Der Citratzyklus (= Trikarbonsäurezyklus, Krebszyklus)

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1 Der Citratzyklus (= Trikarbonsäurezyklus, Krebszyklus) Biochemischer Kreisprozeß Ablauf in der mitochondrialen Matrix Glykolyse β-oxidation Atmungskette AS-Abbau

2 Der Citratzyklus

3 Der Citratzyklus: Übersicht Acetat (Acetyl-CoA) Citrat Oxalacetat Oxidative Decarbocylierung Oxidative Decarbocylierung Reduktionsequivalente (3 x NADH, 1 x FADH 2 ) werden in der Atmungskette unter ATP Bildung verbraucht

4 Citrat entsteht durch Kondensation von Oxalacetat und Acetyl-CoA:

5 Citrat wird zu Isocitrat isomerisiert: Gleichgewicht der Reaktion liegt auf Seite des Citrat, jedoch wird Isocitrat aus der Reaktion entfernt!

6 Isocitrat wird durch Oxidation und Decaboxylierung in α-ketoglutarat übergeführt: Gewinnung von Reduktionsequivalenten: Isocitrat + NAD + α-ketoglutarat + CO 2 + NADH + H + Decarboxylierung verschiebt GG der Reaktion!

7 Succinyl-CoA entsteht durch oxidative Decarboxylierung von α-ketoglutarat: α-ketoglutarat Dehydrogenase Komplex: Multienzymkomplex, aus 3 Enzymen, ähnlich dem Pyruvat Dehydrogenase Komplex Oxidative Decarboxylierung, es entsteht Succinyl-CoA (vgl. Ox. Decarboxylierung v. Pyruvat: es entsteht Acetyl-CoA) Produkthemmung (durch Succ-CoA) möglich!

8 Regeneration von Oxalactetat durch Oxidation von Succinat : Umwandlung chemischer Energie: Thioesterbindung (Succ-CoA) Phosphatesterbindung

9 Regeneration von Oxalactetat durch Oxidation von Succinat : Gewinnung von Reduktionsequivalenten

10 Citratzyklus: Bilanzgleichung Acetyl-CoA + GDP + P i 2 CO 2 + GTP + 8[H] + CoA-SH

11 Die Kontrolle des Citratzyklus: Allosterische Hemmung der Citrat-Synthase durch ATP Allosterische Aktivierung der Isocitrat- Dehydrogenase durch ADP Produkthemmung, Hemmung durch hohe Energieladung

12 Der Citratzyklus als Sammelbecken des Stoffwechsels:

13 Anaplerotische Reaktionen (Auffüllreaktionen): Zwischenprodukte des Citratzyklus dienen als Vorstufen für die Biosynthese zahlreicher Verbindungen Fehlende Zwischenprodukte müssen gebildet werden!

14 Endoxidation - Atmung Erfolgt in der Maschinerie der Atmungskette Enzyme der Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran Oxidation gekoppelt mit Phosphorylierung = Oxidative Phosphorylierung Wichtigster Prozess zur ATP Generierung e - werden von Reduktionsequivalenten auf O 2 übertragen

15 Die mitochondriale Atmungskette Besteht aus vier Enzymkomplexen, die durch zwei mobile e - Carrier verbunden sind Kette von Redoxreaktionen, wobei Wasserstoff und e - von Verbindungen mit negativen Potential (e - - Druck) auf solche mit positiven Potential (e - - Affinität) übertragen Freiwerdende Energie wird als ATP gewonnen Wasserstoff + e - werden von NADH + H + auf O 2 übertragen:

16 Überträger von Reduktionsequivalenten: Nicotinamidadenindinucleotid NAD+ ist ein beweglicher Überträger von Wasserstoff bzw. Elektronen

17 Oxidation und ATP-Synthese sind über transmembrane Protonenflüsse gekoppelt: Stufenweiser Transport von e - auf O 2 bewirkt hinauspumpen von H + aus der Matrix Protonenmotorische Kraft entsteht (ph-gradient und elektrisches Potential) Rückfluß der H + bewirkt Phosphorylierung von ADP zu ATP

18 Oxidation und ATP-Synthese sind über transmembrane Protonenflüsse gekoppelt: Intermembranraum Innere Mitochondrienmembran Mitochondriale Matrix

19 Enzymkomplex I: NADH-Q-Reduktase (NADH-Dehydrogenase) Übertragung der e - von NADH auf die prosthetische Gruppe, Flavinmononukleotid NADH + H + + FMN FMNH 2 + NAD +

20 Mobiler e - Carrier I: Coenzym Q (Ubichinon) FMNH 2 + Q FMN + QH 2 NADH-Q Reduktase enthält Eisen- Schwefel Cluster, Fe wechselt zwischen Fe 3+ und Fe 2+ e - von FADH 2 (siehe Citratzyklus) können hier auf Q übertragen werden (Durch Enzymkomplex II (Succinat- Dehydrogenase)

21 Enzymkomplex III: Cytochrom-Reduktase (Ubichinol-Cytochrom-c-Reduktase) e - QH 2 Cytochrom b Cytochrom c Cytochrom: e - übertragendes Protein mit Häm als prosthetische Gruppe: Mobiler e - Carrier II

22 Enzymkomplex IV: Cytochrom-Oxidase (Ubichinol-Cytochrom-c-Oxireduktase) e - Cytochrom c Cytochrom a 3 O 2 ½ O 2 + 2H + + 2e - H 2 O

23 e - -Druck e - - Affinität

24 Ubichinon (Co-Enzym Q): Der Q-Pool Ubichinon Sammelbecken für H + und e - aus NADH, Succinat u. Fettsre. Abbau Beweglichkeit innerhalb der Membran durch lipophilen Charakter

25 Oxidation und ATP-Synthese sind über transmembrane Protonenflüsse gekoppelt: Stufenweiser Transport von e - auf O 2 bewirkt hinauspumpen von H + aus der Matrix Protonenmotorische Kraft entsteht (ph-gradient und elektrisches Potential) Rückfluß der H + bewirkt Phosphorylierung von ADP zu ATP: Atmungskettenphosphorylierung (Oxidative Phosphorylierung)

26 Energiebilanz: Glukose H2O + CO2

27 Palmitat (C16): ATP BOOKKEEPING 7 cycles x 17 ATP/cycle 119 "left over" acetyl CoA 12 ATP and PP i used to "activate" the fatty acid -2 NET ATP Potential g Glukose ca. 40 mol ATP ( 1200 kj) 200 g Fett ca. 100 mol ATP ( 3000 kj)

28 Atmungsquotient: Verhältnis von aufgenommenen O 2 und abgegebenem CO 2 Veratmung von Glukose: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6H 2 O + 6CO 2 1,0 Veratmung von Fettsäure (z.b. Palmitinsäure): Palmitinsre. + 23O 2 16H 2 O + 16CO 2 0,7

29 Atmungsquotient: Veratmung von Proteinen: ~ 0,8 Sauerstoffreichere Verbindungen als Glukose (z.b. Oxalsäure): > 1,0 Wichtige Messgröße, Rückschlüsse auf Art des Stoffwechsels möglich

30 Energiegewinn durch Gärung Atmung: e - werden auf O 2 übertragen Gärung: e - werden auf org. Moleküle übertragen Energieausbeute bei Gärung ist viel geringer!

31 Verwertung von Glukose: Milchsäuregärung Atmung Alkoholische Gärung

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33 Milchsäuregärung: Pyruvat + NADH + H + Laktat + NAD + Laktatdehydrogenase (Oxireduktase) Glykolyse: Reduktionsequivalente entstehen, NAD + wird verbraucht NAD+ muss regeneriert werden, um Glykolyse aufrecht zu erhalten!

34 Milchsäuregärung: Obligat anaerob: Bakterien (Milchsäurebakterien) Fakultativ anaerob: Säugetiere, Mensch O 2 -Mangel Laktatbildung Blut Leber * Abbau zu CO 2 + H 2 O * Glukoneogenese

35 Alkoholische Gärung: Hefe, Pilze, höhere Pflanzen: Fakultativ anaerob Stoffwechselanpassung bei Abwesenheit von O 2 Glukose + 2 P i + 2 ADP 2 Ethanol + 2 CO H 2 O + 2 ATP

36 Alkoholische Gärung: Decarboxylierung NAD + Regeneration