5. kohlenhydrate€¦ · → membrantransporterproteine, die für das jeweilige ion bzw. hydrophile...
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5. Kohlenhydrate
144
149
Zyklisierung: Aldosen
150
Zyklisierung: Ketosen
150
Zyklisierung: Ketosen
D-Glucose L-Glucose
L-GalactoseD-Galactose
Enantiomere
Enantiomere
Diastereomere Diastereomere
1
23
6. Lipide und Biomembranen
180
cytosolische Seite
extrazelluläre Seite
6.2. Strukturen und Eigenschaften von Biomembranen
Das “Fluid Mosaic Model” nach Singer und Nicolson (1972) steht mit allen bislang experimentell gemessenen
Eigenschaften von Biomembranen in Einklang
195
6.3. Transport von Ionen und kleinen hydrophilen Molekülen durch Biomembranen hindurch
Ionen und hydrophile Moleküle können gar nicht oder nur extrem langsam durch Biomembranen hindurchdiffundieren, da
der innere Bereich der Lipiddoppelschicht hydrophob ist.
→ Membrantransporterproteine, die für das jeweilige Ion bzw. hydrophile
Molekül spezifisch sind, katalysieren deren Durchtritt durch die Biomembran
unkatalysierte Diffusion
katalysierter Transport
200
Die katalysierte Diffusion eines Ions/hydrophilen Moleküls S1 durch Biomembranen entgegen eines
Konzentrationsgradienten benötigt Energie*
*genauere Betrachtung der Energetik erfolgt in VL BCII
→ Energie für Transport von S1 kann geliefert werden durch
a) ATP Hydrolyse
b) Transport eines Ions/Moleküls S2 entlang seines Kontzentrationsgradienten
ATP+
H2OADP
+H2PO4
-
202
7. Nukleinsäuren
204
7.2. Strukturen von RNA und DNA
Vergleich von chemischer Zusammensetzung und strukturellen Eigenschaften von RNA und DNA
RNA DNA
Nukleotide AMP, GMP, CMP,UMP dAMP, dGMP, dCMP, dTMP
Relative Häufigkeit der Basen
variiert A = T, C = G(Chargaff Regel)
Enden des Polymerstrangs 5‘-Phosphat und 3‘-OH 5‘-Phosphat und 3‘-OH
Anordnung desPolymerstrangs
einzelsträngig doppelsträngig
räumliche Struktur „Stamm und Schlaufe“ (Stem-loop)
Doppelhelix
207
Hyperchromischer Effekt: bei Temperaturerhöhung steigt die Absorption von DNA und RNA Lösungen bei 260 nm an
Schmelztemperatur Tm
= Temperatur, bei welcher der durch
Erhitzung erreichter Absorptionsanstieg
einer DNA Lösung 50% ihres maximalen Werts erreicht hat
→ Molekulare Ursache für den hyperchromischen Effekt:
- Denaturierung der DNA Doppelhelix → Bildung von einzelsträngiger DNA
- der Extinktionskoeffizient e260 der organischen Basen ist niedriger in doppelsträngiger DNA als in einzelsträngiger DNA
213
Denaturierung und Renaturierung von DNA
- Durch erhitzen denaturiert doppelsträngige DNA (nativ) zu einzelsträngiger DNA
- durch sehr langsames Abkühlen (< 1 K/min) kann die denaturierte DNA wieder in
native DNA überführt werden (Renaturierung)
- bei schnellem Abkühlen aggregieren die Einzelstränge unkontrolliert und es bilden
sich nur gelegentlich (Zufall!) und nur lokal kurze doppelsträngige Bereiche aus
214
8.
Grundlagen des Stoffwechsels
217
Oxidationszustände Organischer Verbindungen
Oxidationszustand
des Kohlenstoffs
niedrig
hoch
228
+3
-2 -2 +1
0
+1 -2 +1
0
0
0
-2+1+1
-?
229
8.4. NADH, NADPH und FADH2 als Elektronenwährung der Zelle
NADH, NADPH und FADH2 sind Nukleotide deren Reduktionspotentiale
(= Elektronenaffinität) eine Mittelstellung unter den Bimolekülen einnimmt
NADH, NADPH und FADH2 übertragen Elektronen auf Biomoleküle (Reduktionsmittel)
NAD+, NADP+ und FAD entziehen Biomolekülen Elektronen (Oxidationsmittel)
Allgemeine Redoxreaktionen:
NAD(P)H + X NAD(P)+ + X-H-
FADH2 + Z FAD + XH2
Übertragung von H- (Hydrid Anion = 2 Elektronen + 1 Proton)
Übertragung von 2 H
(zwei Wasserstoff Atome = 2 Elektronen + 2 Protonen)
NAD(P)H + Y + H+ NAD(P)+ + H-X-H
Übertragung von H- und H+
oder_
Standard Reduktionspotentiale einiger biologisch wichtiger
Verbindungen
234
Vergleich von Lipoamid und Glutathion
287
E0= -0.29V
E0= -0.23V
235
Berechnung der thermodynamischen Triebkraft von Redoxreaktionen
Aox + Bred Ared + Box
n e-
DG0’ = - n F (E0’ – E0’ )Aox/Ared Box/Bred
n: Anzahl der pro Reaktion ausgetauschten Elektronen
F: Faraday Kontante 96485 Cmol-1 (beachte: VC = J)
’: kennzeichnet, dass die Messung bei pH 7 (H+ =10-7 M)
durchgeführt wurde (biochemische Standardbedingungen)
235
Berechnung der thermodynamischen Triebkraft von Redoxreaktionen
Aox + Bred Ared + Box
n e-
DG0’ = - n F (E0’ – E0’ )Aox/Ared Box/Bred
n: Anzahl der pro Reaktion ausgetauschten Elektronen
F: Faraday Kontante 96485 Cmol-1 (beachte: VC = J)
’: kennzeichnet, dass die Messung bei pH 7 (H+ =10-7 M)
durchgeführt wurde (biochemische Standardbedingungen)
NAD+ + H2O NADH + H+ + ½O2
n e-
-1
-2
0
+1
9.
Abbau der Glukose zum Pyruvat
236
9.2.1. Einzelreaktionen der Glycolyse
239
Energiebilanz der Glycolyse-Reaktionen
Standardbedingungen:
Konzentration der
Reaktanden ist 1 M
berücksichtigt
zelluläre Konzentrationen
der Reaktanden (≠1 M)
269DG = DG0’ + RTln K
Verhältnis der Konzentrationen der Reaktanden im zellulären
Gleichgewicht
Reaktion 4: Aldolase
246
Reaktion 3: Phosphofructokinase (PFK)
245
249
▪ Zwischenbilanz der Glykolyse nach Ablauf der Schritte 1-5:
Energie: -2 ATP
Elektronen: ±0 NADH C-Atome in GAP auf gleicher Oxid.stufe wie Glucose
▪ Schritt 6: Glycerinaldehydphosphat Dehydrogenase (GAPDH) Reaktion
Oxidation der Aldehydgruppe mit gleichzeitiger Phosphorylierung der
entstandenen Carbonsäure → Bildung von NADH
→ Bildung eines energiereichen Phosphoanhydrids (ohne ATP Verbrauch!)
Warum ist es in der GAPDH Reaktion thermodynamisch möglich, dass
eine energiereiche Phosphorylverbindung entsteht?
Oxidation eines Aldehyds zur Carbonsäure mittels NAD+ liefert DG ≈ -50 kJ/mol
Die Bildung eines Phosphoanhydrids aus Carbonsäure und Phosphat benötigt DG ≈ +50 kJ/mol
→ die Oxidation liefert gerade genug Energie für die Phosphorylierung
Wie wird es mechanistisch ermöglicht Oxidation und Phosphorylierung zu koppeln? → siehe Folie 251
Reaktion 6: Glycerinaldehyd-3-phosphate Dehydrogenase
(GAPDH)
250
252
▪ Schritt 7: Phosphoglyceratkinase (PGK) Reaktion
Nutzung der energiereichen Phosphoanhydrid-Bindung zur ATP Synthese
▪ Zwischenbilanz der Glycolyse nach Ablauf der Schritte 1-7:
Energie: ± 0 ATP
Elektronen: + 2 NADH (pro Molekül Glucose)
C-Atome im 3PG sind auf der gleichen Oxid.stufe wie Pyruvat → die verbleibenden Schritte der
Glykolyse enthalten keine weitere Oxidation des C-Gerüsts
Die Phosphorylgruppe im 3PG ist nicht energiereich genug, um ADP zu phosphorylieren (Hydrolyse DG ≈ -10 kJ/mol).
→ Warum ist es trotzdem möglich, dass 2 ATP in der Glycolyse gewonnen werden?
▪ Schritt 8: Phosphoglycerat Mutase Reaktion
Verlagerung der Phosphorylgruppe auf das mittlere C-Atom, um Bildung des Phosphoenolpyruvats (enthält sehr
energiereiche Phosphorylgruppe!) vorzubereiten
Energiebilanz der Pyruvatkinase Reaktion
260
ATP-gekoppelte Reaktionen
Phosphorylierung von ADP
226
273
(i) Atmung: In Anwesenheit von O2 (aerob) gibt NADH seine Elektronen an die Atmungskette ab, die sie damit O2 zu H2O
reduziert. → hoher zusätzlicher Gewinn an ATP
(ii) Gärungen: In Abwesenheit von O2 (anaerob) überträgt NADH seine Elektronen auf Pyruvat oder Spaltprodukte von
Pyruvat. → kein zusätzlicher ATP Gewinn
10.2. Gärungen
Milchsäuregärung (homolaktische Fermentation):
findet z. B. in Milchsäurebakterien statt
Alkoholische Gärung
NADH muß reoxidiert werden, da mit NAD+ als Elektronenakzeptor für die Glykolyse zur Verfügung steht. Dafür gibt es
zwei prinzipiell unterschiedliche Wege:
Wenn die O2 Verfügbarkeit limitiert ist (z. B. in schnell in wachsende Krebszellen, in hochaktiven Muskeln) kann “aerobe
Glycolyse” stattfinden, bei der Pyruvat zu Lactat unter NADH Verbtrauch reduziert wird (katalysiert durch Lactat-DH). Da
Glykolyse und Lactat-DH Reaktion sehr schnell ablaufen wird so eine extrem rasche Gewinnung von ATP ermöglicht.
10.3. Aerober Pyruvatabbau
Bei ausreichender O2 Verfügbarkeit wird Pyruvat durch den Pyruvat Dehydro-genase (PDH) Komplex zu Acetyl-CoA oxidiert,
wobei pro Molekül Pyruvat ein Molekül NADH gebildet wird:
▪ die Reaktion benötigt drei verschiedene Enzyme (Pyruvat Dehydrogenase, Dihydrolipoyl Transacetylase, Dihydrolipoyl
Dehydrogenase) und drei Co- Faktoren (TPP, Lipoamid, FAD)
▪ die drei Enzyme sind nicht-kovalent miteinander assoziiert (Quartärstruktur), wobei jedes Enzym in mehrfacher
Kopienzahl vorhanden ist
Acetyl-CoAPyruvat Coenzym A (CoA)
281
11. Citrat Zyklus
290
292
11.1. Einzelreaktionen des Citrat Zyklus
Der Citrat Zyklus als Stoffwechseldrehscheibe
301
Rote Pfeile: anaplerotische Reaktionen
302
Werden Intermediate des Citrat Zyklus in anderenStoffwechselwegen verbraucht, müssen diese (oder andere
Intermediate des Citrat Zyklus) durch andere Stoffwechselreaktionen nachgeliefert werden, damit der Citrat Zyklus nicht zum
erliegen kommt. Diese bezeichnet man als anaplerotische (= auffüllende) Reaktionen.
▪ Die wichtigsten anaplerotischen Reaktionen für den Citrat Zyklus: