Citratzyklus

Question 1

Gib einen groben Überblick über den Citratzyklus und die Atmungskette!

Answer 1

• Phase 1: Bildung Acetyl-CoA, sowohl aus AS, als auch FS und Glucose
  
  • Wichtig: AS tragen nur zu verschwindend geringem Anteil zur Energiegewinnung bei
  • Hauptenergieträger: Fettsäuren und Kohlenhydrate (v.a. Glucose)
• Phase 2: Oxidation von Acetyl-CoA im Citratzyklus
  
  • Reduzierung/ Entstehung der Elektronencarrier zu NADH & FADH₂ -> Wandern zur Atmungskette
  • Entstehung 2 mal CO₂
• Phase 3: Elektronentransfer und oxidative Phosphorylierung inkl. ADP zu ATP

Question 2

Wie ist Acetyl-CoA aufgebaut?

Answer 2

großes Molekül mit folgenden Bestandteilen:

• Adenin: eine Base
• Ribose-phosphat: Zucker mit Phosphatgruppe
• Panthotensäure
• Thiolgruppe (SH): Die reaktibe Gruppe, die an die Acetylgruppe bindet

Question 3

Was ist die Pyruvat- Dehydrogenase- Reaktion?

Answer 3

= Oxidative Decarboxylierung durch Pyruvat- Dehydrogenase

• Reaktion ist irreversiber -> Acetyl-CoA kein Substrat für Glucogenese

Question 4

Wie wird Acetyl-CoA gebildet?

Answer 4

Question 5

Welche Enzyme gehören zum Pyruvat-Dehydrogenase- Komplex?

Answer 5

Question 6

Welche Co-Faktoren benötigen die Enzyme des Pyruvat-dehydrogenase- Komplexes?

Answer 6

Question 7

Nenne die Enzyme der Pyruvat-Dehydrogenase, deren Coenzyme und deren Aufgabe!

Answer 7

Question 8

Wie viel Energie wird bei der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat zun Acetyl-CoA frei?

Answer 8

Exergone Reaktion: ΔG’°: - 33,4 kJ mol^-1

Question 9

Was Passiert in Schritt 1 des Citrat-Zyklus?

Answer 9

Phase 1: Oxidation von Acetyl-CoA

Schritt 1: Citrat-Synthese
Der 1. Schritt des Citrat-Zyklus [Bzw. genauer: Der erste Teilschritt des 1. Schritts, also die Vereinigung von Oxalacetat und Acetyl-CoA] ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt Gibbs Energie: ΔG’0 = -32,2 kJ/mol (sehr exergon) [Da wir den Thioester (also das Acetyl-CoA) aufspalten]

• Substrat: Acetyl-CoA & Oxalacetat
• Enzym: Citratsynthase
• Produkt: Citrat & CoA

Ablauf:

1. Bildung von Citroyl-CoA:
   
   1. Die Methylgruppe des Acetyl-CoA gibt ein H+ ab, wodurch das C-Atom über ein freies Elektronenpaar verfügt [Genau diese Reaktion ist der geschwindigkeitsbestimmender Schritt]
   2. Aufgrunddessen erfolgt ein nukleophiler Angriff der Methylgruppe des Acetyl- CoAs auf das C-Atom mit der Doppelbindung des Oxalacetat [= Kondensation der 2 Substrate zu Citroyl-CoA]
   3. Aufnahme eines H+ [Da wir uns in einem sauren Milieu befinden, stehen ausreichend H+ zur Verfügung] → Aus der Keto-Gruppe wird eine Alkoholgruppe: Das Citroyl-CoA ist entstanden
2. Bildung von Citrat:
   
   1. Hydrolytische Abspaltung von CoA [„In der Zelle ist ja ausreichend H2O vorhanden“], HS-CoA und Citrat entstehen

Question 10

Was passiert in Schritt 2 des Citratzyklus?

Answer 10

Schritt 2: Isomerisierung von Citrat

• Substrat: Citrat
• Enzym: Aconitase (Der Name des Enzyms leitet sich vom Zwischenprodukt der Reaktion, dem cis-Aconitat, ab)
• Produkt: Isocitrat
• Sinn und Zweck der Umlagerung:
  
  • Das Citrat soll weiter oxidiert werden. Allerdings handelt es sich bei dem Citrat um einen tertiären Alkohol [Tertiärer Alkohol: Das OH-Gruppe-tragende C-Atom ist mit 3 weiteren C-Atomen verbunden]. Tertiäre Alkohole sind aber nicht weiter oxidierbar. Nur primäre und sekundäre Alkohole können oxidiert werden. Daher muss eine Umlagerung erfolgen
• Gleichgewicht: Das Gleichgewicht liegt auf Seite des Citrats [Die Reaktion läuft trotzdem vermehrt in Richtung des Isocitrats ab, weil Isocitrat schnell weiterverwertet und deshalb aus dem System entfernt wird.] In Zahlen: 90% auf Seite des Citrats; 10% auf Seite des Iso-Citrats
• Ablauf:
  
  • Dehydratisierung: Abspaltung einer OH-Gruppe mit einem H+ als H2O, wodurch cis- Aconitat entsteht [„cis“, weil die Carboxylgruppen, die im Aconitat durch die -C=C- Gruppe verbunden sind, in cis-Stellung stehen]. Cis-Aconitat ist das Zwischenprodukt für die Isomerierung. Es bleibt am aktiven 4Fe-4S-Zentrum der Aconitase(?) geheftet.
  • Hydratisierung: Anlagerung von H2O an anderer Stelle, wodurch Isocitrat entsteht. Die OH-Gruppe befindet sich nun am unteren C-Atom, wodurch es sich beim Isocitrat nun um einen sekundären Alkohol handelt, der zu einem Keton oxidiert werden kann

Question 11

Was passiert in Schritt 3 des Citrat-zyklus?

Answer 11

Schritt 3: Oxidative Decarboxylierung von Iso-Citrat

• Substrat: Iso-Citrat
• Enzym: Iso-Citrat-Dehydrogenase
• Produkt: α-Ketoglutarat & CO2
• Besonderheit: NAD+ → NADH + H+ [Auch mit NADP+/NADPH]
• Ablauf:

1. Entstehung von Oxal-Succinat: Oxidation von iso-Citrat durch NAD+. NAD+ wird dadurch zu NADH + H+. Bei dem Oxal-Succinat handelt es sich um eine β-Ketosäure. Sie ist sehr energiereich und zerfällt leicht unter CO2 Abbau:
2. Entstehung von α-Ketoglutarat: Austausch von CO2 gegen ein H+
   
   • Nomenklatur: α-Ketoglutarat:
     
     • „α“: Ketogruppe (O=C) bindet an das „α“-C des Moleküls [Nummerierung der C-Atome ist von der Carboxylgruppe abhängig]

Question 12

Was passiert in Schritt 4 des Citrat-Zyklus?

Answer 12

Schritt 4: Oxidative Decarboxylierung von α-Ketoglutarat

• Substrat: α-Ketoglutarat
• Enzym: α-Ketoglutarat-Dehydrogenase
  
  • Ähnlich dem Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex (PDH) [s.o.]: Es wird ebenfalls eine Carboxyl-Gruppe abgespalten + eine Oxidation vorgenommen [Pyruvat und α- Ketoglutarat sind beides α-Ketosäuren]. Daher macht es auch Sinn, dass die α- Ketoglutaratdehydrogenase die gleichen Co-Faktoren hat wie die PDH:
    
    • Thiaminpyrophosphat (TPP), Liponsäure (Lipoat), FAD (, CoA-SH, NAD+)
• Produkt: Succinyl-CoA & CO2
• Ablauf:
  
  1. Bildung des formalen Zwischenprodukts „Succinyl-semi-Aldehyd“: Ersatz des CO2 durch ein H
  2. Oxidation des Succinyl-semi-Aldehyds: [Generell: Aldehyde werden zu Carbonsäuren oxidiert]. Es entsteht Succinyl-CoA. Succinyl-CoA ist ein Thioester – wie Acetyl-CoA auch und ebenfalls eine sehr energiereiche Verbindung
     
     • Mit: NAD⁺ -> NADH + H⁺ und CoA-SH

Question 13

Was passiert in Schritt 5 des Citrat-Zyklus?

Answer 13

Schritt 5: Abspaltung von CoA

• Substrat: Succinyl-CoA
• Enzym: Succinyl-CoA-Synthetase (Succinat-thiokinase)
  
  • Namenskunde: Succinyl-CoA-„Synthetase“ steht eigentlich für einen Verbrauch von ATP. Der Name bezieht sich also auf die von uns nicht betrachtete Richtung Succinat → Succinyl-CoA
• Produkt: Succinat + CoA
• Gibbs Energie:
• Schritt 1: ΔG’0 = -33 kJ/mol (sehr :D exergon)
• Schritt 2: ΔG’0 = -3 kJ/mol
• Schritt 3: ΔG’0 = 30 kJ/mol (GDP -> GTP)
• Gesamt: ΔG’0 = - 6kJ/mol
• Besonderheit: GDP → GTP: Die Energie, die bei der Spaltung der Thioesterbindung zwischen Succinat und CoA frei wird, wird dazu genutzt, um im Sinne einer Substratkettenphosphorylierung20 das energiereiche Molekül GTP zu bilden
• Ablauf:

1. Bildung von Succinyl-Phosphat: Das Substrat Succinyl-CoA (Thioester) ist eine energiereiche Verbindung. Im ersten Schritt tauscht die Succinyl-CoA-Synthetase das CoA gegen ein anorganisches Phosphat aus [VL: „Nukleophiler Angriff des Phosphats auf das doppelbindige C des Succinyl-CoAs“] Das anorganische Phosphat wird dafür aus der Umgebung aufgenommen. Es entsteht das Succinyl-Phosphat. Das Succinyl- CoA wird also nicht hydrolytisch, sondern phosphorolytisch gespalten
2. Die Phosphat-Gruppe wird dann auf ein Histidin (AS) der Succinyl-CoA-Synthetase übertragen [Genauer: Das P des Succinyl-Phosphats bindet an das nicht- doppelbindige N des Histidins des Enzyms [Nukleophiler Angriff des N auf das P]; ein O verbleibt am Substrat, sodass dort eine Carboxylgruppe entsteht (-COO-).].
3. Von dort „klaut“ sich ein GDP das Phosphat vom Enzym, wodurch GTP entsteht. Das Enzym liegt im Anschluss wieder unverändert vor.

• Der ganze Spaß heißt nun „Substratkettenphosphorylierung“, weil wir das Enzym und am Ende das GDP phosphoryliert haben
• Nukleosid-Diphosphatkinase: Die Nukleosid-Diphosphatkinase kann nun eine Phosphatgruppe des GTP auf ein ADP übertragen, wodurch GDP und ATP entstehen. Übrigens: Die Nukleosid-Diphosphatkinase gehört nicht zu den Enzymen des Citrat- Zyklus. Außerdem handelt es sich dabei nicht um eine Substratkettenphosphorylierung, da die Nukleosid-Diphosphatkinase kein anorganisches Phosphat aufnimmt.

Question 14

Was passiert in Schritt 6 des Citrat-Zyklus?

Answer 14

Schritt 6: Oxidation von Succinat

• Substrat: Succinat
• Enzym: Succinatdehydrogenase. Die Succinatdehydrogenase sitzt fest in der inneren Mitochondrienmembran und ist auch Teil des Proteinkomplex II der Atmungskette
• Produkt: Fumarat
• Besonderheit: FAD → FADH2
• Ablauf:
  
  • Succinat verfügt ausschließlich über eine Einfachbindungen. Nun wird FAD zu FADH reduziert und Succinat so zu Fumarat oxidiert [Sprich: „2 Hs am Succinat sind weg, sie werden auf das FAD übertragen und wir haben nun eine Doppelbindung und damit das Fumarat.“ Die Succinat-Dehydrogenase speist ihre FADH2 gebundenen Elektronen direkt in die Atmungskette ein.]

Question 15

Was passiert in Schritt 7 des Citrat-Zyklus?

Answer 15

Schritt 7: Hydratisierung von Fumarat

• Substrat: (trans-)Fumarat + H2O
• Enzym: Fumarase (Fumarat-Hydratase), stereospezifisch
• Produkt: (L-)Malat
• Besonderheit: Die Fumarase ist stereospezifisch und verarbeitet nur trans-Fumarat
• Ablauf:
  
  • Die OH-Gruppe lagert sich an das eine C der C=C-Doppelbindung, das H an das andere C der C=C-Doppelbindung

Question 16

Was passiert in Schritt 8 des Citrat-Zyklus?

Answer 16

Schritt 8: Oxidation von Malat

• Substrat: (L-)Malat
• Enzym: Malatdehydrogenase
• Produkt: Oxalacetat
• Gibbs Energie: ΔG’0 = + 29,7 kJ/mol
  
  • Die Reaktion ist also super endergon. Es läuft aber trotzdem ab, da der 1. Schritt des Citratzyklus super exergon ist (-32,2 kJ/mol). Die Gesamtreaktion läuft deswegen ab, da das Oxalacetat super fix mit Acetyl-CoA (1. Schritt) reagiert. Dadurch ist ΔG unter physiologischen Bedingungen negativ. Die Triebkraft dieser Reaktion ist also wesentlich vom Konzentrationsverhältnis der Reaktionspartner abhängig. Also: Die Gesamtreaktion des Citratzyklus ist zwar nur noch geringfügig exergon – aber immer noch exergon
• Besonderheit: NAD+ → NADH + H+
  
  • Link: Malat kann auch aus dem Fumarat des Harnstoffzyklus stammen, mithilfe des Malat-Aspartat-Shuttles ins Mitochondrium transportiert und so in den Citratzyklus eingeschleust werden
• Ablauf:
  
  • Das L-Malat gibt 2xH ab, wodurch eine Doppelbindung entsteht: Wir haben also wieder unser Oxalacetat mit seiner Ketogruppe

Question 17

Welche wichtigen Funktionen hat der Citratzyklus?

Answer 17

• Energiegewinnung
• Bereitstellung von Synthesevorstufen für andere Stoffwechselwege

Er hat also eine zentrale Stellung sowohl im katabolen als auch im anabolen Stoffwechsel ►amphiboles Zentrum des Stoffwechsels

Question 18

Was ist die katabole Funktion des Stoffwechsels?

Answer 18

Question 19

Was ist die anabole Funktion des Citratzyklus?

Answer 19

Question 20

Was macht der Körper, damit der Citratzyklus weiter läuft, obwohl ständig Substrate entnommen werden?

Answer 20

⇒ anaplerotische Reaktionen

diese dienen dazu, den Citratzyklus mit Zwischenprodukten aufzufüllen. → Resaktionen laufen immer dann ab, wenn Zwischenprodukte fehlen:

Question 21

Wie wird der Citratzyklus reguliert?

Answer 21

Question 22

Wie wird die Pyruvatdehydrogenase reguliert?

Answer 22

Question 23

Was kann man zur Regulation des gesamten Stoffwechsels sagen?

Answer 23