4. Stoff- und Energiehaushalt Fachbiologie RA-Ausbildung 2004 Fachbiologie 4. Stoff- und Energiehaushalt 1

Fachbiologie 4.1. Stoffhaushalt RA-Ausbildung 2004 4.1.1. Definitionen Metabolismus ( Stoffwechsel ): Summe der chemischen Reaktionen einer Zelle. Reaktionen werden durch Enzyme vermittelt. Enzyme: Biokatalysatoren, meist Proteine. Substratspezifisch und reaktionsspezifisch. Stoffwechselketten ( Reaktionsketten ): Mehrere Enzyme sind hintereinandergeschaltet. 2

Fachbiologie 4.1. Stoffhaushalt RA-Ausbildung 2004 4.1.2. Enzyme Enzyme – Wirkmechanismus als Katalysator: Energie Ohne Enzym Ausgangsstoff Mit Enzym: Aktivierungsenergie wird heruntergesetzt Reaktionen können bei Körpertemperatur ablaufen Aktivierungsenergie Reaktionsprodukt Reaktionskoordinate 3

Fachbiologie 4.1. Stoffhaushalt RA-Ausbildung 2004 4.1.2. Enzyme Enzyme – Substrat- und Reaktionsspezifität: Enzym Enzym Enzym Substratspezifität: Schlüssel-Schloß-Prinzip! Reaktionsspezifität: Nur ein spezifisches Produkt entsteht! 4

Fachbiologie 4.1. Stoffhaushalt RA-Ausbildung 2004 4.1.3. Metabolismus Metabolismus: Unterteilung in Anabolismus und Katabolismus. Anabolismus: Reaktionsketten, die Stoffe unter Energieverbrauch aufbauen. (Proteinbiosynthese, Stärkesynthese ) Katabolismus: Reaktionsketten, die Stoffe unter Energiegewinn abbauen. (Glykolyse, Fettsäure-Abbau ) 5

Fachbiologie 4.1. Stoffhaushalt RA-Ausbildung 2004 4.1.3. Metabolismus Kohlenhydrate Proteine Lipide Aminosäuren CO2 H2O NH3 Citratcyclus ENERGIE Harnstoff Anabolismus: energieverbrauchende Reaktionen Katabolismus:energieliefernde Reaktionen 6

Fachbiologie 4.2. Energiestoffwechsel RA-Ausbildung 2004 4.2.1. Einführung Viele Vorgänge in der Zelle verbrauchen Energie: Anabolismus ( Pankreaszelle   Insulinbildung ) Bewegung ( Muskelzelle   Kontraktion ) Reizaufnahme/-verarbeitung ( Neuron   Zellpotential ) Homöostase (  Aufrechterhalten der Körpertemperatur etc. ) etc. ... ATP ATP ATP ATP 7

Fachbiologie 4.2. Energiestoffwechsel RA-Ausbildung 2004 4.2.2. Der Stoffkreislauf CO2 + H2O C6H12O6 Photosynthese Glucose CO2 + H2O ATP O2 C6H12O6 Glucose Zellatmung 8

Fachbiologie 4.2. Energiestoffwechsel RA-Ausbildung 2004 4.2.2. Der Stoffkreislauf CO2 + H2O CO2 + H2O ATP ? O2 C6H12O6 C6H12O6 Glucose Glucose Zellatmung Photosynthese 9

Fachbiologie 4.2. Energiestoffwechsel RA-Ausbildung 2004 4.2.3. Die Zellatmung Glucose O2 Glykolyse Atmungskette Citratcyklus 10

Fachbiologie 4.2. Energiestoffwechsel RA-Ausbildung 2004 4.2.3.1. Die Glykolyse Enzym 1 Enzym 2 C6H12O6 2 x C3H6O3 Glucose Brenztraubensäure ( Pyruvat ) ATP 2 x NADPH „Aktivierter Wasserstoff“ 11

Fachbiologie 4.2. Energiestoffwechsel RA-Ausbildung 2004 4.2.3.1. Die Glykolyse Glucose O2 NADPH Glykolyse „Aktivierter Wasserstoff“ ATP 2 x Brenztraubensäure ( Pyruvat ) Atmungskette Citratcyklus 12

Fachbiologie 4.2. Energiestoffwechsel RA-Ausbildung 2004 4.2.3.2. Der Citratcyclus CO2 C3H6O3 C2H3O - CoA Brenztraubensäure ( Pyruvat ) Acetyl-CoA ( aktivierte Essigsäure ) NADPH 2 x CO2 ca. 3,5 x NADPH Citratcyclus GTP 13

Fachbiologie 4.2. Energiestoffwechsel RA-Ausbildung 2004 4.2.3.2. Der Citratcyklus Glucose O2 NADPH Glykolyse „Aktivierter Wasserstoff“ ATP 2 x Brenztraubensäure ( Pyruvat ) NADPH CO2 Atmungskette 2 x Acetyl-CoA ( aktivierte Essigsäure ) CO2 NADPH Citratcyklus ATP 14

Fachbiologie 4.2. Energiestoffwechsel RA-Ausbildung 2004 4.2.3.3. Die Atmungskette „Knallgasreaktion“! O2 + NADPH H2O „Aktivierter Wasserstoff“ ATP ca. 3 x 15

Fachbiologie 4.2. Energiestoffwechsel RA-Ausbildung 2004 4.2.3.3. Die Atmungskette Glucose O2 NADPH ATP Glykolyse „Aktivierter Wasserstoff“ ATP ATP 2 x Brenztraubensäure ( Pyruvat ) NADPH CO2 Atmungskette 2 x Acetyl-CoA ( aktivierte Essigsäure ) ATP CO2 NADPH ATP Citratcyklus ATP 16

Fachbiologie 4.2. Energiestoffwechsel RA-Ausbildung 2004 4.2.3.4. Energiebilanz der Zellatmung Glucose ATP 2 x NADPH = 6 x ATP ATP 2 x = 2 x 2 x Brenztraubensäure ( Pyruvat ) ATP 2 x NADPH = 6 x 2 x Acetyl-CoA ( aktivierte Essigsäure ) ATP 7 x NADPH = 21 x GTP ATP 2 x = 2 x Citratcyclus ATP Summe: ~ 37 x 17

Fachbiologie 4.2. Energiestoffwechsel RA-Ausbildung 2004 4.2.4. Milchsäuregärung Glucose O2 NADPH ATP Glykolyse „Aktivierter Wasserstoff“ ATP ATP 2 x Brenztraubensäure ( Pyruvat ) NADPH CO2 Atmungskette 2 x Acetyl-CoA ( aktivierte Essigsäure ) ATP CO2 NADPH ATP Citratcyklus ATP 18

Fachbiologie 4.2. Energiestoffwechsel RA-Ausbildung 2004 4.2.4. Milchsäuregärung Glucose O2 NADPH Glykolyse Milchsäure ( Lactat ) 2 x Brenztraubensäure ( Pyruvat ) ACIDOSE Energiemangel Zelltod! 19

Fachbiologie 4.2. Energiestoffwechsel RA-Ausbildung 2004 4.2.5. Vergleich der Energiebilanzen Glucose Glucose ATP 2 x NADPH 2 x ATP 2 x 2 x Brenztraubensäure ( Pyruvat ) 2 x Brenztraubensäure ( Pyruvat ) 2 x NADPH 2 x Acetyl-CoA ( aktivierte Essigsäure ) Milchsäure ( Lactat ) 7 x NADPH GTP 2 x Citratcyclus ATP ATP ~ 37 x 2 x 20

Fachbiologie 4.2. Energiestoffwechsel RA-Ausbildung 2004 4.2.6. Bedeutung der Atmung und des Kreislaufes CO2 CO2 ATP O2 Zellatmung C6H12O6 + O2  CO2 + H2O Lunge O2 21