Projektarbeit von Martin Kuder

 

 

- Der Citratzyklus -

 

 

 

 

 

 

 

 

Inhalt:

 

 

 

Einleitung

 

1.          Acetyl-CoA – die Ausgangssubstanz des Citratzyklus

2.          Der Citratzyklus – katabolisch betrachtet

3.          Bilanz des Citratzyklus

4.          Der Citratzyklus – anabolisch betrachtet

5.          Anaplerotische Reaktionen

6.          Die Regulation des Citratzyklus

7.          Kurzer Ausflug in die Klinik:  Beriberi

8.          Quellen

 

 

 

 

 

 

 

 

Der Citratzyklus

 

 

 

 

 

Einleitung

 

 

Der Citratzyklus wird nach seinem Entdecker Dr. Krebs entsprechend auch Krebszyklus genannt. In ihm laufen die Abbauwege aller energieliefernden Stoffe (Kohlenhydrate, Fette, Proteine) zusammen um auf die gemeinsame Endstrecke, die Atmungskette überführt zu werden. Gleichzeitig dient der Citratzyklus von seinen Zwischenprodukten ausgehend auch dem Aufbau vieler wichtiger Moleküle (z.B. Aminosäuren, Nucleotidbasen, Cholesterin usw.)

Er kann also nicht nur katabolisch (abbauend) sondern auch anabolisch (aufbauend) wirken. Solche Stoffwechselwege nennt man dann amphibol ( amphi: gr. Vorsilbe für beid- , doppel-). 

Nicht umsonst wird er auch als der Mittelpunkt des Zellstoffwechsels bezeichnet.

Lokalisiert ist der Citratzyklus in den Mitochondrien. Hier finden u. a. auch der Fettsäuren-Abbau und die Atmungskette statt. Diese lokale Verbindung verdeutlicht das Zusammenspiel der drei Stoffwechselprozesse untereinander.

 

 

1. Acetyl-CoA – die Ausgangssubstanz des Citratzyklus

 

Acetyl steht für die Rest-Gruppe der Essigsäure, diese wird dem Citratzyklus gebunden an das  Coenzym A geliefert. Man spricht dann von aktivierter Essigsäure, da die entstandene Thioestherbindung hoch energetisch ist und somit ein hohes Übertragungspotential für die Acetyl-Gruppe aufweist.

Acetyl-Reste werden zu Kohlendioxid, unserem Stoffwechselendprodukt, oxidiert. Kohlendioxid ist in unserem Organismus die Endstation, da das Kohlenstoff-Atom an zwei Sauerstoff-Atome gebunden ist und somit seine höchste Oxidationsstufe erreicht hat. Das bedeutet für unseren Organismus, dass  aus dieser Verbindung keine Energie mehr rauszuholen ist.

 

 

 

 

Aufgrund des pH-Wertes von 7,4 liegt die Essigsäure in unserem Körper meist dissoziiert vor, d. h. sie gibt ein Proton in die Lösung ab. Man spricht dann vom Acetat der Essigsäure.

 

 

Der Grossteil der Acetyl-Reste stammt aus der b-Oxidation der Fettsäuren und der Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion.

Aminosäuren werden teilweise direkt zu Acetyl-CoA abgebaut, manche gehen erst noch den Weg über das Pyruvat oder steigen mit ihren Abbauprodukten erst als „Zwischenstationen“ des Citratzyklus ein.

Daraus lässt sich erkennen das früher oder später alle Substanzen der drei großen Klassen von Brennstoffmolekülen (Kohlenhydrate, Aminosäuren, Fettsäuren) die unser Körper aufnimmt im Citratzyklus landen, wenn sie aerob abgebaut werden sollen.

 

 

1.1 Die b-Oxidation der Fettsäuren

 

Beim Abbau von Fettsäuren (langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen mit einer Carboxy-Gruppe am a-C-Atom) werden immer die zwei ersten C-Atome mit dem Coenzym A versehen und „abgeknipst“. Das b im Namen rührt einfach daher, das bei einer der aus vier Teilen bestehenden Reaktion das b-C-Atom oxidiert wird. Es entsteht bei der b-Oxidation Acetyl-CoA , welches für den Citratzyklus genutzt werden kann.

 

 

1.2 Die Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion

 

Pyruvat (= Brenztraubensäure) ist das Endprodukt der Glykolyse und entsteht auch beim Abbau einiger Aminosäuren. Durch einen großen Multienzymkomplex, der Pyruvat-Dehydrogenase (PDH) wird aus dem Pyruvat und dem Coenzym A ® Acetyl-CoA. Dabei wird Kohlendioxid abgespalten und Energie in Form von einem Molekül NADH/H+ gespeichert.

 

 

 

 

Acetyl-CoA  wird nur in den Mitochondrien gebildet und kann diese eigenständig auch nicht verlassen. Dazu später mehr.

 

Wichtig: der Schritt von Pyruvat zu Acetyl-CoA ist irreversibel für unseren Organismus. Dies hat zur Konsequenz, dass aus Fettsäuren kein Pyruvat gewonnen werden kann. Das bedeutet wiederum: wir können zwar aus Zucker Fettsäuren synthetisieren aber nicht umgekehrt aus Fettsäuren Zucker machen.

 

 

 

 

 

 

 

2. Der Citratzyklus – katabolisch betrachtet

 

 

Nun haben wir also unser Acetyl-CoA auf verschiedenen Wegen gewonnen und können uns dem Citratzyklus widmen. Beginnen wir mit der rein katabolischen Funktion des Citratzyklus und gehen später auf seine anderen Leistungen ein. Im Kleingedruckten befinden sich Zusatzinformationen die nicht zum primären Verständnis einer Reaktion gebraucht werden. Sie dienen aber einem besseren Verständnis biochemischer Zusammenhänge und sollten deshalb nicht außeracht gelassen werden.

 

 

2.1  Kondensation: Acetyl-CoA + Oxalacetat ® Citrat

 

Die Acetylgruppe wird unter Wassereinlagerung mit Oxalacetat verbunden. Durch die Abspaltung der Acetylgruppe liegt das Coenzym A wieder in freier Form vor und steht somit wieder für andere Prozesse zur Verfügung. Katalysiert wird dieser stark exergone Prozess (freie Standardenthalpie G o’ = -31,4 kJ/mol) von der Citrat-Synthase. Das Oxalacetat wird, wie im späteren Verlauf deutlich zu erkennen ist, im Citratzyklus nicht verbraucht und kann diesen somit mehrmals hintereinander durchlaufen. Es dient dem Prozess also nur als „Trägermolekül“ für die Acetylgruppe.

 

 

 

Synthasen wie die Citrat-Synthase verbrauchen bei ihrer Arbeit im Gegensatz zu Synthetasen kein ATP.

 

Die erste Reaktion des Citratzyklus wird als eine Kondensation bezeichnet, d. h. zwei Moleküle vereinigen sich zu einem größeren Molekül unter Abspaltung kleiner Moleküle wie z. B. Wasser. Da das abgespaltene Coenzym A aber alles andere als klein ist, wird der Begriff der Kondensation hier stark strapaziert.

 

Acetyl-CoA reagiert unabhängig von der Stoffwechselsituation mit Oxalacetat zu Citrat. Dies liegt daran, dass wie oben schon erwähnt Acetyl-CoA nicht selbstständig aus dem Mitochondrium hinausgelangt, Citrat aber schon. Diesen Umstand nutzt das Acetyl-CoA aus, da es für die Biosynthese von Lipiden im Zytoplasma gebraucht wird und somit das Mitochondrium verlassen muss. An dieser Stelle können also noch zwei entgegengesetzte Wege eingeschlagen werden: Abbau oder Synthese.

 

Oxalacetat kann auch zur Aminosäurensynthese genutzt werden, darauf wird aber später noch eingegangen.

 

 

 

2.2 Isomerisierung: Citrat ® Isocitrat

 

Für eine Oxidation ist Citrat ungeeignet, da die einzige Gruppe die potentiell dafür in Frage käme als tertiärer Alkohol vorliegt. Von der Oxidationsstraße wissen wir, dass nur  primäre und sekundäre Alkohole weiter oxidiert werden können. Also wandelt die Natur Citrat in Isocitrat - ein sekundärer Alkohol - um.

Zuerst wird enzymatisch per Dehydratisierung (Abspaltung von Wasser) das Zwischenprodukt cis-Aconitat gebildet. Die tertiäre Hydroxy-Gruppe des Citrats wird dabei aufgelöst. Anschließend sorgt das gleiche Enzym, die Aconitase per Hydratisierung (Einlagerung von Wasser) für eine neue Hydroxy-Gruppe. Diesmal aber am zweiten C-Atom. Dieser sekundäre Alkohol kann  nun weiter oxidiert werden.

Beide Moleküle, Citrat und Isocitrat besitzen die gleiche Summenformel haben aber eine andere Struktur. Man nennt diese Umwandlung deshalb eine Isomerisierung.

 

 

 

 

Isocitrat enthält im Gegensatz zum nicht-chiralen Citrat zwei chirale Zentren (C2 und C3) und könnte somit in vier verschiedenen Formen auftreten. In unserem Körper wird aber nur 2R, 3S – Isocitrat gebildet.

 

 

 

2.3 Oxidation und Decarboxylierung: Isocitrat ® a-Ketoglutarat

 

Nach der Isomerisierung kann nun die erste von insgesamt vier Oxidationsschritten des Citratzyklus durchgeführt werden. Die Reaktion wird durch die Isocitrat-Dehydrogenase katalysiert. Zuerst werden, wie der Name des  Enzyms schon vermuten lässt, zwei Wasserstoff-Atome abgespalten. Aus der Hydroxy-Gruppe am zweiten C-Atom wird eine Oxo-Gruppe (auch Keto-Gruppe genannt).

Der Elektronen-Carrier NAD +  nimmt nur eines der abgespaltenen H-Atome aber beide Elektronen auf (= H - , ein Hydrid-Ion) und wird zu NADH. Übrig bleibt dann ein Proton ( H+) welches frei in der Lösung schwimmt.

Durch diesen ersten Teilschritt ist die instabile b-Ketosäure Oxalsuccinat entstanden. Noch an das Enzym gebunden wird im zweiten Teilschritt ein Kohlendioxid entfernt (Decarboxylierung). Es entsteht a-Ketoglutarat. Das a  im Namen bedeutet, dass die Keto-Gruppe sich am ersten C-Atom nach der Säure-Gruppe befindet.

 

 

 

 

NADH wird später in der Atmungskette für die ATP-Gewinnung verwendet. Ein Molekül NADH liefert in der Atmungskette 2,5 Moleküle ATP.

 

a-Ketoglutarat kann zur Aminosäurensynthese genutzt werden, darauf wird später noch eingegangen.

 

 

 

2.4 Oxidation und Decarboxylierung: a-Ketoglutarat ® Succinyl-CoA

 

Nun der zweite Oxidationsschritt des Citratzyklus. Er ähnelt dem Vorangegangenen sehr: Eine a-Ketosäure wird oxidativ decarboxyliert und NAD+ fungiert wieder als Elektronenakzeptor für den abgespaltenen Wasserstoff. Zusätzlich wird diesmal Energie in Form einer Thioesterbindung über das Coenzym A gespeichert. Das Endprodukt ist dann Succinyl-CoA.

Katalysiert wird die Reaktion von der a-Ketoglutarat-Dehydrogenase.

 

 

 

 

a-Ketoglutarat-Dehydrogenase ist ein Enzymkomplex aus drei Enzymen. Es ähnelt im Aufbau und Reaktionsablauf stark der Pyruvat-Dehydrogenase, welche die Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA katalysiert.

 

 

 

2.5 Reaktion: Succinyl-CoA ® Succinat + CoA

 

Die energiereiche Thioester-Bindung wird durch das Enzym Succinyl-CoA-Synthetase (Succinat-Thiokinase) gespalten. Die dabei entstehende Energie wird sofort genutzt um aus einem GDP-Molekül durch Anlagerung eines anorganischen Phosphats GTP herzustellen. Dabei entsteht eine ebenfalls energiereiche Phosphorsäure-Anhydridbindung.

 

 

 

Das entstandene GTP ist mit ATP gleichzusetzen, da beide ohne Energieverlust  mit dem Enzym Nucleosid-Diphosphat-Kinase ineinander  umgewandelt werden können.

 

Man nennt diesen Prozess, bei dem außerhalb der Atmungskette ein energiereiches Nucleosidtriphosphat (ATP, GTP usw.) gebildet wird Seitenkettenphosphorylierung. Die Energie die bei Umwandlung von Substraten in einer Stoffwechselkette frei wird, geht dadurch nicht als Wärme verloren sondern wird durch Anlagerung einer Phosphatgruppe gespeichert. Anschließend wird diese Phosphatgruppe samt Energie auf ein Nukleosid-Diphosphat wie ADP übertragen.  Das daraus entstandene ATP ist der Energielieferant schlechthin in unserem Körper.

 

 

2.6 Regeneration von Oxalacetat

 

Im Endeffekt muss für die Regeneration von Oxalacetat aus Succinat aus einer Methylengruppe (CH2) eine Carbonylgruppe (C=O) entstehen. Dieser Vorgang wird in drei Teilschritten durchgeführt: Oxidation – Hydratisierung – Oxidation. Hier kommt es also zu den letzten beiden der insgesamt vier Oxidationen des Citratzyklus.

 

 

 

 

 

a)    Oxidation: Succinat ® Fumarat

 

Die Succinat-Dehydrogenase entfernt unter der Ausbildung einer Doppelbindung zwei Wasserstoff-Atome aus dem Succinat. Die dabei freiwerdende Energie reicht nicht aus um ein Hydrid-Ion auf NAD+ zu übertragen. Deswegen weicht die Natur auf einen anderen Elektronen-Akzeptor aus der schon mit weniger Energie zufrieden ist, das FAD. FAD nimmt beide Wasserstoff-Atome auf und wird zu FADH2. Da es weniger Energie brauch, wirft es in der Atmungskette auch nicht soviel ATP ab wie NADH/H+ (1,5 statt 2,5 ATP pro Molekül ).

 

Die Succinat-Dehydrogenase, ist das einzige Enzym des Citratzyklus, welches direkt in der inneren Mitochondrienmembran verankert ist. Sie ist das Bindeglied zwischen Citratzyklus und Atmungskette und wird auch als Komplex II der Atmungskette bezeichnet. FADH2 ist kovalent an dieses Enzym gebunden und gibt beide Wasserstoff-Atome wieder direkt an dieses ab. Schon ist man mittendrin in der Atmungskette.

 

 

 

b)    Hydratisierung: Fumarat ® Malat

 

Die Fumarat-Hydratase (Fumarase) lagert Wasser an das Fumarat , dabei wird die in a) gebildete Doppelbindung  wieder aufgelöst.

 

Das Wasser wird genauer als eine Hydroxy-Gruppe und ein Wasserstoff addiert. Dadurch entsteht ein chirales Zentrum, da nun eines der C-Atome über vier verschiedene Substituenten verfügt. In unserem Körper entsteht nur die L-Isoform des Malats.

 

 

 

c)     Oxidation: Malat ® Oxalacetat

 

Nun noch der letzte Schritt des Citratzyklus und der Kreis schließt sich. Die Malat-Dehydrogenase spaltet zwei Wasserstoffe vom Malat ab. Dabei wird wieder NAD+ als Elektronenakzeptor eingesetzt und es entsteht NADH/H+.

Oxalacetat hat also den Citratzyklus „überlebt“ und steht wieder als Trägermolekül für die nächste Runde bereit.

 

Das Reaktionsgleichgewicht liegt eigentlich stark auf der Seite der Edukte, da die Änderung der freien Standardenthalpie (D G O´ = + 29,7 kJ/mol) positiv ist. Die Reaktion wird aber dadurch angetrieben, das ihre Produkte gleich weiterreagieren: Oxalacetat geht wieder in den Citratzyklus und NADH in die Atmungskette. Somit kommt es selten zu einer Rückreaktion in Richtung Malat.

 

 

 

3. Bilanz des Citratzyklus

 

 

Am Anfang standen zwei Kohlenstoff-Atome in Form von Acetat, die wir vollständig oxidieren wollten um sie dann als Kohlendioxid abzuatmen. Auf dem Weg dieser C-Atome durch den Citratzyklus gab es mehrere Schritte bei denen unser Organismus Energie gewinnen konnte:

 

 

·        Vier Oxidationsschritte bei denen jeweils zwei Wasserstoff-Atome abgespalten wurden. Dreimal hat die frei werdende Energie gereicht um NADH/H+ zu bilden, einmal hat es nur für FADH2 gereicht.

 

·        Bei der Spaltung der Thioesterbindung des Succinyl-CoA wurde über Seitenkettenphosphorylierung ein Molekül GTP gewonnen.

 

 

 

 

Verbraucht wurden in dieser langen Prozesskette zwei Moleküle Wasser.

 

Nicht zu vergessen ist das NADH welches bei der Umwandlung von Pyruvat zu Acetyl-CoA entsteht. Da es aber nicht direkt zum Citratzyklus gerechnet wird, taucht es in seiner Endabrechnung auch nicht auf.

 

 

 

Unser Körper nutzt als „Energiewährung“ Nukleosidtriphosphate wie ATP. Im Citratzyklus entsteht davon aber gerade mal ein Molekül direkt. Die restliche Energie liegt in Form von reduzierten Elektronen-Carriern (NADH, FADH2) vor. Diese werden  in der anschließenden Atmungskette mit Sauerstoff oxidiert, dabei geben sie ihre H-Atome bzw. ihr Hydrid-Ion wieder ab und stehen dem Citratzyklus für eine erneute Reduktion (Elektronenaufnahme) zur Verfügung.

Man erkennt hierbei, dass der Citratzyklus auf die aerobe Atmungskette angewiesen ist. Er kann also im Gegensatz zur Glykolyse nicht auf anaerobe Arbeit umschalten.

 

 

 

 

 

 

 

Nun zur Bilanz:

Citratzyklus               Atmungskette

 

3 x NADH       ®        7,5 ATP

1 x FADH2      ®        1,5 ATP

1 x GTP          ®        1 ATP

_________________________

 

1 x Acetat      ®        10 ATP

 

 

 

Insgesamt werfen die beiden C-Atome des Acetats über Citratzyklus und Atmungskette also 10 Moleküle ATP ab.

 

Mit Hilfe von radioaktiver Markierung wurde festgestellt, dass die C-Atome des Acetats, welches in den Citratzyklus eintritt nicht identisch sind mit denen die den Citratzyklus als Kohlendioxid-Moleküle verlassen. Es werden also nicht unbedingt die gleichen Kohlenstoffe abgeatmet, die sich im Acetat befanden.

 

Verfolgt man den aeroben Abbau eines Glukose-Moleküls über Glykolyse ® Citratzyklus ® Atmungskette so ergeben sich daraus satte 32 Moleküle ATP.  Wenn man aber vergleicht, dass unser Körper in Ruhe 40 Kg ATP pro Tag verbraucht relativiert sich dieser Wert wieder. Auch interessant, bei einem zweistündigen Lauf verbraucht man ca. 60 Kg ATP.

 

 

 

 

4. Der Citratzyklus – anabolisch betrachtet

 

 

Nachdem wir gesehen haben welche Zwischenprodukte beim Abbau eines Acetats im Citratzyklus entstehen, lenken wir unseren Blick nun auf die Biosynthesewege, die ebendiese Abbauprodukte zum Aufbau neuer Substanzen nutzen.

 

 

 

4.1 Acetyl-CoA: Die innere Mitochondrienmembran ist für das in der Mitochondrien-Matrix gebildete Acetyl-CoA nicht passierbar. Durch die Kondensation mit Oxalacetat zu Citrat kann nun aber ein Citrat/Malat-Antiport (Citrat raus, Malat rein) genutzt werden um das Mitochondrium zu verlassen. Im Zytoplasma sorgt dann die ATP-abhängige Citrat-Lyase die Aufspaltung zurück in Acetyl-CoA und Oxalacetat. Das Oxalacetat wird über eine zytoplasmatische Malat-Dehydrogenase in Malat umgewandelt und kann nun über den gleichen

Antiport wieder zurück ins Mitochondrium gelangen. Das Acetyl-CoA kann im Zytoplasma zur Fettsäuren-Synthese und zur Herstellung von Isoprenoiden wie Cholesterin herangezogen werden.

 

Wie weiter oben schon erwähnt findet der Fettsäurenabbau in den Mitochondrien, der Fettsäurenaufbau hingegen im Zytoplasma statt. Diese strikte räumliche Trennung sorgt dafür das Abbau und Synthese getrennt reguliert werden können und sich mit ihren Zwischenprodukten nicht „in die Quere kommen“.

 

 

 

4.2 Das a-Ketoglutarat dient als Grundbaustein für die Aminosäuren der Glutamat-Familie. Dazu zählen Glutamat, Glutamin, Arginin und Prolin. Durch Einlagerung von reduziertem Stickstoff werden diese Aminosäuren unter Energieaufwand hergestellt. Glutamat dient hierbei als Vorstufe für die anderen Aminosäuren aus dieser Familie.

 

 

 

 

 

 

 

Es ist wichtig sich noch einmal vor Augen zuführen, dass die Syntheseschritte auch rückwärts funktionieren und somit beim Abbau von Aminosäuren der Glutamatfamilie a-Ketoglutarat in den Citratzyklus einfließt.

 

 

 

 

4.3 Succinyl-CoA dient als Ausgangsstoff für Porphyrine. Der bekannteste Vertreter dieser Gruppe ist das Häm, welches wir z. B. für die Sauerstoffanlagerung im Hämoglobin benötigen. Die Synthese des Häms geschieht deshalb auch dort, wo rote Blutkörperchen gebildet werden – im Knochenmark. (Ein geringer Teil des Häms wird auch in der Leber gebildet).

 

 

4.4 Malat und Oxalacetat: Diese beiden Stoffe werden hier zusammen genannt, da Oxalacetat das Mitochondrium nicht direkt verlässt sondern erst noch zu Malat reduziert wird. Anschließend geht es über das sogenannte Malat-Shuttle rüber ins Zytoplasma. Dort sorgt eine Malat-Dehydrogenase für die Rückwandlung in Oxalacetat.

 

 

Im Zytoplasma kann das Oxalacetat nun für zwei Synthesewege genutzt werden:

 

·        Biosynthese der Aminsäuren aus der Aspartat-Familie (Oxalacetat ist genau wie a-Ketoglutarat eine a-Ketosäure)

 

·        Gluconeogenese: Durch die Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase entsteht aus Oxalacetat Phosphoenolpyruvat. Läuft meistens in der Leber und der Niere ab.

 

Der Großteil des für die Gluconeogenese benötigten Oxalacetats wird durch den Aminosäureabbau geliefert. Entweder direkt in Form von Oxalacetat oder über Pyruvat, welches dann im Citratzyklus zu Oxalacetat carboxyliert wird. 

 

Auch Lactat wird für die Gluconeogenese herangezogen. Es wird per Lactat-Dehydrogenase zu Pyruvat.

 

In der Glykolyse wird aus Phosphoenolpyruvat Pyruvat – warum geht man diesen Schritt nicht einfach rückwärts?

Bei der Glykolyse werden ein ATP gebildet und gleichzeitig noch ca. –30 kJ/mol an Energie freigesetzt. Diese Energie ist verloren. Für den entgegengesetzten Prozess müssten also  zwei ATP aufgewandt werden. Bei der Umwandlung von Oxalacetat in Phosphoenolpyruvat wird nur ein ATP benötigt, deswegen geht der Organismus den energiesparenden Umweg über die Mitochondrien und den Citratzyklus.

 

 

 

5. Anaplerotische Reaktionen

 

Nachdem man den Citratzyklus auch anabolisch betrachtet hat, sei noch auf einen wichtigen Aspekt hingewiesen. Wenn Zwischenprodukte des Citratzyklus für Biosynthesezwecke abgezwackt werden, müssen diese auch wieder rasch aufgefüllt werden, um den Zyklus aufrecht zu erhalten. Prozesse die einen Stoffwechselkreislauf wieder vervollständigen nennt man anaplerotisch (gr.: auffüllen).

 

Wird beispielsweise viel Oxalacetat für die Biosynthese von Aminosäuren verbraucht, so kann Pyruvat zur Neusynthese herangezogen werden. Der Prozess wird von der Pyruvat-Carboxylase katalysiert. Dieses Enzym ist nur in Gegenwart von Acetyl-CoA aktiv, da eine hohe mitochondriale Acetyl-CoA – Konzentration ein Zeichen dafür ist, das der Citratzyklus zu langsam läuft. Mit dem neugewonnenen Oxalacetat wird dieser wieder beschleunigt. Wenn viel Pyruvat vorhanden ist wird die Pyruvat-Carboxylase ebenfalls stimuliert.

 

Auch Fumarat kann anaplerotisch wirken, da es als „Abfallprodukt“ im Harnstoffzyklus entsteht und  in den Citratzyklus eingebaut wird.

 

Wichtig zu wissen ist, dass der Citratzyklus - da es sich um einen Kreislauf handelt - an jeder beliebigen Stelle aufgefüllt werden kann, egal welches Zwischenprodukt gerade für Biosynthesen verbraucht wurde.

 

 

 

 

6. Die Regulation des Citratzyklus

 

 

Durch die bisherigen Ausführungen sollte klar geworden sein wie Komplex dieser Zyklus ist. Er dient als Drehscheibe für viele katabole und anabole Stoffwechselprozesse und muss dementsprechend genau reguliert werden.

 

Als Grundüberlegung der Stoffwechselregulation, kann man sich klar machen, dass hohe Konzentrationen von Reaktionsprodukten und energiereichen Molekülen (z. B. ATP, NADH) hemmend auf ein katabolisches Enzym wirken. Während eine hohe Edukte-Konzentration, ADP und NAD+ aktivierend wirken.

 

Als Kontrollstellen eignen sich Enzyme, die eine stark exergone Reaktion katalysieren, da diese Reaktion schwer bis nicht reversibel sind und deswegen auch nur durchgeführt werden sollten wenn es wirklich nötig ist.

 

6.1 Der erste und wichtigste Kontrollpunkt ist die Pyruvat-Dehydrogenase:

Eine entscheidende Stelle, da die Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA für unseren Organismus irreversibel ist.

Die stärkste Hemmung erfolgt über eine Kinase, welche die Pyruvat-DH phosphoryliert und dadurch in einen inaktiven Zustand versetzt.

 

 

 

Wirkung auf die PDH-hemmende Kinase:

 

+       ATP, NADH, Acetyl-CoA                 --      ADP, NAD+, Pyruvat, CoA

 

NADH und  Acetyl-CoA wirken auch direkt  allosterisch hemmend auf die Pyruvat-DH.

 

 

Die Aktivierung der Pyruvat-DH funktioniert genau umgekehrt. Aktiv ist dieses Enzym in seiner nicht-phosphorylierten Form, also bedarf es einer Phosphatase.

Die Phosphatase wird nur von der mitochondrialen Calciumionen-Konzentration in ihrer Aktivität gestärkt.

 

Der erhöhte CA2+-Spiegel wird durch a1-adrenerge Agonisten und Hormone (z. B. Vasopressin) ausgelöst.

 

Insulin will den Glukosespiegel senken und kanalisiert Glukose in Richtung Pyruvat. Gleichzeitig  beschleunigt es die Pyruvat-Dehydrogenase.

 

 

 

6.2 Zwei weitere Kontrollpunkte sind die Isocitrat-Dehydrogenase und die a-Ketoglutarat-Dehydrogenase.

Die Hemmung erfolgt bei beiden direkt über ATP und NADH. Zusätzlich wirkt auf die a-Ketoglutarat-DH noch das von ihr katalysierte Reaktionsprodukt Succinyl-CoA hemmend.

Auf die Isocitrat-DH wirkt als einzige aktivierende Substanz ADP.

 

Beide Enzyme werden rein allosterisch (gr.: allos = fremd) beeinflußt. Das heißt eine Substanz lagert sich an das Enzym an und verändert dessen Teritär- bzw Quartär-Struktur. Dieser allosterische Effekt kann je nach Enzym und Substanz hemmend oder aktivierend wirken.

 

ADP

CoA

NAD+

Pyruvat

 

 

 

 


ATP

Succinyl-CoA

NADH

 

ADP

 

ATP

NADH

 

ATP

Acetyl-CoA

NADH

 

 

Die Regulierung des Citratzyklus

 

 

 

 

 

7. Kurzer Ausflug in die Klinik:  Beriberi

 

Die Pyruvat-Dehydrogenase ist ähnlich aufgebaut wie die a-Ketoglutarat-DH (kommt später im Citratzyklus) und die Transketolase des Pentosephosphatweges (ein weiterer Stoffwechselweg). Alle drei sind große Enzymkomplexe, welche mehrer katalytischer Cofaktoren bedürfen um arbeiten zu können.

Einer davon ist das Thiaminpyrophosphat. Wichtig für dieses CoEnzym ist - wie der Name schon sagt -  Thiamin (Vitamin B1). Kommt es wegen Fehl- oder Unterernährung zu einem Thiamin-Mangel, sinkt die Enzymaktivität, die Reaktionen laufen seltener ab und es häufen sich die Edukte an. Die durch die betroffenen Enzyme eigentlich verstoffwechselt werden sollten.

Im Klartext heißt das: Pyruvat- und a-Ketoglutarat-Spiegel sind bei Beriberi im Blut erhöht.

Folgen dieser erhöhten Werte sind: neurologischen Störungen und Veränderungen der Herzaktivität. Durch Schädigung des peripheren Nervensystems kommt es zu Gliederschmerzen, Muskelschwäche und Sensibilitätsstörungen der Haut. Das Herz kann vergrößert sein und eine unzureichende Pumpleistung liefern. Warum ist ausgerechnet das Nervensystem so stark davon betroffen? Da die Zellen des Nervensystems vorwiegend Glykolyse zur Energiegewinnung betreiben sind sie besonders von einem Ausfall der Pyruvat-DH betroffen. Pyruvat ist das Produkt der aeroben Glykolyse und hemmt die Glykolyse vielleicht (VERMUTUNG!) über eine negative Feedbackschleife, wenn es nicht über die Pyruvat-DH weiter verarbeitet wird. 

Beriberi tritt vor allem in asiatischen Ländern auf, da das dortige Grundnahrungsmittel Reis arm an Thiamin ist. Auch unterernährte Alkoholiker können von einem Thiaminmangel betroffen sein.

Zu ähnlichen Symptomen wie bei Beriberi kann es auch durch Arsen- oder Quecksilbervergiftungen kommen. Beide Stoffe greifen ebenfalls die Pyruvat-DH an.

 

 

8. Quellen:

 

·        Berg/Tymoczko/Stryer - Biochemie Spektrum Verlag 5.Auflage

 

·        Koolman/Röhm - Taschenatlas der Biochemie Thieme Verlag 3. Auflage

 

·        Horn/Lindenmeier - Biochemie des Menschen Thieme Verlag 2. Auflage

 

·        Löffler/Petrides – Biochemie und Pathobiochemie Springer Verlag 6. Auflage