Embed Size (px)
Citation preview
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
Isocitrat-Dehydrogenase
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
Isocitrat-Dehydrogenase
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
Isocitrat-Dehydrogenase
α-Ketoglutarat-Dehydrogenase
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
Isocitrat-Dehydrogenase
α-Ketoglutarat-Dehydrogenase
Succinyl-CoA-Synthase
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
Isocitrat-Dehydrogenase
α-Ketoglutarat-Dehydrogenase
Succinyl-CoA-Synthase
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
α-Ketoglutarat-Dehydrogenase
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
