Der Citratzyklus ist ein wichtiger Schritt der aeroben Zellatmung. Er nutzt das Endprodukt des Abbaus von Kohlenhydraten, Fetten und Aminosäuren, Acetyl-CoA, um die Energiegewinnung in der Atmungskette vorzubereiten. Er dient außerdem der Bereitstellung von Molekülen zur Synthese von Aminosäuren und Fetten.
Citratzyklus Definition
Der Citratzyklus wird auch Zitronensäurezyklus oder Krebs-Zyklus genannt. In acht Reaktionen wird Acetyl-CoA zu CO₂ oxidiert. Dabei werden die energiereichen Moleküle NADH+H+ und FADH2 gebildet, deren Elektronen in der Atmungskette auf Sauerstoff übertragen werden.
Bei Eukaryonten läuft der Citratzyklus im Mitochondrium ab, bei Prokaryonten im Cytoplasma. Der Stoffwechselweg kann sich z. B. an Glykolyse und Oxidative Decarboxylierung anschließen
Bei NADH+H+ und FADH2 handelt es sich um Reduktionsäquivalente.
Als Reduktionsäquivalente bezeichnet man verschiedene Moleküle, die Elektronen übertragen können. Dazu gehört zum einen NAD+ (Nikotinamidadenindinukleotid). Durch Aufnahme von zwei Elektronen und einem Proton reagiert es zu NADH+H+. Für die reduzierte Form wird oft die kürzere Schreibweise NADH verwendet.
Ein weiteres Reduktionsäquivalent ist FAD (Flavinadenindinukleotid). Durch Aufnahme von zwei Elektronen und zwei Protonen wird es zu FADH2 reduziert.
Die Aufnahme von Elektronen (Reduktion) macht die Moleküle energiereicher und damit reaktiver.
Neben seiner zentralen Funktion im Energiestoffwechsel dient der Citratzyklus auch der Bereitstellung von Molekülen, die für verschiedene Synthesen verwendet werden können.
Das heißt, im Citratzyklus können also sowohl katabole (abbauende), als auch anabole (aufbauende) Reaktionen stattfinden.
Damit zu diesem Zweck entfernte Zwischenprodukte nicht den weiteren Ablauf des Citratzyklus verhindern, können sogenannte auffüllende Reaktionen stattfinden, die entfernte Moleküle wieder in den Zyklus einführen. Häufig dienen Aminosäuren dabei als Ausgangsprodukte.
Citratzyklus – Substrate
Wie schon angesprochen, werden im Citratzyklus die Endprodukte aus verschiedenen abbauenden Stoffwechselwegen zusammengeführt. Zu nennen sind der Fettsäurestoffwechsel (β-Oxidation), der Aminosäurestoffwechsel und der Kohlenhydratstoffwechsel. Sie alle produzieren den C2-Körper Acetyl-CoA.
Wenn dich die Stoffwechselwege vor dem Citratzyklus interessieren, wirf doch einen Blick in passende Artikel!
Kohlenhydratstoffwechsel
Werden Kohlenhydrate zur Energiegewinnung verwendet, läuft zunächst die Glykolyse ab, an deren Ende Pyruvat entsteht. Die Reaktion, die Pyruvat (C3-Körper) irreversibel in Acetyl-CoA (C2-Körper) überführt, nennt man Oxidative Decarboxylierung.Entscheidend hierfür ist der Pyruvatdehydrogenasekomplex, ein Multienzymkomplex aus drei Enzymen und fünf Coenzymen.Was ungefähr bei der oxidativen Decarboxylierung passiert, verrät Dir schon ihr Name:
1. Decarboxylierung: Eine Carboxylgruppe wird abgespalten und verlässt die Reaktion in Form von CO₂.
2. Oxidation: Eine verbliebene OH-Gruppe wird zur Carbonylgruppe ().
3. Anhängen von Coenzym A: Coenzym A ist eine Nukleotidverbindung, die mit Acetat eine energiereiche Bindung eingeht. Dies ist von Vorteil, um die Acetylgruppe im Citratzyklus auf ein anderes Molekül zu übertragen. Man kann Acetyl-CoA so auch als aktivierte Form des Acetats betrachten.
Als Nebeneffekt wird bei der oxidativen Decarboxylierung Energie frei, die in Form von Elektronen auf das Reduktionsäquivalent NAD+ übertragen wird. Das entstehende NADH+H+ kann diese in der Atmungskette wieder abgeben, wo sie zur Bildung von ATP genutzt werden.
Fettsäurestoffwechsel
In der sogenannten β-Oxidation werden Fettsäuren nach Aktivierung mit Coenzym A ebenfalls zu Acetyl-CoA abgebaut. Bei längeren Fettsäuren läuft dieser Vorgang mehrfach hintereinander ab.
Auch in der β-Oxidation entstehen Reduktionsäquivalente, die in der Atmungskette Verwendung finden.
Aminosäurestoffwechsel
Aminosäuren sind Bestandteil von Proteinen, weshalb sie meistens mittels Proteolyse (enzymatischer Abbau von Proteinen) zunächst aus diesem Verband gelöst werden müssen. Anschließend können Aminosäuren auf verschiedene Weise weiterverwertet werden. Dabei schlägt ihr Kohlenstoffgerüst nach Abspaltung der Aminogruppe je nach Aminosäure unterschiedliche Wege ein.
Glucogene Aminosäuren können zu Pyruvat abgebaut werden, das Endprodukt der Glykolyse. Genauso können sie auch ohne größere Umwege als Metaboliten in den Citratzyklus eingeschleust werden.
Wegen der Möglichkeit, Aminosäuren in Zwischenprodukte des Citratzyklus umzuwandeln, sind sie die wesentlichen Substrate für auffüllende Reaktionen.
Ketogene Aminosäuren werden zu Acetyl-CoA abgebaut. Danach können sie zur Synthese von Ketonkörpern oder Fettsäuren, sowie im Citratzyklus zum Einsatz kommen. Rein ketogene Aminosäuren sind allerdings nur Lysin und Leucin.
Ketonkörper sind die drei Moleküle Acetoacetat, Aceton und β-Hydroxybutyrat. Sie werden bei Kohlenhydratmangel gebildet.
Citratzyklus Ablauf
Der Citratzyklus besteht aus acht Schritten, die bei ausreichendem Angebot von Metaboliten unbegrenzt oft hintereinander ablaufen könnten. Im Wesentlichen wird aus einem C6-Körper, der durch Einspeisung von Acetyl-CoA entsteht, ein C4-Körper. Bei diesem Prozess wird CO₂, sowie Energie (Elektronen) frei. Die Energie wird mithilfe der Reduktionsäquivalente NADH+H+ und FADH2 gespeichert und in die Atmungskette übertragen.
Grob lässt sich der Citratzyklus in zwei Phasen aufteilen. Während der erste Teil der Synthese und dem Abbau von Citrat dient, muss im zweiten Teil Oxalacetat als Ausgangsmolekül wiederhergestellt werden.
Keine Sorge, Du musst nicht jeden Schritt im Detail auswendig lernen.
1. Schritt: Citrat-Synthese
Reaktion: Das Acetyl-CoA und ein Wassermolekül reagieren mit dem C4-Körper Oxalacetat zu Citrat. Es handelt sich dabei um eine stark exergone Reaktion (es wird Energie abgegeben, das Gleichgewicht liegt auf der Seite des Produkts). Das frei werdende Coenzym A kann z. B. in der oxidativen Decarboxylierung recycelt werden.Enzym: CitratsynthaseZiel: Integration von Acetyl-CoA in den Citratzyklus.
2. Schritt: Isomerisation
Reaktion: Isocitrat, ein Isomer des Citrat, entsteht durch Verschiebung einer Hydroxygruppe an eine andere Position im Molekül. Die Reaktion ist zweistufig: Sie beginnt mit einer Dehydratisierung, bei der zunächst Wasser abgespalten wird. Dieses kann bei einer Hydratisierung an anderer Stelle wieder angefügt werden.
Isomere haben die gleiche Summenformel, aber eine andere Strukturformel. Die Atome sind im Molekül also verschieden angeordnet.
Enzym: Aconitase
Ziel: Die Isomerisierungsreaktion muss stattfinden, damit im Anschluss eine Decarboxylierung möglich ist.
3. Schritt: Oxidative Decarboxylierung
Reaktion: Auch der dritte Schritt des Citratzyklus ist zweischrittig. Als Erstes wird Isocitrat zu Oxalsuccinat oxidiert. Aus NAD+ entsteht NADH+H+. Bei der anschließenden Decarboxylierung wird alpha-Ketoglutarat gebildet und CO₂ freigesetzt. Das α-Ketoglutarat ist somit das eigentliche Endprodukt der Reaktion.Enzym: Isocitratdehydrogenase
Ziel: Vorbereitung der Übertragung von Coenzym A in Schritt vier.
Die Endung eines Enzyms gibt dir wichtige Hinweise auf die katalysierte Reaktion. Dehydrogenasen sind an Oxidationsreaktionen beteiligt, bei denen oft Protonen auf ein Reduktionsäquivalent wie NAD+ übertragen werden.
4. Schritt: Oxidative Decarboxylierung
Reaktion: Eine Carboxygruppe wird abgespalten (Decarboxylierung), wodurch CO2 frei wird. In einer Oxidationsreaktion entsteht aus NAD+ NADH+H+. Beides passiert, um Coenzym A (CoA) auf alpha-Ketoglutarat übertragen zu können. Dabei entsteht das Molekül Succinyl-CoA.
Enzym: α-Ketoglutarat-Dehydrogenase
Wie der Pyruvatdehydrogenasekomplex ist auch die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase ein Multienzymkomplex, der sogar die gleichen Coenzyme nutzt. Streng genommen ist der Katalysator der vierten Reaktion also der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex. Die Reaktionsmechanismen der beiden Komplexe entsprechen einander.
Dies liegt nahe, wenn man weiß, dass sowohl Pyruvat als auch α-Ketoglutarat sogenannte α-Ketosäuren sind. So nennt man Carbonsäuren, die hintereinander eine Carboxygruppe und eine Ketogruppe besitzen.
Ziel: Wie Du schon von der Bildung von Acetyl-CoA weißt, sind Verbindungen mit Coenzym A sehr energiereich. Diese Energie kann man sich in der fünften Reaktion zunutze machen.
Das übergeordnete Ziel von allen Reaktionen, bei denen Reduktionsäquivalente entstehen, ist natürlich die Energiegewinnung in der Atmungskette.
5. Schritt: GTP Entstehung
Reaktion: Die Energie aus der energiereichen Bindung mit Coenzym A aus Succinyl-CoA wird genutzt, um einen Phosphatrest auf GDP zu übertragen. Dadurch entsteht der Energieträger GTP und das Coenzym A wird frei. Zurück bleibt Succinat.Enzym: Succinyl-CoA-Synthetase
Ziel: Unter anderem die direkte Entstehung eines energiereichen, nutzbaren Moleküls (ansonsten trägt der Citratzyklus nur indirekt zur Energieerzeugung bei).
GTP kann in ATP umgewandelt werden, die beiden Moleküle sind also energetisch äquivalent. In Form von GTP kann es in intrazellulären Signalwegen eingesetzt werden.
6. Schritt: Redoxreaktion
Reaktion: In einer Redoxreaktion wird Succinat zu Fumarat oxidiert und FAD zu FADH2 reduziert.Enzym: Succinatdehydrogenase
Die Succinatdehydrogenase ist im Gegensatz zu den anderen Enzymen des Citratzyklus in der Mitochondrienmembran fixiert. Dort fungiert es als Komplex II der Atmungskette.
Ziel: Schrittweise Rückformung zu Oxalacetat.
7. Schritt: Hydratisierung
Reaktion: Fumarat reagiert mit Wasser zu Malat.Enzym: Fumarathydratase, auch Fumarase genannt.
Ziel: Schrittweise Rückformung zu Oxalacetat.
8. Reaktion: Redoxreaktion
Reaktion: Bei der Umwandlung von Malat in Oxalacetat entsteht erneut NADH+H+ aus NAD+.Enzym: MalatdehydrogenaseZiel: Es muss wieder Oxalacetat gebildet werden, damit der Zyklus von vorn beginnen kann.
Citratzyklus Merksatz
Dieser Satz kann dir als Merkhilfe dienen, damit du die einzelnen Schritte des Citratzyklus besser in Erinnerung behältst:
„Citronen im Koma sind super für meine Oma.“
| Satz | Anfangsbuchstabe | Reihenfolge Citratzyklus |
| Citronen | C | Citrat |
| im | I | Isocitrat |
| Koma | K | α-Ketoglutarat |
| sind | S | Succinyl-CoA |
| super | S | Succinat |
| für | F | Fumarat |
| meine | M | Malat |
| Oma | O | Oxalacetat |
Citratzyklus Bilanz
Nachdem Du nun die einzelnen Schritte des Citratzyklus kennengelernt hast, hier noch einmal ein Überblick als Reaktionsgleichung:
Im Citratzyklus wird immer wieder Oxalacetat gebildet, das erneut mit Acetyl-CoA reagieren kann. Die für die Energiegewinnung bedeutsamen Endprodukte sind die Reduktionsäquivalente FADH2 und NADH+H+. Sie übertragen Elektronen auf die Komplexe der Atmungskette, wo sie zusammen mit 2 H+ schließlich mit Sauerstoff zu Wasser reagieren. Außerdem trägt die Übertragung der Elektronen auf die Komplexe zum Aufbau eines Protonengradienten über die innere Mitochondrienmembran bei, der zur ATP-Generierung unerlässlich ist.
Mithilfe eines Moleküls NADH+H+ können in der Atmungskette 2,5 ATP generiert werden. Für FADH2 sind es 1,5 ATP. Zusammen mit dem direkt erzeugten GTP liegt die Bilanz des Citratzyklus für einen Durchlauf bei etwa 10 ATP.
Es kann sinnvoll sein, bei der Energiebilanz von einem Molekül Glucose auszugehen. In der Glykolyse entstehen daraus zwei Moleküle Pyruvat. Folglich gibt es auch das Acetyl-CoA gleich zweimal, wodurch sich die Ausbeute des Citratzyklus auf 20 ATP verdoppelt.
Citratzyklus Regulation
Wie fast jede Reaktion des Körpers läuft auch der Citratzyklus nicht unkontrolliert ab. Genau wie die Glykolyse ist die Regulation des Citratzyklus mit dem Energiehaushalt der Zelle gekoppelt.
Eine Regulation, die an die Energieladung einer Zelle angepasst ist, kannst Du dir vorstellen wie die Küche in einem Restaurant.
An manchen Tagen gibt es viele Gäste mit großem Hunger, entsprechend muss viel gekocht werden. An anderen Tagen ist der Andrang nicht ganz so groß oder die Menschen sind schon satt und bestellen weniger. Die Köche sind dann nicht ganz so ausgelastet.
Übertragen bedeutet das: Produkte, die eine hohe Energieladung der Zelle anzeigen (NADH+H+, ATP), inhibieren den Citratzyklus, während Moleküle, die eine niedrige Energieladung anzeigen (NAD+, ADP) ihn aktivieren. So kann die Zelle in verschiedenen Situationen optimal versorgt werden.
Natürlich gibt es noch weitere Möglichkeiten der Regulation. Dazu gehört unter anderem ein hohes Angebot an Acetyl-CoA (Aktivierung) oder Citrat (Inhibition).
Citratzyklus – Das Wichtigste
- Der Citratzyklus ist Teil der aeroben Zellatmung und läuft im Cytoplasma der Prokaryoten und in der Matrix der Mitochondiren in Eukaryoten ab. Er schließt sich an die oxidative Decarboxylierung (Pyruvatoxidation) nach der Glykolyse an.
- Außer am Kohlenhydratstoffwechsel ist der Citratzyklus auch am Fettsäure- und Aminosäurestoffwechsel beteiligt.
- Der Citratzyklus ist nicht nur katabol, sondern auch anabol: Er dient auch Bereitstellung von Molekülen für verschiedene Synthesen.
- Acetyl-CoA wird im Citratzyklus verwendet, um 3 NADH+H+, 1 FADH und 1 GTP zu synthetisieren.
- An den Citratzyklus schließt sich die Atmungskette an, weshalb pro Molekül Acetyl-CoA 10 ATP entstehen können.
Nachweise
- https://www.u-helmich.de/bio/Stoffwechsel/reihe3/2-Citratzyklus/
- viamedici.thieme.de: Citratzyklus: Reaktionen. (07.07.22)
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