Citratzyklus

Citratzyklus Definition

Bei NADH+H⁺ und FADH₂ handelt es sich um Reduktionsäquivalente.

Neben seiner zentralen Funktion im Energiestoffwechsel dient der Citratzyklus auch der Bereitstellung von Molekülen, die für verschiedene Synthesen verwendet werden können.

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.

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 ($\mathrm{C}=\mathrm{O}$).

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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).

6. Schritt: Redoxreaktion

Reaktion: In einer Redoxreaktion wird Succinat zu Fumarat oxidiert und FAD zu FADH₂ reduziert.Enzym: Succinatdehydrogenase

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:

Citratzyklus Bilanz

Nachdem Du nun die einzelnen Schritte des Citratzyklus kennengelernt hast, hier noch einmal ein Überblick als Reaktionsgleichung:

$\mathrm{Acetyl}-\mathrm{CoA}+{\mathrm{FAD}}^{+}+3{\mathrm{NAD}}^{+}+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+\mathrm{GDP}+\mathrm{P}\to 2{\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{FADH}}_2+3\mathrm{NADH}+3{\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{GTP}+\mathrm{CoA}$

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.

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.

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).