Energie und Energiestoffwechsel von Zellen

Wiederholung: Signalübertragung in Zellen

Die Übertragung von „Signalen“ erfolgen in Zellen und zellulären Systemen in ersterLinie über Botenstoffe („Chemische Signale“)

Um „Signale“ erkennen zu können, sind für das jeweilige Signal spezifische Rezeptorenerforderlich. Sie können sich entweder in der Zellmembran oder im Cytoplasma befinden.

Man unterscheidet

a) autokrine Signale b) parakrine Signalec) endokrine Signale

SIGNAL REZEPTOR SIGNALTRANSDUKTION REAKTION

Die 6 Phasen der Signalübertragung in Zellen

1. Synthese von Signalmolekülen (niedermolekulare Verbindungen, Aminosäure-derivate, Peptide, Proteine)

2. Freisetzung des Signalmoleküls durch die Ausgangs- oder Signalzelle (Vesikelentleerung)

3. Transport zur Zielzelle (autokrin, parakrin und endokrin)

4. Erkennung sowie Bindung des Signalmoleküls durch ein spezifisches Rezeptorprotein

5. Veränderung von Stoffwechsel, Aktivität oder Entwicklung der Zelle durch den Komplexaus Signalmolekül und Rezeptor

Konzentrationsänderung von Molekülen und Ionen im Cytoplasma Transkription und Translation spezifischer Gene

6. Entfernen des Signals Beendigung der Reaktion der Zelle auf diese Signal

Einige spezifisch wirkende Signalmoleküle werden als Hormone bezeichnet.

Bei der Aktivierung spezieller Transkriptionsfaktoren (zur Erinnerung, sie bindenan den Promotor eines bestimmten Gens und legen den Locus fest, von wo ab dieRNA-Polymerase II das Ablesen der DNA und den Aufbau der komplementärenmRNA beginnt) spielt der Prozeß der Phosphorylierung eine große Rolle, weil erin der Lage ist, die Transkriptionsfaktoren zu aktivieren. Zur Aktivierung ist Energienotwendig, die von ATP bereitgestellt wird.

Wie funktionieren die grundlegenden energetischen Prozesse in einer Zelle?

Energie wird weder erzeugt noch vernichtet ...Nicht alle Energie kann genutzt werden ...

Gesamtenergie = nutzbare Energie + nicht nutzbare EnergieEnthalpie H = freie Energie G + Temperatur T * Entropie S

H = G + T S

T=const.: G = H – T S dG = dH – T dS dG<0 freie Energie wird abgegebendG>0 freie Energie wird aufgenommen

Eine biochemische Reaktion findet nur dann statt, wenn dafür freie Energie zur Verfügung steht

Die Menge an freier Energie, die durch eine Reaktion abgegeben (-dG) oderaufgenommen (+dG) wird, steht in direkter Beziehung zur Neigung dieserReaktion, vollständig abzulaufen (d.h. bis alle verfügbaren Reaktionbspartneraufgebraucht sind)

Reaktionen ohne Energiezufuhr: exergonisch Reaktionen mit Energiezufuhr: endergonisch

dG=0 Chemisches Gleichgewicht A B

Es kommt immer darauf an, bei welchem Verhältnis von A zu B sich das chemischeGleichgewicht einstellt: dG>0 es werden kaum Produkte B gebildet

dG<0 B wird fast vollständig in A umgewandelt

Über die Verfügbarkeit von freier Energie lassen sich biochemische Reaktionen steuern

Frage: Wie läßt sich bei exergonischen Reaktionen, bei denen „freie Energie“ freigesetztwird, verhindern, daß sie als „Wärme“ verpuffen? Wie läßt sich diese Energiezwischenspeichern, um sie endergonischen Reaktionen verfügbar zu machen?

Anabolische Reaktionen bauen komplexe Moleküle auf (z.B. Photosynthese)Katabolische Reaktionen bauen komplexe Moleküle ab (z.B. Zellatmung)

ATP - Adenosintriphosphat

Das Abtrennen der äußerste Phosphatgruppe durch Wasser (Hydrolyse) liefert ADP + einegroße Menge freie Energie dG= - 32 kJ/molplus ein anorganisches Phosphation P*

ADP = AdenosindiphosphatAMP = Adenosinmonophosphat

RIBOSE - wasserlöslich

ADENIN - Erkennungsteil

„Batterie“ aufladen

„Batterie“ entladen

negativ

Adenin + Ribose = Adenosin

Energieträger

Molekulargewicht ~ 500 p

ATP - Zyklus

HYDROLYSE von ATP zu ADPSYNTHESE VON ATPAUS ADP + P*

Eine aktive Zelle benötigt mehrere Millionen ATP-Moleküle pro Sekunde, um ihrebiochemische Maschinerie am Laufen zu halten

Einige bemerkenswerte Zahlen zu ATP ...

„Wahr ist, wie irgendein Deutscher bemerkt hat, daß es ohne Phosphor keineGedanken gäbe ...“ Joseph Conrad (1857-1924)

Jeder Mensch setzt am Tag ~ 100 kg ATP um ! (abhängig von der körperlichen Leistung)

Der ATP-Durchsatz kann bei intensiver Arbeit bis auf 0.5 kg pro Minute ansteigen

Jedes ATP-Molekül wandelt sich 10000 mal pro Tag in ADP und ATP um

1 kg Muskel enthält zu jedem Zeitpunkt ~ 4 Gramm ATP

ATP und ADP sind in Wasser sehr gut löslich

Bei der Abspaltung einer Phosphatgruppe (ATP -> ADP) wird eine Energie von 32.3 kJ/mol frei

1 „Bildwechsel“ (im Gehirn wahrgenommen) verbraucht 10^9 ATP-Moleküle (10^-15 g)

reicht für 10^12 Bilder pro Sekunde !

ATP wurde 1929 durch den deutschen Biochemiker Karl Lohmann (1898 -1978) entdeckt

Die Energie, die bei der Spaltung von ATP in ADP und Phosphat frei wird, darf aber nichtals Wärmeenergie verpuffen, sondern muß als chemische Energie für endergonischeReaktionen zur Verfügung stehen. Das gelingt durch Kopplung der exergonischen (energie-liefernden) mit der endergonischen (energieverbrauchenden) Reaktion.

Beispiel: Die Phosphorylierung der Glukose bei der Stärkesynthese:

Der Aufbau von Stärke aus Glukosemolekülen ist eine endergonische Reaktion und läuft nur unter ständiger Energiezufuhr ab. Durch Phosphorylierung werden die Glukose-Moleküle so energiereich, daß ihre Verknüpfung zu langen Polysaccharid-Ketten nun freiwillig , d.h. energetisch "bergab" abläuft.

Beispiel: Stärkebildung unter ATP-Verbrauch (Phosphorylierung)

Polymerisation einer Kohlenhydratkette

Beispiel einer gekoppelten Reaktion zur Synthese der Aminosäure Glutamin

Hydrolyse setzt Energie frei

Freie Energie verschiebtdas chemische Gleich-gewicht der ReaktionGlutamate <-> in Richtung Glutamin

Wo kommt die Energie für den ATP-Aufbau her?

Der Aufbau eines ATP-Moleküls aus ADP kostet genauso viel Energie, wie bei derSpaltung des ATP‘s in ADP frei wird ...

zum Aufbau des ATP‘s wird eine „äußere“ Energiequelle benötigt

AUTOTROPH Anabolismus

Licht + CO2 (Photosynthese) - Calvinzyklus Glukose ATP

HETEROTROPH Katabolismus

Nahrung (hochmolekular) – Atmungskette (Citratzyklus) ATP->

->

Vorgänge zur ATP-Regenerierung: Photosynthese / Atmungskette / Fett- und Glukoseabbau

Zusammenfassung: Energiehaushalt einer Zelle

Glukose ist der Rohstoff, der in allen Lebewesen für den Energiestoffwechsel benötigtwird Speicherformen: Pflanzen Stärke , Tiere Glykogen

Glukose wird von autotrophen Lebewesen selbst hergestellt (Photosynthese). Hetero-trophe Lebewesen sind auf die Zufuhr von außen (Nahrung) angewiesen

Zur Energiegewinnung (ATP-Synthese) setzen Organismen die Glukose entweder mitSauerstoff in CO2 und Wasser um (Zellatmung, biologische Oxidation, innere Atmung),oder ohne Sauerstoff (anerob Gärung)

Die freiwerdende Energie wird zu einem Teil bei allen Lebewesen im ATP/ADP – Systemgespeichert.

ATP ist der universelle , transportable Kurzzeitspeicher für Energie in den Zellen

Durch Energiekopplung entsteht ATP bei exergonischen Reaktionen (z.B. biologischeOxidation) und zerfällt wieder in ADP und Phosphat bei Kopplung mit energiebe-dürtigen (endergonischen) Prozessen in den Zellen

ATP-Kraftwerke in den Zellen – die Mitochondrien

Mitochondrien sind in manchen Zellen (z.B. Muskelzellen) die von der Anzahl herhäufigsten Zellorganellen Herzmuskelzellé: Volumenanteil 36%

Das Mitochondrium ist das eukaryotische Organell, in dem alle Zellatmungsfunktionen(Citrat-Zyklus, Elektronentransportkette, oxidative Phosphorylierung) zusammengefaßtsind Zellkraftwerk

Für die ATP-Synthese sind ATP Synthase-Partikel, die sich auf der inneren Membranwandbefinden, zuständig

Große innere Oberfläche – Erhöhung der Effektivität der ATP-Produktion

In die Membran sind die Proteine der Atmungskette eingelagert (z.B. zur Herstellung einesProtonenkonzentrationsgradienten)

- besitzt eine eigene DNA- wird nur über die weibliche

Linie vererbt- entstand durch Endosymbiose- veranlaßt Apopthose

Die Energieeffizienz (gemessen in J/kg) eines Mitochondriumsist ca. 50 Millionen mal größerals die der Sonne.

Die „Chemische Fabrik“ des Mitochondriums

Der Schlüsselprozeß – die ATP-Synthase

Die ATP-Synthese in den Mitochondrien wirddurch ein Wasserstoffionenkonzentrations-Gefälle(pH-Gradient) angetrieben

„Protonenmotor“ (kleinster bekannter Motor)

Intermembran: hohe ProtonenkonzentrationMatrix: geringe Protonenkonzentration

Konzentrationsausgleich „treibt“ den intermembranen Proteinkomplex ATP-Synthasean, der das Zusammenführen eines ADP-Moleküls mit einem Phosphation bewerk-stelligt und dabei ein energiereiches ATP-Molekül erzeugt

„Motor“ dreht sich, dabei werden in jeweils drei Teilinkrementen ein ADP-Molekül miteinem Phosphatrest zusammengeführt und ein ATP-Molekül entsteht

Nächstes Mal: Zelldifferenzierung und Morphogenese