77 Energiegewinnung - Energiestoffwechsel Bei der Glycolyse wird Glucose (6C) unter Energiegewinn (ADP=> ATP) in Pyruvat (3 C) abgebaut. Aus Pyruvat wird unter Energiegewinn Essigsäure(2C). Auch beim Abbau von Fetten und vieler Aminosäuren entsteht Essigsäure, die als Acetyl-Coenzym A in den Citratcyclus eingespeist wird. Dort wird in kleinen Schritten unter Energiegewinn Kohlendioxid abgespalten und Wasserstoff auf andere Stoffe (NAD + , FAD) übertragen. In der Atmungskette wird dieser Wasserstoff zu Wasser oxidiert, wobei wieder Energie frei wird. Anaerobe Organismen (leben ohne Sauerstoff) stellen Milchsäure oder Ethanol aus Glucose her, aerobe Organismen (leben mit Sauerstoff) produzieren bei der Glycolyse Pyruvat ("Brenztraubensäure") aus Glucose. Allgemeines zur Glycolyse Die Glycolyse - nach ihren Entdeckern auch EMBDEN-MEYERHOFF-Weg genannt - verläuft bei fast allen Organismen im Zellplasma. Die Glycolyse ist keine allzu effiziente Energiegewinnung. Dennoch gibt es - auch im menschlichen Körper - Zellen, die ihren Energiebedarf ausschließlich durch die Glycolyse decken. .
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Energiegewinnung - Energiestoffwechsel
Bei der Glycolyse wird Glucose (6C) unter Energiegewinn (ADP=> ATP) in Pyruvat (3 C)abgebaut.
Aus Pyruvat wird unter Energiegewinn Essigsäure(2C). Auch beim Abbau von Fetten und vielerAminosäuren entsteht Essigsäure, die als Acetyl-Coenzym A in den Citratcyclus eingespeist wird.
Dort wird in kleinen Schritten unter Energiegewinn Kohlendioxid abgespalten und Wasserstoff aufandere Stoffe (NAD+, FAD) übertragen.
In der Atmungskette wird dieser Wasserstoff zu Wasser oxidiert, wobei wieder Energie frei wird.
Anaerobe Organismen (leben ohneSauerstoff) stellen Milchsäure oder Ethanolaus Glucose her,aerobe Organismen (leben mit Sauerstoff)produzieren bei der Glycolyse Pyruvat("Brenztraubensäure") aus Glucose.
Allgemeines zur GlycolyseDie Glycolyse - nach ihren Entdeckern auchEMBDEN-MEYERHOFF-Weg genannt -verläuft bei fast allen Organismen imZellplasma.
Die Glycolyse ist keine allzu effizienteEnergiegewinnung. Dennoch gibt es - auch immenschlichen Körper - Zellen, die ihrenEnergiebedarf ausschließlich durch dieGlycolyse decken.
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Biochemische Reaktionen (im Citrat-Zyklus)
Transaminierung
Bei diesem Prozess wird die -Aminogruppe auf eine -Ketosäure (2-Oxosäure) übertragen,wobei aus der Aminosäure eine -Ketosäure wird und aus der vorherigen -Ketosäure eineAminosäure.Da die Transaminierung reversibel ist, kann der Körper auch umgekehrt aus Ketosäuren-Aminosäuren herstellen. Durch diesen Prozess können nicht essentielle Aminosäuren für dieProteinbiosynthese hergestellt werden.
Als Decarboxylierung bezeichnet man eine chemische Reaktion, bei der aus einem MolekülKohlenstoffdioxid CO2 abgespalten wird.Durch Enzyme (Decarboxylasen) kann eine Decarboxylierung besonders leicht bei Carbonsäuren(bevorzugt: β-Ketosäuren und Aminosäuren) erfolgen.
Als Hydrierung bezeichnet man eine chemische Reaktion, bei der an eine Doppelbindung 2 H-Atome angelagert werden. Bei einer Dehydrierung werden aus einem Molekül 2H-Atome eliminiert.Enzyme: Hydrogenasen/Dehydrogenasen (reversible Reaktion)
Als Hydratisierung bezeichnet man eine chemische Reaktion, bei der (an ein Molekül) Wasserangelagert wird. Bei der Dehydratisierung wird ein Wassermolekül abgespalten.Enzyme: Hydratasen/Dehydratasen (reversible Reaktion)
Was ist das Ziel des Citrat-Zyklus ?Die Glycolyse lieferte ja bereits etwas Energie. Glucose wurde gespalten, und aus jedemGlucosemolekül konnten im Endeffekt 2 ATP gewonnen werden. Wenn den Zellen allerdingsSauerstoff zur Verfügung steht, ist eine wesentlich effektivere Oxidation der Glucose möglich, sodass viel mehr ATP gebildet werden kann.
In den Zellen findet eine Knallgasreaktion statt, in der Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasserreagieren. Natürlich wird hier kein gasförmiger Wasserstoff eingesetzt, sondern chemischgebundenen Wasserstoff, z.B. in Form von NADH/H+ oder FADH2 (Co-Enzyme bei derDehydrierung bzw. Oxidation). Dieser chemisch gebundene Wasserstoff muss aber erst einmalgewonnen werden. Organische Verbindungen wie Glucose enthalten jede Menge Wasserstoff (einGlucose-Moleküle besitzt z.B. 12 H-Atome), und die Zelle muss es irgendwie schaffen, denorganischen Molekülen möglichst viel von diesem Wasserstoff zu entziehen. Um dies zu schaffen,hat die Natur den Citratzyklus (Zitronensäurezyklus) "erfunden". Das Ziel dieses zyklischenProzesses kann wie folgt formuliert werden:
Aus dem Endprodukt der Glycolyse (dem Pyruvat) sollen möglichst viele H-Atome gewonnenwerden (in Form von Form von NADH/H+ oder FADH2), damit diese dann unter ATP-Bildung mitSauerstoff reagieren können.
Ziel des Citratzyklus
Die Abbildung hier zeigt, wie einTeilschritt des Citratzyklus einNAD+-Teilchen reduziert, und wiedas so gewonnene NADH/H+
anschließend unter ATP-Bildungmit Sauerstoff zu Wasserreagiert.
Grundprinzip undÜbersicht
Der in den Mitochondrienablaufende Citratzyklus(Zitronensäurezyklus) ist einerder wichtigsten Stoffwechsel-wege überhaupt. Er nimmt einezentrale Stellung im Rahmen deraeroben Dissimilation ein
In einem vorgeschalteten Schritt reagiert das Pyruvat aus der Glycolyse mit dem Coenzym A. DasPyruvat gibt eine COOH-Gruppe in Form von CO2 ab, und die beiden restlichen C-Gruppenwerden an das Coenzym A angelagert, es entsteht das sogenannte Acetyl-Coenzym A.Da diese Reaktion gleichzeitig eine Oxidation ist, kann der freigesetzte Wasserstoff auf NAD+
übertragen werden. Bereits bei dieser vorbereitenden Reaktion entsteht also ein NADH/H+ proPyruvat-Molekül, also zwei pro Glucose-Molekül.Das Acetyl-Coenzym A überträgt den Acetyl-Rest dann auf eine Verbindung namens Oxalacetat,welche aus 4 C-Gruppen besteht. Es ensteht dabei das Citrat (6 C-Gruppen). Nach dieserorganischen Verbindung hat der ganze Zyklus seinen Namen: Citratzyklus oderZitronensäurezyklus.
Und jetzt passiert etwas Eigenartiges. Das Citrat wird in mehreren Schritten abgebaut, bis amEnde wieder Oxalacetat vorliegt. Dabei wird zweimal Kohlendioxid abgegeben, welches aber nurals Abfallprodukt anzusehen ist (obwohl da die grünen Pflanzen anderer Meinung sind, sie lebenschließlich vom Kohlendioxid)Viel wichtiger aber: während dieser vielen Abbauschritte wird fleißig NADH/H+ gewonnen. Diemeisten Abbauschritte sind nämlich Oxidationsreaktionen, die Wasserstoff freisetzen, der dannvom NAD+ aufgenommen wird.
Vorbereitung:Herstellung von Acetyl-CoA ausCoenzym A und Pyruvat
Enzym:Pyruvat-Dehydrogenase
Diese Reaktion gehört eigentlich nicht zum Zyklus selbst,sondern wird als letzter Schritt der Glycolyse bzw. desFettsäure-Abbaus angesehen.Das Coenzym A tritt bei dieser Reaktion als Überträgereines C2-Körpers auf.
Pyruvat + NAD+ + CoA ----> Acetyl-CoA + NADH/H+ +CO2
Diese Reaktion wird durch den Multi-Enzym-KomplexPyruvat-Dehydrogenase katalysiert. Die Reaktion verläuftexotherm. Wie man der Reaktionsgleichung entnehmenkann, findet nicht nur eine Decarboxylierung statt(Abspaltung von Kohlendioxid), sondern das Pyruvat wirdauch noch oxidiert (Reduktion von NAD).
Schritt 1: (nicht reversibel)Bildung von Citrat
Enzym:Citrat-Synthetase
Im diesem ersten Schritt des Citratzyklus entsteht ausdem Oxalacetat und dem Acetyl-Coenzym A der C6-Körper Citrat:
Acetyl-CoA + Oxalacetat + H2O ----> CoA + Citrat
Diese exotherme Kondensation wird durch das EnzymCitrat-Synthase katalysiert.
Der 1. Schritt ist geschwindigkeitsbestimmend für dengesamten Citrat-Zyklus. Wird die Citrat-Synthetasegehemmt, so läuft quasi nichts mehr.
Die Geschwindigkeit des 1. Schrittes hängt im wesentlichen vondrei Faktoren ab:
1. Konzentration des Acetyl-Coenzym A2. Konzentration des Oxalacetats3. Konzentration der Verbindung Succinyl-Coenzym
A
Dass die Geschwindigkeit von den beiden erstenFaktoren abhängt, dürfte klar sein (Motto: wo nichts ist,kann auch nichts reagieren).Bei Punkt 3 handelt es sich um eine kompetitiveHemmung; das Succinyl-Coenzym A hat eine ähnlicheStruktur wie das Acetyl-Coenzym A und konkurriert mitdiesem um die Citrat-Synthetase. Je mehr nun Succinyl-CoA vorhanden ist, desto geringer wird dieUmsetzungsgeschwindigkeit.
Liegt genug energiereiches ATP und NADH vor, wird dieCitrat-Synthetase ebenfalls gehemmt (allosterischeHemmung).
Hier handelt es sich um eine typische Isomerisierung, wiewir sie bereits beim 2. Schritt der Glycolysekennengelernt haben. Die Strukturformel des Citrats wirdnur geringförmig geändert, indem eine OH-Gruppe undein H-Atom ihren Platz tauschen.Dadurch gelangt die OH-Gruppe an das zweite C-Atomvon unten und kann anschließend im dritten Schrittoxidiert werden. Würde diese OH-Gruppe noch an deralten Position sitzen, so wäre keine Oxidation zurCarbonylgruppe C=O möglich (das dritte C-Atom vonunten müsste dann fünfbindig sein).
Interessant ist, dass das Gleichgewicht dieser Reaktionstark auf der Seite des Citrats liegt (93%). Durch dienachfolgenden Reaktionsschritte wird dem Zyklus jedochständig Isocitrat entzogen, so dass auch ständig neuesCitrat zu Isocitrat umgesetzt wird.
Info für Chemiker: Zunächst wird ein Wassermolekülabgespalten. Es bildet sich eine C=C-Doppelbindung.(die Verbindung heißt Aconitat). Dann wird einWassermolekül addiert. Dabei erhält das andere C-Atomdie OH-Gruppe.
Schritt 3: (reversibel)Oxidation (Dehydrierung) von Isocitrat
Enzym:Isocitrat-Dehydrogenase IDH
Das Isocitrat gibt zwei Wasserstoff-Atome ab und wirddadurch oxidiert. Die Wasserstoffatome werden durchNAD aufgenommen.Das Oxalsuccinat (Oxalbernsteinsäure) wird nichtfreigesetzt, sondern bleibt an das Enzym gebunden undwird vom gleichen Enzym sofort zu Ketoglutaratumgesetzt (Schritt 4).
Schritt 4: (reversibel)Decarboxylierung von Oxalsuccinat
Enzym:Isocitrat-Dehydrogenase IDH
Aus Oxalsuccinat (Oxalbernsteinsäure) bildet sich ineiner exothermen Reaktion Ketoglutarat. Dabei wirdKohlendioxid abgespalten.Insgesamt wurden zu diesem Zeitpunkt bereits zweiKohlendioxidmoleküle abgespalten: das erste bei derBildung des Acetyl-Coenzym A, das zweite bei derBildung von Ketoglutarat. Man bedenke, dass es das imCitratzyklus gebildete Kohlendioxid ist, welches wir beimnormalen Atmen ausatmen.Die Isocitrat-Dehydrogenase ist für die beiden Schritte 3und 4 verantwortlich. Es handelt sich um einallosterisches Enzym, welches durch ADP aktiviert unddurch ATP und NADH gehemmt wird.
Dieser Schritt ist sehr kompliziert, weil eine Vielzahlchemischer Reaktionen gleichzeitig ablaufen. Eineinzelnes Enzym reicht zur Beschleunigung der Reaktionnicht aus, es werden mehrere Enzyme benötigt, die Handin Hand arbeiten, ein so genannter Multienzymkomplex.
Der erste Teilschritt ähnelt in vieler Hinsicht derEinstiegsreaktion in den Citratzyklus. Dort wurde Pyruvatauf CoA übertragen, verlor dabei eine Carboxylgruppe inForm von CO2, und wurde gleichzeitig oxidiert, so dassReduktionsprodukte in Form von NADH freiwurden.Genauso ist es hier:Es wird Ketoglutarat auf CoA übertragen, auch hier wirdKohlendioxid freigesetzt, und das Substrat wird ebenfallsoxidiert, so dass NADH gebildet werden kann. DasEndprodukt des ersten Teilschrittes heißt Succinyl-Coenzym A.
Ketoglutarat + CoA + NAD+ --->Succinyl-CoA + NADH/H+ + CO2
Diese Oxidation und Decarboxylierung ist sehr exotherm. DieAufgabe des Coenzym A ist es, den bei der Decarboxylierungdes Ketoglutarats entstandenen C4-Körper (Succinat) zu bindenund zum nächsten Enzym des Citratzyklus zu übertragen. Nachdieser Übertragung wird das Coenzym A wieder freigesetzt:
Succinyl-CoA + GDP/Pi ---> Succinat + CoA + GTP
Wie man sofort sieht, ist auch diese Reaktion exotherm,sonst könnte kein energiereiches GTP gebildet werden.
Schritt 6: (nicht reversibel)Dehydrierung (Oxidation) von Succinat -Bildung von Fumarat
Enzym:Succinat-Dehydrogenase
Die Succinat-Dehydrogenase oxidiert das Succinat zuFumarat. Hauptzweck dieses Schritts ist die Gewinnungvon Wasserstoff in Form von FADH2. Gleichzeitig wirdaber auch der 8. Schritt vorbereitet, bei dem ebenfallsWasserstoff gewonnen wird - wir erinnern uns:Der eigentliche Sinn des Zitratzyklus ist die Bereitstellungvon möglichst viel Wasserstoff, damit die Atmungsketteangetrieben werden kann.
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Schritt 7: (reversibel)Hydratisierung von Fumarat -Bildung von Malat
Enzym:Fumarase (Fumarat-Hydratase)
Es wird ein Wassermolekül an die Doppelbildung addiert.Sinn und Zweck dieses Schrittes ist es, den nächsten zuermöglichen, bei dem dann die neue OH-Gruppe oxidiertwird, um wieder NADH/H+ zu gewinnen.
Schritt 8: (reversibel)Dehydrierung (Oxidation) von Malat -Bildung von Oxalacetat
Enzym:Malat-Dehydrogenase MDH
In diesem letzten Schritt des Citratzyklus wird nun endlichdas Oxalacetat regeneriert. Die soeben angelagerte OH-Gruppe wird oxidiert, es entsteht noch einmal NADH/H+.
Interessanterweise ist diese Reaktion ziemlichendotherm, und das chemische Gleichgewicht liegt starkauf der linken Seite. Die Reaktion kann daher nurablaufen, wenn die Malat-Konzentration hoch und dieOxalacetat-Konzentration niedrig ist.
