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Oxidative Decarboxylierung

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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.

Aerobe Stoffwechselwege benötigen Sauerstoff. Anaerobe Stoffwechselwege können auch ohne Sauerstoff stattfinden.

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.

Oxidative Decarboxylierung Ablauf der oxidativen Decarboxylierung StudySmarterAbbildung 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.

Merke dir, dass diese Reaktionsfolge irreversibel ist!

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+.

Oxidative Decarboxylierung Pyruvatdehydrogenase-Komplex StudySmarterAbbildung 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.

Oxidative Decarboxylierung Bilanz der oxidativen Decarboxylierung StudySmarter

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.

Oxidative Decarboxylierung - Das Wichtigste

  • Die oxidative Decarboxylierung ist ein Reaktionsschritt innerhalb der Zellatmung.
  • Sie ist die Schlüsselreaktion für den Citratzyklus, da Pyruvat aus der Glykolyse zu Acetyl-CoA für den Citratzyklus umgewandelt wird.
  • Bei diesem Prozess wird eine Carboxylgruppe von Pyruvat abgespalten und in Form von Kohlenstoffdioxid abgegeben.
  • Das ehemalige Pyruvat-Molekül wird im nächsten Schritt zu Acetyl oxidiert.
  • Als Letztes wird das an das aktivierte Acetat Coenzym A angehängt. Es entsteht Acetyl-CoA, Ausgangsstoff des Citratzyklus.
  • Das Enzym, das die Reaktionen katalysiert, ist der Pyruvatdecarboxylase-Komplex.
  • Der Pyruvatdecarboxylase-Komplex besteht aus drei Untereinheiten (E1, E2, E3).
  • Die oxidative Decarboxylierung läuft zweimal pro Glucose-Molekül ab, weil bei der Glykolyse zwei Moleküle Pyruvat entstehen.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Oxidative Decarboxylierung

Bei der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat entstehen 2 Mol Acetyl-CoA, 2 Mol NADH + H+ und  Moleküle Kohlenstoffdioxid.

Pyruvat ist das Endprodukt der Glykolyse in der Zellatmung. Damit der Citratzyklus ablaufen kann, muss Pyruvat zu Acetyl-CoA aktiviert werden. In diesem Zuge wird Pyruvat zu Acetyl-CoA durch eine oxidative Decarboxylierung umgewandelt.

Bei einer oxidativen Decarboxylierung wird das Substrat (Pyruvat) decarboxyliert, indem eine Carboxylgruppe abgespalten wird. Daraufhin wird das ehemalige Molekül oxidiert. Im Fall der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat wird Coenzym A an Acetyl angehängt. Das Molekül befindet sich nun in einer aktivierten, energiereicheren Form.

Die oxidative Decarboxylierung findet in der Mitochondrienmatrix statt.

Finales Oxidative Decarboxylierung Quiz

Frage

Was ist eine oxidative Decarboxylierung?

Antwort anzeigen

Antwort

Es wird eine Carboxylgruppe in Form von Kohlenstoffdioxid abgespalten und der Rest des Moleküls wird oxidiert.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre den Zweck der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der oxidativen Decarboxylierung wird Pyruvat zu Acetyl-CoA umgewandelt, damit der Citratzyklus ablaufen kann. Deshalb ist dies auch die Schlüsselreaktion zwischen Glykolyse und Citratzyklus. Dieser Prozess trägt dazu bei, Glucose zu ATP abzubauen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre die Begriffe "aerober Stoffwechsel" und "anaerober Stoffwechsel".

Antwort anzeigen

Antwort

Der aerobe Stoffwechsel ist obligatorisch abhängig von Sauerstoff. Anaerobe Stoffwechselprozesse brauchen keinen Sauerstoff, um stattfinden zu können.

Frage anzeigen

Frage

Welche Aussagen treffen zu?

Antwort anzeigen

Antwort

Die oxidative Decarboxylierung ist irreversibel.

Frage anzeigen

Frage

Aus wie vielen und welchen Untereinheiten besteht der Pyruvatdehydrogenase-Komplex?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Pyruvatdehydrogenase (E1)
  • Dihydroliponamid-Acetyltransferase (E2)
  • Dihydroliponamid-Dehydrogenase (E3)


Frage anzeigen

Frage

In welche Reaktionsschritte kann die oxidative Decarboxylierung zusammengefasst werden?

Antwort anzeigen

Antwort

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

Frage

Wo findet die oxidative Decarboxylierung statt?

Antwort anzeigen

Antwort

Die oxidative Decarboxylierung findet bei Eukaryoten in den Mitochondrien statt. Bei Prokaryoten findet der Prozess im Cytosol statt.

Frage anzeigen

Frage

Welche Cofaktoren besitzt der Pyruvatdehydrogenase-Komplex?

Antwort anzeigen

Antwort

  • aktiviertes Thiamin (TPP)
  • Liponamid
  • Coenzym A
  • FAD
  • NAD+ 


Frage anzeigen

Frage

Wie viele Untereinheiten hat der Pyruvatdehydrogenase-Komplex?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Pyruvatdehydrogenase-Komplex besteht aus 3 Untereinheiten:

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

Frage

Aus wie vielen Enzymen besteht der Pyruvatdehydrogenase-Komplex?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Pyruvatdehydrogenase-Komplex besteht aus 5 Enzymen.

Frage anzeigen

Frage

Welche Störfaktoren könnten dazu führen, dass die oxidative Decarboxylierung gestört wird?

Antwort anzeigen

Antwort

Arsen blockiert den Pyruvatdehydrogenase-Komplex, wodurch kein Acetyl-CoA gebildet werden kann und der Citratzyklus kann nicht ablaufen. Das hat zur Folge, dass kaum oder nur unzureichend ATP gebildet werden kann.

Frage anzeigen

Frage

Welchem Stoffwechselweg ist die oxidative Decarboxylierung zuzuordnen?

Antwort anzeigen

Antwort

Die oxidative Decarboxylierung ist ein Teilschritt der aeroben Zellatmung.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe in wenigen Sätzen, was bei der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat passiert.

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Carboxylgruppe wird zuerst von Pyruvat abgespalten und in Form von Kohlenstoffdioxid abgegeben. Das ehemalige Pyruvat-Molekül wird im nächsten Schritt zu Acetyl oxidiert. Als letztes wird das an das aktivierte Acetat Coenzym A angehängt. Es entsteht Acetyl-CoA, Ausgangsstoff des Citratzyklus.

Diese Reaktion wird vom Pyruvatdehydrogenase-Komplex katalysiert.

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