Stoffwechsel: Katabole und anabole Reaktionen, Glykolyse und ATP-Synthese

Stoffwechsel: Katabole und anabole Reaktionen

Katabole Reaktionen

Katabole Reaktionen umfassen den Abbau von Makromolekülen zu Monomeren, Stoffwechsel-Zwischenprodukten und Endprodukten. Dabei finden einfache Oxidationen statt, bei denen Energie (ATP, NADH) gewonnen wird.

Anabole Reaktionen

Anabole Reaktionen dienen der Synthese komplexer Moleküle aus einfachen Molekülen. Dabei finden Reduktionen statt, die Energie verbrauchen.

Dieser Stoffwechselweg besitzt drei Ebenen der Komplexität:

1. Umwandlung von Polymeren und Lipid-Komplexen
2. Umwandlung von Zuckern, Aminosäuren und Lipiden
3. Abbau zu anorganischen Endverbindungen

Nukleotid-Abbau und Nicotinamid

Biosynthese: NAD⁺ wirkt als Cofaktor bei der Oxidation von Substraten. Die NADPH-Reduktasen nutzen den Cofaktor NADPH. NADPH wird aus NADP⁺ synthetisiert. NADP⁺ wird aus NAD⁺ durch die Einwirkung ATP-abhängiger Kinasen synthetisiert.

Mechanismen der ATP-Synthese

Oxidative Phosphorylierung: In der Elektronentransportkette in den Mitochondrien werden NADH und FADH₂, die in der Glykolyse und im Citratzyklus entstehen, oxidiert, um Energie für die ATP-Synthese bereitzustellen.

Substratkettenphosphorylierung: Phosphatgruppen mit energiereichen Bindungen werden direkt von einem Substrat auf ADP übertragen, wodurch ATP entsteht. Dieser Mechanismus findet in der Glykolyse und im Citratzyklus statt.

Glykogenolyse: Der Abbau von Glykogen erfolgt als Reaktion auf einen niedrigen Blutzuckerspiegel.

Glykogenese: Die Bildung von Glykogen erfolgt, wenn die verfügbare Glukose den Bedarf übersteigt.

Glykolyse

Bei der Glykolyse wird Glukose zu Pyruvat oxidiert. Dabei wird NAD⁺ zu NADH reduziert und ATP durch Substratkettenphosphorylierung synthetisiert. Der Prozess besteht aus einer Serie von 10 aufeinanderfolgenden Reaktionen, findet im Zytoplasma statt und erfordert nicht die Anwesenheit von O₂.

Gesamtgleichung: Glukose + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 P_i → 2 Pyruvat + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 ATP + 2 H₂O

Die fortgesetzte Verwendung von Glukose in der Glykolyse führt zu einer Anhäufung von NADH und einer Erschöpfung von NAD⁺. Dies muss durch Reoxidation von NADH ausgeglichen werden, etwa in der Elektronentransportkette.

Gärung

Milchsäuregärung: Ein anaerober zellulärer Prozess, bei dem Glukose zur Energiegewinnung genutzt wird und das Abfallprodukt Milchsäure entsteht. Das bei der Glykolyse gebildete NAD⁺ wird regeneriert, indem NADH Elektronen auf Pyruvat überträgt, das dabei zu Milchsäure reduziert wird. Netto entstehen 2 ATP.

Alkoholische Gärung: Ein Prozess in Abwesenheit von O₂, bei dem exotherm CO₂ freigesetzt wird. Die Reaktion reduziert 2 NAD⁺ zu NADH, wobei 2 ATP entstehen. Durch die Pyruvatdecarboxylase wird Pyruvat zu Acetaldehyd decarboxyliert, das anschließend durch die Alkoholdehydrogenase unter Verbrauch von NADH zu Ethanol reduziert wird. So wird NAD⁺ regeneriert.

Umwandlung von Pyruvat zu Acetyl-CoA

Die Umwandlung erfolgt durch den Multienzymkomplex Pyruvat-Dehydrogenase in drei Schritten:

• Decarboxylierung
• Oxidation: Produktion von NADH
• Bildung von Acetyl-CoA: Die Acetylgruppe bindet an das Coenzym A und bildet Acetyl-CoA

Bei Anwesenheit von Sauerstoff wird Pyruvat in den Mitochondrien decarboxyliert. Es entstehen Acetyl-CoA, NADH und CO₂.

Gesamtgleichung: Pyruvat + NAD⁺ + CoA → Acetyl-CoA + NADH + CO₂