Stoffwechsel:

1. Grundprinzipien des Metabolismus

2. Enzyme & Cofaktoren

3. Glykolyse und Gärung

4. Citratzyklus – die zentrale Drehscheibe des Metabolismus

5. Atmungskette und ATP-Synthese

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im Stoffwechsel

7. Gluconeogenese und Cori-Zyklus

8. Biosynthese und Abbau von Glycogen

9. Fettsäuresynthese und β-Oxidation

10.Stoffwechsel von Cholesterin, Steroiden und Membranlipiden

11.Aminosäurestoffwechsel und Harnstoffzyklus

12.Stoffwechsel der Nukleotide

Inhalt der Vorlesung

1

2

Hydrolyse der Nährstoffe in ihre

Grundeinheiten

Überführung in Acetyl-CoA-Einheiten

Oxidation von Acetyl-CoA zu CO2

Übertragung der Elektronen von

reduzierten Elektronenüberträgern (aus

Stufe II u. III) auf O2 zur ATP-Gewinnung

(oxidative Phosphorylierung)

4. CitratzyklusÜbersicht über den Katabolismus

• 1937: Entdeckung des

Citratzyklus ⇨ „Krebs-Zyklus“

• 1953: Nobelpreis für

Physiologie oder Medizin für

diese Entdeckung

4. CitratzyklusCitratzyklus = Krebs-Zyklus = Tricarbonsäure-Zyklus

3

Hans Adolf Krebs (1900-1981)

Zitronensäure =

2-Hydroxypropan-1,2,3-

tricarbonsäure

- Der Citratzyklus ist der erste Teil der aeroben Verbrennung von

Brennstoffen.

- Die Brennstoffe werden maximal oxidiert zum CO2.

- Nahezu alle Brennstoffe werden im Citratzyklus oxidiert.

- Mehr als 95% der in der Zelle generierten Energie entsteht durch

den Citratzyklus und die anschließenden oxidative Phosphorylierung.

- Der Citratzyklus generiert kein ATP (nur ein wenig GTP)! Es werden

Reduktionsäquivalente für die anschließende Atmung gebildet.

- Der Citratzyklus läuft in den Mitochondrien ab.

4. CitratzyklusCitratzyklus = Krebs-Zyklus = Tricarbonsäure-Zyklus

4

4. CitratzyklusOrt des Citartzyklus

5

Der Citratzyklus läuft bei Eukaryoten in der Matrix der

Mitochondrien, bei Prokaryoten im Zytoplasma ab.

Dieser C2-Körper

kommt von Pyruvat.

In diesen Verbindungen werden

die Reduktionsäquivalente

Gespeichert.

2 C1-Körper werden

maximal oxidiert.

Citrat

1 Energie-

äquivalent

wird

Gebildet.

4. CitratzyklusÜbersicht

6

Es werden C2-Einheiten aus der Glycolyse in den Citratzyklus in Form von

Acetyl-CoenzymA eingeschleust.

Pyruvat + CoA + NAD+ Acetyl-CoA + CO2 + NADH+H+

ADP mit 3‘-Phosphat

Coenzym A:

Vitamin B5

4. CitratzyklusAcetyl-CoA: Der Brennstoff des Citratzyklus

7

Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex

4. CitratzyklusAblauf

8

ME

RK

SA

TZ

:

Citro

ne

n im

Kom

a s

ind s

upe

r fü

r m

ein

e O

ma!

die Hydrolyse des Thioesters

treibt die Reaktion an

Aldolkondensation

Synthasen: Enzymklasse, die zwei Einheiten ohne ATP-Verbrauch miteinander

verbindet.

4. Citratzyklus1. Citrat-Synthase: Einschleusen von Acetylgruppen

DG°‘ = -32 kJ mol-1

9

H+ vom His erleichtert

die Enolform-Ausbildung

4. Citratzyklus1. Citrat-Synthase: Mechanismus I

10

His erleichtert die

Bildung einer OH-Gruppe

und damit den nucleophilen

Angriff

4. Citratzyklus1. Citrat-Synthase: Mechanismus II

11

Hydrolyse des

Citryl-CoA`s

4. Citratzyklus1. Citrat-Synthase: Mechanismus III

12

ohne Substrat: R-Konformation

mit Substrat: T-Konformation

4. Citratzyklus1. Citrat-Synthase: R- und T-Konformation

13

Spalt für die Bindung von Oxalacetat

Vorbereitung der

Decarboxylierung

4. Citratzyklus2. Aconitase: katalysiert eine Isomerisierungsreaktion

14

4. Citratzyklus2. Aconitase: ist ein Eisen-Schwefel-Protein

15

Dehydrogenase-Reaktion mit anschließender Decarboxylierung:

Eine ß-Ketosäure ist instabil

und spaltet CO2 ab!

4. Citratzyklus3. Isocitrat-Dehydrogenase

16

Der Reaktionsmechanismus ist identisch zur Umwandlung von Pyruvat zum Acetyl-

CoA (der Dehydrogenase-Komplex ist homolog E1, E2 bzw. identisch E3).

⇨ Es entsteht wieder ein energiereicher Thioester (diesmal Succinyl-CoA).

4. Citratzyklus4. α-Ketoglutarat-Dehydrogenase

17

Die Spaltung des Thioesters generiert GTP:

Die Spaltung des Acetyl-CoAs ist mit der Herstellung von Citrat gekoppelt.

Hier wird bei einer analogen Reaktion GTP generiert!

4. Citratzyklus5. Succinyl-CoA-Synthetase = Succinat-Thiokinase

18GTP + ATP GDP + ATP ΔG0‘ = 0

Nukleosiddiphosphatkinase

b-UE

a-UE

4. Citratzyklus5. Succinyl-CoA-Synthetase: phosphoryliertes Enzym-Intermediat

19

Änderung von ΔG0‘ reicht nicht

für NADH-Herstellung.

Succinat-DH Fumarase Malat-DH

4. CitratzyklusDie Regeneration des Oxalacetats

20

Membrangebunden!

Komplex II der Atmungskette

Eisen-Schwefel Cluster + FAD

4. Citratzyklus6. Succinat-Dehydrogenase

21

4. Citratzyklus7. Fumarase = Fumarat-Hydratase

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DG°‘ = 30 kJ mol-1 !

4. Citratzyklus8. Malat-Dehydrogenase

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Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O

2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2 H+ + CoA

Die Elektronen der Oxidation vom Acetylrest sind nun alle in NADH bzw. FADH2

gefangen.

CH3-C-CoA

O

-III +III +IV = 8 Elektronen übertragen

2 CO2

4. CitratzyklusDie Nettogleichung des Citratzyklus

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Substratketten-P

Substratketten-P

Atmungsketten-P

Atmungsketten-P

Atmungsketten-P

Atmungsketten-P

3 ATP/NADH

Theoretisch:

38 ATP pro

Glucosemolekül

4. CitratzyklusTheoretische Energiebilanz

25

Verluste:

1. HPO42-Transport in Mitochondrien: 1 H+ / HPO4

2-

2. Membranen nicht 100 % dicht

3. Transport von gebildetem NADH der Glykolyse in Mitochondrium

30-32 ATP pro Glucosemolekül

2,5 ATP / NADH

1,5 ATP / FADH2

4. CitratzyklusEchte Energiebilanz

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4. CitratzyklusZentrale Drehscheibe des Metabolismus

27

Anaplerotische (griechisch: auffüllen) Reaktionen sind dem Citratzyklus

zuliefernde Stoffwechselwege. Durch sie werden also zusätzlich

Intermediate des Citratzyklus bereitgestellt.

Ein Beispiel für eine anaplerotische Reaktion ist die Synthese von

Oxalacetat aus Pyruvat durch die Pyruvat-Carboxylase:

Pyruvat + CO2 + ATP + H2O → Oxalacetat + ADP + Pi + 2 H+

Diese Auffüllreaktion ist bei Säugern notwendig, da sie nicht das Enzym

für die Umwandlung von Acetyl-CoA zu Oxalacetat oder zu einem

anderen Intermediat besitzen. Weitere anaplerotische Stoffwechselpfade

gehören zum Aminosäuremetabolismus: dabei werden z. B. Aspartat

bzw. Glutamat durch eine oxidative Desaminierung zu den Intermediaten

Oxalacetat bzw. α-Ketoglutarat. Die Oxidation ungeradzahliger

Fettsäuren liefert das Intermediat Succinyl-CoA.

4. CitratzyklusZentrale Drehscheibe des Metabolismus

28

Cataplerotisch (griechisch: entleeren) heißen Reaktionen, die

vornehmlich zu anabolen Stoffwechselwegen gehören und für diese dem

Citratzyklus Intermediate entnehmen.

Wichtige Intermediate für solche Reaktionen sind Citrat (z. B. für die

Cholesterol- und Fettsäure-Biosynthese), Succinyl-CoA (für die Porphyrin-

Biosynthese), L-Malat (für die Gluconeogenese), Oxaloacetat und

Ketoglutarat (z. B. für den Aminosäuremetabolismus).

29

4. CitratzyklusZentrale Drehscheibe des Metabolismus

Zwischenprodukte des Citratzyklus als Vorstufen

für anabole Stoffwechselwege:

30

4. CitratzyklusZentrale Drehscheibe des Metabolismus

Import und Export von

Komponenten des

Citratzyklus:

anabole Wege

anaplerotische Reaktionen

31

4. CitratzyklusRegulation

32

Das in der Glykolyse gebildete Pyruvat wird in die mitochondriale Matrix tranportiert und dort

durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex zu Acetyl-CoA umgesetzt (oxidative

Decarboxylierung).

Der Citratzyklus stellt eine in sich geschlossene Folge von Reaktionen dar, die durch acht

Enzyme katalysiert werden.

Bei der Startreaktion wird der C2-Körper Acetat von Acetyl-CoA auf den C4-Körper

Oxalacetat übertragen.

Der dabei entstehende C6-Körper Citrat wird nach schrittweiser Dehydrierung zweier seiner

Kohlenstoffatome und zweifacher Decarboxylierung wieder in Oxalacetat umgewandelt. Der

dem Kohlenstoffgerüst entzogene Wasserstoff wird von Oxidoreduktasen zur Bildung von

drei NADH und einem FADH2 verwendet; außerdem entsteht ein GTP.

Neben seiner zentralen Rolle im Katabolismus sind Intermediate des Citratzyklus auch

wichtige Ausgangsstoffe des Anabolismus, z.B. als Vorstufen von Aminosäuren.

Eine Folge íst, dass der Citratzyklus über anaplerotische Reaktionen (z.B. Pyruvat-

Carboxylase) aufgefüllt werden muss.

Der Substratfluss durch den Citratzyklus wird an mehreren Stellen stringent kontrolliert.

Regulatorischer Kontrolle unterliegen dabei insbesondere die Teilschritte großer Exergonie: die

Citrat-Synthese, die Ketoglutarat-Bildung und die Bildung des Succinyl-CoA.

4. CitratzyklusZusammenfassung