Pyruvat-Dehydrogenase

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Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex ist ein sehr großer Multienzymkomplex, der für die Energiegewinnung aus Kohlenhydraten (Glukose) in jeder höherentwickelten Zelle von Mensch bis zur Pflanze und vielen Einzellern essentiell nötig ist. Der Komplex besteht aus drei Enzym-Untereinheiten, die jede für sich eine Teilreaktion katalysieren:

• Pyruvatdehydrogenase E1 (EC 1.2.4.1)
• Dihydrolipoamid-S-Acetyltransferase (EC 2.3.1.12)
• Dihydrolipoyl-Dehydrogenase (EC 1.8.1.4)

An den enzymatischen Reaktionen sind zahlreiche Cofaktoren beteiligt: TPP, Coenzym A, FAD, NAD⁺ und proteingebundenes Liponamid (Lipoyllysin). ^[1]

Der Komplex findet sich in der mitochondrialen Matrix und hat eine Masse von einigen Megadalton, darin enthalten sind dann aber schon etwa 30 UE Pyruvat-Decarboxylase, 60 UE Lipoat-Transacetylase und 6 Untereinheiten Dihydrolipoat-DH.

Eine Phosphatase bewirkt durch eine Dephosphorylierung die Aktivierung der PDH.

Die Reaktion

Bei der dehydrierenden Decarboxylierung wird vom Pyruvat (C3) ein CO2 abgespalten und ein NADH/H+ gewonnen. Dabei wird eine energiereiche Thioesterbindung zwischen Coenzym A und dem Acetat-Rest gebildet. Die Energie hierfür stammt aus der Decarboxylierung. Diese Reaktion ist irreversibel!

Sie untergliedert sich in folgende

Teilschritte

Decarboxylierung von Pyruvat mit Hilfe der Pyruvatdecarboxylase-Untereinheit der PDH.

• (Siehe den Hauptartikel Pyruvatdehydrogenase E1.)

Koenzym ist Thiaminpyrophosphat, welches eine Atombindung mit Pyruvat bildet, so dass Hydroxy-Ethyl-Thiamin-Pyrophosphat unter Abspaltung von CO₂ entsteht.

Dieser Hydroxy-Ethylrest (syn. Acetaldehyd) des TPP wird von der α-Liponsäure übernommen (Oxidation). Sie ist an die Lipoat-Trans-Acetylase-Untereinheit kovalent gebunden. Es entsteht S-Acetyl-Hydrolip(oat/onamid).

• Der Acetylrest ( <O=C(-CH3,-R) ) wird auf Coenzym A übertragen, somit entsteht Acetyl-CoA. Katalyse durch die Lipoat-Transacetylase-Untereinheit.

• S-Acetyl-Hydroliponamid wird durch die Dihydro-Lipoat-Dehydrogenase-Untereinheit zur α-Liponsäure regeneriert. Dabei wird FAD zu FADH₂ reduziert, welches seine zwei H-Atome an NAD⁺ unter Bildung von NADH und freiem H⁺ weiterreicht.

Somit ergibt sich folgende Gesamtreaktion:

Pyruvat + HS-CoA + NAD⁺ → Acetyl-CoA + CO₂ + NADH + H⁺

Diese stellt eine der anaplerotischen Reaktionen des Zitratzyklus dar und stellt die katabole Verbindung zwischen Glykolyse (Endprodukte Pyruvat / Lactat) und Citratzyklus via Acetyl-CoA her. Das entstandene Acetyl-CoA kann dann mit Oxalacetat durch die Citratsynthase weiter zu Citrat unter Wassereinbau und CoA-SH-Abspaltung umgesetzt werden. Das NADH/H⁺ kann in der Atmungskette mit Sauerstoff oxidiert werden, unter Gewinn von 2,5 ATP durch den dabei aufgebauten Protonengradienten.

Essentialität von Vitamin B1

Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex ist, gemäß der beschriebenen Reaktion, für alle (netto-) Energiegewinnung aus Kohlenhydraten (im Gegensatz zu Fetten) notwendig. Desgleichen auch für die Entfernung von aus dem Verdauungssystem stammender Glucose aus dem Blut. Mit dem Anteil von Vitamin B1 (Thiamin) ist hierzu auch ein Vitamin nötig, also ein Stoff der von außen zugeführt werden muss. Nach Studien beträgt der Bedarf an dazu nötigem Thiamin 0,3 mg pro 1000 kcal Kohlenhydrat ^[2][3], es ist also für die Energiegewinnung aus Kohlenhydraten eine bestimmte proportionale Menge an Vitamin B1 notwendig.

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Dieser Anteil, oder mehr findet sich in etwa in jeder natürlichen Quelle von Kohlenhydraten wieder. Durch die "Verfeinerung" von Lebensmitteln und durch Kochen wird der Anteil an Thiamin aber oft auf weit darunterliegende Werte reduziert (extremfall Zucker: gar kein Thiamin). Das kann dazu führen, dass bei niedriger Verfügbarkeit von Thiamin trotz Vorhandensein von Kohlenhydraten diese nicht oxidiert werden können, was wiederum dazu führen kann, dass einzellige Pilze sich der Glukose annehmen müssen (z. B. Candida albicans). Im Extremfall, der Krankheit Beriberi stellen Nervengewebe, die auf Glucose angewiesen sind, ihre Funktion weitgehend ein, wogegen andere Gewebe noch durch Lipide versorgt werden können.

Referenzen

1. ↑ Urban und Fischer: 'Intensivkurs Biochemie' '1.Auflage' 'S.124' ISBN 3437444506
2. ↑ Sauberlich et al: Thiamin requirement of the adult human. Am J Clin Nutr. 1979 Nov;32(11):2237-48. PMID 495541
3. ↑ Buchseite zu Thiamin-Verbrauch aus "Ernährungsmedizin", Thieme Verlag

Weblinks

• Citratzyklus mit Stellung von Pyruvat-Dehydrogenase und Moleküldarstellungen in Farbe (engl.)