1. Oxidative Decarboxylierung
Im Rahmen der Glykolyse wird Glucose zu Pyruvat-Einheiten abgebaut, die wiederum in anderen Stoffwechselprozessen, wie dem Citratzyklus, weiterverarbeitet werden können. Allerdings wird nicht Pyruvat als solches, sondern das abgeleitete Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) in den Citratzyklus eingeschleust.
Acetyl-CoA entsteht durch, dem Reaktionszyklus vorangestellte, oxidative Decarboxylierung des Pyruvats. Dieser Prozess stellt damit die ‚Brücke‘ zwischen Glykolyse und Citratzyklus dar.
Ermöglicht wird der Vorgang durch den sogenannten Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex (PDH-Komplex) - ein vergleichsweise riesiger Multiproteinkomplex mit drei wesentlichen Komponenten (E1-E3).
Die oxidative Decarboxylierung beginnt mit einer Anlagerung des Pyruvats an Thiaminpyrophosphat (TPP). Hierbei wird die Säuregruppe des Pyruvats, katalysiert durch Pyruvat-Dehydrogenase (E1), unter Kohlenstoffdioxid-Freisetzung abgespalten. Aus dem C3-Körper Pyruvat wird dabei ein C2-Körper, der in Form einer Hydroxyethylgruppe an TPP bindet und mit diesem das Derivat Hydroxyethyl-TPP bildet.
Die Hydroxyethylgruppe wird zu einer Acetylgruppe oxidiert. Anschließend wird diese erst auf verschiedene Liponamidgruppen der Dihydrolipoyl-Transacetylase (E2) und weiter auf Coenzym A übertragen. Bei der Kombination der Acetylgruppe mit Coenzym A entsteht das Endprodukt der Reaktion: Acetyl-CoA.
Dihydrolipoyl-Dehydrogenase (E3) regeneriert schließlich die Liponamidgruppen mithilfe der prosthetischen Gruppe FAD, wobei FADH2 gebildet wird. Da infolge dieses Vorgangs auch FAD zurückgewonnen werden muss, um den Ausgangszustand des PDH-Komplexes wiederherzustellen, gibt FADH2 zwei Protonen und zwei Elektronen an NAD+ ab und reduziert das Coenzym damit zu NADH.
Das Produkt, Acetyl-CoA, kann nun in den Citratzyklus eingeschleust werden, in dessen Verlauf weitere spezifische oxidative Decarboxylierungsschritte ablaufen.
2. Citratzyklus
Der Citratzyklus (auch Krebszyklus oder Tricarbonsäurezyklus genannt) ist ein fundamentaler Stoffwechselweg lebender Zellen. Der Zyklus ist integraler Bestandteil des Glucosestoffwechsels und dient dazu, durch Glykolyse und andere vorangehende Prozesse bereitgestellte, energiereiche Verbindungen weiterzuverarbeiten. In eukaryotischen Zellen läuft der Citratzyklus in der mitochondrialen Matrix ab, in prokaryotischen Zellen dagegen innerhalb des Cytoplasmas.
Der erste Schritt des Reaktionszyklus besteht in einer Kondensation von Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) mit Oxalacetat. Acetyl-CoA leitet sich von Pyruvat ab, welches unter anderem im Rahmen der Glykolyse aus Glucose gebildet wird. Dieser Schritt wird durch das Enzym Citrat-Synthase katalysiert und führt zur Bildung der namensgebenden Verbindung des Zyklus: Citrat.
Aconitase isomerisiert das entstandene Citrat über das enzymgebundene Intermediat cis-Aconitat zu Isocitrat. Das Enzym Isocitrat-Dehydrogenase decarboxyliert anschließend Isocitrat zu α-Ketoglutarat. Durch einen weiteren stark exergonen oxidativen Decarboxylierungsschritt wird α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA umgesetzt. Beide Decarboxylierungsschritte gehen mit einer Bildung von NADH und einer Freisetzung von Kohlenstoffdioxid einher.
Succinyl-CoA wird, von einer GTP-Synthese und einer Regeneration von CoA-SH begleitet, gespalten. Das dabei entstehende Succinat wird schließlich über mehrere Zwischenstufen (unter anderem Fumarat und Malat) zu der Ausgangs- und Endsubstanz des Citratzyklus, Oxalacetat, umgesetzt. Hierbei entsteht das Reduktionsäquivalent FADH2.
Da es sich um einen geschlossenen Kreislauf handelt, dessen Endprodukt zugleich die Voraussetzung für den Neubeginn darstellt, kommt der Regeneration des Oxalacetats besondere Bedeutung zu.
Um den Citratzyklus etwas übersichtlicher zu gestalten, sind die wesentlichen Zwischenprodukte und Abläufe in der folgenden Grafik aufgeführt:
Im Laufe des Citratzyklus werden drei Einheiten NADH und ein Molekül FADH2 sowie GTP gebildet und können nachfolgend zur ATP-Synthese genutzt werden. Die im Verlauf des Zyklus produzierten Reduktionsäquivalente dienen in weiteren Stoffwechselprozessen als Elektronenüberträger. Der Citratzyklus ist nicht ausschließlich an der Energiegewinnung beteiligt, sondern spielt auch eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung von Stoffwechselintermediaten für weitere biosynthetische Prozesse.
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Literatur:
Berg, J.M., Gatto, G.J., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2018). Stryer - Biochemie. Berlin: Springer-Spektrum.
Müller-Esterl, W. (2018). Biochemie. Berlin: Springer-Spektrum.
Bildquellen: Eigene Darstellung, Vincent Krennerich