9-Stoffwechsel IIa

Inhaltsverzeichnis - Kapitel
1. Einleitung: Die Chemie des Lebens
2. Kohlenhydrate
3. Lipide und Membranen
4.  Nukleinsäuren
5. Aminosäuren und Proteine
6. Enzyme und Katalyse 7. Vitamine & Kofaktoren
8.  Stoffwechsel I: Kohlenhydratstoffwechsel
9. Stoffwechsel II: Citratcyclus & oxidative Phosphorylierung
10.Stoffwechsel III: β-Oxidation & Aminosäureabbau
11.Stoffwechselphysiologie & Ernährungsbiochemie
1
2
Überblick Glucosestoffwechsel
Stoffwechsel II
Glykogenspeicher:
ca. 1 kg (Leber/Muskel), ca. 1 Tag
5 mM Blutglucose!
Blutzuckerwert:
•  Konz. an gelöster Glukose im Blut
•  durch Insulin gelangt Glukose aus dem
Blut in die Zelle -> Glykolyse
Nüchtern-Blutzuckerwert im Blutplasma:
< 100 mg/dl (5,6 mmol/l)
Nach dem Essen (postprandial):
max.140 mg/dl (7,7 mmol/l)
3
Der Citratzyklus
Stoffwechsel II
Der Citratzyklus (Krebs-Zyklus) ist ein
zentraler
Kreislauf
biochemischer
Reaktionen im Stoffwechsel aerober
Zellen.
Er
dient
dem
oxidativen Abbau
organischer Stoffe zum Zweck der
Energiegewinnung und der Bereitstellung
von Zwischenprodukten für Biosynthesen.
-> Der Citratzyklus vollendet damit die
Oxidation
des
glykolytischen
Endprodukts Pyruvat zu Kohlendioxid.
4
Rolle des Citratzyklus im Stoffwechsel
Stoffwechsel II
Das beim Abbau von Fetten,
Zuckern und Aminosäuren
als
Zwischenprodukt
entstehende
Acetyl-CoA
wird im Citratzyklus zu CO2
und H2O abgebaut, wobei
für den Anabolismus des
Organismus
nutzbare
Zwischenprodukte gebildet
werden und direkt (als ATP)
und
indirekt
(als
Reduktionsäquivalente
NADH & FADH2) Energie
gebildet wird.
5
Citratzyklus = Krebszyklus
Stoffwechsel II
Nobelpreis für Medizin/Physiologie 1953
Die zyklische Natur des
Citratzyklus wurde in den
1930iger Jahren von
Sir Hans Krebs entdeckt
(daher
oft
auch
als
„Krebszyklus“ bezeichnet!)
Sir Hans Krebs
(1900-1981)
„For his discovery of
the citric acid cycle“
6
Lokalisation des Citratzyklus
Stoffwechsel II
In Eukaryonten findet der Citratzyklus in der sog. Matrix der Mitochondrien statt:
7
Überblick Citratzyklus
Stoffwechsel II
Die 8 Reaktionen überführen Acetyl-CoA in Kohlendioxid (CO2) + Wasser (H2O).
Die freiwerdende Energie wird in Form von NADH, FADH2 und GTP gespeichert:
3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + Acetyl-CoA + 2 H2O
3 NADH + FADH2 + GTP + CoA + 2 CO2 + 3 H+
Die im Citratzyklus gewonnenen, an NADH und FADH2 gebundenen Elektronen werden
der Atmungskette zugeführt und auf den Elektronenakzeptor Sauerstoff (O2) übertragen
-> Oxidative Phosphorylierung.
Die dabei frei werdende Energie wird genutzt, um ATP zu bilden -> dabei entstehen aus
NADH ca. 3 ATP und aus FADH2 ca. 2 ATP.
8
Der Citratzyklus
Stoffwechsel II
Cytoplasma
Mitochondriale Matrix
Das erste Intermediat im
Citratzyklus ist Citrat (Name!)
9
Teilschritte des Citratzyklus
Stoffwechsel II
10
Synthese von Acetyl-CoA
Stoffwechsel II
Der Treibstoff für den Citratzyklus ist Acetyl-CoA, ein „energiereicher“ Thioester.
Das Endprodukt der Glykolyse Pyruvat kann zu Acetyl-CoA umgewandelt werden.
Diese Umwandlung erfolgt über den Pyruvatdehydrogenase-Komplex in fünf
aufeinanderfolgenden Reaktionsschritten, die wie folgt zusammengefasst werden können:
PDH Komplex
Pyruvat + NAD+ + CoA
Acetyl-CoA + CO2 + NADH
11
Der Pyruvatdehydrogenase Multienzymkomplex
Stoffwechsel II
Drei Enzyme sind an der irreversiblen oxidative Decarboxylierung
von Pyruvat zu Acetyl-CoA beteiligt:
•  Pyruvatdehydrogenase (E1)
•  Dihydrolipoyltransacetylase (E2)
•  Dihydrolipoyldehydrogenase (E3)
Diese drei Enzyme bilden einen gemeinsamen Multienzymkomplex.
Durch die Generierung von Acetyl-CoA aus Pyruvat wird eine Verbindung
zwischen der Glykolyse und Citratzyklus hergestellt.
12
Struktur des Multienzymkomplexes
Stoffwechsel II
Der PDH-Multienzymkomplex ist einer der größten Enzymkomplexe mit einer
Masse von 4,6 - 9,5 MDa und
einem Durchmesser von 300 - 500 Å (30 - 50 nm).
Der Kern des Komplexes besteht aus
24-60 Molekülen E2
(Dodekaeder-Struktur).
Der Kern ist von 24-30 Molekülen
E1 (orange) und 12 Molekülen E3 (pink)
umgeben.
13
Vorteile von Multienzymkomplexen
Stoffwechsel II
Der Vorteil von Multienzymkomplexen im Vergleich zu einzelnen Enzymaktivitäten
besteht vor allem in Folgendem:
•  Kurze Distanz ermöglicht eine Beschleunigung der Reaktionsraten
•  Produkt einer Reaktion kann direkt als Substrat für die nächste Enzymreaktion dienen
(„substrate channeling“); dadurch wird ein Verlust vermieden!
•  Koordinierte Kontrolle der Gesamtreaktion
14
Coenzyme in der Pyruvatdehydrogenase
Stoffwechsel II
An den enzymatischen Reaktionen sind zahlreiche Cofaktoren beteiligt:
Coenzym
Schritt
Funktion
Thiaminpyrophosphat
(Vitamin B1, TPP)
gebunden an E1
Decarboxyliert Pyruvat unter
Ausbildung eines TPP-Carbanions
(Hydroxyethyl-TPP)
Liponsäure
kovalent gebunden
an E2
übernimmt Hydroxyethyl-Gruppe
nach Oxidation zu Acetylgruppe
von TPP (es entsteht die E-reiche
Thioesterverb. S-Acetylliponamid)
Coenzym A (CoA)
Substrat für E2
übernimmt die Acetylgruppe
vom Liponsäureamid und wird
zu Acetyl-CoA
Flavinadenindinucleotid (FAD)
gebunden an E3
reoxidiert das Dihydroliponamid zu
Liponsäureamid
Nicotinamidadenindinucleotide (NAD+)
Substrat für E3
wird von FADH2 reduziert, wodurch
dieses wieder regeneriert wird
15
Die 5 Reaktionen des PDH-Komplexes
Stoffwechsel II
FAD
OH
H 3C
CO2
1
C
TPP
pyruvate
dehydrogenase
(E1)
S
SH
S
dihydrolipoyl
dehydrogenase
(E3)
lipoamide
H3 C
C
O
C
H
NA DH +
5
R
FAD
S
4
2
O
+
NA D
SH
S
S
dihydrolipoyl
transacetylase
(E2)
TPP
O
H
S
R
O
H3C
C
O
3
S
H 3C
C
S
Co A
acety l-CoA
H
S
R
Co A
16
Kovalente Verknüpfung der Liponsäure mit E2
Stoffwechsel II
Die Liponsäure ist über eine
Lysinseitenkette kovalent
mit E2 verbunden.
Dadurch
kann
die
Liponsäure
die
aktiven
Zentren von E2 und E3
erreichen.
17
Regulation und Hemmung der PDH
Stoffwechsel II
Regulation
Hemmung / Inaktivierung:
•  Hemmung durch die Endprodukte Acetyl-CoA und NADH (Produkthemmung)
•  Inaktivierung durch Phosphorylierung von 3 Serinresten der E1-Untereinheit durch eine
Pyruvatdehydrogenase-Kinase (PDK)
Aktivierung / Stimulierung:
•  Stimulierung durch Calcium- sowie Magnesiumionen
•  Aktivierung durch Aufhebnung der Serin-Phosphorylierung über die Phosphopyruvatdehydrogenase-Phosphatase (PDP)
Hemmstoffe
Toxisch: Arsen(III)-Verbindungen wie Arsenit (AsO33−), organische Arsenverbindungen
18
Zur Toxizität von Arsen
Stoffwechsel II
Die Toxizität von Arsen beruht auf der Reaktivität von Arsenit und organischen
Arsenverbindungen mit Thiolgruppen, wie z. B. mit Dihydroliponamid:
-> kovalente Verbindungen mit Thiolgruppen
-> inaktivieren Dihydroliponamid
Inhibition der Pyruvat-Dehydrogenase
(und der α-Ketoglutaratdehydrogenase)
blockiert die Atmung!
Bakterielle Enzyme sind empfindlicher
für
Arsen-Verbingungen
(siehe
Entwicklung von „Salvarsan“)
19
Liponsäurederivate in Pflanzen
Stoffwechsel II
Hauptbestandteile:
1.2-Dithiolan-4-carbonsäure
(Spargelsäure) und Methylester
O
1.2-Dithiol
S
S
S
C
O CH3
S
O
S
C
OH
S
Asparagus officinalis
ENZYMATISCHER ABBAU
S
S
C
CH3
O
S-Methylthioacrylat
H3C
(Liliaceae)
S
C
CH3
O
S-Methyl-3-(methylthio)
thiopropionat
•  Übelriechende Substanzen, mit Urin ausgeschieden
•  ca. 40% der Menschen besitzen erforderliche Enzyme
20
1. Schritt: Citratsynthase
Stoffwechsel II
Die Citratsynthase katalysiert
die KONDENSATION von Acetyl-CoA und Oxalacetat zu Citrat:
(Säure-Base-Katalyse: Asparaginsäurerest 375 als katalysierende Base, His320 als Säure):
21
2. Schritt: Aconitase
Stoffwechsel II
Die Aconitase katalysiert die ISOMERISIERUNG von Citrat zu Isocitrat:
COO
CH 2
HO
C
H 2O
O
H2
C
COO
citrate
C
O
COO
CH
C
H 2O
O
H2
C
C
O
COO
HO
H
CH
C
O
H2
C
COO
COO
cis-aconitate
isocitrate
C
O
Die Anwesenheit eines Eisen-SchwefelClusters als Cofaktor entscheidet über die
Funktion der Aconitase. Die spezifische
Konformation des Enzyms mit dem [4Fe-4S]Cluster lässt die Reaktion stereospezifisch
vom achiralen Citrat ausschließlich zum
(1S,2R)-Isocitrat ablaufen.
22
Fluoressigsäure hemmt die Aconitase
Stoffwechsel II
Fluoressigsäure wird als Natriumfluoroacetat (Natriumsalz der Fluoressigsäure) zur
Bekämpfung von Nagetieren in Giftködern verwendet.
Natürlicherweise ist das Salz in über 40 Pflanzen Australiens, Brasiliens und Südafrikas
enthalten („Fraßgift“):
•  Zum Beispiel findet es sich als giftiger Inhaltsstoff in den Blättern des südafrikanischen
Strauches „Gifblaar“ (Dichapetalum cymosum). Bereits ein Blatt kann ein Schaf töten.
•  Pflanzen wie Gastrolobium & Oxylobium enthalten bis zu 2.65 g Fluoressigsäure pro kg
Blattfrischgewicht.
•  In kleinen Mengen kommt die Verbindung auch in Teeblättern vor.
Gastrolobium bilobum (Leguminaceae)
-> „Heart leaved poison“
23
Fluoressigsäure: Letale Biosynthese
Stoffwechsel II
Fluoressigsäure ist an sich nicht toxisch, wird aber über die Citratsynthase in einen
toxischen Metaboliten umgewandelt.
Dieser bindet als „Pseudosubstrat“ an die Aconitase.
Die Aconitase kann jedoch
Fluorocitrat nicht in Aconitat
umwandeln, und dadurch wird der
Citratzyklus gehemmt und die
Zellen
von
der
E-Zufuhr
abgeschnitten!
O
fluoroacetic acid
H2 C
C
OH
F
HSCoA
O
fluoroacetyl-CoA
H2 C
C
SCoA
F
O
OOC
C
CH 2
H2
C COO
oxaloacetate
COO
HO
citrate synthase
C
metabolic block!
F
C
H
COO
O
CH 2
C O
C
COO
fluorocitrate
aconitase
O
H
C
C O
COO
aconitate
24
Toxizität der Fluoressigsäure
Stoffwechsel II
Die meisten Warmblüter werden durch Fluoressigsäure vergiftet.
Durchschnittlich sind bei Warmblütlern 1mg/kg Körpergewicht tödlich:
Die letale Dosis beträgt für Menschen etwa 5 mg/kg.
Bei Maus oder Ratte liegt die Dosis bei 0,1 mg/kg.
Ausnahme Kängurus:
Kängurus haben eine Toleranz für
Fluoressigsäure entwickelt, die auf eine
Entgiftung durch Glutathion beruht!
Kangaroo (Bettongia spp.)
25
3. Schritt: Isocitratdehydrogenase
Stoffwechsel II
Isocitratdehydrogenase katalysiert die OXIDATIVE DECARBOXYLIERUNG
von Isocitrat zu α-Ketoglutarat:
Mn2+-katalysiert
Diese Reaktion setzt das erste von zwei CO2 Molekülen im Citratzyklus frei.
Die Isocitratdehydrogenase-Reaktion ist ähnlich der Phosphogluconat-DehydrogenaseReaktion im Pentosephosphatweg (siehe Kapitel 8).
Wie jede Dehydrogenase ist auch die Isocitrat-Dehydrogenase durch ATP bzw. ADP
regulierbar: ATP bewirkt indirekte Hemmung, ADP indirekte Aktivierung.
26
4. Schritt: α-Ketoglutaratdehydrogenase
Stoffwechsel II
α-Ketoglutaratdehydrogenase (Komplex!) katalysiert die OXIDATIVE DECARBOXYLIERUNG
von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA:
COO
CH2
H
C
NAD+
COO
NADH + H
H
CH2
H
O C
H
C
C
O
C
CoA-SH
O
CO2
S-CoA
succinyl-CoA
α-ketoglutarate
Die α-Ketoglutaratdehydrogenase-Reaktion ist
quasi identisch mit der Pyruvat-DehydrogenaseReaktion -> ähnliche Multienzym-Komplexe:
2-Ketoglutarat-Dehydrogenase
Dihydrolipoamid-Succinyltransferase
Dihydrolipoamid-Dehydrogenase
O
Diese Reaktion setzt das
zweite CO2 Molekül frei!
E1
E2
E3
27
5. Schritt: Succinyl-CoA Synthetase
Stoffwechsel II
Succinyl-CoA Synthetase koppelt die HYDROLYSE eines „energiereichen“ Thioesters
an die HERSTELLUNG einer „energiereichen“ Anhydridverbidnung (GTP):
Succinyl-CoA + GDP + Phosphat = Succinat + GTP + CoA
28
6. Schritt: Succinatdehydrogenase
Stoffwechsel II
Bis zu diesem Schritt wurden 2 CO2, 2 NADH und ein GTP gebildet.
Die letzten Schritte beinhalten die Rückbildung von Oxalacetat aus Succinat.
Zunächst wird über die Succinatdehydrogenase Succinat zu Fumarat
DEHYDROGENIERT.
E-FAD
E-FADH2
COO
H C
H
H
COO
C
H
C
C H
H
OOC
COO
succinate
fumarate
29
Besonderheiten der Succinatdehydrogenase
Stoffwechsel II
Im Gegensatz zu den meisten
anderen Flavoproteinen (Vitamin B2)
enthält das Enzym ein kovalent
verknüpftes FAD:
enzyme
CH2
N
R
N
9
H2 C
8
7
H3 C
6
N
10
5
N
1
N
O
2
4
NH
3
O
Citratzyklus
Die Succinatdehydrogenase, genauer Succinat:
Ubichinon-Oxidoreduktase (= Komplex II der
Atmungskette), ist als einziges Enzym des
Citratzyklus in der inneren Mitochondrienmembran
eingebettet und speist die Elektronen direkt in die
Atmungskette ein.
30
Besonderheiten der Succinatdehydrogenase
Stoffwechsel II
Das Enzym katalysiert also nicht nur die Oxidation von Succinat zu Fumarat im
Citratzyklus, sondern auch die Reduktion von Ubichinon (Coenzym Q) zu Ubichinol in
der Atmungskette.
Die REDOX-Kette der Succinatdehydrogenase:
Reoxidation von FADH2 erfolgt über eine Kette von Elektronenübertragungen über 3
Fe/S-Cluster zum Cytochrom b556. Letzteres reduziert Ubiquinon (Coenzym Q) zu
Ubiquinol.
31
7. Schritt: Fumarase
Stoffwechsel II
Fumarase katalysiert die HYDRATATION (Addition von Wasser)
von Fumarat zu Malat:
OH
H
COO
C
H
H
H
H
H
fumarate
C
OOC
C
OH
H
COO
C
C
C
OOC
COO
OOC
OH
H
malate
carbanion transition state
32
8. Schritt: Malatdehydrogenase
Stoffwechsel II
Im letzten Schritt des Citratzyklus wird Malat zu Oxalacetat
DEHYDROGENIERT (oxidiert):
H
H
NAD+
NADH + H+
COO
H
H
C
OOC
COO
C
C
C
OH
OOC
H
O
oxaloacetate
malate
33
Zusammenfassung
Stoffwechsel II
Die Oxidation einer Acetylgruppe setzt
1 GTP frei.
Weiters entstehen 8 Elektronen, die zur
Reduktion von 3 NAD+ und 1 FAD
benutzt werden:
Diese 3 NADH und 1 FADH2 werden in
der Atmungskette zur Erzeugung von
3 Molekülen ATP pro NADH und 2 pro
FADH2 genutzt.
Damit werden 12 Moleküle ATP pro
Durchgang im Citratzyklus gewonnen
(24 pro Molekül Glucose).
Es entstehen also 38 Moleküle ATP
beim aeroben Abbau der Glucose (nur 2
unter anaeroben Bedingungen!).
34
Regulation des Citratzyklus
Stoffwechsel II
Citratsynthase, Isocitratdehydrogenase
und
α-Ketoglutarat-dehydrogenase
werden durch folgende Faktoren reguliert:
1.  Verfügbarkeit von Substrat
2.  Produktinhibition
3.  Kompetitive Rückkopplung
Acetyl-CoA, Citrat und Succinyl-CoA
wirken als Produktinhibitoren.
ATP und Succinyl-CoA
kompetitive Rückkoppler.
wirken
NADH spielt eine
Produktinhibitor als
(siehe Schema).
sowohl als
Rückkoppler
Rolle
auch
als
35
Wechselwirkungen mit anderen Stoffwechselwegen
Stoffwechsel II
Metaboliten des Citratzyklus
spielen auch eine Rolle für
andere Stoffwechselwege, wie
z. B. Oxalacetat für die
Gluconeogenese (amphiboler
Charakter).
Andere
Reaktionen
liefern
Metabolite des Citratzyklus an.
Diese
werden
als
anaplerotische
Reaktionen
bezeichnet.
Beispiele sind der Abbau von
bestimmten Aminosäuren und
die
PyruvatcarboxylaseReaktion).
36