Biochemie 4

• Pyruvat wird durch die oxidative Carboxylierung (Abspaltung von CO₂) zu Acetyl-CoA
• delta G^'0 ist stark negativ, GG liegt also auf der Seite der Produkte, -33.4 kJ/mol
• beteiligtes Enzym ist die Pyruvatdehydrogenase
• angehängt wird ein CoA-SH anstelle des CO_2, ausserdem wird ein NAD⁺ benötigt
• Durch die Generierung von Acetyl-CoA aus Pyruvat wird eine Verbindung zwischen der Glykolyse und Citratzyklus hergestellt.
• Das entstandene Acetyl-CoA kann dann mit Oxalacetat durch die Citratsynthase weiter zu Citrat umgesetzt werden. Das NADH/H⁺ kann durch die Atmungskette wieder reoxidiert werden.

• Thiamin-Pyrophosphat TPP (Thiamin = Vitamin B1)
• Coenzym A (Pantotenat = Vitamin B5)
• Lipoat
• FAD⁺/FADH₂ (Riboflavin = Vitamin B2)
• NAD⁺/NADH (Niacin = Vitamin B3)

• Thiamin-Pyrophosphat ist prosthetische Gruppe bei der oxidativen Carboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA
• TPP bindet an das Pyruvat, reagiert und es entsteht ein Hydroxyethylthiaminpyrophosphat und CO₂
• Diese Hydroxyethylgruppe wird zu einer Acetylgruppe oxidiert und von Liponamid übernommen, so dass eine energiereiche Thioesterbindung --> S-Acetylliponamid, entsteht
• Liponamid ist an der Transacetylase-Untereinheit kovalent gebunden. Die Disulfidgruppe des Liponamids wird bei dieser Reaktion zur Disulfhydrylform reduziert

• Coenzym A, reagiert nach dem TPP bei der oxidativen Carboxylierung
• Der Acetylrest von Acetylliponamid wird auf Coenzym A übertragen, somit entstehen Acetyl-CoA und Dihydroliponamid (C).
• katalysiert von der Dihydrolipoyl-Transacetylase (E₂)
• Formal erfolgt bei dieser Reaktion eine Umesterung, wodurch die energiereiche Thioesterbindung erhalten bleibt
• stark negatives delta G^'0 = -31.4 kJ/mol

• besteht aus drei Untereinheiten, E1, E2 und E3
• Architektur ist stark konserviert

• 1. Pyruvatdehydrogenase (E1): Pyruvat reagiert mit TPP zu Hydroxyethyl-TPP

Dihydrolipoyltransacetylase (E2):

• 2. Hydroxyethyl-TPP reagiert mit oxidiertem Lipoyllysin zu Acyllipoyllysin
• 3. Acyllipoyllysin reagiert mit CoA-SH zu Acetyl-CoA, das frei gesetzt wird.

Dihydrolipoyldehydrogenase (E3):

• 4. das reduzierte Lipoyllysin wird durch FAD⁺ wieder oxidiert
• 5. FADH₂ wird durch NAD⁺ wieder oxidiert

• erster Teil der aeroben Verbrennung von Brennstoffen
• komplette Oxidation von Acetyl-Gruppen zu CO2 um NADH und FADH₂ zu produzieren (kein ATP! nur etwas GTP)
• NADH und FADH₂ werden für die Produktion von ATP in der oxidativen Phosphorylierung gebraucht
• Produktion von Vorläuferstoffen für die Synthese von wichtigen biologischen Molekülen
• Das gleiche Oxalacetat wird immer wieder verwendet, um mit Acetyl-CoA zu reagieren
• findet im Mitochondrium statt
• >95% der in den Zellen gnerierten Energie kommt durch den ZSZ und der anschliessenden oxidativen Phosphorylierung zustande

• Kondensation
• Acetyl-CoA reagiert mit Oxalacetat zu Citrat (C2 + C4 --> C6)
• Enzym: Citratsynthase
• delta G^'0 = -32.2 kJ/mol
• sehr wenig Oxalacetat in der Zelle vorhanden, deshalb muss das delta G^'0 sehr negativ sein

• Dehydratation/Hydratation
• Citrat wird über ein Intermediat (cis-Aconitat) zu Isocitrat umgewandelt (C6 --> C6)
• Enzym: Aconitase
• delta G^'0 = 13.3 kJ/mol --> reversible Reaktion --> Isocitrat wird durch die folgenden Reaktionen sehr schnell entfernt, wodurch die Reaktion stattfinden kann

• Oxidative Decarboxylierung
• Isocitrat wird über ein Intermediat (Oxalosuccinat) zu alpha-Ketogluterat umgewandelt (C6 --> C5)
• Enzym: Isocitratdehydrogenase (für die Produktion zum Intermediat)
• NAD(P)⁺ wird gebraucht, CO₂ wird freigesetzt

• Oxidative Decarboxylierung
• alpha-Ketogluterat reagiert zu Succinyl-CoA (C5 --> C4)
• Enzym: alpha-Ketogluteratdehydrogenase-Komplex
• delta G^'0 = -33.5 kJ/mol
• es werden CoA-SH und NAD⁺ gebraucht, CO₂ wird freigesetzt

• Substratlevelphosphorylierung
• Succinyl-CoA wird zu Succinat umgewandelt (C4 -->C4)
• Enzym: Succinyl-CoA-Synthetase
• delta G^'0 = -2.9 kJ/mol
• GDP und Pi werden gebraucht, GTP und CoA-SH werden abgegeben

• Dehydrogenierung
• Succinat wird zu Fumarat umgewandelt (C4 --> C4)
• Enzym: Succinatdehydrogenase
• delta G^'0 = 0 kJ/mol ---> voll reversibel
• FAD wird gebraucht, um H2 aufzunehmen

• Estersalz der Malonsäure
• Malonsäure ist ein Zellgift, das durch Hemmung der Succinat-Dehydrogenase den Ablauf des Citratzyklus hemmt
• Malonat kann anstelle des Succinat an das Enzym binden

• Hydration
• Fumarat wird über Intermediat (Carbanion) zu L-Malat (C4 --> C4)
• Enzym Fumarase, ist sehr spezifisch: bindet nur mit Fumarat
• delta G^'0 = -3.8 kJ/mol
• es wird OH^- und H⁺ gebraucht

• Dehydrogenierung
• L-Malat wird zu Oxalacetat umgewandelt (C4 --> C4)
• Enzym: Malatdehydrogenase
• delta G^'0 = 29.7 kJ/mol --> findet nur statt, weil Oxalacetat schnell wieder entfernt wird
• NAD⁺ wird gebraucht

• 3 NADH
• 1 GTP/ATP
• 1 FADH₂
• 2 CO₂

• = Atmungskette
• gemeinsamer Weg, über den alle aus den verschiedensten Nährstoffen der Zelle stammenden Elektronen auf Sauerstoff übertragen werden --> in der aeroben Zelle ist der molekulare Sauerstoff der letzte Elektronenakzeptor
• besteht aus 4 Komplexen
  • Komplex I: NADH-Oxidase --> durch NADH werden 4 H+ in den Intermembranraum gepumpt
  • Komplex II: Succinatdehydrogenase --> die gleiche wie im ZSZ, wandelt Succinat in Fumarat um und übergibt die Elektronen an Ubiquinon
  • Komplex III: Cytochrom-C-Reduktase --> pumpt 4 H+ in den Intermembranraum, Cytochrom nimmt die Elektronen auf und bringt sie zu Komplex IV
  • Komplex IV: Cytochrom-C-Oxidase --> überträgt die Elektronen vom Cytochrom auf Sauerstoff, wodurch mit H H₂O entsteht. Dabei werden wieder 2 Protonen in den Intermembranraum gepumpt
• durch jedes NADH werden 10 Protonen gepumpt --> dadurch entstehen 2.5 ATP
• durch jedes FADH₂ (das entsteht dadurch, dass durch die Reaktion von Succinat zu Fumarat FAD+ zu FADH₂ reduziert wird) werden 6 Protonen gepumpt und es entstehen 1.5 ATP

---> Dabei entstehen 30-32 ATP

entspricht einem Effizienzfaktor von 34% --> die gesamte Oxidation auf einmal ergibt ein delta G^'0 von -2840 kJ/mol und 32 mal die Hydrolyse eines ATPs (=-30.5 kJ/mol) ergeben -976 kJ/mol

• ist nicht die einzige Funktion des ZSZ --> C4 und C5 Intermediate werden bei einigen katabolischen Prozessen als Brennstoff verwendet
• ZSZ bietet Intermediate für biosynthetische Reaktionen
• der ZSZ evolvierte stufenweise schon unter anaeroben Bedingungen, die aeroben kamen erst später dazu, da war der Ablauf aber schon so gegeben

• Citrat: Fettsäuren, Sterole
• alpha-Ketogluterat: Glutamat, Arginin, Prolin, Glutamin, Purine
• Succinyl-CoA: Porphyrin, Häm
• Oxalacetat: Aspartat, Asparagin, Pyrimidine
• Phosphoenolpyruvat: Glukose, Serin, Glycin, Cystein, Phenylalanin, Tyrosin, Tryptophan

Sind Reaktionen, durch die Verluste von Intermediaten des Citratzyklus, entstanden durch Abzweigung dieser Intermediate für Biosynthesen, ausgeglichen werden. Im Gegensatz dazu stehen cataplerotische Reaktionen.

• reguliert werden 4 Enzyme: Pyruvatdehydrogenase-Komplex, Citrasesynthase, Isocitratdehydrogenase, alpha-ketogluteratdehydrogenase-Komplex
• Pyruvatdehydrogenase-Komplex: hauptsächlich durch allosterische Regulation
  • inhibitorisch: NADH, ATP, Acetyl-CoA und Fettsäuren
  • aktivierend: NAD+, AMP, CoA
• ZSZ: hauptsächlich reguliert durch Substrat- und Produkt-Konzentrationen
  • inhibitorisch: NADH, ATP
  • aktivierend: NAD+, ADP

• der Glyoxylatzyklus ermöglicht es den Pflanzen und Bakterien, aus Acetyl-CoA (bzw. FS) direkt wieder Glukose herzustellen.
• Das können alle Wirbeltiere nicht
• Alles Oxalacetat bleibt im ZSZ und kann daher nicht zu PEP und weiter zu Glukose verarbeitet werden.
• Die Umwandlung von PEP zu Pyruvat und Pyruvat zu Acetyl-CoA sind so exergon, dass sie völlig irreversibel sind
• Acetyl-CoA wird gebraucht, um der Gluconeogenese als Ausgangsprodukt zu dienen

• Beim Glyoxylatzyklus wird Acetat in Oxalacetat umgewandelt, was in der Gluconeogenese zu Glukose umgewandelt werden kann
• ---> aus FS kann wieder Glukose hergestellt werden
• Der Glyoxylatzyklus findet in den Glyoxysomen statt

• aus den FS wird durch Oxidation Acetyl-CoA hergestellt
• das geht in den Glyoxylatzyklus ein und bildet zunächst Intermediate des ZSZ, die dort weiterverwendet werden
• in weiteren Schritten wird aus Acetyl-CoA im Glyoxylatzyklus Oxalacetat hergestellt, das in der Gluconeogenese zu Hexosen umgewandelt wird