Photosynthese und heterotropher Anabolismus

Fragen zur Photosynthese

Welches Coenzym ist für den acyclischen Lichtreaktionsweg notwendig?
NADP⁺

Was passiert mit der Lichtenergie, die von den Antennenpigmenten absorbiert wird?
Sie wird in Form von Anregungsenergie an andere Pigmente übertragen.

In welchen Organismen sind Chloroplasten vorhanden?
Algen und Pflanzen

Welches Elektron ersetzt das Elektron, das das Chlorophyll P680 verloren hat?
Wasser

Welches Molekül ersetzt das Elektron, das das Chlorophyll P700 verloren hat?
Plastocyanin

Was fixiert molekulares CO₂ im Calvin-Zyklus?
Die Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase (RuBisCO)

Was ist die erste stabile Verbindung, die im Calvin-Zyklus nach der Fixierung von CO₂ erscheint?
3-Phosphoglycerinsäure

Welche der folgenden Aussagen beschreibt keine Eigenschaft der Chemosynthese?
Sie wird nur von bestimmten Arten von Bakterien durchgeführt.

Heterotropher Anabolismus

1) Grundlagen des heterotrophen Anabolismus

Es handelt sich um die Stoffwechselprozesse zur Bildung komplexer organischer Moleküle aus einfachen organischen Molekülen. Diese werden als Vorläufermoleküle bezeichnet. Der Prozess wird sowohl in autotrophen als auch in heterotrophen Zellen durchgeführt.

Der heterotrophe Anabolismus hat zwei Phasen:

• Erste Phase oder Stufe der Biosynthese von Monomer-Vorstufen.
• Zweite Phase oder Stufe der Biosynthese von Polymeren aus Monomeren.

Einfache organische Vorläufermoleküle können wie folgt gewonnen werden:

• Aus dem Abbau von Reservestoffen sowohl in autotrophen als auch in heterotrophen Zellen.
• Aus organischen Stoffen der Verdauung von Nahrung, ebenfalls in heterotrophen Zellen.
• Aus der Photosynthese oder Chemosynthese (nur in autotrophen Organismen).

Nicht alle Enzyme katalysieren eine Reaktion in beide Richtungen. Der heterotrophe Anabolismus ist ein Reduktionsprozess. Die Energie, die für alle anabolen Prozesse erforderlich ist, wird bei Heterotrophen durch die Dephosphorylierung von ATP-Molekülen gewonnen.

Die meisten anabolen Stoffwechselwege finden im Cytosol statt, mit folgenden Ausnahmen:

• Nukleinsäuresynthese, die im Zellkern, in den Chloroplasten und in den Mitochondrien stattfindet.
• Proteinsynthese, die an den Ribosomen stattfindet.
• Die Synthese von Phospholipiden und Cholesterin, die im glatten endoplasmatischen Retikulum erfolgt.
• Die Glykosylierung von Lipiden und Proteinen, die im endoplasmatischen Retikulum beginnt und im Golgi-Apparat fortgesetzt wird.

2) Heterotropher Kohlenhydrat-Anabolismus

Dieser hat zwei Phasen:

• Synthese von Glukose: Glukose kann aus Brenztraubensäure durch den Weg der Glykogenese gewonnen werden. In autotrophen Zellen können diese Bausteine aus einem Prozess entstehen, der im Calvin-Zyklus stattfindet.
• Synthese von Polymeren aus Glukose oder anderen Hexosen: Die wichtigsten Glukose-Polymere entstehen durch Alpha-Bindungen. In Pflanzenzellen wird Stärke synthetisiert (ein Prozess namens Amylogenese), während in tierischen Zellen Glykogen gebildet wird (der Prozess der Glykogenese).

Die Gluconeogenese

Dies ist die Umkehrung der Glykolyse. Es ist der Prozess der Synthese von Glukose aus nicht-kohlenhydrathaltigen Vorstufen. Bei Tieren ist dies in Fastensituationen notwendig. Die Vorstufen für die Gluconeogenese stammen aus der Desaminierung von Aminosäuren, der Umwandlung von Milchsäure und dem Abbau von Fettsäuren.

• Aminosäuren: Wenn sie desaminiert werden, können sie zu Brenztraubensäure oder Oxalessigsäure werden.
• Milchsäure: Diese entsteht durch Milchsäuregärung in den Muskeln von Tieren bei Sauerstoffmangel.
• In Algen-, Pflanzen- und Bakterienzellen kann Glukose aus Fettsäuren stammen. Dies unterscheidet sie von tierischen Zellen, denen die Enzyme fehlen, um Acetyl-CoA entsprechend umzuwandeln.

Es gibt drei Hauptstufen:

1. Die Umwandlung von Brenztraubensäure in Phosphoenolpyruvat: Brenztraubensäure gelangt in die Mitochondrien, wo sie durch das Enzym Pyruvat-Carboxylase in Oxalessigsäure umgewandelt werden kann. Da diese die innere Mitochondrienmembran nicht direkt durchqueren kann, wird sie in Äpfelsäure (Malat) umgewandelt, welche ins Cytosol gelangen kann. Dort wird sie wieder zu Oxalessigsäure und schließlich zu Phosphoenolpyruvat.
2. Die Umwandlung von Fructose-1,6-bisphosphat in Fructose-6-phosphat.
3. Die Umwandlung von Glucose-6-phosphat in Glukose.

Die Glykogenese und Amylogenese

Die Glykogenese ist die Synthese von Glykogen aus Glucose-6-phosphat. Dies geschieht vor allem in der Leber und den Muskeln, wobei Muskelglykogen als spezifische Reserve für die Muskelzelle dient. Die Amylogenese ist die Synthese von Stärke. Es ist ein der Glykogenese ähnlicher Prozess; der einzige Unterschied besteht darin, dass das ATP-Molekül zur Aktivierung genutzt wird.

3) Heterotropher Anabolismus von Lipiden, Nukleotiden und Aminosäuren

3.1) Heterotropher Anabolismus von Lipiden

Die wichtigste Form der Lipidreserven sind Fette oder Triglyceride.

1) Bereitstellung von Fettsäuren: Die Hauptquelle für Fettsäuren in tierischen Fetten ist die Nahrung. Die zweite Quelle ist die Biosynthese von Fettsäuren aus Acetyl-CoA im Cytosol. Die Biosynthese beginnt mit dem Transport von Acetyl-CoA aus den Mitochondrien ins Cytosol. Für die Aktivierung wird Acetyl-CoA in ein Molekül mit drei Kohlenstoffatomen namens Malonyl-CoA umgewandelt. Das zusätzliche Kohlenstoffatom stammt aus einem gelösten Bicarbonat-Ion. Die Verbindung von Malonyl-CoA (3C) mit Acetyl-CoA (2C) erzeugt ein Molekül mit 4 Kohlenstoffatomen und setzt ein CO₂-Molekül frei. Die entstehende Fettsäure ist in der Regel Palmitinsäure, die zur Synthese von Stearin- oder Ölsäure verwendet werden kann.

Unterschiede zum Abbau:

• Er findet im Cytosol statt, nicht in den Mitochondrien.
• Die Fettsäure ist an den ACP-Komplex (Acyl-Carrier-Protein) und an Coenzym A gebunden.
• Die Kette wird in jeder Runde um 2 C-Atome verlängert, die durch Malonyl-CoA bereitgestellt werden.
• Als Wasserstoffträger dient NADPH (statt NADH oder FADH₂).

2) Gewinnung von Glycerin: Um sich mit Fettsäuren zu verbinden, muss Glycerin in Form von Glycerin-3-phosphat vorliegen.

3) Bildung von Triglyceriden: Die Fettsäuremoleküle verbinden sich nacheinander mit dem Glycerin. Zuerst entsteht ein Monoacylglycerid, dann ein Diacylglycerid und schließlich ein Triglycerid.

3.2) Heterotropher Aminosäure-Anabolismus

Nicht alle Tiere können alle 20 Aminosäuren synthetisieren. Es gibt 10 Aminosäuren, die Menschen und viele Tiere nicht selbst herstellen können; dies sind die essentiellen Aminosäuren.