Decarboxylierungen im Citratzyklus

Wir wollen uns hier zunächst ein paar konkrete Decarboxylierungs-Reaktionen anschauen, wie sie im Citratzyklus vorkommen. Dieses Thema ist nicht nur für angehende Mediziner und Biologen interessant, sondern auch für Studienanfänger der Chemie und Pharmazie sowie verwandter Fächer.

1. Decarboxylierung von Pyruvat

Das Pyruvat ist das Endprodukt der Glycolyse, einem Prozess, der in jeder Zelle eines jeden Lebewesens abläuft, das Glucose als Nährstoff verwertet. Ein wichtiger Schritt bei dieser Verwertung von Glucose ist die Umwandlung von Pyruvat in einen Acyl-Rest, der dann auf ein Coenzym mit dem aussagekräftigen Namen "A" übertragen wird, also auf das Coenzym A.

Der einleitende Schritt: Decarboxylierung von Pyruvat und Bildung von Coenzym A
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende.

Hier sehen wir quasi den "Schritt 0" des Zitronensäurezyklus, den vorbereitenden Schritt. Die COO^--Gruppe wird als CO₂ vom Pyruvat abgespalten und der Acetyl-Rest wird dann auf das Coenzym A übertragen. Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine Reduktion, und die bei dieser Reduktion freigesetzten Elektronen und Protonen werden auf das Coenzym NAD⁺ übertragen, das dann zu NADH/H⁺ wird,zur reduzierten Form des NAD⁺.

Schauen wir uns den ersten Schritt dieser biologischen Decarboxylierung näher an:

Schritt 1 der Bildung von Acetyl-CoA
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Das EnzymPyruvatdehydrognase (E1), das diesen Schritt katalysiert, ist mit einem Thiaminpyrophosphat-Molekül (TPP) verbunden. Auf diese TPP-Einheit wird ein Ethanol-Rest des Pyruvats übertragen (Der rote Pfeil zeigt auf das C-Atom, auf das der Ethanolrest übertragen wird). Die COO^--Gruppe des Pyruvats wird als Kohlendioxid abgegeben (Decarboxylierung).

Interessant an dieser Decarboxylierung ist, dass nicht nur einfach CO2 abgespalten wird, sondern dass auch das mittlere C-Atom des Pyruvats mit der C=O-Gruppe um zwei Stufen reduziert wird, aus der Ketosäure entsteht ein Alkohol.

2. Decarboxylierung von Citrat

Das Citrat wird in mehreren Schritten zunächst in Oxalacetat umgewandelt, die Einzelheiten dazu müssen uns hier nicht interessieren (siehe Citratzyklus Schritt 1, Schritt 2 und Schritt 3).

Schritt 4: Oxalsuccinat ==> Ketoglutarat + CO₂
Autor: Ulrich Helmich 2017, Lizenz: siehe Seitenende.

Ähnlich wie das Citrat besitzt auch das Oxalsuccinat-Molekül drei COOH-Gruppen, die im Milieu der Zelle allerdings in deprotonierter Form als COO^- vorliegen. Außerdem besitzt das Oxalsuccinat-Molekül noch eine zusätzliche Ketogruppe, es handelt sich also um eine Oxotricarbonsäure.

Die mittlere COO^--Gruppe wird nun durch das Enzym Isocitrat-Dehydrogenase als CO₂ abgespalten, die COO^--Gruppe wird dabei durch ein H-Atom ersetzt. Bei diesem Vorgang ändert sich die Oxidationszahl des mittleren C-Atoms von -I zu -II, zumindest rein formal. Coenzyme wie NAD⁺ oder FAD nehmen an dieser Reaktion allerdings nicht teil.

Die Decarboxylierung von Oxalsuccinat näher betrachtet

In der engl. Wikipedia werden wir fündig, wenn wir nach näheren Informationen zu diesem Schritt recherchieren:

Die Decarboxylierung von Oxalsuccinat in zwei Schritten
?.?????: vectorization, Public domain, via Wikimedia Commons

Die gebogenen Pfeile in der Abbildung deuten das "Umklappen" von Elektronenpaaren an. Das Mg²⁺-Ion sitzt im aktiven Zentrum des katalysierenden Enzyms Isocitrat-Dehydrogenase, in der Fachliteratur wird aber meistens ein Mn²⁺-Ion genannt, das an der Reaktion beteiligt ist.

3. Decarboxylierung von α-Ketoglutarat

Schritt 5: alpha-Ketoglutarat + CoA + NAD⁺ ? Succinyl-CoA + NADH/H⁺ + CO₂
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende.

Der fünfte Schritt des Citratzyklus ist wieder eine Decarboxylierung. Hier wird eine der beiden COO^--Gruppen des α-Ketoglutarats als CO₂ abgespalten, dabei entsteht Succinat, das aber an Coenzym A gebunden ist (Succinyl-CoA). Bei dieser Reaktion wird nicht nur decarboxyliert, sondern auch gleichzeitig oxidiert, wie man an der Bildung von NADH/H⁺ aus NAD⁺ sehen kann.