7 Oxidativer Abbau von Pyruvat: Die Reaktionen der Pyruvat-Dehydrogenase und des Citratzyklus

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1 A 7.1 inführung xidativer Abbau von Pyruvat: Die Reaktionen der Pyruvat-Dehydrogenase und des itratzyklus 7.1 inführung Die Abbauwege aller Kohlenhydrate vereinigen sich letztlich in der Glykolyse und führen zu deren ndprodukt, dem Pyruvat.Im Rahmen des nergiestoffwechsels kann Pyruvat anschlieûend entweder reduziert oder oxidiert werden: n Reduktion zu Lactat im Zytosol unter Regeneration von NAD + : bei Mangel an auerstoff oder Fehlen von Mitochondrien. n xidation zu 2 in den Mitochondrien, wenn in einer Zelle hinreichende Mengen an auerstoff vorhanden sind.dabei wird Pyruvat zunächst von der Pyruvat-Dehydrogenase PDH) zu Acetyl-oA umgesetzt.dieses wird anschlieûend im itratzyklus unter nergiegewinn zu 2 abgebaut.die Details dieses Abbauweges werden hier beschrieben. Merke. Die Reaktionen der PDH und des itratzyklus nehmen eine zentrale tellung im toffwechsel ein, denn n Pyruvat ist nicht nur das ndprodukt der Glykolyse, sondern auch des Abbaus aller kleinen Aminosäuren Glycin [R =H], Alanin [R =H 3 ], erin [R =H] und ystein [R =H]). n Acetyl-oA entsteht nicht nur in den Reaktionen der PDH, sondern auch beim Abbau der Aminosäuren Lysin, Leucin und Isoleucin sowie der aromatischen Aminosäuren.Acetyl-oA ist darüber hinaus der zentrale Metabolit des gesamten Lipidstoffwechsels: s ist das ndprodukt des Abbaus aller Fettsäuren und die Ausgangssubstanz für die ynthese aller Fettsäuren und aller teroide holesterin, Gallensäuren und teroidhormone). n Beim Abbau der anderen, oben nicht aufgeführten Aminosäuren entstehen Zwischenprodukte des itratzyklus. Der Weg von der Glykolyse über die PDH bis zum itratzyklus Abb. ) stellt somit den zentralen Abbauweg des gesamten toffwechsels dar. 7 xidativer Abbau von Pyruvat: Die Reaktionen der Pyruvat-Dehydrogenase und des itratzyklus 7.1 inführung Pyruvat entsteht im Zytosol aller Zellen des Körpers als ndprodukt der Glykolyse. Dieses Kapitel beschreibt, wie es in Gegenwart von auerstoff in den Mitochondrien von der Pyruvat-Dehydrogenase zu Acetyl-oA und dann im itratzyklus unter nergiegewinn zu 2 oxidiert wird. F Merke Die tellung der PDH zwischen Glykolyse und itratzyklus Glykolyse Pyruvat H 3 Zytosol Mitochondrien NAD + Pyruvat- Dehydrogenase NADH H 2 oenzym A Acetyl-oA H 3 Acetylgruppe oenzym A itratzyklus Rassow, Hauser, Netzker, Deutzmann, Duale Reihe, Biochemie IBN ), ã 2006 Georg Thieme Verlag KG

2 104 A 7 Die Reaktionen der Pyruvat-Dehydrogenase und des itratzyklus xkurs xkurs. Der nergieträger Acetyl-oA Für die vielfältigen Funktionen des Acetyl-oA ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Thioesterbindung, über die die Acetylgruppe an das oenzym A gebunden ist Abb. ), zu den energiereichen Bindungen gehört.unter tandardbedingungen wird bei der Hydrolyse von Acetyl-oA genauso viel nergie frei wie bei der Hydrolyse von ATP!), nämlich ca.35 kj/mol. Dieser nergiegehalt des Acetyl-oA kommt auch in dem inzwischen nur noch selten verwendeten ynonym ¹aktivierte ssigsäureª zum Ausdruck. Viele grundlegende Untersuchungen zur Biochemie des Acetyl-oA wurden in den beiden Jahrzehnten nach dem 2.Weltkrieg im Labor von Feodor Lynen durchgeführt, dem bedeutendsten deutschen Biochemiker seiner Zeit.Geboren 1911 in München, leitete er ab 1954 in seiner Heimatstadt das neu gegründete Max-Planck-Institut für Zellchemie, aus dem später das Max-Planck-Institut für Biochemie hervorging.1964 erhielt er für seine Arbeiten zum Acetyl-oA und zur Biochemie der Lipide den Nobelpreis für Physiologie/Medizin.Feodor Lynen starb im Jahr seiner meritierung, am 6.August 1979 in München. A-7.2 A-7.2 Feodor Lynen 1911 ± 1979) Für seine Arbeiten zum Acetyl-oA und zur Biochemie der Lipide erhielt Feodor Lynen 1964 den Nobelpreis für Physiologie/Medizin Grundlagen Funktion: n Pyruvat? Acetyl-oA + 2 n 1 NAD+? NADH Merke Grundlagen Funktion: Die PDH n setzt Pyruvat unter Freisetzung von 2 zu Acetyl-oA um. n Dabei wird ein NAD + zu NADH reduziert. Merke. Die Reaktion der PDH ist irreversibel. Acetyl-oA kann also nicht in Pyruvat bzw.glucose umgesetzt werden.kohlenhydrate können zwar zu Acetyl-oA abgebaut und aus diesem können Fettsäuren und Triacylglycerine Fettspeicher!) synthetisiert werden, aber aus Fettsäuren bzw.triacylglycerinen können keine Kohlenhydrate gebildet werden Der Aufbau der Pyruvat-Dehydrogenase Der Aufbau der Pyruvat-Dehydrogenase Merke Merke. Die PDH ist ein Multienzymkomplex aus drei unterschiedlichen nzymen und im Mitochondrium lokalisiert.zur Katalyse ihrer Reaktionen benötigt die PDH insgesamt fünf oenzyme Tab. ). Rassow, Hauser, Netzker, Deutzmann, Duale Reihe, Biochemie IBN ), ã 2006 Georg Thieme Verlag KG

3 A 105 Die drei nzymkomponenten 1, 2, 3) sind: n 1 = Pyruvat-Dehydrogenase im engeren inne des Wortes: ie bindet Pyruvat und katalysiert mithilfe des oenzyms Thiaminpyrophosphat ) die Decarboxylierung von Pyruvat.Dabei entsteht 2. n 2 = Dihydroliponamid-Acetyltransferase: ie katalysiert den Transfer des vom Pyruvat übrig gebliebenen Acetylrests auf oenzym A oa).hierbei werden zwei chwefelatome ihres oenzyms Liponsäure Liponamid) zu H-Gruppen reduziert. n 3 = Dihydroliponamid-Dehydrogenase: ie übernimmt mithilfe ihres oenzyms die lektronen der beiden H-Gruppen des Liponamids und überträgt sie auf NAD +.Auf diese Weise wird das Liponamid regeneriert. Die PDH ist ein Multienzymkomplex aus 3 nzymen 1 ±3) und 5 oenzymen; Tab. ): n 1 = Pyruvat-Dehydrogenase im engeren inne: enthält, decarboxyliert Pyruvat. n 2 = Acetyltransferase: enthält Liponsäure Liponamid), überträgt den Acetylrest aufoa. n 3 = Dihydroliponamid-Dehydrogenase: enthält, übernimmt lektronen vom reduzierten Liponamid des 2 und überträgt sie aufnad +. Die nzymkomponenten der Pyruvat-Dehydrogenase und ihre oenzyme nzymkomponente oenzym Beschaffenheit des oenzyms enzymgebunden/löslich) Pyruvat- Dehydrogenase 1) Dihydroliponamid- Acetyltransferase 2) Dihydroliponamid- Dehydrogenase 3): Thiaminpyrophosphat ) = aktiviertes Thiamin Thiamin = Vitamin B 1 ) Liponsäure Liponamid) oenzym A NAD + enzymgebunden feste, aber nichtkovalente Bindung) enzymgebunden kovalent: Amidbindung an einen Lysinrest von 2, daher ¹Liponamidª) löslich enzymgebunden feste, aber nichtkovalente Bindung) löslich Neben diesen drei nzym-untereinheiten enthält die PDH zwei regulatorische Untereinheiten, die die PDH je nach Bedarf an- bzw.abschalten.109). Die meisten Untereinheiten der PDH sind in einem PDH-Multienzymkomplex in mehreren bis zu 60) Kopien enthalten.die Komplexe sind dadurch gröûer als ein Ribosom Abb. A-7.3). Auûerdem enthält die PDH zwei regulatorische Untereinheiten. Der PDH-Multienzymkomplex ist gröûer als ein Ribosom Abb. A-7.3). A-7.3 Bakterielle PDH-Komplexe im elektronenmikroskopischen Bild A-7.3 Rassow, Hauser, Netzker, Deutzmann, Duale Reihe, Biochemie IBN ), ã 2006 Georg Thieme Verlag KG

4 106 A 7 Die Reaktionen der Pyruvat-Dehydrogenase und des itratzyklus Die einzelnen Reaktionsschritte Die einzelnen Reaktionsschritte Überblick Überblick. Die PDH-Reaktion läuft in folgenden chritten ab: 1.Pyruvat wird unter Abspaltung von 2 auf Thiaminpyrophosphat oenzym von 1) übertragen.dabei entsteht ein Hydroxyethylrest = aktivierter Acetaldeyd. 2.Dieser wird von Thiaminpyrophosphat 1) auf Liponamid oenzym von 2) übertragen und zu einer Acetylgruppe oxidiert. 3.Liponamid überträgt die Acetylgruppe auf oenzym A, wodurch Acetyl-oA entsteht.dabei wird die Disulfidgruppe des Liponamids in zwei H-Gruppen umgewandelt. 4.Die Disulfidgruppe des Liponamids wird regeneriert, indem das lektron jeder H-Gruppe unter Vermittlung von 3-gebundenem an NAD + abgegeben wird.dabei wird NADH gebildet. Da die PDH sowohl die Decarboxylierung des Pyruvats als auch die xidation des aktivierten Acetaldehyds katalysiert, bezeichnet man die Gesamtreaktion als oxidative Decarboxylierung von Pyruvat. chritt 1 Der Thiazolring des Thiaminpyrophosphats ) gibt leicht ein Proton ab, wodurch ein arbanion entsteht Abb. A-7.4). Dieses lagert sich an den arbonylkohlenstoff von Pyruvat an und übt aufdessen lektronen, insbesondere die der H- Gruppe, einen kräftigen lektronenzug aus. Dabei löst sich 2 ab. Weiteres Reaktionsprodukt ist Hydroxyethyl- Abb. A-7.5), dessen Hydroxyethylgruppe als ¹aktivierter Acetaldehydª bezeichnet wird. chritt 1 Thiaminpyrophosphat ), das oenzym der Pyruvat-Dehydrogenase 1), weist zwei heterozyklische Ringe auf.für die oenzym-funktion ist der Thiazolring entscheidend.das -Atom, das in diesem Thiazolring zwischen dem tickstoff- und dem chwefelatom liegt, gibt leicht ein Proton ab, sodass ein negativ geladenes und sehr reaktives arbanion entsteht Abb. A-7.4). Dieses arbanion leitet die PDH-Reaktion ein, indem es sich an den arbonylkohlenstoff von Pyruvat anlagert und anschlieûend aufdie lektronen des Pyruvats einen kräftigen lektronenzug ausübt.dieser lektronenzug wirkt sich insbesondere auf die negative Ladung der arboxylgruppe aus, was zur Folge hat, dass sich die arboxylgruppe in Form von 2 ablöst.dabei bleiben zwei lektronen der arboxylgruppe am zurück. Parallel lagert sich ein Proton an den auerstoff der arbonylgruppe an, und es bildet sich eine Doppelbindung zu aus.dadurch entsteht Hydroxyethyl- Abb. A-7.5).Der Hydroxyethylrest wird traditionell ¹aktivierter Acetaldehydª genannt, denn die xidationsstufe des arbonylkohlenstoffs in Hydroxyethyl- entspricht der xidationsstufe des entsprechenden -Atoms im Acetaldehyd. A-7.4 A-7.4 Das arbanion des Thiaminpyrophosphats H 3 H 2 H 2 P P H 2 N N H 3 N NH 2 H Thiaminpyrophosphat () R 1 H 3 N R 2 Thiazolring des als arbanion (nach Ablösung eines H + ) Rassow, Hauser, Netzker, Deutzmann, Duale Reihe, Biochemie IBN ), ã 2006 Georg Thieme Verlag KG

5 A 107 A-7.5 Bildung von Hydroxyethyl-Thiaminpyrophosphat an nzymkomponente 1) A H 2 H 3 3 H 3 3 Pyruvat PDH Hydroxyethyl-, aktivierter Acetaldehyd chritt 2 Der aktivierte Acetaldehyd wird von aufliponamid, die fest gebundene prosthetische Gruppe der Dihydroliponamid-Acetyltransferase 2), übertragen: n Die Disulfidgruppe des Liponamids, die vor dem Transfer im oxidierten Zustand vorliegt, öffnet sich. n An eines der beiden chwefelatome lagert sich der Acetaldehyd an.das andere chwefelatom nimmt zusammen mit einem Proton die beiden überzähligen lektronen auf, die bei der Abspaltung des 2 am zurück geblieben waren. chritt 2 Der aktivierte Acetaldehyd wird aufliponamid ± prosthetische Gruppe der Dihydroliponamid-Acetyltransferase 2) ± übertragen und zur Acetylgruppe oxidiert Abb. A-7.6). Der Acetaldehyd wird in diesem Moment zu einer Acetylgruppe oxidiert Abb. A-7.6).In der Acetylgruppe entspricht die xidationsstufe des arbonylkohlenstoffs der xidationsstufe des entsprechenden -Atoms in Acetat d.h. in ssigsäure).omit kann man sagen, dass in diesem Reaktionsschritt ein Acetaldehyd zu Acetat oxidiert wird.das Acetat liegt allerdings nicht frei, sondern in Form eines Thioesters vor. A-7.6 Übertragung des Hydroxyethylrests aufliponamid und xidation zu einem Acetylrest A-7.6 oxidierte Form des Liponamids H 3 Acetylgruppe H reduzierte Form des Liponamids H 2 2 H Hydroxyethylgruppe PDH xidation des ubstrats zur Acetylgruppe chritt 3 Liponamid ist ein lang gestrecktes Molekül, das man sich wie einen langen Arm vorstellen kann.dieser lange Arm überträgt die Acetylgruppe aufoenzym A oa).acetyl-oa =aktivierte ssigsäure) entsteht also an der Dihydroliponamid-Acetyltransferase 2).Das Liponamid enthält daraufhin anstelle der ursprünglichen Disulfidgruppe zwei H-Gruppen Abb. A-7.7). chritt 3 Liponamid, das oenzym des 2, überträgt die Acetylgruppe aufoenzym A oa) Abb. A-7.7) und wird dadurch reduziert. Rassow, Hauser, Netzker, Deutzmann, Duale Reihe, Biochemie IBN ), ã 2006 Georg Thieme Verlag KG

6 108 A 7 Die Reaktionen der Pyruvat-Dehydrogenase und des itratzyklus A-7.7 A-7.7 Übertragung der Acetylgruppe aufoenzym A H 3 H reduzierte Form des Liponamids Dihydroliponamid H H + H3 oa Acetyl-oA H oa chritt 4 Das reduzierte Liponamid des 2 wird von 3 durch Reaktion mit der prosthetischen Gruppe oxidiert und so regeneriert. H 2 überträgt die 2 lektronen aufnad +, sodass NADH entsteht Abb. A-7.8). chritt 4 Um seine beiden H-Gruppen zu oxidieren und die Disulfidbindung zu regenerieren, schwenkt der Liponamid-Arm zur Dihydroliponamid-Dehydrogenase 3).Hier werden die beiden H-Gruppen durch Reaktion mit der prosthetischen Gruppe oxidiert.dabei entsteht H 2, das die beiden übertragenen lektronen an NAD + weitergibt Abb. A-7.8).Das Reaktionsprodukt NADH enthält nun die beiden überzähligen lektronen, die ursprünglich bei der Abspaltung des 2 am zurück geblieben waren.liponamid steht nun für einen neuen Reaktionszyklus zur Verfügung. A-7.8 A-7.8 Regeneration der Disulfidbindung im Liponamid und Bildung von NADH Dihydroliponamid H H + NADH + H + NAD H Reduktion des Bilanz Merke Bilanz Merke. In einem Reaktionszyklus der PDH entstehen ein 2, ein Acetyl- oa und ein NADH. xkurs xkurs. nzyme mit PDH-ähnlichen Reaktionsmechanismen Im toffwechsel gibt es mehrere nzyme, deren Reaktionsmechanismus dem der PDH sehr ähnlich ist und die auch die gleichen oenzyme benötigen.zu den nzymen dieses Reaktionstyps gehören n die verzweigtkettige á-ketosäure-dehydrogenase, ein nzym, das am Abbau verzweigtkettiger Aminosäuren beteiligt ist, n die Transketolase des Pentosephosphatweges, n die á-ketoglutarat-dehydrogenase 2-xoglutarat-Dehydrogenase), die eine Reaktion des itratzyklus katalysiert.115). Rassow, Hauser, Netzker, Deutzmann, Duale Reihe, Biochemie IBN ), ã 2006 Georg Thieme Verlag KG