Ketosäuren

Brenztraubensäure (αあるふぁ-Ketocarbonsäure, oben), Acetessigsäure (βべーた-Ketocarbonsäure, Mitte) und Lävulinsäure (γがんま-Ketocarbonsäure, unten).

Ketosäuren, auch Ketocarbonsäuren, sind Carbonsäuren, die eine zusätzliche Ketogruppe enthalten. Sie gehören zu den Oxocarbonsäuren. Ihre Eigenschaften sind durch den Abstand der beiden funktionellen Gruppen geprägt. Den Abstand bezeichnet man oft durch griechische Buchstaben (αあるふぁ-ständig = 1,2-Abstand, βべーた-ständig = 1,3-Abstand etc.).

Biochemie

Ketosäuren spielen im zellulären Geschehen eine zentrale Rolle beim Aminosäurestoffwechsel und bei der Aufrechterhaltung des Redox-Status. αあるふぁ-Ketosäuren enthalten das Kohlenstoffgerüst der analogen αあるふぁ-Aminosäure. βべーた-Ketosäuren sind energiereiche (instabile) Metabolite, die leicht Reaktionen unter CO₂-Verlust (Decarboxylierung) eingehen.

Typische biochemische Reaktionen der αあるふぁ- und βべーた-Ketosäuren. Metabolite (blau) von links nach rechts: Lac, Lactat; Ala, Alanin; Pyr (Pyruvat, eine Prototyp αあるふぁ-Ketosäure); PEP, Phosphoenolpyruvat; OA, Oxalacetat (αあるふぁ/βべーた-Ketosäure; Instabilität durch βべーた-Ketofunktion); Mal, Malat; AcCoA, Acetyl Coenzym A. Enzyme (grün) von links nach rechts: LDH, Lactat-Dehydrogenase; PC, Pyruvat-Carboxylase; MDH, Malat-Dehydrogenase (Teil des Malat-Aspartat-Shuttlesystems); PGT, Glutamat/Pyruvat-Transaminase; PK, Pyruvatkinase (Gewinn von 1 ATP); PPD, Pyruvat/Phosphat-Dikinase (C4-Pflanzen; Gebrauch zweier energiereicher Bindungen aus ATP und eines anorganischen Phosphats); PEP-CK, Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (Überführung von OA in PEP); PDH, Pyruvat-Dehydrogenase-Multienzymkomplex (Prototyp einer oxidativen Decarboxylierungsreaktion), ME, Malatenzym (bei Kopplung mit MDH ist NADH,H⁺ → NADPH,H⁺ Umwandlung möglich).

αあるふぁ-Ketosäuren

Brenztraubensäure mit ihren Salzen, den Pyruvaten, ist die einfachste αあるふぁ-Ketosäure. Unter Einwirkung einer Pyruvatdecarboxylase kann Brenztraubensäure während der alkoholischen Gärung zu Acetaldehyd (und CO₂) bzw. im Multienzymkomplex der Pyruvat-Dehydrogenase zu Acetyl-CoA (und CO₂) decarboxyliert werden. Im Citratzyklus gibt es eine weitere Reaktion nach dem gleichen Grundprinzip: die Decarboxylierung des αあるふぁ-Ketoglutarats zu Succinyl-CoA. Coenzyme dieser als „oxidative Decarboxylierung“ bezeichneten Prozesse sind Thiaminpyrophosphat und NAD⁺, ggf. Coenzym A. Unter anaeroben Bedingungen wird Pyruvat im Säugetierorganismus zu Lactat reduziert (z. B. im Muskel bei intensiver Beanspruchung).

Auch in vitro kann eine analoge Reaktion beobachtet werden: Die relativ schwache C–C-Bindung in der Gruppierung R–CO–COOH kann durch Zugabe konzentrierter Schwefelsäure gespalten werden und es entstehen Kohlenmonoxid und die entsprechende Carbonsäure R–COOH.

Eine weitere typische Reaktion von αあるふぁ-Ketosäuren ist die Transaminierung, die eine wechselseitige Aminierung unter gleichzeitiger Desaminierung von Glutaminsäure beinhaltet, ohne dass freier Ammoniak auftritt. So wird aus Pyruvat Alanin, aus Oxalacetat (einer Verbindung, die zugleich αあるふぁ- und βべーた-Ketosäure ist) Aspartat und aus αあるふぁ-Ketoglutarat Glutamat, Coenzym ist Pyridoxalphosphat.

βべーた-Ketosäuren

Die einfachste βべーた-Ketosäure ist die unbeständige Acetessigsäure. βべーた-Ketosäuren sind meist unbeständige Stoffe, die unter Decarboxylierung zerfallen. Dieser Prozess kann spontan, biochemisch in der Zelle auch katalysiert, ablaufen. Ein Beispiel ist die Decarboxylierung von Oxalacetat in der Gluconeogenese durch Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEP-CK) oder durch das Malatenzym (ME). Acetessigsäure zerfällt in Aceton und Kohlendioxid.

γがんま-Ketosäuren

Die einfachste γがんま-Ketosäure ist Lävulinsäure.