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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

35

Mechanismus der Citrat-Synthase

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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

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-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

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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

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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

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Glyoxylatzyklus

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