05. Citratzyklus

• Transport von Pyruvat ins Mitochondrium

• Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA durch Redoxreaktionen

• der Zyklus oxidiert C2 Einheiten, produziert 2 CO2, ein GTP, 3 NADH und 1 FADH2 aus einem C2 Körper

1. Acetyl-CoA (C2) bindet an Oxalacetat (C4) und bilden einen C6 Körper (Citrat)

2. Citrat gibt 2 CO2 durch Oxidation ab und wird zu einem C4 Körper

3. dieser C4 Körper wird dann wieder zu Oxalacetat umgewandelt

—> 2 Kohlenstoffatome gehen als Acetyl-CoA in den Citratzyklus und gehens als 2 CO2 raus

• bringt keine große Menge ATP

• verbraucht keinen Sauerstoff

• entfernt Elektronen aus dem Acetyl-CoA und verwendet diese zur Bildung von FADH2 und NADH, die später in der Atmungskette zur Bildung eines Protonengradienten führt, oder in der oxidativen Phosphorylierung oxidiert werden und ATP liefern

• Oxidationsmittel, kann durch die aufnahme von 2e- ud einem H+ reduziert werden

• dient in der reduzierten Form als energielieferndes Coenzym der Atmungskette, wobei ATP generiert wird

• im Mitochondrium

• oxidative Decarboxylierung durch die Pyruvat-Dehydrogenase

• diese Reaktion ist irreversibel, Verbindung von Glykolyse und Citratzyklus

Pyruvat + CoA-SH + NAD+ —> Acetyl-CoA + CO2 + NADH

• der Pyruvat- Dehydrogenase Komplex besteht aus:

  1. Pyruvat-dehydrogenase (1), 𝛂2𝛃2 Tetramer

  2. Dihydrolipoyl Transacetylase (2), Trimer

  3. Dihydrolipoyl Dehydrogenase (3), 𝛂𝛃 Dimer

  4. Pyruvat-Dehydrogenase-Kinase (Regulation)

  5. Pyruvat Dehydrogenase-Phosphatase (Regualation)

—> das Dihydroliponamid entsteht bei der Acetyl-CoA Synthese und wird dann mit Hilfe der 3 zu NADH umgewandelt

1. Thiaminpyrophosphat (TPP)—> Aktive Form von Vitamin B1 (katalytisch)

2. Liponsäure (katalytisch)

3. CoA (stöchiometrisch)

4. FAD (stöchiometrisch)

5. NAD+ (stöchiometrisch)

• Aldoladdition mit nachfolgender Hydrolyse, wird durch die Citratsynthase katalysiert

• die Konformationsänderung nach bindung von Oxalacetat führt zur Abschottung des aktiven Zentrums und verhindert die Hydrolyse von Acetyl-CoA

• Isomerisierung des Citrats zu Isocitrat durch die Aconitase

• die tertiäre Hydroxylgruppe im Citrat ist ungünstig, deshalb Isomerisierung durch Dehydratisierung zum cis-Aconitat und dann Hydrolyse zum Isocitrat

• Oxidation und Decarboxylierung von Isocitrat zu 𝛂-Ketoglutarat durch Isocitrat-dehydrogenase

• erster Oxidativer Schritt im Zyklus

• als Zwischenprodukt entsteht Oxalsuccinat, eine instabile Zwischenverbindung

• dies ist der geschwindigkeitbestimmende Schritt im Citratzyklus, abhängig von allosterischer Aktivierung durch ADP

• NADH und ATP wirken als allosterische Inhibitoren

• Oxidation und Decarboxylierung von 𝛂-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA durch den 𝛂-Ketoglutarat-dehyrogenase Komplex

• zweiter oxidative Schritt im Zyklus

• analoge Reaktion zur Pyruvatdehydrogenase unter Bildung einer Acyl-CoA Verbindung und NADH, beides energiereiche Verbindungen

• Hydrolyse des Succinyl-CoA mit Phosphorylierung eines Nucleosiddiphosphates durch Succinyl-CoA Synthetase

• die Spaltung der Thioesterbindung des Succinyl-CoA ist mit der Phosphorylierung eines Nucleotids-diphosphats (GDP oder ADP) gekoppelt

1. Acetylgruppe auf Oxalacetat übertragen

2. 2 CO2 Moleküle freigesetzt

3. 2 NADH Moleküle freigesetzt

4. 1 Molekül ATP oder GTP erzeugt

5. 1 Succinat ist enstanden

• Oxidation des Succinat zu Fumarat durch Succinat-Dehydrogenase

• Oxidation zum trans-dicarboxy-Alken Fumarat durch membran-gebundene Succinat-Dehydrogenase die auch in der Atmungskette wirkt

• Reduktion von FAD zu FADH2 unter Aufnahme von 2 H-Atomen. Energie für Reduktion von NAD+ nicht ausreichend

• Hydratisierung des Fumarat zu Malat durch Fumarase

• Stereospezifische Hydratisierung durch trans- Addition unter Bildung des L-Isomers des Malat

• Addition Wasser!

• Oxidation von Malat zu Oxalacetat durch Malat-Dehydrogenase

• Oxidation unter Bildung von NADH (ΔG0‘ = +29,7 kJ/mol)

Pellagra ist eine Erkrankung, die durch Mangel an Nicotinsäure ausgelöst wird. Dies führt zu Mangel an NAD+.

Pellagra tritt auf, wenn die Nahrung hauptsächlich aus Mais oder Sorghumhirse besteht. Die darin vorliegende gebundene Form der Nicotinsäure (Niacytin) kann vom Körper nicht verwertet werden.

Pellagra äußert sich in Juckreiz, Rötungen der Haut, Entzündungen der Schleimhäute des Verdauungstraktes, schmerzhafte Verdickung der Haut, sowie Braunfärbung und Schäden im zentralen Nervensystem.

1. Der Citratzyklus ist aerob, da NAD+ und FAD durch Elektronen-übertragung auf molekularen Sauerstoff regeneriert werden

2. Der Citratzyklus dient zur Oxidation von Kohlenstoffverbindungen und ist Quelle wichtiger Bausteine für Biomoleküle

3. Eingang in Citratzyklus und Bildung von Acetyl-CoA ist streng reguliert

4. Pyruvat-dehydrogenase Komplex durch Phosphorylierung und durch allosterische Regulation stimuliert oder inhibiert

• Phosphorylierung

• Die Phosphorylierung der Pyruvatdehydrogenase Einheit (E1) durch Pyruvat- Dehydrogenase Kinase I schaltet die Aktivität des Komplexes ab

• Die Inaktivierung wird durch Pyruvat-dehydrogenase-Phosphatase wieder aufgehoben

• NADH, Acetyl-CoA und ATP hemmen die Aktivität des Komplexes

• Pyruvat und ADP stimulieren den Komplex durch Hemmung der Kinase

• CZ: Citratzyklus

1. Kontrollpunkt:

   • Isocitrat-Dehydrogenase

     Allosterische Aktivierung durch ADP. ATP inhibitiert das Enzym.

     NADH steht im kompetitiven Gleichgewicht mit NAD+.

     Hemmung der Isocitrat-Dehydrogenase erhöht Citrat-Konzentration, die dann hemmend auf die Glykolyse wirkt.

2. Kontrollpunkt

   • 𝛂-Ketoglutarat-Dehydrogenase

     Durch Produkte Succinyl-CoA und NADH gehemmt und bei hoher Energieladung (ATP) inhibiert.

     𝛂-Ketoglutarat dient als Vorstufe für einige Aminosäuren und Purinbasen.

• anabole Wege blau

• Anaplerotische Wege rot

• ! Transport von NADH in die Mitochondrien Matrix durch Glycerin-3-phosphat shuttle bzw. Malat-Aspartat shuttle

• Pro NADH entstehen etwa 2,5 Moleküle ATP (außer bei Transport durch G3P-shuttle) Pro FADH2 entstehen 1,5 Moleküle ATP