Die Herstellung von Acetyl-CoA aus Coenzym A und Pyruvat wird hier als Schritt 0 des Citratzyklus bezeichnet, weil diese Reaktion eigentlich nicht zum Zyklus selbst gehört, sondern gleichzeitig auch als letzter Schritt der Glycolyse und letzter Schritt des Fettsäure-Abbaus angesehen werden kann. Das Coenzym A tritt bei dieser Reaktion als Überträger eines C2-Körpers auf
Der einleitende Schritt: Decarboxylierung von Pyruvat und Bildung von Coenzym A
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende.
Diese Reaktion wird durch den Multi-Enzym-Komplex Pyruvat-Dehydrogenase katalysiert. Die Reaktion ist exotherm und irreversibel, da das chemische Gleichgewicht weit auf der Produktseite liegt. Es handlt sich um eine sehr komplexe Reaktion, an der neben der eigentlichen Pyruvat-Dehydrogenase zwei weitere Enzyme beteiligt sind:
"The PHD complex contains multiple copies of three enzymes - pyruvat dehydrogenase (E1), dihydrolipoyl transacetylase (E2), and dihydrolipoyl dehydrogenase (E3) - that catalyze the oxidation of pyruvate" [1]
Neben diesen drei Enzymen sind noch drei katalytische Cofaktoren an der Umsetzung beteiligt: TPP, Liponsäure und FAD [3].
Wie man der Reaktionsgleichung entnehmen kann, findet nicht nur eine Decarboxylierung statt (Abspaltung von Kohlendioxid), sondern gleichzeitig eine Oxidation. Das Coenzym NAD+ wird nämlich reduziert zu NADH/H+, während das Pyruvat oxidiert wird.
Expertenteil
Die oben beschriebene Reaktion findet in fünf Schritten statt, die von drei Enzymen und drei Hilfsfaktoren katalysiert wird, die in einem Multienzymkomplex organisiert sind, dem Pyruvatdehydrogenase-Komplex.
➥Pyruvatdehydrogenase (E1)
➥Dihydrolipoyl-Transacetylase (E2)
➥Dihydrolipoyl-Dehydrogenase (E3)
Auf diesen Wikipedia-Seiten sind die drei Enzyme des Multienzymkomplexes näher beschrieben, auch auf die katalysierten Reaktionen wird hier eingegangen.
Die folgenden Bilder habe ich in Anlehnung an die Abbildung 16-7 (S. 579) aus dem aktuellen Lehninger [1] gezeichnet und dabei nach Möglichkeit etwas vereinfacht und übersichtlicher gemacht (hoffe ich jedenfalls).
Schritt 0.1
Schritt 0.1
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende
Das erste und namensgebende Enzym des Enzymkomplexes, die Pyruvatdehydrognase (E1) ist mit einem Thiaminpyrophosphat-Molekül (TPP) verbunden. Auf diese TPP-Einheit wird ein Ethanol-Rest des Pyruvats übertragen (Der rote Pfeil zeigt auf das C-Atom, auf das der Ethanolrest übertragen wird). Die COO--Gruppe des Pyruvats wird als Kohlendioxid abgegeben (Decarboxylierung).
Der genaue Mechanismus dieser Übertragung auf das TPP-Molekül wird auf der Seite "Thiamine pyrophosphate" in der engl. Wikipedia erläutert.
Das Thiaminpyrophosphat ist nichts anderes als die zweifach phosphorylierte Form des Thiamins, das auch als Vitamin B1 bekannt ist. Auf dieser Ernährungslehre-Seite finden Sie weitere Informationen zu diesem Vitamin.
Schritt 0.2
Schritt 0.2
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende
Die Pyruvatdehydrognase (E1) ist nicht nur mit einem TPP-Molekül verbunden, sondern auch mit einem Liponsäure-Molekül, das dann als Liponamid-Rest bezeichnet wird, weil die CO-Gruppe der Liponsäure über ein N-Atom mit einer Lysin-Seitenkette des Enzyms verbunden ist. Im Lehninger ist übrigens stets von einem "lipoyllysine" die Rede.
Der Liponsäure-Rest zeichnet sich durch einen Ring aus fünf Atomen aus, der am Omega-Ende der Säure sitzt. Der Ring besteht aus drei Kohlenstoff-Atomen und - ganz selten bei Fettsäuren - zwei Schwefel-Atomen. Der Ethanol-Rest wird nun vom TPP auf diese Liponsäure-Einheit übertragen. Dabei öffnet sich der Ring, und inzwischen wieder oxidierte C2-Einheit (jetzt müsste man von einem Acetyl-Rest sprechen) wird an das eine Schwefel-Atom der Liponsäure-Einheit angehängt.
Schritt 0.3
Schritt 0.3
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende
Im dritten Schritt dieser komplexen Reaktion wird der Acetyl-Rest von der Liponsäure-Einheit der Pyruvatdehydrognase (E1) von dem nächsten Enzym (E2) des Multienzymkomplexes auf ein Coenzym-A-Molekül übertragen. Es entsteht Acetyl-Coenzym A, und die Liponsäure-Einheit bleibt zurück, allerdings noch offenkettig, die beiden Schwefel-Atome liegen in reduzierter Form als SH-Gruppen vor.
Nach diesem dritten Schritt sind zwei der drei Reaktionsprodukte der Gesamtreaktion gebildet worden, Kohlendioxid und Acetyl-CoA, aber die Liponsäure-Einheit muss noch wieder regeneriert werden, damit sie einen neuen Acetyl-Rest übernehmen kann, und das dritte Endprodukt, das NADH/H+, ist auch noch nicht entstanden.
Schritte 0.4 und 0.5
Die Liponsäure-Regeneration und die NADH/H+-Bildung wird durch das dritte Enzym (E3) durchgeführt:
Die Schritte 4 und 5
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende
Das Coenzym FAD übernimmt die beiden H-Atome der Thiol-Gruppen (SH-Gruppe) und wird dabei zu FADH2 reduziert. Mit diesem Schritt 0.4 ist also die Liponsäure-Einheit regeneriert.
Im fünften Schritt 0.5 überträgt das FADH2seine beiden Reduktionsäquivalente auf ein NAD+-Molekül, und es ensteht das dritte Endprodukt der Gesamtreaktion, nämlich NADH/H+.
Quellen:
- Nelson, Cox. LEHNINGER Principles of Biochemistry. Macmillan Learning, New York 2021.
- Berg, Tymoczko, Gatto jr., Stryer: Stryer Biochemie, 8. Auflage, Springer Berlin Heidelberg 2018.
- Wikipedia, Artikel "Pyruvatdehydrogenase-Komplex"
- engl. Wikipedia, Artikel "Thiamine pyrophosphate".