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Zur Erinnerung….. - Der Citratzyklus ist die erste Phase in der aeroben Verbrennung von Brennstoffmolekülen. -In den Zyklus wird eine aktivierte Acetylgruppe.

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Präsentation zum Thema: "Zur Erinnerung….. - Der Citratzyklus ist die erste Phase in der aeroben Verbrennung von Brennstoffmolekülen. -In den Zyklus wird eine aktivierte Acetylgruppe."—  Präsentation transkript:

1 zur Erinnerung….. - Der Citratzyklus ist die erste Phase in der aeroben Verbrennung von Brennstoffmolekülen. -In den Zyklus wird eine aktivierte Acetylgruppe in Form des Acetyl-CoA eingeschleust. - Im Citratzyklus wird die Acetylgruppe vom AcetylCoA vollständig zu CO 2 oxidiert. Hierbei entstehen Reduktionsäquivalente in Form von NADH und FADH 2.

2 zur Erinnerung and die Kofaktoren... -Thiaminpyrophosphat (TPP): oxidative Decarboxylierung von -Ketosäuren (z.B. Pyruvat) und Übertragung von aktivierten Aldehydeinheiten -CoA : Übertragung von aktivierten Acetyl/Acylresten -NAD/FAD: Elektronenüberträger -Biotin: Übertragung von CO 2 auf andere Metaboliten Liponamid: Transfer von Acetylgruppen auf CoA

3 Krankheiten -Thiaminpyrophosphat (TPP): oxidative Decarboxylierung von -Ketosäuren (z.B. Pyruvat) und Übertragung von aktivierten Aldehydeinheiten Thiaminmangel (B1) führt zur Beriberi: ein neurologisches und kardiovaskuläres Leiden. Liponamid: Dieses Molekül wird bei Quecksliber- und Aresinit- Vergiftungen inaktivert: Erkrankungen des Nervensystems (verrückt wie ein Hutmacher, Hutmacher haben viel mit Quecksilbernitrat gearbeitet) sind die Folge.

4 Citratzyklus: Regulation Phosphorylierung Prinzipiell: Wenn der Energiespiegel in der Zelle hoch ist, wird die Rate des Citratzykluses vermindert.

5 Der Citratzyklus stellt viele Bauelemente für anabole Prozesse bereit anaplerotische Reaktion durch Pyruvat-Carboxylase

6 Die oxidative Phosphorylierung -Die Elektronen in NADH und in FADH 2 (hohes Übertragungspotential) werden über diverse Carrier-Proteine auf O 2 übertragen. 2 H + + 2e - + 1/2 O 2 H 2 O -Die hierbei freiwerdende Energie wird für die Erzeugung von ATP verwendet. -26 der 30 ATP Moleküle, die bei der Oxidation von Glucose frei werden, stammen aus der oxidativen Phosphorylierung. -Atmung: ATP-erzeugender Prozess, bei der eine anorganische Verbindung (z.B. O 2 ) als Elektronenacceptor fungiert. (Reaktion ist stark exergonisch)

7 Die protonenmotorische Kraft ATP-Synthase Protonenpumpen NADH-Q-Oxidoreductase Q-Cytochrom-c-Oxidoreductase Cytochrom-C-Oxidase ATP wird durch den Aufbau eines Protonengradienten an einer Membran hergestellt.

8 Der Protonengradient wird an der inneren Membran der Mitochondrien aufgebaut N (negativ geladene) Seite P (posivit geladene) Seite Membran, an der die oxidative Phosphorylierung stattfindet

9 Das Redoxpotential E o Standardhalbzelle (Redox-Paar II H + + e - 1/2H 2 ) Redox-Paar I: X - X+e - In der Biochemie: pH=7 (10 -7 M) Eine Verbindung, die e - an H + abgibt, hat ein negatives E o. Eine Verbindung, die e- von H 2 aufnimmt, hat ein positives E o

10 Das Redoxpotential E o und G ° G° = -nF Eo Anzahl der übertragenen Elektronen Faraday-Konstante (Proportionalitätskonst.) Änderung der freien Standardenthalpie Änderung des Standardreduktionspotentials

11 Die Potentialdifferenz zwischen NADH und O2 ist sehr groß Die Treibende Kraft bei der oxidativen Phosphorylierung: Elektronentransfer von NADH (und FADH 2 ) auf O Teilreaktion: 1/2 O 2 + 2H + + 2e - H 2 OE o =+0,82V 2. Teilreaktion: NAD + + H + + 2e - NADHE o =-0,32V 1/2 O 2 + NADH + H + H 2 O + NAD+ E°=+1,14V NADH ist ein guter e - Donor, O 2 ein guter e - Acceptor: Die Reaktion ist begünstigt: 1,14 Volt entspricht -220kJ/mol

12 Die Atmungskette Die spontane Reaktion von Sauerstoff und NADH zu Wasser würde mit einem Mal sehr viel Energie freisetzen, die nicht effizient in biologischen Systemen verwendet werden kann. Daher wird die Redoxreaktion langsam und über diverse Zwischenstufen durchgeführt, um die Energie der Elektronenübertragung effizient in die ATP-Synthese zu leiten. Dies ist die Aufgabe der Atmungskette. Der Elektronenfluss durch die Atmungskette bewirkt einen Protonentransport durch die innere Mito-Membran. Der Protonengradient ist die Treibende Kraft der ATP-Synthese.

13 Die Komponenten der Atmungskette auch Komplexe I-IV genannt

14 Die prosthetischen Gruppen der Elektronenüberträger: FMN, Coenzym Q, Eisen-Schwefel (Fe-S)-Cluster und Häm Isoalloxazinring -Strukturell dem FAD ähnlich (in Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex) -Bestandteil von Flavoproteinen (Riboflavin, B2 ist Vitamin)

15 Coenzym Q (Ubichinon) Isoprenkette vollständig oxidiert (Q) vollständig reduziert (QH 2 ) Bei Ubichinon ist der Elektronentransfer mit Protonen-Bindung bzw. Freisetzung gekoppelt!

16 Eisen-Schwefel (Fe-S)-Cluster 4-S-Koordination durch Cystein 2Fe-2S-Typ 2 anorganische Sulfidgruppen 4 Cys 4Fe-4S-Typ 4 anorganische Sulfidgruppen 4Cys Das Eisen in diesen Clustern kann reversibel von Fe 2+ zu Fe 3+ oxidiert werden und dient daher als Elektronenüberträger

17 Unterschiedliche Häm-Gruppen: B-Typ: b L und b H (im Cytochrom b) C-Typ (im Cytochrom C)

18 Der erste Schritt in der Atmungskette: Übertragung von Elektronen vom NADH auf die NADH-Q-Oxidoreduktase -Komplex I (NADH-Q-Oxidoreduktase: Komplex aus 42 Untereinheiten) NADH + Q + 5H + (Matrix) NAD + + QH2 +4H + (Cytosol) Matrix (N-Seite) P-Seite NADHNAD + 2e - FMN 6X4Fe-4S 4H + QH 2 Q 2H + 2e -

19 Wie werden Protonen von der Matrix in den P-Raum gepumpt? Die gekoppelten Elektronen-Protonen Transfers am Coenzym Q sind für den Transport von H + entscheidend. e-e- e-e- 2 H + e-e- e-e-

20 NADH aus dem Citratzyklus Komplex I Komplex II (keine Protonenpumpe) Succinat-DH ist Komponente von Komplex II [FADH 2 ] Über diesen Weg wird auch FADH 2 aus anderen Stoffwechselwegen ein- geschleusst.

21 Komplex I Komplex II Komplex III QH 2 Komplex III Komplex III überträgt die Elektronen vom QH 2 auf Cytochrom C

22 Komplex III -Komplex ist Protonenpumpe. -22 Proteine (Dimer). -Monomer hat 3 Häm-Gruppen und ein ungewöhnliches Fe-S-Cluster (Rieske-Zentrum) (Koordination mit His erhöht das Reduktionspotential). -Komplex hat zwei Bindungsstellen für Q (Qi und Q o ) QH 2 + 2Cyt c(ox) +2H + (Matrix) Q + Cyt c(red) + H + (Cytosol)

23 Der Q-Zyklus Teil 1 -Verknüpfung von Elektronentransfer vom QH2 auf Cytochrom C nennt man Q-Zyklus. 1. Bindung von QH2 an Qo-Stelle 2. 1 Elektron bindet an Rieske-Cluster und dann weiter zu C1 und schließlich reduziert es ein Cyt c Elektron von QH2 fließt über bL und bH auf ein oxidiertes Q in der Qi-Tasche. 4. Die H+-Ionen vom QH2 in der Qo-Stelle wandern zur P-Seite!

24 Der Q-Zyklus Teil 2 5. Die Qo-Stelle hat nun oxidiertes Ubichinon (Q), die Qi-Stelle das Semichinonradikalion (Q.- ). 6. Cyt c(red) wird durch Cyt c(ox), und Q durch QH 2 ersetzt. 7. Elektronenfluss vom neuen QH2 wie beim ersten Schritt. 8. Das Q in der Qi-Stelle nimmt 2H+ auf und wird zum QH2 Teilreaktionen: 2QH22Q QQH2 2Cyt c(ox)2Cyt c (red) 4 Protonen von N nach P, 2 Protonen von N an Komplex III

25 Der letzte Schritt: Die Reduktion von O2 Dieser Schritt wird durch die Cytochrom C-Oxidase (Komplex IV) katalysiert. Komplex IV 13 Untereinheiten, 2 Häm Gruppen (HämA) 2 Kupferzentren (A und B) O 2 + 4e H + 2 H 2 O

26 Komplex IV: Cytochrom-c- Oxidase nimmt die Elektronen vom Cytochrom c auf e-e- aktives Zentrum

27 Die Reduktion des O 2 (Teil 1) Cu 2+ (Cupri) Cu 1+ (Cupro) erstes e - zweites e - Fe 3+ Fe 2+ O 2 -Bindung an das Häm a 3 (vgl. Hämoglobin)

28 Die Reduktion des O 2 (Teil 2) Reduktion des O 2 zu O 2 2- drittes e - Spaltung der O-O Bindung Fe 4+ =O (Ferrylgr.) Cu B 2+ -OH H+-Aufnahme viertes e - Reduktion der Ferrylgr. zu Fe 3+ -OH H+-Aufnahme und Abspaltung von Wasser

29 Die Cytochrom-c-Oxidase ist auch Protonenpumpe diese Protonen werden der Matrix bei der Wasserbildung entzogen diese Protonen werden aktiv transportiert (Mechanismus unbekannt) -die Matrix verliert bei der Reduktion von O 2 8 Protonen.

30 Ein Problem: Superoxide und Peroxide -Bei der Reduktion von O2 zu Wasser können durch unvollständige Reaktionen O 2 - und O 2 2- entstehen:. O2 O 2 - O Superoxid Peroxid -Obwohl die Cytochrom-c-Oxidase sehr effizient und zuverlässig arbeitet, ist nicht zu verhindern, dass geringe Mengen an Superoxid und Peroxid gebildet werden. - Diese Verbindungen sind sehr toxisch.

31 Superoxid-Dismutase und Katalase wandeln Peroxid und Superoxid in Wasser und O 2 um O H + O 2 + H 2 O 2 SOD. 2 H 2 O 2 O 2 + H 2 O Katalase Amyotrophe Lateralsklerose ALS: Eine neurodegenerative Krankheit die Motoneuronen betrifft. Mutationen im SOD-Gen rufen bei ca. 25% der Patienten die Krankeit hervor.


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