Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

2.1 Milchsäure-
und alkoholische Gärung
2.1.3 NAD/NADH2-Kreislauf

Würde das Coenzym NAD+
nicht regeneriert werden, müßten Unmengen Vitamin
B2
aufgenommen werden. Da jedoch NAD+ universell bei vielen
Dehydrogenasen als Kofaktor verwendet wird, müssen nur Ausscheidung
und Verschleiß kompensiert werden. NAD+ kann als Reduktionsäquivalent
entweder 2 Elektronen und 2 H+ aufnehmen oder als NADH+H+
abgeben. Es bildet so ein im Stoffwechsel universelles Redoxsystem.

NADred - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

NAD wird aus dem Vitamin Niacin (B3 = Nikotinsäure
+ Nikotinsäureamid) gebildet.

2.2 Zellatmung

Aerobe Organismen besitzen Mitochondrien, in denen die
bei der Glykolyse freigewordenen Reduktionsäquivalente “recycled
“werden können. Die Elektronen werden dabei auf Sauerstoff
übertragen, wobei Wasser entsteht. Außerdem wird die Glucose
vollständig bis zum CO2 abgebaut. Den gesamten Vorgang
von der Gucose über die Glycolyse und die zusätzlichen Abbauschritte
in den Mitochondrien nennt man Zellatmung.

Die Zellatmung läuft insgesamt in 4 Abschnitten
ab:

Glycolyse –> Oxidative Decarboxylierung
–> Citratzyklus –> Atmungskette

zatm - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

Wir wollen uns nun die Einzelschritte genau ansehen.

2.2.1 Oxidative Decarboxylierung

Die aus der Glycolyse stammende BTS diffundiert in die
Mitochondrien und wird durch den Multienzymkomplex
Pyruvatdehydrogenase zu Acetyl-CoA umgebaut.
Diesen sehr komplizierten Prozess bewerkstelligen die im Enzymkomplex
zusammengeschlossenen 3 Enzyme und 5 Koenzyme. Die Koenzyme sind:

  • Coenzym A,
  • Liponsäure,
  • Thiaminpyrophosphat,
  • NAD (Nicotinsäureamid-Adenin-Dinukleotid) und
  • FAD (= Flavinadenindinukleotid).

od3 - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

Bilanzmäßig sind jedoch nur Coenzym
A
und NAD wichtig.

Die Carboxylgruppe der Brenztraubensäure
wird als CO2 abgespalten. Der ebenfalls freiwerdende Wasserstoff
und die Elektronen werden von
NAD
aufgenommen.

Der übrigbleibende Essigsäurerest wird
an das
Coenzym A
über die reaktive -SH-Gruppe gebunden. Man spricht deshalb auch von
aktivierter Essigsäure.

Die Reaktion ist wegen der Freisetzung großer
Mengen freier Enthalpie irreversibel
( DG= – 33,6 KJ/Mol).

Coenzym A
wird in der Zelle aus dem Vitamin der B2-Gruppe
Pantothensäure
gebildet.

 

3d3 - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & CitronensäurezyklusAcetyl-CoAKlicken Sie hier zur 3D-Darstellung!
3d3 - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & CitronensäurezyklusFADKlicken Sie hier zur 3D-Darstellung!

In Abb. 21 ist die genaue Struktur des
Coenzyms A abgebildet.

Thiaminpyrophosphat,
das ebenfalls an der Decarboxylierung beteiligt ist, wird aus dem
Vitamin
B1
gebildet, FAD
aus
B2
.

Fad - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

Tpp - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

Für die oxidative Decarboxylierung kann man folgende
Gleichung formulieren:


BTS + CoA + NAD+ —->
Acetyl-CoA
+CO2 +NADH+H+ DG=
– 33,6 KJ/Mol

Acetyl-CoA wird
nun im Citratzyklus der Mitochondrienmatrix weiterverarbeitet.

2.2.2 Zitronensäurezyklus
(= Citratzyklus = Krebszyklus =
Tricarbonsäurezyklus)

Der 1930 von Sir Hans Krebs aufgeklärte Citratzyklus
findet in der Mitochondrienmatrix statt. Dies zeigt die Kompartimentierung
der Zelle, d.h. verschiedene Stoffwechselabschnitte laufen in verschiedenen
“Räumen” = Zellorganellen ab. Wie wir vom Calvinzyklus
wissen, wird bei einem zyklischen Vorgang einer der Ausgangsstoffe wieder
regeneriert.

Ablauf des Citratzyklus

In der Einstiegsreaktion
wird durch das Enzym
Citratsynthetase
aus Acetyl-CoA und Oxalacetat
Citrat
(Citronensäure) hergestellt. Dabei
wird CoA wieder frei und steht erneut für die oxidative Decarboxylierung
zur Verfügung.

Der C2-Körper
Acetyl-CoA wird an einen C4-Körper
(Oxalacetat) angelagert und es entsteht ein C6-Körper.

citrze - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

citratze2 - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

Die nächste Reaktion umfaßt 2 Schritte. Wir
wollen jedoch der Einfachheit halber diese nur in einem Schritt darstellen.
Citrat (Citronensäure) wird
in Isocitrat umgewandelt.
Das Enzym Aconitase bewerkstelligt diese Isomerisierung.

In der nächsten Redoxreaktion wird der C6-Körper
Isocitrat zum C5-Körper
a-Ketoglutarat
decarboxyliert. Es wird CO2 frei und NADH+H+ gebildet.

a-Ketoglutarat
wird nun im Schritt 4 weiter decarboxyliert, oxidiert und an das Trägermolekül
CoA gebunden. Es entsteht
Succinyl-CoA.
So entsteht aus dem C5-Körper ein C4-Körper. Als weitere Produkte
fallen CO2 und NADH+H+ an. (siehe unten) Die Reaktion
entspricht der oxidativen Decarboxylierung.

citratze4 - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

Im 5. Reaktionsschritt wird Succinyl-CoA
in Succinat (Bernsteinsäure)
umgewandelt. Dabei ensteht soviel freie Enthalpie, daß es ausreicht
diese in einem Energiespeichermolekül abzuspeichern. In diesem Fall
wird jedoch nicht ADP sonder ein ähnliches Molekül: GDP
verwendet. So entsteht GTP, das
seine Energie auf ADP übertragen kann. Beide Schritte werden von
der Succinyl-CoA-Synthetase katalysiert.

citratze5 - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

Aus Succinat katalysiert
die Succinat-Dehydrogenase im Schritt
6
Fumarat, ebenfalls ein C4-Körper.
Bei dieser Oxidation werden der anfallende Wasserstoff und die Elektronen
im Reduktionsäquivalent FAD abgespeichert. Das Enzym ist übrigens
an die innere Mitochondrienmembran gebunden.

Die Fumarase bildet daraus
im vorletzten Schritt 7 Malat
(Äpfelsäure).

Die Malatdehydrogenase
regeneriert im 8. und letzten Schritt
den Acetyl-CoA-Rezeptor Oxalacetat. Bei dieser Redoxreaktion
fällt wieder NADH+H+ an. (siehe unten)

citratze8 - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

Stoffbilanz des Citratzyklus:

Ein Acetyl-CoA-Molekül wird in den Citratzyklus
eingeschleust. Als Produkte fallen an:

  • 2 CO2
  • 3 NADH+H+ (NADH2)
  • 1 FADH2
  • 1 GTP = 1 ATP.
3d3 - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & CitronensäurezyklusCitratzyklus:
http://info.bio.cmu.edu/Courses/BiochemMols/
TCACycle/TCAMain.htm

Bedeutung des Citratzyklus:

  • Vollständiger Abbau der Glucose in CO2,
    H und Elektronen
  • Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten
    (NADH+H+ und FADH2)

    Energiebilanz:

    Die einzelnen Schritte des Citratzyklus setzen eine
    beträchtliche Menge an Energie in Form von Wärme frei. Diese
    dient bei Vielzellern zur Erhaltung der Körpertemperatur .

    eTCC - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus


Abb. 16

NAD/NADH2-Kreislauf

nadpl - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

 


Abb. 17
Vitamin
B3
 

vitb3 - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

 

 


Abb. 18
Fritz
Lipmann (1899 – 1986)
 

lipmann - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

Nobelpreis 1953;
entdeckte Coenzym A

 


Abb. 19
Modell
des Multienzymkomplexes
 

mek2 - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

 

 


Abb. 20
Liponsäure
 
lipons - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

 


Abb. 21
Acetyl-CoA,
FAD, TPP
 

AcCoA - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

 

 


Abb. 22
Hans
Krebs (1900 – 1981)
 

krebs - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

Nobelpreis 1953 für die Aufklärung des
Citratzyklus (Krebszyklus)

citr6k - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

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Abb. 23
Reaktionen
des Citratzyklus
 

citratze3 - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 24
Citratzyklus
4 -7
 

citratze6 - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

citratze7 - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

 


Abb. 25
Stoffabbau
 
krebsk - Zellatmung: Oxidative Decarboxylierung, Acetyl-COA & Citronensäurezyklus

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Abb. 26
Energiebilanz
des Citratzyklus
 

 

Weiterführende
Quellen:

Oxidative Decarboxylierung

http://ntri.tamuk.edu/cell/mitochondrion/acecoa.html

Citratzyklus

http://ntri.tamuk.edu/cell/mitochondrion/krebcyc.html

Atmungskette

http://ntri.tamuk.edu/cell/mitochondrion/ets.html

Citratzyklus

http://www.gwu.edu/~mpb/citric.htm

http://fig.cox.miami.edu/Faculty/Tom/bil255/bil255sum98/08_citric.html
http://ntri.tamuk.edu/cell/mitochondrion/krebcyc.html
http://ull.chemistry.uakron.edu/Pathways/Citric_acid_cycle/index.html
http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc460/spring/rlm/lec27.html
http://info.bio.cmu.edu/Courses/BiochemMols/TCACycle/TCAMain.htm
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