Inhalt der Vorlesung · Stoffwechsel: 1. Grundprinzipien des Metabolismus 2. Enzyme & Cofaktoren 3....

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Stoffwechsel: 1. Grundprinzipien des Metabolismus 2. Enzyme & Cofaktoren 3. Glykolyse und Gärung 4. Citratzyklus die zentrale Drehscheibe des Metabolismus 5. Atmungskette und ATP-Synthese 6. Pentosephosphatweg der Adapter im Stoffwechsel 7. Gluconeogenese und Cori-Zyklus 8. Biosynthese und Abbau von Glycogen 9. Fettsäuresynthese und β-Oxidation 10.Stoffwechsel von Cholesterin, Steroiden und Membranlipiden 11.Aminosäurestoffwechsel und Harnstoffzyklus 12.Stoffwechsel der Nukleotide Inhalt der Vorlesung 1

Transcript of Inhalt der Vorlesung · Stoffwechsel: 1. Grundprinzipien des Metabolismus 2. Enzyme & Cofaktoren 3....

Stoffwechsel:

1. Grundprinzipien des Metabolismus

2. Enzyme & Cofaktoren

3. Glykolyse und Gärung

4. Citratzyklus – die zentrale Drehscheibe des Metabolismus

5. Atmungskette und ATP-Synthese

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im Stoffwechsel

7. Gluconeogenese und Cori-Zyklus

8. Biosynthese und Abbau von Glycogen

9. Fettsäuresynthese und β-Oxidation

10.Stoffwechsel von Cholesterin, Steroiden und Membranlipiden

11.Aminosäurestoffwechsel und Harnstoffzyklus

12.Stoffwechsel der Nukleotide

Inhalt der Vorlesung

1

2

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationFettsäuren

Fettsäuren sind langkettige

Kohlenwasserstoffe mit einer

terminalen Carboxylgruppe

➢ sind wichtige Energielieferanten

➢ dienen als Bestandteile von

Phospholipiden und Glykolipiden

dem Aufbau biologischer

Membranen

➢ finden Verwendung als Vorstufen

von Hormonen und intrazellulären

Botenstoffen

Cholesterol Phospholipide

1. Membranlipide

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationWichtige Funktionen der Lipide

3

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationWichtige Funktionen der Lipide

2. Energiespeicher

4

Emulsion mit

Gallensalzen

Abbau durch

Dünndarmlipasen

zu FS und Glycerin

Aufnahme +

Umwandlung zu

Triacylglyceriden Umbau zu

Lipoproteinen:

Transportform im Blut

Spaltung durch

Lipoprotein-Lipasen

Speicherung oder

‚Verbrennung‘ der

Fettsäuren

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationAbbau von Nahrungsfetten (Triacylglyceride)

5

Hormonsensitive

Lipase

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationAbbau von Speicherfetten (Triacylglyceride)

6

1. Spaltung der Triacylglyceride

2. Aktivierung der Fettsäure

3. Transport durch die Membran

4. b-Oxidation zu Acetyl-CoA

Citratcyclus

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationAbbau von Triacylglyceriden

7

Cytosol

mitochondriale

Matrix

95 % der Energie

Glycerinaldehyd-3-

phosphat

Dihydroxyaceton-

phosphat

Glycolyse Gluconeogenese

ATP

ADP

NADH+H+

NAD+

Glycerin-

phosphat-

Dehydrogfenase

Glycerin-

Kinase

β-Oxidation

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationAbbau von Triacylglyceriden

8

Carbonsäuresterasen

Phosphodiesterase

Phospholipase B: beide

Säureester werden gespalten

Schlangen-/Bienengift

Signaltransduktion

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationAbbau von Triacylglyceriden/Phospholipiden

9

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationAbbau von Triacylglyceriden: Lipasen

10

DG°` = -34 kJ mol-1

In der äußeren Mitochondrienmembran

(katalysiert durch Fettsäure-CoA-Ligase):

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationAktivierung einer Fettsäure

11

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationTransport von Acyl-CoA in die mitochondriale Matrix

12

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren

13

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren

14

FAD oxidiert die Fettsäure, eine Doppelbindung entsteht

Fettsäure reagiert mit ATP → Coenzym A substituiert die AMP-Gruppe

Doppelbindungen sind gegenüber einem Angriff mit Wasser empfindlich

→ Bindung wird hydrolysiert

NAD+ oxidiert den alkoholischen Rest zum Keton

Nun kann ein weiteres Coenzym A die ursprüngliche Fettsäure spalten.

um 2 C-Atome

verkürzter

Fettsäurerest

1. Acyl-CoA Dehydrogenase

FAD als Elektronenakzeptor

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren: Schritt 1 – Oxidation zu einer ungesättigten FS

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2. Enoyl-CoA Hydratase

Addition von H2O an die Doppelbindung

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren: Schritt 2 – Wasseraddition an Doppelbindung

16

3. 3-L-Hydroxyacyl-CoA Dehydrogenase

Nur die L-Form des Substrats wird umgesetzt!

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren: Schritt 3 – Oxidation des Alkohols zum Keton

17

Oxidation einer

3-Hydroxygruppe

zu einer 3-Ketogruppe

(= β-Ketogruppe)

=> β-Oxidation!

4. b-Ketoacyl-CoA Thiolase (Acyl-CoA-Acetyl-Transferase)

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren: Schritt 4 – thiolytische Spaltung zu Acetyl-CoA + Acyl-CoA

18

ern

eu

ter

Zyklu

s d

er

β-O

xid

ation

• geradzahlige

• unverzweigte

• gesättigte

Fettsäuren

werden durch

die b-Oxidation

in Mitochondrien

zu Acetyl-CoA

abgebaut

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren

19

AMP

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren: Energiebilanz

20

COOH18

12 910

3 x Acetyl-CoAcis

H2O Hydratase

NADP+ NADPH + H+

2,4-Dienoyl-CoA-

Reduktase

cis-D3-Enoyl-CoA-

Isomerase

cis-D3-Enoyl-CoA-

Isomerase

trans

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren: ungesättigte Fettsäuren

21

1. Schritt: Carboxylierung zu Methyl-Malonyl-CoA: Propionyl-CoA Carboxylase

H3C

CH2

O

S

CoA

O

S

CoA

H3CH

O

O

-

HCO3-+ ATP

+H2OADP +

PPi

Biotin

2./3. Schritt: Umlagerung zu Succinyl-CoA: Methylmalonyl-CoA Isomerase + Mutase

O

S

CoA

H3CH

O

O

- -

O

S

CoA

H3CH

O

O-

O

O

CH2

CH2 S

CoA

O

B12

D-Methylmalonyl-CoA L-Methylmalonyl-CoA Succinyl-CoA

Einschleusung in

den Citratzyklus

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren: ungeradzahlige Fettsäuren

22

Grizzly:

Verbrauch von 6 000 kcal/Tag im Winter

Aufnahme von 20 000 kcal/Tag im Spätherbst

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationDie β-Oxidation von Fettsäuren: Energiequelle während der Winterruhe

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Biosynthese von Lipiden

2. Synthese

zusammengesetzter Lipide

1. Synthese der Fettsäure

3. Synthese des Cholesterols

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Lipiden

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Aus Acetyl-CoA (d.h. Kondensation von C2-Einheiten) im Cytosol:

Umwandlung von Zuckern in Fette ist möglich

1. Transport von Acetyl-CoA vom Mitochondrium ins Cytosol

2. Carboxylierung von Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA

3. Fettsäure-Synthase-Reaktionen

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Fettsäuren

25

Acetyl-CoA kann den

Carnitintransportweg für

langkettige Acylreste nicht

nutzen!

Netto wird ein Molekül

Acetyl-CoA unter Ver-

brauch von zwei ATP ins

Cytosol transportiert;

gleichzeitig wird ein NADH

in NADPH umgewandelt.

Mitochondrialer

Citrat-Shuttle:

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Fettsäuren: Transport von Acetyl-CoA vom Mitochondrium ins Cytosol

26

27

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Fettsäuren: Reaktionsfolge

Acetyl-CoA-Carboxylase

ATP-abhängig, Biotin, Mechanismus analog Pyruvat-Carboxylase

Reaktion:

Regulation

(Schrittmacherenzym):

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Fettsäuren: Carboxylierung von Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA

28

Acetyl-CoA-Carboxylase

1. Teilreaktion: ATP-abhängiger Carboxyltransfer auf Biotin

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Fettsäuren: Carboxylierung von Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA

29

Acetyl-CoA-Carboxylase

2. Teilreaktion: Angriff von Acetyl-CoA (Carbanion)

H

Malonyl-CoA

H

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Fettsäuren: Carboxylierung von Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA

30

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Fettsäuren: Acyl-Carrier-Protein

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9. Fettsäuresynthese und β-OxidationFettsäure-Synthase-Reaktionen: 1.+2. Substratbindung durch 2 Transferasen

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D-b-Hydroxy-

butyryl-ACP

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationFettsäure-Synthase-Reaktionen: 3. Kettenverlängerung durch β-Ketoacyl-ACP-Synthase

4. erste NADPH-abhängige Reduktion (Enoyl-ACP-Reduktase)

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Acetoacetyl-

ACP

Decarboxylierung treibt die

Reaktion an

→„Umweg“ über C3-Verbindung

ermöglicht die Kondensation

energetisch!

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationFettsäure-Synthase-Reaktionen: 5. Dehydratisierung

34

,

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationFettsäure-Synthase-Reaktionen: 6. zweite NADPH-abhängige Reduktion

35

,

Malonyl-CoA

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationFettsäure-Synthase-Reaktionen: 7. Substrattransfer

36

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationFettsäure-Synthase-Reaktionen: Produktabspaltung

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9. Fettsäuresynthese und β-OxidationFettsäure-Synthese: Bilanz

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Die Gesamtbilanz der Palmitinsäuresynthese lautet:

8 Acetyl-CoA + 14 NADPH + 7 ATP + 7 H+ + H2O

Palmitinsäure + 8 CoA + 14 NADP+ + 7 ADP + 7 Pi

katalysiert 7 Teilschritte

Co-Enzym: Phospho-Pantethein

Eukaryoten: 2 x identische Polypeptidkette,

2400 kDa Multienzymkomplex

E. coli: 7 Einzelproteine

9. Fettsäuresynthese

und β-Oxidation

Fettsäure-Synthase

39

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Fettsäuren: längerkettige und ungesättigte

Endprodukt der FS-Synthese: Palmitat (C16)

2 alternative Wege der Verlängerung:

• Verlängerung an der Außenseite des ER:

C2-Donor: Malonyl-CoA

Kondensation/Decarboxylierung wie FS-Synthese

Unterschied: FS als Acyl-CoA (nicht gebunden an ACP)

• Verlängerung im Mitochondrium:

spezifische Enzyme: Addition/Reduktion von Acetyl-CoA

(analog Umkehrung der β-Oxidation)

40

Bsp.: Stearyl-CoA + NADH + H+ + O2 Oleoyl-CoA + NAD+ + 2 H2O

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationBiosynthese von Fettsäuren: Desaturasen

41

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationVergleich: Fettsäure-Synthese und Fettsäure-Abbau

42

• Lokalisation

• Acylgruppen-Carrier

• Elektronen-Akzeptor/Donor

• Stereochemie der Dehydratation/Hydratation

• C2-Einheiten

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationVergleich: Fettsäure-Synthese und Fettsäure-Abbau

43

z.B. Glycero-

Phospholipide

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationSynthese von Triacylglyceriden und Phospholipiden

44

Glycolyse

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationSynthese von Triacylglyceriden und Phospholipiden

Schritt 1: Dihydroxyacetonphosphat → Phosphatidsäure

45

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationSynthese von Triacylglyceriden und Phospholipiden

Schritt 2: Phosphatidsäure → Diacylglycerol/Phospholipiden

46

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationSynthese von Triacylglyceriden und Phospholipiden

Schritt 3: Diacylglycerol → Triacylglycerol

47

all-cis-Δ5,8,11,14-Eicosanoat

9. Fettsäuresynthese

und β-Oxidation

Lipide

Eicosanoid-Biosynthese

48

49

9. Fettsäuresynthese und β-OxidationZusammenfassung

Die wichtigste Quelle und Speicherform von Fettsäuren sind die Triacylglyceride, in

denen hauptsächlich C16- und C18-Fettsäuren mit Glycerin verestert sind.

Lipasen spalten Triacylglyceride in ihre Komponenten. Glycerin wird

phosphoryliert und in die Glykolyse eingeschleust. Die freien Fettsäuren werden

zum Abbau in die mitochondriale Matrix transportiert. Dazu müssen die Fettsäuren

zunächst zu Acyl-CoA aktiviert und auf das Trägermolekül L-Carnitin übertragen

werden. Die so gebundenen Fettsäuren werden dann durch einen Carrier

(Antiporter) über die innere Mitochondrienmembran transportiert und schließlich

wieder auf Coenzym A übertragen.

Bei der β-Oxidation werden die Fettsäuren in mehreren Runden in Acetylreste

gespalten, wozu jedes zweite Kohlenstoffatom schrittweise bis zur Carbonsäure

oxidiert werden muss. Mittels thiolytischer Spaltung entsteht jeweils Acetyl-CoA.

Jede Oxidationsrunde erzeugt ein NADH und ein FADH2. Ungesättigte Fettsäuren

werden durch Umlagerung ihrer Doppelbindungen ebenfalls vollständig der

β-Oxidation zugeführt. Beim Abbau ungeradzahliger Fettsäuren entsteht

Propionyl-CoA, das über Carboxylierung und Isomerisierung in Succinyl-CoA

umgewandelt wird.

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9. Fettsäuresynthese und β-OxidationZusammenfassung

Die Synthese von Fettsäuren aus Acetyl-CoA erfolgt bei Eukaryoten an einem

Multienzymkomplex im Cytosol, der zwei Phosphopantetheinreste mit

Thiolresten zur Bindung der Acylreste trägt. Vor der Übertragung auf die wachsende

Fettsäure muss Acetyl-CoA über das Citrat-Shuttle in das Cytosol transportiert

und dort unter ATP-Verbrauch vorübergehend zu Malonyl-CoA carboxyliert werden.

Zur schrittweisen Reduktion bis zur Einfachbindung werden zwei NADPH pro

eingeführtem Acetylrest benötigt. Im letzten Schritt wird die fertige Fettsäure durch

Hydrolyse freigesetzt.

Die Fettsäure-Synthase kann maximal C16-Fettsäuren (Palmitinsäure) herstellen;

längferkettige Fettsäuren entstehen u.a. durch Verlängerung am endoplasma-

tischen Reticulum. Dort entstehen auch ungesättigte Fettsäuren durch selektive

Dehydrierung (z.B. Ölsäure).

Aus der vierfach ungesättigten C20-Fettsäure Arachidonsäure entstehen

Eikosanoide. Dazu zählen Prostaglandin, Prostacycline, Thromboxane und

Leukotriene. Die bifunktionelle Prostaglandin-Synthase erzeugt PGH2, das

gemeinsame Vorstufe aller Prostaglandine, Prostacycline und Thromboxane ist.