14 - Der Citratzyklus

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14 Der Citratzyklus Georg Löffler, Ulrich Brandt

14.1 Stellung des Citratzyklus im Stoffwechsel – 478

14.2 Reaktionsfolge des Citratzyklus – 479

14.3 Regulation des Citratzyklus – 484

14.4 Amphibole Natur des Citratzyklus – 486

Literatur – 488

478 Kapitel 14 · Der Citratzyklus

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>> Einleitung

Acetyl-CoA wird bei vielen katabolen Stoffwechselvorgängen gebildet. Es entsteht aus Pyruvat, dem Produkt der Glycolyse, bei der -Oxidation der Fettsäuren sowie beim Abbau vieler Aminosäuren. Der Mechanismus des Abbaus von Acetyl-CoA wur-de von Hans Adolf Krebs aufgeklärt. Er fand heraus, dass hierfür ein zyklischer Prozess verantwortlich ist, in dessen Verlauf derAcetyl-Rest unter Bildung von Citrat zunächst auf Oxalacetat übertragen wird. Citrat wird danach schrittweise bis zur Rückge-winnung des Oxalacetats oxidiert und decarboxyliert. Die dabei gewonnenen Reduktionsäquivalente werden in der Atmungs-kette unter ATP-Gewinn auf Sauerstoff übertragen.

abgeschlossen wurden, konnte er zeigen, dass der Sub-stratabbau im Rahmen eines zyklischen Prozesses abläuft, bei dem Citrat als charakteristisches Zwischenprodukt auftritt.

Der danach Citratzyklus (Krebs-Zyklus, Tricarbonsäu-rezyklus) genannte Prozess übernimmt die Aufgabe einer zentralen Drehscheibe zwischen Substratabbau und oxida-tiver Phosphorylierung und führt bei einem Durchgang formal zur Zerlegung eines Moleküls Acetat in 2 Moleküle CO2 und 8 Wasserstoffatome (. Abb. 14.1).

Die besondere Bedeutung des Citratzyklus für den oxi-dativen Stoffwechsel wird durch die Tatsache unterstrichen, dass kein anderes Bindeglied zwischen Substratabbau und Endoxidation nachgewiesen werden konnte. In allen bisher untersuchten aerob arbeitenden Zellen wurde die enzyma-tische Ausstattung für den Citratzyklus gefunden. Reak-tionen, die einzelne Schritte des Zyklus umgehen, werden in vielen Organismen zu besonderen, meist biosyntheti-schen Zwecken verwendet.

14.1 Stellung des Citratzyklus im Stoffwechsel

Die Stoffwechselwege für den Abbau von Kohlenhydraten, Fetten und Aminosäuren enden auf der Stufe des Acetyl-CoA oder der α-Ketosäuren mit drei bis fünf C-Atomen(Propionyl-CoA, Pyruvat, Oxalacetat, -Ketoglutarat) (7 Kap. 11.1.1, 12.2.1). Große Teile des Kohlenstoffskeletts der abgebauten Verbindungen bleiben somit erhalten, ener-gieliefernde Redoxreaktionen sind nur in beschränktem Umfang möglich, und die Energieausbeute ist relativ ge-ring. Eine wesentliche Steigerung des Energiegewinns ist nur zu erwarten, wenn die abgebauten Substrate möglichst vollständig zerlegt werden. In . Tabelle 14.1 ist die verfüg-bare freie Energie am Beispiel des Glucoseabbaus angege-ben. Erfolgt der Glucoseabbau z.B. unter anaero ben Be-dingungen über die Glycolyse bis auf die Stufe des Lactats (7 Kap. 11.1.1), entspricht dies einer Änderung der freien Energie von –197 kJ pro mol Glucose. Die vollständige Zer-legung des Glucosemoleküls in CO2 und H2O, die aller-dings nur in Anwesenheit von Sauerstoff möglich ist, geht dagegen mit einer um mehr als das zehnfache höheren Än-derung der freien Energie einher. Unter diesen Bedingun-gen steht der Zelle also ein un gleich grö ßerer Energiebetrag für die zu leistende Arbeit zur Ver fügung.

Ähnliches gilt für den Abbau von Lipiden und Amino-säuren (7 Kap. 12 und 13). Dabei entstehende Endpro-dukte sind entweder Acetyl-CoA, Propionyl-CoA, Pyruvat ( -Ketopropionat), Succinyl-CoA, Oxalacetat ( -Ketosuc-cinat) oder -Ketoglutarat.

Nachdem Albert Szent-Györgyi, Franz Knoop und Carl Martius gezeigt hatten, dass Citrat in -Ketoglutarat und Succinat in Oxalacetat überführt werden können, gebührt dem deutsch-englischen Biochemiker Sir Hans Adolf Krebs das Verdienst, als erster Licht in das Dunkel der gemein-samen oxidativen Endstrecke des Substratabbaus gebracht zu haben,. In einer Serie von eleganten Untersuchungen, die Ende der 30er Jahre begonnen und nach dem 2. Weltkrieg

. Tabelle 14.1. Änderung der freien Energie bei anaerobem (gly-colytischem) und aerobem Abbau von Glucose

Abbauweg ΔG0

Glucose 2 Lactat – 197 kJ/mol

Glucose + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O –2881 kJ/mol. Abb. 14.1. Beziehungen des Citratzyklus zum Kohlenhydrat-, Fett- und Proteinstoffwechsel sowie zur biologischen Oxidation

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14.2 Reaktionsfolge des Citratzyklus

In . Abb. 14.2 ist die Reaktionsfolge des Citratzyklus dar-gestellt. Die Abbildung zeigt auch die für den Anschluss an die Glycolyse erforderliche Reaktion: Das bereitgestellte Pyruvat wird zunächst durch dehydrierende Decarboxylie-rung zu Acetyl-CoA.

Der Citratzyklus selbst lässt sich formal in zwei Teile einteilen:4 Bildung von Citrat aus Oxalacetat (●-Ketosuccinat)

und Acetyl-CoA, und anschließende Wiedergewin-nung einer C-4 Dicarbonsäure (Succinat) durch zwei-malige Oxidation und zweimalige Decarboxylierung

4 Regenerierung von Succinat zu Oxalacetat, das damit wieder zur Reaktion mit Acetyl-CoA zur Verfügung steht (7 Kap. 12.2.1). Die dabei beschrittene Reak tions-sequenz hat formal Ähnlichkeit mit den ersten drei Reaktionen der Fettsäureoxidation

! Acetyl-CoA entsteht aus Pyruvat durch dehydrierende Decarboxylierung von Pyruvat.

Die Oxidation von Kohlenhydraten deckt den Hauptteil des Energiebedarfs der Zelle. Um Kohlenhydrate in den Citrat-zyklus einschleusen zu können, muss Pyruvat als Endpro-dukt der Glycolyse in Acetyl-CoA umgewandelt werden. Dies geschieht in einer mehrstufigen, als dehydrierende Decarboxylierung von Pyruvat bezeichneten Reaktion. Sie wird von einem kompliziert aufgebauten Multienzym-komplex, dem Pyruvatdehydrogenasekomplex (PDH-Komplex) katalysiert.

Die dehydrierende Decarboxylierung von -Ketosäu-ren wie Pyruvat wird auch als oxidative Decarboxylierung bezeichnet. Der erste Ausdruck beschreibt die molekularen Vorgänge jedoch besser, da Sauerstoff an der Reaktion nicht beteiligt ist, sondern dem Substrat Wasserstoff entzogen wird (Dehydrierung).

Die Einzelreaktionen der durch den PDH-Komplex katalysierten Reaktionen sind in . Abb. 14.3 dargestellt:4 Pyruvat wird decarboxyliert. Hierzu ist die Addition

des dem Stickstoff benachbarten, sehr reaktionsfähigen C-Atom des Thiazolrings im Thiaminpyrophosphat an die Carbonylgruppe des Pyruvates notwendig. Die für

die Decarboxylierung zum Hydroxyethylthiaminpyro-phosphat erforderliche Elektronenverschiebung wird dadurch erleichtert, dass dieser Ring das Intermediat mesomer stabilisieren kann. Diese Reaktion wird durch die Pyruvatdecarboxylase-Untereinheit katalysiert

4 Hydroxyethylthiaminpyrophosphat kann als »aktiver« Acetaldehyd betrachtet werden. Durch die an das En-zym gebundene oxidierte -Liponsäure wird er zum Acetylrest oxidiert und dabei auf die Liponsäure über-tragen. Diese ist außerdem der Akzeptor des bei der Oxidation frei werdenden Elektronenpaares. Die Ener-gie der Redoxreaktion wird zur Bildung des energie-reichen Thioesters im S-Acetylhydrolipoat genutzt

4 Der als energiereicher Thioester an das Enzym gebun-dene Acetylrest wird auf CoenzymA übertragen, wobei Acetyl-CoA und reduziertes Lipoat entsteht. Die für die Oxidation sowie Transacetylierung verantwortliche Untereinheit des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes wird als Lipoattransacetylase bezeichnet

4 Das reduzierte Lipoat wird durch Dihydrolipoatdehy-drogenase reoxidiert. Dieses FAD-haltige Enzym, kann seine Reduktionsäquivalente im Gegensatz zu anderen FAD-Enzymen auf NAD+ übertragen, da das Redox-potential des Flavins aufgrund der spezifischen Protein-umgebung negativer als das des Nicotinamid-Cosub-strates ist

In der Thioesterkonfiguration des Acetyl-CoA liegt eine sog. »energiereiche Verbindung« vor. Der bei Oxidation des Acetaldehyds zum Acetylrest freiwerdende Energie-betrag ist jedoch so groß, dass die Pyruvatdehydrogenase trotz der Bildung eines Thioesters mit einem G0’ von –34 kJ/mol stark exergon und damit unter physiologischen Bedingungen praktisch irreversibel arbeitet.

In . Abb. 14.4 ist schematisch der Aufbau der für Säugergewebe typischen Form des PDH-Komplexes darge-stellt. Insgesamt sind am Aufbau des Enzymkomplexes die 4 Komponenten, E1, E2, E3 und E3BP beteiligt.4 Die E1-Komponente ist ein Tetramer der Zusammen-

setzung 2 2, die die geschwindigkeitsbestimmende Teilreaktion der PDH katalysiert. Die E1 -Untereinhei-ten tragen das Thiaminpyrophosphat. Wahrscheinlich

In Kürze

Beim Stoffwechsel von Kohlenhydraten, Lipiden und in gewissem Umfang von Proteinen entsteht Acetyl-CoA.

Dieses wird im Citratzyklus oxidiert und decarbo-xyliert, wobei 2 Moleküle CO2 freigesetzt und 8 Wasser-

stoffatome für die Endoxidation bereitgestellt werden. Der vollständige Satz der für den Citratzyklus not-wendigen Enzyme befindet sich in der mitochondrialen Matrix.

Innerhalb der Zelle enthalten die Mitochondrien im Matrixraum den vollständigen Satz der für den Citratzyklus notwendigen Enzyme. Er befindet sich somit in engster Nachbarschaft zu der in 7 Kapitel 15.1 geschilderten Ener-

giewandlung durch oxidative Phosphorylierung, die in der inneren Mitochondrienmembran abläuft. Diese Tat-sache hat für die Regulation des Citratzyklus zentrale Be-deutung (7 u.).

14.2 · Reaktionsfolge des Citratzyklus


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. Abb. 14.2. Reaktionsfolge des Citratzyklus. Die beiden vom Acetyl-CoA abstammenden C-Atome sind rot hervorgehoben. Die Asymmetrie der Aconitase führt dazu, dass der bei den beiden Decar-boxylierungsreaktionen in Form von CO2 abgespaltene Kohlenstoff

nicht dem Acetyl-CoA-Kohlenstoff entstammt. Dieser findet sich nach einmaligem Durchlauf des Zyklus im Oxalacetat wieder, ist hier jedoch auf alle 4C-Atome verteilt, da Succinat eine symmetrische Verbindung ist

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. Abb. 14.3. Mechanismus der dehydrierenden Decarboxylie-rung von Pyruvat durch den Pyruvatdehydrogenasekomplex.Die Atome des Pyruvats sind rot und blau hervorgehoben. Aus Platz-gründen ist lediglich der Thiazolring des Thiaminpyrophosphats dargestellt

. Abb. 14.4. Die Beteiligung der PDH-Untereinheiten am Reak-tionszyklus. In der Reaktion1 erfolgt die Bindung des Substrates an Thiaminpyrophosphat (TPP) sowie die Decarboxylierung. Die Oxi-dation zum Acetylrest durch Liponsäure geschieht in Reaktion 2. Den Reaktionen 3 und 4 entspricht die Übertragung des Acetylrestes auf CoA, in den Reaktionen 5, 6 und 7 wird das reduzierte Lipoat reoxi-diert, wobei letztlich NADH gebildet wird. (Einzelheiten 7 Text) (Nach Patel MS, Roche TE, 1990)



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wird die Decarboxylierung des Pyruvates zum Thia-minpyrophosphat-gebundenen Hydroxyethylrest durch die Untereinheit E1 katalysiert

4 Die Untereinheit E2 trägt zwei Lipoatreste, das dihydro-lipoamide binding protein E3BP einen Lipoatrest. Wäh-rend des Katalysezyklus wird der Hydroxyethylrest (7 o.) unter Oxidation zunächst auf das erste Lipoat der E2-Untereinheit übertragen, wobei dort ein Acetylrestentsteht, der durch eine Thiotransferaseaktivität auf den zweiten Lipoatrest gelangt. Von diesem wird er mit CoenzymA unter Bildung von Acetyl-CoA abgespal-ten. Der Lipoatrest auf der Untereinheit E3BP ist das unmittelbare Oxidationsmittel für den Lipoatrest der Untereinheit E2

4 Die Untereinheit E3, an welche FAD gebunden ist, re-oxidiert nun den Lipoatrest im E3BP, wobei das FAD der Untereinheit E3 reduziert wird. Dieses wird mit Hilfe von NAD+ reoxidiert, womit der Ausgangszu-stand des Komplexes wieder hergestellt ist

Der tierische PDH-Komplex hat eine sehr hohe molekulare Masse. Er besteht aus etwa 22 E1-Tetrameren, etwa 60 E2-Komponenten sowie je 6 E3BP- und E3-Komponenten.

Die primär biliäre Lebercirrhose, eine relativ seltene Form der Lebercirrhose ist wahrscheinlich eine Auto-immunerkrankung. Man findet bei den betroffenen Pa-tienten regelmäßig Autoantikörper, die meist gegen die E2-und E3Bp-Untereinheit des Pyruvatdehydrogenase-Komplexes gerichtet sind. Man hat allerdings noch keine Vorstellung darüber, wie diese Autoimmunreaktion mit der Entwicklung der biliären Cirrhose in Zusammenhang zu bringen ist.

Die -Untereinheit von E1 kann durch eine spezifische Kinase phosphoryliert und inaktiviert, sowie durch eine spezifische Phosphatase dephosphoryliert und aktiviert werden. Die Phosphorylierung findet sequenziell an drei Serylresten der -Untereinheit statt, wobei die Phosphory-lierung des ersten Serylrestes bereits mit einer Inaktivie-rung um 60–70% der Ausgangsaktivität einhergeht. Sowohl die Kinase wie auch die Phosphatase sind Bestandteil des PDH-Komplexes, beide Enzyme können durch spezifische Effektoren aktiviert oder gehemmt werden (. Abb. 14.5).

Der Pyruvatdehydrogenasekomplex gehört damit in die Gruppe der sog. interconvertierbaren Enzyme (7 Kap. 4.2.1). Der biologische Vorteil dieses weit verbreiteten Prinzips besteht darin, dass durch die Phosphorylierung bzw. Dephosphorylierung die Aktivität des Enzymkomple-xes sehr rasch »ab- bzw. angeschaltet« werden kann.

! Durch die Reaktion von Acetyl-CoA mit Oxalacetat entsteht Citrat, aus dem durch zweimalige Decarboxy-lierung Succinat entsteht.

Nachdem in der Eingangsreaktion aus Oxalacetat ( -Keto-succinat) und einem Acetylrest Citrat entstanden ist, wird dieses in der ersten Teilsequenz des Citratzyklus oxidativ

um ein Kohlenstoffatom zu α-Ketoglutarat verkürzt. Dieses wird anschließend weiter oxidiert und ebenfalls decarboxy-liert, sodass mit Succinat wieder eine Dicarbonsäure mit vier Kohlenstoffatomen entsteht. Dabei finden folgende Reaktionen statt (. Abb. 14.2):4 Katalysiert von der Citratsynthase reagiert Oxalacetat

mit Acetyl-CoA unter Bildung von Citrat. Bei dieser Reaktion handelt es sich formal um eine Aldoladdition, da sich die durch die Thioester-Bindung aktivierte, »CH-azide« CH3-Gruppe des Acetyl-CoA nucleophil an die polarisierte Carbonylgruppe des Oxalacetats addiert. Da die Thioesterbindung dabei gelöst und CoenzymA freigesetzt wird, liegt das Gleichgewicht der Reaktion ganz auf der Seite der Citratbildung

4 Unter Katalyse durch das Enzym Aconitase erfolgt die Umwandlung von Citrat zu Isocitrat, wobei interme diär enzymgebundenes cis-Aconitat entsteht. Citrat ist eine prochirale Verbindung, da sich die beiden CH2-COOH-Gruppen des Moleküls wie Bild und Spiegelbild verhal-ten. Die Aconitase erkennt die Prochiralität des Citrats und bindet ihr Substrat so, dass die Hydroxylgruppe nur auf den vom Oxalacetat stammenden CH2-COOH-Rest übertragen werden kann

4 Durch die Isocitratdehydrogenase wird Isocitrat zu enzymgebundenem Oxalsuccinat dehydriert und dann sofort zu -Ketoglutarat decarboxyliert.

Die meisten tierischen und pflanzlichen Gewebe sowie Mikroorganismen enthalten zwei verschiedene Isocitratdehydrogenasen, die die Reaktion

katalysieren. Während die NADP+-abhängige Isocitrat-dehydrogenase in den Mitochondrien und im Cytosol

. Abb. 14.5. Regulation der Pyruvatdehydrogenase durch Inter-conversion. (Einzelheiten 7 Text)

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gefunden wird, kommt das NAD+-abhängige Enzym ausschließlich in den Mitochondrien vor. Man nimmt an, dass das NAD+-abhängige Enzym für den Citrat-zyklus benutzt wird, während die NADP+-abhängige Isocitratdehydrogenase eine Nebenstrecke des Zyklus darstellt (7 Kap. 14.4)

4 Das Enzym α-Ketoglutarat-Dehydrogenase setzt -Keto glutarat durch dehydrierende Decarboxylierung

in Succinyl-CoA um. Der Reaktionsmechanismus der -Ketoglutaratdehydrogenase entspricht demjenigen

der Pyruvatdehydrogenase. Das Enzym benötigt Thia-minpyrophosphat, -Liponsäure, Coenzym A, NAD+

und FAD als Cofaktoren. Ähnlich wie bei der Pyruvat-dehydrogenase sind die einzelnen, für die Reaktions-sequenz verantwortlichen Enzyme, in einem Multi-enzymkomplex zusammengefasst. Dieser wird jedoch im Gegensatz zur Pyruvatdehydrogenase nicht per In-terconversion durch reversible Phosphorylierung regu-liert. Die Änderung der freien Energie der -Ketoglu-taratdehydrogenasereaktion liegt wie bei der dehydrie-renden Decarboxylierung von Pyruvat bei –34 kJ/mol

4 In der nächsten, durch die Succinyl-CoA-Synthetasekatalysierten Reaktion wird aus Succinyl-CoA durch Abspaltung von CoA mit Phosphat das energiereiche Succinylphosphat gebildet. Dieses wird anschließend unter Erhaltung einer energiereichen Bindung auf einen spezifischen Histidylrest des Enzyms übertragen und

anschließend von hier aus zur Bildung eines GTP aus GDP verwendet (. Abb. 14.6)

4 Durch Phosphatgruppentransfer nach der Gleichung

kann ATP aus GTP erzeugt werden. Diese Reaktion wird von der Nucleosiddiphosphatkinase katalysiert

Bei der Succinyl-CoA-Synthetase-Reaktion wird also die in der vorangegangenen Redoxreaktion gewonnene, freie Energie in Form von GTP konserviert, das leicht in ATP überführt werden kann. Im Gegensatz zur oxidativen Phosphorylierung wird diese Form der ATP-Gewinnung auch als Substratkettenphosphorylierung bezeichnet (7 Kap. 4.1.2).

! Succinat wird zu Oxalacetat oxidiert.

InfoboxDie Aconitase ist ein bifunktionelles ProteinSchon 1973 wurde neben der mitochondrialen eine cytosolische Aconitase entdeckt. Die beiden Proteine sind außerordentlich ähnlich, die Aminosäuresequenz zeigt etwa 31% Identität. Die Funktion der cytosolischen Aconitase besteht allerdings weniger in der Bildung von Isocitrat aus Citrat. Es hat sich vielmehr gezeigt, dass dieses Enzym identisch mit einem Protein ist, welches als transaktivierender Faktor eisenabhängige Gene aktiviert. Es wird infolgedessen auch als IRE-Bp (iron responsive element binding protein) bezeichnet (7 Kap. 22.2.1). Wie die mitochondriale Aconitase kann auch die cytoplasmatische Aconitase ein Eisen-Schwefel-Zentrum enthalten. Dieses ist für ihre Funk-tion als Aconitase notwendig. Für die Funktion der cytoplasmatischen Aconitase als IRE-Bp ist allerdings die Abspaltung des Eisen-Schwefel-Zentrums erfor-derlich. Die cytosolische Aconitase ist das am besten unter-suchte Beispiel für sog. bifunktionelle Proteine. Andere Proteine mit zweierlei Funktionen sind die Thymidylat-synthase (7 Kap. 19.1.4), die Dihydrofolatreduktase (7 Kap. 19.1.3), die Glycerinaldehyd-3-Phosphatde-hydrogenase (7 Kap. 11.1.1) und die Glutamatdehy-drogenase (7 Kap. 13.6.1).

. Abb. 14.6. Reaktionsmechanismus der Succinyl-CoA-Synthetase.(Einzelheiten 7 Text)



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In Kürze

Der Citratzyklus dient dem oxidativen Abbau von Acetyl-CoA. Eine wichtige Acetyl-CoA-liefernde Reaktion ist neben der -Oxidation der Fettsäuren die dehydrieren-de Decarboxylierung von Pyruvat. Der hierfür verant-wortliche Multienzymkomplex der Pyruvatdehydroge-nase ist intramitrochondrial lokalisiert und benötigt die Vi tamine Thiamin, Pantothensäure, Riboflavin und Nico tinamid sowie das Lipoat in Form ihrer jeweiligen Coenzyme.

14.3 Regulation des Citratzyklus

! Die PDH wird durch Acetyl-CoA und NADH gehemmt und durch Pyruvat aktiviert.

Das für den Citratzyklus notwendige mitochondriale Acetyl- CoA wird vor allem durch Fettsäureoxidation oder dehydrierende Decarboxylierung von Pyruvat bereitge-stellt. Während die Geschwindigkeit des ersten Vorgangs im Wesentlichen durch das mitochondriale Fettsäurean-gebot bestimmt wird, wird die Geschwindigkeit der Pyru-

. Tabelle 14.2. Energiebilanz der einzelnen Schritte des Citratzyklus

Schritt H-Akzeptor ATP-Ausbeutea

Isocitrat -Ketoglutarat NAD+ NADH+H+ 2,3

-Ketoglutarat Succinyl-CoA NAD+ NADH+H+ 2,3

Succinyl-CoA Succinat (Substratkettenphosphorylierung) 1

Succinat Fumarat FAD FADH2 1,4

Malat Oxalacetat NAD+ NADH+H+ 2,3

Summe 9,3a Über die ATP-Ausbeute bei der oxidativen Phosphorylierung 7 Kap. 15.1.4

Die Reaktionssequenz des Citratzyklus umfasst folgende Schritte:

Acetyl-CoA wird unter Abspaltung von CoA-SH auf Oxalacetat übertragen, wobei Citrat entsteht.

Citrat wird nach Umlagerung zu Isocitrat zweimal oxidiert und decarboxyliert, wobei schließlich aus Suc-cinyl-CoA unter Gewinnung eines GTP Succinat entsteht.

Succinat wird durch zweimalige Oxidation in Oxalace-tat, das Trägermolekül des Citratzyklus, umgewandelt.

vatoxidation zu Acetyl-CoA komplex reguliert. Dabei kommt der Tatsache, dass die Pyruvatdehydrogenase ein interconvertierbares und zugleich allosterisch regulierbares Enzym ist, besondere Bedeutung zu (7 Kap. 4.5).

Die aktive dephosphorylierte Form des Enzyms wird durch Acetyl-CoA und NADH gehemmt (. Abb. 14.5).Andere Effektoren regulieren die Enzymaktivität durch Beeinflussung des Gleichgewichts zwischen aktiver dephos-phorylierter und inaktiver phosphorylierter Form des En-zyms. Eine Aktivierung wird durch Erhöhung der Konzen-tration von Pyruvat, ADP und Pyrophosphat erreicht, da

Die Rückgewinnung von Oxalacetat aus Succinat erfolgt in einer Serie von Schritten, die große Ähnlichkeit mit denje-nigen der Fettsäureoxidation (7 Kap. 12.2.1) haben:4 Durch die Succinat-Dehydrogenase wird Succinat zu

Fumarat oxidiert. Die Succinat-Dehydrogenase ist Teil des Komplexes II der Atmungskette, der die Reduk-tionsäquivalente über FAD auf Ubichinon überträgt (7 Kap. 15.1.2)

4 Durch Katalyse des Enzyms Fumarase wird Wasser in einer reversiblen Reaktion an Fumarat angelagert, so-dass Malat entsteht

4 Durch die Malatdehydrogenase wird Malat schließlich unter Gewinnung eines weiteren Reduktionsäquiva-lentes zu Oxalacetat oxidiert

! Die Energieausbeute des Citratzyklus beträgt rund 9 ATP pro oxidiertem Acetylrest.

Die Summengleichung des Citratzyklus lautet:

Damit dient der Zyklus formal der vollständigen Dehydrie-rung von Acetat zu CO2 und H2. Der Acetatabbau erfolgt durch Bindung an ein Trägermolekül (Oxalacetat), an dem die Dehydrierung stattfindet (7 auch Harnstoffbiosynthese,7 Kap. 13.5.2). . Tabelle 14.2 gibt die energetische Ausbeute der Acetatdehydrierung im Citratzyklus bei Kopplung an die oxidative Phosphorylierung wieder.

Die hohe Energieausbeute im Citratzyklus kommt also nur durch die enge Verbindung des Zyklus mit der oxida tiven Phosphorylierung zustande. Ohne diese Kopp-lung könnte Energie im Verlauf des Citratzyklus nur durch die Substratkettenphosphorylierung konserviert werden.

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diese Metabolite die Kinase hemmen. So führt beispielsweise eine gesteigerte Fettsäureoxidation (Hunger, Nahrungs-karenz, Diabetes) über die Erhöhung des Acetyl-CoA- Spiegels und indirekt über die vermehrte Umwandlung von ADP in ATP zu einer weitgehenden Abschaltung des Enzyms (. Tabelle 14.3). Dies hat beispielsweise zur Folge, dass Pyruvat nicht mehr in Acetyl-CoA umgewandelt werden kann und so die Glucosevorräte geschont werden. Umgekehrt führt ein Anstieg der Ca2+ – Ionenkonzentra-tion, der häufig mit einem erhöhten Energiebedarf einher-geht, über die Aktivierung der Phosphatase zur vermehrten Bildung der aktiven PDH.

! Der zelluläre Energiebedarf ist der wichtigste Regulator des Citratzyklus.

Die Geschwindigkeit der Acetyl-CoA-Oxidation im Citrat-zyklus muss sehr genau dem zellulären Energiebedarf ange-passt sein. Im Einzelnen spielen dabei folgende Faktoren eine wichtige Rolle:4 Kinetische Kontrolle der Citratsynthase. Die Konzen-

trationen von Acetyl-CoA und Oxalacetat liegen in der Regel weit unterhalb der Substratsättigung, sodass die Citratsynthase weit unter ihrer Vmax arbeitet. Daraus folgt unmittelbar, dass die Geschwindigkeit, mit der das Substrat Acetyl-CoA aus der dehydrierenden Decar-boxylierung von Pyruvat (7 Kap. 14.2) bzw. aus der

-Oxidation der Fettsäuren (7 Kap. 12.2.1) angeliefert wird, den metabolischen Fluss durch den Citratzyklus direkt bestimmt

4 Hemmung durch NADH. Ein Anstieg der NADH-Konzentration signalisiert, dass die durch das ADP-Angebot limitierte Geschwindigkeit der Atmungskette (7 Kap. 15.1.5) nicht ausreicht, um das gebildete NADH zu reoxidieren. Dies ist gleichbedeutend mit einem generellen Überschuss an energiereichen Verbindun-gen. Deshalb drosselt NADH die Geschwindigkeit des Citratzyklus indem es die Citratsynthase, die Iso citrat-dehydrogenase, die -Ketoglutaratdehydrogenase so-wie die Pyruvatdehydrogenase hemmt

4 Hemmung durch ATP. Ähnlich wie NADH signalisiert ATP ein hohes Angebot energiereicher Verbindungen. Es ist deshalb folgerichtig, dass die Citratsynthase, die Isocitratdehydrogenase sowie die Pyruvatdehydrogenase durch ATP gehemmt werden

4 Aktivierung durch ADP. ADP signalisiert Energie-mangel. Entsprechend aktiviert ADP die Isocitratde-hydrogenase, sowie die Pyruvatdehydrogenase

4 Aktivierung durch Calcium. Calcium ist ein Aktivator vieler zellulärer Funktionen (7 Kap. 25.4.5) und erhöht so den Energiebedarf. Es ist daher sinnvoll, dass Cal-cium durch Aktivierung der Pyruvatdehydrogenase-Phosphatase (7 Kap. 14.2), der Isocitratdehydro genase und der -Ketoglutaratdehydrogenase den Substrat -umsatz im Citratzyklus und damit die Energie bereit-stellung stimuliert

4 Hemmung durch Zwischenprodukte. Die -Keto-glutaratdehydrogenase wird durch Succinyl-CoA, die Succinatdehydrogenase durch Oxalacetat gehemmt. Succinat führt dagegen zu einer Aktivierung der Suc-cinatdehydrogenase

Eine Reihe von Stoffwechselgiften hemmt verschiedene Enzyme des Citratzyklus. Sie haben sich als wertvolle Hilfs mittel bei der Erforschung der Reaktionssequenz des Zyklus erwiesen. So blockieren Fluoracetat bzw. Fluor-citrat die Aconitase, Malonat die Succinatdehydrogenase und Fluor oxalacetat bzw. Fluormalat die Malatdehydro-genase.

. Tabelle 14.3. Aktivatoren und Inhibitoren einzelner Enzyme des Citratzyklus in tierischen Zellen

Enzymatischer Schritt Aktivierung Hemmung

Citratsynthase ATP, NADH, Citrat

NAD-Isocitrat-dehydrogenase

ADP, Mg2+, Ca2+ ATP, NADH

Succinat-dehydrogenase

Succinat, Fumarat Oxalacetat

Pyruvat-dehydrogenase

Pyruvat, ADP, Mg2+

Acetyl-coA, ATP, NADH

In Kürze

Die Geschwindigkeit der Acetyl-CoA-Oxidation im Citrat-zyklus ist eng mit dem zellulären Energiehaushalt ver-knüpft:

NADH und ATP hemmen den Citratzyklus.ADP und Calcium sind Aktivatoren des Citratzyklus.

Die Pyruvatdehydrogenase als wichtigstes Acetyl-CoA lieferndes Enzym wird außer durch die genannten Faktoren durch reversible Phosphorylierung/Dephosphorylierung reguliert.

14.3 · Regulation des Citratzyklus


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14.4 Amphibole Natur des Citratzyklus

Bald nach der Aufklärung der Reaktionssequenz des Citrat-zyklus wurde klar, dass er nicht einfach als Endstrecke des oxidativen Abbaus der Substrate aufgefasst werden kann, sondern dass er neben dieser »katabolen« Funktion auch Ausgangspunkt für eine Vielzahl biosynthetischer »ana-boler« Reaktionssequenzen ist. In . Abb. 14.7 sind die Be-ziehungen des Citratzyklus zu anderen Stoffwechselwegen dargestellt. Da die meisten Biosynthesen im cytosolischen und nicht im mitochondrialen Raum ablaufen, ist der Transport von Zwischenprodukten durch die mitochon-driale Membran notwendig. Unter bestimmten Bedin-gungen werden nicht alle Intermediate mit ausreichender Geschwindigkeit transportiert, sodass Teilsequenzen des Citratzyklus auch im extramitochondrialen Raum mit Hilfe cytosolischer Isoenzyme ablaufen können. Es handelt sich um die Strecken Citrat -Ketoglutarat sowie Fumarat Oxalacetat.

Besondere Bedeutung als anabole Reaktionssequenz hat der Citratzyklus für:

4 die Fettsäurebiosynthese4 die Hämbiosynthese4 die Gluconeogenese sowie4 die Biosynthese nicht essentieller Aminosäuren

Fettsäurebiosynthese. Von besonderer Bedeutung für die im Cytosol stattfindende Fettsäurebiosynthese ist das Acetyl-CoA. Diese Verbindung entsteht in der mitochon-drialen Matrix, kann aber nicht über die innere Mitochon-drienmembran transportiert werden. Um Acetyl-CoA im Cytosol bereitzustellen, muss es daher zunächst im ersten Schritt des Citratzyklus auf Oxalacetat übertragen werden. Das mitochondriale Citrat wird dann mit Hilfe eines spe-zifischen Transportsystems (7 Kap. 15.1.1) in das Cytosol transportiert und dort nach der Reaktion

durch die ATP-Citratlyase gespalten. Wegen seiner Fähig-keit zur Erzeugung von cytosolischem Acetyl-CoA kommt

. Abb. 14.7. Beziehungen des Citrat zyklus zu anderen Stoffwechselwegen. (Rot) biosynthetische (»anabole«) Reak tionen; (grün) abbauende (»katabole«) Reaktionen

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diesem Enzym eine Schlüsselrolle bei der Fettsäurebio-synthese zu.

Tatsächlich findet es sich in hoher Aktivität in Geweben mit großer Kapazität zur Fettsäurebiosynthese, z.B. in der Leber oder dem Fettgewebe. Gewebe ohne die Fähigkeit zur Fettsäurebiosynthese, wie z.B. die Muskulatur, haben dagegen nur geringe ATP-Citratlyaseaktivität.

Die Bedeutung der extramitochondrialen NADP+-Isocitratdehydrogenase liegt in der Erzeugung cytosoli-schen -Ketoglutarats mit seinen vielfältigen Beziehun-gen zum Stoffwechsel der Aminosäuren (7 Kap. 13.4.2).Gleichzeitig werden Reduktionsäquivalente in Form von NADPH bereitgestellt, die für cytosolische Biosynthesen, v.a. der Fettsäurebiosynthese, benötigt werden.

Hämbiosynthese. Succinyl-CoA ist der Startpunkt für die Hämbiosynthese (7 Kap. 20.1). Durch Kondensation mit Glycin nach der Reaktion

entsteht -Aminolävulinat, von dem die weitere Hämsyn-these ausgeht.

Gluconeogenese. Für die Gluconeogenese aus gluco ge-nen Aminosäuren (7 Kap. 13.4.3) bzw. aus Lactat/Pyruvat ist die Bildung von Oxalacetat aus diesen Verbindungen er forderlich. Die hierfür notwendigen Reaktionen sind in 7 Kap. 13.3 und 7 Kap. 14.2 beschrieben. Die erste für die Gluconeogenese spezifische Reaktion wird durch die Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase katalysiert:

Biosynthese nicht essentieller Aminosäuren. Die Bio-synthese der nicht essentiellen Aminosäuren startet von Pyruvat bzw. den beiden -Ketosäuren des Citratzyklus, Oxalacetat und -Ketoglutarat (7 Kap. 13.4.2).

Anaplerotische Reaktionen. Die Konzentrationen der ver-schiedenen Zwischenprodukte des Citratzyklus sind mit 10–5–10–4 mol/l relativ gering. Da sie alle mit Ausnahme von Acetyl-CoA eine katalytische Funktion haben, d.h. bei einmaligem Durchgang durch den Zyklus regeneriert wer-den, ist eine optimale Durchsatzgeschwindigkeit trotzdem gewährleistet. Dies trifft allerdings nur zu, wenn der stän-dige Abfluss von Zykluszwischenprodukten für Biosyn-thesen wieder ausgeglichen wird. Die hierfür verantwort-lichen Reaktionen werden nach einem Vorschlag von Hans Leo Kornberg als anaplerotische Reaktionen (griech.: auffüllende Reaktionen) bezeichnet. Neben den Transami-nierungsreaktionen vor allem von Pyruvat mit Aspartat bzw. Glutamat, bei denen Oxalacetat bzw. -Ketoglutarat (7 Kap. 13.3) gebildet werden, ist die wichtigste ana plero-tische Reaktion die Oxalacetatbiosynthese durch Carboxy-lierung von Pyruvat nach

Das für die Reaktion verantwortliche Enzym, die Pyruvat-carboxylase, ist biotinabhängig und kommt in besonders hoher Aktivität in der Leber vor. Das Enzym wird durch Acetyl-CoA bereits in sehr geringen Konzentrationen akti-viert, sodass das für die Citratbildung notwendige Oxal-acetat gebildet werden kann. Anaplerotisch wirken kann ferner das cytosolische Malatenzym, das die Malatbildung aus Pyruvat nach

katalysiert. Malat kann dann in die Mitochondrien trans-portiert werden. Die eigentliche Bedeutung des Enzyms liegt jedoch wahrscheinlich eher in der Bildung von cytoso-lischem NADPH in der Rückreaktion.

In Kürze

Eine Reihe von Zwischenprodukten des Citratzyklus lie-fern Bausteine für folgende wichtige Biosynthesen:4 Fettsäurebiosynthese4 Hämbiosynthese4 Gluconeogenese4 Biosynthese nicht essentieller Aminosäuren

Diese Biosynthesen führen zum Verlust wichtiger Zwi-schenprodukte des Citratzyklus. Durch die sog. anaplero-tischen Reaktionen wird dieser Abfluss kompensiert. Neben der Bildung von Oxalacetat und -Ketoglutarat aus Aminosäuren ist die wichtigste anaplerotische Reak-tion die Biosynthese von Oxalacetat durch Carboxylierung von Pyruvat.

14.4 · Amphibole Natur des Citratzyklus


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Links im Netz7 www.lehrbuch-medizin.de/biochemie

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14 - Der Citratzyklus