Citratzyklus. Citratzyklus

Transkript

1 Der hat in der Zelle verschiedene Aufgaben. Teilschritte werden z.b. bei manchen Gärungen eingesetzt (Methyl-Malonyl-CoA-Weg). Er ist wichtig zur Bereitstellung verschiedener Vorstufen für Biosynthesen, z.b. für Aminosäuren oder Nucleotidbasen. Bei Zellen, die ihre Energie durch Elektronentransport gewinnen, ist die Hauptaufgabe des Citratcyclus die Bereitstellung der Reduktionsäquivalente als Brennstoff. Der beinhaltet auch eine Substratkettenphosphorylierung: die α-ketoglutarat- Dehydrogenase (α-ketoglutarat + CoA + NAD + > Succinyl- CoA + NADH + CO 2 + H + ) ist ein analog zur Pyruvat- Dehydrogenase aufgebauter Multienzymkomplex. Die Energie der Thioester-Bindung wird wiederum zur ATP-Bildung (bei Mitochondrien GTP) genutzt (Succinyl-CoA-Synthetase). In Analogie zu Acetyl-CoA > Acetyl-Phosphat wird auch hier intermediär Succinylphosphat gebildet (Phosphorolyse des Thioesters), dann der Phosphatrest auf das Enzym (Histidinrest) übertragen, schließlich an ADP gehängt. 1

2 Bei Bakterien liegen die Enzyme des Citratcyklus im Cytoplasma, bei Eukaryonten in der mitochondrialen Matrix. Eukaryonten verdanken ihre Fähigkeit zur Zellatmung ihrem Endosymbionten Mitochondrium. (Tricarbonsäure- TCA-Cyklus) 2

3 - alle Schritte, alle Enzyme Reduktionsäquivalente aus Glycolyse und 3

4 Bilanz des Wird ein Acetyl-CoA im Citratcyclus zu 2 CO 2 abgebaut, werden dabei 3 NADH, 1 FADH (membrangebundene Succinat-Dehydrogenase, die Elektronen fließen direkt in die Atmungskette) und ein ATP/GTP gewonnen. In Kombination mit der Glycolyse entstehen aus einer Glucose 10 NADH, 2 FADH, 4 ATP, durch Veratmung der Reduktionsäquivalente daraus (NADH 3 ATP, FADH 2 ATP) etwa 38 ATP. Durch Gärung allein werden nur 2 ATP (Entner-Doudoroff 1 ATP, Homoacetat-Gärung 3 ATP) aus einer Glucose gewonnen. Bei ausreichender Glucoseversorgung lebt E.coli auch im Aeroben von der Glycolyse und nutzt nur Teilschritte des Citratcyclus für Synthesen. Dabei überwiegt die Bildung von Oxalacetat aus PEP, Acetyl-CoA entsteht kaum. 4

5 Auch im Anaeroben sind bei E.coli Teile des Citratcyclus zu Synthesezwecken aktiv. Auch hier überwiegt dier Zuweg über die Phosphoenolpyruvat- Carboxylase. Daneben entsteht Acetyl-CoA über die Pyruvat- Formiat-Lyase. Dabei ist die Phosphoenolpyruvat-Carboxylase eine anaplerotische Reaktion. Es werden dadurch Komponenten des Citratcyclus nachgeliefert, die zur Aminosäuresynthese verbraucht werden. Der Weg über Acetyl-CoA und Citrat dagegen füllt nicht auf, da ja ein Oxalacetat aus dem Citratcyclus verbraucht wird! 5

6 Anaplerotische Reaktionen zum und zur Gluconeogenese 1) PEP-Carboxykinase (PEP-Synthese): HOOC - CH 2 - CO - COOH + ATP CH 2 = COPO 3 H 2 - COOH + CO 2 + ADP 2) Malat-Enzym HOOC - CH 2 - CHOH - COOH + NADP + CH 3 - CO - COOH + CO 2 + NADPH + H + 3) PEP-Synthetase: CH 3 - CO - COOH + ATP CH 2 = CO - PO 3 H 2 COOH + AMP + P i 4) PEP-Carboxylase (PEP-Verbrauch): CH 2 = CO - PO 3 H 2 COOH + CO 2 HOOC - CH 2 - CO - COOH + PO Die Bildung von Fumarat aus Oxalacetat läuft hier nicht über Malat, sondern durch reduktive Transaminierung über Aspartat und Aspartase. Succinat wird mit Fumarat-reduktase/ NADH gebildet, es ist also nicht einfach die Rückreaktion des normalen Wegs (Succ-DH, FADH). 6

7 Beim Wachstum auf einfachen Kohlenstoffquellen dient der Citratcyclus zur Kohlenhydratsynthese. Beim Wachstum auf einfachen Kohlenstoffquellen dient der Citratcyclus zur Kohlenhydratsynthese. Die Malat- Enzyme ( malic enzymes ) bilden aus Malat Pyruvat und NADH bzw. NADPH. Phosphoenolpyruvat- Carboxykinase erzeugt aus Oxalacetat und ATP direkt PEP. So können viele Verbindungen mit 3 und 4 Kohlenstoffatomen zur Zuckersynthese eingesetzt werden. 7

8 und Glyoxylatcyclus Bei Wachstum auf Acetat sind Auffüllreaktionen, anaplerotische Reaktionen nötig, da die eigentlich cyklisierenden Komponenten des Citratcyklus bei Synthesen verbraucht werden. Dabei ist der Glyoxylatcyclus weit verbreitet. Er ergänzt den Citratcyclus durch zwei Reaktionen, die Isocitratlyase, die Isocitrat in Succinat und Glyoxylat spaltet, und die Malat- Synthase, die analog zur Citratsynthase Glyoxylat mit Acetyl- CoA zu Malat kondensiert. So entstehen aus einem Molekül des Citratcyclus (Isocitrat) zwei, so daß eins davon für Synthesen (Gluconeogenese) frei ist. Glyoxylatzyklus 8

9 Die zentralen Reaktionen des Glyoxylatzyklus Regulation des Glyoxylatzyklus Glyoxylatcyclus und Citratcyclus konkurrieren um das Isocitrat. Bei Wachstum auf Acetat wird die Isocitrat- Dehydrogenase abgeschaltet. Dabei wird ein Rest im aktiven Zentrum (Serin 113) phosphoryliert, was die katalytische Aktivität völlig blockiert. Andererseits wird die Isocitratlyase durch PEP gehemmt. Dadurch ist sie bei laufender Glycolyse gehemmt, und bei einem Substratstau in der Gluconeogenese (dann ist es eine feed back Regulation, da das PEP dann Folgeprodukt der Isocitratlyase ist). 9