Biosynthese und Analytik - Kapitel 4

Grundsatz der Energiegewinnung von chemoorganoheterotrophen Lebewesen: Organische Verbindungen (z.B. Kohlenhydrate) werden oxidiert und die Elektronen auf Sauerstoff übertragen. Dabei wird Energie frei.

• ATP: Adenosintriphosphat - Direkt nutzbare Energie, sehr wichtig für alle energieabhängigen Prozesse. Aus Adenin, Ribose (beide = Adenosin) und drei Phosphatgrupppen: Die Phosphorsäureanhydrid-Bindungen bindet drei Phosphorsäuren unter Wasserabspaltung und ist sehr energiereich (negative Ladungen stossen sich ab, Entropie kann steigen).
• ADP: Adenosindiphosphat - ATP nach Abspaltung eines Phosphatrestes P_i (anorganisches Phosphat).
• AMP: Adenosinmonophosphat - ADP nach erneuter Abspaltung eines Phosphatrestes.
• NAD: Nicotinamidadenindinucleotid - Elektronen-Carrier in drei Oxidationsstufen (2 Elektronen): NAD⁺ <> NAD <> NADH + H⁺. Mittig zwei Phosphatgruppen, rechts wie ATP, links oben eine Nicotinsäure (Elektronen-Aufnahme).
• NADP: Nicotinamidadenindinucleotidphosphat - Hat gegenüber NAD einen zusätzlichen Phosphatrest an der Ribose und wird für die Reduktion von organischen Verbindungen benötigt, wirkt gegenüber NAD (katabolisch) also anabolisch (NADP⁺ <> NADP <> NADPH + H_⁺)
• FAD: Flavinadenindinucleotid - Ebenfalls Elektronencarrier, jedoch für die Bildung von Doppelbindungen. Wiederum ein Adenosin, das über Pyrophosphat mit Rivoflavin (Vitamin B₂) gebunden ist. Bindet auch zwei Eletronen, jedoch nur in zwei Oxidationsstufen: FAD <> FADH₂
• CoA: Coenzym A (ist organisches Molekül, aber kein Protein/Enzym) überträgt C2-Einheiten (Essigsäure/Acetat). Komplizierte Struktur, jedoch wieder mit Adenosin und Thiol-Gruppe am Ende (SH), woran Essigsäure gebunden werden kann (-> Acetyl-CoA).

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 P_i + 2 NAD⁺ -> 2 C₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺ (Kein Sauerstoff nötig!).

Aus Glucose wird 2x Energie, 2x Pyruvat mit zwei doppelt geladenen Elektronen-Carriern.

• Energiegewinnung ohne Sauerstoff (Aus Glucose wird ATP gewonnen).
• Teil 1: Spaltung von Glucose (C6) in zwei C3-Körper unter ATP-Verbrauch.
• Bildung von Pyruvat aus den C3-Körpern unter ATP-Produktion und Elektronenladung (NADH + H⁺)

1. Milchsäuregärung - Regeneration von NAD⁺ (Aufrechterhaltung der Glycolyse) in Abwesenheit von Sauerstoff. Pyruvat wird zu Lactat (sauer).
2. Alkoholische Gärung - Regeneration von NAD⁺ (Aufrechterhaltung der Glycolyse) in Abwesenheit von Sauerstoff. Pyruvat -> Acetaldehyd (Kater) + CO₂ -> Alkohol (Übertragung der Elektronen auf Pyruvat).
3. Aerobe Oxidation (Citratzyklus und oxidative Phosphorylierung) - Falls genügend Sauerstoff verfügbar: Hohe ATP-Ausbeute!

• Gärungsbilanz/Redoxbilanz zwischen Gärprodukten und Substraten muss ausgeglichen sein.
• Vorhandensein von Sauerstoff.
• Zusammenspiel der benötigten Mikroorganismen.

Schematischer Ablauf:

1. Pyruvat (C3) wird zu Acetyl-CoA (C2) unter Abspaltung von CO₂
2. Acetyl-CoA tritt in den Kreislauf ein (-> C6) und wird in zwei Schritten oxidiert (C5 + CO₂ -> C4 + CO₂)
3. Der Akzeptor (Oxalacetat) wird regeneriert.

Ziele:

• Oxidation des organischen Kohlenstoffes (Pyruvat) zu CO₂.
• Übertragung der frei werdenden Elektronen auf NAD und FAD und Bildung von GTP.

In und an der Membran werden über verschiedene Proteine und Ubichinon Elektronen von NADH und FADH₂ auf Sauerstoff übertragen. Dabei entsteht H₂O und recht viel ATP:

1. NADH wird am Komplex 1 oxidiert.
2. FADH₂  wird am Komplex 2 oxidiert.
3. Die Elektronen fliessen anschliessend über Ubichinon zum Komplex 3 in den Intermembranraum.
4. Die Elektronen fliessen anschliessend über Cytochrom C zum Komplex 4, wo sie auf O₂ übertragen werden.
5. Dies alles führt zu einem elektrochemischen Gradienten, der die ATP-Synthese antreibt.
6. Die F₁F₀-ATPase nutzt den Gradienten zur Synthetisierung von ATP aus ADP.

Die Übertragung von Elektronen von NADH auf O₂ ist stark exergon, d.h. O₂ ist ein sehr guter Elektronen-Akzeptor und NADH ein guter Elektronen-Donor. In dieser Übertragung steckt also viel Energie, die für den Aufbau von ATP genutzt werden kann. Ohne O₂ ist die Energie-Ausbeute viel tiefer.

Hemmstoffe greifen an den Komplexen 1 bis 4 ein d.h. sie beeinflussen die an der Atmungskette beteiligten Enzyme und Carrier. Dadurch wird der Elektronenfluss beeinflusst oder gestoppt, so dass die oxidative Phosphorylierung verringert oder verhindert wird.