Modul B6: Grundlagen des Lebens - Biochemie - Atmungskette - 27.10.2023 (PDF)

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S F U M E D Modul B6 Grundlagen des Lebens Biochemie Atmungskette Matthias Steiger 27.10.2023 11.10.24 1 S F U M E D Aufbau 1. Einführung 2. Kohlenhydrate 3. Proteine, Peptide, Aminosäuren 4. Enzyme 5. Wichtige Stoffwechselwege (Glykolyse, Citratzyklus…) 6. Atmungskette (Endoxidation) 7. Lipide 8. DNA/RNA 9. Hormone 10. Ernährung und Verdauung 11. Stoffwechsel der Organe 11.10.24 2 S F U M E D 4. Atmungskette 11.10.24 3 S F U M E D Atmungskette 5 Komplexe Komplex I: Oxidation von NADH e- Übertragung auf Ubiquinon -> Pumpen von H+ Komplex II: Ox. von FADH2 e- Übertragung auf Ubiquinon Komplex III: Ox. von Ubiquion e- Übertragung auf Cytochrom c -> Pumpen von H+ Komplex IV: Ox. von Cytochrom c e- Übertragung auf O2 -> Pumpen von H+ Komplex V: F0F1 ATP Synthase 11.10.24 4 S F U M E D Inhibierung der Atmungskette Blausäure (HCN) und seine Salze, die Cyanide (CN-), gehören zu den Hemmstoffen der A tmungskette. In den Mitochondrien der Zellen bindet sich CN- an das dreiwertige Eisen (Fe3+ ) der Cytochromoxidase. Die Atmungskette ist damit blockiert – und der Vergiftete erstickt innerlich. Erste Symptome treten wenige Minuten nach der Cyanideinnahme auf : Schleimhautirritationen, rosige Hautfarbe, dann Atemnot und Bewusstseinstrübung. 11.10.24 5 S F U M E D Atmungskette Komplex I: Oxidation von NADH e- Übertragung auf Ubiquinon -> Pumpen von H+ NADH-Dehydrogenase 11.10.24 6 S F U M E D Ubichinon/ FeS Ubichinon oder Coenzym Q ist aus einem Chinon und einer Isoprenseitenkette aufgebaut. Strukturell hat es Ähnlichkeit mit den fettlöslichen Vitaminen E und K. Wegen des lipophilen Charkters kann es sich frei in der inneren Mitochondrienmembran bewegen. FeS Cluster können durch die zwei möglichen Oxidationsstufen von Eisen, (+ 2 und + 3), Elektronen aufnehmen bzw. wieder abgeben. 11.10.24 7 S F U M E D Atmungskette Komplex II: Ox. von FADH2 Succinat Dehydrogenase e- Übertragung auf Ubiquinon 11.10.24 8 S F U M E D Atmungskette Komplex III: Ox. von Ubiquion e- Übertragung auf Cytochrom c -> Pumpen von H+ Cytochrom c- Reduktase 11.10.24 9 S F U M E D Atmungskette Komplex IV: Ox. von Cytochrom c e- Übertragung auf O2 -> Pumpen von H+ Cytochrom c- Oxidase Inhibierung durch: CO Cyanide 11.10.24 10 S F U M E D Atmungskette Komplex V: F0F1 ATP Synthase 11.10.24 11 S F U M E D Energetische Aspekte Cristae S F U M E D Energetische Aspekte ADP + Pi ⇌ ATP + H2O ΔG = + 37 kJ/mol (1mM, 298 K) ATP Synthese über thermodynamische Kopplung: 1. Substratkettenphosphorylierung -> siehe Glykolyse 2. Oxidative Phosphorylierung Atmungskette führt zum Aufbau eines Protonengradienten chemiosmotische Theorie, Peter Mitchell (1961) protonenmotorische Kraft Δp [V] aus elektro-chemischen Gradienten Δψ – elektrischer Gradient [V] S F U M E D Die Struktur der Christae ermöglicht eine Verstärkung des Protonengradienten. Mitochondrien Die Komplexe der Atmungskette erzeugen durch die Oxidation von NADH und FADH2 einen Protonengradienten, der von der ATP-Synthase (Komplex V) zur ATP Synthese verwendet wird. S F U M E D Die ATP-Synthase ist entscheidend für die mitochondrielle Struktur der Cristae. S F U M E D Die ATP-Synthase ist eine Nanomaschine, die durch Rotationskatalyse ATP produziert. Andere Bezeichnungen Komplex V F0F1 – ATPase F-typ ATPase mitochondriale ATPase S F U M E D ATP Synthase Antrieb durch protonenmotorische Kraft Rotationsbewegung in der inneren, mitochondriellen Membran, FO-Rotor Strukturänderung in der F1-ATPase führt zur Phosphorylierung des ADP ATP Synthase ist wesentlich für die Ausbildung der Cristae Strukturen S F U M E D http://www.k2.phys.waseda.ac.jp/F1movies/F1Prop.htm S F U M E D Elektronentransportkette 11.10.24 19 S F U M E D Energieausbeute 1 Mol Glucose bis zu 30 Mol ATP 11.10.24 20 S F U M E D Superoxidradikal und andere toxische Derivate des O2 Superoxid, Wasserstoffperoxid und andere daraus erzeugte Verbindungen wie das Hydroxylradikal (OH·) werden zusammen als reaktive Sauerstoffverbindungen ( reactive oxygen species, ROS) bezeichnet. Schutzenzyme Superoxid-Dismutase Katalase 11.10.24 21 S F U M E D Einfluss von reaktiven Sauerstoffspezies auf die Physiologie von Mitochondrien Biochem J Volume 417 Issue 1 2009 1-13 10.1042/BJ20081386 11.10.24 22 S F U M E D reaktive Sauerstoffspezies 11.10.24 23 S F U M E D ROS-Eustress/Distress 11.10.24 24 Redox Biology 11 (2017) 613–619 S F U M E D Feedback https://www.feedbackr.io Code: HCDGI 11.10.24 25