Biochemie
VL von Züchner
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Was ist die Aktivierungsenergie? (allgemein)
Das ist die Energie, die notwendig ist, damit ein Übergangszustand auf einem höheren Energieniveau (höhere freie Enthalpie dG) überwunden werden kann.
-> Reatkion selbst eigentlich exergon (also dG < 0), aber startet nicht spontan
-> die freie Enthalpie der Reaktion ist nur die Differenz zwischen Start- und Endniveau
-> Beispiel mit ADP + P --> ATP
Wofür wird die Aktivierungsenergie benötigt?
- korrektes Ausrichten der reagierenden Gruppen
- Umordnen von Bindungen
- Erzeugen vorübergehend instabiler Bindungen
-> also Art Kontrollfunktion, dass nicht Reaktionen ständig ablaufen
Was sind gap junctions?
Zell-Zell-Kanäle:
- verbindet Cytoplasma der Zelle mit Nachbarzelle direkt miteinander
- Ionen und kleine Moleküle können einfach hindurch
Was sind tight junctions?
Zellkontakte:
- zum Aneinanderheften von Zellen
- KEIN Kanal!!
- keine Diffusion möglich
- lückenlos geschlossen
Was ist die freie Enthalpie = Gibbs freie Enthalpie ΔG?
= Anteil der Energie, welche bei Reaktionen Arbeit leisten kann
ΔG = ΔH - T*ΔS
ΔG < 0 --> exergon: Reaktion kann Arbeit leisten -> läuft freiwillig ab
ΔG > 0 --> endergon: Arbeit fließt als Energie ins System
Was ist die innere Energie?
U [J] -> spezifische innere Enerige u = U/m [J/kg]
= Zustandsgröße von Materie (wieviel Energie in Materie) -> kann zu- oder abnehmen (Energie wird zugeführt oder geht verloren)
Besteht aus:
- Thermische Energie:
-> Versuch/Diagramm mit Eiswürfel:
-> fühlbare Wärme: Änderung der Temperatur
-> latente Wärme: Änderung der Phase (Aggregatzustand) - chemische Bindungsenergie (Anzahl der Moleküle hinterher mehr: dann gestiegen; wenn weniger: gesunken)
- kernphysikalische Bindungsenergie (zB Atomspaltung)
Was ist die Enthalpie?
= Maß für Energie eines thermodynamischen Systems
= gesamter Wärmeinhalt eines Reaktionssystems
-> Volumenarbeit & Spezifische Innere Energie = Energiegehalt aller chemischer Bindungen alles Reaktanden
H [J] = u + p*V
ΔH < 0: exotherm = Reaktion die Wärme freisetzt
ΔH > 0: endotherm = Reaktion für die Wärme aufgenommen wird
(beschreibt Energiezustand einer Masse & Arbeitsaufwand um für diese Platz zu schaffen (Etablierung von Druck und Volumen)
Was ist Entropie?
S [J/K]
= quantitative Größe der "Unordnung" eines Reaktionssystems
ΔS > 0: mehr statistisch mögliche Anordnungen der beteiligten Systemkomponenten
ΔS < 0: weniger ...
-> Anzahl Moleküle/Atome im Körper reduziert -> geringere Entropie als wenn die Atome einzeln ohne diese Zusammenschlüsse vorliegen würden
-> wird Wärme/Energie zugeführt, steigt die Entropie
-> Ordnung erfordert Energie!
Lebende Systeme gehorchen den Gesetzen der Thermodynamik:
- lebende Systeme arbeiten gegen ihre innere Entropiezunahme und tauschen ständig mit ihrer Umgebung Stoffe und Energie aus, um ihre innere Ordnung aufrech zu erhalten
- der Energieumsatz biochemischer Systeme kann nach den Gesetzen der Thermodynamik chemischer Reaktionen beschrieben werden
Warum besitzt ATP soviel Energie?
- ADP und Pi sind viel besser resonanzstabilisiert als ATP. (negative Ladungen nicht so nah beieinander)
- ATP besitzt starke elektrostatische Abstoßungen im Molekül, dies wird in den Produkten vermindert. (bei Spaltung sind Ladungen entspannter)
- ADP und Pi werden durch Anlagerung von Wassermolekülen besser stabilisiert als ATP.
-> Die Übertragung von freien Phosphatgruppen Pi ist eine zentrale Reaktion der Biochemie, über die Moleküle aktiviert werden!
Stoffwechselwege
- streng reguliert
- energetische gekoppelte Reaktionen (so können auch endergone Reaktionen ablaufen, freie enthalpien sind additiv)
- ATP = universelle Energiewährung
- wenige gemeinsame Zwischenprodukte bei vielen verschiedenen Stoffwechselwege
ATP-Speicher aufladen
- Nährstoffmoleküle
- je geringer die Oxidationszahl, desto höher der Energiegehalt
verschiedene Trägermoleküle im Metabolismus (= Abbau von Nährstoffen, Erzeugung von Energie)
Elektronenübertragung bei Nährstoffoxidation (katabol)
- NAD+ zu NADH
- FAD zu FADH2
Elektronenübertragung bei reduktiver Biosynthese (anabol)
- NADP+ zu NADPH
Übertragung von C2-Fragmente im Metabolismua (anabol+katabol) -> Acetyl- und Acylgruppen
- Acyl-ConA, Acetyl-ConA/ConA (Coenzym A)
Arten der Stoffwechselregulation (streng!)
- Regulation der Enzymmenge (langsam)
- Regulation der Enzymaktivität (schnell)
- Regulation der Substratmenge (schnell bis sehr schnell)
7 Reaktionstypen der Stoffwechselregulation
OGHAILT = Ohne gutes Hirn, alles immer logisch translatiert
- Oxidation - Reduktion = Enzymreduktasen, Oxidasen/Reduktasen
- Gruppentransfer = Transferasen (zB Kinasen + Acetylasen)
- Hydrolyse = Hydrolase (zB Proteasen + Nucleasen)
- Addition/Abspaltung = Lyase
- Isomerisierung = Isomerase
- Ligation (+ ATP Spaltung) = Ligase
- Transport = Translokasen
Glykolyse Stufe 1
= Substratvorbereitung -> ATP-Verbrauch um letztendlich eine Spaltung in 2 gleiche Edukte zu ermöglichen:
Fructose-1,6-bisphosphat => 2x Glycerinaldehyd-3-phosphat
2x ATP verbraucht
Glykolyse Stufe 2
= Energiegewinnung: 2x (1x NADH, H2O, 2x ATP)
--> 2x NADH, 4x ATP, 2x H2O
-> verrechnet mit Stufe 1 (-2x ATP) = 2x NADH, 2x ATP
NADH "erntet" Elektronen
Oxidative Decarboxylierung
= verbindender Schritt zwischen Glykolyse und Citratzyklus
Pyruvat-Dehydrogenase:
Pyruvat + CoA + NAD+ -> Acetyl-CoA + CO2 + NADH
Citratzyklus:
allgemein + Gesamtbilanz
- im Mitochondrium
- erzeugt: 2x (1x ATP, 3x NADH, 1x FADH2) pro Glukose
- erzeugt selbst also nur 1x ATP pro Acetyl-CoA, prudziert aber insgesamt mit der oxidativen Phosphorylierung zusammen 95% der Energie des Menschen
NADH und FADH2
Elektronentransporter = bauen Protonengradienten mittels der oxidativen Phosphorylierung auf
-> Protonen werden in Intermembranraum gepumpt und von dort wird über die ATP-Synthase ATP erzeugt
Elektronenfluss Oxidative Phosphorylierung
neue Elektronen aus Komplex I und II
-> Transport über Komplex III hinweg (nichts neues dazu!)
-> in Komplex IV werden Elektronen auf Protonen und Sauerstoff übertragen, sodass H2O entsteht
Atmungskette
= Elektronentransportkette
- besteht aus 4 in der inneren Mitomembran bebundene Proteinkomplexe (I-IV)
- I, III und IV dienen als Protonenpumpen: Protonentransfer aus Matrix in Intermembranraum der Mitos
- angetrieben von energiereichen Eletoronen, die von NADH und FADH2 geliefert werden
- Elektronencarrier in der Membran ist das Ubichinon (Coenzym Q), welches oxidiert und reduziert werden kann und das Cytochrom C (Metalloprotein)
- Elektronen werden von I, über II (mit weiteren e- dazu) über Q und III zu IV geliefert, wo sie auf molekularen Sauerstoff übertragen werden und mittels Protonen H2O entsteht
-> übertragen werden die Elektronen über Schwefel-Fe-Cluster (vorhanden in I, II und III)
-> Kopmlex IV: enthält Häm-Gruppen, Kupfer-Zentren (III auch Häm-Gruppen)
-> 4 H+ + O2 + 4 e- => 2 H2O
- insgesamt transportiert Komplex IV 8 Protonen weg aus Matrix: 4 auf O2 und 4 in Intermembranraum -> trägt enorm zu Protonengradient bei
- Komplex I und III transportieren beide auch 4 Protonen in Intermembranraum
--> insgesamt werden hierbei 12 Protonen in den Intermembranraum transportiert
Q-Zyklus der Atmungskette
2x Ubichinol binden nacheinander an Komplex III (von Komplex I und II)
-> jedes gibt 2x e- und 2x H+ ab
-> H+ kommt auf Cytochrom C (gibt also 2 von denen)
gleichzeitig werden also 4 Protonen und 4 Elektronen transportiert, wobei 2 Elektronen wieder auf ein Ubichinon übertragen wird, zusammen mit 2 Protonen der Matrixseite -> Ubichonol entsteht (wird recycled)
ATP-Synthase mit Rotationsmechanismus
= molekularer Motor zur ATP Synthese, angetrieben durch Protonengradienten
- hydrophober Teil (F0) in Membran -> transportiert Protonen
- hydrophiler Teil (F1) in Matrix drin -> katalysiert ATP Synthese
Rotationsprinzip:
- c-UE: hydrophobe alpha-Helix mit Asparaginsäure in der Mitte
- negativ geladene Asp: WW mit a-UE, sodass beide fest zusammen
- Proton diffundiert in Halbkanal (cytoplasmatischer Halbkanal) -> Asp wird protoniert = neutral
-> a- und c-UE trennen sich - Drehung um 30°
- protoniertes Asp: Interaktion mit zweitem Halbkanal (Matrixhalbkanal) -> Asp dissoziiert
- Proton wandert in Matrix
- a-UE mit 2 Halbkanälen fest in Membran, nur c-UE dreht sich in der Membran!!
ATP-Synthese und Rotation:
- γ-UE verbindet c-UE mit αβ-UE
- Rotation der c-UE: Konformationänderungen der αβ-UE
- 3 unterschdl. Konformationen der αβ-UE liegen nacheinander vor, die ATP / ADP + Pi unterschdl. stark binden können:
loose - tight (hier ATP formation) - tight - open (ATP weg) - loose (selbes wie am Anfang, Bindung von ADP + Pi)
Funktionen der Mitochondrienmembran
äußere Membran für kleine Moleküle + Ionen permeabel (VDAC - coltage dependent anione channel)
-> innere für meisten hydrophilen nicht, daher:
- Transport von NADH aus Glykolyse -> nicht möglich, deshalb über Elektronen + 2 Shuttle-Systeme
- Transport der Edukte Pi und ADP aus Cytosol in Matrix
- Transport des Produktes ATP ins Cytosol
- Transport der Biosynthesevorstufen für Fettsäuresynthese und AS-Synthese in Cytosol
zusätzliche Funktionen des Citratzyklus
Zwischenprodukte u.a. für
- Fettsäuresynthese
- AS-Synthese
- Porphyrin- und Hämsynthese
Regulation des Citratzyklus
Pyruvat-Dehydrogenase
-> Hemmung durch ATP, Acetyl-CoA, NADH (= zu viel Energie in Zelle -> Pyruvat für Biosynthese, nicht mehr Energiegewinnung)
Oxidative Phosphorylierung
Atmungskette + ATP-Synthase
Zusammenfassung der einzelnen Schritte + Bilanz
Glykolyse:
- in Cytoplasma
- Bilanz: 2 ATP, 2 NADH
Oxidative Decarboxylierung:
- Übergang zwischen Intermembranraum und innere Mitomembran
- Bilanz: aus 2 Pyruvat -> 2 NADH
Citratzyklus:
- in Mito-Matrix
- Bilanz: pro Glukose 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH2
Atmungskette:
- an Matrixseite in Mito
- Bilanz Komplex IV: 4 H+ + 4 e- + O2 => 2 H2O
- Bilanz Protonen: Transport von 12 Protonen in Intermembranraum (jeweils 4 von I, III, IV)
ATP-Synthase:
- durch Membran in die Matrix der Mitos
- Bilanz: 2,7 Protonen pro ATP
--> letztendlich 30 ATP / Glucose
(NADH und FADH2 gleichen sich aus)
Aminosäuren:
- ketogen
- glukogen
ketogen = können zu Acetyl-CoA oder Acetoacetyl-CoA abgebaut werden
glukogen = können zu Pyruvat oder anderen Stoffen des Citratzyklus abgebaut werden
zuviele AS im Körper:
- Umwandlung in Körperfett (Energiereserve)
- Nutzung der Abbauprodukte für viele andere Biosynthese-Reaktionen
Gluconeogenese
= andersrum als Glykolyse: Pyruvat zu Glucose (bzw. meist zu Glucose-6-phosphat)
Ablauf:
- bis auf 3 Enzyme können die normalen Enzyme der Glykolyse beide Richtungen katalysieren
- für ersten Schritt anderes: Pyruvat-Carboxylase von Pyruvat zu Oxalacete (auch im Citratzyklus drin)
- Fructose-1,6-bisphoshatase: Fructose-1,6-bisphoshat zu Fructose-6-phosphat
- Glucose-6-phosphatase: Glucose-6-phosphat zu Glucose
Regulation der Gluconeogenese
über den Blutzuckerspiegel:
- Insulin wird ausgeschüttet
- aktiviert multifunktionelles Enzym: Phosphofructokinase-2 / Fructose-bisphosphatase-2 (PFK-2 / FBPase-2)
- besitzt Kinase- und Phosphatase-Aktivität
wenig Glucose im Blut:
- Glucagon stimuliert PKA
- FBPase-2 wird aktiviert
- Glykolyse wird inhibiert
- Gluconeogenese wird stimuliert
viel Glucose im Blut:
- Inslin stimuliert Phosphoprotein-phosphatase
- PFK-2 wird aktiviert
- Glykolyse wird stimuliert
- Gluconeogenese wird inhibiert