Biosynthese und Analytik - Kapitel 4

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.

Die F₀F₁-ATPase wird angetrieben vom Protonengradienten:

• F₀-Teil: Baumwurzel und Plattform mit Stüzpfeiler (Protonenkanal).
• F₁-Teil: Baumstamm (Gamma-Einheit) mit Baumkrone (Alpha-/Beta-Einheiten).
• Die Gamma-Einheit dreht sich innerhalb der Baumkrone und wechselt so die Zustände der drei Beta-Untereinheiten:
  • O: In der offenen Konformation wird ATP freigesetzt damit ADP + P_i andocken können.
  • L: In der geschlossenen Konformation wird ADP + P_i gebunden und fixiert.
  • T: In der T-Konformation sind ADP + P_i so stark gebunden, dass sie zu ATP synthetisieren.

• Speicherung von Reservestoffen (Energie).
• Notversorgung (Blutzucker) aus Aminosäuren und Glycerin.
• Gegenkraft zur Glykolyse: Mittel zur Steuerung des Kohlehydratmetabolismus.

Das thermodynamische Gleichgewicht ist stark auf der Pyruvat-Seite resp. irreversibel (freie Energie = -147kJ/mol), d.h. die Rückreaktion der Glykolyse ist endergon und wird nicht selbständig ablaufen. Die Gluconeogenese muss über einen anderen Reaktionsweg ablaufen.

Durch den allosterischen (nicht im aktiven Zentrum) Hemmer F2,6P₂:

• Hohe F2,6P₂-Konzentration fördert die Glycolyse, niedrige fördert die Gluconeogenese.
• Der F2,6P₂-Pegel hängt von anderen Enzymen ab, die wiederum von Metaboliten reguliert werden. Diese Mehrstufigkeit, welche ein kleines Eingangssignal entscheidend verstärken kann.

Die Succinatdehydrogenase (SDH) liegt an der inneren Membran der Mitochondrien und vermittelt so über FAD direkt zwischen Zitronensäurezyklus und Atmungskette:

• FAD ist kovalent an SDH gebunden.
• FAD wird im Zitronensäurezyklus reduziert.
• FADH₂ wird durch Ubichinon in der Atmungskette oxidiert.

1. Zerreiben in Sand in einer Lösung aus Saccharose und Kaliumphosphat
2. Sieben und zentrifugieren zur Sedimentation der Mitochondrien/Zellorganellen.
3. Ausgangsmaterial und Zwischenprodukte ständig kühlen, damit die Aminosäuren keinen Schaden nehmen.

Cyanogene Glykoside bestehen aus einem Alkohol, einem Kohlenhydrat und einer Nitrilgruppe. Bei der enzymatischen Spaltung entsteht Cyanwasserstoff (Blausäure), welche in Blättern gespeichert wird und Fressfeinde fernhalten soll: Bei Tieren bewirkt Blausäure eine Blockierung der Zellatmung indem es an Cytochrom C bindet und so den Elektronentransport zum Erliegen bringt. Der Energiemetabolismus des Tieres kommt zum Erliegen.

1. Nein, benötigt kein Sauerstoff.
2. Ja, im Gegensatz zur Milchsäuregärung wird CO₂ freigesetzt.
3. In der Gärung selbst wird kein ATP gebildet, nur in der vorgelagerten Glycolyse (2 ATP).
4. Hauptzweck der Gärung ist die Regeneration von NADH + H⁺ zu NAD+. Dieses wird in der Glycolyse benötigt und muss in Gang gehalten werden.

1. Glykolyse: Glucose wird zu Pyruvat (Vorbereitung)
2. Citratzyklus (Pyruvat wird zu Energie (ATP) und CO₂)
3. Oxidative Phosphorylierung (Aus FADH₂ und NADH wird wieder ATP aufgebaut).

• Glykolyse: Ausserhalb der Mitochondrien im Cytoplasma wird Glucose zu Pyruvat und ATP umgesetzt. Dabei wird der Elektronentransporter NAD+ zu NADH beladen.
• Das Pyruvat gelangt in die Mitochondrien und in den Citratzyklus, der daraus ATP und CO₂ umsetzt und wiederum NADH sowie FADH₂ mit Elektronen belegt.
• Das in der Glykolyse und im Citratzyklus geladene FADH₂ und NADH wird schliesslich in der oxidativen Phosphorylierung dank des reaktiven Elektronenakzeptors O₂ wieder in Nutzbare Energie (ATP) umgesetzt.