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S2019_Lecture_14_Lesen - Biologie

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Oxidation von Pyruvat und der TCA-Zyklus

Überblick über den Pyruvat-Stoffwechsel und den TCA-Zyklus

Unter geeigneten Bedingungen kann Pyruvat weiter oxidiert werden. Eine der am besten untersuchten Oxidationsreaktionen mit Pyruvat ist eine zweiteilige Reaktion mit NAD+ und Molekül namens Co-Enzym A, oft einfach als "CoA" abgekürzt. Diese Reaktion oxidiert Pyruvat, führt durch Decarboxylierung zum Verlust eines Kohlenstoffs und erzeugt ein neues Molekül namens Acetyl-CoA. Das resultierende Acetyl-CoA kann in verschiedene Wege für die Biosynthese größerer Moleküle eintreten oder es kann zu einem anderen Weg des zentralen Stoffwechsels geleitet werden, der als Zitronensäure-Zyklus bezeichnet wird, manchmal auch als Krebs-Zyklus oder Tricarbonsäure-Zyklus (TCA) bezeichnet. Hier können die verbleibenden beiden Kohlenstoffe der Acetylgruppe entweder weiter oxidiert werden oder wieder als Vorläufer für den Aufbau verschiedener anderer Moleküle dienen. Wir diskutieren diese Szenarien im Folgenden.

Die unterschiedlichen Schicksale von Pyruvat und anderen Endprodukten der Glykolyse

Das Glykolyse-Modul hat mit den Endprodukten der Glykolyse aufgehört: 2 Pyruvat-Moleküle, 2 ATPs und 2 NADH-Moleküle. Dieses Modul und das Modul zur Fermentation untersuchen, was die Zelle mit dem erzeugten Pyruvat, ATP und NADH tun kann.

Die Schicksale von ATP und NADH

Im Allgemeinen kann ATP für eine Vielzahl von zellulären Funktionen verwendet oder an diese gekoppelt werden, einschließlich Biosynthese, Transport, Replikation usw. Wir werden im Laufe des Kurses viele solcher Beispiele sehen.

Was mit dem NADH zu tun ist, hängt jedoch von den Bedingungen ab, unter denen die Zelle wächst. In einigen Fällen entscheidet sich die Zelle dafür, NADH schnell wieder zu NAD . zu recyceln+. Dies geschieht durch einen Prozess namens Fermentation, bei dem die ursprünglich den Glucosederivaten entnommenen Elektronen über einen weiteren Red/Ox-Transfer an weitere Folgeprodukte zurückgegeben werden (genauer beschrieben im Modul zur Fermentation). Alternativ kann NADH wieder zu NAD . recycelt werden+ durch Abgabe von Elektronen an eine sogenannte Elektronentransportkette (dies wird im Modul Atmung und Elektronentransport behandelt).

Das Schicksal von zellulärem Pyruvat

  • Pyruvat kann als terminaler Elektronenakzeptor (entweder direkt oder indirekt) in Fermentationsreaktionen verwendet werden und wird im Fermentationsmodul diskutiert.
  • Pyruvat könnte als Abfallprodukt aus der Zelle ausgeschieden werden.
  • Pyruvat könnte weiter oxidiert werden, um mehr freie Energie aus diesem Brennstoff zu gewinnen.
  • Pyruvat kann als wertvolles Zwischenprodukt dienen, das einige der zentralen Stoffwechselwege zur Kohlenstoffverarbeitung verbindet

Die weitere Oxidation von Pyruvat

Bei atmenden Bakterien und Archaeen wird das Pyruvat im Zytoplasma weiter oxidiert. In aerob atmenden eukaryotischen Zellen werden die am Ende der Glykolyse produzierten Pyruvatmoleküle in die Mitochondrien transportiert, die Orte der Zellatmung sind und sauerstoffverbrauchende Elektronentransportketten beherbergen (ETC im Modul Atmung und Elektronentransport). Organismen aus allen drei Lebensbereichen teilen ähnliche Mechanismen, um das Pyruvat weiter zu CO . zu oxidieren2. Das erste Pyruvat wird decarboxyliert und kovalent an . gebunden Coenzym A über ein Thioester Verknüpfung zum Molekül, das als . bekannt ist Acetyl-CoA. Während Acetyl-CoA in mehrere andere biochemische Stoffwechselwege einfließen kann, betrachten wir nun seine Rolle bei der Ernährung des zirkulären Stoffwechselwegs, der als bekannt ist Tricarbonsäurezyklus, auch als bezeichnet TCA-Zyklus, das Zitronensäurezyklus oder der Krebs Zyklus. Dieser Vorgang wird unten detailliert beschrieben.

Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA

In einer mehrstufigen Reaktion, katalysiert durch das Enzym Pyruvat-Dehydrogenase, wird Pyruvat durch NAD . oxidiert+, decarboxyliert und kovalent an ein Molekül des Coenzyms A über a . gebunden Thioesterbindung. Wichtig ist hier die Freisetzung des Kohlendioxids, diese Reaktion führt oft zu a Masseverlust aus der Zelleals CO2 diffundieren oder aus der Zelle transportiert werden und zu einem Abfallprodukt werden. Außerdem ist ein Molekül NAD+ wird während dieses Prozesses pro Molekül oxidiertem Pyruvat zu NADH reduziert. Denken Sie daran: es gibt zwei Pyruvatmoleküle, die am Ende der Glykolyse für jedes metabolisierte Glucosemolekül produziert werden; Wenn also beide dieser Pyruvatmoleküle zu Acetyo-CoA oxidiert werden, werden zwei der ursprünglich sechs Kohlenstoffe in Abfall umgewandelt.

Diskussionsvorschlag

Die Bildung einer Thioesterbindung haben wir bereits in einer anderen Einheit und Vorlesung diskutiert. Wo war das konkret? Welche energetische Bedeutung hatte diese Bindung? Was sind die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen diesem Beispiel (Bildung von Thioester mit CoA) und dem vorherigen Beispiel dieser Chemie?

Abbildung 1. Beim Eintritt in die mitochondriale Matrix wandelt ein Multienzymkomplex Pyruvat in Acetyl-CoA um. Dabei wird Kohlendioxid freigesetzt und ein Molekül NADH gebildet.

Diskussionsvorschlag

Beschreiben Sie den Energiefluss und die Energieübertragung bei dieser Reaktion mit gutem Vokabular - (z. B. reduziert, oxidiert, rot/ox, endergonisch, exergonisch, Thioester usw. usw.). Sie können Peer-Editing durchführen - jemand kann eine Beschreibung beginnen, eine andere Person kann sie verbessern, eine andere Person kann sie weiter verbessern usw. .

In Anwesenheit eines geeigneten terminaler Elektronenakzeptor, Acetyl-CoA liefert (austauscht eine Bindung) seine Acetylgruppe an ein Vier-Kohlenstoff-Molekül, Oxalacetat, um Citrat zu bilden (als erste Verbindung im Zyklus bezeichnet). Dieser Zyklus wird mit verschiedenen Namen genannt: der Zitronensäurezyklus (für das erste gebildete Zwischenprodukt – Zitronensäure oder Citrat), die TCA-Zyklus (da Zitronensäure oder Citrat und Isocitrat Tricarbonsäuren sind) und die Krebs Zyklus, nach Hans Krebs, der in den 1930er Jahren erstmals die Stufen der Bahn in der Taubenflugmuskulatur identifizierte.

Der Tricarboxcylsäure (TCA)-Zyklus

Bei Bakterien und Archaeen finden Reaktionen im TCA-Zyklus typischerweise im Zytosol statt. Bei Eukaryoten findet der TCA-Zyklus in der Matrix der Mitochondrien statt. Fast alle (aber nicht alle) Enzyme des TCA-Zyklus sind wasserlöslich (nicht in der Membran), mit Ausnahme des Enzyms Succinat-Dehydrogenase, das in die innere Membran des Mitochondriums (bei Eukaryoten) eingebettet ist. Im Gegensatz zur Glykolyse ist der TCA-Zyklus ein geschlossener Kreislauf: Der letzte Teil des Stoffwechselwegs regeneriert die im ersten Schritt verwendete Verbindung. Die acht Schritte des Zyklus sind eine Reihe von Red/Ox-, Dehydratisierungs-, Hydratations- und Decarboxylierungsreaktionen, die zwei Kohlendioxidmoleküle, ein ATP, und reduzierte Formen von NADH und FADH . produzieren2.

Figur 2. Im TCA-Zyklus wird die Acetylgruppe von Acetyl-CoA an ein Vier-Kohlenstoff-Oxalacetat-Molekül gebunden, um ein Sechs-Kohlenstoff-Citrat-Molekül zu bilden. Durch eine Reihe von Schritten wird Citrat oxidiert, wodurch zwei Kohlendioxidmoleküle für jede dem Kreislauf zugeführte Acetylgruppe freigesetzt werden. Dabei werden drei NAD+ Moleküle werden zu NADH reduziert, einem FAD+ Molekül wird zu FADH . reduziert2, und ein ATP oder GTP (je nach Zelltyp) wird produziert (durch Phosphorylierung auf Substratebene). Da das Endprodukt des TCA-Zyklus auch der erste Reaktionspartner ist, läuft der Zyklus in Gegenwart von ausreichend Reaktionspartnern kontinuierlich ab.

Namensnennung: „Yikrazuul“/Wikimedia Commons (modifiziert)

Notiz

Wir beziehen uns ausdrücklich auf Eukaryoten, Bakterien und Archaeen, wenn wir die Lage des TCA-Zyklus diskutieren, da viele Anfänger der Biologie dazu neigen, den TCA-Zyklus ausschließlich mit Mitochondrien zu assoziieren. Ja, der TCA-Zyklus findet in den Mitochondrien eukaryontischer Zellen statt. Dieser Weg ist jedoch nicht nur Eukaryoten vorbehalten; es kommt auch in Bakterien und Archaeen vor!

Schritte im TCA-Zyklus

Schritt 1:

Der erste Schritt des Zyklus ist eine Kondensationsreaktion, an der die Zwei-Kohlenstoff-Acetylgruppe von Acetyl-CoA mit einem Vier-Kohlenstoff-Molekül Oxalacetat beteiligt ist. Die Produkte dieser Reaktion sind das Sechs-Kohlenstoff-Molekül Citrat und das freie Coenzym A. Dieser Schritt gilt als irreversibel, weil er so stark exergonisch ist. Darüber hinaus wird die Geschwindigkeit dieser Reaktion durch negatives Feedback von ATP gesteuert. Wenn der ATP-Spiegel ansteigt, nimmt die Geschwindigkeit dieser Reaktion ab. Wenn ATP knapp ist, erhöht sich die Rate. Falls noch nicht geschehen, wird der Grund in Kürze ersichtlich.

Schritt 2:

Im zweiten Schritt verliert Citrat ein Wassermolekül und gewinnt ein weiteres, da Citrat in sein Isomer Isocitrat umgewandelt wird.

Schritt 3:

Im dritten Schritt wird Isocitrat durch NAD . oxidiert+ und decarboxyliert. Behalten Sie die Kohlen im Auge! Dieser Kohlenstoff verlässt nun höchstwahrscheinlich die Zelle als Abfall und steht nicht mehr für den Aufbau neuer Biomoleküle zur Verfügung. Die Oxidation von Isocitrat erzeugt daher ein 5-Kohlenstoff-Molekül, α-Ketoglutarat, ein CO .-Molekül2 und NADH. Dieser Schritt wird auch durch negatives Feedback von ATP und NADH sowie durch positives Feedback von ADP reguliert.

Schritt 4:

Schritt 4 wird durch das Enzym Succinatdehydrogenase katalysiert. Hier wird α-Ketoglutarat durch NAD . weiter oxidiert+. Diese Oxidation führt wiederum zu einer Decarboxylierung und damit zum Verlust eines weiteren Kohlenstoffs als Abfall. Bisher sind zwei Kohlenstoffe aus Acetyl-CoA in den Kreislauf eingetreten und zwei sind als CO . gegangen2. In diesem Stadium gibt es keinen Nettogewinn an Kohlenstoff, der von den Glukosemolekülen assimiliert wird, die in diesem Stadium des Stoffwechsels oxidiert werden. Im Gegensatz zum vorherigen Schritt koppelt die Succinat-Dehydrogenase jedoch - wie zuvor die Pyruvat-Dehydrogenase - die freie Energie der exergonischen Red/Ox- und Decarboxylierungsreaktion, um die Bildung einer Thioesterbindung zwischen dem Substrat-Coenzym A und Succinat (was nach dem Decarboxylierung). Die Succinat-Dehydrogenase wird durch die Feedback-Hemmung von ATP, Succinyl-CoA und NADH reguliert.

Diskussionsvorschlag

Wir haben mehrere Schritte in diesem und anderen Signalwegen gesehen, die durch allosterische Rückkopplungsmechanismen reguliert werden. Gibt es Gemeinsamkeiten zwischen diesen Schritten im TCA-Zyklus? Warum könnten dies gute Regulierungsschritte sein?

Diskussionsvorschlag

Die Thioesterbindung ist wieder aufgetaucht! Verwenden Sie die Begriffe, die wir gelernt haben (z. B. Reduktion, Oxidation, Kupplung, exergonisch, endergonisch usw.), um die Bildung dieser Bindung und darunter ihre Hydrolyse zu beschreiben.

Schritt 5:

In Schritt fünf tritt ein Phosphorylierungsereignis auf Substratebene auf. Hier ein anorganisches Phosphat (Pich) wird GDP oder ADP hinzugefügt, um GTP (ein ATP-Äquivalent für unsere Zwecke) oder ATP zu bilden. Die Energie, die dieses Phosphorylierungsereignis auf Substratebene antreibt, stammt aus der Hydrolyse des CoA-Moleküls aus Succinyl-CoA, um Succinat zu bilden. Warum wird entweder GTP oder ATP produziert? In tierischen Zellen gibt es für diesen Schritt zwei Isoenzyme (verschiedene Formen eines Enzyms, die dieselbe Reaktion ausführen), abhängig von der Art des tierischen Gewebes, in dem sich diese Zellen befinden. Ein Isozym kommt in Geweben vor, die große Mengen an ATP verbrauchen, wie Herz- und Skelettmuskeln. Dieses Isozym produziert ATP. Das zweite Isozym des Enzyms findet sich in Geweben mit vielen anabolen Stoffwechselwegen, wie z. B. in der Leber. Dieses Isozym produziert GTP. GTP ist energetisch äquivalent zu ATP; seine Verwendung ist jedoch eingeschränkter. Insbesondere der Prozess der Proteinsynthese verwendet hauptsächlich GTP. Die meisten bakteriellen Systeme produzieren bei dieser Reaktion GTP.

Schritt 6:

Schritt sechs ist eine weitere Red/Ox-Reaktion, bei der Succinat durch FAD . oxidiert wird+ in Fumarat. Zwei Wasserstoffatome werden auf FAD . übertragen+, produziert FADH2. Der Unterschied im Reduktionspotential zwischen Fumarat/Succinat und NAD+/NADH-Halbreaktionen reichen nicht aus, um NAD . herzustellen+ ein geeignetes Reagenz zur Oxidation von Succinat mit NAD+ unter zellulären Bedingungen. Der Unterschied im Reduktionspotential mit dem FAD+/FADH2 Halbreaktion ist ausreichend, um Succinat zu oxidieren und FAD . zu reduzieren+. Im Gegensatz zu NAD+, FAD+ bleibt an das Enzym gebunden und überträgt Elektronen direkt auf die Elektronentransportkette. Möglich wird dieser Prozess durch die Lokalisierung des Enzyms, das diesen Schritt katalysiert, innerhalb der inneren Membran des Mitochondriums oder der Plasmamembran (je nachdem, ob es sich um einen eukaryotischen Organismus handelt oder nicht).

Schritt 7:

In Schritt sieben wird dem Fumarat Wasser zugesetzt, und es wird Malat hergestellt. Der letzte Schritt im Zitronensäurezyklus regeneriert Oxalacetat durch Oxidation von Malat mit NAD+. Dabei entsteht ein weiteres Molekül NADH.

Zusammenfassung

Beachten Sie, dass dieser Prozess (Oxidation von Pyruvat zu Acetyl-CoA gefolgt von einer "Umdrehung" des TCA-Zyklus) 1 Molekül Pyruvat, eine organische Säure mit 3 Kohlenstoffatomen, vollständig zu 3 Molekülen CO . oxidiert2. Insgesamt 4 Moleküle NADH, 1 Molekül FADH2, und 1 Molekül GTP (oder ATP) werden ebenfalls produziert. Für atmende Organismen ist dies eine bedeutende Art der Energiegewinnung, da jedes Molekül von NADH und FAD2 direkt in die Elektronentransportkette einspeisen können, und wie wir gleich sehen werden, werden die nachfolgenden Red/Ox-Reaktionen, die durch diesen Prozess angetrieben werden, indirekt die Synthese von ATP antreiben. Die bisherige Diskussion legt nahe, dass der TCA-Zyklus in erster Linie ein Energiegewinnungsweg ist; entwickelt, um so viel potentielle Energie aus organischen Molekülen zu extrahieren oder in eine Form umzuwandeln, die Zellen verwenden können, ATP (oder das Äquivalent) oder eine energetisierte Membran. Jedoch, - und lass uns nicht vergessen - Das andere wichtige Ergebnis der Entwicklung dieses Stoffwechselwegs ist die Fähigkeit, mehrere Vorläufer- oder Substratmoleküle herzustellen, die für verschiedene katabole Reaktionen erforderlich sind (dieser Stoffwechselweg liefert einige der frühen Bausteine ​​zur Herstellung größerer Moleküle). Wie wir weiter unten diskutieren werden, gibt es einen starken Zusammenhang zwischen dem Kohlenstoffstoffwechsel und dem Energiestoffwechsel.

Übung

TCA-Energiegeschichten

Arbeite daran, selbst ein paar Energiegeschichten aufzubauen

Es gibt einige interessante Reaktionen, die große Energieübertragungen und Umlagerungen von Materie beinhalten. Wählen Sie ein paar aus. Schreiben Sie eine Reaktion in Ihre Notizen um und üben Sie, eine Energiegeschichte zu konstruieren. Sie haben jetzt die Werkzeuge, um die Energieumverteilung im Kontext von allgemeinen Ideen und Begriffen wie exergonisch und endergonisch zu diskutieren. Sie haben auch die Möglichkeit, über den Mechanismus (wie diese Reaktionen ablaufen) zu diskutieren, indem Sie Enzymkatalysatoren aufrufen. Wenden Sie sich an Ihren Lehrer und/oder TA und erkundigen Sie sich bei Ihren Klassenkameraden, um einen Selbsttest zu machen, wie Sie abschneiden.

Verbindungen zum Kohlenstofffluss

Eine Hypothese, die wir in dieser Lektüre und im Unterricht zu untersuchen begonnen haben, ist die Idee, dass sich der "zentrale Stoffwechsel" als Mittel zur Erzeugung von Kohlenstoffvorläufern für katabole Reaktionen entwickelt hat. Unsere Hypothese besagt auch, dass diese Reaktionen mit der Entwicklung der Zellen in Wege verknüpft wurden: Glykolyse und TCA-Zyklus, um ihre Wirksamkeit für die Zelle zu maximieren. Wir können postulieren, dass a Nebennutzen Die Entwicklung dieses Stoffwechselweges war die Erzeugung von NADH aus der vollständigen Oxidation von Glucose - den Anfang dieser Idee sahen wir, als wir die Fermentation diskutierten. Wir haben bereits diskutiert, wie die Glykolyse nicht nur ATP aus der Phosphorylierung auf Substratebene liefert, sondern auch ein Netz von 2 NADH-Molekülen und 6 essentiellen Vorläufern liefert: Glucose-6-P, Fructose-6-P, 3-Phosphoglycerat, Phosphoenolpyruvat und natürlich , Pyruvat. Während ATP von der Zelle direkt als Energiequelle genutzt werden kann, stellt NADH ein Problem dar und muss wieder zu NAD . recycelt werden+, um den Weg im Gleichgewicht zu halten. Wie wir im Fermentationsmodul im Detail sehen können, ist die älteste Art und Weise, wie Zellen mit diesem Problem umgehen, die Verwendung von Fermentationsreaktionen, um NAD . zu regenerieren+.

Bei der Pyruvatoxidation über den TCA-Zyklus werden 4 weitere essentielle Vorstufen gebildet: Acetyl~CoA, α-Ketoglutarat, Oxalacetat und Succinyl~CoA. Drei Moleküle CO2 gehen verloren und dies stellt einen Nettomasseverlust für die Zelle dar. Diese Vorläufer sind jedoch Substrate für eine Vielzahl von katabolen Reaktionen, einschließlich der Produktion von Aminosäuren, Fettsäuren und verschiedenen Cofaktoren wie Häm. Dies bedeutet, dass die Reaktionsgeschwindigkeit während des TCA-Zyklus von den Konzentrationen jedes einzelnen abhängt metabolisches Zwischenprodukt (mehr zur Thermodynamik im Unterricht). Ein metabolisches Zwischenprodukt ist eine Verbindung, die durch eine Reaktion entsteht (ein Produkt) und dann als Substrat für die nächste Reaktion fungiert. Dies bedeutet auch, dass metabolische Zwischenprodukte, insbesondere die 4 essentiellen Vorstufen, bei Bedarf jederzeit für katabole Reaktionen entfernt werden können, wodurch die Thermodynamik des Kreislaufs verändert wird.

Nicht alle Zellen haben einen funktionellen TCA-Zyklus

Da alle Zellen die Fähigkeit benötigen, diese Vorläufermoleküle herzustellen, könnte man erwarten, dass alle Organismen einen voll funktionsfähigen TCA-Zyklus haben. Tatsächlich verfügen die Zellen vieler Organismen NICHT über alle Enzyme, die zur Bildung eines vollständigen Zyklus erforderlich sind - alle Zellen haben jedoch die Fähigkeit, die im vorherigen Absatz erwähnten 4 TCA-Zyklusvorläufer zu bilden. Wie können die Zellen Vorläufer bilden und keinen vollen Zyklus haben? Denken Sie daran, dass die meisten dieser Reaktionen frei reversibel sind, wenn also NAD+ für die Oxidation von Pyruvat oder Acetyl-CoA benötigt wird, dann würden die umgekehrten Reaktionen NADH erfordern. Dieser Prozess wird oft als reduktiver TCA-Zyklus bezeichnet. Um diese Reaktionen in umgekehrter Richtung (in Bezug auf die oben diskutierte Richtung) voranzutreiben, wird Energie benötigt, in diesem Fall von ATP und NADH getragen. Wenn ATP und NADH einen Weg in eine Richtung fahren, liegt es nahe, dass beim Rückwärtsfahren ATP und NADH als "Eingaben" erforderlich sind. Organismen, die keinen vollständigen Zyklus haben, können also immer noch die 4 wichtigsten metabolischen Vorläufer bilden, indem sie zuvor extrahierte Energie und Elektronen (ATP und NADH) verwenden, um einige wichtige Schritte in umgekehrter Richtung voranzutreiben.

Diskussionsvorschlag

Warum haben einige Organismen möglicherweise keinen vollständig oxidativen TCA-Zyklus entwickelt? Denken Sie daran, dass die Zellen im NAD . ein Gleichgewicht halten müssen+ zum NADH-Verhältnis sowie die [ATP]/[AMP]/[ADP]-Verhältnisse.

Zusätzliche Links

Hier sind einige zusätzliche Links zu Videos und Seiten, die Sie möglicherweise nützlich finden.

Chemwiki-Links

  • Chemwiki TCA-Zyklus - Link nach unten, bis wichtige Inhaltskorrekturen an der Ressource vorgenommen wurden

Links zur Khan-Akademie

  • Khan Academy TCA-Zyklus - Link nach unten, bis wichtige Inhaltskorrekturen an der Ressource vorgenommen wurden