Metabolisme hoofdstuk 17
De meeste ATP in de cel wordt gegenereerd door de aerobe verwerken van glucose. Dit proces
begint met de complete oxidatie van glucose tot CO 2. De oxidatie vindt plaats in een serie van
reacties in de citroenzuurcyclus (tricarboxyl zuur, Krebs cyclus). De meeste brandstof moleculen
(vetzuren, koolhydraten, aminozuren) beginnen aan de cyclus als acetyl coenzym A. Acetyl CoA wordt
geproduceerd uit de oxidatie van pyruvaat. De citroenzuurcyclus speelt zich af in de matrix van de
mitochondria (de glycolyse in het cytoplasma).
De citroenzuurcyclus produceert ook veel voorlopers voor de bouwstenen van macromoleculen. Zo is
oxaloacetaat een belangrijke voorloper voor glucose.
De citroenzuurcyclus bestaat uit enkele oxidatie-reductie stappen wat resulteert in de oxidatie van
een acetyl groep naar twee CO2 moleculen. Bij deze oxidatie worden er high-energy elektronen
geproduceerd die de ATP-synthese drijven.
De citroenzuurcyclus begint als een C4 molecuul (oxaloacetaat) condenseert met een C2 molecuul
(acetyl), waardoor tricarboxylic acid (C6) wordt geproduceerd. In twee stappen wordt er een CO 2
molecuul en een elektron (NADH) geproduceerd. Hierdoor blijft een C4 over. Dit C4 molecuul wordt
omgezet in de rest van de stappen tot oxaloacetaat zodat er een volgende cyclus plaats kan vinden.
De citroenzuurcyclus zelf produceert weinig ATP (2 per molecuul glucose) en gebruikt ook geen
zuurstof. De cyclus verplaatst de elektronen van acetyl CoA en gebruikt deze om NAD en FAD te
reduceren tot NADH (3x) en FADHH. Er worden dus drie protonen verplaatst naar NAD, en een paar
protonen verplaatst naar FAD. Elektronen die vrij worden gelaten door NADH en FADHH verplaatsen
zich door eiwitten in de elektronen transport keten waarbij een protonen gradiënt wordt
gegenereerd over het binnen membraan van de mitochondria. Deze protonen bewegen zich door
ATP synthetase om ATP te genereren ui ADP en anorganisch fosfaat. De productie van ATP middels
de oxidatieve fosforylatie is erg efficiënt omdat er veel ATP wordt geproduceerd.
Koolhydraten (vooral glucose) wordt door de glycolyse verwerkt tot pyruvaat. In anaerobe
omstandigheden wordt pyruvaat omgezet tot lactaat of ethanol.
Onder aerobe omstandigheden wordt het pyruvaat verplaatst naar de
mitochondria door een eiwit in het buiten membraan van de
mitochondria. In de mitochondriale matrix wordt pyruvaat
hedecarboxyleerd tot acetyl CoA door het pyruvaat dehydrogenase
complex. Deze onomkeerbare reactie is de verbinding tussen
glycolyse en de citroenzuurcyclus. Pyruvaat decarboxylase produceert
CO2 en vangt elektronen op in NADH.
Het pyruvaat dehydrogenase complex bestaat uit drie eiwitten. Dit zijn zeer grote complexen (4-10
miljoen kiloDalton). Voor de pyruvaat dehydrogenase zijn drie enzymen en vijf coenzymen nodig.
- Thiamine pyrofosfaat (TPP), lipoic acid en FAD zijn katalytische cofactoren.
- CoA en NAD+ zijn stoichiometrische cofactoren (cofactoren die dienen als substraten).
De omzetting van pyruvaat naar acetyl CoA:
1. Decarboxylatie: pyruvaat wordt gecombineerd met TPP en wordt gedecarboxyleerd. Hier
wordt CO2 en hydroxyethyleen-TPP geproduceerd. Dit is de snelheid limiterende stap van
acetyl CoA productie en wordt gekatalyseerd door pyruvaat degydrogenase component (E1)
van het multi enzym complex. TPP is een prothetische groep van dit enzym.
2. Oxidatie: de hydroxyethyleen groep aan TPP wordt geoxideerd om een acetyl groep te
vormen, deze wordt verplaatst naar lipoamide. Lipoamide is een product van lipoic acid
, verbonden aan een lysine residu middels amide linkage. Bij deze verplaatsing wordt een
energie rijke thioester binding gevormd. De oxidant is de disulfide groep van lipoamide
waarbij deze gereduceerd wordt tot de disulfide vorm. Deze reactie wordt ook gekatalyseerd
door het pyruvaat dehydrogenese component E1 en produceert acetyllipoamide.
3. Verplaatsing van de gevormde acteyl groep naar CoA: het verplaatsen van de acetyl groep
van acetyllipoamide naar CoA wordt gekatalyseerd door dehydrolipoyl transacetylase (E2).
Door deze reactie wordt dus acetyl CoA gevormd. De energie rijke thioester binding wordt
hierbij verbruikt.
4. Regeneratie van het actieve enzym: het pryvaat dehydrogenase complex kan weer opnieuw
beginnen als dihydrolipoamide wordt geoxideerd tot lipoamide. De oxidatie van
dihydrolipoamide wordt gekatalyseerd door dihydrolipoyl dehydrogenase (E3). Hierbij worden
twee elektronen verplaatst naar de prostetische groep FAD en uiteindelijk NAD +. Door de
chemische omgeving van het enzym kan FAD het elektron afstaan aan NAD + (normaal is dit
omgekeerd).
De kern van het enzymatische complex bestaat uit E 2. Transacetylase bestaat uit 8 katalytische
trimeren die een holle buis vormen. Elk trimeer bestaat uit drie domeinen. Het eerste domein is een
flexibele lipoamide cofactor verbonden aan een lysine residu. Daarna volgt een domein die een
interactie aangaat met E3. Tot slot is er een groter transacetylase domein. E 1 is een alfa2beta2
tetrameer, E3 een alfa-beta dimeer. Meerdere E1 en E3 kopieën bevinden zich rond de E2 core. In
zoogdieren bevindt ook het E3-bindende eiwit (E3-BP) zich in de core die de interactie tussen E2 en E3
vergemakkelijkt. Zonder E3-BP heeft het enzym aanzienlijk minder activiteit.
De drie verschillende active sites werken samen middels de flexibele lipoamide arm van E 2:
1. Pyruvaat is gedecarboxyleerd in de active site van E1. Deze active site bevindt zich diep in het
E1 complex verbonden met het oppervlakte van het enzym door een hydrofoob kanaal.
2. E2 plaatst de lipoamide arm in het kanaal wat leidt tot de E 1 active site.
3. E1 katalyseert de verplaatsing van de acetyl groep naar de lipoamide. De lipoamide oxideert
dus de hydroxyethyleen groep. De geacetyleerde arm verlaat de E 1 active site en gaat naar de
E2 active site aan de subeenheid interface.
4. De acetyl groep wordt naar CoA verplaatst en acetyl CoA verlaat de E 2 kubus. De
gereduceerde lipoamide arm zwaait naar de active site van het E 3 flavoeiwit.
5. In de E3 active site wordt de lipoamide geoxideerd door coenzym FAD. Het gereactiveerde
lipoamide kan aan een nieuwe reactie beginnen.
6. NADHH wordt geproduceerd door de reductie van FADHH naar FAD.
Doordat de enzymen zo dicht bij elkaar liggen in het complex wordt de totale reactiesnelheid
verlaagd en worden zij reacties beperkt. Alle tussenproducten van de oxidatieve decarboxylatie van
pyruvaat blijven gebonden aan het complex.
Acetyl CoA gevormd door de oxidatieve decarboxylatie van pyruvaat is de brandstof van de
citroenzuurcyclus. Uiteindelijk worden alle brandstoffen omgezet tot acetyl CoA of tussenproducten
van de citroenzuurcyclus.
De citroenzuurcyclus begint bij de condensatie van oxaloacetaat en de acetyl groep van CoA. Voor
deze reactie is H2O nodig en wordt citraat en CoA gevormd. De reactie wordt gekatalyseerd door
citraat syntethase.
- Oxaloacetaat condenseert eerst met acetyl CoA waardoor citryl CoA wordt gevormd. Dit
molecuul heeft een thioester binding en is dus rijk aan energie. Deze energie wordt gebruikt
om het evenwicht te verplaatsen in de richting van de productie van citraat en CoA.
De meeste ATP in de cel wordt gegenereerd door de aerobe verwerken van glucose. Dit proces
begint met de complete oxidatie van glucose tot CO 2. De oxidatie vindt plaats in een serie van
reacties in de citroenzuurcyclus (tricarboxyl zuur, Krebs cyclus). De meeste brandstof moleculen
(vetzuren, koolhydraten, aminozuren) beginnen aan de cyclus als acetyl coenzym A. Acetyl CoA wordt
geproduceerd uit de oxidatie van pyruvaat. De citroenzuurcyclus speelt zich af in de matrix van de
mitochondria (de glycolyse in het cytoplasma).
De citroenzuurcyclus produceert ook veel voorlopers voor de bouwstenen van macromoleculen. Zo is
oxaloacetaat een belangrijke voorloper voor glucose.
De citroenzuurcyclus bestaat uit enkele oxidatie-reductie stappen wat resulteert in de oxidatie van
een acetyl groep naar twee CO2 moleculen. Bij deze oxidatie worden er high-energy elektronen
geproduceerd die de ATP-synthese drijven.
De citroenzuurcyclus begint als een C4 molecuul (oxaloacetaat) condenseert met een C2 molecuul
(acetyl), waardoor tricarboxylic acid (C6) wordt geproduceerd. In twee stappen wordt er een CO 2
molecuul en een elektron (NADH) geproduceerd. Hierdoor blijft een C4 over. Dit C4 molecuul wordt
omgezet in de rest van de stappen tot oxaloacetaat zodat er een volgende cyclus plaats kan vinden.
De citroenzuurcyclus zelf produceert weinig ATP (2 per molecuul glucose) en gebruikt ook geen
zuurstof. De cyclus verplaatst de elektronen van acetyl CoA en gebruikt deze om NAD en FAD te
reduceren tot NADH (3x) en FADHH. Er worden dus drie protonen verplaatst naar NAD, en een paar
protonen verplaatst naar FAD. Elektronen die vrij worden gelaten door NADH en FADHH verplaatsen
zich door eiwitten in de elektronen transport keten waarbij een protonen gradiënt wordt
gegenereerd over het binnen membraan van de mitochondria. Deze protonen bewegen zich door
ATP synthetase om ATP te genereren ui ADP en anorganisch fosfaat. De productie van ATP middels
de oxidatieve fosforylatie is erg efficiënt omdat er veel ATP wordt geproduceerd.
Koolhydraten (vooral glucose) wordt door de glycolyse verwerkt tot pyruvaat. In anaerobe
omstandigheden wordt pyruvaat omgezet tot lactaat of ethanol.
Onder aerobe omstandigheden wordt het pyruvaat verplaatst naar de
mitochondria door een eiwit in het buiten membraan van de
mitochondria. In de mitochondriale matrix wordt pyruvaat
hedecarboxyleerd tot acetyl CoA door het pyruvaat dehydrogenase
complex. Deze onomkeerbare reactie is de verbinding tussen
glycolyse en de citroenzuurcyclus. Pyruvaat decarboxylase produceert
CO2 en vangt elektronen op in NADH.
Het pyruvaat dehydrogenase complex bestaat uit drie eiwitten. Dit zijn zeer grote complexen (4-10
miljoen kiloDalton). Voor de pyruvaat dehydrogenase zijn drie enzymen en vijf coenzymen nodig.
- Thiamine pyrofosfaat (TPP), lipoic acid en FAD zijn katalytische cofactoren.
- CoA en NAD+ zijn stoichiometrische cofactoren (cofactoren die dienen als substraten).
De omzetting van pyruvaat naar acetyl CoA:
1. Decarboxylatie: pyruvaat wordt gecombineerd met TPP en wordt gedecarboxyleerd. Hier
wordt CO2 en hydroxyethyleen-TPP geproduceerd. Dit is de snelheid limiterende stap van
acetyl CoA productie en wordt gekatalyseerd door pyruvaat degydrogenase component (E1)
van het multi enzym complex. TPP is een prothetische groep van dit enzym.
2. Oxidatie: de hydroxyethyleen groep aan TPP wordt geoxideerd om een acetyl groep te
vormen, deze wordt verplaatst naar lipoamide. Lipoamide is een product van lipoic acid
, verbonden aan een lysine residu middels amide linkage. Bij deze verplaatsing wordt een
energie rijke thioester binding gevormd. De oxidant is de disulfide groep van lipoamide
waarbij deze gereduceerd wordt tot de disulfide vorm. Deze reactie wordt ook gekatalyseerd
door het pyruvaat dehydrogenese component E1 en produceert acetyllipoamide.
3. Verplaatsing van de gevormde acteyl groep naar CoA: het verplaatsen van de acetyl groep
van acetyllipoamide naar CoA wordt gekatalyseerd door dehydrolipoyl transacetylase (E2).
Door deze reactie wordt dus acetyl CoA gevormd. De energie rijke thioester binding wordt
hierbij verbruikt.
4. Regeneratie van het actieve enzym: het pryvaat dehydrogenase complex kan weer opnieuw
beginnen als dihydrolipoamide wordt geoxideerd tot lipoamide. De oxidatie van
dihydrolipoamide wordt gekatalyseerd door dihydrolipoyl dehydrogenase (E3). Hierbij worden
twee elektronen verplaatst naar de prostetische groep FAD en uiteindelijk NAD +. Door de
chemische omgeving van het enzym kan FAD het elektron afstaan aan NAD + (normaal is dit
omgekeerd).
De kern van het enzymatische complex bestaat uit E 2. Transacetylase bestaat uit 8 katalytische
trimeren die een holle buis vormen. Elk trimeer bestaat uit drie domeinen. Het eerste domein is een
flexibele lipoamide cofactor verbonden aan een lysine residu. Daarna volgt een domein die een
interactie aangaat met E3. Tot slot is er een groter transacetylase domein. E 1 is een alfa2beta2
tetrameer, E3 een alfa-beta dimeer. Meerdere E1 en E3 kopieën bevinden zich rond de E2 core. In
zoogdieren bevindt ook het E3-bindende eiwit (E3-BP) zich in de core die de interactie tussen E2 en E3
vergemakkelijkt. Zonder E3-BP heeft het enzym aanzienlijk minder activiteit.
De drie verschillende active sites werken samen middels de flexibele lipoamide arm van E 2:
1. Pyruvaat is gedecarboxyleerd in de active site van E1. Deze active site bevindt zich diep in het
E1 complex verbonden met het oppervlakte van het enzym door een hydrofoob kanaal.
2. E2 plaatst de lipoamide arm in het kanaal wat leidt tot de E 1 active site.
3. E1 katalyseert de verplaatsing van de acetyl groep naar de lipoamide. De lipoamide oxideert
dus de hydroxyethyleen groep. De geacetyleerde arm verlaat de E 1 active site en gaat naar de
E2 active site aan de subeenheid interface.
4. De acetyl groep wordt naar CoA verplaatst en acetyl CoA verlaat de E 2 kubus. De
gereduceerde lipoamide arm zwaait naar de active site van het E 3 flavoeiwit.
5. In de E3 active site wordt de lipoamide geoxideerd door coenzym FAD. Het gereactiveerde
lipoamide kan aan een nieuwe reactie beginnen.
6. NADHH wordt geproduceerd door de reductie van FADHH naar FAD.
Doordat de enzymen zo dicht bij elkaar liggen in het complex wordt de totale reactiesnelheid
verlaagd en worden zij reacties beperkt. Alle tussenproducten van de oxidatieve decarboxylatie van
pyruvaat blijven gebonden aan het complex.
Acetyl CoA gevormd door de oxidatieve decarboxylatie van pyruvaat is de brandstof van de
citroenzuurcyclus. Uiteindelijk worden alle brandstoffen omgezet tot acetyl CoA of tussenproducten
van de citroenzuurcyclus.
De citroenzuurcyclus begint bij de condensatie van oxaloacetaat en de acetyl groep van CoA. Voor
deze reactie is H2O nodig en wordt citraat en CoA gevormd. De reactie wordt gekatalyseerd door
citraat syntethase.
- Oxaloacetaat condenseert eerst met acetyl CoA waardoor citryl CoA wordt gevormd. Dit
molecuul heeft een thioester binding en is dus rijk aan energie. Deze energie wordt gebruikt
om het evenwicht te verplaatsen in de richting van de productie van citraat en CoA.
