5. Kohlenhydrate

144

149

Zyklisierung: Aldosen

150

Zyklisierung: Ketosen

150

Zyklisierung: Ketosen

D-Glucose L-Glucose

L-GalactoseD-Galactose

Enantiomere

Enantiomere

Diastereomere Diastereomere

1

23

6. Lipide und Biomembranen

180

cytosolische Seite

extrazelluläre Seite

6.2. Strukturen und Eigenschaften von Biomembranen

Das “Fluid Mosaic Model” nach Singer und Nicolson (1972) steht mit allen bislang experimentell gemessenen

Eigenschaften von Biomembranen in Einklang

195

6.3. Transport von Ionen und kleinen hydrophilen Molekülen durch Biomembranen hindurch

Ionen und hydrophile Moleküle können gar nicht oder nur extrem langsam durch Biomembranen hindurchdiffundieren, da

der innere Bereich der Lipiddoppelschicht hydrophob ist.

→ Membrantransporterproteine, die für das jeweilige Ion bzw. hydrophile

Molekül spezifisch sind, katalysieren deren Durchtritt durch die Biomembran

unkatalysierte Diffusion

katalysierter Transport

200

Die katalysierte Diffusion eines Ions/hydrophilen Moleküls S1 durch Biomembranen entgegen eines

Konzentrationsgradienten benötigt Energie*

*genauere Betrachtung der Energetik erfolgt in VL BCII

→ Energie für Transport von S1 kann geliefert werden durch

a) ATP Hydrolyse

b) Transport eines Ions/Moleküls S2 entlang seines Kontzentrationsgradienten

ATP+

H2OADP

+H2PO4

-

202

7. Nukleinsäuren

204

7.2. Strukturen von RNA und DNA

Vergleich von chemischer Zusammensetzung und strukturellen Eigenschaften von RNA und DNA

RNA DNA

Nukleotide AMP, GMP, CMP,UMP dAMP, dGMP, dCMP, dTMP

Relative Häufigkeit der Basen

variiert A = T, C = G(Chargaff Regel)

Enden des Polymerstrangs 5‘-Phosphat und 3‘-OH 5‘-Phosphat und 3‘-OH

Anordnung desPolymerstrangs

einzelsträngig doppelsträngig

räumliche Struktur „Stamm und Schlaufe“ (Stem-loop)

Doppelhelix

207

Hyperchromischer Effekt: bei Temperaturerhöhung steigt die Absorption von DNA und RNA Lösungen bei 260 nm an

Schmelztemperatur Tm

= Temperatur, bei welcher der durch

Erhitzung erreichter Absorptionsanstieg

einer DNA Lösung 50% ihres maximalen Werts erreicht hat

→ Molekulare Ursache für den hyperchromischen Effekt:

- Denaturierung der DNA Doppelhelix → Bildung von einzelsträngiger DNA

- der Extinktionskoeffizient e260 der organischen Basen ist niedriger in doppelsträngiger DNA als in einzelsträngiger DNA

213

Denaturierung und Renaturierung von DNA

- Durch erhitzen denaturiert doppelsträngige DNA (nativ) zu einzelsträngiger DNA

- durch sehr langsames Abkühlen (< 1 K/min) kann die denaturierte DNA wieder in

native DNA überführt werden (Renaturierung)

- bei schnellem Abkühlen aggregieren die Einzelstränge unkontrolliert und es bilden

sich nur gelegentlich (Zufall!) und nur lokal kurze doppelsträngige Bereiche aus

214

8.

Grundlagen des Stoffwechsels

217

Oxidationszustände Organischer Verbindungen

Oxidationszustand

des Kohlenstoffs

niedrig

hoch

228

+3

-2 -2 +1

0

+1 -2 +1

0

0

0

-2+1+1

-?

229

8.4. NADH, NADPH und FADH2 als Elektronenwährung der Zelle

NADH, NADPH und FADH2 sind Nukleotide deren Reduktionspotentiale

(= Elektronenaffinität) eine Mittelstellung unter den Bimolekülen einnimmt

NADH, NADPH und FADH2 übertragen Elektronen auf Biomoleküle (Reduktionsmittel)

NAD+, NADP+ und FAD entziehen Biomolekülen Elektronen (Oxidationsmittel)

Allgemeine Redoxreaktionen:

NAD(P)H + X NAD(P)+ + X-H-

FADH2 + Z FAD + XH2

Übertragung von H- (Hydrid Anion = 2 Elektronen + 1 Proton)

Übertragung von 2 H

(zwei Wasserstoff Atome = 2 Elektronen + 2 Protonen)

NAD(P)H + Y + H+ NAD(P)+ + H-X-H

Übertragung von H- und H+

oder_

Standard Reduktionspotentiale einiger biologisch wichtiger

Verbindungen

234

Vergleich von Lipoamid und Glutathion

287

E0= -0.29V

E0= -0.23V

235

Berechnung der thermodynamischen Triebkraft von Redoxreaktionen

Aox + Bred Ared + Box

n e-

DG0’ = - n F (E0’ – E0’ )Aox/Ared Box/Bred

n: Anzahl der pro Reaktion ausgetauschten Elektronen

F: Faraday Kontante 96485 Cmol-1 (beachte: VC = J)

’: kennzeichnet, dass die Messung bei pH 7 (H+ =10-7 M)

durchgeführt wurde (biochemische Standardbedingungen)

235

Berechnung der thermodynamischen Triebkraft von Redoxreaktionen

Aox + Bred Ared + Box

n e-

DG0’ = - n F (E0’ – E0’ )Aox/Ared Box/Bred

n: Anzahl der pro Reaktion ausgetauschten Elektronen

F: Faraday Kontante 96485 Cmol-1 (beachte: VC = J)

’: kennzeichnet, dass die Messung bei pH 7 (H+ =10-7 M)

durchgeführt wurde (biochemische Standardbedingungen)

NAD+ + H2O NADH + H+ + ½O2

n e-

-1

-2

0

+1

9.

Abbau der Glukose zum Pyruvat

236

9.2.1. Einzelreaktionen der Glycolyse

239

Energiebilanz der Glycolyse-Reaktionen

Standardbedingungen:

Konzentration der

Reaktanden ist 1 M

berücksichtigt

zelluläre Konzentrationen

der Reaktanden (≠1 M)

269DG = DG0’ + RTln K

Verhältnis der Konzentrationen der Reaktanden im zellulären

Gleichgewicht

Reaktion 4: Aldolase

246

Reaktion 3: Phosphofructokinase (PFK)

245

249

▪ Zwischenbilanz der Glykolyse nach Ablauf der Schritte 1-5:

Energie: -2 ATP

Elektronen: ±0 NADH C-Atome in GAP auf gleicher Oxid.stufe wie Glucose

▪ Schritt 6: Glycerinaldehydphosphat Dehydrogenase (GAPDH) Reaktion

Oxidation der Aldehydgruppe mit gleichzeitiger Phosphorylierung der

entstandenen Carbonsäure → Bildung von NADH

→ Bildung eines energiereichen Phosphoanhydrids (ohne ATP Verbrauch!)

Warum ist es in der GAPDH Reaktion thermodynamisch möglich, dass

eine energiereiche Phosphorylverbindung entsteht?

Oxidation eines Aldehyds zur Carbonsäure mittels NAD+ liefert DG ≈ -50 kJ/mol

Die Bildung eines Phosphoanhydrids aus Carbonsäure und Phosphat benötigt DG ≈ +50 kJ/mol

→ die Oxidation liefert gerade genug Energie für die Phosphorylierung

Wie wird es mechanistisch ermöglicht Oxidation und Phosphorylierung zu koppeln? → siehe Folie 251

Reaktion 6: Glycerinaldehyd-3-phosphate Dehydrogenase

(GAPDH)

250

252

▪ Schritt 7: Phosphoglyceratkinase (PGK) Reaktion

Nutzung der energiereichen Phosphoanhydrid-Bindung zur ATP Synthese

▪ Zwischenbilanz der Glycolyse nach Ablauf der Schritte 1-7:

Energie: ± 0 ATP

Elektronen: + 2 NADH (pro Molekül Glucose)

C-Atome im 3PG sind auf der gleichen Oxid.stufe wie Pyruvat → die verbleibenden Schritte der

Glykolyse enthalten keine weitere Oxidation des C-Gerüsts

Die Phosphorylgruppe im 3PG ist nicht energiereich genug, um ADP zu phosphorylieren (Hydrolyse DG ≈ -10 kJ/mol).

→ Warum ist es trotzdem möglich, dass 2 ATP in der Glycolyse gewonnen werden?

▪ Schritt 8: Phosphoglycerat Mutase Reaktion

Verlagerung der Phosphorylgruppe auf das mittlere C-Atom, um Bildung des Phosphoenolpyruvats (enthält sehr

energiereiche Phosphorylgruppe!) vorzubereiten

Energiebilanz der Pyruvatkinase Reaktion

260

ATP-gekoppelte Reaktionen

Phosphorylierung von ADP

226

273

(i) Atmung: In Anwesenheit von O2 (aerob) gibt NADH seine Elektronen an die Atmungskette ab, die sie damit O2 zu H2O

reduziert. → hoher zusätzlicher Gewinn an ATP

(ii) Gärungen: In Abwesenheit von O2 (anaerob) überträgt NADH seine Elektronen auf Pyruvat oder Spaltprodukte von

Pyruvat. → kein zusätzlicher ATP Gewinn

10.2. Gärungen

Milchsäuregärung (homolaktische Fermentation):

findet z. B. in Milchsäurebakterien statt

Alkoholische Gärung

NADH muß reoxidiert werden, da mit NAD+ als Elektronenakzeptor für die Glykolyse zur Verfügung steht. Dafür gibt es

zwei prinzipiell unterschiedliche Wege:

Wenn die O2 Verfügbarkeit limitiert ist (z. B. in schnell in wachsende Krebszellen, in hochaktiven Muskeln) kann “aerobe

Glycolyse” stattfinden, bei der Pyruvat zu Lactat unter NADH Verbtrauch reduziert wird (katalysiert durch Lactat-DH). Da

Glykolyse und Lactat-DH Reaktion sehr schnell ablaufen wird so eine extrem rasche Gewinnung von ATP ermöglicht.

10.3. Aerober Pyruvatabbau

Bei ausreichender O2 Verfügbarkeit wird Pyruvat durch den Pyruvat Dehydro-genase (PDH) Komplex zu Acetyl-CoA oxidiert,

wobei pro Molekül Pyruvat ein Molekül NADH gebildet wird:

▪ die Reaktion benötigt drei verschiedene Enzyme (Pyruvat Dehydrogenase, Dihydrolipoyl Transacetylase, Dihydrolipoyl

Dehydrogenase) und drei Co- Faktoren (TPP, Lipoamid, FAD)

▪ die drei Enzyme sind nicht-kovalent miteinander assoziiert (Quartärstruktur), wobei jedes Enzym in mehrfacher

Kopienzahl vorhanden ist

Acetyl-CoAPyruvat Coenzym A (CoA)

281

11. Citrat Zyklus

290

292

11.1. Einzelreaktionen des Citrat Zyklus

Der Citrat Zyklus als Stoffwechseldrehscheibe

301

Rote Pfeile: anaplerotische Reaktionen

302

Werden Intermediate des Citrat Zyklus in anderenStoffwechselwegen verbraucht, müssen diese (oder andere

Intermediate des Citrat Zyklus) durch andere Stoffwechselreaktionen nachgeliefert werden, damit der Citrat Zyklus nicht zum

erliegen kommt. Diese bezeichnet man als anaplerotische (= auffüllende) Reaktionen.

▪ Die wichtigsten anaplerotischen Reaktionen für den Citrat Zyklus: