Würde das Coenzym NAD⁺ nicht regeneriert werden, müßten Unmengen Vitamin B2 aufgenommen werden. Da jedoch NAD⁺ universell bei vielen Dehydrogenasen als Kofaktor verwendet wird, müssen nur Ausscheidung und Verschleiß kompensiert werden. NAD⁺ kann als Reduktionsäquivalent entweder 2 Elektronen und 2 H⁺ aufnehmen oder als NADH+H⁺ abgeben. Es bildet so ein im Stoffwechsel universelles Redoxsystem.

NAD wird aus dem Vitamin Niacin (B3 = Nikotinsäure + Nikotinsäureamid) gebildet.

2.2 Zellatmung

Aerobe Organismen besitzen Mitochondrien, in denen die bei der Glykolyse freigewordenen Reduktionsäquivalente "recycled "werden können. Die Elektronen werden dabei auf Sauerstoff übertragen, wobei Wasser entsteht. Außerdem wird die Glucose vollständig bis zum CO₂ abgebaut. Den gesamten Vorgang von der Gucose über die Glycolyse und die zusätzlichen Abbauschritte in den Mitochondrien nennt man Zellatmung.

Die Zellatmung läuft insgesamt in 4 Abschnitten ab:

Glycolyse --> Oxidative Decarboxylierung --> Citratzyklus --> Atmungskette

Wir wollen uns nun die Einzelschritte genau ansehen.

2.2.1 Oxidative Decarboxylierung

Die aus der Glycolyse stammende BTS diffundiert in die Mitochondrien und wird durch den Multienzymkomplex Pyruvatdehydrogenase zu Acetyl-CoA umgebaut. Diesen sehr komplizierten Prozess bewerkstelligen die im Enzymkomplex zusammengeschlossenen 3 Enzyme und 5 Koenzyme. Die Koenzyme sind:

• Coenzym A,
• Liponsäure,
• Thiaminpyrophosphat,
• NAD (Nicotinsäureamid-Adenin-Dinukleotid) und
• FAD (= Flavinadenindinukleotid).

Bilanzmäßig sind jedoch nur Coenzym A und NAD wichtig.

Die Carboxylgruppe der Brenztraubensäure wird als CO₂ abgespalten. Der ebenfalls freiwerdende Wasserstoff und die Elektronen werden von NAD aufgenommen.

Der übrigbleibende Essigsäurerest wird an das Coenzym A über die reaktive -SH-Gruppe gebunden. Man spricht deshalb auch von aktivierter Essigsäure.

Die Reaktion ist wegen der Freisetzung großer Mengen freier Enthalpie irreversibel
( DG= - 33,6 KJ/Mol).

Coenzym A wird in der Zelle aus dem Vitamin der B2-Gruppe Pantothensäure gebildet.

	Acetyl-CoA	Klicken Sie hier zur 3D-Darstellung!
	FAD	Klicken Sie hier zur 3D-Darstellung!

In Abb. 21 ist die genaue Struktur des Coenzyms A abgebildet.

Thiaminpyrophosphat, das ebenfalls an der Decarboxylierung beteiligt ist, wird aus dem Vitamin B1 gebildet, FAD aus B2.

Für die oxidative Decarboxylierung kann man folgende Gleichung formulieren:

Acetyl-CoA wird nun im Citratzyklus der Mitochondrienmatrix weiterverarbeitet.  

2.2.2 Zitronensäurezyklus
(= Citratzyklus = Krebszyklus = Tricarbonsäurezyklus)

Der 1930 von Sir Hans Krebs aufgeklärte Citratzyklus findet in der Mitochondrienmatrix statt. Dies zeigt die Kompartimentierung der Zelle, d.h. verschiedene Stoffwechselabschnitte laufen in verschiedenen "Räumen" = Zellorganellen ab. Wie wir vom Calvinzyklus wissen, wird bei einem zyklischen Vorgang einer der Ausgangsstoffe wieder regeneriert.

Ablauf des Citratzyklus

In der Einstiegsreaktion wird durch das Enzym Citratsynthetase aus Acetyl-CoA und Oxalacetat Citrat (Citronensäure) hergestellt. Dabei wird CoA wieder frei und steht erneut für die oxidative Decarboxylierung zur Verfügung.

Der C2-Körper Acetyl-CoA wird an einen C4-Körper (Oxalacetat) angelagert und es entsteht ein C6-Körper.

Die nächste Reaktion umfaßt 2 Schritte. Wir wollen jedoch der Einfachheit halber diese nur in einem Schritt darstellen. Citrat (Citronensäure) wird in Isocitrat umgewandelt. Das Enzym Aconitase bewerkstelligt diese Isomerisierung.

In der nächsten Redoxreaktion wird der C6-Körper Isocitrat zum C5-Körper a-Ketoglutarat decarboxyliert. Es wird CO₂ frei und NADH+H⁺ gebildet.

a-Ketoglutarat wird nun im Schritt 4 weiter decarboxyliert, oxidiert und an das Trägermolekül CoA gebunden. Es entsteht Succinyl-CoA. So entsteht aus dem C5-Körper ein C4-Körper. Als weitere Produkte fallen CO₂ und NADH+H⁺ an. (siehe unten) Die Reaktion entspricht der oxidativen Decarboxylierung.

Im 5. Reaktionsschritt wird Succinyl-CoA in Succinat (Bernsteinsäure) umgewandelt. Dabei ensteht soviel freie Enthalpie, daß es ausreicht diese in einem Energiespeichermolekül abzuspeichern. In diesem Fall wird jedoch nicht ADP sonder ein ähnliches Molekül: GDP verwendet. So entsteht GTP, das seine Energie auf ADP übertragen kann. Beide Schritte werden von der Succinyl-CoA-Synthetase katalysiert.

Aus Succinat katalysiert die Succinat-Dehydrogenase im Schritt 6 Fumarat, ebenfalls ein C4-Körper. Bei dieser Oxidation werden der anfallende Wasserstoff und die Elektronen im Reduktionsäquivalent FAD abgespeichert. Das Enzym ist übrigens an die innere Mitochondrienmembran gebunden.

Die Fumarase bildet daraus im vorletzten Schritt 7 Malat (Äpfelsäure).

Die Malatdehydrogenase regeneriert im 8. und letzten Schritt den Acetyl-CoA-Rezeptor Oxalacetat. Bei dieser Redoxreaktion fällt wieder NADH+H⁺ an. (siehe unten)

Stoffbilanz des Citratzyklus:

Ein Acetyl-CoA-Molekül wird in den Citratzyklus eingeschleust. Als Produkte fallen an:

• 2 CO₂
• 3 NADH+H⁺ (NADH₂)
• 1 FADH₂
• 1 GTP = 1 ATP.

Citratzyklus: http://info.bio.cmu.edu/Courses/BiochemMols/ TCACycle/TCAMain.htm

Bedeutung des Citratzyklus:

• Vollständiger Abbau der Glucose in CO₂, H und Elektronen
• Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten (NADH+H⁺ und FADH₂)

Energiebilanz:

Die einzelnen Schritte des Citratzyklus setzen eine beträchtliche Menge an Energie in Form von Wärme frei. Diese dient bei Vielzellern zur Erhaltung der Körpertemperatur .

Abb. 16

NAD/NADH2-Kreislauf

Oxidative Decarboxylierung

http://ntri.tamuk.edu/cell/mitochondrion/acecoa.html

Citratzyklus

http://ntri.tamuk.edu/cell/mitochondrion/krebcyc.html

Atmungskette

http://ntri.tamuk.edu/cell/mitochondrion/ets.html

Citratzyklus

http://www.gwu.edu/~mpb/citric.htm
http://fig.cox.miami.edu/Faculty/Tom/bil255/bil255sum98/08_citric.html
http://ntri.tamuk.edu/cell/mitochondrion/krebcyc.html
http://ull.chemistry.uakron.edu/Pathways/Citric_acid_cycle/index.html
http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc460/spring/rlm/lec27.html
http://info.bio.cmu.edu/Courses/BiochemMols/TCACycle/TCAMain.htm