Biochemie 13.12.2004 Maria Otto ,Bo Mi Ok Kwon...

CitratzyklusCitratzyklus

BiochemieBiochemie13.12.2004 13.12.2004 Maria Otto ,Bo MiMaria Otto ,Bo Mi

OkOk KwonKwon ParkPark

COO¯

C=O

CH2

COO¯Oxalacetat

COO¯

HO – C – H

CH2

COO¯Malat

COO¯

CH

H C

COO¯

Fumarat

COO¯

CH2

CH2

COO¯Succinat

COO¯

CH2

CH2

C – S – CoA

COO¯Succinyl-CoA

COO¯

CH2

CH2

C = O

COO¯

α-Ketoglutarat

COO¯

CH2

H – C – COO¯

HO – C – H

COO¯

Isocitrat

COO¯

CH2

C – COO¯

H C

COO¯

Cis-Aconitat

COO¯

CH2

HO – C – COO

CH2

COO¯

Citrat

O

Acetyl-CoA

CO2 +NADH

CO2 +NADH

GTP

FADH2

H2O

NADH

CH3 – C – + H2O

Citratzyklus

COO¯

C=O

CH2

COO¯Oxalacetat

COO¯

HO – C – H

CH2

COO¯Malat

COO¯

CH

H C

COO¯

Fumarat

COO¯

CH2

CH2

COO¯Succinat

COO¯

CH2

CH2

C – S – CoA

COO¯Succinyl-CoA

COO¯

CH2

CH2

C = O

COO¯

α-Ketoglutarat

COO¯

CH2

H – C – COO¯

HO – C – H

COO¯

Isocitrat

COO¯

CH2

C – COO¯

H C

COO¯

Cis-Aconitat

COO¯

CH2

HO – C – COO

CH2

COO¯

Citrat

CO2 +NADH

CO2 +NADH

GTP

FADH2

H2O

NADH

CH3 – C –

O

Acetyl-CoA+ H2O

CitratCitratCOO¯

C=O

CH2

COO¯Oxalacetat

CH3 – C –S – CoA

O

Acetyl-CoA

+ H2O +

CH2 – COO¯

HO – C – COO¯

CH2

COO¯Citrat

+ HS – CoA + H+

Die Reaktion: eine Aldolkondensation mit nachfolgender Hydrolyse

Unter Bildung Citryl-CoA

Die Hydrolyse des Citryl-CoA

COO¯

C=O

CH2

COO¯Oxalacetat

COO¯

HO – C – H

CH2

COO¯Malat

COO¯

CH

H C

COO¯

Fumarat

COO¯

CH2

CH2

COO¯Succinat

COO¯

CH2

CH2

C – S – CoA

COO¯Succinyl-CoA

COO¯

CH2

H – C – COO¯

HO – C – H

COO¯

Isocitrat

COO¯

CH2

C – COO¯

H C

COO¯

Cis-Aconitat

COO¯

CH2

HO – C – COO

CH2

COO¯

Citrat

O

Acetyl-CoA

COO¯

CH2

CH2

C = O

COO¯

α-Ketoglutarat

CO2 +NADH

CO2 +NADH

GTP

FADH2

H2O

NADH

CH3 – C – + H2O

Citrat-Synthase

CitratCitrat--SynthaseSynthase

+ CH3 – C –S – CoA

O

Acetyl-CoA

O=C – COO_

H2C – COO_

Oxalacetat

OCH2 – C – S – CoA

HO – C – COO_

CH2 – COO_

Citryl-CoA

H2OCoA-SH

CH2 – COO¯

HO – C – COO¯

CH2

COO¯Citrat

CitratCitrat--SynthaseSynthaseZwei Identischen 49-Kd-Untereinheiten

Während der Katalyse eine grosse Konformationsänderung

Erst Oxalacetat, dann Acetyl-CoA gebunden

Offene Form mit Oxalacetat Geschlossenem Form

Aldolkondensation durch zwei Histidine und ein Asparat

COO¯

C=O

CH2

COO¯Oxalacetat

+

Asp375Deprotonierung

COO¯

C=O

CH2

COO¯Oxalacetat

His274O SCoA

H H C

CH –

Enol-Zwischenprodukt

+

COO_

C –C – HH

HO –CH2 C=O

COO_ SCoA

His320

Citryl-CoAO SCoA

H H HC

C

Acetyl-CoA

PyruvatPyruvat--DehydrogenaseDehydrogenase--KomplexKomplexEin multimeres Aggregat aus drei Arten von Enzymen(Pyruvat-Dehydrogenase, Dihydrolipoyltransacetylase, Dihydrodipoyldehydrogenase)

Katalytische Cofaktore: TPP(Thiaminpyrophosphat), Liponamid, FAD(Flavinadenindinucleotid)

Stöchiometrische Cofaktore: CoA, NAD+

Pyruvat +CoA+ NAD+ Acetyl – CoA + CO2 + NADH

Oxidative Decarboxylierung von Pyruvat unter Bildung von Acetyl-CoA

Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA in vier Schritte

Umwandlung von Umwandlung von PyruvatPyruvat in in AcetylAcetyl--CoACoAErster Schritt: durch Pyruvat-Dehydrogenase Komponente katalysiert

Pyruvat +TPP Hydroxyethyl-TPP + CO2

Zweiter Schritt: Oxydation von Hydroxylgruppe zu einer AcetylgruppeÜbertragung auf Liponamid

CS N+ R

C C

R´ CH3

OHH3C – C

_

Hydroxyethyl-TPP

+S S

HCH2 C

CH2 R

Liponamid

+ HS S H

CH2 CCH2 R

C=O

CH3

AcetylliponamidCarbanion desTPP

CS N+ R

C C

R´ CH3

Umwandlung von Umwandlung von PyruvatPyruvat in in AcetylAcetyl--CoACoADritter Schritt: Übertragung Acetylgruppe auf CoA

HS S H

CH2 CCH2 R

C=O

CH3

Acetylliponamid

Dihydrolipoyltransacetylase

S – CoA

C=O

CH3

Acetyl-CoA

HS SH H

CH2 CCH2 R

Dihydroliponamid

+HS – CoA+

Vierter Schritt: Oxidierte Form des Liponamid

Dihydrodipoyldehydrogenase

HS SH H

CH2 CCH2 R

Dihydroliponamid

S S H

CH2 CCH2 R

Liponamid

NADH + H++NAD++

COO¯

C=O

CH2

COO¯Oxalacetat

COO¯

HO – C – H

CH2

COO¯Malat

COO¯

CH

H C

COO¯

Fumarat

COO¯

CH2

CH2

COO¯Succinat

COO¯

CH2

CH2

C – S – CoA

COO¯Succinyl-CoA

COO¯

CH2

H – C – COO¯

HO – C – H

COO¯

Isocitrat

COO¯

CH2

C – COO¯

H C

COO¯

Cis-Aconitat

COO¯

CH2

HO – C – COO

CH2

COO¯

Citrat

CO2 +NADH

CO2 +NADH

CH3 – C –

O

Acetyl-CoA+ H2O

COO¯

CH2

CH2

C = O

COO¯

α-Ketoglutarat

CO2 +NADH

CO2 +NADH

Isomerisierung

Citrat-Synthase

FADH2

IsomerisierungIsomerisierung von Citratvon CitratCitrat wird zu Isocitrat isomerisiert

Über Cis-Aconitat durch Dehydratisierung und Rehydratisierung

Ein Austausch eines H-Atoms und einer OH-Gruppe

Durch Aconitase katalysiert

COO¯

H – C – OH

¯ OOC – C –H

CH2

COO¯Isocitrat

H_OOC – C

¯OOC – C

CH2

COO¯Cis-Aconitat

H2O

COO¯

H – C –H_OOC – C –OH

CH2

COO¯

Citrat

H2O

Enthält vier Eisenatome mit vier anorganischen und vierCysteinschwefelatomen.

Aconitase

Fe-S-Zentrum bindet Citrat und an De-, Rehydratisierung des gebundenenSubstrat beteiligt.

Isocitrat-Dehydrogenase

COO¯

C=O

CH2

COO¯Oxalacetat

COO¯

HO – C – H

CH2

COO¯Malat

COO¯

CH

H C

COO¯

Fumarat

COO¯

CH2

CH2

COO¯Succinat

COO¯

CH2

CH2

C – S – CoA

COO¯Succinyl-CoA

COO¯

CH2

H – C – COO¯

HO – C – H

COO¯

Isocitrat

COO¯

CH2

C – COO¯

H C

COO¯

Cis-Aconitat

COO¯

CH2

HO – C – COO

CH2

COO¯

Citrat

CH3 – C –

O

Acetyl-CoA+ H2O

COO¯

CH2

CH2

C = O

COO¯

α-Ketoglutarat

CO2 +NADH

CO2 +NADH

Isomerisierung

Citrat-Synthase

FADH2

NADH

αα--KetoglutaratKetoglutaratErste Oxidations-und Reduktions Reaktion im Citratzyklus

Durch oxidative Decarboxylierung des Isocitrat


Das Zwischenprodkt : Oxalsuccinat(eine instabile β-Ketosäure)

COO¯

C =O

¯ OOC – C –H

CH2

COO¯

Oxalsuccinat

COO¯

H – C – OH

¯ OOC – C –H

CH2

COO¯

Isocitrat

COO¯

C =O

H – C –H

CH2

COO¯

α-Ketoglutarat

NAD+ NADH + H+ H+ CO2

COO¯

HO – C – H

CH2

COO¯Malat COO¯

CH

H C

COO¯

Fumarat

COO¯

CH2

CH2

COO¯Succinat

COO¯

CH2

CH2

C – S – CoA

COO¯Succinyl-CoA

COO¯

CH2

H – C – COO¯

HO – C – H

COO¯

Isocitrat

COO¯

CH2

C – COO¯

H C

COO¯

Cis-Aconitat

COO¯

CH2

HO – C – COO

CH2

COO¯

Citrat

CH3 – C –

O

Acetyl-CoA+ H2O

COO¯

CH2

CH2

C = O

COO¯

α-Ketoglutarat

CO2 +NADH

CO2 +NADH

Isomerisierung

Citrat-Synthase

FADH2


COO¯

C=O

CH2

COO¯Oxalacetat

α-Ketoglutarat-Dehydrogenase

SuccinylSuccinyl--CoACoADurch Oxidative Decarboxylierung von α-Ketoglutarat

α-Ketoglutarat + NAD+ + CoA Succinyl-CoA + CO2 +NADH

Der Mechanismus dieser Reaktion läuft ähnlich wie Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA

α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex

α-Ketoglutarat + NAD+ + CoA Succinyl-CoA + CO2 +NADH

Pyruvat + NAD+ Acetyl – CoA + CO2 + NADH+ CoA

Cofaktoren: TPP, Liponamid, CoA, FAD, und NAD+

Drei verschiedene Enzyme: Eine α-Ketoglutart-Dehydrogenase(E´1)

Eine Transsuccinylase1(E´2):das Zentrum des Komplexes

Eine Dihydrolipoyl-Dehydrogenase1(E´3)

COO¯

HO – C – H

CH2

COO¯Malat COO¯

CH

H C

COO¯

Fumarat

COO¯

CH2

CH2

COO¯Succinat

COO¯

CH2

CH2

C – S – CoA

COO¯Succinyl-CoA

COO¯

CH2

H – C – COO¯

HO – C – H

COO¯

Isocitrat

COO¯

CH2

C – COO¯

H C

COO¯

Cis-Aconitat

COO¯

CH2

HO – C – COO

CH2

COO¯

Citrat

CH3 – C –

O

Acetyl-CoA+ H2O

COO¯

CH2

CH2

C = O

COO¯

α-Ketoglutarat

CO2 +NADH

CO2 +NADH

Isomerisierung

Citrat-Synthase

FADH2

COO¯

C=O

CH2

COO¯Oxalacetat

GTP



Succinyl-CoA-Synthase

NADH

Phosphatbildung aus Phosphatbildung aus SuccinylSuccinyl--CoACoADie energiereiche Thioester Succinyl-CoA

Spaltung der Thioesterbindung Die Phosphorylierung von GDP(Guanosindiphosphat)

Succinat + GTP+ CoASuccinyl-CoA +Pi+ GDP

Die Succinyl-CoA-Synthase

Direkte Lieferung der energiereichere Phosphatbildung

Entstandende GTP: als Phosphorylgruppendonor bei Proteinsynthese,bei Signalübertragungs Prozessen

GDP + ATPNucleosiddiphosphat-Kinase Katalysiert

Leicht übertragbar: GTP+ADP

COO¯

HO – C – H

CH2

COO¯Malat COO¯

CH

H C

COO¯

Fumarat

COO¯

CH2

CH2

COO¯Succinat

COO¯

CH2

CH2

C – S – CoA

COO¯Succinyl-CoA

COO¯

CH2

H – C – COO¯

HO – C – H

COO¯

Isocitrat

COO¯

CH2

C – COO¯

H C

COO¯

Cis-Aconitat

COO¯

CH2

HO – C – COO

CH2

COO¯

Citrat

CH3 – C –

O

Acetyl-CoA+ H2O

COO¯

CH2

CH2

C = O

COO¯

α-Ketoglutarat

CO2 +NADH

CO2 +NADH

Isomerisierung

Citrat-Synthase

FADH2

COO¯

C=O

CH2

COO¯Oxalacetat

GTP




NADH

Regenerierung von Regenerierung von Oxalacetat Oxalacetat Durch Oxidation von Succinat

Succinat wird in drei Stufen in Oxalacetat

Erste Stufe durch Oxidation Zu Fumarat

COO¯

COO¯

CH2

CH2

Succinat

COO¯

COO¯

C – H

C – H

Fumarat

FAD FADH2

FAD fungiert als WasserstoffakzeptorBei Oxidationen( wenn zwei Wasserstoffatome aus dem Substrat entfernt werden,

FAD ist fast immer der Elektronenakzeptor)Enzym: Succinat-Dehydrogenase)

E-FAD + Succinat E-FADH2 + Fumarat

Regenerierung von Regenerierung von OxalacetatOxalacetat

Enzym: Succinat-Dehydrogenase)

E-FAD + Succinat E-FADH2 + Fumarat

Die Succinat-Dehydrogenase: wie die Aconitase ein Esen-Schwefel-Protein(oder Nicht-Häm-Eisenprotein)

Enthählt drei verschiedene Eisen-Schwefel Zentren.(2Fe-2S,3Fe-4S,4Fe-4S)

besteht aus einer 70-kd -und einer 27-kd-UntereinheitenBestandteil der inneren Mitochondrienmenbran

Direkt mit der Atmungskette verbundenZwei Elektronen von FADH2 auf die Fe-S-Zentren des Enzyms

Der endgültige Akzeptor dieser Elektronen:molekularer Sauerstoff

Regenerierung von Regenerierung von OxalacetatOxalacetatZweite Stufe:Entstehung von L-Malat durch Hydratiserung

Fumarase katalysiert eine stereospezifische trans-Addition

Schließlich: Malat zu Oxalacetat durch Oxidation

Malat-Dehydrogenase

NAD+ NADH +H+

COO¯

C=O

CH2

COO¯Oxalacetat

COO¯

HO – C – H

H – C – OH

COO¯L-Malat

Citrat-Synthase

GTP

COO¯

HO – C – H

CH2

COO¯Malat COO¯

CH

H C

COO¯

Fumarat

COO¯

CH2

CH2

COO¯Succinat

COO¯

CH2

CH2

C – S – CoA

COO¯Succinyl-CoA

COO¯

CH2

H – C – COO¯

HO – C – H

COO¯

Isocitrat

COO¯

CH2

C – COO¯

H C

COO¯

Cis-Aconitat

COO¯

CH2

HO – C – COO

CH2

COO¯

Citrat

CH3 – C –

O

Acetyl-CoA+ H2O

COO¯

CH2

CH2

C = O

COO¯

α-Ketoglutarat

CO2 +NADH

CO2 +NADH

Isomerisierung

FADH2

COO¯

C=O

CH2

COO¯Oxalacetat




Succinat-Dehydrogenase

Fumarase

NADH

Malat-Dehydrogenase

Citratzyklus liefert BiosyntheseCitratzyklus liefert Biosynthese

z.B. die meisten C-Atome der Porphyrine aus Succinyl-CoA

Viele Aminosäuren von α-Ketoglutarat und Oxalacetat

z.B.Wenn Oxalacetat in Aminosäure für Proteinbiosynthese umgebaut wird,

Kommt der Citratzyklus zum Stillstand???

Weil das Oxalacetat aufgefüllt wird.NEIN !!!!

Pyruvat + CO2 + ATP + H2O Oxalacet + ADP +Pi+ 2H+

Katalysiert von der Pyruvat-Carboxylase

Kontrolle des CitratzyklusKontrolle des CitratzyklusErster Punkt

Die Synthese von Citrat aus Oxalacetat und Acetyl-CoA

Das ATP hemmt als allosterischer Inhibitor die Citrat-Synthese

ATP-Spiegel Citrat-Synthese mit Acetyl-CoA

Wenige Entstehung des Citrats

Zweiter Punkt

Die Isocitrat-Dehydrogenase

Wird aktiviert allosterisch von ADP

Die Bindung von Isocitrat, Mg+ NAD+ und ADP erfolgt kooperativ

NADH hemmt die die Isocitrat-Dehydrogenase durch direkte verdrängung des NAD+

ATP hemmt die Isocitrat-Dehydrogenase

Kontrolle des CitratzyklusKontrolle des CitratzyklusDritter Punkt


Wird durch ihre Produkte(succinyl-CoA,NADH) gehemmt.

Wenn die Zelle einen hohen ATP-Spiegel besitzt, werden die Einschleusung von C2-Einheiten(Acetyl-CoA) in die Citratzyklus und Umsatzrate des Zyklus reduziert

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