Medizinische Biologie: Zellstoffwechsel
Überblick über wichtige Stoffwechselwege. (Näheres zum Intermediärstoffwechsel, also zum Stoffwechsel der kleinen Moleküle, finden Sie in den Büchern der Biochemie, z.B. im Wikibook Biochemie und Pathobiochemie.)
Nucleinsäurenstoffwechsel
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Replikation
BearbeitenDie DNA ist ein Biopolymer, das der Zelle über Generationen hinweg als weitgehend stabiler und dauerhafter Informationsspeicher der genetischen Information dient. Sie enthält die Baupläne für sämtliche Proteine, abgespeichert in Form eines 4-Buchstaben-Codes. Die DNA wird in der Interphase des Zellzyklus im Zellkern von DNA-Polymerasen repliziert. Die Replikation ist semikonservativ, d.h. jeder Tochterdoppelstrang besteht nach der Replikation aus einem mütterlichen Strang und einem dazu komplementären neusynthetisierten DNA-Strang. Die Neusynthese der DNA erfolgt immer in 5'3'-Richtung (vom 5'-OH-Ende zum 3'-OH-Ende).
Transkription
BearbeitenDie Transkription ist die Umschreibung der DNA in RNA durch RNA-Polymerasen. Die Synthese der RNA erfolgt wie bei der DNA in 5'3'-Richtung. Die RNA erfüllt verschiedene Aufgaben:
- mRNA - Die messenger-RNA dient als mobiler temporärer Informationsträger für die Proteinbiosynthese an den Ribosomen im Zytoplasma bzw. am rauhen ER. Die Information für jede Aminosäure im zukünftigen Protein wird durch je ein Basentriplett codiert. Bevor die mRNA den Kern verlässt wird sie noch verschiedentlich modifiziert und zugeschnitten.
- rRNA - Die ribosomale RNA ist ein strukturelles und funktionstragenes („Ribozym“) Bauteil in den Ribosomen.
- tRNA - Die kleeblattförmigen transfer-RNAs besitzen eine Aminosäurenbindungsstelle, mit der sie jeweils spezifisch eine der 20 Aminosäuren binden, und sie besitzen eine mRNA-Bindungsstelle, die sich komplementär zum codierenden Basentriplett der mRNA verhält. Die tRNAs tranportieren die Aminosäuren zum Ribosom und übersetzen dort den Nukleinsäurencode der mRNA in den Aminosäurencode der wachsenden Peptidkette.
- snRNA - small nuclear RNAs
Proteinstoffwechsel
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Translation
BearbeitenDie Translation ist die Umschreibung der Nucleinsäurenkette in die Aminosäurenkette (Polypeptid) am Ribosom. Plasmaproteine werden an freien Ribosomen synthetisiert, zukünftige Membran- und Exoproteine werden während der Synthese vom Ribosom in das rauhe ER eingefädelt. Die Synthese der Polypeptide erfolgt immer vom N-Terminus zum C-Terminus.
Prozessierung
BearbeitenDie Aminosäurenkette wird noch weiter modifiziert, in dem z.B. Teile der Kette abgeschnitten werden. Peptidketten im rauhen ER werden dort und im Golgi-Apparat weiter modifiziert, bevor sie in Vesikeln zur Plasmamembran transportiert werden.
Faltung
BearbeitenFür die 3-dimensionale Faltung eines Proteins gibt es meist verschiedene Möglichkeiten, die energetisch unterschiedlich günstig sind. Damit die Proteine rasch zu ihrer bevorzugten Faltung finden, wird der Faltungsprozess enzymatisch und unter Energieverbrauch von sog. Chaperoninen (ED 3.6.4.9) (von franz.: Anstandsdamen) katalysiert. Zu den Chaperoninen gehören der GroEL-GroES-Komplex von E. coli und die klassischen Hitzeschockproteine (HSP).
Abbau der Proteine
BearbeitenProteine werden im Proteasom (ED 3.4.25.1) abgebaut, nachdem sie mit Ubiquitin markiert wurden.
Energiestoffwechsel
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Glycolyse und Citratzyklus
BearbeitenGlucose wird im Zytoplasma v.a. über die Glycolyse zu Pyruvat und dann zu Acetyl-CoA abgebaut. Acetyl-CoA wird im Mitochondrium in den Citratzyklus eingeschleust, wo daraus Reduktionsäquivalente (NADH + H+, FADH2) generiert werden. Letztere übertragen ihre aufgenommen, energiereichen Elektronen auf die mitochondriale Atmungskette.
Atmungskette
BearbeitenDie auf die Proteine der Atmungskette übertragenen Elektronen geben ihre Energie schrittweise frei, bevor sie auf Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor übertragen werden. Die chemische Reaktion entspricht in der Summe der Knallgasreaktion 2 H+ + 2 e- + 1/2 O2 ( = H2 + 1/2 O2) -> H2O. Durch die schrittweise Reaktion wird die Energie erst für die Zelle nutzbar. Sie betreibt damit Protonenpumpen, die einen Protonengradienten an der inneren Mitochondrienmembran aufbauen. Dieser liefert dann ähnlich wie das Wasser in einer Wassermühle die Energie, mit der die turbinenartig gebaute ATP-Synthase die fundamentale Energiewährung aller Zellen, das Adenosintriphosphat (ATP) aus ADP und Pi (anorganisches Phosphat) „presst“.
β-Oxidation
BearbeitenIm Stoffwechselweg der β-Oxidation setzt die Zelle Acetyl-CoA aus Fettsäuren frei, das sie dann ebenfalls in den Citratzyklus einschleusen kann.