Citratzyklus

Unter dem Begriff Zitronensäurezyklus (auch Zitratzyklus/Citratzyklus, Tricarbonsäurezyklus oder Krebs-Zyklus genannt) fasst man eine Reihe biochemischer Reaktionen zusammen, die in lebenden Zellen ablaufen, bei denen die Zitronensäure (Citrat) beteiligt ist, die zum Zwecke der Gewinnung von Reduktionsäquivalenten in andere organische Säuren umgewandelt wird.

In den Citratzyklus tritt als einfache organische Kohlenstoffverbindung das Abbauprodukt der Glukose oder einer Fettsäure, die so genannte aktivierte Essigsäure (das heißt, ein an ein Coenzym gebundener Essigsäure-Rest, Acetyl-CoA) ein, um im Zyklus vollständig zu Energie, Kohlendioxid und Wasserstoff abgebaut zu werden.

Die Bezeichnung Krebs-Zyklus ist benannt nach Sir Hans Adolf Krebs (1900-1981), der 1953 den Nobelpreis für Medizin für seine Entdeckung metabolischer Abbauwege erhielt.

Der Citratzyklus läuft in den Mitochondrien von Eukaryoten sowie im Cytoplasma von Prokaryoten ab. Er ist Teil der Zellatmung und geht bei aeroben Organismen den eigentlichen Oxidationsprozessen innerhalb der Atmungskette voraus. Anaerobe Organismen verwenden zunächst die gleichen Abbauwege für energiereiche organische Substanzen, z.B. die Glykolyse, dann aber andere, nicht Sauerstoff-abhängige Fermentationsprozesse, um Energie zu gewinnen. Siehe Gärung.

Table of contents

1 Stellung im Kohlehydrat-Katabolismus 2 Darstellung des Zitronensäurezyklus 3 Summarische Zusammenfassung 4 Der Citratzyklus im Stoffwechsel 5 Weblinks

Stellung im Kohlehydrat-Katabolismus

Der Citratzyklus ist der dritte von vier Schritten im Kohlehydrat-Katabolismus (dem Abbau von energiereichen, Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen). Er findet nach der Glykolyse und der oxidativen Decarboxylierung und vor der Endoxidation (Atmungskette) statt, also:

Glykolyse
   |
   V
oxidativen Decarboxylierung
   |
   V
Zitronensäurezyklus
   |
   V
Atmungskette

Darstellung des Zitronensäurezyklus

Acetyl-CoA tritt in den Citratzyklus ein: Citrat (I) ist das erste Produkt des Zyklus (→Abbildung 1) und wird durch die Kondensation von Oxalacetat (X) und dem Acetylrest des Acetyl-CoA (XI) gebildet. Dabei ist Acetyl-CoA ein Produkt eines vorangegangenen Abbauweges, z.B. der Glykolyse, des Protein-Katabolismus oder des Fett-Katabolismus (→Abbildung 2).

Abbildung 1 : Schematische Darstellung des Citratzyklus. {| border="1" cellpadding="2" cellspacing="0" ! Molekül ! Enzym ! Reaktionstyp ! Rektionspartner/
Coenzyme ! Produkte/
Coenzyme |----- | I. Citrat || 1. Aconitase || Dehydrierung | || H₂O |----- | II. cis-Aconitat | 2. Aconitase || Hydrierung || H₂O | |----- | III. Isocitrat || 3. Isocitrat Dehydrogenase | Oxidation | NAD⁺ || NADH+H⁺ |----- | IV. Oxalosuccinat || 4. Isocitrat Dehydrogenase | Decarboxylierung || || |----- | V. α-Ketoglutarat | 5. α-Ketoglutarat Dehydrogenase | Oxidative Decarboxylierung || NAD⁺
CoA-SH | NADH+H⁺
CO₂ |----- | VI. Succinyl-CoA || 6. Succinyl-CoA Synthetase | Hydrolyse | GDP
P_i || GTP
CoA-SH |----- | VII. Succinat || 7. Succinat Dehydrogenase | Oxidation || FAD⁺ || FADH₂ |----- | VIII. Fumarat || 8. Fumarase || Addition (H₂O) | H₂O || |----- | IX. L-Malat || 9. Malat Dehydrogenase | Oxidation | NAD⁺ || NADH+H⁺ |----- | X. Oxalacetat || 10. Citrat Synthetase | Kondensation || || |----- | XI. Acetyl-CoA || || || || |}

Summarische Zusammenfassung

Die Summe aller Reaktionen im Citratzyklus ist :

Acetyl-CoA + 3 NAD⁺ + FAD + GDP + P_i + 3 H₂O →
CoA-SH + 3 NADH + 3 H⁺ + FADH₂ + GTP + 2 CO₂

• Zwei Kohlenstoffatome verlassen innerhalb des Citratzyklus als CO₂ sozusagen die Citronensäure, so dass am Ende des Zyklus das Oxalacetat entsteht, das zwei neue Kohlenstoffatome, die in Form des Acetyl-CoA angeliefert werden, aufnehmen kann. Das heißt, ein sechs C-Atome enthaltendes Molekül (die Citronensäure) wird in mehreren Schritten zu einem vier C-Atome enthaltenden Molekül (Oxalacetat) abgebaut. Damit ein neuer Zyklus durchlaufen werden kann, muss das Oxalacetat wieder zwei neue Kohlenstoffatome aufnehmen, um zur Citronensäure zu werden. Die dafür nötigen zwei C-Atome liefert das Acetyl-CoA.
• Des weiteren wird die Energie, die bei den einzelnen Reaktionsschritten frei wird, an einer Stelle in GTP (wie ATP eine "universelle Energiewährung" der Zelle) und vor allem in Reduktionsäquivalenten (NADH + H⁺ und FADH₂) gespeichert. Letztere werden dann in der Atmungskette für die Synthese einer Vielzahl von ATP-Molekülen genutzt, was dem Hauptenergiegewinn bei der Zellatmung entspricht. Damit der Citratzyklus ablaufen kann, ist es nötig, dass vorher z.B. Kohlehydrate zu aktivierten Essigsäureresten abgebaut werden, die in Form von Acetyl-CoA in den Zyklus eintreten. NADH + H⁺ und FADH₂ sind Coenzyme, die Wasserstoffionen und Elektronen aufnehmen und bei Bedarf wieder abgeben können.

Die Gesamtenergie, die im Citratzyklus gewonnen wird, entspricht 2 ATP (genauer: GTP), die Gesamtenergie aller vier Reaktionen der Zellatmung (inklusive der Endoxidation in der Atmungskette) entspricht 38 ATP, jeweils pro eingesetztem Molekül Glukose.

Der Citratzyklus im Stoffwechsel

{| border="0" width="100"% | width="1" valign="top" | | valign="top" | Abbildung 2 : Schematische Darstellung der mit dem Citratzyklus assoziierten metabolischen Wege.

1. Proteinkatabolismus: Abbau der Proteine zu den einzelnen Aminosäuren
2. Fettstoffwechel: Beta-Oxidation der Fettsäuren (Abbau) und Fettsynthese ( Lipogenese)
3. Kohlehydrate: Glukolyse bis zum Pyruvat
4. Aminosäuren.
5. Acetyl-CoA.
6. Pyruvat.
7. Citratzyklus.

|}

Im oberen Teil der Abbildung 2 sind (mit den Ziffern 1 bis 3 bezeichnet und braun unterlegt) die drei Klassen von Nährstoffen eingetragen, die im Stoffwechsel abgebaut werden: Proteine, Fette und Kohlehydrate. Durch Abbau der Proteine entstehen Aminosäuren (Ziffer 4), durch Abbau der Kohlehydrate Pyruvat (Brenztraubensäure, Ziffer 6). Weitere Reaktionen lassen sowohl aus den Aminosäuren als auch aus dem Pyruvat Acetyl-CoA (Ziffer 5) entstehen. Aus Fettsäuren (Ziffer 2) werden durch Beta-Oxidation direkt Acetyl-CoA-Moleküle gebildet. Acetyl-CoA kann daher als zentrales Abbauprodukt aller drei Nährstoffklassen bezeichnet werden. Sein Essigsäure-Rest tritt in den Citratzyklus ein und wird dort zwecks Gewinnung von Energie (GTP, in der Abb. fälschlich ATP genannt) und von Reduktionsäquivalenten (NADH + H⁺, FADH₂) und unter Kohlenstoffdioxid-Abgabe weiter abgebaut. Der im Citratzyklus gewonnene, an Coenzyme gebundene Wasserstoff wird der Atmungskette zugeführt, um dort bei der biologischen Knallgasreaktion den Hauptanteil an Zellenergie zu liefern, die in vielen ATP-Molekülen gespeichert wird.

Siehe auch: Glyoxylat-Zyklus, Biochemische Zyklen

Weblinks

• http://www.foerstner.org/konrad/bco/grundlagen/citratcyclus.html