Citrat-Synthase

Citrat-Synthase
Abb.1: Bändermodell des Monomer mit gebundenem Oxalacetat (Magenta) und dem Acetyl-CoA-Analogon CMX (gelb) nach PDB 1CSI
Vorhandene Strukturdaten: s. Uniprot
Masse/Länge Primärstruktur	439 Aminosäuren
Sekundär- bis Quartärstruktur	Homodimer
Bezeichner
Gen-Name	CS
Externe IDs	OMIM: 118950 UniProt: O75390
Enzymklassifikation
EC, Kategorie	2.3.3.1  Transferase
Reaktionsart	Übertragung einer Acylgruppe
Substrat	Acetyl-CoA + H2O + Oxalacetat
Produkte	Citrat + CoA
Vorkommen
Homologie-Familie	Citratsynthase
Übergeordnetes Taxon	Lebewesen

Die Citrat-Synthase ist dasjenige Enzym (zugehöriges Gen: CS), das die Kondensation von Oxalacetat mit Acetyl-CoA zu Citrat katalysiert. Diese Reaktion ist der erste Schritt im Citratzyklus und daher ist die CS unentbehrlich im Stoffwechsel aller aeroben Lebewesen. Außerdem ist die Reaktion sowie ihre Umkehrung Teil des Citrat-Malat-Pyruvat-Zyklus zur Bereitstellung von NADPH. Die CS ist in den Mitochondrien lokalisiert. Während die Citratsynthase in Eukaryoten als Dimer vorliegt, bilden die Untereinheiten in Prokaryoten ein Hexamer (siehe Abb. 5).

Katalysierte Reaktion

Abb.2: Mechanismus der Kondensation von Oxalacetat (rot) und Acetyl-CoA (blau)

Bei der Reaktion (Abb. 2) tritt zunächst das Anion des Asparaginsäurerestes ASP-375 als katalysierende Base auf, das, zusammen mit der polarisierend auf die Carbonylgruppe des Acetyl-CoA wirkenden Imidazolyl-Gruppe des Histidinrestes HIS-274, aus der aktivierten Essigsäure 1 über eine Deprotonierung ein als reaktives Zwischenprodukt zu formulierendes Enolat 2 erzeugt, welches analog einer Claisen-Kondensation mit dem Oxalacetat stereospezifisch zum S-Citryl-CoA 3 reagiert.

Die nachfolgende Hydrolyse des Thioesters zum prochiralen Citrat 4 ist stark exergon (ΔG^o < -30 kJ/mol), was diesen Schritt und damit die von der Citrat-Synthase katalysierte Gesamtreaktion irreversibel macht. Citrat als Produkt dieser Reaktion konkurriert mit Oxalacetat um die Bindung an die Citrat-Synthase, so dass eine große Konzentration an Citrat - trotz der hohen Exergonie der Reaktion - die Reaktion inhibiert. Es liegt eine kompetitive Produkthemmung vor.

Abb.3: Fokus auf das aktive Zentrum

Das in der Abb. 3 wiedergegebene katalytische Zentrum enthält statt des natürlich auftretenden Acetyl-CoA ein synthetisches Analogon (CMX, Carboxymethyldethia-CoA), welches, im Aufbau der Enolform des Acetyl-CoA sehr ähnelnd, gut an dessen Stelle an die Citrat-Synthase bindet, aber nicht als Reaktionspartner im Sinne der Claisen-Kondensation taugt. Dieses Acetyl-CoA-Analoge inhibiert folglich die Reaktion, macht aber die Lage der Substrate im Substrat-Enzym-Komplex sichtbar und ermöglicht somit einen tiefen Einblick in den Mechanismus dieser enzymkatalysierten Reaktion.

Der Mechanismus der Claisen-Kondensation gilt für diese Reaktion mittlerweile als umstritten (auch wenn er weiterhin in den meisten Lehrbüchern anzutreffen ist), da die Abstraktion eines Protons (hoher pKs) durch einen Aspartat-Rest (niedriger pKs) extrem unwahrscheinlich ist. Nach neueren Erkenntnissen bringt das Enzym durch Konformationsänderungen beide Reaktionspartner einander derart nahe, dass das betrachtete Proton weder der Methylgruppe noch dem Aspartat-Rest zugeordnet werden kann und ein Übergang hierdurch begünstigt wird. Dies erinnert an den Mechanismus von Low Barrier Hydrogen Bonds, welche nur durch räumliche Nähe von Donor und Akzeptor ausgebildet werden können und mit -40 bis -80 KJ/mol deutlich stabiler sind als „gewöhnliche“ Wasserstoffbrücken, doch auch dieses Modell wird dem realen Reaktionsmechanismus nur ansatzweise gerecht. Es muss an dieser Stelle festgestellt werden, dass der Mechanismus der Citrat-Synthase trotz zahlloser Arbeiten und Publikationen auf diesem Gebiet noch immer nicht vollständig geklärt ist.

Weblinks

•  Wikibooks: Biochemie und Pathobiochemie: Citratzyklus – Lern- und Lehrmaterialien
•  Wikibooks: Biochemie und Pathobiochemie: Biosynthese gesättigter Fettsäuren – Lern- und Lehrmaterialien