Citratzyklus

zu 1.) Erläutern Sie, wie durch die Steuerung des Zuflusses und der Umsatzrate des Citratzyklus die ATP-Konzentration in der Zelle geregelt wird.

Steuerung des Zuflussen geschieht im irreversiblen Schritt der Umwandlung von Pyruvat zu Acetyl-CoA mittels Pyruvatdehydrogenasekomplex. Steuerung erfolgt hier durch reversible Phosphorylierung.
Hoher Zufluss => Höherer Stoffumsatz im TCC => mehr FADH2 /NADH2 => erhöhte Aktivität Elektronentransportkette => erhöhter Protonengradient => erhöhte ATPase-Aktivität => ATP-Konzentration steigt.

Steuerung der Umsatzrate erfolgt bei Eukaryoten v.a. duch die Isocitrat-Dehydrogenase und die alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase.
Erhöhte Aktivität führt wieder wie oben =>=>=>=>=> ATP-Konzentration steigt.

Vielmehr ist es aber so, dass der ATP-Verbrauch auswirkung auf die ATP-Konzentration in der Zelle hat und der Energie-charge (Verhältnis von ATP zu ADP in der Zelle) wiederum die Isocytratdehydrogenase und die alpha-Ketoglutaratdehydrogenase regulieren.

zu 2.)Begründen Sie, warum die Regelung an verschiedenen Stellen erfolgt.

Zum einen muss der TCC ziemlich genau reguliert werden, da er neben der Bereitstellung von Elektronen für die Atmungskette noch andere zahlreiche Metabolite enthält die in andere Biosynthesewege eingehen: Fettsäuresynthese, AS-Synthese etc. Die gute Regulation bedingt also eine Regulation an verschiedenen Stellen. Die Regulation an mehreren Stellen ermöglicht auch eine schnelle Steigerung der ATP-Produktion wenn nötig, da z.B. ein niedriger Energie-charge der Zelle auf mehrere Enzyme des TCC und damit kumulativ wirkt. Wichtig ist ausserdem die Regulation an mehreren stellen da nicht unbegrenzt NAD+/FADH+ als Elektronenakzeptoren zur verfügung stehen sondern erst beim übertragen der Elektronen in der Atmungskette regeneriert werden können.

Ein hoher Umsatz im TCC sorgt für ein steigen der NADH-Konzentration. Diese wiederum kann eine erhöhte Produktion von ATP nach sich ziehen. Die Produktion von ATP wird in der Atmungskette vollzogen. Diese besteht aus 4 Komplexen die eine Elektronentransportekette bilden und der ATP-Synthase.

Kurz beschrieben geschieht folgendes.

NADH wird vom Komplex I gespalten (zu NAHD+ und H+). Der Komplex übernimmt 2 Elektronen und pumpt gleichzeitig ein H+ durch die Membran. Was folgt ist die Übertragung der Elektronen von einem Komplex zum anderen. Dabei werden 2 weitere H+ Ionen durch die Membran transportiert. Der Komplex IV Überträgt schließlich die Elektronen auf 2 H+ Ionen und 1/2 O2. So wird das H+ entgiftet.

Die durch die Membran gepumpten H+ Ionen sind entscheidend für ATP-Produktion. Sie werden durch die ATP-Synthase (auch als Proton getriebene ATPase bezeichnet) wieder durch die Membran zurück transportiert. Sie gleicht damit, dass durch die Komplexe I-IV erzeugte Protonengefälle wieder aus. Dabei wird gleichzeitig, an der innen liegenden Seite der ATPase, aus ADP+Pi das ATP erzeugt.