Der Citratzyklus Flashcards
Der Citratzyklus
- Pyruvat-Dehydrogenase
- Reaktionen des Citratzyklus
- Regulation des Citratzyklus
- Glyoxylatzyklus
Drei Phasen der Zellatmung
- Glykolyse
- Citratzyklus
- Elektronentransportkette
Wo findet der Citratzyklus statt?
in den Mitochondrien
Wieso ist der Citratzyklus nur für atmende Organismen sinnvoll?
- da er O2 benötigt -> (e- werden aus O2 -> H20 “gewonnen”)
- ETK erzeugt einen Protonengradienten, dieser Treibt die AtP-Synthese an
Pyruvat-Dehydrogenase Reaktion
Verbindung zwischen Glykolyse und Citratzyklus
Pyruvat-Dehydrogenase Enzym
- Komplex aus drei Enzymen und fünf Coenzymen
- Enzyme
-
Pyruvat-Dehydrogenase-Komponente (E1)
- 24 ketten
- TPP als prothetische Gruppe
- katalysiert Oxidative Decarboxylation von Pyruvat
-
Hihydrolipoyl-Transacetylase (E2)
- 24 Ketten
- Lipoamid als prosthetische Gruppe
- Katalysiert Transfer von Acetylgruppe auf CoA
-
Dihydrolipoyl-Dehydrogenase (E3)
- 12 Ketten
- FAD als prosthetische Gruppe
- katalysiert Regeneration der oxidierten Form von Lipoamid
-
Pyruvat-Dehydrogenase-Komponente (E1)
- Kofaktoren
-
katalytische Kofaktoren
- Thiaminpyrophosphat (TPP
- Liponsäure
- FAD
-
stöchiometrische Kofaktoren
- CoA
- NAD+
-
katalytische Kofaktoren
Thiaminpyrophosphat
- reaktives Zentrum: Thiazoliumring
- Thiaminpyrophosphat = Thiamindiphosphat
- Erzeugung eines sstarken Nukleophils
- Mangel: Beriberi
Liponsäure
- reaktives Zentrum: Disulfid
- gebunden an Protein über Lysin - Lipoamid
- Redoxreakitionen (2 e--Aufnahme / -Abgabe)
Die drei Reaktionen der Pyruvat-Dehdrogenase
-
Decarboxylierung
- Pyruvat bindet an TPP und wird zu Hydroxyethyl-TPP decarboxyliert
- Pyruvat-Dehydrogenase-Komponente (E1)
-
Oxidation
- Hydroxyethyl-Gruppe wird zur Acetylgruppe oxidiert
- Pyruvat-Dehydrogenase-Komponente (E1)
-
Transfer auf CoA
- Acetylgruppe des Acetylliponamids wird auf CoA übertragen
- Dihydrolipoyl-Transacetylase (E2)
Die 5 Koenzyme für die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat und die benötigten essentielen Nährstoffe
- Thiaminpyrophosphat → Thiamin, Vitamin B1
- Lipoamid → Liponsäure
- NAD+ → Niacin
- FAD → Riboflavin, Vitamin B2
- Coenzym A → Panthothensäure
Mechanismus der Decarboxylierungsreaktion (E1)
- Deprotonierung des aciden C-Atoms des Thiazolrings von TPP –> Carbanion
- Nukleophile Addition an das Carbonyl-C-Atom von Pyruvat
- Decarboxylierung der Additionverbindung zu Hydroxyethyl-TPP
Wieso war die Bindung an TPP für die Decarboxylierung nötig?
slkfn
Mechanismus der Oxidationsreaktion
- Hydroxyethylgruppee wird auf Liponamid übertragen
- Oxidation der Hydroyethylgruppe zur Acetylgruppe ist mit der Reduktion des Disulfids des Liponamids zum Dithiol gekoppelt
zu welcher Verbidnungsklasse gehört das Acetylliponamid?
Thioester
Mechanismus der Acetyl-CoA-Bildung
Kataalysiert durch die Dihydrolipoyl-Transacetylase
- Übertragung der Acetylgruppe aus Coenzym A
- Energiereiche Thioesterbindung bleibt erhalten
Regeneration des oxidierten Liponamids (E3)
Katalysiert durch die Dihydrolipoyl-Dehydrogenase
- Zwei Elektronen werden auf FAD übertagen –> Liponamids
- FADH2-Oxidation –> Bildung von NADH
metabilote channeling
- Intermediate werden direkt von Enzym zu Enzym weitergeleitet
- Koordination der drei Aktivitäten der Pyruvat-Dehydrogenasee
Inaktivierung der Pyruvat-Dehydrogenase
Giftigkeit von Quecksilber und Arsenit
- Hohe Affinität für benachbarte freie Thiolgruppen
- Bindung an das Liponamid
- Ähnliche Wirkung auch bei Vitamin B1-Mangel - Beriberi
Entgiftung inaktivierte Pyruvat-Dehydrogenase Arsenitchelat am Enzym
2,3-Dimercaptopropanol
Citratzyklus Überblick und Gesamtgleichung
3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + Acetyl-CoA → 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + CoA + 2 CO2
amphibole Reaktion
8 Reaktionen
Grundfunktionen des Citratzyklus
- Oxidation von 1 mol Acetat zu 2 mol CO2 zur Energiegewinnung (katabol)
- Bereitstellung von Intermediaten für Biosynthesen (anabol)
⇒ amphibol
8 Reaktionen
Komplettes Citratzyklus
Reaktionsmuster CZ
- 4x Dehydrogenasen (2x decarxylierend)
- 1x Substratkettenphosphorylierung
- 3x Hydratisierung/Dehydratisierung
- 1x Kondensation
Citratzyklus alle Reaktionen
- Oxalacetet wird mit Acetyl-CoA und Wasser mittels des Enzyms Citrat-Synthase zu Citrat, dabei wird auch CoA-S frei.
- Citrat wird mittels des Enzyms Aconitase zum Intermediat cis-Aconitase erstmals Dehydriert und wieder Hydriert zu Isocitrat. (Isomerisierung)
- Isocitrat wird mittels des Enzyms Isocitrat-Dehydrogenase oxidativ dercarboxyliert zu alpha-Ketoglutarat. Dabei entsteht NADH und CO2 wird frei
- alpha-Ketoglutarat wird mit CoA-SH über das Enzym alpha-Ketoglutarat-Dehydogenase-Komplex zu Succinyl-CoA. Oxidative Decarxylation, Freisetzung von CO2, Entstehung NADH
- Succinyl-CoA wird über die Succinyl-CoA-Synthetase zu Succinat. Substrat-Level-Phosphorylation. GDP + Pi wird zu GTP. CoA-SH wird frei
- Succinat wird über die Succinat Dehydrogenase unter Freisetzung von FADH2 zu Fumarat. Dehydrogenation
- Fumarat word durch Addition von Wasser über Fumarase zu Malat (Hydration)
- Mallat wird über die Malat-Dehydrogenase unter Freisetung von NADH zu Oxalacetat (Dehdrogenation).
(1) Citrat-Synthase
Citrat aus Oxalacetat und Acetyl-CoA
- Aldoladdition von Acetyl-CoA an Oxalacetat
- nachfolgende Hydrolyse des Thioesters
- Kondensationsreaktion
Synthase Definition
Ein Enzym, das eine synthetische Reaktion katalysiert, in der zwei Einheiten ohne direkte Beteiligung vonATP miteinander verbunden werden
Welche Herausforderung liegt in der Esterase aktivität?
- Problem: Ort der Spaltung (Citrat = “symmetrische” Verbindung)
- Lösung: induced fit
Welche Energiequelle begünstigt die Bildung von Citrat durch die Kondensation von Acetyl-CoA und Oxalacetat?
Citrat-Synthase katalysiert die Bildung von Citryl-CoA aus der Kondensation von Acetyl-CoA und Oxalacetat. Bei der Hydrolyse des Thioesters des Citryl-CoA erhält man Citrat und das CoA wird regeneriert. Die Hydrolyse der hochenergetischen Thioesters begünstigt die Bildung von Citrat
(2) Aconitase
Reaktion
Isomerisierung von Citrat und Isocitrat
- Eliminierung von Wasser (Dehydratisierung) aus Citrat oder Isocitrat bildet cis-Aconitat
- Addition von Wasser (Hydratisierung) an cis-Aconitat
Auf Aconitase Enzym
- Ein Eisen-Schwefel-Enzym
- [4FE-4S]-Zentrum im aktiven Zentrum
- [4Fe-4S]-Zentrum koordiniert durch drei Cys-Reste
- Stabilisierung und Orientierung des Citrat/Isocitrat erleichtert die Wasserabspaltung
Warum ist die Isomerisierungsreaktion von Citrat zu Isocitrat ein notwendiger Schritt im Citratzyklus?
Citrat ist ein tertiärer Alkohol, der nicht oxidiert werden kann. Die Isomerisierung wandelt den tertiären Alkohol Citrat zum sekundären Alkohol Isocitrat um, der oxidiert werden kann.
(3) Isocitrat-Dehydrogenase
Oxidative Decarboxylierung
- Oxidation von Isocitrat mit NAD+ bildet Oxalsuccinat
- Oxalsuccinat wird, wie die meisten beta-Ketosäuren, leicht decarboxyliert und bildet alpha-Ketoglutarat
Wieso sind beta-Ketosäuren instabil?
starke Elektronensenke
(4) alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase
oxidative Decarboxylierung von alpha-Ketoglutarat
- Reaktion und Mechanismus sind analoog zur oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
aufbau der alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase
- Wie die Pyruvat-Dehydrogenase aus E1, E2 und E3-UE mit TPP, Liponamid, FAD, CoA und NAD+ als Kofaktooren
- Spezifität für alpha-Ketoglutarat in E1-UE
(5) Succinyl-CoA-Synthetase
NTP-Bildung aus Succinyl-CoA
- Energie der Hydrolyse von Succinyl-CoA (deltaG°’=-33,5 kJ/mol) und ATP ist vergleichbar groß
- Einziger Schritt des CZ in de eine Verbindung mit hohem Phosphorylgruppenübertragungspotential gebildet wird
Succinyl-CoA-Synthetase Mechanismus
- Ersatz von CoA durch Orthophosphat –> Succinylphosphat
- Aufnahme des Phosphorylrestes durch Histidin )–> Phosphohistidin) und Freisetzung von Succinat
- Phosphohistidin-Rest schwenkt zu einem gebundenen Nucleosiddiphosphat (GDP oder ADP) und überträgt die Phosphorlgruppe
Regeneration von Oxalacetat - Ziel der folgenden Reaktionen
- Succinat-DH oxidiert Succinat zu Fumarat
- Fumarase hydratisiert Fumarat zu Malat
- Malat-DH oxidiert Malat zu Oxalacetat
Summe: eine Methylengruppe wird in drei Schritten in eine Carbonylgruppe umgewandelt –> auch Synthese/Abbau von Fettsäuren und Aminosäureabbau
(6) Succinat-Dehydrogenase
Oxidation von Succinat
- Membranständig
- FAD wird reduziert, da Energie nicht für die Reduktion von NAD+ reicht
- FAD ist kovalent in der Succinat-DH gebunden
- Zusätzlich: Eisen-schwefel-Zentrn
- Direkt mit der Atmungskette verbunden
Warum ist der beobachtete Elektronentransfer von FADH2 auf NAD+ ungewöhnlich?
Normalerweise findet der Transfer in die andere Richtung statt
Inwieweit ist Succinat-Dehydrogenase einzigartig im Vergleich zu anderen Enzymen im Citratsäurezyklus?
- einzige Enzym, das in der Mitochondrienmembran sitzt
- direkt mit Elektronentransportkette der oxidativen Phosphorylierung zusammenhängt
(7) Fumarase
Hydratisierung von Fumarat
- Sterospezifische trans-Addition von H+ und OH-
(8) Malat-Dehydrogenase
Oxidation von Malat
- NAD+-abhängige Oxidation eines sekundären Alkohols zum Keton
Wie könnte diese thermodynamisch sehr ungünstige Reaktion angetrieben werden?
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Für die Reaktion der Isocitrat-Dehydrogenase ist ΔG˚′ = -21 kJ/mol, jedoch ist ΔG˚′ = +29.7 kJ/mol für die Reaktion der Malat-Dehydrogenase. Bei beiden Reaktionen handelt es sich um die Oxidation eines sekundären Alkohols. Erklären Sie warum die Reaktion bei Isocitrat so exergonisch ist.
- Die Oxidation des Isocitrats bildet Oxalsuccinat als Zwischenprodukt
- Decarboxylierung Oxalsuccinat erzeugt gasförmiges CO2 welches Rückreaktion verhindert
- Umwandlung Malat zu Oxalacetat erzeugt kein CO2 und ist endergonisch
- Austritt von CO2 macht Umwandlung des Isocitrats zum alpha-Ketoglutarat energetisch sehr günstig
Wie wird Oxalacetat aufgefüllt?
von der Gluconeogenese
Was haben Oxalacetat, alpha-Ketoglutarat und Pyruvat gemeinsam?
alles alpha-Ketosäuren
Verlassen die Kohlenstoffatome der Carboxylatfunktion von Acetyl-CoA den Citratzyklus in Form von CO2? Erläutern Sie bitte.
- nicht direkt
- CO2 stammen vom Oxalacetat
- durch dessen Kondensation mit Acetyl-CoA und dessen weiterer Umsetzung entsteht jedoch im Laufe des Citratzykllus Succinat
- Succinat ist symmetrisches Molekül
- Herkunft der C-Atome kann nicht mehr eindeutig geordnet werden (zu Acetylgruppe oder Oxalacetat)
- Somit kann in einer weiteren Runde des Citratzyklus auch das in den Decarboxylierungsreaktionen freigesetzte CO2 aus Acetyl-CoA stammen
Der Citratzyklus als Drehscheibe des Metabolismus
Regulation von Pyruvat-Dehydrogenase und Citratzyklus
- durch ATP
- wenn genug ATP vorhanden, ist es nicht nötig noch mehr zu produzieren
- Metabolismus wird herabgesenkt, Anabolismus steigt (mehr Biosynthesen)
- CZ ist amphibol
welche Kontrollpunkte gibt es in der Pyruvat-DH und im Citratzyklus?
- Pyruvat-Dehydrogenase
- reguliert durch Phosphorylierung und Allosterie
- Isocitrat-Dehydrogenase
- Allosterie und Kooperativität
- alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase
- ähnlich wie Pyruvat-DH
Glyoxalatzyklus
- Pflanzen und Bakterien
- Nutzung von Acett und Acetyl-CoA liefernden Verbindungen
2 Acetyl-CoA + NAD+ + 2 H2O → Succinat + 2 CoASH + NADH + 2 H+
Glyoxalatzyklus
Gleichungen
Zusammenfassung Pyruvat-DH und CZ
- der Pyruvat-DH-Komplex verbindet die Glykolyse mit dem Citratzyklus
- Der Citratzyklus oxidiert Einheiten aus zwei Kohlenstoffatomen
- Der Eintritt in den Citratzyklus und sein Stoffumsatz werden kontrolliert
- Der Citratzyklus liefert zahlreiche Biosynthesevorstufen
- Der Glyoxalatzyklus ermöglicht es Pflanzen und Bakteriien mit Acetat zu wachsen
Inwiefern ähneln sich die Decarboxylierungen von alpha-Ketoglutarat und Pyruvat?
- beides sind alpha-Ketosäuren
- werden decarboxyliert
- beinhalten beide die Bildung eines Thioesters mit CoA, das ein hohes Transferpotential besitzt
- Enzymatischen Komplexe und Mechanismen sind ähnlich
- Dihydrolipoyl-Dehydrogenase-Komponenten sind identisch
