Zelluläre Energieproduktion: Wichtige Stoffwechselwege

Zitronensäurezyklus

Der Zitronensäurezyklus (auch Krebs-Zyklus genannt) ist eine Reihe von acht Reaktionen, bei denen eine Acetylgruppe decarboxyliert und oxidiert wird, wodurch Folgendes entsteht:

• 3 Moleküle NADH
• 1 Molekül FADH2
• 2 Moleküle CO2
• 1 ATP-Molekül (oder GTP)

Für jedes Molekül Glukose, das in die Glykolyse eintritt, werden zwei Moleküle Acetyl-CoA produziert, die in diesen Zyklus eintreten können.

Unter aeroben Bedingungen wird das in der Glykolyse aus einem Glukosemolekül entstandene Pyruvat in die Mitochondrien transportiert. Dort wird es zu Acetyl-CoA oxidiert, wobei CO2 freigesetzt wird. Dieses Acetyl-CoA tritt dann in den Zitronensäurezyklus ein.

Reaktionsschritte im Überblick

• Acetyl-CoA reagiert mit Oxalacetat und bildet Citrat durch Kondensation.
• Citrat wird schrittweise zu Oxalacetat umgewandelt, wobei zwei Kohlenstoffatome als CO2 freigesetzt werden.

Pro Zyklus wird ein Molekül Acetyl-CoA vollständig oxidiert. Dabei werden 2 CO2-Moleküle freigesetzt. Zudem werden 3 NAD+ zu 3 NADH und 1 FAD zu 1 FADH2 reduziert.

Aus einem Glukosemolekül (das zwei Acetyl-CoA-Moleküle liefert) resultieren im Zitronensäurezyklus insgesamt: 4 CO2, 2 GTP, 6 NADH und 2 FADH2. Dies entspricht einer Energieausbeute von 24 ATP-Äquivalenten.

Bedeutung des Zitronensäurezyklus

Der Zitronensäurezyklus stellt wichtige Zwischenprodukte für die Biosynthese bereit:

• Viele Aminosäuren werden aus α-Ketoglutarat und Oxalacetat synthetisiert.
• Oxalacetat kann je nach den Bedürfnissen des Organismus in Glukose umgewandelt werden (Glukoneogenese).

Der Elektronentransport und die oxidative Phosphorylierung nutzen die in NADH und FADH2 gespeicherten Elektronen, um die ATP-Synthese anzutreiben. Die beim Elektronentransport freigesetzte Energie erzeugt einen elektrochemischen Gradienten, der von der oxidativen Phosphorylierung zur ATP-Produktion aus ADP genutzt wird.

Elektronentransportkette

Die Elektronentransportkette besteht aus mehreren Proteinkomplexen, die in der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert sind.

Komplex I (NADH-Dehydrogenase)

• Besteht aus etwa 40 Untereinheiten, darunter ein Flavoprotein, mehrere Eisen-Schwefel-Zentren (FeS) und eine Bindungsstelle für Coenzym Q (CoQ, Ubichinon).
• Komplex I oxidiert NADH zu NAD+.
• CoQ dient als Oxidationsmittel und wird zu CoQH2 reduziert.
• Ein Teil der bei dieser Reaktion freigesetzten Energie wird genutzt, um 4 H+ aus der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum zu pumpen.
• Reaktion: NADH + H+ + CoQ → NAD+ + CoQH2 + 4 H+ (gepumpt)

Komplex II (Succinat-Dehydrogenase)

• FADH2 wird in Komplex II zu FAD oxidiert.
• CoQ dient als Oxidationsmittel und wird zu CoQH2 reduziert.
• Komplex II pumpt keine Protonen.
• Reaktion: FADH2 + CoQ → FAD + CoQH2

Komplex III (Cytochrom-bc1-Komplex)

• Dieser integrale Membranproteinkomplex besteht aus 11 Untereinheiten, darunter Cytochrom b, Cytochrom c1 und Eisen-Schwefel-Zentren.
• Komplex III überträgt Elektronen von CoQH2 auf Cytochrom c (Cyt c).
• Komplex III pumpt 2 H+ (aus CoQH2) in den Intermembranraum.
• Reaktion: CoQH2 + 2 Cyt c (oxidiert) → CoQ + 2 Cyt c (reduziert) + 2 H+ (gepumpt)

Komplex IV (Cytochrom-Oxidase)

• Besteht aus 13 Untereinheiten, darunter Cytochrom a und Cytochrom a3.
• Elektronen fließen von reduziertem Cytochrom c (aus Komplex III) zu Komplex IV.
• Die Elektronen werden schließlich über Cytochrom a3 auf molekularen Sauerstoff (O2) übertragen.
• Ein Teil der bei dieser Reaktion freigesetzten Energie wird genutzt, um 2 H+ aus der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum zu pumpen.
• Reaktion: O2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2O + 2 H+ (gepumpt)

Zusammenfassung der Protonenpumpenleistung

• Pro oxidiertem NADH-Molekül werden insgesamt 10 H+ (4 von Komplex I, 4 von Komplex III, 2 von Komplex IV) in den Intermembranraum gepumpt.
• Pro oxidiertem FADH2-Molekül werden insgesamt 6 H+ (4 von Komplex III, 2 von Komplex IV) in den Intermembranraum gepumpt.

Oxidative Phosphorylierung

Die Protonen fließen entlang ihres Konzentrationsgradienten durch die ATP-Synthase in die mitochondriale Matrix zurück. Die dabei freigesetzte Energie bewirkt eine Rotation der ATP-Synthase. Diese mechanische Energie wird in chemische Energie umgewandelt, die für die Bildung von ATP genutzt wird.

Kopplung zwischen Oxidation und Phosphorylierung

Nettoreaktionen der oxidativen Phosphorylierung

• NADH + H+ + 1/2 O2 + 3 ADP + 3 Pi → NAD+ + 3 ATP + H2O
• FADH2 + 1/2 O2 + 2 ADP + 2 Pi → FAD + 2 ATP + H2O

ATP-Ausbeute pro Acetyl-CoA im Zyklus

• 3 NADH x 3 ATP/NADH = 9 ATP
• 1 FADH2 x 2 ATP/FADH2 = 2 ATP
• 1 GTP = 1 ATP
• Gesamt: 12 ATP

Gesamtenergieeffizienz der vollständigen Glukoseoxidation

Glykolyse

Glukose → 2 Pyruvat + 2 ATP (netto) + 2 NADH (entspricht 6 ATP)

Oxidation von Pyruvat

2 Pyruvat → 2 Acetyl-CoA + 2 CO2 + 2 NADH (entspricht 6 ATP)

Zitronensäurezyklus

2 Acetyl-CoA → 4 CO2 + 6 NADH + 2 FADH2 + 2 GTP (entspricht 24 ATP)

Gesamtenergieausbeute: 38 ATP

Glukoneogenese

• Synthese von Glukose aus einfachen Vorstufen.
• Findet hauptsächlich in der Leber statt.
• Eine Reihe von Reaktionen, die Pyruvat in Glukose umwandeln.
• Nicht-Kohlenhydrat-Vorstufen wie Laktat und Aminosäuren werden in der Regel zunächst in Pyruvat umgewandelt.

Cori-Zyklus

Unter anaeroben Bedingungen verbraucht der Muskel Glukose und muss NADH regenerieren. Dies geschieht durch die Reduktion von Pyruvat zu Laktat. Das Laktat gelangt zur Leber, wo es wieder zu Pyruvat oxidiert und anschließend in Glukose umgewandelt wird.

Glukose-Alanin-Zyklus

Im Muskel werden unter anaeroben Bedingungen Pyruvat (aus der Glykolyse) und Aminogruppen (aus dem Proteinabbau) verwendet.

• Dieser Zyklus ergänzt den Cori-Zyklus.
• Das dabei entstehende Ammoniak wird in der Leber zu Harnstoff verarbeitet.

Pentosephosphatweg

Hauptfunktionen

• Erzeugung von NADPH für biosynthetische Prozesse.
• Generierung von Ribose-5-Phosphat (Ribose-5P), einer Vorstufe von Nukleotiden.