Biochemie

1. korrektes Ausrichten der reagierenden Gruppen
2. Umordnen von Bindungen
3. Erzeugen vorübergehend instabiler Bindungen
   
   -> also Art Kontrollfunktion, dass nicht Reaktionen ständig ablaufen

Zell-Zell-Kanäle:

• verbindet Cytoplasma der Zelle mit Nachbarzelle direkt miteinander
• Ionen und kleine Moleküle können einfach hindurch

Zellkontakte:

• zum Aneinanderheften von Zellen
• KEIN Kanal!!
• keine Diffusion möglich
• lückenlos geschlossen

= 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

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:

1. Thermische Energie:
   -> Versuch/Diagramm mit Eiswürfel:
        -> fühlbare Wärme: Änderung der Temperatur
        -> latente Wärme: Änderung der Phase (Aggregatzustand)
2. chemische Bindungsenergie (Anzahl der Moleküle hinterher mehr: dann gestiegen; wenn weniger: gesunken)
3. kernphysikalische Bindungsenergie (zB Atomspaltung)

= 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)

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 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

1. ADP und Pi sind viel besser resonanzstabilisiert als ATP. (negative Ladungen nicht so nah beieinander)
2. ATP besitzt starke elektrostatische Abstoßungen im Molekül, dies wird in den Produkten vermindert. (bei Spaltung sind Ladungen entspannter)
3. 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!

• 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

• Nährstoffmoleküle
• je geringer die Oxidationszahl, desto höher der Energiegehalt

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)

• Regulation der Enzymmenge (langsam)
• Regulation der Enzymaktivität (schnell)
• Regulation der Substratmenge (schnell bis sehr schnell)

OGHAILT = Ohne gutes Hirn, alles immer logisch translatiert

1. Oxidation - Reduktion = Enzymreduktasen, Oxidasen/Reduktasen
2. Gruppentransfer = Transferasen (zB Kinasen + Acetylasen)
3. Hydrolyse = Hydrolase (zB Proteasen + Nucleasen)
4. Addition/Abspaltung = Lyase
5. Isomerisierung = Isomerase
6. Ligation (+ ATP Spaltung) = Ligase
7. Transport = Translokasen

= Substratvorbereitung -> ATP-Verbrauch um letztendlich eine Spaltung in 2 gleiche Edukte zu ermöglichen:

Fructose-1,6-bisphosphat => 2x Glycerinaldehyd-3-phosphat

2x ATP verbraucht

= 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

= verbindender Schritt zwischen Glykolyse und Citratzyklus

Pyruvat-Dehydrogenase:
Pyruvat + CoA + NAD+ -> Acetyl-CoA + CO2 + NADH

• 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

Elektronentransporter = bauen Protonengradienten mittels der oxidativen Phosphorylierung auf

-> Protonen werden in Intermembranraum gepumpt und von dort wird über die ATP-Synthase ATP erzeugt

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

= 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

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)

= 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 + P_i unterschdl. stark binden können:
  loose - tight (hier ATP formation) - tight - open (ATP weg) - loose (selbes wie am Anfang, Bindung von ADP + P_i)

äußere Membran für kleine Moleküle + Ionen permeabel (VDAC - coltage dependent anione channel)
-> innere für meisten hydrophilen nicht, daher: 

1. Transport von NADH aus Glykolyse -> nicht möglich, deshalb über Elektronen + 2 Shuttle-Systeme
2. Transport der Edukte Pi und ADP aus Cytosol in Matrix
3. Transport des Produktes ATP ins Cytosol
4. Transport der Biosynthesevorstufen für Fettsäuresynthese und AS-Synthese in Cytosol

Zwischenprodukte u.a. für 

• Fettsäuresynthese
• AS-Synthese
• Porphyrin- und Hämsynthese

Pyruvat-Dehydrogenase
-> Hemmung durch ATP, Acetyl-CoA, NADH (= zu viel Energie in Zelle -> Pyruvat für Biosynthese, nicht mehr Energiegewinnung)

Atmungskette + ATP-Synthase

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)

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

= 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

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