Oxidative Decarboxylierung

Unter den vier Phasen der Zellatmung fällt die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat aus der Reihe; im Gegensatz zu den langen Wegen der Glykolyse oder dem Citratzyklus ist sie relativ kurz. Aber das macht sie nicht unwichtig! Im Gegenteil, die oxidative Decarboxylierung ist ein wichtiges Bindeglied zwischen der Glykolyse und dem Rest der Zellatmung.

Am Ende der Glykolyse haben wir zwei Pyruvatmoleküle, die noch viel extrahierbare Energie enthalten. Die oxidative Decarboxylierung ist der nächste Schritt bei der Ernte der verbleibenden Energie in der Form von $\text{ATP}$‍, obwohl während der oxidativen Decarboxylierung kein $\text{ATP}$‍ direkt hergestellt wird.

Bei Eukaryoten findet dieser Schritt in der Matrix statt, dem innersten Kompartiment der Mitochondrien. In Prokaryonten läuft er im Cytoplasma ab. Insgesamt wird bei der oxidativen Decarboxylierung Pyruvat – ein Moleküle mit drei Kohlenstoffen – in Acetyl-$\text{CoA}$‍ – ein an Coenzym A gebundenes Molekül mit zwei Kohlenstoffen – umgewandelt, wobei ein $\text{NADH}$‍ hergestellt und ein Kohlendioxid-Molekül freigesetzt wird. Acetyl-$\text{CoA}$‍ dient als Brennstoff für den Citratzyklus in der nächsten Phase der Zellatmung.

Pyruvat wird durch die Glykolyse im Cytoplasma produziert, aber die oxidative Decarboxylierung findet (bei Eukaryoten) in der mitochondrialen Matrix statt. Bevor die chemischen Reaktionen beginnen können, muss Pyruvat in das Mitochondrium gelangen, seine innere Membran durchqueren und in der Matrix ankommen.

In der Matrix wird Pyruvat in einer Reihe von Schritten modifiziert:

Schritt 1. Eine Carboxylgruppe wird von Pyruvat abgespalten und als Kohlendioxidmolekül freigesetzt, wobei ein Molekül mit zwei Kohlenstoffatomen zurückbleibt.

Schritt 2. Das Molekül mit den zwei Kohlenstoffatomen aus Schritt 1 wird oxidiert und die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen werden durch ${\text{NAD}}^{+}$‍ unter Bildung von $\text{NADH}$‍ aufgenommen.

Schritt 3. Das oxidierte Molekül mit zwei Kohlenstoffatomen – eine Acetylgruppe, grün hervorgehoben – bindet an Coenzym A ($\text{CoA}$‍), ein von Vitamin B5 abgeleitetes organisches Molekül und es entsteht Acetyl-$\text{CoA}$‍ zu bilden. Acetyl-$\text{CoA}$‍ wird manchmal als Trägermolekül bezeichnet und seine Aufgabe besteht darin, die Acetylgruppe in den Citratzyklus zu leiten.

Die oben beschriebenen Schritte werden durch einen großen Enzymkomplex ausgeführt, der als Pyruvatdehydrogenase-Komplex bezeichnet wird. Er besteht aus drei miteinander verbundenen Enzymen und umfasst über 60 Untereinheiten. Bei einigen Schritten bilden die Reaktionszwischenprodukte tatsächlich kovalente Bindungen mit dem Enzymkomplex - oder genauer gesagt mit seinen Cofaktoren. Der Pyruvatdehydrogenase-Komplex ist wichtig für die Regulierung, da er die Menge an Acetyl-$\text{CoA}$‍ steuert, die in den Citratzyklus eingespeist wird.${}^{1,2,3}$‍

Wenn wir die zwei Pyruvatmoleküle betrachten, die aus der Glykolyse kommen (für jedes Glukosemolekül), können wir die oxidative Decarboxylierung folgendermaßen zusammenfassen:

Warum Acetyl-$\text{CoA}$‍ herstellen? Acetyl-$\text{CoA}$‍ dient als Brennstoff für den Citratzyklus in der nächsten Phase der Zellatmung. Die Bindung von $\text{CoA}$‍ hilft dabei, die Acetylgruppe zu aktivieren und bereitet sie auf die notwendigen Reaktionen vor, um in den Citratzyklus einzutreten.