Quelltext der Seite Citrat-Synthase

{{Infobox Protein
| Name            = 
| Bild            = Citrate synthase 1csi.png
| Bild_legende    = Bändermodell des Monomer mit gebundenem Oxalacetat (Magenta) und dem Acetyl-CoA-Analogon [[Carboxymethyldethia-CoA|CMX]] (gelb) nach {{PDB|1CSI}}
| PDB             = s. Uniprot<!-- {{PDB2|1YY1}}, {{PDB2|ABCD}} -->
| Groesse         = 439 Aminosäuren
| Kofaktor        = 
| Precursor       = 
| Struktur        = Homodimer
| Isoformen       = 
| HGNCid          = 2422
| Symbol          = CS
| AltSymbols      = 
| OMIM            = 118950
| UniProt         = O75390
| MGIid           = 
| CAS             = 
| CASergänzend    = 
| ATC-Code        = <!-- {{ATC|X99|XX99}} -->
| DrugBank        = 
| Wirkstoffklasse = 
| TCDB            = 
| TranspText      = 
| EC-Nummer       = 2.3.3.1
| Kategorie       = Transferase
| Peptidase_fam   = 
| Reaktionsart    = Übertragung einer Acylgruppe
| Substrat        = Acetyl-CoA + H<sub>2</sub>O + Oxalacetat
| Produkte        = Citrat + CoA
| Homolog_fam     = Citratsynthase
| Taxon           = Lebewesen
| Taxon_Ausnahme  = 
| Orthologe       = 
}}
Die '''Citrat-Synthase''' ist dasjenige [[Enzym]] (zugehöriges [[Gen]]: ''CS''), das die [[Kondensationsreaktion|Kondensation]] von [[Oxalacetat]] mit [[Acetyl-CoA]] zu [[Citrat]] [[Katalyse|katalysiert]]. Diese Reaktion ist der erste Schritt im [[Citratzyklus]] und daher ist die CS unentbehrlich im [[Stoffwechsel]] aller [[aerob]]en Lebewesen. Außerdem ist die Reaktion sowie ihre Umkehrung Teil des [[Citrat-Malat-Pyruvat-Zyklus]] zur Bereitstellung von [[Nicotinamidadenindinukleotidphosphat|NADPH]]. Die CS ist in den [[Mitochondrium|Mitochondrien]] lokalisiert, das ''CS''-Gen des Menschen befindet sich aber im [[Zellkern]].

Strukturell besteht die CS aus zwei großen Domänen, die fast nur aus α-Helices bestehen (sogenanntes [[Protein-Faltungsklasse#all-α|all-α-Protein]]). Die zwei Domänen sind über ein Zwischenstück verbunden. Es sind zwei Typen der CS bekannt. Während die Citratsynthase in [[Eukaryoten]], grampositiven Bakterien und [[Archaeen]] (Typ&nbsp;I) als Dimer vorliegt, bilden die Untereinheiten in gramnegativen [[Bakterien]] (Typ&nbsp;II) ein Hexamer (siehe Abb. unten). Zudem ist in Typ&nbsp;II eine der Domänen verglichen mit derselben in Typ&nbsp;I verlängert.<ref>{{InterPro|IPR019810|Citrate synthase active site}}</ref>

Die katalysierte Reaktion:
* [[Datei:Oxalacetat.svg|120px|Oxalacetat]] + '''CH<sub>3</sub>CO-S-CoA''' + H<sub>2</sub>O
* <math>\longrightarrow</math> [[Datei:Citrat.svg|140px|Citrat]] + '''CoA-SH'''

Oxalacetat wird mit Acetyl-CoA zu Citrat und CoA umgesetzt, wobei ein Wassermolekül verbraucht wird. Die Reaktion hat eine [[freie Enthalpie]] ΔG°’ von −31.5&nbsp;kJ/mol und ist aufgrund dessen [[Geschwindigkeitsbestimmender Schritt|geschwindigkeitsbestimmend]] für den Citratzyklus.<ref>Donald Voet, Judith G. Voet, Charlotte W. Pratt: ''Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level''. Wiley, Hoboken NJ 2008.</ref>

Die CS ist eines von wenigen Enzymen, die in der Lage sind, ohne die Anwesenheit eines Metallions C-C-Bindungen zu knüpfen.

== Reaktionsmechanismus ==
[[Datei:Citrate synthase3.png|mini|Mechanismus der Kondensation von Oxalacetat (rot) und Acetyl-CoA (blau)]]
Die Einzelschritte während der Katalyse, die am Dimer doppelt stattfinden, sind:
# Nach der Bindung von Oxalacetat vergrößert sich der Winkel zwischen den zwei α-Domänen um 18°. Diese „Öffnung“ des Moleküls versiegelt und schützt einerseits das Oxalacetat, andererseits erlaubt dies erst die zusätzliche Bindung von CoA
# [[Deprotonierung]] der [[Methylgruppe]] des Acetyl-CoA, ein Enol entsteht und wird stabilisiert
# [[Nukleophile Addition]] des Enols an das Carbonyl-C des Oxalacetat, resultierend in Citryl-CoA
# [[Hydrolyse]] von Citryl-CoA durch ein deprotoniertes Wassermolekül zu Citrat und CoA-SH
# Rückkehr des Dimers in die Ausgangsstellung

Dieser Mechanismus wurde 1982 von Remington und Kollegen aufgrund kristallografischer Untersuchungen vorgeschlagen.<ref>S. Remington, G. Wiegand, R. Huber: ''Crystallographic refinement and atomic models of two different forms of citrate synthase at 2.7 and 1.7 A resolution.'' In: ''[[Journal of molecular biology]]'', Band 158, Nummer 1, Juni 1982, S.&nbsp;111–152, {{ISSN|0022-2836}}. PMID 7120407.</ref>

Bei der Reaktion ([[#Reaktionsmechanismus |Abb. „Mechanismus“]]) 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&nbsp;'''1''' über eine Deprotonierung ein als reaktives Zwischenprodukt zu formulierendes Enolat&nbsp;'''2''' erzeugt, welches analog einer [[Aldol-Addition]] mit dem Oxalacetat [[stereospezifisch]] zum ''S''-Citryl-CoA&nbsp;'''3''' reagiert.

Die nachfolgende Hydrolyse des Thioesters zum prochiralen Citrat&nbsp;'''4''' ist stark exergon (ΔG<sup>o</sup> < −30&nbsp;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 –&nbsp;trotz der hohen Exergonie der Reaktion&nbsp;– die Reaktion inhibiert. Es liegt eine [[Kompetitive Hemmung|kompetitive Produkthemmung]] vor.

[[Datei:Citrate synthase2.png|links|mini|Fokus auf das aktive Zentrum]]

Das in der Abb. wiedergegebene katalytische Zentrum enthält statt des natürlich auftretenden Acetyl-CoA ein synthetisches Analogon ([[Carboxymethyldethia-CoA]], CMX), 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.

[[Datei:Citrate-synthase Acetobacter 2H12.png|mini|Bändermodell des CS-Hexamers von ''[[Acetobacter]] aceti'' von vorn/links, mit Substraten als Kalotten, nach PDB 2H12]]
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 bond]]s, welche nur durch räumliche Nähe von Donor und Akzeptor ausgebildet werden können und mit −40 bis −80&nbsp;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}}
{{Wikibooks|Biochemie und Pathobiochemie: Biosynthese gesättigter Fettsäuren}}
* [https://proteopedia.org/wiki/index.php/Citrate_synthase ''Citrate synthase''.] [[Proteopedia]]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Transferase]]
[[Kategorie:Codiert auf Chromosom 12 (Mensch)]]