9. Energiestoffwechsel - Citrat

9. Energiestoffwechsel - Citrat-Zyklus
Bei der Glycolyse wird Glucose (6C) unter Energiegewinn (ATP) in Pyruvat (3 C) abgebaut.
Aus Pyruvat entsteht Essigsäure(2C). Auch beim Abbau von Fetten und vieler Aminosäuren entsteht
Essigsäure, die als Acetyl-Coenzym A in den Citrat-Cyclus eingespeist wird.
Dort wird in kleinen Schritten unter Energiegewinn Kohlendioxid abgespalten und Wasserstoff auf
+
andere Stoffe (NAD , FAD) übertragen.
In der Atmungskette wird dieser Wasserstoff zu Wasser oxidiert, wobei wieder Energie frei wird.
Allgemeines zur Glycolyse
Die Glycolyse - nach ihren Entdeckern auch
EMBDEN-MEYERHOFF-Weg genannt - verläuft
bei fast allen Organismen im Zellplasma.
Die Glycolyse ist keine allzu effiziente
Energiegewinnung. Dennoch gibt es - auch im
menschlichen Körper - Zellen, die ihren
Energiebedarf ausschließlich durch die Glycolyse
decken.
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Biochemische Reaktionen (im Citrat-Zyklus)
Transaminierung
Bei diesem Prozess wird die -Aminogruppe auf eine -Ketosäure (2-Oxosäure) übertragen, wobei
aus der Aminosäure eine -Ketosäure wird und aus der vorherigen -Ketosäure eine Aminosäure.
Da die Transaminierung reversibel ist, kann der Körper auch umgekehrt aus Ketosäuren
-Aminosäuren herstellen. Durch diesen Prozess können nicht essentielle Aminosäuren für die
Proteinbiosynthese hergestellt werden.
Beispiel:
Alanin
Pyruvat (Brenztraubensäure)
O
NH2
C
C
COOH
C
C
COOH
Decarboxylierung
Als Decarboxylierung bezeichnet man eine chemische Reaktion, bei der aus einem Molekül
Kohlenstoffdioxid CO2 abgespalten wird.
Durch Enzyme (Decarboxylasen) kann eine Decarboxylierung besonders leicht β-Ketosäuren und
Aminosäuren erfolgen.
O
O
C
C
C
COOH
Decarboxylase
C
-Ketobuttersäure wird zu Aceton decarboxyliert.
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C
C
Hydrierung/Dehydrierung
Als Hydrierung bezeichnet man eine chemische Reaktion, bei der an eine Doppelbindung 2 H-Atome
angelagert werden. Bei einer Dehydrierung werden aus einem Molekül 2H-Atome eliminiert.
Enzyme: Hydrogenasen/Dehydrogenasen (reversible Reaktion)
Beispiel: Lactat  Pyruvat
OH
C
COOH
C
+
O
C
C
COOH
+
NAD /NADH-H
H
Beispiel: Succinat 
HOOC
LactatDehydrogenase
LDH
-2H
H
H
C
C
H
H
Fumarat
SuccinatDehydrogenase
-2H
H
HOOC
COOH
FAD/FADH2
C
C
COOH
H
Hydratisierung/Dehydratisierung
Als Hydratisierung bezeichnet man eine chem ische Reaktion, bei der (an ein Molekül) Wasser
angelagert wird. Bei der Dehydratisierung wird ein Wassermolekül abgespalten.
Enzyme: Hydratasen/Dehydratasen (reversible Reaktion)
Beispiel: Fumarat

Malat
H
HOOC
C
C
COOH
FumaratHydratase*
+ H2O
- H 2O
HOOC
H
HOOC
oder/bzw.
*: Fumarase
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OH
H
C
C
H
H
H
H
C
C
H
OH
COOH
COOH
Citrat-Zyklus (Zitronensäure-Zyklus)
Grundprinzip
Der in den Mitochondrien ablaufende Citratzyklus (Zitronensäurezyklus) ist einer der wichtigsten
Stoffwechsel-Wege überhaupt. Er nimmt eine zentrale Stellung im Rahmen der aeroben Dissimilation
ein.
Das Endprodukt der Glycolyse ist Brenztraubensäure (Pyruvat). In einem vorgeschalteten Schritt zum
Citrat-Cyclus reagiert das Pyruvat aus der Glycolyse mit dem Coenzym A. Das Pyruvat gibt eine
COOH-Gruppe in Form von CO2 ab, und die beiden restlichen C-Gruppen werden an das Coenzym A
angelagert, es entsteht das sogenannte Acetyl-Coenzym A. Das Acetyl-Coenzym A überträgt den
Acetyl-Rest dann auf eine Verbindung namens Oxalacetat, welche aus 4 C-Gruppen besteht. Es
ensteht dabei das Citrat (6 C-Gruppen). Nach dieser organischen Verbindung hat der ganze Zyklus
seinen Namen: Citratzyklus oder Zitronensäurezyklus.
Was ist das Ziel des Citrat-Zyklus ?
In den Zellen findet eine „Knallgasreaktion“ statt, in der Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser
reagieren. Natürlich wird hier kein gasförmiger Wasserstoff eingesetzt, sondern chemisch gebundenen
+
Wasserstoff, z.B. in Form von NADH/H oder FADH2 (Co-Enzyme bei der Dehydrierung bzw.
Oxidation). Dieser chemisch gebundene Wasserstoff muss aber erst einmal gewonnen werden.
Organische Verbindungen wie Glucose enthalten jede Menge Wasserstoff (ein Glucose-Moleküle
besitzt z.B. 12 H-Atome), und die Zelle muss es irgendwie schaffen, den organischen Molekülen
möglichst viel von diesem Wasserstoff zu entziehen. Um dies zu schaffen, hat die Natur den
Citratzyklus (Zitronensäurezyklus) "erfunden".
Aus dem Endprodukt der Glycolyse (dem Pyruvat) sollen möglichst viele H-Atome gewonnen werden
+
(in Form von Form von NADH/H oder FADH2 ), damit diese dann unter ATP-Bildung mit Sauerstoff
reagieren können.
Die Abbildung hier zeigt, wie
ein Teilschritt des Citratzyklus
+
ein NAD -Teilchen reduziert,
und wie das so gewonnene
+
NADH/H anschließend unter
ATP-Bildung mit Sauerstoff zu
Wasser reagiert.
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Citrat-Cyclus im Überblick
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Citrat – Zyklus im Detail
Vorbereitung:
Herstellung von Acetyl-CoA aus Coenzym A und
Pyruvat
Das Coenzym A tritt bei dieser Reaktion als
Überträger eines C2-Körpers auf.
Enzym:
Pyruvat-Dehydrogenase
COOH
CO
Diese Reaktion gehört eigentlich nicht zum Zyklus
selbst, sondern wird als letzter Schritt der
Glycolyse bzw. des Fettsäure-Abbaus angesehen.
+
Pyruvat + NAD + CoA ----> Acetyl-CoA +
+
NADH/H + CO 2
CoA
- CO2
-H
CH3
Schritt 1: (nicht reversibel)
Bildung von Citrat
CO
CH3
Diese Reaktion wird durch das-Enzym PyruvatDehydrogenase katalysiert.
Wie man der Reaktionsgleichung entnehmen kann,
findet nicht nur eine Decarboxylierung statt
(Abspaltung von Kohlendioxid), sondern das
Pyruvat wird auch noch oxidiert (= dehydriert).
(Reduktion von NAD).
Im diesem ersten Schritt des Citratzyklus entsteht
aus dem Oxalacetat und dem Acetyl-Coenzym A
der C6-Körper Citrat:
Acetyl-CoA + Oxalacetat + H 2O ----> CoA + Citrat
Diese Reaktion (= Kondensation) wird durch das
Enzym Citrat-Synthetase katalysiert.
Enzym:
Citrat-Synthetase
Schritt 2: (reversibel)
Isomerisierung: Citrat - Isocitrat
Enzym:
Aconitase
Hier handelt es sich um eine typische
Isomerisierung. Die Strukturformel des Citrats wird
nur geringförmig geändert, indem eine OH-Gruppe
und ein H-Atom ihren Platz tauschen.
Dadurch gelangt die OH-Gruppe an das zweite CAtom und kann anschließend im dritten Schritt
oxidiert werden. Würde diese OH-Gruppe noch an
der alten Position sitzen, so wäre keine Oxidation
zur Carbonylgruppe C=O möglich (das dritte CAtom von unten ist tertiär)).
Info für Chemiker: Zunächst wird ein
Wassermolekül abgespalten. Es bildet sich eine
C=C-Doppelbindung. (die Verbindung heißt
Aconitat). Dann wird ein Wassermolekül addiert.
Dabei erhält das andere C-Atom die OH-Gruppe.
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Schritt 3: (reversibel)
Oxidation (Dehydrierung) von Isocitrat
Das Isocitrat gibt zwei Wasserstoff-Atome ab und
wird dadurch oxidiert. Die Wasserstoffatome
werden durch NAD aufgenommen.
Das Oxalsuccinat (Oxalbernsteinsäure) wird nicht
freigesetzt, sondern bleibt an dasselbe Enzym
gebunden und wird vom gleichen Enzym sofort zu
Ketoglutarat umgesetzt (Schritt 4).
Enzym:
Isocitrat-Dehydrogenase IDH
Schritt 4: (reversibel)
Decarboxylierung von Oxalsuccinat
Aus Oxalsuccinat (Oxalbernsteinsäure) bildet sich
Ketoglutarat. Dabei wird Kohlendioxid abgespalten.
Insgesamt wurden zu diesem Zeitpunkt bereits
zwei Kohlendioxidmoleküle abgespalten: das erste
bei der Bildung des Acetyl-Coenzym A, das zweite
bei der Bildung von Ketoglutarat. Man bedenke,
dass es das im Citratzyklus gebildete Kohlendioxid
ist, welches wir beim normalen Atmen ausatmen.
Die Isocitrat-Dehydrogenase ist für die beiden
Schritte 3 und 4 verantwortlich.
Enzym:
Isocitrat-Dehydrogenase IDH
Schritt 5: (nicht reversibel)
Bildung von Succinat
Enzyme:
Ketoglutarat-Dehydrogenase (-KGDH)
Succinyl-CoenzymA
Dieser Schritt ist sehr kompliziert, weil eine Vielzahl
chemischer Reaktionen gleichzeitig ablaufen. Ein
einzelnes Enzym reicht zur Beschleunigung der
Reaktion nicht aus, es werden mehrere Enzyme
benötigt, die Hand in Hand arbeiten, ein so
genannter Multienzymkomplex.
Der erste Teilschritt ähnelt in vieler Hinsicht der
Einstiegsreaktion in den Citratzyklus. Dort wurde
Pyruvat auf CoA übertragen, verlor dabei eine
Carboxylgruppe in Form von CO2 , und wurde
gleichzeitig oxidiert, so dass Reduktionsprodukte in
Form von NADH freiwurden.
Genauso ist es hier:
Es wird Ketoglutarat auf CoA übertragen, auch hier
wird Kohlendioxid freigesetzt, und das Substrat
wird ebenfalls oxidiert, so dass NADH gebildet
werden kann. Das Endprodukt des ersten
Teilschrittes heißt Succinyl-Coenzym A.
+
Ketoglutarat + CoA + NAD --->
+
Succinyl-CoA + NADH/H + CO2
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Schritt 6: (nicht reversibel)
Dehydrierung (Oxidation) von Succinat Bildung von Fumarat
Die Succinat-Dehydrogenase oxidiert das Succinat
zu Fumarat. Hauptzweck dieses Schritts ist die G
Gewinnung von Wasserstoff in Form von FADH2 .
Wir erinnern uns:
Der eigentliche Sinn des Zitratzyklus ist die
Bereitstellung von möglichst viel Wasserstoff, damit
die Atmungskette angetrieben werden kann.
Enzym:
Succinat-Dehydrogenase
Schritt 7: (reversibel)
Hydratisierung von Fumarat Bildung von Malat
Es wird ein Wassermolekül an die Doppelbildung
addiert.
Enzym:
Fumarase (Fumarat-Hydratase)
Schritt 8: (reversibel)
Dehydrierung (Oxidation) von Malat Bildung von Oxalacetat
In diesem letzten Schritt des Citratzyklus wird nun
endlich das Oxalacetat regeneriert. Die soeben
angelagerte OH-Gruppe wird oxidiert, es entsteht
+
noch einmal NADH/H .
Die Reaktion läuft nur dann ab, wenn die
Oxalacetat-Konzentration niedrig ist.
Enzym:
Malat-Dehydrogenase MDH
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