9-Stoffwechsel IIa

1. Einleitung: Die Chemie des Lebens
2. Kohlenhydrate
3. Lipide und Membranen
4. Nukleinsäuren
5. Aminosäuren und Proteine
6. Enzyme und Katalyse
7. Vitamine & Kofaktoren
Inhaltsverzeichnis - Kapitel
8. Stoffwechsel I: Kohlenhydratstoffwechsel
9. Stoffwechsel II: Citratcyclus & oxidative Phosphorylierung
10. Stoffwechsel III: β-Oxidation & Aminosäureabbau
11. Stoffwechselphysiologie & Ernährungsbiochemie
1
2

Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
Überblick Glucosestoffwechsel
Glykogenspeicher:
ca. 1 kg (Leber/Muskel), ca. 1 Tag
5 mM Blutglucose!
Blutzuckerwert:
• Konz. an gelöster Glukose im Blut
• durch Insulin gelangt Glukose aus dem
Blut in die Zelle -> Glykolyse
Nüchtern-Blutzuckerwert im Blutplasma:
< 100 mg/dl (5,6 mmol/l)
Nach dem Essen (postprandial):
max.140 mg/dl (7,7 mmol/l)
Der Citratzyklus
Der Citratzyklus (Krebs-Zyklus) ist ein
zentraler Kreislauf biochemischer
Reaktionen im Stoffwechsel aerober
Zellen.
Er dient dem oxidativen Abbau
organischer Stoffe zum Zweck der
Energiegewinnung und der Bereitstellung
von Zwischenprodukten für Biosynthesen.
-> Der Citratzyklus vollendet damit die
Oxidation des glykolytischen
Endprodukts Pyruvat zu Kohlendioxid.
3
4

Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
Das beim Abbau von Fetten,
Zuckern und Aminosäuren
als Zwischenprodukt
entstehende Acetyl-CoA
wird im Citratzyklus zu CO 2
und H 2 O abgebaut, wobei
für den Anabolismus des
Organismus nutzbare
Zwischenprodukte gebildet
werden und direkt (als ATP)
und indirekt (als
Reduktionsäquivalente
NADH & FADH 2 ) Energie
gebildet wird.
Rolle des Citratzyklus im Stoffwechsel
Die zyklische Natur des
Citratzyklus wurde in den
1930iger Jahren von
Sir Hans Krebs entdeckt
(daher oft auch als
„Krebszyklus“ bezeichnet!)
Citratzyklus = Krebszyklus
Nobelpreis für Medizin/Physiologie 1953
Sir Hans Krebs
(1900-1981)
„For his discovery of
the citric acid cycle“
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Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
Lokalisation des Citratzyklus
In Eukaryonten findet der Citratzyklus in der sog. Matrix der Mitochondrien statt:
Überblick Citratzyklus
Die 8 Reaktionen überführen Acetyl-CoA in Kohlendioxid (CO 2 ) + Wasser (H 2 O).
Die freiwerdende Energie wird in Form von NADH, FADH 2 und GTP gespeichert:
3 NAD + + FAD + GDP + Pi + Acetyl-CoA + 2 H 2 O
3 NADH + FADH 2 + GTP + CoA + 2 CO 2 + 3 H +
Die im Citratzyklus gewonnenen, an NADH und FADH 2 gebundenen Elektronen werden
der Atmungskette zugeführt und auf den Elektronenakzeptor Sauerstoff (O 2 ) übertragen
-> Oxidative Phosphorylierung.
Die dabei frei werdende Energie wird genutzt, um ATP zu bilden -> dabei entstehen aus
NADH ca. 3 ATP und aus FADH 2 ca. 2 ATP.
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8

Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
Cytoplasma
Mitochondriale Matrix
Teilschritte des Citratzyklus
Der Citratzyklus
Das erste Intermediat im
Citratzyklus ist Citrat (Name!)
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Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
Synthese von Acetyl-CoA
Der Treibstoff für den Citratzyklus ist Acetyl-CoA, ein „energiereicher“ Thioester.
Das Endprodukt der Glykolyse Pyruvat kann zu Acetyl-CoA umgewandelt werden.
Diese Umwandlung erfolgt über den Pyruvatdehydrogenase-Komplex in fünf
aufeinanderfolgenden Reaktionsschritten, die wie folgt zusammengefasst werden können:
Pyruvat + NAD + PDH Komplex
+ CoA Acetyl-CoA + CO2 + NADH
Der Pyruvatdehydrogenase Multienzymkomplex
Drei Enzyme sind an der irreversiblen oxidative Decarboxylierung
von Pyruvat zu Acetyl-CoA beteiligt:
• Pyruvatdehydrogenase (E1)
• Dihydrolipoyltransacetylase (E2)
• Dihydrolipoyldehydrogenase (E3)
Diese drei Enzyme bilden einen gemeinsamen Multienzymkomplex.
Durch die Generierung von Acetyl-CoA aus Pyruvat wird eine Verbindung
zwischen der Glykolyse und Citratzyklus hergestellt.
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Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
Struktur des Multienzymkomplexes
Der PDH-Multienzymkomplex ist einer der größten Enzymkomplexe mit einer
Masse von 4,6 - 9,5 MDa und
einem Durchmesser von 300 - 500 Å (30 - 50 nm).
Der Kern des Komplexes besteht aus
24-60 Molekülen E2
(Dodekaeder-Struktur).
Der Kern ist von 24-30 Molekülen
E1 (orange) und 12 Molekülen E3 (pink)
umgeben.
Vorteile von Multienzymkomplexen
Der Vorteil von Multienzymkomplexen im Vergleich zu einzelnen Enzymaktivitäten
besteht vor allem in Folgendem:
• Kurze Distanz ermöglicht eine Beschleunigung der Reaktionsraten
• Produkt einer Reaktion kann direkt als Substrat für die nächste Enzymreaktion dienen
(„substrate channeling“); dadurch wird ein Verlust vermieden!
• Koordinierte Kontrolle der Gesamtreaktion
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Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
Coenzyme in der Pyruvatdehydrogenase
An den enzymatischen Reaktionen sind zahlreiche Cofaktoren beteiligt:
Coenzym Schritt Funktion
Thiaminpyrophosphat gebunden an E1 Decarboxyliert Pyruvat unter
(Vitamin B 1 , TPP) Ausbildung eines TPP-Carbanions
(Hydroxyethyl-TPP)
Liponsäure kovalent gebunden übernimmt Hydroxyethyl-Gruppe
an E2 nach Oxidation zu Acetylgruppe
von TPP (es entsteht die E-reiche
Thioesterverb. S-Acetylliponamid)
Coenzym A (CoA) Substrat für E2 übernimmt die Acetylgruppe
vom Liponsäureamid und wird
zu Acetyl-CoA
Flavinadenindinucleotid (FAD) gebunden an E3 reoxidiert das Dihydroliponamid zu
Liponsäureamid
Nicotinamidadenin- Substrat für E3 wird von FADH2 reduziert, wodurch
dinucleotide (NAD
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+ ) dieses wieder regeneriert wird
H 3C
O
C
C
CO 2
O
O
Die 5 Reaktionen des PDH-Komplexes
1
H3C
OH
C
TPP
TPP
pyruvate
dehydrogenase
(E1)
H 3C
2
O
C
H
S
S
S
S
R
R
lipoamide
dihydrolipoyl
transacetylase
(E2)
4
H
3
S
CoA
S
FAD
SH
SH
R
5
dihydrolipoyl
dehydrogenase
(E3)
NAD +
O
FAD
S
S
H3C C S CoA
acetyl-CoA
NADH + H
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Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
Kovalente Verknüpfung der Liponsäure mit E2
Die Liponsäure ist über eine
Lysinseitenkette kovalent
mit E2 verbunden.
Dadurch kann die
Liponsäure die aktiven
Zentren von E2 und E3
erreichen.
Regulation
Hemmung / Inaktivierung:
Regulation und Hemmung der PDH
• Hemmung durch die Endprodukte Acetyl-CoA und NADH (Produkthemmung)
• Inaktivierung durch Phosphorylierung von 3 Serinresten der E 1 -Untereinheit durch eine
Pyruvatdehydrogenase-Kinase (PDK)
Aktivierung / Stimulierung:
• Stimulierung durch Calcium- sowie Magnesiumionen
• Aktivierung durch Aufhebnung der Serin-Phosphorylierung über die Phosphopyruvat-
dehydrogenase-Phosphatase (PDP)
Hemmstoffe
Toxisch: Arsen(III)-Verbindungen wie Arsenit (AsO 3 3− ), organische Arsenverbindungen
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Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
Zur Toxizität von Arsen
Die Toxizität von Arsen beruht auf der Reaktivität von Arsenit und organischen
Arsenverbindungen mit Thiolgruppen, wie z. B. mit Dihydroliponamid:
-> kovalente Verbindungen mit Thiolgruppen
-> inaktivieren Dihydroliponamid
Inhibition der Pyruvat-Dehydrogenase
(und der α-Ketoglutaratdehydrogenase)
blockiert die Atmung!
Bakterielle Enzyme sind empfindlicher
für Arsen-Verbingungen (siehe
Entwicklung von „Salvarsan“)
Hauptbestandteile:
1.2-Dithiol
1.2-Dithiolan-4-carbonsäure
(Spargelsäure) und Methylester
O O CH3 C
O OH
C
S S S S S S
C
O
S
CH 3
Liponsäurederivate in Pflanzen
ENZYMATISCHER ABBAU
H 3C
S-Methylthioacrylat S-Methyl-3-(methylthio)
thiopropionat
• Übelriechende Substanzen, mit Urin ausgeschieden
• ca. 40% der Menschen besitzen erforderliche Enzyme
S
C
O
S
CH 3
Asparagus officinalis
(Liliaceae)
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Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
1. Schritt: Citratsynthase
Die Citratsynthase katalysiert
die KONDENSATION von Acetyl-CoA und Oxalacetat zu Citrat:
(Säure-Base-Katalyse: Asparaginsäurerest 375 als katalysierende Base, His320 als Säure):
Die Aconitase katalysiert die ISOMERISIERUNG von Citrat zu Isocitrat:
HO
COO
CH 2
C
COO
citrate
O
H2
C C
O
2. Schritt: Aconitase
COO
H2O CH O
H2O H2
C C C O
COO
cis-aconitate
HO
H
COO
CH
C
COO
O
H2
C C
isocitrate
Die Anwesenheit eines Eisen-Schwefel-
Clusters als Cofaktor entscheidet über die
Funktion der Aconitase. Die spezifische
Konformation des Enzyms mit dem [4Fe-4S]-
Cluster lässt die Reaktion stereospezifisch
vom achiralen Citrat ausschließlich zum
(1S,2R)-Isocitrat ablaufen.
O
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Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
Fluoressigsäure hemmt die Aconitase
Fluoressigsäure wird als Natriumfluoroacetat (Natriumsalz der Fluoressigsäure) zur
Bekämpfung von Nagetieren in Giftködern verwendet.
Natürlicherweise ist das Salz in über 40 Pflanzen Australiens, Brasiliens und Südafrikas
enthalten („Fraßgift“):
• Zum Beispiel findet es sich als giftiger Inhaltsstoff in den Blättern des südafrikanischen
Strauches „Gifblaar“ (Dichapetalum cymosum). Bereits ein Blatt kann ein Schaf töten.
• Pflanzen wie Gastrolobium & Oxylobium enthalten bis zu 2.65 g Fluoressigsäure pro kg
Blattfrischgewicht.
• In kleinen Mengen kommt die Verbindung auch in Teeblättern vor.
fluoroacetic acid
fluoroacetyl-CoA
O
H 2C C
F
SCoA
COO
Gastrolobium bilobum (Leguminaceae)
-> „Heart leaved poison“
Fluoressigsäure: Letale Biosynthese
Fluoressigsäure ist an sich nicht toxisch, wird aber über die Citratsynthase in einen
toxischen Metaboliten umgewandelt.
Dieser bindet als „Pseudosubstrat“ an die Aconitase.
O
H 2C C
F
OH
HSCoA
O
H2
OOC C C COO
C
H C
CH2 F O
HO C
O
oxaloacetate
citrate synthase COO
aconitase
fluorocitrate
Die Aconitase kann jedoch
Fluorocitrat nicht in Aconitat
umwandeln, und dadurch wird der
Citratzyklus gehemmt und die
Zellen von der E-Zufuhr
abgeschnitten!
metabolic block!
COO
CH 2
C
COO
O
H
C C
aconitate
O
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Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
Toxizität der Fluoressigsäure
Die meisten Warmblüter werden durch Fluoressigsäure vergiftet.
Durchschnittlich sind bei Warmblütlern 1mg/kg Körpergewicht tödlich:
Die letale Dosis beträgt für Menschen etwa 5 mg/kg.
Bei Maus oder Ratte liegt die Dosis bei 0,1 mg/kg.
Ausnahme Kängurus:
Kängurus haben eine Toleranz für
Fluoressigsäure entwickelt, die auf eine
Entgiftung durch Glutathion beruht!
Kangaroo (Bettongia spp.)
3. Schritt: Isocitratdehydrogenase
Isocitratdehydrogenase katalysiert die OXIDATIVE DECARBOXYLIERUNG
von Isocitrat zu α-Ketoglutarat:
Mn 2+ -katalysiert
Diese Reaktion setzt das erste von zwei CO 2 Molekülen im Citratzyklus frei.
Die Isocitratdehydrogenase-Reaktion ist ähnlich der Phosphogluconat-Dehydrogenase-
Reaktion im Pentosephosphatweg (siehe Kapitel 8).
Wie jede Dehydrogenase ist auch die Isocitrat-Dehydrogenase durch ATP bzw. ADP
regulierbar: ATP bewirkt indirekte Hemmung, ADP indirekte Aktivierung.
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Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
4. Schritt: α-Ketoglutaratdehydrogenase
α-Ketoglutaratdehydrogenase (Komplex!) katalysiert die OXIDATIVE DECARBOXYLIERUNG
von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA:
H
O
COO
CH 2
Die α-Ketoglutaratdehydrogenase-Reaktion ist
quasi identisch mit der Pyruvat-Dehydrogenase-
Reaktion -> ähnliche Multienzym-Komplexe:
2-Ketoglutarat-Dehydrogenase E1
Dihydrolipoamid-Succinyltransferase E2
Dihydrolipoamid-Dehydrogenase E3
C
C
H
C
O O
NAD +
CoA-SH
NADH + H
CO 2
H
O
COO
CH 2
C
C
H
S-CoA
α-ketoglutarate succinyl-CoA
Diese Reaktion setzt das
zweite CO 2 Molekül frei!
5. Schritt: Succinyl-CoA Synthetase
Succinyl-CoA Synthetase koppelt die HYDROLYSE eines „energiereichen“ Thioesters
an die HERSTELLUNG einer „energiereichen“ Anhydridverbidnung (GTP):
Succinyl-CoA + GDP + Phosphat = Succinat + GTP + CoA
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Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
6. Schritt: Succinatdehydrogenase
Bis zu diesem Schritt wurden 2 CO 2 , 2 NADH und ein GTP gebildet.
Die letzten Schritte beinhalten die Rückbildung von Oxalacetat aus Succinat.
Zunächst wird über die Succinatdehydrogenase Succinat zu Fumarat
DEHYDROGENIERT.
COO
H C H
H C H
COO
succinate
E-FAD E-FADH 2
H
OOC
H 2C
H 3C
C
C
COO
H
fumarate
Besonderheiten der Succinatdehydrogenase
Im Gegensatz zu den meisten
anderen Flavoproteinen (Vitamin B 2 )
enthält das Enzym ein kovalent
verknüpftes FAD:
Citratzyklus
N
enzyme
CH 2
N
8
7
9
6
R
N
10
5
N
1
N
4
O
2
NH
3
Die Succinatdehydrogenase, genauer Succinat:
Ubichinon-Oxidoreduktase (= Komplex II der
Atmungskette), ist als einziges Enzym des
Citratzyklus in der inneren Mitochondrienmembran
eingebettet und speist die Elektronen direkt in die
Atmungskette ein.
O
29
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Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
Besonderheiten der Succinatdehydrogenase
Das Enzym katalysiert also nicht nur die Oxidation von Succinat zu Fumarat im
Citratzyklus, sondern auch die Reduktion von Ubichinon (Coenzym Q) zu Ubichinol in
der Atmungskette.
Die REDOX-Kette der Succinatdehydrogenase:
Reoxidation von FADH 2 erfolgt über eine Kette von Elektronenübertragungen über 3
Fe/S-Cluster zum Cytochrom b 556 . Letzteres reduziert Ubiquinon (Coenzym Q) zu
Ubiquinol.
H
OOC
C
C
Fumarase katalysiert die HYDRATATION (Addition von Wasser)
von Fumarat zu Malat:
COO
H
fumarate
OH
7. Schritt: Fumarase
OOC
H
C
C
H
COO
carbanion transition state
H
OH OOC
H
H
C
C
H
COO
OH
malate
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Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
OOC
Im letzten Schritt des Citratzyklus wird Malat zu Oxalacetat
DEHYDROGENIERT (oxidiert):
H
H
C
C
H
malate
8. Schritt: Malatdehydrogenase
COO
OH
NAD +
Die Oxidation einer Acetylgruppe setzt
1 GTP frei.
Weiters entstehen 8 Elektronen, die zur
Reduktion von 3 NAD + und 1 FAD
benutzt werden:
Diese 3 NADH und 1 FADH 2 werden in
der Atmungskette zur Erzeugung von
3 Molekülen ATP pro NADH und 2 pro
FADH 2 genutzt.
Damit werden 12 Moleküle ATP pro
Durchgang im Citratzyklus gewonnen
(24 pro Molekül Glucose).
Es entstehen also 38 Moleküle ATP
beim aeroben Abbau der Glucose (nur 2
unter anaeroben Bedingungen!).
NADH + H +
Zusammenfassung
OOC
H
H
C
C
COO
O
oxaloacetate
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Stoffwechsel II
Stoffwechsel II
Citratsynthase, Isocitratdehydrogenase
und α-Ketoglutarat-dehydrogenase
werden durch folgende Faktoren reguliert:
1. Verfügbarkeit von Substrat
2. Produktinhibition
3. Kompetitive Rückkopplung
Regulation des Citratzyklus
Acetyl-CoA, Citrat und Succinyl-CoA
wirken als Produktinhibitoren.
ATP und Succinyl-CoA wirken als
kompetitive Rückkoppler.
NADH spielt eine Rolle sowohl als
Produktinhibitor als auch Rückkoppler
(siehe Schema).
Wechselwirkungen mit anderen Stoffwechselwegen
Metaboliten des Citratzyklus
spielen auch eine Rolle für
andere Stoffwechselwege, wie
z. B. Oxalacetat für die
Gluconeogenese (amphiboler
Charakter).
Andere Reaktionen liefern
Metabolite des Citratzyklus an.
Diese werden als
anaplerotische Reaktionen
bezeichnet.
Beispiele sind der Abbau von
bestimmten Aminosäuren und
die Pyruvatcarboxylase-
Reaktion).
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