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Citratzyklus

Synonyme: Citronensäurezyklus, Tricarbonsäurezyklus, Krebs-Zyklus
Englisch: citrate cycle, TCA cycle

Inhaltsverzeichnis

1 Definition

Im Citratzyklus treffen die Abbauwege des Kohlenhydrat-, Protein- und Fettstoffwechsels in Form der aktivierten Essigsäure zusammen.

2 Biochemie

Der Acetylrest (C-2 Molekül) aus Acetyl-CoA wird mit Oxalacetat (C-4 Molekül) zu Citrat (C-6 Mölekül) kondensiert. Das C-6 Molekül Citrat wird dann unter zweimaliger CO2 Abspaltung zu der C-4 Verbindung Succinat abgebaut, die schließlich über zwei Stufen zu Oxalacetat oxidiert wird, mit dem dann wieder ein neuer Umlauf beginnt. Mit jedem Umlauf tritt ein Acetyl-Rest in den Zyklus ein, während zwei Moleküle CO2 ihn verlassen. Dabei wird zwar jedesmal ein Molekül Oxalacetat unter Bildung von einem Molekül Citrat verbraucht, aber nach erfolgtem Umlauf wird es wieder zurückgebildet.

Solange der Zyklus läuft, gibt es also keinen Nettoverbrauch an Oxalacetat. Ein Molekül Oxalacetat kann so die Oxidation einer unbegrenzten Anzahl von Acetatmolekülen bewirken. Bei einem vollständigen Umlauf des Zyklus wird Acetat zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert.

Die einzelnen Reaktionsschritte laufen über Hydratisierungen, Dehydratisierungen, Dehydrierungen und Decarboxylierungen ab. Es gibt aber auch eine Reihe von Einmündungsstellen und von Abzweigungen, was zu einer Verzahnung des Citratzyklus mit dem Gesamtstoffwechsel führt.

Somit hat der Citratzyklus als amphibolischer Stoffwechselweg nicht nur katabole Funktionen sondern dient auch der Bereitstellung von Vorstufen für anabole Stoffwechselwege.

Energieliefernd sind nur die vier Dehydrierungsschritte der Substrate (Isocitrat, alpha-Ketoglutarat, Succinat und Malat) durch ihre jeweils spezifischen Dehydrogenasen, deren HCO2 durch die Atmungskette oxidiert wird. Die dabei frei werdende Energie wird in der Atmungskette durch oxidative Phosphorylierung zur Bildung von ATP (Adenosintriphosphat) aus ADP (Adenosindiphosphat) und anorganischem Phosphat verbraucht.

Alle wesentlichen Enzyme des Citratzyklus sind im Matrixraum der Mitochondrien und daher in direkter Nachbarschaft der Atmungskette lokalisiert.

Dadurch ist eine enge Kopplung zwischen den oxidativen Vorgängen im Citratzyklus und der Gewinnung von energiereichen Verbindungen in der Atmungskette gegeben. Man schätzt, dass etwa 50% der energieliefernden Reaktionen des Stoffwechsels über den Citratzyklus verlaufen.

3 Teilschritte des Citratzyklus

Substrat Reaktionspartner/ Coenzym Enzym Reaktion Inhibitor Aktivator Produkt/ Coenzym
1 Oxalacetat Acetyl-CoA, Wasser Citrat-Synthase Kondensation Citrat, NADH, Succinyl-CoA, ATP Citrat
2a Citrat - Aconitase Dehydratisierung cis-Aconitat, Wasser
2b cis-Aconitat Wasser Hydratisierung Isocitrat
3a Isocitrat NAD+ Isocitrat-Dehydrogenase Oxidation NADH, ATP Ca2+, ADP Oxalsuccinat, NADH
3b Oxalsuccinat H+ Decarboxylierung α-Ketoglutarat, CO2
4 α-Ketoglutarat NAD+, CoA-SH α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex Oxidative Decarboxylierung NADH, Succinyl-CoA Ca2+ Succinyl-CoA, NADH, CO2
5 Succinyl-CoA GDP, Phosphat Succinyl-CoA-Synthetase Phosphat-Transfer Succinat, GTP, CoA-SH
6 Succinat FAD Succinat-Dehydrogenase Oxidation Malonat Mg2+ Fumarat, FADH2
7 Fumarat Wasser Fumarase Hydratisierung L-Malat
8 L-Malat NAD+ Malatdehydrogenase Oxidation Oxalacetat, NADH
Nicht zum Citratzyklus gehören:
A Pyruvat NAD+, CoA-SH Pyruvatdehydrogenase-Komplex Oxidative Decarboxylierung NADH, Acetyl-CoA Ca2+ Acetyl-CoA
B Pyruvat ATP, H+, CO2 Pyruvatcarboxylase Carboxylierung Acetyl-CoA Oxalacetat, ADP, Phosphat

Tabelle modifiziert nach wikipedia

4 Energieausbeute

Die bedeutendste und somit auch wichtigste Funktion des gesamten Citratzyklus besteht darin, Acetylgruppen zu oxidieren, damit Elektronen für die Atmungskette frei werden. Somit trägt der Citratzyklus indirekt wesentlich zur ATP-Synthese der Zellen bei.

In alten Lehrbüchern der Biochemie wurde mehrere Jahrzehnte lang eine Tabelle vorgelegt, aus der hervorging, dass jede Runde des Citratzyklus die Synthese von exakt 12 ATP erlaubt. Für diese Rechnung war jedoch Voraussetzung, dass 1 NADH die Synthese von 3 ATP ermöglicht und 1 FADH2 die Synthese von 2 ATP. Inzwischen wird jedoch angezweifelt, dass die Elektronen des FADH2 dadurch, dass sie den Komplex I der Atmungskette umgehen, einen geringeren Beitrag zum mitochondrialen Protonengradienten leisten als das NADH selbst.

Die tatsächlichen Zahlen sind zur Zeit (2014) noch unklar - man geht jedoch davon aus, dass die früheren Angaben zu hoch angesetzt sind. Es wird somit vermutet, dass 1 NADH die Synthese von ca. 2,5 ATP, 1 FADH2 die Synthese von ca. 1,5. ATP ermöglicht. Im Anschluss einer vollständig abgelaufenen Runde des Citratzyklus können daher zirka 10 Moleküle ATP synthetisiert werden.

Fachgebiete: Biochemie

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