Was bisher geschah 1

Was bisher geschah 1

Zellatmung (Übersicht) Der Citratcyclus ist die erste Stufe der Zellatmung 2

Citratzyklus Synonyme: Tricarbonsäurezyklus (TCA-Zyklus) Krebszyklus, Zitronensäurezyklus Der Zyklus ist der abschliessende gemeinsame Stoffwechselweg bei der Oxidation von Brennstoffmolekülen Fast alle Brennstoffmoleküle treten als Acetyl-Coenzym A in den Zyklus ein 3

Oxidation von Acetyl-CoA 4

Mitochondrium - schematisch Die Reaktionen des Cyclus laufen in der Matrix der Mitochondrien ab, im Gegensatz zu der Glykolyse, die im Cytosol der Zellen abläuft. 5

Mitochondrium Matrix Cristae: Einstülpungen der inneren Membran 6

Der Citratcyclus im Überblick 7

Funktion des Zitratzyclus Die Funktion des Zyklus besteht in der Gewinnung von Elektronen hoher Energie aus Brennstoffen. Der Zyklus erzeugt weder eine grosse Menge ATP noch verbraucht er Sauerstoff. Die Elektronen fallen als NADH und FADH 2 an. 8

Die Glykolyse produziert Pyruvat Die Glykolyse ist eine Folge von Reaktionen, in denen ein Molekül Glucose zu zwei Molekülen Pyruvat umgewandelt wird und gleichzeitig zwei Moleküle ATP entstehen. In den Citratcyclus können aber nur Acetat- Einheiten eingeführt werden. Schlüsselschritt: Umwandlung von Pyruvat zu Acetat. 9

Entstehung von Acetyl-CoA aus Pyruvat 10

Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex Pyruvat + CoA + NAD + Acetyl-CoA + CO 2 + NADH Diese irreversible Reaktion stellt die Verbindung zwischen der Glykolyse und dem Citratzyklus dar. Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex ist ein Multienzymkomplex (ca. 4-10 10 6 Da): 3 Enzyme, jedes aus mehreren Polypeptidketten (insgesamt ca. 60), und 5 Cofaktoren (s. später). 11

Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex 12

Fünf Cofaktoren sind beteiligt Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid (NAD + ) Flavin-Adenin-Dinucleotid (FAD) Coenzym A (CoA) Thiaminpyrophosphat (TPP) Liponsäure 13

Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid (NAD + bezw. NADP + ) O NH 2 N O O H O H H O P O O P O O H H OH O OH N N H NH 2 N N R = H: NAD + R = OPO 3 2 : NADP + H HO O R H 14

Coenzym A Cysteamin Pantoin- Säure Pantothensäure = Pantoinsäure + -Alanin 15

Acetyl-CoA Die C 2 -Einheit, welche oxidiert wird ist die Acetylgruppe des Acetyl CoA 16

TPP Amino-methylpyrimdinring Thiazoliumring N 2-Methyl-4-amino-pyrimidin S Thiazol 17

Carbanion des TPP pk a = 10.1! Pro memoria: pk a 10 18

Liponsäure 19

Umwandlung von Pyruvat zu Acetyl-CoA erfolgt in drei Schritten Decarboxylierung Oxidation Transfer auf CoA 20

Decarboxylierung a 8 4 b 21

Thiaminpyrophosphat (TPP) 22

Decarboxylierungen b-ketocarbonsäure 23

Decarboxylierung von a-ketocarbonsäuren mit Thiamin-pyrophosphat H 3 C OH O O O 24

Decarboxylierung von a-ketocarbonsäuren mit Thiamin-pyrophosphat N CH 2 ein En-amin 25

Decarboxylierung von a-ketocarbonsäuren mit Thiamin-pyrophosphat +I +III 26

Oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA O Pyruvat COO R N S TPP OH O H 3 C O S N R -CO 2 H 3 C OH S N R HS S O + TPP H H 3 C R' O S R N S H + S S R' H Liponamid H R' H SH HS O S R' H CoASH -H + HS H S R' O +H + SCoA Zitronensäurecyclus O SCoA + SH SH R' H Dihydro-Liponamid 27

Chemische Reaktivität von Liponamid 226 kj mol -1 155 kj mol -1 S S R' H Liponamid 28

Regeneration des Liponamids durch Dihydrolipoyl-Dehydrogenase prosthetische Gruppe 29

Schematische Darstellung des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes 30

Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex Die strukturelle Integration dreier verschiedener Enzyme und der lange Liponamidarm ermöglichen die koordinierte Katalyse einer komplexen Reaktion Die enge Nachbarschaft der einzelnen Enzyme erhöht die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit und vermindert Nebenreaktionen 31

Übersicht 32

Citrat-Synthase r G 31.4kJmol ' 1 33

Übung Kondensationen Formulieren Sie einen plausiblen Reaktionsmechanismus für die folgende Reaktion: Welche Verbindung ist die Methylenkomponente; welche die Carbonylkomponente? 34

Konformationsänderung der Citrat- Synthase Erst durch die Bindung von Oxalacetat wird eine Bindungstelle für Acetyl-CoA geschaffen: Diese induzierte Anpassung verhindert Nebenreaktionen wie z.b. die Hydrolyse des 35 Acetyl-CoA

Mechanismus der Citrat-Synthase 36

Aconitase-Reaktion r G 8.4kJmol 2.1kJ mol ' 1 ' 1 r G 37

Isocitrat-Dehydrogenase Isocitrat + NAD + -Ketoglutarat + CO 2 + NADH + H + r G 8.4kJmol ' 1 38

-Ketoglutarat-Dehydrogenase- Komplex Homolog zum Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex r G 30.1kJ mol ' 1 39

Succinyl-CoA-Synthetase Kann leicht in ATP umgewandelt werden r G 3.3kJmol ' 1 40

Mechansimus der Succinyl-CoA- Synthetase 41

Succinat-Dehydrogenase Fumarase Malat-Dehydrogenase Eine Methylengruppe (CH 2 ) wird in drei Schritten in eine Carbonyl- Gruppe (C=O) umgewandelt: Oxidation, Hydratisierung, zweite Oxidation G r 0kJmol G 3.8kJmol G 29.7 kjmol ' 1 ' 1 ' 1 r r 42

Kurze Erläuterung: HO H COO H H NAD + NADH + H + O H COO H G r 29.7 kjmol ' 1 COO COO DE = 0.148 V G 43 r 28.6kJmol ' 1

Zusammenfassung 44

Zusammenfassung 45

Zusammenfassung Frei in ATP umwandelbar In Form von 3 NADH+H + und 1 FADH 2 46

Übung Zitratcyclus Radioaktive Substrate können gebraucht werden, um das Schicksal einzelner Kohlenstoffatome in Stoffwechselwegen abzuklären. In den 50ziger Jahren wurde in einem solchen Versuch Acetat, welches an der Carboxylgruppe ([1-14 C-Acetat] radioaktiv markiert war, unter aeroben Bedingungen mit einem Zellpräparat aus tierischen Gewebezellen inkubiert. Acetat wird in solchen Präparaten zu Acetyl-CoA umgewandelt. Daher kann das Schicksal der Acetylgruppe im Citratcyclus verfolgt werden. -Ketoglutarat wurde aus den Gewebezellen isoliert und dann chemisch abgebaut, um die Position der 14 C-Markierung festzustellen. Es wurde gefunden, dass -Ketoglutarat nur in der -Carboxyl-Gruppe die 14 C-Markierung trug. a) Wie interpretieren Sie dieses Resultat? Warum denken Sie, wurde der label auch in der - Carboxygruppe erwartet. Legen Sie Ihre Ausführungen und Argumente dar. Hinweis: Chiralität Prochiralität. b) Was passiert mit der radioaktiven Markierung im weiteren Verlauf des Zyklus? 47

Regulation Irreversibler Schritt 48

Regulation der Pyruvat- Dehydrogenase 49

Kontrolle des Zyklus Kinase, Phosphatase Produkthemmung Allosterische Aktivierung Ähnliche Hemmung wie Pyruvat- Dehydrogenase-Komplex50

Biosynthetische Aufgaben Anaplerotische Reaktion Pyruvat-Carboxylase Pyruvat + CO 2 + ATP + H 2 O Oxalacetat + ADP + P i + H + 51

Vernetzung der Stoffwechselwege 52

Glyoxylatzyklus Säuger füllen den Citratzyklus hauptsächlich über Pyruvat, da sie keine Isocitratlyase besitzen Pflanzen, Pilze und Bakterien besitzen den Glyoxylatzyklus um aus zwei C 2 - Einheiten eine C 4 -Einheit zu synthetisieren 53

Glyoxylatzyklus 54

Glyoxylatzyklus 55