca2+-Pumpe (z.B. Muskel) Schwermetall-Pumpen (Bakterien)

Ansäuren der Vakuolen (Pflanzen) Ansäuren der Lysosomen (Tiere)

Homologien

96Biochemie I – 11-96

Was passiertim

Mitochondrium?

• Citratcyclus• Atmungskette• ATP-Synthese