Oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA
Der PDH-Komplex wandelt Pyruvat in der Mitochondrienmatrix zu Acetyl-CoA um. Dabei entstehen CO2 und NADH, und die Reaktion verläuft irreversibel.
Das Wichtigste in Kürze
- Die oxidative Pyruvatdecarboxylierung wandelt Pyruvat in Acetyl-CoA um. Sie verbindet die Glykolyse mit dem Citratzyklus und läuft bei Eukaryonten in der mitochondrialen Matrix ab.
- Die Reaktion katalysiert der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex. Er ist ein Multienzymkomplex aus E1, E2 und E3 mit Oxidoreduktase- und Transferase-Aktivität, aber ohne Ligase-Aktivität.
- Pro Mol Pyruvat entstehen mit Coenzym A und \(\ce{NAD+}\) je ein Mol Acetyl-CoA, \(\ce{CO2}\) und \(\ce{NADH + H+}\). Reduziert wird \(\ce{NAD+}\), nicht \(\ce{NADP+}\).
- Pyruvat und 2-Oxoglutarat sind α-Ketosäuren. Bei der oxidativen Decarboxylierung wird daraus ein Acyl-CoA, das ein C-Atom weniger hat.
- Acetyl-CoA ist ein Thioester. Die Acetylgruppe hängt über eine energiereiche Bindung am Schwefel des Cysteamins von Coenzym A.
- Die Reaktion ist stark exergonisch und praktisch irreversibel. Sie bildet kein ATP und verbraucht auch keines.
Worum es geht
Pyruvat, das Endprodukt der Glykolyse, wird im Mitochondrium zu Acetyl-CoA umgebaut. Diese oxidative Decarboxylierung verbindet den Kohlenhydratabbau mit dem Citratzyklus. Ohne sie ist keine vollständige Verbrennung von Glucose möglich. Ihr Mechanismus erklärt zudem, warum mehrere Vitamine für den Energiestoffwechsel unverzichtbar sind.
Stellung und Ort
Die Glykolyse endet mit Pyruvat, nicht mit Acetyl-CoA (siehe Glykolyse). Direkt daran schließt die oxidative Pyruvatdecarboxylierung an. Ihr Produkt Acetyl-CoA mündet ohne weiteren Zwischenschritt in den Citratzyklus. Die Reaktion ist damit das Bindeglied zwischen beiden Wegen. Jede vollständige aerobe Oxidation von Glucose zu \(\ce{CO2}\) und Wasser läuft über sie, auch in der arbeitenden Muskelzelle.
Auch die β-Oxidation liefert Acetyl-CoA. Sie baut aber Fettsäuren in eigenen Schritten ab. Die PDH-Reaktion gehört nicht dazu, denn sie setzt nur Pyruvat um. Acetyl-CoA ist also ein Sammelpunkt, an dem verschiedene Abbauwege zusammenlaufen.
Für die Energiegewinnung aus Kohlenhydraten ist der PDH-Komplex trotzdem nicht zwingend nötig. Ohne ihn liefert die Glykolyse allein 2 ATP pro Glucose. Das dabei gebildete NADH wird über eine Gärung wieder zu \(\ce{NAD+}\) oxidiert, etwa durch Lactatbildung. Erythrocyten besitzen keine Mitochondrien und gewinnen ihre Energie genau auf diese Weise.
Bei Eukaryonten sitzt der PDH-Komplex in der mitochondrialen Matrix, nicht im Cytosol. Pyruvat entsteht im Cytosol und muss deshalb erst über beide Mitochondrienmembranen. Die äußere Membran passiert es durch Porine, die innere über einen eigenen Pyruvat-Carrier. In der Matrix liegen PDH-Komplex und Citratzyklus nebeneinander. Die Atmungskette sitzt in der inneren Membran. Prokaryonten haben keine Mitochondrien und führen die Reaktion im Cytoplasma durch.
Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
Die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat katalysiert kein einzelnes Enzym, sondern ein ganzer Verbund.
Der PDH-Komplex ist ein Multienzymkomplex aus drei Enzymen (E1, E2, E3). Gemeinsam setzen sie Pyruvat mit Coenzym A und \(\ce{NAD+}\) zu Acetyl-CoA, \(\ce{CO2}\) und NADH um.
Jede Untereinheit übernimmt eine Teilreaktion. Deshalb vereint der Komplex Aktivitäten aus zwei Enzymklassen:
| Untereinheit | Name | Aufgabe | Enzymklasse |
|---|---|---|---|
| E1 | Pyruvat-Dehydrogenase | spaltet \(\ce{CO2}\) ab und oxidiert den Rest zur Acetylgruppe | Oxidoreduktase |
| E2 | Dihydrolipoyl-Transacetylase | überträgt die Acetylgruppe auf Coenzym A | Transferase |
| E3 | Dihydrolipoyl-Dehydrogenase | regeneriert das Liponamid und reduziert \(\ce{NAD+}\) | Oxidoreduktase |
Eine Ligase-Aktivität fehlt dem Komplex. Ligasen knüpfen Bindungen unter Spaltung von ATP. Der PDH-Komplex braucht dafür kein ATP, weil die Oxidation selbst genug Energie liefert. Welche fünf Cofaktoren die Teilschritte tragen, behandelt die Seite zu den Cofaktoren des PDH-Komplexes.
Architektonisch bildet E2 einen Kern, an den sich zahlreiche E1- und E3-Einheiten anlagern. Die Zwischenprodukte bleiben die ganze Zeit kovalent gebunden. Ein langer Liponamid-Arm reicht sie von Zentrum zu Zentrum, ähnlich wie ein Fließband Werkstücke weitergibt. So diffundiert kein reaktives Zwischenprodukt ins Medium.
Der Name erinnert an ein anderes Enzym, das ebenfalls Pyruvat decarboxyliert. Beide muss man sicher auseinanderhalten:
Multienzymkomplex in der Mitochondrienmatrix. Spaltet \(\ce{CO2}\) ab und oxidiert dabei, \(\ce{NAD+}\) wird reduziert. Produkt ist Acetyl-CoA.
Einzelenzym der Ethanolgärung, etwa in Hefe. Decarboxyliert ohne Oxidation. Produkt ist freier Acetaldehyd.
Auch eine Aldolase kommt hier nicht in Frage. Sie spaltet in der Vorbereitungsphase der Glykolyse Fructose-1,6-bisphosphat und bildet kein Acetyl-CoA.
Gesamtreaktion
Pyruvat ist eine α-Ketosäure. Das heißt: Die Ketogruppe sitzt am α-C-Atom, also direkt neben der Carboxylgruppe. Diese Anordnung erleichtert die Abspaltung der Carboxylgruppe als \(\ce{CO2}\). Eine zweite wichtige α-Ketosäure ist 2-Oxoglutarat aus dem Citratzyklus.
Eine α-Ketosäure verliert ihre Carboxylgruppe als \(\ce{CO2}\). Gleichzeitig wird das Keto-C-Atom zur Acylgruppe oxidiert und als Thioester an Coenzym A gebunden.
Für Pyruvat lautet die Gesamtreaktion:
\[\ce{CH3COCOO- + HS-CoA + NAD+ -> CH3CO-S-CoA + CO2 + NADH}\]
Das C1 von Pyruvat verlässt die Reaktion als \(\ce{CO2}\). Das C2 trägt zuvor die Ketogruppe und wird zur Carbonylgruppe des Thioesters. Die beiden abgegebenen Elektronen nimmt \(\ce{NAD+}\) auf. Lehrbücher schreiben die Reduktionsäquivalente meist als \(\ce{NADH + H+}\). Mit der undissoziierten Brenztraubensäure als Edukt ist die Gleichung dann ebenfalls ausgeglichen.
Die Gesamtreaktion ist ein Examensklassiker. Pyruvat, Coenzym A und \(\ce{NAD+}\) ergeben Acetyl-CoA, \(\ce{CO2}\) und \(\ce{NADH + H+}\), je ein Mol pro Mol Pyruvat. Wichtig: Reduziert wird \(\ce{NAD+}\), nicht \(\ce{NADP+}\), und \(\ce{NAD+}\) steht auf der Eduktseite.
Das NADPH der Zelle stammt vor allem aus dem Pentosephosphatweg. Der Acetaldehyd tritt hier nur enzymgebunden als Hydroxyethylrest auf, anders als bei der Pyruvatdecarboxylase. Lactat bildet die Lactatdehydrogenase unter anaeroben Bedingungen. Succinat und Succinyl-CoA kommen erst im Citratzyklus vor. Malonyl-CoA gehört zur Fettsäuresynthese, der PDH-Komplex setzt es nicht um. Die Reduktion von 3-Phosphoglycerat zu Glycerinaldehyd-3-phosphat läuft in Gluconeogenese und Calvin-Zyklus ab und ist keine Teilreaktion.
Reaktionsschema erkennen
Im Examen begegnet dir das Prinzip auch an anderen Substraten. So erkennst du es:
- Substrat prüfen: Eine α-Ketosäure der Form \(\ce{R-CO-COO-}\) steht links.
- Cosubstrate suchen: Links stehen außerdem Coenzym A und \(\ce{NAD+}\).
- Produkte prüfen: Rechts stehen \(\ce{CO2}\), NADH und ein Acyl-CoA \(\ce{R-CO-S-CoA}\) mit einem C-Atom weniger.
- Zuordnen: Aus Pyruvat (\(\ce{R = CH3}\)) entsteht Acetyl-CoA am PDH-Komplex. Aus 2-Oxoglutarat entsteht Succinyl-CoA im Citratzyklus.
Acetyl-CoA als Thioester
Am Ende der Reaktion überträgt E2 den Acetylrest auf die SH-Gruppe von Coenzym A. So entsteht ein Thioester der allgemeinen Form \(\ce{R-CO-S-R'}\). Der Schwefel ersetzt dabei den Sauerstoff eines gewöhnlichen Esters.
Diese Thioesterbindung ist energiereich. Ihre Hydrolyse liefert unter Standardbedingungen etwa −31 kJ/mol und damit ähnlich viel wie die Spaltung von ATP zu ADP. Der Grund liegt in der Elektronenstruktur. Das große Schwefelatom überlappt schlecht mit der Carbonylgruppe. Der Thioester ist deshalb kaum durch Mesomerie stabilisiert. Die Acetylgruppe ist dadurch aktiviert und lässt sich leicht übertragen, im Citratzyklus zum Beispiel auf Oxalacetat.
In einer Strukturformel erkennst du Acetyl-CoA an seinem Anfang \(\ce{CH3-CO-S-CH2-CH2-NH-}\). Dort hängt die Acetylgruppe am Schwefel des Cysteamins. Danach folgen β-Alanin und Pantoinsäure, die zusammen die Pantothensäure bilden. Den Abschluss bilden ein Diphosphat und Adenosin-3′-phosphat.
Ein Carbonsäureanhydrid hat zwei Acylgruppen an einem Sauerstoff, \(\ce{R-CO-O-CO-R'}\). Acetyl-CoA trägt nur eine Acylgruppe, und zwar an einem Schwefelatom. Es ist also ein Thioester, obwohl es ähnlich reaktiv ist.
Energetik
Die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat ist stark exergonisch. Die freie Standardenthalpie liegt bei etwa −33 kJ/mol. Zwei Vorgänge treiben die Reaktion an: die Freisetzung von \(\ce{CO2}\) und die Oxidation des Keto-C-Atoms. Ein Teil der frei werdenden Energie bleibt im Thioester gespeichert, ein anderer im NADH.
Unter physiologischen Bedingungen ist die Reaktion praktisch irreversibel. Das \(\ce{CO2}\) entweicht, und keine Enzymaktivität der Zelle kehrt den Schritt um. Das hat eine wichtige Folge: Säugetiere können aus Acetyl-CoA keine Glucose aufbauen. Die Gluconeogenese muss deshalb bei Pyruvat oder später beginnen. Mehr dazu steht bei Fettsäuren und Ketonkörpern.
ATP spielt bei der Reaktion keine Rolle. Der PDH-Komplex bildet kein ATP, denn eine Substratkettenphosphorylierung findet nicht statt. Er verbraucht auch keines, weil die Reaktion schon von sich aus stark exergonisch ist. Ein Energiegewinn für die Zelle entsteht erst indirekt. Das NADH gibt seine Elektronen an die Atmungskette ab, und dort wird über die oxidative Phosphorylierung ATP gebildet.
Der Schritt von Pyruvat zu Acetyl-CoA ist eine Einbahnstraße. Die Energie steckt danach im Thioester und im NADH, nicht im ATP.
Quiz
Aussage 1
In Acetyl-CoA ist die Acetylgruppe über eine energiereiche Bindung an das Schwefelatom des Cysteamins gebunden.
Acetyl-CoA ist ein Thioester. Die wenig mesomeriestabilisierte Bindung zwischen Acetylrest und Schwefel ist energiereich.
Aussage 2
Bei Eukaryonten liegt der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex in der mitochondrialen Matrix.
Pyruvat wird aus dem Cytosol in die Matrix transportiert. Dort sitzen PDH-Komplex und Citratzyklus.
Aussage 3
Bei der Umsetzung von Pyruvat zu Acetyl-CoA wird \(\ce{NADP+}\) zu NADPH reduziert.
Elektronenakzeptor ist \(\ce{NAD+}\). Es entsteht \(\ce{NADH + H+}\). NADPH stammt vor allem aus dem Pentosephosphatweg.
Aussage 4
Im PDH-Komplex sind Oxidoreduktase- und Transferase-Aktivitäten vereint.
E1 und E3 sind Oxidoreduktasen, E2 ist eine Transferase. Eine Ligase-Aktivität besitzt der Komplex nicht.
Aussage 5
Acetyl-CoA ist das Endprodukt der Glykolyse und wird anschließend ins Mitochondrium transportiert.
Die Glykolyse endet mit Pyruvat. Acetyl-CoA entsteht erst in der Matrix durch den PDH-Komplex.
Aussage 6
Die PDH-Reaktion liefert über eine Substratkettenphosphorylierung ein ATP pro Pyruvat.
Der PDH-Komplex bildet kein ATP und verbraucht auch keines. ATP entsteht erst indirekt, wenn das NADH in der Atmungskette oxidiert wird.
Aussage 7
Die Pyruvatdecarboxylase der Hefe katalysiert die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA.
Die Pyruvatdecarboxylase decarboxyliert ohne Oxidation und bildet freien Acetaldehyd. Die oxidative Decarboxylierung zu Acetyl-CoA katalysiert der PDH-Komplex.
Aussage 8
Aus einem Mol Pyruvat bildet der PDH-Komplex je ein Mol Acetyl-CoA, \(\ce{CO2}\) und \(\ce{NADH + H+}\).
Die Stöchiometrie ist 1:1:1:1. Coenzym A und \(\ce{NAD+}\) gehen als Cosubstrate in die Reaktion ein.
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