Biochemie

• die Verfügbarkeit des Substrats
• die Elimierung der Stoffwechsel-Endprodukte
• die Verfügbarkeit der Kofaktoren
• Hormone => veränder die Aktivität oder Synthesegeschwindigkeit bestimmter Enzyme

• 2 CO₂
• 3 NADH+H⁺ 
• 1 FADH₂ 
• 1 GTP => 1 ATP

=> NADH+H⁺ und FADH₂ Reduktionsäquivaltente (=> "Elektronentaxis") aus denen in der Atmungskette ATP gewonnen wird:

• 1 NADH => 2.5 ATP
• 1 FADH₂ => 1.5 ATP

=> pro Acetyl-CoA entsteht im Zitratzyklus somit 10 ATPs (1 + 3*2.5 + 1.5)

=> umfasst sowohl katabole (Oxidation von Acetyl-CoA) als auch anabole (Substrat-Produktion für verschiedene Synthesen) Prozesse

=> ist in den Mitochondrien genügend/überschüssiges Zitrat (aus Acetyl-CoA) vorhanden, wird dieses ins Zytoplasma exportiert, wo daraus Fettsäuren synthetisiert werden

=> je mehr ATP verbraucht wir => geringere ATP und NADH⁺+H⁺-Konzentration => höhere ADP und NAD⁺-Konzentration => je aktiver ist der Zitratzyklus

=> gewisse Enzyme des Zitratzykluses werden durch Ca²⁺ (=> bei Muskelarbeit erhöht) aktiviert => je grösser die Muskel-Aktivität => je mehr Ca²⁺ wird produziert =>  je aktiver ist der Zitratzyklus

• 1. Etappe, in der Hexokinase den Umbau von Glukose zu Glukose-6-Phosphat katalysiert (ATP-abhängig)
• 3. Etappe, in der Phosphofruktokinase den Umbau von Fruktose-6-Phosphat zu Fruktose-1,6-bisphosphat katalysiert (ATP-abhängig)
• die letzte Reaktion bei der Phosphoenolpyruvat (PEP) durch die Pyruvat-Kinase zu Pyruvat oxidiert wird (=> ein Pi wird auf ADP übertragen => ATP)

=> die ATP-Konzentration beeinflusst die Glykolyse: Bei normaler intrazellulärer ATP-Konzentration wird die Glykolyse (via Phosphofruktokinase) gehemmt, häuft sich jedoch ADP, wird die Glykolyse aktiviert

Milchsäuregärung:

• NADH+H⁺ wird zu NAD⁺ reoxidiert
• Pyruvat wird zu Laktat reduziert
• 2 ADP + 2Pi => 2 ATP
  (=> bei aeroben bedingungen wären es 32 ATP pro Glukosemolekül!)

=> Pyruvat, welches im Zytosol durch die Glykolyse produziert wurede wird in die Mitochondrien treansportiert
=> mittels der Pyruvat-Deshydrogenase wird dort ein CO2 vom Pyruvat abgespalten und das Coenzym-A (CoA) angelagert => die Kohlenstoffe des Pyruvats werden oxidiert und NAD+ zu NADH+H⁺ reduziert => es entsteht Acetyl-CoA

=> Pyruvat-Deshydrogenase wird durch Acetyl-CoA und NADH gehemmt

= Glykogen-Synthese (in Leber- und Muskelzellen)

1. Glukose wird zu Glukose-6-Phosphat phosphoryliert (durch Hexokonase im Muskel, durch Glukokinase in der Leber) und zur Glukose-1-Phosphat umgebaut
2. Durch weitere Umbauvorgänge werden die Moleküle duch Glykosidbindungen (1 => 4) aneinander gereiht (duch Glykogen-Synthase katalysiert) => es entstehen lange, verzweigte  Glykogenketten

=> Glykogenolyse: Durch die Glykogen-Phosphorylase werden die Glykosidbindungen (1 => 4) wieder aufgebrochen => es entsteht Glukose-1-Phosphat, welches  via die Glykolyse zur Energiebereitstellung genutzt werden kann

Die Herstellung von Glukose aus nicht-gluziden Edukten; insb. Aminosäuren, Laktat und Glycerol => findet vor alleim in der Leber und den Nieren statt 
NB: die 3 irreversiblen Schritte der Glykolyse werden dabei umgangen

=> sichert gemeinsam mit der Glykogenolyse die permanente Glukose-Verfügbarkeit => verhindert die Hypoglykämie (im Extremfall tödlich!)

• Insulin => stimuliert die Glykolyse (hemmt die Neoglukogenese)
• Glukagon => aktiviert die Neoglukogenenes, (hemmt die Glykolyse)
• Acetyl-CoA => stimuliert die Neoglukogenese
• 5'-AMP (bzw. ADP) => stimuliert die Glykolyse

=> Stabilisiert die Glykämie (Blutzucker), welche durch die Nährstoffzufuhr und den tissulären Glukoseverbrauch ständig beeinflusst wird
=> Normwert von 4.5 - 5.5 mmol /L

=> stimuliert die Glykogenolyse in der Leber und den Muskeln => Leistungsbereitschaft

=> im Blut werden freie Fettsäuren (nicht verestert) an Albumin gebunden transportiert

=> im Zytoplasema werden sie unter Energieverbrauch (ATP => AMP + PPi) zu Acyl-CoA aktiviert

=> Der Acyl-Rest des Acyl-CoA wird an der Mitochondrienmemran auf Caritin übertragen => Acylcaritin tritt ins Mitochondrim ein, wo der Acyl-Rest wieder vom Caritin auf freies CoA übertragen wird

=> in der Beta-Oxydation pro Durchlauf 2 C-Atome (als Acetyl-CoA) abgespalten, es entstehen ausserdem ein NADH+H⁺ und ein FADH₂ 

=> z.B.  für den Abbau von Palamitat (C16) wird der Zyklus 7x durchlaufen => 8 Acetyl-CoA (80ATP) + 7 NADH+H⁺ + FADH2 => 106 ATP

NB: Besitzt die Fettsäue eine ungerade Anzahl an C-Atomen entsteh am Ende ein Propinonyl-CoA, welches in umgewandelter Form in den Zitratzyklus eintreten kann

=> bei längerer Zeit ohen Nährstoffaufnahme nimmt die Oxydation der Fettsäuren stark zu, der Zitratzyklus kann aber nicht alle entstehenden CoAs verstoffwechseln => in der Leber werden Keton-Körper gebilet und über das Blut zum extra-hepatische Gewebe transportiert, wo daraus via Zitratzyklus Energie gewonnen werden kann

Regulation:

1. Erst bei einer erhöhten Produktion feier Fettsäuren (Lipolyse) im Fettgewebe werden Ketonkörper gebildet
2. Ketonkörper werden nur dann gebildet, wenn freie Fettsäruen in die Mitochondrien einterten (=> Acetyl-CoA via Betaoxydatioation), nicht wenn diese zu Acylglycerolen verestern
3. Nimmt die Acetyl-CoA-Konzentration (durch die beta-Oxydation entstanden) zu, tritt der Überschuss in die Ketogenese ein

=> wir haben nur eine begrenzte Kapazität Fettsäuren zu entsättigen*, desshalb müssen gewisse ungesättigte Fettsäuren (wichtig für die Membran-Fluktuität) über die Nahrung zugeführt (pflanzliche Ressourcen) werden => essentielle Fettsäuren 

=> *entsättigen bedeutet Einfügen einer Doppelbindung (durch Dehydrierung mittels O₂ und NADH + H⁺)
=> einfach ungesättigte Fettsäuren (nicht essentiel), können am glatten endoplasmatsichen Retikulum aus gesättigten Fettsären gebildet werden (1.Doppelbindung zwischen dem 9. und 10. C-Atom)
=> längere bzw. mehrfach ungesättigte Fettsäuren können nicht produziert werden

=> auch das für die Lipogenese bestimmte Acetyl-CoA tritt in den Zitratzyklus ein, wird aber schon in Form von Zitrat wieder freigegeben und kann so aus den Mitochonrien austreten ("Zitrat-Shuttle")

=> die Lipogenese findet im Zytosol der Leber- und  Fettgewebeszellen statt und wird durch einen Multienzymkomplex katalysiert

=> zuerst wird das Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA metabolisiert (ATP-anhängig) => genau wie bei der Lipogolyse (Beta-Oxidation) folgt ein mehrmals durchlaufener Kreislauf, bei dem die entstehende Fettsäure, durch Kondensation mit weiteren Malonyl-CoA (unter Abspaltung von CO₂), bei jedem Zyklus um 2 C-Atome verlängert wird => pro Zyklus werden 2 NADPH (aus dem Pentosephosphatweg) und 1 ATP verbraucht

=> nach 7 Zyklen entsteht so als Endprodukt Palamitat (C₁₆)

• Insulin und Zitrat wirken aktivierend auf die Enzyme der Lipogenese
• Azyl-CoA, Glukagon und Adrenalin wirkend hemmend auf die Enzyme der Lipogenese

Von den nicht wiederverwendeten Aminosäuren (werden NICHT gespeichert) wird die Aminogruppe Abgespalten  (Desaminisierung), woduch Amoniak (NH₃) entsteht, der in Form von Harnstoff (in der Leber unter Verbrauch von 3 ATPs synthetissiert) über den Urin ausgeschieden wird 

Das übrig geblibene Kohlenstoff-Skelett wird zu 7 Produkten abgebaut:

• 4 Zwischenprodukten der amphibolen Stoffwechselprozesse (z.B des Zitratzykluses),
• Pyruvat
• Acetyl-CoA und Acetoacetat (sind ketogen => können Keton-Körper bilden)  

=> Proteasen spalten intrazelluläre Proteine (regulatorische mit kurzer Halbwertseit oder fehlerhafte) durch Hydrolyse gewisser Bindungen => die dadurch entstandenen Peptide können dann von Peptidasen weiter abgebaut werden
=> extrazelluläre, langlebige Proteine werden in den Lysosomen (nicht ATP-abhängig) abgebaut

NB: Gewisse Aminosäuren können durch Decarboxylierung (Entfernen der Carboxylgruppe => CO₂) zu biogenen Aminen (z.B. Serotonin) abgebaut werden

=> kleines Polypeptid, welches Proteine markiert, welche abgebaut werden sollen (durch Proteasome; Proteinkomplexe im Zytoplasma)

=> essentielle Aminosäuren können nicht vom Körper selbst synthetisiert werden und müssen über die Nahrung afgenommen werden. Davon gibt es 8:

• Phenylalin und Tryptophan (aromatische A.S.)
• Valin, Leucin, Isoleucin und Theronin (verästelte A.S.)
• Methionin und Lysin

• Nukleophil: Elektronen-reiche Moleküle, geben diese leicht ab
• Elektrophil: Elektronen-arme Moleküle, nehmen diese leicht auf

=> Wasser-Moleküle mit ihren 2 freien Elektronenpaaren am Sauerstoff sind optimale Nukleophile

Hydrolyse => ist Thermodynamisch günstig (=> Exergon: Das Reaktionsgleichgewicht liegt bei Raumtemperatur auf Seiten der Produkte) => kann ausserdem durch Enzyme katalysiert werden: Proteasen für die Peptidbindungen von Proteinen und Aminosäuren, Nukleasen für die Phosphodiester-Bindungen der DNA und RNA

Kondensation durch Abspaltung von H2O  => Wasser-Moleküte reagiert auch mit sich selbst durch Autoprotonation

=> es entstehen H₃O⁺ und OH^-

=> aus der Konstanten des Ionenprodukts: K_e = {H₃O⁺} {OH^-} = 1.00 x 10^-14 M²

=> als Kehrwert des Logarithmus der Hydronium-Ionen-Konzentration: 
=> pH = - log{H₃O⁺} 

• Säure: Protonen-Donator
• Base: Protoren-Akzeptator

=> Starke Säuren (HCl oder H₂SO₄) und starke Basen  (NaOH, KOH) liegen in Lösung nur vollständig gelöst vor
=> Schwache Säuren und Basen sind auch in Lösung nicht vollständig gelöst

=> intrazelluläre Proteine, Nukleinsäuren, Co-Enzyme und vorübergehende Stoffwechselprodukte weisen alle Crobxyl-, Amino- oder Esther-Gruppen auf => alles schwache Säuren oder Basen, deren Reaktivität sich mit dem pH-Wert verändert

=> eine Lösung, die eine schwache Säure sowie ihre konjugierte Base enthält => gibt man eine kleine Menge einer starken Säure hinzu verändert sich das Gleichgewicht der Tampon-Reaktion, der pH aber kaum => Tampon-Effekt

=> Aminosäure (Protein-Monomer), das nicht im Körper synthetisiert werden kann und über die Nahrung aufgenommen werden muss => 8 beim Menschen 
NB: Insg. werden 20 menschliche Aminosäuren unterschieden (alle Alpha-L)

• Carboxyl-Gruppe: -COOH
• Amino-Gruppe: -NH₂

=> liegen im physiologischen Milieu ionisiert vor: COOH ist die stärkere Säure => 
-COO^- und –NH₃⁺

=> die Seitenketten (R): Hydrophob oder Aromatisch (Hydeophil), geladen oder nicht (neutral)

=> die Aminosäuren-Sequenz: Aminosäuren-Monomere, welche mittels Peptidbindungen (unter Abspaltung von H2O => Kondensation) aneinander gebunden sind => Polypeptide

• Gelöste
• Membranäre
• Globuläre (die meisten Enzyme)
• Fibröse (die meisten Strukturproteine)

• Lipoprotein => Protein, welches kovalent mit einem Lipid verbunden ist
• Glycoprotein => Protein, welches kovalent mit einem Glucid verbunden ist
• Metalloprotein => Protein, welches metallische Ionen beinhalten (z.B. Myoglobin, Hämoglobin, Cytochrome)

• Primärstruktur: Aminosäuren-Sequenz (via Peptidbindungen)
• Sekundärstruktur: Geometrische Faltung kleiner Abschnitte in Helices oder Beta-Faltblätter (via Wasserstoff-Brücken)
• Tertiärstruktur: Anordnung der Sekundärstrukturen in grössere funktionelle Einheiten („Wicklung“ => reife Polypeptide)
• Quartärstruktur: Anordnung  mehrerer Polypeptide => Oligomer-Proteine mit speziellen Untereinheiten

Enzyme sind biologische polymere (meist Proteine) => sie katalysieren verschiedene lebenswichtige chemische Reaktionen insb. im Bereich des Metabolismus (Abbau von Nahrung und Energiebereitstellung), sowie verschiedene Prozesse der Protein-, Membran-, Gewebs- und DNA-Synthese => erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit 

NB: Enzyme sind spazifisch für ein bestimmtes Substrat bzw. eine Substrat-Gruppe und werden bei der Reaktion weder verbraucht noch verändert

• Oxydoreduktase: Oxidationen und Reduktionen
• Transferase: Verschiebt funktionelle Gruppen (Glycosyl, Methyl, Phosphat)
• Isomerase: Verändert die Geometrie der Molekül-Struktur
• Ligase: Formt eine Bindung zwischen 2 Molekülen, wobei ATP Hydrolysiert wird
• Deshdrogenase: Abspaltung von H+
• Protease: Hydrolyse der Proteine
• Kinase und Phosphatase: Binden und Lösen von Phosphatgruppen
• Lipase: Fett-Abbau

=> unterstützen die Fixierung des Substrats oder der Katalyse  => z.B. Häm mit Fe²⁺ in Hämoglobin, ADP/ATP, NAD+/NAHD, ...)

• exergonische Reaktion: Chemische Reaktion, bei der Energie frei wird (exotherm) => das Reaktionsgleichgewicht liegt spontan auf Seite der Produkte (thermodynamisch günstig)
  => Katabolismus => z.B. Proteinspaltung durch Hydrolyse
• energonische Raktiion: Chemische Reaktion, die Energie aus der Umwelt konsumiert (endotherm) => das Raktionsgleichgewicht liegt spontan auf Seite der Edukte (thermodynamisch ungünstig) => Anabolismus => z.B. Proteinsynthese durch Kondensation (benötigt ATP)