VO5-Stoffwechsel - Stoffwechsel Biologie - PDF

**STOFFWECHSEL** **[Allgemeines zur Energiegewinnung:]** - **Stoffwechsel=Metabolismus**: Die Gesamtheit der chemischen Umwandlungen, die in einer lebenden Zelle oder einem Organismus ablaufen - Unterteilung in 2 Untertypen: Katabolismus und Anabolismus - **Metabolite:** am Stoffwe...

**STOFFWECHSEL** **[Allgemeines zur Energiegewinnung:]** - **Stoffwechsel=Metabolismus**: Die Gesamtheit der chemischen Umwandlungen, die in einer lebenden Zelle oder einem Organismus ablaufen - Unterteilung in 2 Untertypen: Katabolismus und Anabolismus - **Metabolite:** am Stoffwechsel beteiligten chemischen Verbindungen - **Stoffwechselwege:** eine Reihe von enzymkatalysierten Reaktionen über die der geordnete Ablauf chemischer Reaktionen erfolgt - **Intermediärstoffwechsel:** Wege, die dem Auf-, Ab- und Umbau wichtiger Metabolite sowie der Energiekonservierung dienen Kreislauf - Bakterien haben aufgrund ihrer Stoffwechselvielfalt eine enorme Anpassungsfähigkeit an ihre Umwelt 1. **Produzenten** (Pflanzen): wandeln Lichtenergie in chemische Energie um wodurch Biomasse aufgebaut wird -\> liefern O2 und Nahrung an Konsumenten 2. **Konsumenten** (**Pflanzenfresser**, phytophag): benutzen Pflanzen als Nahrung -\> liefern Nahrung an zoophage Konsumenten & Destruenten 3. **Konsumenten** (**Fleischfresser**, zoophag): benutzen Nahrung der Pflanzenfresser -\> liefern Nahrung (Tierkadaver/Kot) an Destruenten 4. **Destruenten** (Mikroorganismen): wandelt Pflanzenreste und Tierreste in niedermolekulare Nährstoffe um -\> liefert Nährstoffe und CO2 an Produzenten Mikroorganismen: - Nährstoffe für heterotrophe Mikroorganismen: Kohlenstoffquelle, Stickstoffquelle - Unterteilung in verschiedene Ernährungstypen -\> woher nehmen sie Energie? - Unterscheidung anhand: - Energiequelle: Aufbau ATP - Elektronendonator: Durchführung von Reaktionen im Stoffwechsel - Kohlenstoffquelle: Aufbau von Biomasse **1. Energiequelle:** - Phototrophe Bakterien: Lichtenergie - Chemotrophe Bakterien: Energie aus chemischen Reaktionen (Oxidations-Reduktions-Reaktionen) **2. Elektronendonator/Elektronenquelle** - Organotrophe Bakterien: Elektronen stammen aus organischen Verbindungen - Lithotrophe Bakterien: Elektronen stammen aus anorganischen Verbindungen - **phototroph:** - photo-litotroph (grüne Pflanzen, Cyanobakterien, Schwefelpurpurbakterien) - photo-organotroph (Purpurbakterien - **chemotroph:** - chemo-litotroph (Ammoniumoxidierer, Nitrobacter) - chemo-organotroph (Gärungen, Anaerobe und Aerobe Atmung= **3. Kohlenstoffquelle/C-Quelle:** - **Heterotroph**e Bakterien beziehen Kohlenstoff aus organischen Verbindungen häufig aus der Umgebung (Aminosäuren, Fettsäuren, organische Säuren, Zucker) - **Autotroph**e Bakterien beziehen Kohlenstoff aus Kohlendioxid (CO2) -\> Energie zum Aufbau von Zucker durch Licht oder anorganische Stoffe -\> Photosynthese betreibende Bakterien: chemische Speicherung von Lichtenergie **4. Stickstoffquelle:** - wichtiger Bestandteil in Proteinen (DNA/RNA) - kann in organischen und anorganischen Verbindungen vorkommen: -\> Proteine, Nukleotide, Ammoniak, Nitrat Stickstoffkreislauf: Atmosphhärischer Stickstoff kann über 3 Wege: aufgenommen werden 1. Rhizobien (Knöllchenbakterien) können elementaren/molekularen Stickstoff binden und ihn zu Ammoniak/Ammonium reduzieren -\> biologische Verfügbarkeit 2. Stickstofffixierende Bodenbakterien (Pflanzen) können Luftstickstoff reduzieren und ihn als Ammonium bereitstellen -\> bei den ersten beiden Wegen wird Ammonium durch Nitrifizierung zu Nitrit und dann durch nitrifizierende Bakterien zu Nitrat und dann durch dentrifizierende Bakterien wieder zu Luftstickstoff 3. Urease (Enzym) positive Organismen können Harnstoff (von Tieren/Dünger) in Ammoniak/Ammonium umsetzten, welcher von Nitrosomonas zu Nitrit und dann von Nitrobacter zu Nitrat umgewandelt werden kann -\> Denitrifizierende Bakterien können das Endprodukt Nitrat anschließend wieder in Luftstickstoff umwandeln Stoffwechseltypen: - Photoorganoheterotroph - Photolitoautotroph - Chemoorganoheterotroph - Chemolithoheterotroph - Chemolithoautotroph -\> Anhand der Energiequelle, Elektronenquellen und Kohlestoffquellen einteilbar **[1. Katabolismus:]** - =Stoffabbau - Stoffwechselwege zum Abbau organischer Verbindungen im Energiestoffwechsel chemoorganotropher Organismen - Abbaureaktion-\> Abbau energiereicher hochmolekularer Verbindungen - Reaktion läuft **exergonisch** ab -\> Energie wird gewonnen -\> Festlegung freiwerdende Energie in energiereiches Molekül meist ATP (=Adenosintriphosphat) - Bsp.: Zellatmung **[2. Anabolismus]** - =Stoffaufbau - Stoffwechselwege zum Aufbau von Zellmaterial in allen Organismen - Aufbaureaktion/Biosynthese -\> Synthese hochmolekularer Verbindungen aus einfach gebauten Molekülen - Reaktion läuft **endergonisch** ab -\> Energie wird verbraucht -\> Abbau ATP - Bsp.: Synthese von Proteinen aus Aminosäuren, Stärke aus Glucose Energiekopplung: energetischer Zusammenhang zwischen anabolen und katabolen Stoffwechselreaktionen **Bioenergetik**: - befasst sich mit Energieumwandlungen in lebendigen Organismen - Definition von Energie: Fähigkeit, Arbeit zu verrichten - Einheit von Energie ist Joule \[J\] - Bakterien müssen Energie konservieren **Gibbs-Helmholtz-Gleichung:** - ∆G = ∆H - T ∗ ∆S - ∆G \< O -\> Reaktion läuft spontan ab - bei chemischen Reaktionen -\> Teil der Energie geht als Wärmeenergie verloren - **freie Energie**= Energie die nötig ist um ein System zu generieren, das bei definierter Temperatur im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung steht **Bioenergetische Grundlagen:** - **Exergone Reaktion:** **spontan**e Reaktion verbunden mit der Abnahme von freier Energie -\> ∆G \< 0 - **Endergone Reaktion:** läuft nur ab, wenn von außen freie **Energie zugeführt** wird -\> ∆G \> O -\> **Prinzip von der Erhaltung der Energie** **[Enzyme]** - =Proteine - katalysieren biochemische Reaktionen -\> kein spontaner Ablauf möglich, Ausgangssubstanz muss erst aktiviert werden, dann folgt spontane Reaktion ! - benötigen keine erhöhten Temperaturen bzw. hohe Drücke wie chemische Katalysatoren - Enzyme setzten die Aktivierungsenergie der biochemischen Reaktion runter -\> Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit - im Zentrum eine spezifische Konformation -\> wirken häufig sehr spezifisch - Bsp.: Substrat durch Enzym das Proteine spaltet (Proteasen) in 2 Spaltprodukte und unverändertes Enzym. Dadurch das Substrat vom Enzym gebunden wird, nimmt es einen energetisch ungünstigen Übergangszustand (ÜZ) ein, weshalb man Aktivierungsenergie zufügen muss, damit ÜZ bleibt. Dann setzt katalytische Wirkung des Enzyms an, denn durch Bindung an das Enzym wird ÜZ so stabilisiert, dass weniger Energie benötigt wird um Substrat in den Zustand zu bringen. Enzymklassen: 1. Oxidoreduktase: katalysieren Redoxreaktionen 2. Transferasen: katalysieren intermolekulare Gruppenübertragung 3. Hydrolasen katalysieren hydrolytische Spaltungen 4. Lyasen: nicht-hydrolytische Spaltungen häufig unter Bildung von Doppelbindungen 5. Isomerasen: Isomerisierungsreaktionen 6. Ligasen: Verknüpfung zweier Moleküle unter ATP Verbrauch Verwendung: - Proteasen: Hyrdolyse von Proteinen -\> Waschmittelzusätze - Amylase: Hydrolyse von Stärke zu Dextrin/Maltrose -\> Textilindustier, Backhilfe - Katalase: Zersetzung von H2O2 -\> Konservierung von Nahrungsmitteln - Lipase: Fettspaltung -\> Käsereifung - Laktase: Spaltung von Lactose in Glucose/Galaktose -\> Diätmilch **[Redoxreaktionen]** - = gekoppelte Oxidationen und Reduktionen - wichtiger Mechanismus der Energiespeicherung - ein Stoff (A) wird oxidiert, ein zweiter (B) wird durch die Aufnahme von Elektronen reduziert - ein Elektron von A wird auf B übertragen: - B= Elektronenakzeptor/Oxidationsmittel - A= Elektronendonator/Reduktionsmittel - Elektronenüberträger: beteiligt am Transfer von Elektronen - prosthetische Gruppen kovalent an Enzymen: FAD+/FADH2 - Co-Enzyme in katabolischen Reaktionen: NAD+/NADH - Co-Enzyme in anabolischen Reaktionen: NADP+/NADPH - Coenzym Nicotinadenindinucleotid (NAD) kann oxidieren, NADH reduzieren **Elektronenübertragungsreaktion:** Bsp. Knallgasreaktion Bsp: NAD/NADH - NAD (Coenzym) kann oxidieren, NADH reduzieren - NAD+ kann ein Wasserstoffatom locker binden und bei Bedarf wieder abgeben - NAD+ ist die oxidierte Form und nimmt 2 Elektronen und 1 Proton auf -\> NADH - NADH kann ein zusätzlliches Proton anlagern und wird dann zum NADH/H+-Ion - NADH= reduzierte Form des Coenzyms - -\> Können Elektronen & Protonen transportieren  **[Biochemischer Energiespeicher]** - = speichert freigewordene Energie (z.B.: nach Redoxreaktion) in der Zelle - ATP, Coenzym A (Acetyl-CoA) - ATP= generelle Energieeinheit des Stoffwechsels - Energie notwendig für Aufrechterhaltung von Ionengradienten, Synthese von Proteinen und Nukleinsäuren, Durchführung energetisch ungünstiger Reaktionen - Energie kann durch Hydrolyse (Spaltung unter Wasseraufnahme) des ATP und ADP und Phosphat freigesetzt werden - Struktureller Aufbau von ATP: 3 Phosphatgruppen (α,β,γ)an Ribose angehängt -\> Abspaltung des α- & β-Phosphats haben hohen Energiewert **ATP/ADP System:** - **Ablauf:** ATP wird unter Wasserspaltung zu ADP (Adenindephosphat) (γ-Phosphat wird abgespalten) und einem freien Phosphat -\> Freisetzung des Energiebetrag -32kJ/mol - es werden nur 30-40% der freiwerdenden Energie konserviert (Rest=Reibungsverlust) -\> Konservierung der Energie durch Ungleichgewicht auf Seite von ATP - Exotherme Reaktion treibt endotherme Reaktion an: Hydrolyse von ATP - Grund: chemische Bindungen zwischen zwischen 3 Phosphatgruppen sehr energiehaltig -\> Spaltung führt zu Freisetzung eines hohen Energiebedarfs - **Hexokinase**= Enzym das kinasieren/phosphorylieren kann - Bsp. Hexokinase: ATP wird gespalten und das γ-Phosphat wird auf Glucose übertragen -\> Glucose+ATP-\>Glucose-6-P+ADP - ATP als Carrier einer Phosphatgruppe: es entstehen neue Moleküle, die aus ihren Bestandteilen alleine nicht entstehen können **[Biophysikalische Energiespeicher]** - Konzentrationsgradienten und Membranpotentiale - chemische Potentialdifferenz: aufgrund ungleicher Verteilung einer ungeladenen Verbindung in zwei Kompartimenten - elektrische Potentialdifferenz: aufgrund ungleicher Verteilung von Ladungen in zwei Kompartimenten, Membranpotential - elektrochemische Potentialdifferenz/ Protonenmotorische Kraft: ungleiche Verteilung von Ionen (Protonen) an Membranen (pmf: proton motive force) **Unterschied der Biophysikalischer Energiespeicher:** Potentialdifferenz - Chemisches Potential: Moleküle haben Bestreben durch Membran auf Seite zu diffundieren wo wenig Moleküle -\> Differenz der Molekülanzahl (=Ionendifferenz) - Elektrisches Potential: geladene Teilchen wollen zu negativ geladener Seite um Ausgleich zu schaffen -\> Ladungsdifferenz (=Spannung) **[Transport über die Membran]** - Primärer Transport: an eine chemische Reaktion gekoppelter Transport - Bsp.: Protonenpumpe -\> pumpt Protonen gegen das Konzentrationsgefälle und gegen das elektrische Feld -\> Energie für Protonentransport stammt aus der ATP-Hydrolyse - Moleküle der Protonenpumpe kann man funktionell umdrehen um ATP synthetisieren zu können -\> Protonenpumpe wirkt als ATP-**Synthetase** - **ATP-Synthese** wird durch Verbrauch der protonenmotorischen Kraft angetrieben - Gefälle der Protonen wird über die Membran ausgenutzt -\> Protonen wollen über Membran wandern um Ausgleich zu schaffen - Reaktion: ADP+Phosphat -\> ATP + Wasser - Aufbau: F=0 (Protonenkanal in Membran verankert) & F=1 (katalytischer Komplex) **[Chemoorganotrophie]** -\> zentrale Abbauwege zur Oxidation organischer Verbindungen für Energiegewinnung - Abbau von Kohlenhydraten über Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette in CO2 und Wasser unter der Bildung von ATP - Kohlenstoffverbindungen in vom von Zuckern/Polysaccharid, Speicherung in Stärke/Glykogen (Bakterien) - Glykogen: 2 Verknüpfungen -\> Verzweigung des Makromoleküls Glycolyse: - = ersten Schritte aus Glucose Energie zu gewinnen - bei Eukaryoten und vielen Prokaryoten - 2 Wege: Embden-Meyerhof-Parnas-Weg (EMP) & Fructose-diphosphat-Weg (FDP) - Oxidation von Glucose - Abbau von Glucose zu Pyruvat (Endprodukt) unter Energiegewinnung - Andere Kohlenstoffquellen für Energiegewinnung außer Glucose: Galactose (Muttermilch) Fructose (Früchte) - **Substratkettenphosphorylierung:** Phosphatrest wird von phosphorylierten Zwischenprodukten auf ATP/GTP übertragen -\> Entstehung ATP/GTP Ablauf: **Schritt 1:** Aktivierung von Glucose durch ATP (Verbrauch von **2 ATP**) Katalysator-Enzym Hexokinase oder Glucokinase phosphoryliert das Glucose Molekül, dabei wird das Gamma Phosphat des ATPs auf das C6 übertragen -\> Gleichgewichtsreaktion: Aus α-D-Glucose-6-Phosphat wird α-D-Fructose-6-Phosphat. Dies wird nocheinmal phosphoryliert, Phosphorfructokinase übetreägt weiters Phosphat auf das C1 des Moleküls -\> β-D-Fructose-6-Phosphat wird zu **β-D-Fructose-1.6-Phosphat** **Schritt 2:** Schlüsselreaktion: Spaltung von C6-\> 2 C3 α-D-Glucose-1.6-Biphosphat wird durch Enzym Aldolase in **D-Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat** -\> Aus einem Molekül mit 6 Kohlenstoffatome wurden 2 Moleküle mit 3 C-Atomen -\> Gleichgewichtsreaktion wird durch Enzym Triosephosphatisomerase katalysiert. **Schritt 3:** Dehydrogenierung des D-Glycerinaldehyd-3-Phosphats unter Reduktion von NAD+ und Energiegewinnung durch Substratkettenphophorlyierung. Aus D-Glycerinaldehyd-3-Phosphat wird **D-3-Phosphoglycerat** durch Enzym Phosphoglyceratkinase **Schritt 4:** Substrattkettenphosphorlyierung unter Energiebildung, Phophoenolpyruvat ist eine energiereiche Verbindung -\> Bildung von Pyruvat **Abbauwege des Pyruvat\'s:** - **anaerob** (unter Sauerstoffausschluss): Pyruvate-\> Lactat/Ethanol - **aerob** (unter Sauerstoffzufuhr): Pyruvate -\> Acetyl CoenzymA **Oxidation des Pyruvats: Oxidative Dekarboxylierung** - Pyruvat wird Oxidiert und CO2 abgespalten/dekarboxiliert -\> es entsteht NADH/H+ und als Endprodukt Acetyl-Coenzym A als sehr energiereiche Verbindung - Katalysator= Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex (Multi-Enzymkomplex im Cytoplasma) - Reaktion verbindet die Glykolyse mit dem Citratzyklus **Überblick:** Glykogen wird in Glucose Bausteine zerlegt und durch Glykolyse zu Pyruvat abgebaut wird. In der oxidativen Dekarboxylierung entsteht dann Acetly-Coenzym A. Diese Verbindung wird in den Citronensäurezyklus geschleust um noch mehr ATPs und NADH/H+ zu produzieren. Polysaccharide -\> Hexosen/Pentosen -\> Pyruvat -\> Acetly-CoA -\> Tricarbonsäurezyklus **[Citratzyklus]** - Abbau der Acetylgruppe des Acetly-CoA zu CO2 und Wasser - im Cytoplasma der Prokaryoten lokalisiert - liefert wichtige Vorstufen für den Baustoffwechsel (Aminosäuren) - vollständige Oxidation der Acetylgruppe entstanden durch die Pyruvat-DH - C4 Verbindung= Akzeptor der Acetyl-Gruppe, freigesetztes 2CO2= regenerierter Akzeptor - Übertragung der Reduktionsäquivalente (=1 Mol Elektron bei RedoxR.) auf NAD(P)+ - Substratstufenphosphorylierung liefert Energie (GTP-Synthese) - Endprodukt: Citronensäure-\> Oxalacetat-\> Resynthese -\> Citronensäure **Hauptaufgabe** ist das Erzeugen vieler H-beladenen Coenzyme, die anschließend ihre H-Atome in der **aeroben Atmungskette** unter großem Energiegewinn (3ATP je NADH/H+ und 2ATP pro FADH2) auf O2 übertragen werden. **Bilanzen:** Bilanz der Glucose-Oxidation: Bilanz von Glycolyse bis Citrat-Zyklus:  Bilanz vollständige Oxidation von Glucose:  -\> Es entstehen **34 ATP** -\> = 1162,8 KJ/Mol **[Atmung]** - Atmende chemoorganotrophe Mikroorganismen übertragen die bei der Oxidation organischer Verbindungen anfallenden Elektronen auf einen externen Elektronenakzeptor - Sauerstoff dient als **finaler Elektronenakzeptor** - Unter Aufbau der **protonenmotorischen Kraft (pmf)** werden Elektronen weitergegeben - Aufgabe: \"Energetisierung\" der Zytoplasmamembran & **ATP Synthese** -\> ATP-Synthese wird durch Verbrauch der pmf angetrieben! Aerobe Atmung: - Atmung findet an der inneren Membran statt - größte ATPAusbeute liefert Atmungskette mithilfe der gebildeten Reduktionsäquivalente - 10 NADH/H+ und 2 FADH2 zur Verfügung -\> Transport der Elektronen durch 4 Komplexe: - Komplex I: NADH Dehydrogenase, pumpt Protonen - Komplex II: Succinatdehydrogenase - Komplex III: Cytochrom-bc1 Komplex, pumpt Protonen - Komplex IV: Cytochromoxidase, pumpt Protonen - 4 hintereinader geschaltenen Komplexe haben unterschiedliches Redoxpotential - Redoxpotential= Bestreben von Verbindungen e- abzugeben, je niedriger das Potential desto höher das Bestreben - Redoxpotential der Komplexe steigend -\> Transport der Elektronen möglich -\> freiwerdende Energie kann für Protonentransport über Membran genutzt werden -\> beim letzten Enzym werden Elektronen auf Sauerstoffatome übergeben die dann mit Protonen zu Wasser reagieren - Bsp.: Knallgasreaktion, Redoxpotential durch Elektronenfluss positiv, hohes Bestreben e- abzugeben -\> Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser -\> viel Energie! - kein gasförmiger Wasserstoff in Zelle -\> Speicherung von Wasserstoff durch Coenzyme NAD, NADP, FAD als Proton - Reaktion der Coenzyme: NADH/H+ und und Sauerstoff werden zu Wasser und NAD+ -\> Übertragung von 2e und 2p von NADH/H+ auf Sauerstoff (stark exotherm!!) - Elektronentransportkette: Elektronenübertragung von einem Komplex auf den anderen -\> notwendig da Zelle explodieren würde, wenn exotherme Reaktion in nur 1 Schritt! - Komplex I, III & IV: Protonen werden über innere Membran transloziert -\> Im Intermembranraum hohe Wasserstoffkonzentration -\> **osmotisches Potential** - Wasserstoff Ionen fließen durch membrangebundene ATP Synthetase über Membran zurück -\> Durchflussenergie wird genutzt um einen Phosphatrest an ADP zu binden wobei ATP entsteht - Oxidation von NADH=Reduktion von Sauerstoff ist über elektrochemische Membranspannung mit der ATP-Synthese verbunden - Aufgabe der energiefreisetzenden Redoxreaktion: Pumpen der Protonen gegen ein Konzentrationsgefälle über eine Membran - Wasserstoffatome, von den protonenpumpenden Komplexen transportiert, werden über ATP-Synthase zurücktransportiert - Fluss der Protonen durch das Enzym wird zur Synthese von ATP ausgenutzt Atmungskette liefert 34 ATP = 1162.8 KJ/Mol Gärung: - anaerobe Bedingungen: Sauerstoff als Elektronenakzeptor fehlt - Oxidation von organischen Verbindungen - Zwischenprodukte= Elektronenakzeptoren -\> Bildung reduzierter Gärungsprodukte - Wichtige Gärungsprodukte: Ethanol und Milchsäure (Lactat) - Spezialisten: Buttersäuregärung durch Chlostridien & Propionsäuregärung durch Propionibacterium **Milchsäuregärung:** - Milchsäurebakterien gehören zur Familie der Lactobacillacease, anaerob/mikroaerophil - natürliches Vorkommen: Milchprodukte, pflanzliche Produkte, Schleimhäute - verwerten Laktose (Milchzucker) als Zuckerquelle und bauen Glucose zu Milchsäure (Laktat) ab - sind häufig aerotolerant, btreiben aber keine Atmung (fehlen Komponenten aus Atmungskomplexen) **Milchsäurebakterien:** - Bakterien die Milchsäure als einziges Gärungsprodukt erzeugen - Fehlen der nötigen Porphyrine/Cytochrome für Elektronentransportphosphorylierung -\> gewinnen Energie durch Substratkettenphosphorylierung - homofermentative Stämme: Streptococcus, Enterococcus, Lactococcus, Pediococcus - heterofermentative Stämme: Leuconostoc -\> haben keine Aldolase wodurch keine Glykolyse möglich ist Homofermentative Milchsäuregärung: Umsetzung von Glucose zu Milchsäure Heterofermentative Milchsäuregärung: Hexose-Ketolase Weg & Pentose-Ketolase Weg Alkoholische Gärung: - Wenn kein Sauerstoff, kein Abbau von Glukose zu EtOH & Co2 durch Mikroorganismen - Folge: weniger Energiegewinnung von ATP -\> Regeneration von NAD+ - hauptsächlich Hefearten: fakultative Anaerobier (wechseln zwischen aerober Atmung und Vergärung je nach Vorhandensein von Sauerstoff)