Oxidative Decarboxylierung

Die oxidative Decarboxylierung ist ein Teil der Zellatmung. Sie trägt dazu bei, Glucose schrittweise abzubauen, damit die frei werdende Energie in Form von ATP genutzt werden kann.

Erklärung Oxidative Decarboxylierung

Bei der oxidativen Decarboxylierung wird Pyruvat zu Acetyl-CoA umgewandelt. Es stellt das Bindeglied zwischen der Glykolyse und dem Citratzyklus bei der aeroben Zellatmung dar. Es nimmt daher eine wichtige Schlüsselrolle in der Zellatmung ein.

Der Name des Prozesses verrät schon, was dabei die wesentlichen Schritte sind: Eine Carboxylatgruppe wird als Kohlenstoffdioxid abgespalten und das verbleibende Molekül wird oxidiert. Der Prozess der oxidativen Decarboxylierung wird auch Pyruvatoxidation genannt.

Das Enzym, das die Reaktionen katalysiert, heißt Pyruvatdecarboxylase-Komplex. Er besteht aus fünf Enzymen, die diese Reaktionen katalysieren. Deshalb wird er auch als Multienzymkomplex bezeichnet. Der Pyruvatdecarboxylase-Komplex ist in der Mitochondrienmatrix lokalisiert.

Dieser Enzym-Komplex spaltet nicht nur die Carboxylatgruppe ab, sondern bindet auch das Pyruvat an die Thiolgruppe des Coenzyms A. Dieser Prozess ist irreversibel, kann also nicht rückgängig gemacht werden.

Ablauf der oxidativen Decarboxylierung

Nachdem Pyruvat, das Endprodukt der Glykolyse, über aktiven Transport in die Mitochondrienmatrix geschleust wurde, kann die oxidative Decarboxylierung beginnen. Pyruvat ist ein C3-Körper.

Im ersten Schritt wird die Carboxylatgruppe in Form von Kohlenstoffdioxid abgespalten. Pyruvat verliert somit ein Kohlenstoffatom und wird zu einem C2-Körper. Das Kohlenstoffdioxid, das dabei entsteht, kann über die Lunge ausgeatmet werden.

Im zweiten Schritt wird die OH-Gruppe des ehemaligen Pyruvats oxidiert und es entsteht daraus eine Acetyl-Gruppe.

Als Letztes wird das Molekül auf eine Thiolgruppe des Coenzyms A übertragen. Währenddessen wird NAD+ durch FADH2 reduziert zu NADH + H+. NADH + H+ wird dann in der Atmungskette reoxidiert zu NAD+.

Es entsteht ein C2-Körper: Acetyl-CoA.

Acetyl-CoA ist das Ausgangsprodukt für den Citratzyklus und steht diesem nun zur Verfügung. Der Acetyl-Rest des Acetyl-CoA wird dann an Oxalacetat gebunden und somit in den Citratzyklus eingeschleust.

Abbildung 1: Ablauf der oxidativen DecarboxylierungQuelle: docplayer.org

Die Reaktionsteilschritte zusammengefasst:

1. Decarboxylierung von Pyruvat
2. Oxidation des ehemaligen Pyruvats
3. Aktivierung durch Coenzym A

Das entstandene Acetyl-CoA, oder auch aktivierte Acetat, ist energiereicher als ein einfaches Acetat-Molekül. Das liegt daran, dass die Bindung zwischen der Acetyl-Gruppe und dem Coenzym A sehr energiereich ist. Es ist in einer aktivierten Form und ist reaktionsfreudig. So kann es seine Acetyl-Gruppe leicht auf das Oxalacetat im Citratzyklus übertragen.

Pyruvatdehydrogenase-Komplex

Der Pyruvatdehydrogenase-Komplex ist ein Multienzymkomplex, der aus drei Untereinheiten besteht. Dieser Multienzymkomplex katalysiert die oxidative Decarboxylierung bei Eukaryoten und Prokaryoten.

Die drei Enzymuntereinheiten katalysieren verschiedene Teilprozesse der oxidativen Decarboxylierung:

1. Pyruvatdehydrogenase (E1)
2. Dihydroliponamid-Acetyltransferase (E2)
3. Dihydroliponamid-Dehydrogenase (E3)

Die Cofaktoren, die sich als zusätzliche Strukturen an den jeweiligen Untereinheiten befinden, sorgen dafür, dass das Substrat von der ersten zur letzten Untereinheit weitergegeben wird. Cofaktoren sind hierbei aktiviertes Thiamin (TPP), Liponamid, Coenzym A, FAD und NAD+.

Die erste Untereinheit E1 ist für die erste Teilreaktion verantwortlich, indem sie eine Carboxylatgruppe von Pyruvat abspaltet. Beim Übergang von E1 auf E2 wird das übrige Molekül zu einer Acetyl-Gruppe oxidiert. Untereinheit E2 verbindet Acetyl mit Coenzym A und es entseht Acetyl-CoA. Letztlich katalysiert Untereinheit E3 die Energiespeicherung in Form von und NADH + H+.

Abbildung 2: Pyruvatdehydrogenase-KomplexQuelle: chemgapedia.de

Ort der oxidativen Decarboxylierung

Die oxidative Carboxylierung findet in der Mitochondrienmatrix statt. Pyruvat wird vom Cytoplasma in die Mitochondrien transportiert. In den Mitochondrien findet dann auch später der Citratzyklus statt.

Bilanz der oxidativen Decarboxylierung

Wichtig zu wissen ist, dass bei der Glykolyse zweimal Pyruvat entsteht. Daher läuft die oxidative Decarboxylierung genauso wie der Citratzyklus pro Glucose-Molekül auch zweimal ab.

NADH + H+ wird in der Atmungskette benötigt, um die darin gespeicherte Energie freizusetzen und ATP herzustellen. ATP kann vom Körper universell als Energieeinheit verwendet werden.

Störfaktoren der oxidativen Decarboxylierung

Wie bei fast allen Stoffwechselwegen gibt es Stoffe, die den Stoffwechselweg hemmen können, indem sie Enzyme blockieren oder denaturieren. Auch bei diesem Prozess gibt es einen solchen Stoff. Vielleicht hast du Arsen schon einmal gehört. Es blockiert in diesem Fall den Pyruvatdehydrogenase-Komplex.

Dadurch kann kein Acetyl-CoA gebildet werden und der Citratzyklus kann nicht ablaufen. Alle folgenden Prozesse können dann ebenfalls nicht ablaufen. Das Resultat ist, dass viel weniger Energie in Form von ATP gebildet werden kann. Somit können lebensnotwendige Vorgänge nicht stattfinden.

Zweck der oxidativen Decarboxylierung

Die oxidative Decarboxylierung trägt dazu bei, Glucose in verwertbare Energiemoleküle (ATP) umzubauen. Nun ist dir klar, dass dieser Schlüsselprozess essentiell für die Energieversorgung und die Ermöglichung weiterer Stoffwechselwege, wie dem Citratzyklus und die Atmungskette, ist. Dieser Schlüsselprozess ist die wichtige Brücke zwischen Glykolyse und Citratzyklus.