Medi Learn.biochemie01

8/15/2019 Medi Learn.biochemie01

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iochemie andnerg iestoffwe hsel


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nh ltsverzeichnis

Autor: Isabel EggemannHerausgeber :MEDI LEARNBahnhofstraße 2Gb 35037 Marburq ahnHerst ellung:MEDI LEARN KielDlbr ichtweg 11 24145 KielTel: 0431 78025 0 Fax: 043 1 78025 27EMail: redaktion edi Iearn.de www.medi Iearn.deVerlagsredaktion: Dr . W alt raud Haberberger Jens Plasger Christ ian W eier Tobias HappFachlicher Beirat : Timo BrandenburgerLektorat: Thomas Brockfeld Jan Peter W ulfGrafiker: Irina Kart Dr. Günter Körtner Alexander Dospil Chr ist ine MarxLayout und Satz: Kjell W ierigIllustration: Daniel Lüdeling Rippenspreizer.comDruck: Druckerei Wenze l Marburg1. Auflage 2007ISBN 10: 3 938802 18 9ISBN 13: 978 3 938802 18 2© 2007 MEDI LEARN Verlag MarburgDas vorliegende Werk ist in all seinen Teilen urheberrecht lich geschütz t. Alle Rechte sind vorbehalten ins-besondere das Recht der Übersetzung des Vortrags der Reproduktion der Vervielfältigung auf fotomecha-nischen oder anderen W egen und Speicherung in elektron ischen Medien.Ungeachtet der Sorgfalt die auf die Erstellung von Texten und Abbildungen verwendet wurde können wederVerlag noch Autor oder Herausgeber für mögliche Fehler und deren Folgen eine juristische Verantwortungoder irgendeine Haftung übernehmen.

Wichtiger inweis für alle eserDie Medizin ist als Naturwissenschaft ständ igen Veränderungen und Neuerungen unterworfen. Sowohl die For-schung als auch klinische Erfahrungen führen dazu dass der W issensstand ständig erweitert wird. Dies gilt insbe-sondere für med ikamentöse Therapie und andere Behandlungen. Alle Dosierungen oder Angaben in diesem Buchunterliegen diesen Veränderungen.Obwohl das MEDI LEARN Team größte Sorgfalt in Bezug auf die Angabe von Dosierungen oder Applikationen hatwalten lassen kann es hierfür keine Gewähr übernehmen. Jeder Leser ist angehalten durch genaue Lektüre derBeipackzette l oder Rücksprache mit einem Spezialisten zu überprüfen ob die Dosierung oder die Applikationsdaueroder menge zutrifft . Jede Dosie rung oder Applika tion er folgt auf eigene Gefahr des Benutzers. Sollten Fehlerauffallen bitten wir dring end darum uns darü ber in Kenntnis zu setzen.


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orwort

rw rtLiebe Leser innen und Leser,da ihr euch entschlossen habt, den steinigen We g zum Medicus zu beschreiten, müsst ihr euch fr üher oderspäter sowohl gedanklich als auch praktisch mit den wirklich üblen Begleit erscheinungen dieses ansonstenspannenden Studiums auseinander setzen, z.B. dem Physikum.Mit einer Durchfallquote von ca. 25% ist das Physikum die unangefochtene Nummer eins in der Hitliste derzahlreichen Selektionsmechanismen.Grund genug für uns, euch durch die vorliegende Skripten reihe mit insgesamt 31 Bänden fachl ich und lernstrategisch unter die Arme zu gre ifen. Die 30 Fachbände beschäftigen sich mit den Fächern Physik, Physiologie, Chemie, Biochem ie, Biologie, Histologie , Anatomie und Psychologie Soz iologie. Ein gesonderter Bandder MEDI-LEARN Skriptenreihe widmet sich ausführlich den Themen Lerns trategien, MC-Techniken undPrüfungsrhetorik.Aus unserer langjährigen Arbeit im Bereich profess ioneller Prüfungsvorbereitung sind uns die Probleme derStudenten im Vorfe ld des Physikums bestens bekannt.Angesichts des enormen Lernstoffs ist klar, dass nicht100% jedes Prüfungsfachs gelern t werden können. W eit weniger klar ist dagegen, wie eine Minimierun g derFaktenflut bei gleichzeitiger Maximierung der Bestehenschancen zu bewerkste lligen ist.Mit der MEDI·LEARN Skriptenreihe zur Vorbereitung auf das Physikum haben wir dieses Problem für euchgelöst. Unsere Autoren haben durch die Analyse der bisherigen Examina den examensrelevanten Stoff fürjedes Prüfungsfach hera usgefiltert. Auf diese Weise sind Skripte entstanden, die eine kurze und prägnanteDarstellung des Prüfungsstoffs liefern.Um auch den mündlichen Teil der Physikumspr üfung nicht aus dem Auge zu verlieren, wurden die Bändejeweils um Themen ergänzt, die für die mündliche Prüfung von Bedeutung sind.Zusammenfassend können wir feststellen, dass die Kenntnis der in den Bänden gesammelten Fachinfor mationen genügt, um das Examen gut zu beste hen.Grundsätzl ich empfehlen wir , die Examensvorbereitung in drei Phasen zu gliedern . Dies setzt voraus, dassman mit der Vorbereitung scho n zu Semesterbeginn [z.B. im April für das August-Examen bzw. im Oktober fürdas Mä rz-Examen] startet. Wenn nur die Semesterferien für die Examensvorbere itung zur Verfügung stehen,sollte direkt wie unten beschr ieben mit Phase 2 begonnen werden.• Phase 1: Die erste Phase der Examensvorbere it ung ist der Erarbeit ung des Lern st off s gewidmet. We r zu

Semesterbeginn anfängt zu lernen, hat bis zur schriftlichen Prüfung je drei Tage für die Erarbe itung jedesSkriptes zur Verfügung. Möglicherweise werden einzelne Skripte in weniger Zeit zu bewältiqen sein, dafürbleibt dann mehr Zeit für andere Themen oder Fächer. Während der Erarbeitungsphase ist es sinnvoll, einzelne Sachverhalte durch die punktuelle Lektüre eines Lehrbuchs zu ergänzen. Allerdings sollte sich diesepunktuelle Lektüre an den in den Skripten dargestellten Themen orientierenZur Festigung des Gele rnten empfehlen wir, bereits in dieser ersten Lernphase t heme nweise zu kreuzen. Wä hrend der Arbe it mit dem Skr ipt Biochem ie sollen z.B. beim Thema Citratcyclus auch schonPrüfungsfragen zu diesem Thema bearbeitet werden. Als Fragensa mmlung empfehlen wir in dieser Phasedie Schwarzen Reihen . Die jüngsten dre i Examina sollten dabei jedoch ausgelassen und für den Endspurt[= Phase 3) aufgehoben werden.

• Phase 2: Die zweite Phase setzt mit Beginn der Semesterferien ein. Zur Festigung und Vert iefung desGelernten empfeh len wir, täg lich ein Skrip t zu wiederh olen und parallel examensweise das betreffendeFach zu kr euzen. Wä hrend der Bearbeitung der Biochemie [hierfür sind sieben bis acht Tage vorgesehen]empfehlen wir, pro Tag jeweils ALLE Biochemiefrage n eines Altexamens zu kreuzen. Bitte hebt euch auchhier die drei aktuellste n Examina für Phase 3 auf.Durch dieses Verfahren wird der Lernzuwachs von Tag zu Tag deut licher erkennbar. Natürlich wird manzu Beginn der Arbeit im Fach Biochemie durch die tägl iche Bearbeitung eines kompletten Examens mi tThemen konfrontiert, die möglicherweise ers t in den kommenden Tagen wiederholt werden. Dennoch istdiese Vorgehensweise sinnvoll, da die Vorab-Beschä ft igung mit noch zu wiederholenden Themen derenVerarbeitungstiefe fördert.

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rw rt

• Phase 3: In der dr it ten und letzten Lernphase sollten die aktuellsten dre i Examina tageweise gekreuztwerden. Praktisch bedeutet dies, dass im tageweisen W echsel Tag 1 und Tag 2 der akt uellsten Examinabearbeitet werden sollen. Im Bedarfsfa ll können einzelne Prüfungsinhalte in den Skr ipten nachgeschlagenwerden.

• Als Vorbereitung auf die mündliche Prüfung können die in den Skripten enthaltenen .Basics fürs Mündliche wiederholt werden.

W ir wünschen allen Leserinnen und Lesern eine erfolgreiche Prüfungsvorbereitung und viel Glück für dasbevorstehende ExamenEuer MEDI-LEARN-Team

nline Service zur SkriptenreiheOie mehrbändige MEDI LE RN Skriptenreihe zum Physikum ist eine wertvolle fachliche undlernstrategische Hilfestellung, um die berüchtigte erste Prüfungshürde im Medizinstudiumsicher zu nehmen.Um die Arbeit mit den Skripten noch angenehmer zu gestalten, bietet ein speziellerDnline-Bereich auf den MEDI LE RN Webse iten ab sofort einen erweiterten Service.We lche erweiterten Funktionen ihr dort findet und wie ihr damit zusätzlichen Nutzenaus den Skripten ziehen könnt, möchten wir euch im Folgenden kurz erläutern. olltext-Suche über alle kripteSämtliche Bände der Skriptenreihe sind in eine Volltext-Suche integriert und bequem online recherchierbar.Ganz gleich, ob ihr fächerüberg reifende Themen noch einmal Revue passieren lassen oder einzelne Themenpunktgenau nachschlagen möchtet: Mit der Vollt ext-Suche bieten wir euch ein Tool mit hohem Funktionsumfang, das Recherche und Rekapitulation wesentlich erleichtert.Digita les BildarchivSämt liche Abbildungen der Skr iptenreihe stehen euch auch als hochauflösende Grafiken zum kostenlosenDownload zur Verfügung. Das Bildmaterial liegt in höchster Qualität zum großformatigen Ausdruck bereit. Sokönnt ihr dieAbbildungen zusätzlich beschriften, farbl ieh markieren oder mit Anme rkungen versehen. Ebensowie der Volltext sind auch die Abbildungen über die Suchfunktion recherch ierbar.Ergänzungen aus den aktuellen ExaminaOie Bände der Skriptenreihe werden in regelmäßigen Abständen von den Autoren online aktualisiert. Oie Einarbe itung von Fakten und Informa t ionen aus den aktuellen Fragen sorgt dafür, dass die Skriptenre ihe immerauf dem neuesten Stand bleibt. Auf diese We ise könnt ihr eure Lernarbeit stets an den aktuellsten Erkenntnissen und Fragentendenzen or ientieren.Err ata-ListeSollte uns trotz eines mehrstufigen Systems zur Sicherung der inhaltlichen Qualität unserer Skripte ein Fehlerunterlaufen sein, wird dieser unmitte lbar nach seinem Bekanntwerden im Internet veröffentl icht. Auf dieseWe ise ist sicher geste llt, dass unsere Skripte nur fachlich korrekte Aussagen enthalten, auf die ihr in derPrüfung verlässlich Bezug nehmen könnt.Den Onlinebere ich zur Skr iptenreihe findet ihr unter www.medi-Iearn.de/ skripte


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1 Überblick und Grundlagen

Inhaltsverzeichnis IV1

1.1 Was sind Redoxreaktionen? 21.1.1 Oxidation 21.1.2 Reduktion 21.1.3 Redoxreaktion 21.1.4 Redukt ionsäquivalent 21.1.5 Redoxpotential 3

1 .2 Ein kurzer Ausflug in die Energetik 31 3 Systematisierung der Coenzyme 4

1.3 .1 Unterteilung der Coenzyme nach Enzymbeziehung .41.3.2 Unterteilung der Coenzyme nach Art der übertragenen Gruppen 5

1 4 Ein paar Geheimnisse aus dem mitochondrialen Leben 141.4.1 Stoffwechselwege im Mitochondrium 141 4.2 Transpo rtsysteme 15

2 Pyruvatdehydrogenasereaktion = PDH] 2.1 Ablauf der Pyruvatdehydrogenasereaktion 21

2 .1.1 POH-Reakt ion Teil 1: Decarboxylierung 212 .1.2 POH-Reakt ion Teil 2 : CoA-Anhängung 222.1.3 POH-Reakt ion Teil 3 : Regeneration der Coenzyme 222.1.4 Gesamtablauf der POH-Reaktion 23

2 2 Regulation

3 Citratcyclus

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63.1 Der Ablauf oder was pass iert hier eigentlich? 26

3.1 .1 Teil 1 des Citratcyclus: Acetyl-CoA-Abbau 273 .1.2 Teil 2 des Citratcyclus: Oxalacetat-Regeneration 33 .1.3 Citratcyclus gesamt 32

3 2 Die Energiebilanz oder was spr ingt bei dem ganzen Zirkus raus?3 .3 Citratcyclus Regulation3 4 Anabole Aufgaben denn der Citratcyclus kann noch mehr3 5 Anaplerotische Reaktionen = Nahrung für den Citratcyclus

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Das Molekül B nimmt bei der Reakti on zweiWasserstoffatome auf = es wi rd hydriert und da mit reduziert.

3 RedoxreaktionNun liegt es in der atu r der Sache, dass dasEine nie ohne das Andere stattfindet. Im Klartextheißt das : Oxidation und Redu ktion sind immermitei nander gekoppelt, was man da he r auch Redoxreaktion nennt.

MERKE:Die Reduktion ist eine Reaktion, die gleichzusetzenist mit:• Elektronenaufnahme [oft mit Protonenaufnahme

gekoppelt• Hydrierung [= H2,Aufnahme• Sauerstoffabgabe

Molekül A gibt hier zwei H ab und wird daherdehydriert = oxidiert. Da sich diese zwei Wasser,stoffatome nicht einfach in luft auflösen können,werden sie von Molekül B übernommen Molekü l Bwird dadurch hydriert = reduziert.1.1 .4 ReduktionsäquivalentDas Redu ktionsäqu ivalent ist ein Begriff, der oftverwendet, aber fast nirgendwo erklärt wird . Dadie offizielle chemische Definition rech t kom -pliziert ist, ist sie hier etwas vereinfacht Idargestellt. Dadurch ist sie zwar nicht fehr ganz so präzise, für d ie Physi- I\ \

kumsfragen aber trot zd em ausrei- . ,chend:Im Schriftlichen wird der Begriff Re-

Überblick und rundl genBevor man nun in die tiefen Geheimnisse der Biochemie einsteigt, kommen erst ein paar rundlagen. Bitte nicht einfach überspringen; es sindzwar einige zusätzliche Seiten, die aber wichtigsind für das Verständnis de r weiteren Kapitelund im Physikum auch schon mal gerne gefragtwerden. Im Einze lnen geht es in diesem Kapitelum:• d ie Frage: Was sind Redoxreaktionen? • einen kurzen Ausflug in die Energetik.• eine Systematisierung der Coenzyme.• ein paar Geheimnisse aus dem mitochondri

alen l eben.

Was sind Redoxreaktionen?Hinter dem seit dem ers ten Semester wohlbekannten und doch irgendwie Unwohl erzeugend en Begriff steckt nichts Besonderes. Er hatnur leider die Eigenschaft, dass man es sich oftnicht merken kann, in welche Richtung was abgegeben oder aufgenommen wird, wie das in derMediz in und insbesondere vor dem Physikumwohl so oft der Fall ist. Hier zur Auffrischungalso noch mal das Wichtigste in Kurzform: Oxidation

H - - - > I Mol.kOlA I. 2HHAbb. 2: Oxidat ion

Das Molekül A gibt bei der Reaktion zwei Wasserstoffatome ab = es wird dehydriert und dami toxidie rt.MERKDie Oxidation ist eine Reaktion, die gleichzusetzenist mit:• Elekt ronenabgabe [oft mit Proto nenabgabe

gekoppelt• Dehydrierung [= H2 A bgabe• Sauerstoffaufnahme

1.1 .2 Reduktion

I Molekül B I 2H Abb. 3: Reduktion

H

H Molekül BAbb. 4 : Redoxreakt ion

H H

Molekü lA

H H


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Biologische Oxidation ZusammenflussjEndstreckeder nergieverwe rtung

Einleitungen - wer liest schon Einleitungen?Ich habe Einleitungen eigentlich immer gelesen.Nicht, dass sie mich sonderlich interessiert hätten und ich hinterher wesentlich motivierter undgespannter gelesen hätte, bei mir ging es wohlvielmehr darum, weitere fünf Minuten raus zuschlagen , bevor ich mich dann doch unaus-weichlich dem meist sehr trockenen Stoff aussetzen musste.Wo wir dann auch schon beim Thema wären: Ichkönnte jetzt schreiben, dass das Thema Biologische Oxidation die Krön ung der Biochemieund unabdingbar für ihr tieferes Verständnisist, wie es wahrscheinlich in den großen Lehrbüchern steht. Oder etwa, dass das Thema trockenund kompliziert ist, aber im Physikum von denProfs gefragt wird und es deswegen wichtig ist.Die Wahrheit liegt wohl irgendwo da zwischen.Das vorliegende Kapitel der Biochemie ist nichteinfach, aber es führt die drei großen Stoffwechselabbauwege zusammen. Daher br ingt hier vergleichsweise wenig Lernarbeit wirklich ernsthafte Erkenntnis und damit verbunden auchwichtige Physikumspunkte mit sich .

Überblick und rundlagen So, und jetzt hoffe ich, dass ihr, wenn nichtmoti vierter, dann doch wenigstens mit einem . (Lächeln auf den Lippen anfangt zu lesen . 1 Ü er lick und GrundlagenDie vorliegende Grafik ist als Or ientierungskarte gedacht. Sie soll einen Überblick darübergeben, wie die drei großen Jährstoffklassen aufihren einzelnen Pfaden zerlegt werden, um dannhinterher in einen gemeinsamen Abbauweg zumündenDie im vorliegenden Skript besprochenen Kapi tel (= Pyruvatdehydrogenasereaktion ab S. 21,Citratcyc us ab S. 26, Atmungskette ab S. 36) sindhier in einen großen Zusammenhang eingeord-net , so dass es hi lfreich ist, jeweils vor Bearbeitung eines dieser Kapitel einen Blick auf dieseGrafik zu werfen, und sich kurz klar zumachen,mit welchem Abbauweg man sich beschäftigt,woher dieser Abbauweg kommt und wohin erführt.

Abb : Übersic biologische Oxidat ion

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Überblick und rundl genM ERKEine exergon e Reakt ion ist eine Reakt ion die• freiwillig abläuft und• Energie fr eisetzt In unserem Alltag könnte das z B Eisessen sein Eine endergone Reaktion ist eine Reaktion die• nicht fre iwillig abläuft und• Energie verbraucht In unserem Alltag könnte das z B Lernen sein

HH

Koppelt man nun eine endergone Reakti on mit einer exergonen, kannplötzli ch auch die energieverbr auchende, ende rgone Reaktion abla ufen . Wenn manalso beim Lernen ein Eisisst, w ird das Ganze erträg licher.Od er mit einem eher medizinischen Vergleichverdeutlicht: Ein Muskel wird sich nicht freiwillig kontrahieren = endergone Teilreaktion .Koppelt man aber d ie Muskelkontraktion mitder Spaltung von ATP = exergone Teilreaktion ,so führt das dazu, dass sich der uskel kontrahiert = exergone Gesamtreaktion .

3 Systematisierung der CoenzymeWas sind eigentlich Coenzyme? Coenzyme sindso etwas, wie die kleinen, abe r doch sehr wichtigen Helfer des Alltag s, die für einen reibungslosen Ablauf in de r Vielzahl der Stoffwechselkreisläufe und anderen Bereichen sorgen.MERK :Coenzyme sind Hilfsmoleküle die• die in einer Reaktion vom Enzym ü ertr genen

Gruppen vorübergehend aufnehmen und dannwieder abgeben • damit eine Transport funktion ausüben die zur Re-gulation von Stoffwechselkreisläufen genutzt wird

Das Enzym ist mit Substrat und Coenzym beladen. Die zuübertragende ruppe z.B. 2H ist dabei an das Coenzvmgebu nde n. Bei der Reaktio n werden die ruppen vom Co nzy an das ubstrat abgegeben

Abb 6: Funkt ionsweise von Coenzyme nMan kann die Coenzyme auf zwei Ar ten weiter unterteilen:1 ach der Art, wie sie in Beziehung zu ihr emEnzym stehen.

2 Na ch der Art, was sie transportieren = welcheGru ppen von ihnen üb ertragen werden .

3 Unterteilung der Coenzymenach Enzymbeziehung

Dieser Abschnitt geht au f die Frage ein, wie sichCoenzy me gegenü be r den Enzymen verha lten,von denen sie verwendet werden . Dabei unterscheide t man• lösliche Coenzyme = Cosubstrate und• prosthetische Gruppen = fest ans Enzy m gebu nd ene Coenzyme .Lösliche CoenzymeLösliche Coenzyme verhalten sich fast genausowie die Sub strate. Sie we rden• wäh rend der Reaktion wie Substrate gebun-den,• wie diese chemisch verändert und• in verände rter Form wiede r freigesetzt.Im Gegensatz zu den Substraten werden die Coenzyme jedoch anschließend in einer zweiten,unabhängigen Reaktion regeneriert und stehenfür einen erneuten Reaktionsdurchlauf zur Verfügung. Die Regeneration kann durch das Enzym der Hinreaktion katal ysiert werden oderdurch ein anderes Enzym .


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Was sind edoxreaktionen I 3duktions-äquivalent als Synonym für d ie Anzahld er üb e rt r ag en en Elek tro nen verwendet. Dabeigi lt:M ER :Ein Reduktionsäquivalent bezeichnet 1 Mol Elektronen, die bei Redoxreaktionen entweder dir ektoder zusammen mit 1 Mol Proto nen in Form vonWasserstoff = z.B. NADH) übert ragen werd en.Un d jetzt no ch mal konkret: In unserem Beispi el s, Abb. 4, S. 2) werde n die Elektronen zusamme n mit Ht lo ne n als H -At ome ü be rtragen . Eswerden insgesam t 2 H-Atome ausgetauscht. Dasentspricht zwei Reduk tionsäqu ivalen ten .

-2,71 V Na

OV H

+2,87 V F

5 RedoxpotentialDer Begriff d es Red oxp oten tials ist sch on eineet was här ter e Nu ss. Wenn m an sich aber no chma l an unser Beispiel von eben eri nnert s. Abb .4, S. 2), sieh t m an, d ass d as Molekül B dem Mo lekül A seine zwei H -At om e abgenommen ha t.Das Mo lekül B verfügt offensi chtlich über mehrKra ft dies e Wasserstoffa tome an sich zu bindenals das Molekül A. Diesen Kräfteu nt erschiedgib t es zwis ch en allen Molekülen und so ka nnm an qu asi eine Art Rangliste erstellen : Wer meh rKraft hat, bekommt auch eine positiv ere Za h l zu geo rdnet. Das ist d an n au ch schon das Pri nzipd es Redoxp ote nti als.M ER :Das Redoxpotent ial ist ein Maß für die Stärke derAnziehungskraft eines Stoffes auf ElektronenjH-Atome .Je positiver das Redoxpotential eines Stoffesist, desto größer ist seine Anziehungskraft aufElektronen -Atome .Es geht um die Frage: W er ist der bessereElektronenjäger , hat also mehr Kraft als dieAnde ren?

Ordnet m an nu n also d ie Substanzen danachwie stark sie H-Atome anziehen und schreibt diese Rangliste umgekehrt auf also die besten Jäge r nach un ten , die schlech ten na ch oben), erhältman d ie Spannungsreihe .

Abb. 5: Auszug aus der Spannungsreihe

Natrium• ha t ein sehr negatives Redoxpotential.• ha t d ah er keine hohe Anziehungskraft auf

Elektronen und gibt sie eher ab .• steht ganz oben in de r Spa nnungsreihe.Fluo r• ha t ein seh r positives Red oxpotential.• üb t eine hoh e Anziehungskraft au f Elekt ronen

au s und nimmt sie d aher eher auf.• steht ganz unten in de r Spannungsreihe.

Übrigens ...Der Elekt ronenfluss entlang der Spannungsreihelässt sich gut mi t einem Wasserfall vergleichen:Oie Elekt ronen fließen in der Spannungsreihebei Redoxreaktionen von den oben stehendenElementen zu den unten stehenden , genau sowie das Wasser im Wasserfall von oben nachunten fließt.

2 Ein kurzer Ausflug in die EnergetikIn der Ch emie un d de r Bioch emie gibt es z we i,u nter energetischem As pekt ve rschied en e Rea ktio ns typen :• Reaktionen, die Energie freisetzen und• Reaktionen, die Energie verbrauchen.Man kann das sehr gut mit unserem Alltag vergleic hen. Auc h hier gibt es S ac hen, die einemSpaß m achen = Energ ie zuführen und Sachenfür d ie m an arbeiten mu ss = d ie Energ ie ver brau chen.Im Bio- Chemiejargon g ib t es dafü r die Begriffeexergon lind endergon.

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Abb. 9: St ruktur von NAD+und NADP+MERKE• Sowohl NAD+als aueh NADP+können aus Nieotinsäure oder Nieotinsäure amid [aus de m Vit 8 2Komplex) synt hetis iert werden .

• Nieoti nsäure = Niaein) s e lbs t kan n a us der Aminosäure Tryptophan gebildet we rden.

Überblick und rundl genÜ rig ns ...Die Redoxcoenzyme transportieren nur kleine Elektronen.Atome und Moleküle .Man könnte sie mit einem Autovergleichen.da auch hier die Ladekapazität besch ränkt ist.

o

WC - NH2I

KinaseN1R

o C - NH2

~ ~ N1R +p

Wichtige Redoxcoen zyme sind• TAD+und NADP+• FM N u nd FAD,• Liponsäure,• Ubichinon,• Häm und• Eisen-Schwefel -Komplexe.NAD+u n d NAD P+ NAD un d NADP+sind häu fige und w ich tige Coenzyme, um d ie m an in derBioch em ie nicht he r umkommt . Sie spielen infast a llen Sto ffwech selkreisläufen eine Rolle .Fragen hi erzu beziehen sich aufa ) ih re Struktur,b ) ih re Eigens chaften und Gemei nsamkeiten sowiec) ih re Unte rsch iede .Zu a) Keine Pa nik: Es is t nicht nöt ig, dieStruktur d er Mol ekü le au swendig zu lernenm an sollte sie nur w ieder erkennen können s . Abb . 9).Ü rig ns ...

• Ausgeschrieben bedeutet NAD pr : Nicotinamid denin-Dinucleotid-[Phosphat)• NAD+und N DP+unterscheiden s ich im strukt ure llen Aufbau ledigl ich durch eine Phosphatgruppe . die von einer Kinase auf NA übertragen wird. so dass daraus NADP+entsteht.

Übr i gens .. .DieAbbildung zeigt die Strukturformelvon Nicotin säureamid und NICHT die von Nicotin.

oH 11 CN N

Abb. 10: Nicot insäu reamidUm der Verwirrung beiden Begrifflichkeitenvorzubeugen:Der Ausdruck Niacin ist gleichbedeutendmit Nicot insäure. Das in der Natur häufigvorkommende Nicotinsäureamid ist genauso alsVitaminwirksam und kann als Niacinamidoderebenfalls nur Niac in bezeichnet werden.Chemisch besteht der Untersc hied zwischender Säure und dem Säureamidlediglich ineiner Aminogruppe. die an die Carboxylgruppegebunden ist.

Zu b ) den Eigenschaften vo n AD + ADP+so llte m an sich merken, dass beide zu den Redoxcoenzymen gehören und som it Redox quivalente s. 1.1.4, S. 2) transportieren . Bei diesen Redoxä quivalenten handel t es si ch allerd ings um e twasBesonderes, n ämlich um H ydrid-Ionen ; ein Begriff, der im Physikum auch verlang t w ird.


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ystematisierung der oenzyme I 5

d

Coenzym Substrat 2 Form 2

c

Coenzym Substrat 1 Form 1

aAbb. 7: lösliche CoenzymeProsthetische GruppenIm Gegensatz zu den löslichen oenzymensinddie prosthetischen Gruppen immer fest an einEnzym gebunden = sie verbleiben vor, währendund nach der Reaktion am Enzym und müssenauch dort wieder regeneriert werden.

prosthet ischeGruppe Form 1

aAbb . 8 : prosthetische Gruppen

b c

prosthetischeGruppe Form 2

d

1 .3.2 Unterteilung der Coenzyme nach Artder übertragenen Gruppen

Grundlage für diese zweite Art der Einteilung istdie Tatsache, dass ein Coenzym immer die glei che Gruppe transportiert = z.B. immer H2, immer CH3, immer ein Elektron... . Dahingehendsind unsere kleinen Helfer also sehr unflexibel.Das ist aber auch gu t so, da sie dadurch auf ihrTransportgut optimal eingestellt sind.Dieser Abschnitt behandelt die beiden prüfungsrelevanten Vertreter

Redoxcoenzyme undgruppenübertragende oenzyme.

RedoxcoenzymeDie Bezeichnung dieser oenzymelässt zu Rechtvermuten, dass sie irgendetwas mit Redoxreaktionen zu tun haben . Da Oxidation un d Redu ktionimmer gekoppelt ablaufen, es aber im Stoffwechsel nicht immer möglich ist, eine n passenden Reaktionspartner in der Zelle aufzutreiben, habensich ein paar oenzymedazu bereit erklärt, fürdiese Aufgabe bereitzustehen und je nachdemwas gebraucht wird, oxidiert oder reduziert zuwerden .Daraus ergibt sich die Definition der Redoxcoenzyme: Redoxcoenzyme sind Coenzyme, diebei Redoxreaktionen H-Atome oder Elektronenaufnehmen oder abgeben.

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Überblick und rundl genMERKNAO und NAOP • sind lösliche Coenzyme,• besitzen das gleiche Redoxpotential und• das gleiche Absorptionsspektrum.

Übr i gens .. .Pellagra ist eine Nicotinamidmangelerk rankung mi t den Symptomen:

• Demenz• Dermat itis• Diar rhöe erkhilfe = DDD

Zu c) Zum krönenden Abschluss dieses Themaswidmen wir uns jetzt noch dem entscheidendenUnterschied zwischen NAD und NADP . Derbesteht darin, dass die beiden Coenzyme vonverschiedenen Enzymen/Stoffwechselwegen genutzt werd en.

MERK• NAO ist Coenzym des katabolen Stoffwechsels.• NAOP ist Coenzym des anabolen Stoffwechsels.FMN und FAD. Auch diese Redoxcoenzymesind oft gesehene Beglei ter in der Biochemieund den Physikumsfragen. Dahe r empfiehlt sichauch hier eine Beschäftigung mita) ihrer Struktur undb) ihren Eigenschaften:Zu a) Das Grundgerüst von FMN und FAD bildet das Riboflavin, welches ebenfalls dem Vitamin B2 Komplex angehört.Wie Abbildung 13 zeigt, besteht• FMN aus Riboflavin + Phosphat,• FAD aus Riboflavin + Phos phat +AMPoder anders ausgedrückt• FAD aus FM +AMP

Tabelle 1: Untersch iede NAD /NADP

Übrigens .. .

0 - - CHI 2 P - 0 IoI HO OH P - 0 ·IoI

Riboflavin CH2IHC - OHIHC OHI e - OHICH2In , I NHH C N o

Abb. : Struktur von FMN und FAD

FAD

anaboler Stoffwechselataboler Stoffwechsel

Hinter dieser Tabelle steckt eine Systemat ik,mit der man sich viel Lernerei ersparen kann.Wenn man sich die einzelnen Zuständigkeiten mal genau ansieht, merkt man,dass NAO im katabolen [= abbauenden] _ .Stoffwechsel und NAOP im e n ~ I [= aufbauenden) Stoffwechsel benutz t . • wird.

I r 1w:.1 WGlykolyse [bisher gefra gt: FettsäuresyntheseGlycer inaldehyd-phosphat-Oehydrogenase)Citratcyclus Cholestero Stereidbio-syntheseAtmungskette Pentosephosphatweg

[bisher gefragt Glucose-5·phosphat-Oehydrogenase]


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ystematisierung der oenzyme I 9

Lipons ure (= LipoatrDie Liponsäure spielt inder Biochemie eher eine untergeordnete Rolle.Man sollte jedoch wissen, dass sie• 2H überträgt und• an der oxidativen Decarboxylieru ng von Pyruvat und a - Ketoglutarat betei ligt ist s. Kap.

2, ab S. 21 .

b

Die übrigen vier Redoxcoenzyme0'11 werden nicht explizit gefragt. ,Da sie an manchen Reaktionen ausKapitel zwei, drei, vier und fünf betei-ligt sind, sollte ma n sich aber ihre Namen undihre Zugehörigkeit = an welchen Stoffwechselwegen und Reaktionen sie beteiligt sind) scho nmal merken. Mit diesen Vorkenntnissen ist eswesentlich einfacher, diese Themen zu verstehen, da man dann nicht nur mit neuer Information konfrontier t wird .

Übrig en s ...FMN enthä lt KEIN AMP und somit auchKEINEN Pur inri ng:

Zu b Die wichtigen Eigenschaften dieses Redoxcoenzyrnsysterns sind schnell zusammengefasst:• FM und FAD üb ertragen immer zwei Wasserstoffatorne, FAD FMN wird bei H2-Au fnahme reduzier t zu FADH2 FMNH2 ·FAD + 2H FADH2• FMl und FAD gehören zu den Flavoprotei

nen , Sie katalysieren Redoxreaktionen, wiez.B. oxid ativ e Desaminierungen, Dehydrierungen, Transhy drogenieru ngen, aber KEINETransaminierungen und KEINE Hyd rolysen.

• FMN und FAD sind kovalent an ihre Enzymegebunden, d .h . sie bleiben vor, während undnach der Reaktion an ihrem Enzym und müssen an diesem auch wie de r regeneriert werden s. prosthetische Gruppen, S. 5 .

• FM 1 und FAD haben ein posit iveres Redoxpotential als 1 AD- und NADp·, d .h. sie übeneine größere Anziehungskraft au f Elektronenaus als NAD· und ADP-. Dahe r werden1 ADH+H- und NADPH+H- von FMN undFAD oxidiert.

MERKE:• FAD und FMN sind prosthetische Gruppen, diesich nicht von ihrem Enzym lösen können.• FAD und FMN t ransportieren immer 2H-Atome.

oxidierte FormAbb. 14: Liponsäure

+ 2H

2H

H HI Is SV Rreduzierte Form

. • -. - - .R R HI I IH NXNI0 + 2H HCNX 'I0)I NH ( I I NHHC ' N C/ H H C ' N C/3 3 I 00 H

oxidierte Form I reduzierte FormAbb . 15a: FMN und FAD oxidiert Abb. 15b: FMN und FAD reduziert

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Überblick und GrundlagenÜbrigens ...Um der Verwirrung bei den Begrifflichkeitenvorzubeugen:Liponsäure ist gleichzusetzen mi t dem BegriffLipoat [= Salz der Liponsäure . Die wesentlichephysiologische Funktion besteht in der Beteiligung als Coenzym an der oxidativen Decarboxylierung von o:-Ketosäuren. Hierbei hat die Liponsäure jedoch Liponamidform, ist also über eineSäureamidbindung an einen Rest gebunden .

Ubichinon = oenzym Q . Das Ubichinon istein bes onderes Coenzym . Es ist nämlich so lipoph il, dass es sich in Membranen bewegen kannund damit Redoxäqu ivalente innerhalb d ieserMembranen von einem Punkt zum nächs tentransportiert. Ihm kommt eine wichtige Rolle inde r tmungske tte zu, wo Ubichinon ebenfallszwei H-Atome überträgt.

Häm . Häm bei den Redoxcoenzymen, ha t dasnicht eher was mit Blu t zu tun? Das ist richtig,aber das Häm ist so ein viel seitiges Molekül,dass es zu schade wäre, ihm nur eine ufgabeanzutragen...Häm kann nämlich mit vers chieden Proteinenassoziiert sein. Je nachdem mit we lcher Proteinstruktur das Häm verbunden ist, entstehenHämoglobin, Myoglobin oder verschiedene Cytoch rome. In den beid en ersten Molekülen hatHäm in der Tat die Funktion eines Sauerstoffträgers, in den Cytochromen ist da s Häm jedochein Redoxcoenzym . Im Gegensatz zu den vorherbes prochenen Redoxcoenzymen überträgt dasHäm jedoch nur ein Elektron.

Übrigen s ...

Bei ufnahme des Elektrons wird das Eisen -Ionim Häm um eins weniger positiv = es geh t vonder Fev-Form in die Fe2 -Form über.

Ein paar W or te zur Nomenklatur: Links istdie oxidierte Form = Ubichinon = ein Keton darge stellt, die durch die Aufnahme von 2H indie reduzierte Form = Ubichinol [= ein Alkohol übergeht. Chemisch gesehen werden dadurchaus den beiden Ketogruppen [= C=O zweiAlkoholgrupp en [= GOH .

reduzierte Formxidierte FormAbb. : Ubichinon und Ubichin ol. . .

Häm oxidiert Häm reduziert

Abb. 7a: Häm oxidiert Abb. 17b : Häm reduziert


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Ü b r i g e n s ...Auch im Hämog lobin und Myoglobin kanndas Harn oxidiert werden und in die 3 --Formübergehen. Das Hämoglobin heißt dann Meth ämoglobin und ist für den Sauerstofftransportunbrauchbar, da es kein O2 mehr binden kann.Eisen-Schwefel-Komplexe. Die Eisen-Schwefel-Komplexe sind hier nur der Vollständigkeit halber mit aufgeführt. Sie spielen in derAtmungskette eine wichtige Rolle und werdenauch nur dort gefragt. In diesem Zusammenhang sollte man wissen, an welchen Komplexen de r Atmungskette sie betei ligt sind(s. Kap. 4, ab S. 36). Durch Eisen-Schwefel-Komplexe wird ebenfalls nu r ein Elektron übertragen.

Ü b r i g e n s .. .Die Eisen-Schwefel-Komplexe werden im Physikum gerne mit dem Oberbegr iff .p roteinqebundenes Eisen in Nich t Häm Form bezeichnet.

ystematisierung der oenzyme

Gruppenübertragende CoenzymeDies ist d ie zweite wichtige Gruppe der Coenzyme. Über da s Transportgut de r Redoxcoenzyme können sie nur lachen: Die zu transportierende last der gruppenübertragendenCoen zyme aus chemischen Grup pen (= z.B. Alkylreste, Aminogruppen...) ist doch wese ntlichgrößer als die kleinen Elektrö nche n, Hydrid-Ionen oder H-Atome der Redoxcoenzyme.ME RKEGruppenübertragende Coenzyme sind Coenzyme,die im Gegensatz zu den Redoxcoenzymen keineElektr onen oder Atome, sondern ganze Gruppenübert ragen = z.B. Phosphorsäurereste ,Acetylreste...).

Ü b r i g e n s ...Die gruppenübertragenden Coenzyme sindschwer beladen. Ma n könnte sie gut mit LKW svergl eichen: Für größeres Transportg ut brauchtman eben auch große Transportmitt e l.Zusammenfassung Redoxcoenzyme Um denÜberblick nicht total zu verl ieren, ist hier dasWichtigste noch mal in Tabellenform aufgeführt.Bitte keine Panik, die Tabelle muss nicht auswendig gelernt werden . Denn wenn mandas Coenzym und da s von ihm 1 .tragene Redoxäquivalent kenn t, kann ., . ma n sich den Rest ableiten. • .

.- If;\ I • • - -. -NAD NAD - NADH Hydridion H-NADP NADP - NADPH Hydridion H-FAD FAD FADH2 Wasserstoffatome 2HFM N FM N FMN H2 W asse rs toffatome 2HLiponamid Liponamid Liponam id2H Wasserstoffatom e 2 HUbichinon Ubichinon Ubichinol Wa sse rstoffatome 2HHäm Hä Härrr Elektronen eEisen-Schwefel- [4Fe-4 Sp - [4 Fe-4S]2- Elektronen eKomp lexe

Tabelle 2 : Übersicht: Redoxcoenzyme

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Überblick und Grundlagen

Adenin Ribose 3 Phosphorsäurereste

Üb ri gens . ..

3 Phosphorsäurereste =

Adenosintriphosphat =

denosin

ATP bedeutet

Die genaue Kenntnis der Struktur von ATPist fürs Physikum einfach ein Muss ...

AMPADP

Die drei Phosphorsäurereste werden dabei nacheinander an das Nucleosid Adenosin gehängt:Adenosin P AMP

=AdenosinmonophosphatP ADP =Adenosindiphospha t) P ATP =Adenosintriphospha t)

Die drei Coenzyme, die in diesem Abschnitt prü fungsrelevant sind, dürften den meisten schonhinreichend bekann t sein . Je tz t geht es nämlichum• ATp,• Coenzym A und• Thiamind iphosphat.ATP =Adenosintriphosphat. An diesem Molekül gibt es wirklich kein Vorbeikommen. DennATP spielt nicht nur als Währung im Energiestoffwechsel DIE entscheidende Rolle, sondernist auch essentieller Baustein von Di A undRl A.Das Thema ATP ist zwar wieder ein bisschen ehemielastiger, aber dennoch zu meistern, zumal esfür die meisten ein alter Hut sein dürfte, dennATP ist ja oft schon au s de r Schule bekann t. Beginnen wir also mit dem Aufbau des Moleküls:

Die Bindungen zwischen den Phosphorsäureresten bilden eine besonders wichtige Strukturkomponente des ATP: Es sind energiereiche Su r eanhydridbindungen.MERKE:Säureanhydridbindungen sind Verbindungen zwi-schen zwei Säuren [entstehen durch H Abspal-tun gJund besonders energie reich.Hie r liegt das Geheimnis begraben, wa rum ATPso energiereich ist, und somit auch die Begründung für seine Rolle als universelle Energiewährung im Stoffwechsel.

0 0 0 HC - 0 - P - P 0 p- 0 8

2 I I I0 8 0 8 0 8HO OH

Abb. : ATP Molekül


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Systematisierung der Coenzyme

Hier zur Erinnerung noch mal die Darstellungeiner Fettsäure:

3 -Phospho-ADP

Kohlenwasserstoffkette

Pantothensäure

Pantethein

\ ___ ___H -Phospho-ADPI

Carboxylgruppe

Coenzym A transport iert Acyl-Reste (= Fettsäurereste = Kohlenwasserstoffketten), die alleine zuträge für Reaktionen sind .M ERKE :Durch das Spalten der Säureanhydridbindungendes ATP können in der Zelle endergone Reaktionen(= z.B.Synt hesen] ablaufen.

Doch was genau macht ATP?Diese Frage lässt sich ganz kurz beantworten:ATP über träg t Phosphorsäurereste . Dabei wirddurch d ie Abspaltu ng de r Phosphorsäurereste- also das Spalten der energiereichen Säureanhydridbindungen - Energie frei (= exergone Reaktion, s. 1.2, S. 4). Diese freie Energie kann vonenergieverbrauchenden (= endergonen, s. 1.2,S. 4) Reaktionen genutzt werden .

Abb. 19 :ATP im Zentrum des Energiesto ffwechse ls

exergone Vorgängeim Körper

• Nährstoffverwertung

ADP

ATP

endergone Vorgängeim Körper

• Biosynthesen• kontraktile Vorgänge• Nervenerregung• aktiver Transport

o H H H H H H 1 I I I I IHO C C - C RI I I I I IH H H H H H

Abb. 20 : Acyl CoAAufbau

Durch Knüpfen einer energiereichen Thioesterbindung zwischen der Carboxylgruppe o I = COOH) des Acyls und der u p p ~des Cysteamins werden die Fettsäuren ( . haktiviert. Der genaue Aktivierungsme- chanismus soll hier keine Rolle spielen.

Coenzym A. Auch das zweite, hier vorgestelltegruppenübertragende Coenzym ist unumgänglich.

e ICoenzym A ist zwar etwas kom pli- ) . zierter aufgebaut, aber die exakte hStruktur nicht physikumsrelevant. Wohl jedoch seine Bausteine:

Ähnlich w ie beim ATP kann die Spal tung (= exergon) dieser Thioesterbindung gekoppelte endergone Reaktionen ermöglichen.

Merken sollte man sich, dass ein Teil des Coenzym A aus Cysteamin und Panthothens ungebildet wird. Diese beiden Moleküle bilden dannzusammen das Pantethein. Durch das Cysteamin trägt das Coenzym A an einem Ende eineSH Gruppe. Sie ist wich tig für die Aktivierungder Fettsäuren.

f ?\ww m edi-Iea rn .d e i


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Überblick und GrundlagenM ERKE:Coenzym A• enthält als Bausteine Pantothensäure und Cy

steamin. die zusammen das Pantethein bilden.• bildet mit Fettsäuren energ iereich e Thioesterbin

dungen.• ist unter anderem beteiligt an der Biosynthesevon Fettsäuren. Acetoacetat [= Ketonkörper und

Cholesterin =Cholesterol .• ist beteiligt an der oxidativen Decarboxylierung

von a-Ketosäuren [soKap. 2 . ab S.21 .Übrigens ...Um einer möglichen Verwirrung vorzubeugen,sei hier noch mal ganz kurz der Unterschied zwischen Acetyl CoA und Acyl CoA herausgeste llt.

• Ist eine Fettsäure = Carbonsäure Länge ab 4e-Atomen] an CoA gebunden, nennt man dieseVerbindung Acyl CoA.

o11 C AAcyl-CoA

• Ist Essigsäure = Carbonsäure mit 2 e-Atomen]an CoA gebunden, nennt man diese Verb indungAcetyl CoA.

Essigsäure + CoA =Acetyl CoAo H C S

AAcetyl-CoA

Thiamindiphosphat. Der Ma- rathon durch die oenzyme hat . (bald ein Ende, aber etwas Wissens- Iwertes gibt es noch: da s Thiamindi-phosphat. .Synthetisiert wird dieses gruppenübertragende oenzym au s Thiamin = Vitamin 8 und seineAufgabe ist die Übertragung von Hydroxyalkyl resten (=Alkyl rest mit O -Gruppe) .MERKEThiamindip hosphat ist das Coenzym der

oxidativen Decarboxylierung von a-Ketosäurenbei der Pyruvatdehydrogenaser eaktion. s. 2 .1.S. 2 1 [Enzym = Pyruvatdehydrogenase

- im Citratcyclus, s. 3 .1.1. S. 8[Enzym =a-Ketoglutaratdehydrogenase

• Transketolase [im Pentosephosphatweg

y r ~ 7 . ~ I HO - CH

~ S 0~ 1 JH v/H H HI I I

R= C - C - C - HI I IH H HAlkylrestAbb. 21: Thiamindiphosphat SchemaÜbrigens ...Bei Vitamin B1-Mangel = Thiamin-Mangel]kommt es zu einer Störung der Pyruvatverwertung.

1 4 Ein paar Geheimnisse ausdem mitochondrialen LebenWarum wird das Mitochondrium besprochen,obwohl das Thema biologische Oxidation docheigentlich nichts mit den ZeIlorganeIlen zu tunhat? Na ja, irgendwo mu ss dieser Prozess ja auchstattfinden. Und wo soIlte es anders sein, als inde r ZeIlorganeIle, die als das Kraftwerk de r ZeIlebezeichnet wird ...1 .4.1 Stoffwechselwege im M itochondriumDie Begründung für die Bezeichnung Kraftwerk der Zelle fäIlt nicht schwer.Auch wenn man sich wundert,in diesem kleinen Zellkompartiment ist richtig was los


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Geheimnisse aus dem mitochondrialen Leben

MERKEIm Mitochondrium laufen folgende Stoffwechselwege ab:• -Dxidat ion der Fett säuren,• Ketonkörperbildung,• Harnstoffcyclu s teilweise),• Porphyrinsynthese,• Cit ratcyclus und• Atmungskette.Im Mitochondrium findet dagegen NICHT statt:• Glykolyse und• Pentosephosphatweg.Diese beiden befinden sich im Zytosol. Im Mitochondrium befinden sich somit auch keine Enzyme fürdieseStoffwechselprozesse.1.4.2 TransportsystemeGanz so einfach lässt sich das Mitochondri umvon den Stoffwechselprodukten jedoch nicht umden Finger wickeln. Der Eintritt ins Kraftwerkist nämlich mächtig erschwert. Aber wer so vielewertvolle Schätze beherbergt, muss sich eben einbisschen verbarrikadieren.Anders gesagt: Die innere Mitochondrienmembran ist für vie le Stoffe nicht durchlässig. Zu denStoffen, für die das Mitochondrium KEIN spezifisches Transportsystem besitzt, gehören• Wasserstoffatome in Form von NADH+H+,• Acetyl -CoA,• Acyl-CoA,• Oxalacetat.Sie enthält jedoch spezifische Transportsystemefür die Moleküle• ATp,• Phosphat,• Pyruvat,• Malat,• a -Ketoglutarat• Aspartat und• Citrat.MERKEDie innere Mitochondrienmembran enthält KEINEspezifischen Transportsysteme für NADH W Übrigens ...Mitochondrien sind von zwei Membranen umgeben. Oie äußere M itochondrienmembran istjedoch sehr durchlässig und ste llt daher fü r diehier besprochenen Stoffe kein Hindern is dar.

Die Stoffe, für die die innere embranundurchlässig ist, werden aber im Mitochondrium benötigt. Daher ha ben die Mitochondrien eineUmwegsstrategie entwickelt: Molekü le, die gebra ucht werden, aber die innere Mitochondrienmembran nicht passieren können, werden zuvorin eine transportable Form umgewandeltDie Umwegsstrategie des itochondriumskannman sich anhand eines Modells ganz leicht veranschaulichen:Man stelle sich einen Fluss vor, der nur von einemSchiffüberquert werden kann. Ziel ist es, Getreideauf die andere Flussseite zu bringen. Da das Schiffaber nur verpacktes Getreide nimmt, muss es vorherinTonnen gefüllt werden. Das Getreide wird nun inTonnen über den Fluss gebracht und auf der ande ren Uferseite wieder ausgeschüttet. Damit ist es inseiner ursprünglichen Form am Zielort angelangt.Das gleiche Prinzip verfolgt das Mitochondrium:Um auf die Innenseite der embran zu gelangenmüssen sich die Moleküle in eine andere Formumwandeln lassen. I ur so können sie durch die embrantransportiert werden Im Mitochondrium werden sie dann wieder in ihre ursprüngliche Form gebracht.

Abb. 22 : Umwegsstrategie veranschaulichtJedes Molekül hat sein eigenes Transportsystem s.Tabelle 3 . Wichtig für das Thema biologische Oxidation ist vor allem der Transport der Wasserstoffatorne, der gleich noch genauer besprochen wird.

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Tabelle 3 : mitochondriale Tran sportsysteme

Asparta t

a Ketoglutarat

OxalacetatCOO eI

O ICH2ICH2Icoo e

Abb. 4: Mala t Aspartat Shuttle bete iligte Moleküle

Malat

Glutamat itochondrium

die innere Mitochondrienmembran auch nichtpassieren kann. Dazu wird transaminiert:4 NH3 wird von Glutamat auf Oxalacetat übertragen, wodurch Glutamat zu a -Ketoglutarat desaminiert und gleichzeitig die frei werdende H3Gruppe auf Oxalacetat übertragen wird, ausdem so Aspartat entsteht Enzym: GOT = Sn:; a -Ketogiu tarat kann die innere Mitochondrienmembran überqueren.6 Aspartat kann die innere Mitochondrienmem bran überqueren .7 Im Zytosol wird die Transaminierung wiederauf dem gleichen Weg rückgängig gemacht.Und der Zyklus kann von Neuem beginnen.Für diejenigen, die die einzelnen Übertragungsreaktionen genau nachvollziehen möchten, sindhier die Moleküle mit Stru kturformel aufgeführt:

COoe COoe COo eI I 0 IHO CH 0 = C H3N CHI I ICH2 CH2 CH2I I ICOO e COOe coo e

56

Malat ShuttleCarn it in Shuttle

Malat Shuttle Glycerophos-phat ShuttleCitrat Shuttle

Acetyl GoAAcyl CoAOxalacetat

Wasserstoffatome

Malat spartat ShuttleDieser Shu ttle ist zus tändig für den Transport vonWasserstoffatomen übe r die innere Mitochondrienmembran. Auch wenn er auf den ersten Blicketwas unübersichtlich erscheint, die Grafik unddamitauch der Shu ttle bekommt schnell Klarheit,wenn man den Zyklus einfach mal durchspielt:Ziel ist es, die Wasserstoffatome auf die andereSeite zu transp ort ieren. Begonnen wird mit der1 Oxidation von ADH+H wobei gleichzeitigOxa lacetat zu Malat reduziert wird Enzym =

Malatdehydrogenase zytosol. .2 Malat überquert mit dem Shuttle im Austausch mita -Ketoglutarat die innere Mitochondrienmembran.3 Im Mitochondrium findet nun die Rückfü hrung von Schritt 1 statt = Reduktion von N Uzu NADH+H verbun den mit der Oxidationvon Malat zu Oxa lacetat Enzym = Malatdehydrogenase mito ch. .Der Transport von Wasserstoffatomen ins Mito

chondrium ist damit schon abgeschlossen. Nungeht es um den Abtransport des Oxalacetats, das ytosol

2

Abb. 3: Mal at Aspartat Shutt le


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Geheimnisse aus dem mitochondrialen Leben

M ERKE:Die Malatdehydrogenase kommt sowohl in denMitochondrien als auch im Zytosol vor.Glycerophosphat ShuttleAuch dieser Shuttle d ient dem Transport vonWasserstoffatomen. Dabei wird1 ADH W oxidiert, die entstehenden Wasse rstoffa tome werden durch die zytoplasmatisehe Glycerophosphatdehydrogenase auf Dihyd roxyaceton phospha t übertragen, wodurcha -Glycerophos phat entsteht.

2 An der Außenseite der inneren Mitochond rienm embran ist die mitochondriale Glyce rophosphatdehydrogenase gebunden, d iea -Glycerophosphat wieder zu Dihydroxyacetonph osphat oxid iert. Die dabei freiwerdenden Wasser stoffatome werden auf FADübertragen, wodurch FADH 2 entsteht. Diesestließ t sofort in die Atmungskette s. S. 39 .

NADH+H+ NAD+H2? - OH \ 1 / H2? OH

C O C OHI Glycerophosphat- IH C - 0 ® dehydrogenase H C - 0 ® ZytosolDihydroxy- }, r e t o P h O O P h ~ O P h O O P h lAtmungs-kette FADH2 FAD

Glycerophosphatdehydrogenase innere Mitochondrienmembran

Abb. 25 : Glycerophosphat-Shut t leÜ rig ns Bei diesemShuttle findet keineElektronenüberquerung der inneren Mitochondrienmembran statt.

MERKE:Die mitochondrialeGlycerophosphatdehydrogenase bildetFADH2·

•Aus dem Ber eich Grundlagen sollte man sich unbedingt merken, dassNAD +und NADP+

- aus Nicounsäurez Nicotmarruc [= Niacin unddie wiederum aus Tryptophan synthetisiertwerden können.

- ein Hydridion transport ieren, das von Nicotina-mid akzeptiert wird.

- lösliche Coenzyme sind.- NAD- Coenzym des katabolen Stoffwechsels ist.- NADP- Coenzym des anabolen Stoffwechsels

ist.• FAD und FMN- prosthetische Gruppen sind.

- 2H ubertragen.• Coenzym A

- als Baustein Pantothensäure und Cysteaminhat, die zusammen das Pantethein bilden.

- an der oxidativen Decarboxylierung von o-Ketosäuren beteiligt ist.

• Thiamindiphosphat Coenzym ist bei der- oxidativen Decarboxylierung von c-Ketosauren.- Transketolase im Pentosephosphatweg .

• das M itochondrium u. a. folgende Stoffwechselkreisläufe beherberg t:- ß-Oxidation der Fettsäuren,- Ketonkörperbildung.- Harnstoffcyclus teilweise ,- Porphyrinsynthese,- Citratcyclus und- Atmungskette.

• die innere M ito hondrienmembran KEINE spezifischen Transportsysteme fü r NADH+H+enthält.

• auf der mitochondrialen Seite dur h die mitochondriale Glycerophosphatdehydrogenase FADH2 gebildet wird.

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: •Was sind exergone. was endergone Reakt ionen?Wieso ist so etwas wichtig fü r die Biochemie?Exergone Reaktionen sind Reaktionen die Energiefreisetzen, endergone Reaktionen sind solche, dieEnergie verbrauchen. Durch die Kopplung einer exergonen Reaktion ist der Ablauf von endergonenReaktionen erst möglich. Auch in der Zelle ist dieserZusammenhang wichtig: Nur durch die Spaltung vonenergiereichen Bindungen sind energieverbrauchende Prozesse wie z.B.die Proteinsynthese überhauptmöglich.

Was sind Coenzyme? Definieren Sie bitte den Begriff. klassifizieren Sie diese. und nennen Sie mir jeweils ein Beispiel.Coenzyme sind Hilfsmoleküle. die übertrageneGruppen vorrübergehend übernehmen. Man kannlösliche Coenzyme und fest gebundene Coenzyme = prosthetische Gruppen) unterscheiden. LöslicheCoenzyme wie das NAD· und NADP- oder auch Ubichinon werden wie das Substrat gebunden. umgesetzt und anschließend wieder gelöst. ProsthetischeGruppen wie das FAD und FMN oder auch Harn bleiben an ihrem Enzym fest gebunden. Darüber hinauskann man die Coenzyme noch in Redoxcoenzymeund gruppenübertragene Coenzyme unterteilen.We lche Stoffwec hselwege finden im M itoc hondriumstattß-Oxidat ion der Fettsäuren,. Ketonkörperbildung,Harnstoffcyclus teilweise), Porphyrinsynthese. Citratcyclus, Atmungskette.We lche Wege kennen Sie, um W asserstoffatomeüber die innere M itochondrienmembran zu t ransportieren?Es gibt zwei Wege, um Wasserstoffatome über dieinnere Mitochondrienmembran zu transport ieren:Den Malat-Shuttle und den Glycerophosphatshuttle.Beim Malat- Shutt le Wird NADH H· im Zytosol oxidiert und die Redoxäquivalente auf Dxalacetat übertragen. Dadurch wird Oxalacetat zuMalat reduziert.Malat kann die innere Mitochondrienmembran passieren und überträgt die Wasserstoffatome wiederauf NAD·.


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Ablauf der Pyruvatdehydrogenasereaktion 21

2 Pyruvatdehydrogenase- reaktion (= PDH)

Jetzt ist es endlich soweit: Die Grundlagen sind bewältigt und es geht ans Eingemachte: Den An-fang bildet die Pyruvatdehydrogenasereaktion.Bevor man sich jetzt mien in die Reaktion stürzt,sollte man sich noch mal zwei Minuten Zeit neh-men und einen Blick auf die Übersichtsgrafik(s. Abb. 1, S. 1) werfen: Die Pyruvatdehydroge-nasereaktion liegt direkt hinter der Glykolyseauf dem Kohlenhydratweg und wie der Nameschon vermuten lässt, ist ihr Startmolekül dasPyruvat. Hinter der Pyruvatdehydrogenasereak-

tion steht das Acetyl CoA, welches in den Citrat-cyclus einfließt.Die Pyruvatdehydrogenasereaktion führt alsovom Pyruvat zum Acetyl CoA. Diese Reaktionfindet im Mitochondrium sta, ist irreversibelund wird katalysiert durch einen Multienzym-komplex (= Pyruvatdehydrogenase = PDH) ausEnzymen und folgenden Coenzymen: α

Coenzym Merkspruch

Thiamindiphosphat Tiere

Liponamid lieben

CoA Cola und

FAD fantastische

NAD+ Nahrung

Tabelle 4: Coenzyme der PDH

Übrigens. . .Das Schöne an diesem Merkspruch ist,

dass er auch gleichzeitig die Reihenfolge

berücksichtigt, in denen die Coenzyme in

der Reaktionskette gebraucht werden.

MERKE:

Die Pyruvatdehydrogenasereaktion

• führt vom Pyruvat zum Acetyl CoA.

• ist irreversibel.• wird durch einen Multienzymkomplex katalysiert.

2.1 Ablauf der Pyruvatdehydro- genasereaktionUm die Pyruvatdehydrogenasereaktion etwaszu systematisieren, kann man sie gedanklich indrei Abschnie unterteilen:

1 Pyruvat (= 3 C-Körper) wird decarboxyliert =CO2 wird frei und es entsteht ein C2-Rest.

2 der C2-Rest wird auf CoA übertragen, wo-durch Acetyl CoA entsteht.

3 die von der Reaktion genutzten Coenzymewerden regeneriert.

2.1.1 PDH-Reaktion Teil 1: DecarboxylierungDie Decarboxylierung erfolgt in zwei Teilschrien:1 Pyruvat wird an Thiamin gebunden und2 Pyruvat wird decarboxyliert.

Übrig bleibt ein C2 Körper am Thiamin (genauer:ein an Thiamin gebundenes Acetaldehyd).

Abb. 26: Pyruvatdehydrogenasereaktion Teil 1


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yruv tdehydrogen sere ktion

ihydrolipoat-dehydrogenaseo H3C - C S - CoA

Eigent lich sollte man an dieser Stelle stutzen.FADhat nämlich ein positiveres Redoxpotential(s. S. 9) als NAO+ und ist daher normalerweiseNICHT in der Lage NAO+ zu NAOH und W zureduzieren. Der Grund. warum es hier dennochgeht. ist das FAD- ragende Enzym selbst : DieOihydro liponamid-Oehydrogenase hat einnegat iveres Redoxpotent ial als das NAO+NAOH und kann folglich etwas, was die andere nFAD-Enzyme nicht können: Sie reduziert NAO+mi t FAOH2·

Abb . 8: Pyru vatde hydrogenasereaktion Teil 3

Üb r igens .. .

H1

oHSHS XAD X NADH+H+Lipoat transacetylase 1 2

H FADH2 NAD+1

oSIS

2 .1 .3 PDH-Reaktion Teil 3 : Regenerationder Coenzyme

Und wie sollte es anders sein, au ch dieser Teilenthält zwei Schritte:1 Dihyd roliponamid wird durch FAD zu Liponsäure oxidiert = dehydriert .

2 FADH 2 wird durch AD oxidiert.Es entsteht J ADH+H-.

2

aktiverAcetaldehYd C _ 11o

SIS HI

o

0H3C - C S

HS H1

oHSHSCoA SH

2.1 .2 PDH-Reaktion Teil 2: CoA-AnhängungAuch das Anhängen von CoA benötigt zweiSchritte :1 Der C2 Körper wird von Liponamid übernommen und dabei dehydriert, wodurch ein Acetyl-Rest entsteht genauer: ein mit Liponamidverestertes Acetat .

2 Der Acetyl-Rest wird aufCoAübertragen und esentsteht Acetyl CoA. Wie in 1.3.2, s. 5. 13bereitserklärt, ist d ies ein energiereicher Thioester.

Die Liponsäure liegt jetz t im red uzierten = hydrierten Zustand als Dihydroliponamid vor.

Acetyl-CoAAbb. 27 : Pyruvatdehydrogenaserea kt ion Teil 2


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Ablauf der Pyruvatdehydrogenasereaktion 3

Pyruvat :y Thiamin-®-®oo / 0C SI / RHO - II CH3 / CH3R j 2 Pyruvat CO2 ~ decarboxylase

2 4 Gesamtab lauf der PDH ReaktionNach der Besprechung der Py- ruvatdehyd rogenasereaktion ~ Stückehen kommen ih:.e Reakti- .onen nun der besseren Ubersichtzuliebe noch mal komplett zumLernen: .1 Pyruvat wird an Thiamin gebunden2 Es folgt eine Decarboxylierung3 Der C2 Körper w ird an Liponsäure gebunden und dabei zu einem Acet yl-Rest oxidiert.

4 Der Acetyl-Rest wird an CoA gebunden5 Dihydroliponarnid wird durch FAD oxidiert.6 FADH wird durch AD- oxidiert.

FADH XNAD

FAD NADH+H+Lipoat -transace tylase

4

Co SH

. H aktiver Acetaldehyd -

°SI3 S H° J- Enzym I °~ S

HS H

g ~

HSHSDihydrolipoat-dehydrogenase

Acetvl-CoA

Abb. 9: Pyruvatdehydrogenasereaktion komplett

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Pyruvatdehydrogenasereaktion

hosphalaseAbb. 3 : Pyruvatdehydrogenaserea ktion Regu lation

Die Pyruvatdehydrogenase ist ein Multienzymkomplex, von dem es eine aktive und eine inaktive Form gib t. Die akti ve Form des Enzyms istaber nicht unbedingt mit funktionsfähig gleichzu setzen, da sie auch gehemmt sein kann.Das klingt zunächst etwas unlogisch, ist jedochanhand eines Modells gu t zu veranschaulichen:Bei einem uto gibt es zwei Zustandsformen :Es ist entweder an- oder ausgeschaltet. Wenn esausgeschaltet ist, fährt es auf gar keinen Fall esist also inaktiv). Wenn es angeschaltet ist, kannes fahren es ist somi t aktiv). Hängt an diesemAu to noch ein nhänger, kann es nur langsamerfahren als ohne. Es ist zwar dann aktiv, aber gehemmt, also in der Funktion eingeschränkt.Zurück zur Pyru vatdehydrogenase: Die Pyruvatdehydrogenase wird in Ermange lung einesZündschlüssels mit einem Phosphatrest an undabgescha ltet:Die Pyruvatdehydrogenase ist aktiv, wenn siedephosphoryliert ist = ohne Phosphatrest) .

• Die Pyruvatdehydrogenase ist inaktiv, wennsie phosphoryliert ist = mit Phosphatrest).Die Pyruvatdehydrogenase wird gehemmtdurch Acetyl CoA und ATP.

inase m I ephospho P HIaktiv

• Die Pyruvatdehyd rogenasereaktion hatnoch einen Zweitnamen: Pyruvat ist eineo-Ketosaure und in dieser Reakt ion findet eineDehydrierung = Oxidat ion) und eine Decarboxylierung statt. Daher lautet der Zweitname:Oxidative Decarboxylierung von a-Ketosäurenoder auch noch genauer: DehydrierendeDecarboxylierung von a-Ketosäuren. DieserBegr iff ist allgemeiner und umfasst z.B.auchdie Decarboxylierung von a-Ketoglutar at, die imCitratcyc us eine wichtige Rolle spielt und diegleichen Coenzyme benötigt s. 3 .1.1, S. 28 .

• Die Pyruvatdehydrogenasereaktion ist irreversibel. Eine Tats ache, die man nicht oft genugbetonen kann, denn sie hat weitreichende Konsequenzen: Sie ist z.B. die Begründung dafür,warum Fe nich t mehr in Glucose um-gewandelt werden kann. Im Physikumwird dieser Fakt immer wieder gernevers teckt gefragt und mit ein bisschenLogik kann man sich damit das Lernenvieler Details ersparen.

Übrigen s

M ERKE:Pyruvat + CoA +NAO- reagieren zu Acetyl CoA +CO2 + NAOH+W .Thiamindiphosphat wird unbedingt gebraucht ;bei Vitamin 8 1 Mange l kommt es daher zu einerStör ung der Pyruvatverwertung.CoA ist ebenfalls essent iell.FAOH2 kann ausnahmsweise mit NAO- regeneriert werden = es werden beide Coenzymebenöt igt ).Die Pyruvatdehydrogenasereakt ion Reaktion istirreversibel.

ME RKE:Acetyl CoA kann niemals zu Pyruvat carb oxylier twerden; nicht. wenn es dem Citratcyclus entnommen wird und auch nicht für die Gluconeogenese.

egulat ionFas t alle Fragen im Physikum zu r Pyruvatdehydrogenasereaktion handeln von ihrer Regulation. Auch wenn man es leid ist,mit Kinasen und sämtlichen ande - \ .ren Regu latoren zu beschäftigen . DIESEREGULATIO IST EI FACHWICHTIG.


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Beschreiben Sie bitte die Pyruvatdehydrogenasereaktion in Stichworten.s. Gesamtablauf PyruvatdehydrogenasereaktionS 3

Die Pyruv t ehy rogen se ist also nicht nur einMultienzymkomplex, son ern sie enthä lt so-g r noch ih re eigenen Regulationsenzyme. DerKomp lex ist ak tiv, wenn er ephosphoryliert istund inaktiv wenn er ph osphoryliert ist. Dieselnterkonvertierung = reversible enzymatischeModifikat ion findet innerhalb des Multienzym-komplexes statt und ist NICHT cAMP gesteuertwie die meisten anderen Enzymregulationen.

: . • egul ti 125

Übrig en s ...• Die Phosphorytierunq der Pyruvatdehydrogena

se findet an einem Serylrest statt [danach istim schriftl ichen Examen bis jetz t einmal gefragtworden .

• Die Hemmung der Pyruvatdehydrogenase durchAcetyl CoA und ATP hat durchaus seinen Grund:Diese beiden Mo leküle signalisieren Energieüberschuss . In dieser Situation macht ein weiterer Pyruvatabbau keinen Sinn. Pyruvat kannjetzt viel besser zur Gluconeogenese genutz twerden.

MER :• Die Interkonverti erung der POH ist NICHT cAMP

gesteuert. sondern integraler Bestandteil desPOH Komp lexes.

• Die POH ist in dephosphorylierter Form aktiv.• ATP und Acetyl CoA hemmen die akt ive POH.

Wi e ist die Pyruvatdehydrogenase reguliert?Die Pyruvatdehydrogenase wird über reversiblePhosphorylierung reguliert. Sie ist im dephosphorylierten Zustand aktiv und im phosphoryliertenZustand inaktiv. Zusätzlich kann sie noch von AcetylCoA und ATP gehemmt werden.

Warum kann der menschliche Organismus Fettnicht in Zucker umwandeln?Die Pyruvatdehydrogenasereaktion ist irreversibel,Acetyl CoA z.B. aus der ß-Oxidation] kann somitnicht zur Gluconeogenese verwendet werden.

: . .Aus diesem Abschn it t sollte man sich unbedingtmerken. dass• die Pyruvatdehydrogenasereaktion IRREVERSIBEList.• Thiamindiphosphat ein benötigtes Coenzym ist.• die Pyruvatdehydrogenase dephosphorylier t akt iv

ist.• ATP und Acetyl CoA die Pyruvatdehydrogenase

hemmen.• die Regulation der PDH NICHT cAMP gesteuert,

sondern integraler Bestandtei l des Multienzymkomplexes ist.

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itr tcyclus

3 itr tcyclusEinigen mag er in der Schule schon begegnetsein, manche mit Bio-LK mussten ihn dort vielleicht schon mal lernen und erinnern sich mitGrausen an dieses Wirrwarr von Molekülen, dieineinander umgewandelt werden, ohne dahintereinen wirklichen Sinn zu sehen. Doch wie so oft,ist es beim näheren Hinschauen gar nicht mehrso schlimm: Im Citratcyc us wird nämlich ein fach der letzte Schritt der lahrungsverwertungvollzogen und die dabei entstehende Ene rgie inForm von N DH u H gespeichert.Zudem ist er auch nicht ganz so unübersichtlich,wie er im ersten Moment scheinen mag, dennman kann ihn sehr gu t systematisieren (s. 3.1).Bevor es gleich zu den einzelnen Reaktionengeht, solltet ihr wieder einen Blick auf die Über sicht (s. S. 1) werfen. Der Citratcyc us bildet einen Pool, in den die bbauwege derdrei Hauptnährstoffe mü nden :• Die Fette werden über die ß-Oxidation zu Acetyl CoA abgebaut.• Die Kohlenhydrate werden über die Glykolyse und die Pyruvatdehydrogenasereaktion zuAcetyl CoA abgebaut.• Die meisten Proteine minosäuren fließenüber die Pyruvatdehydrogenasereaktion oderdirekt in den Citratcyc us ein.Im Citratcyc us wird dieses Acetyl CoA zu O zund Energie oxidiert oder genauer: Im Citratzykl us wird Acetyl -CoA oxidiert zu CoA-SH, O z und Reduktionsäquivalenten in Form vonI ADH+H- und F DH z Er findet - wie auch die Pyruvatdehydrogenase-reaktion - innerhalb der Mitochondrien statt undwird auch als Drehscheibe des Stoffwechsels bezeichnet. Der Grund dafür sind seine zahlreichenZwischensubstrate. die sowohl Ausgangsmaterial für Synthesen als auch Endprodukte von Abbauwegen sind .M ERKE:• Der Citratcyclus ist die Drehscheibe des Stoff-

wechsels.• Acetyl CoA wird zu 2CD2 und Energie abgebaut .• Der Citratcyclus ist im Mitochondrium lokalisiert.• Er ist die Endst recke der Nahrungsmittelverwer

tung .

n ~ t I ~ l tPyruvat-,

Acetyl-CoA

Oxalacetat Malat

\ c-KetoqlutaratFumarat

Succinyl-CoASuccinat /

Abb. 3 1: Citr atcyclus Ü er li k

Dieses Kapitel handelt im Einzelnen von• dem Ablauf oder was während des Zykluspassiert.• der Energiebilanz oder was bei dem ganzenZirkus rausspringt.• seiner Regulation.• seinen anabolen ufgaben.

• den ana plerotischen Reaktionen (= der ah rung für den Citratcyc us).

3 Der Ablauf oder waspassiert hier eigentlich?Jetzt fragt sich der logisch denkende Mensch:Wozu so viele Zwischenschritte. wenn letztenEndes nur ein kleines Acetyl-CoA zu O z abge baut wird? Nun, das ist eben nicht alles . Die Zelleha t mit diesem Zyklus mehrere Möglichkeiten:• Sie speichert die freiwerdende Energie in Formder Reduktionsäquivalente ADH+H- undF DH z·• Sie startet von diesem Zyklus aus zahlreicheSynthesewege (= anabole Aufgaben, s. 3.4, abS.33).


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DerAblauf oderwas passiert hier eigentlich? 27

\Acetyl-CoAo C ; tUm die ganze Bandbreite seiner unkt ionen zuverstehen, bleibt einem nichts anderes übrig, alssich den genauen Abla uf des Citratcyc us anzu seh en .Dazu erst mal wieder ein kleines Modell s. Abb . 32).Man stelle sich vor :• Molekül 1 rund, hellgrau) soll abg ebaut wer

den .• Dies geht nur, wenn Molekül 2 rechteckig,dunkelgrau ) dabei ist.

• Beide Moleküle lagern sich also aneinanderund

• werden gemeinsam gespalten.• Molekü l 1 ist abge baut,• Molekül 2 muss regeneriert werden.

Succinat

Abb. : Citr-atcvclus Schema

Einteilung des itratcycius in zwei Teile 1 Abbau von Acetyl-CoAund Bildung von Succinat.2 Regeneration von Oxalacetat aus Succinat.

Abb . : Grun dgerü5t Modell Citratcyclu53 1 1 Teil 1 des Citratcyclus:Acetyl·CoA·AbbauIm ersten Teil des Citratcyc us - dem Acetyl CoAAbbau - passiert grob folgendes :

Oxalacetat und Acetyl CoA kondensieren zuCitrat.• Es wird zweimal decarboxyliert = - 2C0 2 .• Es entsteht Succinat.

Nun kommen die einzelnen Schritte en detail:Soviel zum Modell, jetz t zur Realität: uch Acetyl-CoA wird nicht alleine abgebaut. Im erstenTeil des Citratcyc us lagert es sich mit Oxalacetatzu Citrat zusammen und der Acetyl-Rest wirdabgebaut. Dabei entsteht Succinat. Im zweitenTeil muss Oxalacetat aus Succinat dann wiede rregeneriert werden.

Schritt 1: Die KondensationDabei verknüpft die Citrat-Synthase Oxalacetatund Acetyl CoA zu Citrat.

o H3C - C --- S - CoA

Acetyl-CoA

O C COOHIH2C - COOHOxalacetat

i iret -synth se

CoA

H2C - COOHIHO - COOHIH2C - COOHCitrat

Abb. 4 : Ci atcvclus Schritt 1

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8 itr tcyclus

Schritt 2: Die IsomerisierungHie r wird Citr at zu Isocitrat umgelagert.

H2C - COOHIH O C C O OHIH2C - COO HCitrat 2

Aconitase H C - COOHIHC - COOHIHO H C C O OH

IsocitratAbb. : Ci tra tcyclus Schr it t 2

Übri ens ...Im Physikum bitte nicht aufs Glatteisführen lassen:Dieser Schr it t istnicht besonders aufregend, es findetwirkl ich nur eine Umlagerung statt.

Schritt 4: Die Dxidative Decarboxylierungvon a KetoglutaratDieser Schritt sollte einem scho n bekannt vorkommen: Es ist der gleiche Mechanismus wiebei der Pyruvatdehydrogenasereaktion mit allendazugehörigen Enzymen und Coenzymen, wiez.B. dem Liponsäureamid und Thiamindiphospha t s. S. 21 . Der einzige Unterschied liegt imGrundgerüst de r Kohlenstoffkette. die hie r ebeneine HCH l -Gruppe länger ist und am Ende nocheine zusätzliche Carboxylgruppe trägt.• Auch a -Ketoglu tarat wird decarboxyliert und

dehydriert.• Die Wasserstoffatome werde n ebenfalls aufNAD+übertragen.• Das Reaktionsp rodukt wird an CoA gehängt,wodurch Succinyl-CoA entsteht.

• Enzy m ist die a -Ketoglutaratdehydrogenase .

H2C - COOHICH2IO C C O OH

Schritt 3: Die Dehydrierung undDecarboxylierung• Isocitrat wird jetzt decarboxyliert und dehy

d riert.• Die Wasserstoffatome werden auf NAD+über

tragen.• Dabei entsteht a -Ketoglutarat,• das Enzym heißt lsocitratdehydrogenase.

H2 COO HICH2IO C --- S C o A

Succ inyl-CoA

Abb . 7 : Ci tratcyclus Schritt 4

a-Ketoglutarat

NADCoA-SH

H2C - COOHIHC - COOHIHO - HC - COOHIsocitrat

~Isocitratdehydrogenase NADH HH C - COOH CO22 1CH2IO C C O OHa-Ketoglutarat

Abb. 36 : Citra tc yclus Schr it t 3

Übrigens ...Das beim Schrit t 4 entstehende Succinyl-CoAhat auch eine sehr zentrale Stoffwechselrolle:Succinyl-GoA

• ist ein Metabolit des Citratcyclus [a-Ketoglutaratdehydrogenase, Succ inyl-GoASynthetase= Succ inat Thiokinase

• ist ein Baustein für die Porphyrinsynthese[ö-Aminolävulinat-Synthase1

• ist wichtig für den Fettstoffwechse l: es ist beteiligtam Abbau de r ungeradzahligen Fett säuren[L-Methyl-Malonyl-GoA-lsomerase überPropio nsäure [NICHT der geradza hligenam Abbau von Keton körpern [3 -KetoacylCoA-Transferase


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Der blauf oder was passiert hier eigentlich 9

Schritt 5: Die Abspaltung von CoA• Von Succinyl-CoA wird das CoA abgespalten,

wobei eine energiereiche Thioesterbindungaufbricht s. 1.3.2, S. 13 .

• Die dabei frei werdende Energie wird zur GTPSynthese genutz t. Diese Form der Bildungeines energiereichen Triphosphats. bezeichnet man als Substratkettenphosphorylierung vgl. 4.4 oxidative Phosphorylierung, S. 44 .• Das zuständ ige Enzym ist die Succinyl-CoASynthetase = Succina t Thiokinase.

Auf den Mechanismus der GTP-Synthese gehenwir jetzt mal gen auer ein:Succinyl-CoA enthält eine energiereiche Thio esterbindung. Im vorne beschriebenen Reaktionsschritt wird diese Bindung gespalten unddie da be i frei werde nde Energie zur Knüpfungvon Phosp hat an Succinyl verwende t, CoA wirddabei freigesetzt. Dieses Phosphat wird in einerzwei ten Reaktion von Succinyl-Phospha t au fGDP übertragen, wobei Succinat und GTP entstehen .

Succinat + GTP + CoA

SuccinyJCoA + GDP + Phosphat

Succinyl-Phosphat + GDP + CoA

Succinyl-CoA

Succinyl Co Succinat H2C - COOH

5 tHGTP I 2CoA-SH GDP 0 = C S - CoA®

H2 COO HIH2C - COOH

Abb . 9 : genauer Mechan ismus der GTP-Synt heseAbb . : Ci tratcyclus Schr it t 5

Übrigen s ... Zusammenfassung Citratcyclus Teil 1Hier ein Exkurs zur Substrat ket tenphosphorylieru ng fürs Mündliche:Beim Abbau von Nährstoffen gibt es im Körperzwei Mechan ismen zur ATP Synthese aus ADPund Phosphat :

1.die Subst rat kette nphosphorylierung und2 .die oxidative Phosphorylierung = Atmungsket te

s. , S. 4 4Die Substratkettenphosphorylierung trägt ihrenNamen aus dem Grund, da die Phosphorylierung von ADP während Teilschr itten von Stoffwechselwegen [= Substratketten stattfindet.Dies pass ier t

• in der Glykolyse Enzym = Glyceral-3-phosphatDehydrogenase und

• im Cit ratcyclus [Vorsicht, hier wird GTP gebildet... .

ME RKE:Im ersten Schritt wird ein Acetyl-CoA in denCit ratcyclus gebracht.Acetyl CoA wird formal vollständi g zu 2C0 2oxidiert = Acetyl CoA löst sich also quasi in Luftauf... .Es entsteht Succinat , 2NADH+W und 1GTP.Citrat wird nur umgelager t zu Isocit rat , es findetKEINEOxidation oder sonst ige Reaktion sta tt.Oie Isocitratdehydrogenase verwendet NAD+alsCoenzym.Oie dehydrierende Decarboxylierung von xKetog lutarat entspricht dem Mechanismusder Pyruvatdehydrogenasereaktion mit allen dortverwendeten Coenzymen s. Kap. 2 , ab S. 2 1].Succ inyl-CoA wird durch die Succinat-CoA Syntheta se = Succinat Thiokinase umgesetz t.Regenerat ion ist die Aufgabe von Teil 2 desCitratcyclus.

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Citratcyclus

o H3C - C S - CoA

Acetyl-CoA

O C COOHIH2C - COOHOxalacetat

Citrat-synthaseH2C - COOHIHO - C - COOH

1H2C - COOHCitrat 2

Aconitase \H2C - COOHIHC - COOH1 8:0 { :C - COOH

Isocitrat

Isocitratdehydrogenase NAoE @H C - COOH CO221CH2IO C COOH

a-KetoglutaratSuccinyl CoA

Succinat =nthetase H2C - COOH5 GTP 1 2

CoA-SH GDP 0 = C S - CoA® Succinyl-CoAAbb. 40 :Citratcyclus Teil 13 .1 .2 Teil 2 des Citratcyclus:

Oxa lacetat Regenera t ion Zyklen haben die Eigenschaft, dass ..sie immer w ieder von vorne anfan-gen . Das weiß man spätestens, nachdem man in de r Schule mal Zirkeltraining gemacht hat.Für den Citratcyc us bedeu tet das, dass er vomSuccin at wieder zu seinem Ausgangsmolekül

NADCoA-SH

- dem Oxalacetat - kommen muss. Den Mechanismus kennt man vielleicht schon: Es sind die erstendrei Reaktionen der ß-Oxidation s. Skript Bioehemie7 .Die Regenerationsschritte des Citratcyc us sehenso aus:Schritt 6: Die OxidationHier wird zunächst Succinat dehydriert = Oxidation) un d die Wass erstoffa tome au f FAD


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Der blauf oder was passiert hier eigentlich

übertragen. Dabei en tsteht die ungesättigte Ver-bindung Fumarat und FADHz. Das Enzym ist dieSuccinatdehydrogenase.

H C COOH H COOHFumarat

FADH 2 dehydnogenase6FAD H2C- COOH

1H2C- COOHSuccinat

Abb. 41 : Cit ratcyclus Schr it t 6Übrigen s .. .Die Succinatdehydrogenase katalysiert denersten Schr it t der Regeneration im Citrateyclusund ist Teil des Komplexes der Atmungskette[soS. 39). Daher ist dieser Schrit t besonderswichtig.

Schritt 7: Die AdditionDurch dditionvon HzO wird Fumarat zu Ma-lat.

HO HC - COOH1H C COOHL-Malat

H O { u rn H C COOH

HC - COOHFumarat

Abb. 42 : Citratcyclus Schr it t 7Übrigens ...Das im Harnstoffcyclus gebildete Fumarat fließthier zur Regeneration in den Citratcyclus ein.

Schritt 8: Die OxidationIm letzten Schr itt en ts teh t durch Dehydrierungvon Malat wieder Oxalacetat. Die Reduktionsä-quivalen te werden dabei auf NAD übertragen

das durchführende Enzym ist die Malatdehyd-rogenase.

O= C - COOHNADH+H+ 1

~ 8 OxalacetatNAD+ alatdehydrogenaseHO HC C O OHIH2C - COOHL-MalatAbb. 43 : Citratcyclus Schr it t 8Übrigens ...Die Reakt ion ist die gleiche wie beimMalat-Shuttle [s. S. 16) .

Zusammenfassung Citratcyclus Teil 2M ERKE:• Oxalacetat wird regenerier t.• Es ents teht 1 FAOH2 und 1 NADH+H .• Die Succinatdehydrogenase ist FAD abhängig.

O= C C O O HNAoff B t 1

~ 8 OxalacetatNAD+ alat dehydrogenaseO= B c COOH1H2 COOHL-MalatH O u rn

H C COOH11

H C COOHFumarat

FADH 4 ~ y C C i n a t2 . • _ ~ hFAD H2C - COOH

1H2C - COOHSuccinat

Abb. 44 : Cit ra tcyclus Teil 2

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Citratcyclus

3 3 Citratcyclus gesamto H3C - C S - CoA

Acetyl-CoA

O=C COOHNAuo OJ I ;

HzC - COOH8 Oxalacetat

NAD+ Ma at dehydrogenase


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medi learn de

Anabole Aufgaben, denn der Citratcyclus kann noch mehr 33

3.2 Die Energiebilanz oderwas springt bei dem ganzenZirkus raus?

Wenn man die während des Ablaufs entstan-denen reduzierten Coenzyme zusammenzählt,

kommt man auf:• 3 NADH+H+ =- 1 NADH+H+ Isocitratdehydrogenase- 1 NADH+H+ α-Ketoglutaratdehydrogenase- 1 NADH+H+ Malatdehydrogenase

• 1 FADH2 Succinatdehydrogenase

Durch die Oxidation dieser Redoxcoenzyme inder Atmungskee werden daraus ca. 9 ATP syn-thetisiert (s. 4.5, S. 44). Dazu addiert sich nochdas GTP, dessen Synthese durch die Succinyl

CoA Synthetase = Succinat Thiokinase kataly-siert wird (s. S. 29) und das energetisch einemATP entspricht.Im Citratcyclus entstehen also durch die Oxida-tion der reduzierten Coenzyme in der Atmungs-kee mit dem dazugerechneten GTP pro durch-gesetztem Acetyl CoA 10 Moleküle ATP.

MERKE:

Die Oxidation eines Acetyl CoA im Citratcyclus führt

zur Bildung von 10 ATP.

3.3 Citratcyclus RegulationEs gibt drei Enzyme, an denen die Umsatzge-schwindigkeit des Citratcyclus reguliert wirdund die auch alle gerne im Physikumgefragt werden. Die Aktivatoren undInhibitoren dieser Enzyme kann mangetrost vernachlässigen.

Diese drei Enzyme sind:1 Die Citrat-Synthase = das Enzym,

das den ersten Schri des Citratcy-clus katalysiert:

Oxalacetat + Acetyl CoA Ci-trat.

2 Die Isocitratdehydrogenase= das Enzym, das den drienSchri des Citratcyclus kataly-siert:

Isocitrat ‒ CO2 ‒ 2H α-Ketoglutarat.

3 Die Succinatdehydrogenase (Inaktivator = Ma-lonat) = das Enzym, das auch Bestandteil derAtmungskee (s. S. 39) ist:

Succinat -2H Fumarat.

Insgesamt kann man also festhalten, dass die Re-gulation des Citratcyclus an seinen ersten beidenEnzymen und seinem gemeinsamen Enzym mitder Atmungskee vollzogen wird.

3.4 Anabole Aufgaben, denn derCitratcyclus kann noch mehr

Wie schon erwähnt, hat der Citratcyclus nichtnur abbauende, sondern auch auauen-de Funktionen. Seine zahlreichen Zwi-

schensubstrate fließen nämlich in einigeStoffwechselwege ein. Für das Physi-kum sind dabei folgende Synthesen be-sonders wichtig:• Der Citratcyclus liefert das Grundgerüst

für viele nicht-essentielle Aminosäuren.- Aus α-Ketoglutarat wird durch Transaminie-

rung Glutamat (= Glutaminsäure) und darausentsteht durch Decarboxylierung der wich-tige Transmier GABA.

α-Ketoglutarat Glutamat GABA.

- Aus Oxalacetat wird durch Transaminie-rung Aspartat.

Oxalacetat Aspartat.• Succinyl CoA wird dem Citratcyclus für die

Häm-Synthese entnommen ( = Porphyrinsyn-these). Der erste Schri der Häm-Synthese be-steht aus der Kondensation von Succinyl CoAund Glycin zu δ-Aminolaevulinsäure.

• Citrat wird für die Fesäuresynthese und dieCholesterinsynthese entnommen.

Übrigens. . .Falls jemand bei Punkt 3 stutzt und denkt,

braucht man für die Fettsäuresynthese nicht

Acetyl CoA, so hat er recht. Aber wie schon im

Kap. 1.4, ab S. 14 besprochen, ist die innere

Mitochondrienmembran für Acetyl CoA un-

durchlässig. Daher der Umweg über Citrat, das

die Membran passieren kann. Im Zytosol wird

Citrat dann durch die Citrat-Lyase zu Oxalacetat

und Acetyl CoA gespalten, wobei letzteres für

die Fettsäure- und die Cholesterinsynthese zur

Verfügung steht.


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Citratcyclus

itochondrium

Aspartat Acetyl -CoA

~ X a l a e ~/ Citrat

M, \ Isocitrat \Succinat a-Ketoglutarat

Porphyrine Succinyl-CoA/

ytosofCholeslerinsyntheseiAcetyl -CoA

Oxalacetat

Glutamat GABA

Abb. : Citratcyclus , anabole Aufgaben

ICHT zu den anabolen Aufgaben des Citratcyclus gehören dagegen:• Die Bereitstellung von Acetyl-CoA

für die Gluconeogenese. Grund istwieder die irreversible Pyruvatdehydrogenasereaktion s. 2.1.4, S. 24 . Also nochmal: Acetyl-CoA kann NIEMALS für die Cluconeogenese verwendet werden uch nicht,wenn es jedes Jahr im Physikum als Möglichkeit des Citratcyclus angepriesen wird.

M ERKE:Der Citratcyclus liefert• das Grundgerüst der nicht-essentiellen Amino

säuren, z.B. (X-Ketoglutarat für Glutamat.• Succinyl CoA für die Häm-Synthese [= Porphyrine .• Citrat für die Fett säuresynthese [= Acety l-CoATransport .

5 naplerotische Reaktionen Nahrung für den itratcyclus

Was um alles in der Welt verbirgt sich wohl hinterdiesem wichtig scheinenden Begriff? Tja, wennman immer nur Geld ausgibt, ohne dass das Konto wieder aufgefüllt wird, ist man relativ schnellpleite. Da geht es dem Citratcyclus auch nicht anders. Er gibt zwar kein Geld aus, aber viele seinerZwischensubstrate an die oben genannten Biosynthesen ab. Sein Konto an Zwischensubstratenwird durch anaplerotische Reaktionen wiedergefüllt. Dieser Begriff scheint also nicht nur wichtig, er ist es auch: Gäbe es diese Reaktionen nämlich nicht, würde der Citratcyclus bei Biosynthesen und der damit verbundenen Entnahme vonZwischensubstraten zum Erliegen kommen . Daswäre die Katastrophe für unseren Energiehaushalt und akut lebensbedrohlich.Von größter Bedeutung dieser auffüllenden Reaktionen und die einzige bisher gefragte ist die Pyruvat-Carboxylasereaktion: Pyruvat reagiert dabei mit CO2 unter ATP-Verbrauch zu Oxalacetat.

Pyruvat-CarboxylasePyruvat + CO2 + ATP Oxalacetat + ADP + P

Merke:Die Pyruvat-Carboxylasereaktion ist eine anaplerot ische Reakt ion. die von der Pyruvat-Carboxylasekatalysiert wird .


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Basics Mündliche 5

Man bezeichnet den Citr atcyclus auch als Dr ehsch eibe des Stoffwechsels. Erklären Sie mir bitte warum .Der Citratcyclus hat nicht nur katabole sondernauch anabole Funktionen. Neben der Verwertungvon Acetyl CoA und der damit verbundenen ATPSynthese in der Atmungskette ist er Lieferant fü rdie Ausgangsmoleküle vieler Biosynthesen wie z.B.des Succinyl-CoA das in die Porphyrinsynthese einfließt dem Citrat fü r die Fettsäuresynthese und demGrundgerüst der nicht-essentiellen Aminosäuren.Erklären Sie bit te den Begriff: anaplerotische Reakt ionen.Anaplerotische Reaktionen sind auffül lende Reaktionen. Die Konzentration der Zwischensubstratedes Citratcyclus is t relativ gering. so dass er bei Biosynthesen zum Erliegen kommen würde. Deswegenmuss der Citratcyclus regelmäßig durch anaplerotische Reaktionen aufgefüllt werden. Die Wichtigstedavon ist die Pyruvat-Carboxylasereaktion.

In welcher Form wird Energie im Citratcyclus gewonnen?Im Citratcyclus wird Energie in Form von reduziertenCoenzymen gewonnen. Bei ihrer Oxidation in der Atmungskette wird ATP synthetisiert. Die reduziertenCoenzyme sind NADH H und FADH2 Außerdemwird im Citratcyclus noch direkt ein GTP gewonnen.

: . .

Welche Stellung hat der Citrateyclus im Stoffwechsel?Der Citratcyclus ist die Endstrecke der Nährstoffverwertung. Die Nährstoffe werden auf speziellenWegen zuAcetyl-CoA abgebaut und fließen so in denCitratcyclus ein. Acetyl-CoA wird dort zu CO2 und Energie oxidiert.Neben dieser wichtigen katabolen Aufgabe ist derCitratcyclus auch noch fü r unzählige Substratlieferungen an andere Stoffwechselwege zuständig. Erhat also anabole Aufgaben inne wie z.B. bei der HämSynthese dem Aminosäurestoffwechsel und derFettsäuresynthese.

Was sollte man sich also zum Thema Cit rat cyclusunbedingt merken? Gut punkten lässt sich . wennman weiß. dass• NAD von der Isocitratdehydrogenase. der c-Ketoglutaratdehydrogenase und der Malatdehydrogenase als Coenzym verwendet wird.

• Die Succinatdehydrogenase FAD als Cosubstrathat.

• Citrat dem Citratcyclus für die Fettsäure- und Cholesterinsynthese entnommen wird.

• cx-Ketoglutarat dem Citratcyclus fü r die Synthesevon Glutamat und GABA entnommen wird.

• Succinyl CoA ein Baustein für die Porphyrinsynthe-se ist.

• die Pyruvat-Carboxylase die anaplerotische Reakti- 8 ldoo 0,,1 8ta k

Z I

Stellen Sie m ir bitte grob den Ablauf des Cit rat cyclusdar.Der Citratcyclus lässt sich gut in zwei Teile splittenzuerst reagiert Acetyl CoA mit Oxalacetat zu Citratnach zweimaliger Decarboxylierung entsteht Succinat. Succinat wird dann im zweiten Teil wieder zuOxalacetat oxidiert.

remedi Iearn de \ V


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Atmungskette

tmungskette oder warumatmen wir eigentlich

Die Frage nach dem Grund für unsere Sauerstoffabhängigkeit ist berechtigt. Hat man sich doch inder Physiologie elendig lang mit der Lunge undder Sauerstoffaufnahme beschäftigt und denSp ruch ahrung wird mit Sauerstoffverbrannt auch mehr als einmal hören müssen. Dafür, dasser überall als Protagonist angekündigtwar, ist die Rolle des Sauerstoffs bis- (her relativ mager ausgefallen . Daswird sich aber jetzt mit Besprechungder Atmungskette ändem.Der Eine oder nderewird an dieser Stelle vielleicht denken, dass nun das große Übel unabwendbar is t. Der Begriff Atmungskette schwirrtja schon lange, bevor man sich mit diesem Kapitel befasst, durch den biochemischen Raum:... Ja , un d in der Atmungskette, da entsteht dannATP ... Niemand weiß genau, was sich dahinterverbirgt, aber doch soviel, dass diese energieliefemde Kette wichtig und nicht ganz einfach ist.Um einen sanften Einst ieg in das Thema zu gewährleisten, kommt auch an die - ser Stelle zunächst ein Modell.Wenn man sich darauf einlassen ,, (kann, ist das Verständnis der Atmungskette ein Klacks - ehrlich...

Man stelle sich eine n Kanal vor, der von linksnach rech ts läuft . Er ist abschüssig. Zu dem Kanal gibt es zwei Zutlüsse.

In dem Kana l gib t es vier Wasse rräder. Wasserrad eins und zwei haben einen Wasserzuflussaus Wassereimem. Von den Wasserrädem einsund zwei fließt das Wasser in Rollcontainer. diedas Wasser zu Wasserrad drei un d vier transportieren.

Durch die Wasserkraft angetrieben, werden Bällevon der vorderen auf die hintere Kanalseite gepumpt. ur bei Wasserrad zwei funktioniert dasnicht, da seine Wasserkraft nicht ausreicht.

Auf der hinteren Kanalseite gibt es jetzt einenBallüberschuss. Diese Bälle fließen durch eineTurbine zurück auf die vordere Kanalseite. Dabei wird die Turbine angetrieben und Energieerzeugt.


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•••••••• • •

Abb . : tmungsketteModell St ufe 4Übrigens .. .Am besten ladet ihr euch dieses Modell herunte r www.medi-Iearn.de skr-atmungs kette] unddruckt es aus. Dann könnt ihr es bei der Bearbeitung dieses Themas neben das Skript le qenund immer wieder einen Blick darauf werfen. daim Text oft Bezug darauf genommen wird.

So, und schon geht es los mit der lang ersehn ten Atmungskette. Als erstes kommt ein groberÜberblick über das Was und das Warum.

Was passiert in der Atmungskette? 7

4 W as pass rt in derAtmungskett e?Bei den vorangegangenen Stoffwechselfolgen(z.B. Glykolyse, ß-Oxidation, Pyruvatdehydrogenasereaktion ab 5. 21, Citratcyclus ab 5. 26)wurden auf NAD+und FAD Redoxäquivalenteübertragen (=NADH + H- und FADH

2 . Diese H·Atome vereinigen sich nun in der Atmungskettemit 0 wobei H,O entsteht = Knallgasreaktion.Diese Reaktion ist so exe rgon, dass mit der frei

werdenden Energie ATP aus ADP und P gebildetwerden kann .MERKDie Atmungskette ist in der inneren Mitochondrienmemb ran lokalisiert.Zurück zum Modell und dessen Pendants in derAtmungskette:

Modell Atmungskettevolle Wassereimer reduzierte RedoxcoenzvrneWasser H-Atome/ElektronenHöhe des Kanals RedoxpotentialWasserräder (I-IV) Komplexe (I-IV)Container H/ElektronentransporterBälle H -Ionen = Protonen)Turbine Komplex V = ATP-Synthase)

Und jetzt zum Ablauf:I • • - -Es kommen volle W assereimer. Von den katabolen Stoffwechselvorgängen komm en

reduzierte Redoxcoenzyme.

Durc h den Fluss des Wassers durch die Wasserräder. Dur ch den Fluss der H-Atome / Elektronen durch die Komplexe.können die Wasserräder können die Komplexe I. und IV W Ionen in den mitochondri-Bälle auf die hintere Kanalseite pumpen. alen Intermembranraum pumpen .Es entsteht ein Ballübersch uss auf der hinteren Es entsteht ein Ht-Ubers chuss imKanalseite. Int erm embranraum.Das W asser kann durch den Kanal t ranspo rtiert Die H-Atome/ Elekt ronen können weitergegeben werden,werden, da er in seinem Verlauf an Höhe verlier t = da im Laufe der Atmungskette das Redoxpotential posit iverGefälle . wird.

Tabelle 5: Übertragung des Model ls auf die tmungskette

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Atmungskette

4 .2 Aufbau der AtmungsketteDieser Abschnitt stellt die einzelnen Komponentender Atmungskette vor, die im darauf folgendenTeil =Weg durch die Atmungskette, s. 4.3, ab S.43zusammengeführt werden . In Klammem stehendie zugehörigen Elemente des Modells.4 2 1 Herkunft der reduzierten Coenzyme[= WassereimerWährend des Abbaus von Fetten, Koh lenhydraten und Proteinen wurden Coenzyme reduziert,die in die Atmungskette einfließen. Im Einzelnensind das :ADH H+ausß-Oxidation,Glykolyse,oxidative Decarboxylierung von Pyruvat = Pyruvatdehydrogenasereaktion ,Citratcyclus undoxidative Desaminierung von Glutamat.

NADH+H- wird über de n Malat-Shu tt le in dasMitochondrium gebracht.FADHzausß Oxidation Enzym = Acy l-CoA -Dehydroge

nase ,• Citratcyclus Enzym = Succinatdehydrogena

se und• mitochondrialer Glycerinphosphatdehyd rogenase s. Glycerophospha t-Shu ttle, S. 17

4 2 2 Kompl exe -IV [= WasserräderDie Komp lexe I - IV sind in der inneren Mitochondrienm embran lokalisiert und bestehen au sEnzymen und Coenzymen.Im Einzelnen sind das:• Komplex I ADH-Ubichinon-Reduktase,• Komplex II = Succinat-Ubichinon Redukt ase,• Komplex III = Ubichi non -Cytoch ro rn-c-Re

duktase und• Komplex IV = Cy tochromoxidase.Sie alle haben die Aufgabe, die Wasserstoffatome von den reduzierten Coenzymen wie z.B.NADH+H- oder FADHz zu übernehmen, weiterzugeben und bei der Katalyse ihrer Redoxreaktionen Protonen vom Matrixraum in den Intermembranraum des Mitochondriums zu pumpen

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