Der Energiestoffwechsel eukaryotischer Zellen

Der Energiestoffwechsel
eukaryotischer Zellen
Der Abbau (Katabolismus/Veratmung/Verbrennung)
reduzierter Kohlenstoffverbindungen
(Glukose, Fettsäuren, Aminosäuren) bzw. deren
makromolekularer Speicher (Kohlehydrate, Lipide,
Proteine) ermöglicht die Gewinnung von Energie
(ATP bzw. Reduktionsäquivalente = reduzierte
Elektronencarrier) für jedwede
Lebensvorgänge (Bewegungen, Biosynthesen etc.)
Glykolyse (griech. für glykos „süß“ und lysis „Auflösung)
findet im Cytoplasma statt
Citratcyclus und Atmungskette (respiratory chain) findet
in den Mitochondrien statt
Map of the major metabolic pathways in a typical cell
Zur Aufrechterhaltung der Glykolyse muss Pyruvat abgebaut und NAD+ regeneriert werden
Ein Stau von Pyruvat würde die Glykolyse schnell zum Erliegen bringen; außerdem ist NAD+ nur in
begrenzter Menge verfügbar (Derivat des Vitamins Niacin) und muß regeneriert werden
Glykolyse ist in allen Organismen hoch konserviert bis zum Pyruvat; Umsetzung des Pyruvats ist
unterschiedlich
Hefen u. a.
Mikroorganismen
Alkoholische Gärung
+ H+
Mikroorganismen
(Lactobacillus) und
tierische Zellen (Muskelzellen
unter Sauerstoffmangel
(Milchsäuregärung)
Die alkoholische Gärung
Die Milchsäure-Gärung
Zur Aufrechterhaltung der Glykolyse muss Pyruvat abgebaut und NAD+ regeneriert werden
Ein Stau von Pyruvat würde die Glykolyse schnell zum Erliegen bringen; außerdem ist NAD+ nur in
begrenzter Menge verfügbar (Derivat des Vitamins Niacin) und muß regeneriert werden
Glykolyse ist in allen Organismen hoch konserviert bis zum Pyruvat; Umsetzung des Pyruvats ist
unterschiedlich
+ H+
?
NAD+-Regeneration
In anderen Zellen
unter ausreichender
Sauerstoffversorgung ?
Unter ausreichender Sauerstoffversorgung (aerobe
Bedingungen) findet in vielen anderen Zellen
(Tiere, Pflanzen) ein weiterer Abbau des C-Gerüstes
des Pyruvats unter Energiegewinnung statt
Pyruvat wird aus dem Cytosol in die Matrix der Mitochondrien
transportiert (erfolgt durch einen Pyruvattransportprotein im
Antiport mit OH-)
durch den Pyruvatdehydrogenase-Komplex wird Pyruvat zu
Acetyl-CoA (C2-Körper) umgesetzt und im Citratzyklus durch
zweimalige Decarboxylierung vollständig „verbraucht“
Dabei entstehen weitere Reduktionsäquivalente (NADH/FADH2)
NAD+
Regeneration des NAD+ erfolgt durch Atmungskette
(respiratory chain)
Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
lokalisiert in der Matrix der Mitochondrien
Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
spaltet CO2 ab und oxydiert Pyruvat zu Acetat, welches auf CoenzymA (CoA-SH) übertragen wird;
Reaktion besteht aus Teilreaktionen, die durch einen Multienzymkomplex katalysiert werden
Pyruvatdehydrogenase E1
Transacetylase E2
Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex und CoenzymA (CoA)
Verlust eines weiteren
C-Atoms aus dem C6Körper Glucose zum
Zweck der EnergieGewinnung (NADH+H+)
CoenzymA-SH (CoA)
Kopplung von Acetylgruppe an CoS-SH über eine Thioesterbindung
Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex und die prosthetischen Gruppen
Thiaminpyrophosphat (TPP) und Liponamid
ist eine prosthetische Gruppe der
Pyruvatdehydrogenase-Komponente (E1)
des Komplexes aus drei Enzymen
Thiazolring kann Elektronen aufnehmen
und abgeben
Liponamid is eine prosthetische Gruppe der
Transacetylase (E2) und ist kovalent mit einem
Lysinrest des Enzyms verbunden;
Disulfidbindung kann in S-S-Form (oxydiert) oder
in SH SH-Form (reduziert) vorliegen und so
Elektronen übertragen
Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
Enzym E1 (Pyruvatdehydrogenase) bindet Pyruvat an
Thiaminpyrophosphat unter Abspaltung von CO2,
der Acetylrest bleibt an TPP gebunden
E1 führt auch den Transfer der Acetylgruppe und
von 2 Elektronen auf den Lipoamidarm von Enzym 2
aus (die Disulfidbindung im Liponamidarm wird dabei
reduziert)
Übertragung der Acetylgruppe von TPP (Enzym 1) auf Liponamidarm (Enzym 2)
durch die Pyruvatdehydrogenase-Komponente (Enzym 1)
des Pyruvatdehydrogenase-Komplexes
Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
Enzym E1 (Pyruvatdehydrogenase) bindet Pyruvat an
Thiaminpyrophosphat unter Abspaltung von CO2,
der Acetylrest bleibt an TPP gebunden
E1 führt auch den Transfer der Acetylgruppe und
von 2 Elektronen auf den Liponamidarm von Enzym 2
aus (die Disulfidbindung im Liponamidarm wird dabei
reduziert)
Enzym 2 (Transacetylase) katalysiert die Übertragung
des Acetylrestes von der SH-Gruppe des Liponamids
auf die SH-Gruppe von Coenzym A (CoA-SH)
Übertragung der Acetylgruppe von Liponamidarm (Enzym 2) auf CoA-SH
durch die Transacetylase-Komponente (Enzym 2) des Pyruvatdehydrogenase-Komplexes
Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
Enzym E1 (Pyruvatdehydrogenase) bindet Pyruvat an
Thiaminpyrophosphat unter Abspaltung von CO2,
der Acetylrest bleibt an TPP gebunden
E1 führt auch den Transfer der Acetylgruppe und
von 2 Elektronen auf den Lipoamidarm von Enzym 2
aus (die Disulfidbindung im Liponamidarm wird dabei
reduziert)
Enzym 2 (Transacetylase) katalysiert die Übertragung
des Acetylrestes von der SH-Gruppe des Liponamids
auf die SH-Gruppe von Coenzym A (CoA-SH)
Enzym 3 (Dehydrogenase) katalysiert die Übertragung
von 2 H und 2 Elektronen auf die prosthetische
Gruppe FAD am Enzym 3; d.h. Liponamid wird wieder
oxydiert (recycelt) und FAD zu FADH2 reduziert;
Danach reduziert Enzym 3 NAD+ zu NADH+H+ und
recycelt somit oxydiertes FAD
Reduziertes NADH+H+ wird dann in der Atmungskette
zur ATP-Gewinnung genutzt
Danach startet eine neue Umsetzung von Pyruvat an E1
Regeneration des oxydierten Liponamidarms an E2 durch gleichzeitige Reduktion von
FAD an E3 (wird katalysiert durch die Dehydrogenase-Komponente des
Pyruvatdehydrogenase-Komplexes
Danach Re-Oxidation von FADH2 zu FAD unter Gewinnung des Reduktionsäquivalentes
NADH+H+ und somit vollständige Wiederherstellung des Ausgangszustandes des
Pyruvatdehydrogenase-Komplexes (E1/E2/E3)
Unter ausreichender Sauerstoffversorgung (aerobe
Bedingungen) findet in vielen anderen Zellen
(Tiere, Pflanzen) ein weiterer Abbau des C-Gerüstes
des Pyruvats unter Energiegewinnung statt
Pyruvat wird aus dem Cytosol in die Matrix der Mitochondrien
transportiert (erfolgt durch einen Pyruvattransportprotein im
Antiport mit OH-)
durch den Pyruvatdehydrogenase-Komplex wird Pyruvat zu
Acetyl-CoA (C2-Körper) umgesetzt und im Citratzyklus durch
zweimalige Decarboxylierung vollständig „verbraucht“
Dabei entstehen weitere Reduktionsäquivalente (NADH/FADH2)
NAD+
Regeneration des NAD+ erfolgt durch Atmungskette
(respiratory chain)
Der Zitronensäurezyklus/Tricarbonsäure (TCA)-Zyklus/Krebs-Zyklus
Citratzyklus
Citrat = Salz der Zitronensäure
Oxidation von C2-Einheiten (Decarboxylierungen) unter Gewinn von GTP und energiereichen Elektronen in
Form von Reduktionsäquivalenten
Die Citratsynthase-Reaktion
Anlagerung von AcCoA an Oxalacetat und Bildung von Citrat ist eine 2-Stufenreaktion; zuerst erfolgt
Bildung von Citryl-CoA (Kondensation) und nachfolgend eine Hydrolyse, in der CoA und Citrat frei werden
energetisch günstig, da bei Spaltung der Thioesterbindung in AcCoA Energie frei wird und partiell in Citrat
gespeichert bleibt
Die Citratsynthase-Reaktion
His274 (aktives Zentrum der Citratsynthase) überträgt ein Proton auf Carbonylsauerstoff des AcCoA;
dadurch wird ein Methylproton am AcCoA gelockert und auf Asp 375 (aktives Zentrum der Citratsynthase)
Übertragen
Oxalacetat wird aktiviert durch Übertragung eines Protons von His320 (aktives Zentrum der Citratsynthase)
auf seinen Carbonylkohlenstoff
Enolbindung ermöglicht Knüpfung einer C-C Bindung zwischen Carbonylkohlenstoff des Oxalacetats und
AcCoA (ergibt Citryl-CoA)
Die Isocitratbildung (Aconitase-Reaktion)
Energiegewinnung im Citratzyklus wird ermöglicht über Abbau des reduzierten C-Gerüsts von Citrat und
Regeneration des Oxalacetats
Regeneration des Oxalacetats erfolgt durch zweimalige Decarboxylierung (C6-C5-C4) und Oxidation des
C-Gerüstes
Die Decarboxylierung von Citrat ist stereochemisch ungünstig,
da tertiäre OH-Gruppe ungünstig angeordnet ist
Um den oxidativen Abbau des C-Gerüstes zur Energiegewinnung zu
ermöglichen, wird aus Citrat Isocitrat gebildet
Aconitase ermöglicht die Isomerisierungsreaktion durch Dehydratisierung
(Wasserabspaltung) und darauffolgende Hydratisierung (Wasseranlagerung)
Die Isocitratdehydrogenase-Reaktion
Die Isocitratdehydrogenasereaktion ist die erste von vier Dehydrogenase-Reaktionen, in denen
das C-gerüst des Citrates schrittweise oxidiert wird und reduzierte (energiereiche)
Reduktionsäquivalente geschaffen werden
1. Schritt: oxidative Decarboxylierung des Isocitrats zum α-Ketoglutarat (2-Oxoglutarat);
Elektronen werden auf NAD+(ox.) übertragen,
welches dadurch reduziert wird zu NADH+H+
Die α-Ketoglutaratdehydrogenase-Reaktion
Die α-Ketoglutaratdehydrogenasereaktion ist die zweite von vier Dehydrogenase-Reaktionen, in denen
das C-gerüst des Citrates schrittweise oxidiert wird und reduzierte (energiereiche)
Reduktionsäquivalente geschaffen werden
2. Schritt: oxidative Decarboxylierung vom α-Ketoglutarat (2-Oxoglutarat) zu Succinyl-CoA;
Elektronen werden auf NAD+(ox.) übertragen,
welches dadurch reduziert wird zu NADH
enzymatischer Mechanismus und Struktur des Enzymkomplexes
fast identisch mit Pyruvatdehydrogenase-Komplex (Schaffung von
AcCoA)
Die Succinyl-CoA-Synthetase-Reaktion
Die Succinyl-CoA-Synthetase-Reaktion katalysiert die Bildung von GTP (endergone Reaktion !)
Dies wird ermöglicht durch den Energiegehalt der Thioesterbindung, der höher liegt als die zur
GTP-Bildung benötigte Energie (Gesamtreaktion exergon)
2-Schritt-Reaktion: im 1. Schritt wird CoA gegen P ausgetauscht und es entsteht Succinylphosphat
(Umwandlung der energiereichen Thioesterbindung in ein hohes PhosphatgruppenÜbertragunspotential (Succinylphosphat ist energiereich und hat damit
ein hohes Phosphatgruppenübertragungspotential)
Danach wird im 2. Schritt das Phosphat auf GDP übertragen
und es entsteht der C4-Körper Succinat, der weiter oxidiert
wird zu Oxalacetat (Recycling);
dabei entstehen weitere 2 Reduktionsäquivalente
Die Regeneration von Oxalacetat durch Oxidation von Succinat
Succinat-DH
Fumarase
Malat-DH
Die Succinatdehydrogenasereaktion ist die dritte und die Malatdehydrogenasereaktion die vierte von vier
Dehydrogenasereaktionen, in denen das C-gerüst des Citrates schrittweise oxidiert wird und reduzierte
(energiereiche) Reduktionsäquivalente geschaffen werden
3. Schritt: Oxidation von Succinat zu Fumarat
Elektronen werden auf FAD(ox.) übertragen,
welches dadurch reduziert wird zu FADH2
4. Schritt: Oxidation von Malat zu Oxalacetat
Elektronen werden auf NAD+(ox.) übertragen,
welches dadurch reduziert wird zu NADH+H+
Die Bilanz des Citratzyklus pro Mol AcCoA
Metabolon
Die Regulation des Citratzyklus erfolgt auf
verschiedenen Ebenen
Regulation der PDH erfolgt sowohl allosterisch
durch Endprodukte (NADH+H+ und AcCoA)
als auch durch reversible Phosphorylierung/
Dephosphorylierung
Regulation des Citratzyklus
insbesondere durch Ausgangsstoffe
bzw. Endprodukte der beiden
Decarboxylierungsreaktionen
Der Citratzyklus ist Ausgangspunkt vieler Biosynthesen
Der Energiestoffwechsel
eukaryotischer Zellen
Der Abbau (Katabolismus/Veratmung/Verbrennung)
reduzierter Kohlenstoffverbindungen
(Glukose, Fettsäuren, Aminosäuren) bzw. deren
makromolekularer Speicher (Kohlehydrate, Lipide,
Proteine) ermöglicht die Gewinnung von Energie
(ATP bzw. Reduktionsäquivalente = reduzierte
Elektronencarrier) für jedwede
Lebensvorgänge (Bewegungen, Biosynthesen etc.)
Glykolyse (griech. für glykos „süß“ und lysis „Auflösung)
findet im Cytoplasma statt
Citratcyclus und Atmungskette (respiratory chain) findet
in den Mitochondrien statt