Wege des Pyruvats...2 Aufnahme von Glucose durch Carrier-Proteine. Glykolyse findet im Cytoplasma...
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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
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Mitochondrien
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Ausschnitt aus der Doppelmembran eines Mitochondriums
Zusammensetzung:innen 75% Proteine
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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
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Mitochondrien – Endosymbiontenhypothese
9BC I –10-9
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Co-Enzym A
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Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
Einschleusung von Pyruvat in den Citratzyklus
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Pyruvat-Dehydrogenase-Multi-Enzymkomplex
3 Enzyme5 Coenzyme
TPP Liponamid
FAD
E1 E2
E3
Pyruvat
Acetyl-CoA
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+ 24 Moleküle Pyruvat-Dehydrogenase (E1)8 x 3 Moleküle
Dihydrolipoyl-Transacetylase
(E2)
+ 12 Moleküle Dihydrolipoyl-
Dehydrogenase (E3)
Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
Zusammensetzung
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8 x 3 Moleküle Dihydrolipoyl-Transacetylase (E2)
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Aufbau des Pyruvat-Dehydrogenase Multienzymkomplexes
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Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
Thiaminpyrophosphat (TPP)
• Umsetzung von Aldehyden/Ketonen zu Hydroxyalkylgruppen
• Übertragung der Hydroxyalkylgruppen
• Decarboxylierung von α-Ketocarbonsäuren (z.B. Pyruvat)
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Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
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Liponamid
Dihydro-Liponamid
E‘° ~ -300 mV
Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
Rolle von Liponsäure
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Pyruvat-Dehydrogenase
Dihydrolipoyl-transacetylase
Dihydrolipoyl-dehydrogenase
Alternativer Name:Pyruvat-Decarboxylase
E1
E2 E3
TPP=Thiamin-diphosphat
Funktion des Pyruvat-Dehydrogenase Multienzymkomplexes
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Redoxpotential der Elektronenüberträger
Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
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Citratzyklus
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Citratzyklus: 1. Citrat-Synthase
G°‘ = -32 kJ mol-1
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Citratzyklus: 1. Citrat-Synthase
Mechanismus
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Citrat ist prochiral !
Citratzyklus: 1. Citrat-Synthase
Stereochemie
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Citratzyklus: 1. Citrat-Synthase
ohne Substrat: R-Konformation
mit Substrat: T-Konformation
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Citratzyklus: 2. Aconitase
G°‘ = 13,3 kJ mol-1
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Citratzyklus: 2. Aconitase
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trans-Eliminierung
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Citratzyklus: 3. Isocitrat-Dehydrogenase
1. Oxidative Decarboxylierung
G°‘ = -21 kJ mol-1
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Citratzyklus: 3. Isocitrat-Dehydrogenase
Mechanismus derIsocitrat-Dehydrogenase
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Homolog zum Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
2. Oxidative Decarboxylierung G°‘ = -33,5 kJ mol-1
Citratzyklus: 4. -Ketoglutarat-Dehydrogenase
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Citratzyklus: 5. Succinyl-CoA-Synthetase
auch Succinat-Thiokinase
G°‘ = -3 kJ mol-1
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-UE
-UE
Citratzyklus: 5. Succinyl-CoA-Synthetase
phosphoryliertes Enzymintermediat
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Citratzyklus: 6. Succinat-Dehydrogenase
membrangebunden ! Komplex II der Atmungskette Eisen-Schwefel Cluster + FAD
G°‘ = 0 kJ mol-1
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Citratzyklus: 6. Succinat-Dehydrogenase
Eigenschaften
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Citratzyklus: 7. Fumarase
= Fumarat-Hydratase
G°‘ = -4 kJ mol-1
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Citratzyklus: 7. Fumarase
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Citratzyklus: 8. Malat-Deyhdrogenase
G°‘ = 30 kJ mol-1 !
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NAD+/NADHFAD/FADH2
Redoxequivalente:
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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
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Koordinierte Kontrolle von Glykolyse und Citratzyklus:
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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
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Atmungskette
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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
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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
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Chemiosmotische Hypothese
1978 Nobelpreis
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Anordnung der Atmungskette
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Energieverlauf der Atmungskette
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Elektronentransfer
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Redoxsysteme der Atmungskette
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Atmungskette: Komplex I
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Atmungskette: Komplex I
NADH
NAD+
Q
QH2
H+
Inhibitoren:Amytal (Barbiturat)Rotenon, Piericidin
in Eukaryonten 42 Untereinheiten
9 Fe-S-Cluster, FMN
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Rolle von Flavin
Atmungskette: Komplex I
NADH + H+ NAD+
FMNFMNH2
1-Elektronentransport zu Fe/S-Cluster
FADH●
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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+
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Ubiquinon als zentraler Elektronen-Carrier
E0‘ = 0,045 V
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Ubiquinon als zentraler Elektronen-Carrier
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Ubiquinon als zentraler Elektronen-Carrier
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Komplex III – Ubiquinol:Cytochrom C Oxidoreduktase
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Hemmstoff: Antimycin A
Komplex III – Ubiquinol:Cytochrom C Oxidoreduktase
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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
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Komplex IV – Cytochrom C Oxidase
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Struktur des Cytochrom c
Voet/4-cyt-c
77Biochemie I – 11-77
Struktur derCytochrom c-Oxidase
Bra-Too/c12Membr-7
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Komplex IV – Cytochrom C Oxidase
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Hemmstoffe:CN-, CO, S2-, N3
-
Komplex IV – Cytochrom C Oxidase
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Mechanismus der Cytochrom c Oxidase
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Atmungskettenphosphorylierung
Biochemie I – 11-83
E-transp.swf
Biochemie I – 1-84
85Biochemie I – 11-85
AtmungskettenphosphorylierungKomplex V: F0F1-Typ ATP-Synthase
F1F0
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Komplex V: FoF1-Typ ATP-Synthase
F1 F0
Atmungskettenphosphorylierung
John E. Walker
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H+-Gradient zur ATP-Freisetzung benötigt !!!
FoF1-ATP-Synthase
Binding Change - Mechanismus
Paul Boyer
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FoF1-ATP-Synthase
Nachweis des Rotationsmechanismus (F1-ATPase)
biochemisch spektroskopisch(PARAP)
biochemisch(Mikrovideographie)
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FoF1-ATP-Synthase
Nachweis des Rotations-mechanismus(FoF1-ATPase)
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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
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Atmungskettenphosphorylierung
Entkoppler der Atmungskette
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Gewollte Entkoppelung Atmung/ATP-Synthese
Aaronstab braunes Fettgewebe
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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