Der Citratzyklus

Der Citratzyklus
(= Trikarbonsäurezyklus, Krebszyklus)
• Biochemischer Kreisprozeß
• Ablauf in der mitochondrialen Matrix
Glykolyse
β-Oxidation
AS-Abbau
Atmungskette
Der Citratzyklus
Der Citratzyklus: Übersicht
Acetat (Acetyl-CoA)
Citrat
Oxalacetat
Oxidative
Decarbocylierung
Oxidative
Decarbocylierung
Reduktionsequivalente (3 x NADH, 1 x FADH2) werden in der Atmungskette
unter ATP Bildung verbraucht
Citrat entsteht durch Kondensation von
Oxalacetat und Acetyl-CoA:
Citrat wird zu Isocitrat isomerisiert:
Gleichgewicht der Reaktion liegt auf Seite des Citrat, jedoch wird
Isocitrat aus der Reaktion entfernt!
Isocitrat wird durch Oxidation und
Decaboxylierung in α-Ketoglutarat übergeführt:
Gewinnung von Reduktionsequivalenten:
Isocitrat + NAD+
α-Ketoglutarat + CO2 + NADH + H+
Decarboxylierung verschiebt GG der Reaktion!
Succinyl-CoA entsteht durch oxidative
Decarboxylierung von α-Ketoglutarat:
α-Ketoglutarat Dehydrogenase Komplex:
Multienzymkomplex, aus 3 Enzymen, ähnlich
dem Pyruvat Dehydrogenase Komplex
Oxidative Decarboxylierung, es entsteht Succinyl-CoA
(vgl. Ox. Decarboxylierung v. Pyruvat: es entsteht Acetyl-CoA)
Produkthemmung (durch Succ-CoA) möglich!
Regeneration von Oxalactetat durch
Oxidation von Succinat :
‚Umwandlung‘ chemischer Energie:
Thioesterbindung (Succ-CoA) ⇒ Phosphatesterbindung
Regeneration von Oxalactetat durch
Oxidation von Succinat :
Gewinnung von
Reduktionsequivalenten
Citratzyklus: Bilanzgleichung
Acetyl-CoA + GDP + Pi
→
2 CO2 + GTP + 8[H] + CoA-SH
Die Kontrolle des Citratzyklus:
Allosterische
Hemmung der
Citrat-Synthase
durch ATP
Allosterische
Aktivierung der
IsocitratDehydrogenase
durch ADP
Produkthemmung, Hemmung
durch hohe Energieladung
Der Citratzyklus als Sammelbecken
des Stoffwechsels:
Anaplerotische Reaktionen (Auffüllreaktionen):
Zwischenprodukte des Citratzyklus dienen als Vorstufen
für die Biosynthese zahlreicher Verbindungen
Fehlende Zwischenprodukte müssen gebildet werden!
Endoxidation - Atmung
• Erfolgt in der Maschinerie der Atmungskette
• Enzyme der Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran
• Oxidation gekoppelt mit Phosphorylierung = Oxidative Phosphorylierung
• Wichtigster Prozess zur ATP Generierung
• e- werden von Reduktionsequivalenten auf O2 übertragen
Die mitochondriale Atmungskette
• Besteht aus vier Enzymkomplexen, die durch zwei mobile eCarrier verbunden sind
• Kette von Redoxreaktionen, wobei Wasserstoff und e- von
Verbindungen mit negativen Potential (e- - Druck) auf
solche mit positiven Potential (e- - Affinität) übertragen
• Freiwerdende Energie wird als ATP gewonnen
• Wasserstoff + e- werden von NADH + H+ auf O2 übertragen:
Überträger von Reduktionsequivalenten:
Nicotinamidadenindinucleotid
NAD+ ist ein beweglicher Überträger von Wasserstoff bzw. Elektronen
Oxidation und ATP-Synthese sind über
transmembrane Protonenflüsse gekoppelt:
• Stufenweiser Transport von e- auf O2 bewirkt hinauspumpen von H +
aus der Matrix
• Protonenmotorische Kraft entsteht (pH-Gradient und elektrisches
Potential)
• Rückfluß der H+ bewirkt Phosphorylierung von ADP zu ATP
Oxidation und ATP-Synthese sind über
transmembrane Protonenflüsse gekoppelt:
Intermembranraum
Innere
Mitochondrienmembran
Mitochondriale
Matrix
Enzymkomplex I:
NADH-Q-Reduktase (NADH-Dehydrogenase)
• Übertragung der e- von NADH auf die prosthetische
Gruppe, Flavinmononukleotid
NADH + H+ + FMN → FMNH2 + NAD+
Mobiler e- Carrier I: Coenzym Q (Ubichinon)
FMNH2 + Q → FMN + QH2
NADH-Q Reduktase enthält EisenSchwefel Cluster, Fe wechselt zwischen
Fe3+ und Fe2+
e- von FADH2 (siehe Citratzyklus)
können hier auf Q übertragen werden
(Durch Enzymkomplex II (SuccinatDehydrogenase)
Enzymkomplex III:
Cytochrom-Reduktase (Ubichinol-Cytochrom-c-Reduktase)
eQH2 → Cytochrom b → Cytochrom c
Mobiler e- Carrier II
Cytochrom: e- übertragendes Protein
mit Häm als prosthetische Gruppe:
Enzymkomplex IV:
Cytochrom-Oxidase (Ubichinol-Cytochrom-c-Oxireduktase)
eCytochrom c → Cytochrom a3 → O2
½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O
e- - Druck
e- - Affinität
Ubichinon (Co-Enzym Q): Der Q-Pool
¾Sammelbecken für H+ und e- aus
NADH, Succinat u. Fettsre. Abbau
¾Beweglichkeit innerhalb der
Membran durch lipophilen Charakter
Ubichinon
Oxidation und ATP-Synthese sind über
transmembrane Protonenflüsse gekoppelt:
•
Stufenweiser Transport von e- auf O2 bewirkt hinauspumpen von H+ aus der Matrix
•
Protonenmotorische Kraft entsteht (pH-Gradient und elektrisches Potential)
• Rückfluß der H+ bewirkt Phosphorylierung von ADP zu ATP:
• Atmungskettenphosphorylierung (Oxidative Phosphorylierung)
Energiebilanz: Glukose → H2O + CO2
Palmitat (C16):
ATP BOOKKEEPING
7 cycles x 17 ATP/cycle
119
"left over" acetyl CoA
12
ATP and PPi
used to "activate"
the fatty acid
-2
NET ATP Potential
129
200 g Glukose → ca. 40 mol ATP ( 1200 kJ)
200 g Fett
→ ca. 100 mol ATP ( 3000 kJ)
Atmungsquotient:
Verhältnis von aufgenommenen O2 und abgegebenem CO2
Veratmung von Glukose:
C6H12O6 + 6O2 → 6H2O + 6CO2
1,0
Veratmung von Fettsäure (z.B. Palmitinsäure):
Palmitinsre. + 23O2 → 16H2O + 16CO2
0,7
Atmungsquotient:
Veratmung von Proteinen: ~ 0,8
Sauerstoffreichere Verbindungen als Glukose
(z.B. Oxalsäure): > 1,0
Wichtige Messgröße, Rückschlüsse auf Art des
Stoffwechsels möglich
Energiegewinn durch Gärung
Atmung: e- werden auf O2 übertragen
Gärung: e- werden auf org. Moleküle übertragen
Energieausbeute bei Gärung ist viel geringer!
Verwertung von Glukose:
Milchsäuregärung
Atmung
Alkoholische Gärung
Milchsäuregärung:
Pyruvat + NADH + H+
→
Laktat + NAD+
Laktatdehydrogenase (Oxireduktase)
Glykolyse: Reduktionsequivalente entstehen, NAD+
wird verbraucht
⇒
NAD+ muss regeneriert werden, um
Glykolyse aufrecht zu erhalten!
Milchsäuregärung:
Obligat anaerob: Bakterien (Milchsäurebakterien)
Fakultativ anaerob: Säugetiere, Mensch
O2-Mangel
Laktatbildung
Blut
Leber
* Abbau zu CO2 + H2O
* Glukoneogenese
Alkoholische Gärung:
Hefe, Pilze, höhere Pflanzen: Fakultativ anaerob
Stoffwechselanpassung bei Abwesenheit von O2
Glukose + 2 Pi + 2 ADP → 2 Ethanol + 2 CO2 + 2 H2O + 2 ATP
Alkoholische Gärung:
Decarboxylierung
NAD+ Regeneration