1. Einleitung: Die Chemie des Lebens

2. Kohlenhydrate

3. Lipide und Membranen

4.  Nukleinsäuren

5. Aminosäuren und Proteine

6. Enzyme und Katalyse

7. Vitamine & Kofaktoren

8.  Stoffwechsel I: Kohlenhydratstoffwechsel

9. Stoffwechsel II: Citratcyclus & oxidative Phosphorylierung

10. Stoffwechsel III: β-Oxidation & Aminosäureabbau

11. Stoffwechselphysiologie & Ernährungsbiochemie

Inhaltsverzeichnis - Kapitel

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Die Prinzipien des Stoffwechsels sind in allen Organismen gleich ( Evolution / Thermodynamische Gesetze ):

-> Reaktionstypen – Regulation - speicherbare Energie

Organismen unterscheiden sich jedoch in ihrer trophischen Strategie (autotroph, heterotroph, etc.).

Überblick über metabolische Prozesse

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Stoffwechsel 1

-  Autotrophe Organismen (fotosynthetisierende Organismen): bauen das anorganische Material durch Fotosynthese unter Produktion von O2 in organische Substanz um, die den heterotrophen Organismen als Nahrung dienen

- Heterotrophe Organismen: bauen die organische Substanz ab um aus ihr Energie zu gewinnen

- unter sauerstoffarmen Bedingungen: anaerober Abbau oder Gärung -  unter sauerstoffreichen Bedingungen: aerober Abbau oder Atmung

Überblick über metabolische Prozesse

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Stoffwechsel 1

Anaerober Abbau von organischen Substanzen: 2 Wege

1. GÄRUNG: O2 fehlt; organisches Substrat dient als H-Akzeptor (z.B. Hefen)

2. ANAEROBE ATMUNG: NO3 oder SO4 dienen als H-Akzeptoren Endprodukte sind auch v.a. CO2 und H2O.

Eine Abfolge spezifischer Reaktionen, die zu einem definierten Produkt führen wird als STOFFWECHSELWEG bezeichnet.

Stoffwechselwege

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Stoffwechsel 1

Der Abbau verschiedener Substanzklassen führt zu einem zentralen Stoffwechselprodukt (Acetyl-CoA), das dann weiter abgebaut (oxidiert) wird.

Dabei werden reduzierte Coenzyme generiert (FADH2 und NADPH), die im weiteren Verlauf durch Sauerstoff (re-)oxidert werden. (oxidative Phosphorylierung). Bei diesem Prozess entsteht ATP (Adenosintriphosphat), das universell als Energieträger eingesetzt werden kann.

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Stoffwechsel 1

Anabolismus

Anabolismus Aufbau von körpereigenen Bestandteilen

Energie wird verbraucht (endergonisch) Energie stammt aus katabolen Reaktionen

Katabolismus

Katabolismus Reaktion des Körpers auf Belastung Abbau von Stoffwechselprodukten zu einfachen Molekülen Energiegewinnung für anabole Reaktionen (exergonisch)

Katabole und anabole Reaktionen hängen voneinander ab, aber laufen in der Zelle nicht gleichzeitig ab.

Kurzzeitiger Energiespeicher und Energieüberträger = ATP

Katabole und anabole Stoffwechselwege

Produkte des katabolen Stoffwechsels werden in exergonischen Reaktionen gebildet und daher muss für die Umkehrung des Prozesses (anabole Stoffwechselwege) ein energieliefernder Schritt eingeschaltet werden!

Daher unterscheiden sich katabole und anabole Stoffwechselwege in mindestens einem Schritt!

Dies ist von Vorteil, da die Prozesse damit unabhängig voneinander reguliert werden können:

Katabole und anabole Stoffwechselwege

Stoffwechselweg A

Stoffwechselweg XY 7

Stoffwechsel 1

Katabole Stoffwechselwege: E-Gewinnung

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Kataboler Stoffwechsel:

Stoffwechsel 1

Regulation von Stoffwechselwegen

Allosterische Regulation:

•  Ein Endprodukt hemmt eine frühe Reaktion im Stoffwechselweg (negative Rückkopplung) •  Diese sogenannten Effektoren binden an allosterische Taschen (≠ aktives Zentrum) am Enzym

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Stoffwechsel 1

Produkthemmung/negative Rückkopplung

Allosterie: Veränderung der Konformation unter Beeinflussung des aktiven Zentrums / Bindungszentrums

Energiereiche Verbindungen

Die vollständige Oxidation von Kohlenhydraten und Fetten setzt Energie frei, die in Form von sog. „Energiereichen Verbindungen“ gespeichert wird (vor allem ATP).

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Stoffwechsel 1

Diese Verbindungen können dann dazu verwendet werden endergonische Reaktionen („uphill“ -> Reaktion braucht Energie) anzutreiben.

•  Im Anhydrid konkurrieren die beiden Sauerstoffatome um die Elektronen des Brückensauerstoffatoms.

•  Außerdem kommt es zur elektrostatische Abstoßung der negativen Ladungen im Anhydrid.

Warum ist ATP ein energiereiches Molekül?

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Stoffwechsel 1

Spaltung einer Anhydrid-Bindung setzt > 30 kJ/mol an Energie frei!

•  Die hydratisierten Produkte sind besser solvatisiert und daher energieärmer.

•  In Acylphosphaten besteht eine noch größere Konkurrenz um die Elektronen des Brückensauerstoffs.

•  Daher besitzen diese Verbindungen ein höheres Phosphatgruppenübertragungs- potential als ATP.

Acylphosphate sind gemischte Phosphorsäure/Carbonsäure Anhydride

Acylphosphate

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Stoffwechsel 1

Thioester

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Stoffwechsel 1

Auch die Hydrolyse einer Thioesterbindung ist exergonisch

und kann für die Synthese von ATP verwendet werden!

Phosphatgruppenübertragungspotential

Verbindungen mit hohem Potential können die Phosphatgruppe auf Verbindungen mit niedrigem Potential übertragen.

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Stoffwechsel 1

ATP steht dabei im Zentrum der Übertragungswege.

Wie kann eine exergonische Reaktion eine endergonische antreiben?

Kopplung von Reaktionen

Endergone Reaktion +

Exergone Reaktion -

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Stoffwechsel 1

Gibbs-Energie

Chemische Reaktionen folgen den Gesetzen der Thermodynamik. Dabei ist die Veränderung der Gibbs-Energie ΔG das entscheidende Kriterium:

ΔG < 0: exergone Reaktion läuft spontan ab

ΔG = 0: Gleichgewicht keine Reaktion

ΔG > 0: endergone Reaktion braucht Energie-Zufuhr

Beispiele für gekoppelte Reaktionen

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Stoffwechsel 1

ATP wird permanent im menschlichen Körper umgesetzt (ca. 1,5 kg/h !) und muss daher ständig generiert werden.

Es gibt drei prinzipielle Wege ATP herzustellen:

Bildung von ATP im Stoffwechsel

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Stoffwechsel 1

Abbau von Kohlenhydraten - Glycolyse

Die Glykolyse (gr.: glykys = süß; lysis = auflösen) ist der schrittweise Abbau von C6-Zuckern wie der Glucose zu 2 C3-Molekülen (Pyruvat) und besteht aus 10 enzymatischen Einzelschritten.

Sie ist ein zentraler, katabolischer Prozess zur Energiegewinnung in den Zellen der meisten Lebewesen. Sie ist der einzige metabolische Weg, den fast alle Organismen gemeinsam haben, was auf eine sehr frühe Entstehung hinweist.

Insgesamt werden 2 Moleküle ATP pro Molekül Glucose hergestellt. Weiters entstehen 2 Moleküle NADH.

Außerdem kann das Endprodukt Pyruvat zur weiteren Oxidation, d.h. Energieerzeugung verwendet werden.

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Kohlenhydratstoffwechsel

Glycolyse - Fakten

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Kohlenhydratstoffwechsel

Die Glykolyse findet im Cytoplasma aller (differenzierten) Zelltypen statt

Die Glykolyse liefert Energie und bereitet Glucose für den oxidativen Abbau vor

Sie liefert auch Vorläufer für die Biosynthese anderer Verbindungen:

•  Pyruvat: Fettsäuresynthese; Aminosäuren-Synthese (Alanin, Valin, Leucin)

•  Dihydroxyacetonphosphat (DHAP): Lipid-Synthese •  Phosphoenolpyruvat (PEP): Biosynthese aromatischer Aminosäuren

(Phenylalanin, Tryptophan, Tyrosin) •  3-Phosphoglycerat (3PG): Biosynthese von L-Serin

Bei der Glykolyse wird ATP 100x schneller bereitgestellt als über die vollständige oxidative Phosphorylierung in der Atmungskette.

Manche spezialisierte Zellen beziehen ihre Energie ausschließlich aus der Glykolyse: Gehirn, Nierenmark, Erythrozyten, Spermien, proliferierende Tumorzellen

In der Glykolyse werden neben ATP auch die Reduktionsäquivalente NADH erzeugt -> werden in der Atmungskette für weiteren ATP-Gewinn reoxidiert, oder zum Zweck der NAD+-Regeneration als Reduktionsmittel für Synthese anderer Moleküle verwendet.

Glycolyse – auch ohne Sauerstoff

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Kohlenhydratstoffwechsel

Die Glykolyse läuft auch unter sauerstoffarmen/freien Bedingungen ab:

•  Mikroorganismen können so in einem anoxischen Milieu Energie gewinnen

•  bei Wirbeltieren: bei starker Muskelbeanspruchung muss die Zelle Energie kurzfristig ausschließlich aus der Glykolyse beziehen, da mehr O2 verbraucht wird als vorhanden ist -> Glucose schnell durch Glykolyse und Milchsäuregärung zu Lactat umgesetzt

•  Pflanzen betreiben die Glykolyse auch zusätzlich in den Plastiden. Dadurch kann der Stoffwechsel bei Licht- oder O2-Armut aufrechterhalten werden.

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Glycolyse - Reaktionen und Enzyme

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Kohlenhydratstoffwechsel

Glycolyse – 2 PHASEN

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Kohlenhydratstoffwechsel

Die Glycolyse kann in zwei Abschnitte unterteilt werden:

1.  INVESTMENT-Phase: -> Energie investiert

Im ersten Abschnitt wird Glucose 2x phosphoryliert und schlussendlich in 2 Moleküle Glycerinaldehyd-3-phosphat zerlegt. Dieser Abschnitt verbraucht 2 Moleküle ATP pro Molekül Glucose.

2.  ERNTE-Phase: -> liefert Energie und Reduktionsäquivalente

Im zweiten Abschnitt wird Glycerinaldehyd-3-Phosphat (G3P) zu Pyruvat abgebaut. Bei diesem Abbau werden insgesamt 4 Moleküle ATP gebildet (2 pro G3P). Daraus ergibt sich eine Nettosynthese von 2 ATP.

Glycolyse - die „Investment“phase

1 Hexokinase

4

Aldolase

3

Phosphofructokinase

5

Triosephosphatisomerase

2

Phosphoglucose- isomerase

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Kohlenhydratstoffwechsel

1. Schritt: Hexokinase

1. Phosphorylierung der Glucose: Übertragung einer Phosphatgruppe von ATP auf die C-6 Alkoholgruppe der Glucose -> Bildung des Phosphomonoesters Glucose-6-Phosphat

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Kohlenhydratstoffwechsel

Hexokinase

1 Molekül ATP wird investiert.

Glucose-6-Phosphat reichert sich in der Zelle an, da die Zellmembran nur für Glucose durchlässig ist. Außerdem sinkt die intrazelluläre Glucose-Konzentration im Vergleich zur extrazellulären, wodurch die Aufnahme von Glucose begünstigt wird.

8 Å

Beispiel eines INDUCED FIT: •  Glucose und ATP werden im aktiven Zentrum zusammengeführt

•  Wasser wird ausgeschlossen um Hydrolyse von ATP zu vermeiden

Substrat-induzierte Konformationsänderung

Offene Konformation Geschlossene Konformation

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Kohlenhydratstoffwechsel

2. Schritt: Phosphoglucoisomerase (G6P-Isomerase)

2. Isomerisierung (Aldohexose zu Ketohexose): Die Phosphoglucoisomerase oder Glucose-6-Phosphat-Isomerase katalysiert die Isomerisierung von G6P in Fructose-6-Phosphat (F6P).

Unter Standardbedingungen liegt das Gleichgewicht auf der Seite von G6P. Das Produkt F6P reagiert aber schnell weiter, darum wird es dem Gleichgewicht entzogen und die Isomerisierung läuft zu Gunsten der Ketohexose ab.

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Kohlenhydratstoffwechsel

Phosphoglucoisomerase

3. Schritt: Phosphofructokinase

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Kohlenhydratstoffwechsel

Phosphofructokinase

Ein 2. Molekül ATP wird investiert.

Phosphofructokinase: 1. Kontrollpunkt der Glycolyse

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Kohlenhydratstoffwechsel

Die Phosphofructokinase als Regulatorenzym katalysiert den Geschwindigkeits-bestimmenden Schritt („Flaschenhals“) im ersten Teil der Glykolyse und bestimmt so entscheidend mit, wie viel verfügbare Energie die Zelle (ATP, Citrat, NADH/H+) beziehungsweise der Organismus (Blutglucose) besitzt. (-> siehe REGULATION)

Dieser dieser Schritt macht – neben der Glucokinase sowie der Pyruvatkinase – die Glykolyse unter physiologischen Bedingungen irreversibel.

Weiters ermöglicht diese zweite Phosphorylierung im nächsten Schritt die Bildung von zwei phosphorylierten Triosen (DHAP und GAP) -> C1-C3 der F1,6bP finden sich dann in DHAP, C4-C6 in GAP.

Warum Kontrollpunkt / Schlüsselenzym?

Zwei Enzymformen:

•  PFKI (Bildung von Fructose-1,6-bisphosphat (F-1,6-BP)) •  PFKII (Bildung des PFK-I-Effektors und Isomers Fructose-2,6-bisphosphat (F-2,6-BP))

Beide Enzyme regulieren damit auch den Blutzucker durch Verarbeitung der Signale von Glucagon und Insulin.

Phosphofructokinase: Regulation

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Kohlenhydratstoffwechsel

Allosterische Inhibierung:

•  ATP : Substrathemmung •  NADH+H+, Citrat

Allosterische Aktivierung:

•  ADP, AMP: Energiemangelsignale •  F-2,6-bisP: Isomer von F-1,6,-bisP

gebildet durch PFKII

Aktivität der PFK als Funktion von F6P ->

Regulation:

Allosterische Regulation der Phosphofructokinase

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Kohlenhydratstoffwechsel

Allosterische Bindung von ADP/ATP

ATP hemmt und AMP aktiviert das Enzym

Allosterische Regulation der Phosphofructokinase

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Kohlenhydratstoffwechsel

4. Schritt: Aldolase

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Kohlenhydratstoffwechsel

Aldolase

4. Spaltung in 2 Triosen: Spaltung des C-6 Zuckers F-1,6-bisP in zwei C-3 Fragment:

•  Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) •  Glycerinaldehyd-3-Phosphat (GAP)

5. Schritt: Triosephosphatisomerase

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Kohlenhydratstoffwechsel

5. Isomerisierung von DHAP in GAP:

Da nur GAP weiterverwendet wird, muss DHAP in GAP umgewandelt (isomerisiert) werden:

Die Isomerisierung in GAP wird dadurch begünstigt, dass GAP in der Glykolyse weiter abgebaut wird -> Konzentration in der Zelle wird niedrig gehalten.

Triosephosphatisomerase

Zusammenfassung „Investment“phase

In der ersten Phase der Glycolyse wird Glucose zu 2 Glycerinaldehyd-3-Phosphat umgewandelt.

Dabei wurde 2 Moleküle ATP verbraucht.

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Kohlenhydratstoffwechsel

In der zweiten Phase der Glycolyse findet eine Nettobiosynthese von ATP statt (Energiegewinn).

Glycolyse - die „Ernte“ / Amortisierungs-Phase

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Glycerinaldehyd-3-phospat

8

Phosphoglycerat-Mutase

10

Pyruvatkinase

9

Enolase

7

Phosphoglycerat-Kinase

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Kohlenhydratstoffwechsel

6. Schritt: Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase

6. Bildung einer Energiereiche Verbindung: In dieser Reaktion wird die Oxidation und Phosphorylierung von G3P mit der Synthese von NADH gekoppelt.

Gleichzeitig entsteht ein energiereiches Acylphosphat (gemischtes Säureanhydrid): 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3-BPG).

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Kohlenhydratstoffwechsel

GAP-Dehydrogenase

7. Schritt: Phosphoglycerat-Kinase

7. Substratkettenphosphorylierung 1: Dies ist der erste Schritt, in dem durch eine Substratkettenphosphorylierung ATP herge-stellt wird -> 1 Molekül ATP pro 1,3-BPG. Aus 1,3-BPG entsteht dabei 3-Phosphoglycerat (3PG).

Feedbackregulation: Falls die Zelle bereits viel ATP hat, hält die Reaktion an dieser Stelle an, bis wieder genügend ADP zur Verfügung steht.

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Kohlenhydratstoffwechsel

Phosphoglycerat-Kinase

D.h. diese Reaktion ist auch ATP/ADP-reguliert und damit die 2. irreversible Reaktion der Glykolyse.

8. Schritt: Phosphoglycerat-Mutase

8. Umlagerung der Phosphatgruppe:

Dieser Schritt ist notwendig, um in der nächsten Reaktion wieder eine energiereiche Verbindung herzustellen:

Dabei wird 3-Phosphoglycerat in 2-Phosphoglycerat umgewandelt, wobei die Phosphatgruppe dabei zwischenzeitlich auf einen Aminosäurerest des Enzyms übertragen wird.

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Kohlenhydratstoffwechsel

Phosphoglycerat-Mutase

9. Bildung einer energiereichen Verbindung durch Dehydratisierung: Die Dehydratisierung von 2-Phosphglycerat generiert die energiereiche Verbindung Phosphoenolpyruvat (PEP). Dies besitzt ein hohes Phosphatgruppen-Übertragungspotential, was im letzten Schritt der Glykolyse für die Generierung eines weiteren ATPs genutzt wird.

9. Schritt: Enolase

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Kohlenhydratstoffwechsel

Enolase

10. Schritt: Pyruvatkinase

10. Substratkettenphosphorylierung 2: In der letzten glykolytischen Reaktion wird das zweite energiereiche Produkt PEP zur Synthese von ATP via Substratkettenphosphorylierung verwendet. Dabei entsteht aus PEP Pyruvat.

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Kohlenhydratstoffwechsel

Pyruvatkinase

Diese Reaktion ist ebenfalls ATP/ADP-reguliert und damit die 3. irreversible Reaktion der Glykolyse.

Aus jedem Molekül GAP werden in der Erntephase 2 Moleküle ATP durch Substratketten-phosphorylierung gewonnen, d.h. ein Nettogewinn von 2 ATP pro 1 Molekül Glucose:

Zusammenfassung „Ernte“phase

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Kohlenhydratstoffwechsel

Außerdem werden 2 Moleküle NADH erzeugt, die ebenfalls zur ATP-Gewinnung herangezogen werden können (im Zuge der oxidativen Phosphorylierung).

Pyruvat wird weiter abgebaut (Citratcyclus); dabei wird ebenfalls ATP generiert.

GAP Pyruvat + 2 ATP 1 Glucose - 2 ATP GAP Pyruvat + 2 ATP