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Was bisher geschah…
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Zellatmung (Übersicht)
Der Citratcyclus ist die erste Stufe der Zellatmung
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Citratzyklus
• Synonyme:Tricarbonsäurezyklus (TCA-Zyklus)Krebszyklus, Zitronensäurezyklus
• Der Zyklus ist der abschliessendegemeinsame Stoffwechselweg bei derOxidation von Brennstoffmolekülen
• Fast alle Brennstoffmoleküle treten alsAcetyl-Coenzym A in den Zyklus ein
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Oxidation von Acetyl-CoA
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Mitochondrium - schematisch
Die Reaktionen des Cycluslaufen in der Matrix derMitochondrien ab, imGegensatz zu derGlykolyse, die im Cytosolder Zellen abläuft.
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Mitochondrium
Cristae:Einstülpungen derinneren Membran
Matrix
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Der Citratcyclus im Überblick
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Funktion des Zitratzyclus
• Die Funktion des Zyklus besteht in derGewinnung von Elektronen hoher Energieaus Brennstoffen.
• Der Zyklus erzeugt weder eine grosseMenge ATP noch verbraucht er Sauerstoff.
• Die Elektronen fallen als NADH undFADH2 an.
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Die Glykolyse produziert Pyruvat
Die Glykolyse ist eine Folge von Reaktionen, indenen ein Molekül Glucose zu zwei MolekülenPyruvat umgewandelt wird und gleichzeitig zweiMoleküle ATP entstehen.
In den Citratcyclus können aber nur Acetat-Einheiten eingeführt werden.
Schlüsselschritt: Umwandlung von Pyruvat zuAcetat.
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Entstehung von Acetyl-CoA ausPyruvat
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Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
Pyruvat + CoA + NAD+ Acetyl-CoA + CO2 + NADH
Diese irreversible Reaktion stellt die Verbindungzwischen der Glykolyse und dem Citratzyklus dar.
Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex ist einMultienzymkomplex (ca. 4-10∙106 Da):3 Enzyme, jedes aus mehreren Polypeptidketten(insgesamt ca. 60), und 5 Cofaktoren (s. später).
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Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
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Fünf Cofaktoren sind beteiligt
• Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid (NAD+)• Flavin-Adenin-Dinucleotid (FAD)• Coenzym A (CoA)• Thiaminpyrophosphat (TPP)• Liponsäure
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Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid (NAD+ bezw. NADP+)
OH
H
OH
OH
H
H
O
N
P
O
O
OP O
O
O
OH H
HO O
HH
N
N N
N
NH2
NH2
O
R
R = H: NAD+
R = OPO32: NADP+
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Coenzym A
Pantoin-Säure
Pantothensäure= Pantoinsäure +-Alanin
Cysteamin
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Acetyl-CoA
Die C2-Einheit,welche oxidiert wirdist die Acetylgruppedes Acetyl CoA
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TPP
2-Methyl-4-amino-pyrimidin
N
S
Thiazol
Thiazoliumring
Amino-methyl-pyrimdinring
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pKa = 10.1
Carbanion des TPP
Pro memoria: pKa 10!
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Liponsäure
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Umwandlung von Pyruvat zu Acetyl-CoAerfolgt in drei Schritten
•Decarboxylierung
•Oxidation
•Transfer auf CoA
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Decarboxylierung
a
b
4
8
21
Thiaminpyrophosphat (TPP)
22
Decarboxylierungen
b-Ketocarbonsäure
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Decarboxylierung von a-Ketocarbonsäuren mitThiamin-pyrophosphat
H3C
OH O
O
O
24
Decarboxylierung von a-Ketocarbonsäuren mitThiamin-pyrophosphat
CH2
N
ein En-amin
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Decarboxylierung von a-Ketocarbonsäuren mitThiamin-pyrophosphat
+III
+I
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Oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zuAcetyl-CoA
N
S
R
COO
O
Pyruvat
H3C
OH O
O
S N R
-CO2
S N R
H3C OH
SS
H
R'
Liponamid
H+
N
S
R
O
H3C
S
SH
H
TPP
HS S
R'H
+ TPP
CoASH
SCoA
O
+
SHSH
H
R'
Dihydro-Liponamid
Zitronensäurecyclus
-H+
O
HS S
R'H
O
HS S
R'H
O
SCoA
+H+
R'
H
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Chemische Reaktivität von Liponamid
SS
H
R'
Liponamid
226 kJ mol-1 155 kJ mol-1
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Regeneration des Liponamids durchDihydrolipoyl-Dehydrogenase
prosthetische Gruppe
29
Schematische Darstellung desPyruvat-Dehydrogenase-Komplexes
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Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
• Die strukturelle Integration dreierverschiedener Enzyme und der langeLiponamidarm ermöglichen die koordinierteKatalyse einer komplexen Reaktion
• Die enge Nachbarschaft der einzelnenEnzyme erhöht die Gesamtreaktions-geschwindigkeit und vermindertNebenreaktionen
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Übersicht
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Citrat-Synthase
' 1
r31.4 kJmolG
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Übung Kondensationen
Formulieren Sie einen plausiblen Reaktionsmechanismusfür die folgende Reaktion:
Welche Verbindung ist die Methylenkomponente;welche die Carbonylkomponente?
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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 desAcetyl-CoA
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Mechanismus der Citrat-Synthase
36
Aconitase-Reaktion
' 1
r8.4 kJmolG ' 1
r2.1kJmolG
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Isocitrat-Dehydrogenase
Isocitrat + NAD+ -Ketoglutarat + CO2 + NADH + H+
' 1
r8.4 kJmolG
38
-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex
Homolog zum Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
' 1
r30.1kJmolG
39
Succinyl-CoA-Synthetase
Kann leicht in ATP umgewandelt werden
' 1
r3.3kJmolG
40
Mechansimus der Succinyl-CoA-Synthetase
41
Succinat-Dehydrogenase – Fumarase –Malat-Dehydrogenase
Eine Methylengruppe (CH2) wird in drei Schritten in eine Carbonyl-Gruppe (C=O) umgewandelt: Oxidation, Hydratisierung, zweiteOxidation
' 1
r0kJmolG ' 1
r3.8 kJmolG ' 1
r29.7 kJmolG
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Kurze Erläuterung:
NAD+ NADH + H+COO
HO H
H H
COO
H H
COO
O COO' 1
r29.7 kJmolG
DE = 0.148 V
' 1
r28.6kJmolG 43
Zusammenfassung
44
Zusammenfassung
45
In Form von 3 NADH+H+ und 1 FADH2
Frei in ATP umwandelbar
Zusammenfassung
46
Übung ZitratcyclusRadioaktive Substrate können gebraucht werden, um das Schicksal einzelner Kohlenstoffatome inStoffwechselwegen abzuklären. In den 50ziger Jahren wurde in einem solchen Versuch Acetat, welches ander Carboxylgruppe ([1-14C-Acetat] radioaktiv markiert war, unter aeroben Bedingungen mit einemZellpräparat aus tierischen Gewebezellen inkubiert. Acetat wird in solchen Präparaten zu Acetyl-CoAumgewandelt. Daher kann das Schicksal der Acetylgruppe im Citratcyclus verfolgt werden. -Ketoglutaratwurde aus den Gewebezellen isoliert und dann chemisch abgebaut, um die Position der 14C-Markierungfestzustellen. Es wurde gefunden, dass -Ketoglutarat nur in der -Carboxyl-Gruppe die 14C-Markierungtrug.
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
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Kontrolle des Zyklus
Allosterische Aktivierung
Produkthemmung
Ähnliche Hemmung wie Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
Kinase, Phosphatase
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Biosynthetische Aufgaben
Anaplerotische ReaktionPyruvat-Carboxylase
Pyruvat + CO2 + ATP + H2O Oxalacetat + ADP + Pi + H+
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Vernetzung der Stoffwechselwege
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Glyoxylatzyklus
• Säuger füllen den Citratzyklushauptsächlich über Pyruvat, da siekeine Isocitratlyase besitzen
• Pflanzen, Pilze und Bakterien besitzenden Glyoxylatzyklus um aus zwei C2-Einheiten eine C4-Einheit zusynthetisieren
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Glyoxylatzyklus
54
Glyoxylatzyklus
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