Citronensurezyklus und Atmungskette Wege des aeroben Abbaus von
Citronensäurezyklus und Atmungskette, __________ Wege des aeroben Abbaus von Brenztraubensäure © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon
Themenüberblick v Rückblick; Stoff- und Energieumsatz v Citratzyklus Ø Was ist das Ziel des Citratzyklus? Ø Grundprinzip und Übersicht Ø Citratzyklus im Detail Ø Energiebilanz v Atmungskette Ø Grundprinzip der ATP-Synthese Ø ATP-Synthese während der Atmungskette Ø Die Knallgasreaktion Ø Elektronentransportkette © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 2
Rückblick; Stoff- und Energieumsatz Nährstoffe (Kohlenhydrate, Eiweiße, Fette) Zerlegung in Monomere (niedermolekulare Grundbausteine) mech. Zerkleinerung aerober Prozess Lösung in Körperflüssigkeiten (z. B. Speichel) Verdauung enzymatische Abbauvorgänge anaerobe Prozesse Transport der Monomeren über Blut- Lymphgefäßsysteme zur Zelle Energiegewinnung (Baustoffe, Betriebsstoffe) © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 3
Rückblick; Stoff- und Energieumsatz Kohlenstoffhydrate Glucose anaerober Abbau Ethanol anaerober Abbau Brenztraubensäure Milchsäuregärung aerober Abbau „aktivierte Essigsäure“ © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 4
Freie Enthalphie Änderung der freien Enthalpie bei aerobem (glycolytischem) und aerobem Abbau von Glycose: Abbauweg Glucose → 2 Lactat - 197 k. J/mol Glucose + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O - 2881 k. J/mol © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 5
Was ist das Ziel des Citratzyklus? Gewinn von 2 ATP aus Glucosemolekül durch Spaltung der Glukose (=Glykolyse) Wenn Zelle Sauerstoff zur Verfügung steht Kurz gesagt: eff. Oxidation der Glucose ( Bildung von mehr ATP) Aus dem Endprodukt der Glycolyse (dem Pyruvat) sollen Prinzip ATP-Bildung: Knallgasreaktion möglichstin Zellen viele H-Atome gewonnen werden (in Form von (Wasserstoff + Sauerstoff Wasser) NADH/H+ oder FADH 2), damit diese dann unter ATP-Bildung Einsatz von Reduktionsäquivalente mit Sauerstoff reagieren können. (chem. gebundener Wasserstoff), z. B. NADH/H+ oder FADH 2 müssen erst gewonnen werden! organische Verbindungen wie Glucose besitzen jede menge Wasserstoff (1 Glukose-Molekül = 12 H-Atome) Citratzyklus Zelle muß es irgendwie schaffen den organischen Molekülen möglichst viel Wasserstoff zu entziehen! © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 6
Was ist das Ziel des Citratzyklus? Abb. : Teilschritt des Citratzyklus NAD+-Teilchen wird reduziert NADH/H+ wird gewonnen Reaktion unter ATP-Bildung mit Sauerstoff zu Wasser © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 7
Grundprinzip und Übersicht Ablauf in Mitochondrien (1) Enstehung von Acetyl-Coenzym A (durch Abbau von Kohlenhydraten, Fetten und Aminosäuren) (2) Pyruvat regiert mit Coenzum A (3) Pyruvat gibt eine COOH-Gruppe in Form von CO 2 ab beiden restlichen C-Gruppen werden an Coenzym A angelagert enstehung des Azetyl-Coenzym A (4) Da diese Reaktion = Oxidation entsteht hier bereits ein NADH/H+ pro Pyruvat-Molekül (5) Acetyl-Co. A überträgt Acetyl-Rest auf Oxalacetat (4 C-Gruppen) Citrat (6 C-Gruppen) © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 8
Citratzyklus im Überblick Ø Abbau in mehreren Schritten bis Oxalacetat wieder vorliegt (Endlosschleife) Ø Abgabe von 2 Kohlendioxid (Abfallprodukt) Ø Gewinnung von viel NADH/H+ während der Abbauschritte! © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 9
Citratzyklus im Detail / Schritt 0 Bildung von Acetyl-Coenzym A (Pyruvatdehydrogenase) • Vorbereitungsschritt • gleichzeitig letzter Schritt der Glykolyse und des Fettsäure-Abbaus • Bildung aus Pyruvat und Coenzym A Abspaltung von Kohlendioxid und Energiespeicherung in Form von einem Molekül NADH/H+ • Coenzym A Überträger eines C 2 -Körpers Pyruvat + NAD+ + Co. A ----> Acetyl-Co. A + NADH/ • wird durch den Multi-Enzym-Komplex Pyruvat-Dehydrogenase katalysiert • verläuft exotherm © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 10
Citratzyklus im Überblick Schritt 1: Kondensation: Acetyl-Co. A + Oxalacetat Citrat © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 11
Citratzyklus im Detail / Schritt 1 Kondensation: Acetyl-Co. A + Oxalacetat Citrat • geschwindigkeitsbestimmend für den gesamten Citrat-Zyklus • Geschwindigkeit des 1. Schrittes hängt im wesentlichen von drei Faktoren: • ersten und wichtigsten des Citratzyklus 1. Konzentration des. Schritt Acetyl-Coenzym A 2. Konzentration des aus Oxalacetats • Bildung des C 6 -Körpers Oxalacetat und dem Acetyl-Coenzym A 3. Konzentration der Verbindung Succinyl-Coenzym A Acetyl-Co. A Oxalacetat + H 2 O ----> Co. A + • Faktor 3 kompetitive + Hemmung; Succinyl-Coenzym A, ähnliche Struktur wie das Acetyl-Coenzym A • konkurriert exotherme Kondensation mit diesem um die Citrat-Synthetase • wird das Enzym Citrat-Synthase katalysiert Jedurch größer nun c(Succinyl-Co. A), desto geringer wird die Umsetzungsgeschwindigkeit © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon Citr 12
Citratzyklus im Überblick Schritt 2: Isomerisierung: Citrat Isocitrat © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 13
Citratzyklus im Detail / Schritt 2 Isomerisierung: Citrat Isocitrat (1) Bildung des Zwischenprodukt cis-Aconitat per Dehydratisierung (2) (Abspaltung von Wasser) (3) (gleichzeitig) Auflösung der tertiären Hydroxy-Gruppe des Citrats (4) Bildung einer neuen Hydroxy-Gruppe per Hydratisierung (5) (Einlagerung von Wasser) → Ziel: Isomerisierung OH-Gruppe gelangt zweitebesitzen C-Atomdie von unten und : Citrat an unddas Isocitrat kann anschließend im dritten Schritt oxidiert werden! gleiche Summenformel haben aber eine andere Struktur © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 14
Citratzyklus im Überblick Schritt 3+4: Oxidation und Decarboxylierung: Isocitrat -Ketoglutarat © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 16
Citratzyklus im Detail / Schritt 3 +4 Oxidation und Decarboxylierung: Isocitrat -Ketoglutarat • erster von 4 Oxidationsschritten im Cz • wird durch das Enzym Isocitrat-Dehydrogenase katalysiert (1) Abspaltung von 2 Wasserstoff-Atomen (1) Kohlendioxid wird entfernt (Decarboxylierung) (2) aus Hydroxy-Gruppe wird Keto-Gruppe (2) NAD+ (Elektronen-Carrier) nimmt 1 H-Atom auf (aber beide Elektronen) (3) NADH/H+ © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 17
Citratzyklus im Überblick Schritt 5: Oxidation und Decarboxylierung: -Ketoglutarat Succinyl-Co. A © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 18
Citratzyklus im Detail / Schritt 5 Oxidation und Decarboxylierung: -Ketoglutarat Succinyl-Co. A • zweiter Oxidationsschritt im Cz • wird durch das Enzym Alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase katalysiert (1) eine Alpha-Ketosäure wird decarboxyliert (CO 2 wird entfernt) (2) Abspaltung von 2 Wasserstoff-Atomen (3) NAD+ (Elektronen-Carrier) nimmt 1 H-Atom auf (aber beide Elektronen) NADH/H+ (4) Zusätzliche Energiespeicherung in Form Thioesterbindung über Co. A Ketoglutarat + Co. A + NAD+ ---> Succinyl-Co. A + NADH/H+ + CO 2 © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 19
Citratzyklus im Überblick Schritt 6: Reaktion: Succinyl-Co. A Succinat + Co. A © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 20
Citratzyklus im Detail / Schritt 6 Reaktion: Succinyl-Co. A Succinat + Co. A • wird durch das Enzym Succinyl-Co. A-Synthetase gespalten GTP = GDP + Anlagerung eines anorganischen Phosphats Succinyl-Co. A + GDP/Pi ---> Succinat + Co. A + GTP energiereiche Phosphorsäure-Anhydridbindung © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 21
Citratzyklus im Detail / Schritt 7 - 9 Regeneration von Oxalacetat Im Endeffekt muss für die Regeneration von Oxalacetat aus Succinat aus einer Methylengruppe (CH 2) 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. © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 22
Citratzyklus im Überblick Schritt 7: Oxidation: Succinat Fumarat © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 23
Citratzyklus im Detail / Schritt 7 Succinat-Dehydrogenase Oxidation: Succinat Fumarat (1) Entfernung zweier Wasserstoff-Atome durch die (2) Succinat-Dehydrogenase unter der Ausbildung einer (3) Doppelbindung (2) freiwerdende Energie reicht jedoch nicht aus um ein (3) H-Atom auf NAD+ zu übertragen (4) Rückgriff der Natur auf Elektronen-Akzeptor FAD (benö (5) weniger Ene FAD + 2 H ---> FADH 2 !Folge! : Geringer Energieverbrauch geringere ATP-Abgabe in Atmungskette © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 24
Citratzyklus im Überblick Schritt 8: Hydratisierung: Fumarat Malat © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 25
Citratzyklus im Detail / Schritt 8 Hydratisierung: Fumarat Malat • Fumarat-Hydratase (Fumarase) lagert Wasser an das Fumarat Fumarase auflösen der in Schritt 7 gebildeten Doppelbindung © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 26
Citratzyklus im Überblick Schritt 9: Oxidation: Malat Oxalacetat © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 27
Citratzyklus im Detail / Schritt 9 Oxidation: Malat Oxalacetat Malat-Dehydrogenase • Abspalten von zwei H-Atomen vom Malat durch die Malat-Dehydrogenase NAD+ (Elektronen-Carrier) nimmt 1 H-Atom auf (aber beide Elektronen) NADH/H+ © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 28
Bilanz des Citratzyklus Am Anfang standen zwei Kohlenstoff-Atome in Form von Acetat, die wir § Vieroxidieren Oxidationsschritte beidann denen zwei Wasserstoff-Atome vollständig wollten um sie alsjeweils Kohlendioxid abzuatmen. hat Citratzyklus die frei werdende gereicht Auf demabgespalten Weg dieser wurden. C-Atome. Dreimal durch den gab es. Energie mehrere + zu bilden, einmal hat es nur für FADH gereicht 2 Schritteum bei NADH/H denen unser Organismus Energie gewinnen konnte: § Verbraucht wurden in dieser langen Prozesskette zwei Moleküle Wasser § Bei der Spaltung der Thioesterbindung des Succinyl-Co. A wurde über Seitenkettenphosphorylierung ein Molekül GTP gewonnen © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 29
Atmungskette Problemstellung: 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, FADH 2) vor. Lösung: • Reduktionsäquivalente NADH/H+ und FADH 2 geben ihren Atmungskette Wasserstoff an Sauerstoff ab (Letzter Schritt Knallgasreaktion des Glucose Abbaus) exotherm ablaufende Energiegewinnung von ATP ( ATP-Synthese) (2) NADH und FAD stehen dem Citratzyklus für eine neue Reaktion (3) (Elektronenaufnahme) zur Verfügung © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 30
Grundprinzip der ATP-Synthese - Auf der linken Seite der Membran befinden sich viele Teilchen hohe Konzentration - Auf der rechten Seite der Membran geringere Konzentrationsgefälle von links nach rechts Normaler Effekt: Diffusion in Richtung Konzentrationsgefälle Der aktive Transport: Teilchen werden unter ATP-Verbrauch „bergauf" transportiert Gewünschter Effekt: „bergauf“-Transport Energie wird benötigt! Hauptenergiequelle: ATP © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 31
ATP-Synthese während der Atmungskette - ATP-Synthese findet an der inneren Membran der Mitochondrien statt - Membranzwischenraum normalerweise eine hohe Konzentration an Protonen - Innern des Mitochondriums dagegen eine niedrige Konzentration - Diffusion; Zwischenraum Matrix - passieren dabei den großen Enzymkomplex ATP-Synthase ADP + P ---> ATP © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 32
Die Knallgasreaktion ! „Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser“ ! H 2 + 1/2 O 2 ===> H 2 O In der Zelle kann kein gasförmiger Wasserstoff existieren, weil dieser sofort durch Diffusion die Zelle verlassen würde. Die Zelle speichert Wasserstoff daher mit Hilfe von Coenzymen wie NAD, NADP oder FAD. Die Reaktion dieser Coenzyme mit Sauerstoff sieht aber fast so ähnlich aus wie die Knallgasreaktion: NADH/H+ + 1/2 O 2 ===> H 2 O + NAD+ extrem exotherme Reaktion Zerlegung in Teilschritte Elektronentransportkette © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 33
Elektronentransportkette Definition: Insgesamt kommen drei Schritte in dieser Elektronentransportkette vor, die energiereich genug sind, um ein Proton von der Innenseite auf die Außenseite des Mitochondriums zu transportieren. Sie besteht aus den Enzym-Komplexen I-V und den Elektronenüberträgern Ubichinon (Coenzym Q) und Cytochrom c, die innere Mitochondrienmembran eingelagert sind. Ubichinon Elektronen- und Protonen-Shuttlesystem In Wirklichkeit; ist die Elektronentransportkette noch komplizierter aufgebaut. So können einige der beteiligten Komponenten direkt Protonen von innen nach außen transportieren, andere nur indirekt. © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 34
Elektronentransportkette (1) NADH/H+ gibt 2 Elektronen an ein - zwischen NADH/H+ und Sauerstoff ein Chinonmolekül ab sehr großer Unterschied im Redoxpotential (2) etwas Energie wird frei würde sehr viel Energie frei (3) Wird zum Transport eines Proton - zwischen Chinon und NADH/H+ sehr (4) benutzt geringer Unterschied im Redoxpotential wesentlich weniger Energiefreisetzung (2) Elektronen wandern vom Chinon zu (3) Cytochrom b (4) Redoxpotential zu klein (5) kein Transport möglich (3) Elektronentransport vom Cytochrom b (4) zum Cytochrom c (4) Letzter Elektronentransfer; Cytochromoxidase zum Sauerstoff (5) hohes Redoxionspotential (6) Protonentransport © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 35
Bilanz nach der Atmungskette Insgesamt werfen die beiden C-Atome des Acetats über Citratzyklus und Atmungskette also 10 Moleküle ATP ab! Citratratzyklus Atmungskette 3 x NADH 7, 5 ATP 1 x FADH 2 1, 5 ATP 1 x GTP 1 ATP 1 x Acetat 10 ATP © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Jürgen Schon 36
- Slides: 35