Stoffwechsel und ATP-Synthese

### Der Stoffwechsel

• Der Stoffwechsel ist die Gesamtheit aller chemischen Reaktionen in einem lebenden Organismus
• Er gliedert sich in zwei Haupttypen: Katabolismus (Abbau) und Anabolismus (Aufbau)

### Der Katabolismus (Abbau)

• Der Katabolismus dient dem Abbau von Stoffen zur Energiegewinnung
• Nährstoffe (Fette, Kohlenhydrate, Proteine) werden im Katabolismus zu Acetyl-CoA abgebaut
• Der Prozess findet in der Zelle schrittweise durch Oxidation statt

### Die Mitochondriale Atmungskette

• Die mitochondriale Atmungskette ist ein wichtiger Bestandteil des Katabolismus
• In der Atmungskette werden Elektronen des Wasserstoffes (H+) über mehrere Schritte auf Sauerstoff (O2) übertragen
• Dabei wird Energie freigesetzt, die in Form von ATP gespeichert wird
• ATP ist ein Nukleotid, das energiereiche Phosphorsäureanhydridbindungen enthält

### Die ATP-Synthese

• Die ATP-Synthase ist ein Enzym, das die Gewinnung von ATP aus dem Protonengradienten ermöglicht
• Sie besteht aus zwei Hauptteilen: FO-Teil (Rotor) und F1-Teil
• Der FO-Teil rotiert durch den Protonenfluss, wodurch eine Konformationsänderung im F1-Teil stattfindet
• Diese Konformationsänderung führt zur ATP-Synthese

### Die Redox-Coenzyme NAD+ und FAD

• NAD+ (Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid) und FAD (Flavin-Adenin-Dinucleotid) sind Redox-Coenzyme, die Elektronen und Wasserstoffionen (H+) aufnehmen
• Sie spielen eine wichtige Rolle bei der oxidativen Phosphorylierung
• NAD+ wird zu NADH und FAD wird zu FADH2 reduziert

### Die Atmungskettenkomplexe

• Die Atmungskettenkomplexe I-IV sind an der Elektronentransportkette beteiligt
• Ubichinon (UQ) und Cytochrom C sind wichtige Komponenten der Atmungskette
• Der Elektronenfluss durch die Atmungskette sorgt für den Protonentransport über die Membran
• Komplex IV (Cytochrom-oxidase) überträgt die Elektronen schließlich auf Sauerstoff (O2)

### Die Energiebilanz der Atmungskette

• NADH führt zum Export von 10 H+ in der Atmungskette
• FADH2 führt zum Export von 6 H+ in der Atmungskette
• Je mehr Protonen exportiert werden, desto mehr ATP kann die ATP-Synthase generieren

### ATP-Verwertung

• Die Energie des ATP kann genutzt werden, um die Gamma-Phosphorylgruppe des ATP auf einen Akzeptor zum Beispiel auf Metabolite oder Proteine zu übertragen
• Die Hydrolyse von an Protein gebundenem ATP führt zu Konformationsänderungen in Proteinen

### Der Anabolismus (Aufbau)

• Der Anabolismus ist die Gesamtheit aller biochemischen Reaktionen, die zum Aufbau von Stoffen führen
• Dazu gehört die Synthese von körpereigenen Energiespeichern (z.B. Glykogen) und Körpersubstanz
• Die Energie für den Anabolismus wird durch den Katabolismus gewonnen

Chemische Reaktionen im Stoffwechsel

• Chemische Reaktionen im Stoffwechsel dienen dem Abbau von Stoffen zur Energieerzeugung oder dem Aufbau von körpereigenen Energiespeichern und Körpersubstanz.

Katabolismus (abbauender Stoffwechsel)

• Bei der Energiegewinnung im Katabolismus werden Nährstoffe (Fette, Kohlenhydrate, Proteine) genutzt.
• Die Nährstoffe werden zu Acetyl-CoA abgebaut, einem gemeinsamen Metaboliten.
• Im Citratzyklus wird das Acetyl-CoA weiter abgebaut und dabei Energie freigesetzt.
• Die Energie wird mithilfe von Redoxcozymen, wie NAD+ und FAD, gespeichert.
• Diese Redoxcozymen nehmen Elektronen (Wasserstoffionen) während des Stoffwechsels auf.

Anabolismus

• Der Anabolismus ist der aufbauende Stoffwechsel.

ATP (Adenosintriphosphat)

• ATP ist ein Nukleotid, das als universeller Energiespeicher in der Zelle dient.
• ATP enthält energiereiche Phosphorsäureanhydridbindungen.
• Die Energiefreisetzung bei der Hydrolyse von ATP wird für verschiedene zelluläre Prozesse genutzt.

Mitochondriale Atmungskette

• Die mitochondriale Atmungskette ist ein wichtiger Teil des Stoffwechsels, der die oxidative Phosphorylierung ermöglicht.
• Die Elektronen des Wasserstoffs werden über mehrere Schritte auf den Sauerstoff übertragen.
• Diese Elektronenübertragung erzeugt einen Protonengradienten über die Mitochondrienmembran.
• Der Protonengradient treibt die ATP-Synthase an, die ATP aus ADP und Phosphat synthetisiert.
• Die mitochondriale Atmungskette ist die wichtigste Energiequelle im Körper für die ATP-Produktion.

NAD+ und FAD

• NAD+ und FAD sind Redoxcozymen, die Elektronen/H+ im Stoffwechsel akzeptieren.
• NAD+ wird reduziert zu NADH.
• FAD wird reduziert zu FADH2.

Atmungskettenkomplexe

• Die Atmungskettenkomplexe I-IV sind an der Elektronenübertragung in der Atmungskette beteiligt.
• Ubichinon (UQ) und Cytochrom C sind ebenfalls wichtige Komponenten der Atmungskette.

ATP-Synthase

• Die ATP-Synthase ist ein Enzym, das die Synthese von ATP aus ADP und Phosphat katalysiert.
• Die ATP-Synthase besteht aus dem F0-Teil (Rotor) und dem F1-Teil.
• Der F0-Teil ist in die Mitochondrienmembran eingebettet.
• Der F1-Teil enthält die katalytischen Zentren für die ATP-Synthese.
• Der Protonengradient bewirkt die Drehung des Rotors, wodurch die ATP-Synthese angetrieben wird.

Energistoffwechsel: Übersicht

• Der Abbau der Nährstoffe zu Monomeren ist der erste Schritt des Energiestaffwechsels.
• Die Monomere werden dann zu Acetyl-CoA abgebaut.
• Im Citratzyklus wird Acetyl-CoA zu CO2 oxidiert und Elektronen werden auf NAD+ und FAD übertragen.
• Die Redoxcozymen NADH und FADH2 liefern Elektronen für die Atmungskette, die die oxidative Phosphorylierung antreibt.
• Die Energie des ATP wird für die unterschiedlichsten Prozesse in der Zelle genutzt.

### Chemische Reaktionen im Körper

• Chemische Reaktionen dienen dem Abbau von Stoffen zur Energieerzeugung oder den Aufbau von Stoffen.
• Katabolismus (abbauender Stoffwechsel): Nährstoffe + Sauerstoff -> Stoffwechselendprodukte
• Anabolismus (aufbauender Stoffwechsel): Aufbau von körpereigenen Energiespeichern und Körpersubstanz.

### Atmungskette

• Die Atmungskette ist ein komplexer Prozess, in dem Elektronen von Wasserstoffatomen schrittweise auf Sauerstoff übertragen werden.
• Diese schrittweise Oxidation in der Zelle erzeugt Energie, die in Form von ATP gespeichert wird.
• ATP ist ein Nukleotid, das energiereiche Phosphorsäureanhydridbindungen enthält.
• Die Energiefreisetzung bei Hydrolyse bei ATP ist verantwortlich für die meisten zellulären Prozesse.

#### Schritte der Atmungskette

• Nährstoffe (Fette, Kohlenhydrate, Proteine) werden zu Acetyl-CoA abgebaut.
• Acetyl-CoA wird im Citrat-Zyklus verwendet.
• Im Citratzyklus nehmen NAD+ und FAD in vielen Schritten Elektronen (Wasserstoff H+) auf.
• Diese Reduktionsäquivalente werden in die Atmungskette der Mitochondrien übertragen.
• In den Komplexen der Atmungskette entsteht ein Elektronenfluss, der Energie freisetzt.
• Die Energie wird benutzt, um ein Protonen-Gradienten zu erzeugen.
• Protonen fließen dem Gradienten entlang wieder in die Mitochondrien rein und passieren dabei die ATP-Synthase.
• Stärkste ATP Generierung im Körper!

#### Redox-Coenzyme

• NAD+ = Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid (aus Vitaminvorstufe; Niacin) wird reduziert (Aufnahme von H- und 2e-).
• *NAD+ + 2e- + H+ + H+ -> NADH + H+
• FAD = Flavin-Adenin-Dinucleotid.
• Redox-Coenzyme (NAD+ und FAD) akzeptieren Elektronen/H.

#### Komponenten der Atmungskette

• Atmungskettenkomplexen I-IV
• Ubichinon (UQ)
• Cytochrom C

### ATP-Synthase

• Der Elektronenfluss durch die Atmungskette sorgt für Protonentransport über die Membran.
• Elektronen werden schlussendlich durch Komplex IV (Cytochrom-oxidase) auf O2 übertragen.
• NADH schleust 2 e- in die Atmungskette ein und führt zum Export von 10 H+.
• FADH2 schleust 2 e- in die Atmungskette ein und führt zum Export von 6 H+.
• Die ATP-Synthase besteht aus vier Teilen:
  • membranverankerte FO-Teil (Rotor)
  • Stiel: verbindet F1 und FO-Teil
  • F1 Tel: drei gleichartig gebaute katalytische Zentren aus jeweils einer alpha und beta-Untereinheit
  • Stator: verhindert die Drehung des F1-Teils
• Protonen fließen in die Matrix zurück und bringen den Rotor in Drehung.
• Rotor überträgt Drehung auf gamma-Untereinheit.
• Dadurch kommt es zu Konformationsänderung in den katalytischen Zentren.
• Dies führt zur ATP Synthese.

### Energiestaffwechsel: Übersicht

• Abbau der Nährstoffe/körpereigene Speicher zu Monomeren
• Abbau der Monomere zum zentralen Metaboliten Acetyl-CoA (C2-Körper)
• Citratzyklus: Oxidation des Acetyl-CoA zu 2 CO2
• Übertragung von Wasserstoff auf die Coenzyme NAD+ und FAD -> Bereitstellung von NADH/H+ und FADH2
• Oxidative Phosphorylierung:

#### ATP-Verbrauch

• ATP wird für viele zelluläre Prozesse verwendet:
  • Übertragung auf einen Akzeptor: Energie des ATP wird genutzt, um die gamma- Phosphorylgruppe des ATP auf einen Akzeptor zu übertragen (z.B. auf Metabolite oder Proteine) z.B. Hexokinase: ATP + Glucose -> ADP + G6P
  • Spaltung einer energiereichen Anhydridbindung
  • Hydrolyse von an Protein gebundenem ATP -> Konformationsänderung von Proteinen.