EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

KM-8: Chemische Grundlagen des Lebens Die Stufen des Citratcyclus 293 293 c 2. Isomerisierung des Citrats zu Isocitrat Im nächsten Schritt wird Citrat zu Isocitrat isomerisiert. Dies geschieht durch Wasserabspaltung und erneute Wasseraddition. Dabei entsteht aus einer nicht oxidierbaren tertiären Alkohol- eine oxidierbare sekun- däre Alkoholgruppe. c 3. Oxidative Decarboxylierung zu α -Ketoglutarat (C 6 → CO 2 + C 5 ) Isocitrat wird danach mit NAD + oxidiert, es entsteht das Zwischenpro- dukt, welches sofort am C-Atom-3 decarboxyliert (also CO 2 abspal- tet). Das erste CO 2 ist gebildet, außerdem wird ein Molekül NADH . H + gewonnen (das H + wird am C-Atom-3 gebunden, da hier ein negativ gela- denes C-Atom nach der Abspaltung entsteht). Das Produkt der Reaktio- nen ist die C 5 -Verbindung α -Ketoglutarat . c 4. Oxidative Decarboxylierung zu Succinyl CoenzymA (C 5 → CO 2 + C 4 ) α -Ketoglutarat wird nochmals oxidativ decarboxyliert. Wieder entste- hen ein CO 2 - und ein NADH . H + -Molekül. Würde nur die Decarboxylierung ablaufen, so entstünde ein Aldehyd (durch H + -Aufnahme an der Decar- boxylierungsstelle). Dieser wäre sehr leicht durch NAD + oxidierbar, aber: Achtung, Aldehyd, Energieverschwendung vermeiden! Daher wird die Energie durch die Verknüpfung der entstehenden Säure mit einem Coen- zym A gespeichert (die Reaktion kennen wir in ähnlicher Form schon von der Decarboxylierung von Pyruvat zu AcCoA). Es entsteht Succinyl-CoA . c 5. Bildung von GTP als Energiespeichermolekül Das Succinyl-CoA spaltet die Coenzym-A-Gruppe ab. Die Energie wird aus- genützt, um ein GTP (Guanosintriphosphat, ein Energiespeicher ähnlich wie ATP) aus GDP und Phosphat zu erzeugen. GTP dient zur Synthese von RNA, kann aber durch Reaktion mit ADP auch in ATP umgesetzt werden. Als Produkt entsteht Succinat , eine C 4 -Verbindung wie Oxalacetat. Die 2 C-Atome des Acetyl-CoA sind also bereits zu CO 2 oxidiert. Jetzt hat der Ci- tratcyclus eigentlich „seine Schuldigkeit“ getan. Die aktivierte Essigsäure wurde in zwei CO 2 -Moleküle gespalten und Energie wurde freigesetzt. Die letzten Schritte dienen nur zur Regeneration von Oxalacetat. c 6. 7. 8. Rückgewinnung von Oxalacetat Die Reaktionen vom Succinat bis zum Oxalacetat entsprechen der β -Oxidation (in dem Fall allerdings ohne Aktivierung mit Coenzym A). Dazu wird es mit FAD oxidiert (Schritt 6). Es entstehen FADH 2 und Fuma- rat . An dieses wird – Schritt 7 – Wasser addiert, wobei Malat entsteht. Dieses Salz einer Hydroxycarbonsäure wird mit NAD + zu Oxalacetat oxi- diert (Schritt 8). Dabei entsteht das 3. Molekül NADH . H + , und Oxalacetat steht zur Aufnahme des nächsten AcCoA wieder bereit. Stoff- und Energiebilanz II Insgesamt sind pro AcCoA 1 GTP, 3 NADH . H + und 1 FADH 2 als Energiemoleküle entstanden. Um auf unseren Vergleich mit dem Finanzleben zurückzukommen: Der Geldschein AcCoA ist in kleinere Geldscheine (NADH . H + und FADH 2 ) und eine Münze (GTP) gewechselt worden. Als Nebenprodukt ist ein HSCoA frei- geworden und sind 2 Moleküle CO 2 als „Abfall“ entstanden. 3 Wassermoleküle sind aufgenommen worden. (Schritte 1, 5, 7) AcCoA enthält nur ein Sauerstoffatom, für 2 CO 2 benötigen wir aber vier. Die drei Restlichen stammen aus den Wassermolekülen. Dasselbe gilt für die Wasserstoffbilanz. Acht Wasserstoffatome benötigt man zur Bildung von 1 FADH 2 und 3 NADH . H + . Drei stammen aus dem AcCoA, die fünf restlichen aus den Wassermolekülen. Bleibt noch 1 Wasserstoffatom. Es ist als Proton bei Schritt 1 freigeworden. Der Citratcyclus ist nicht nur die Stelle des AcCoA Abbaus, sondern er ist eine zentrale Drehscheibe unseres Stoffwechsels. Die beteiligten Moleküle können aus dem Cyclus abgezogen werden als Ausgangsstoffe zur Synthese wichti- ger Verbindungen, aber auch die Abbauwege vieler Stoffe (vor allem von Ami- nosäuren) enden im Citratzyclus. Natürlich müssen zur Aufrechterhaltung des Cyclus gleich viele Moleküle des Cyclus zufließen wie abgezogen werden. Die Steuerung des Citratcyclus erfolgt vor allem über die Atmungskette. Es werden FAD und NAD + benötigt. Diese kommen aus der Atmungskette, wenn die FADH 2 und NADH . H + dort oxidiert werden. Benötigt der Körper wenig Energie, so läuft die Atmungskette langsamer und setzt damit weniger FAD und NAD + frei, was den Citratzyclus verlangsamt. Umgekehrtes gilt bei hohem Energiebe- darf. zur Steuerung des Citratcyclus Abb. 293–1: 2. Schritt im Citratcyclus COO C C O H H H COO H 2 C OOC Isocitrat NAD + NADH.H + COO C C O H COO H 2 C OOC CO 2 COO C C O H H H 2 C OOC H + 3 3 3 α -Ketoglutarat Abb. 293–2: 3. Schritt im Citratcyclus COO C C H H O H COO H 2 C OOC C C COO H OOC CH 2 OOC COO C C O H H H COO H 2 C OOC H O H H O H Citrat Isocitrat Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv