Citratzyklus
Unter dem Begriff Citratzyklus (auch Zitratzyklus, Tricarbonsäurezyklus oder Krebs-Zyklus genannt) fasst man eine Folge biochemischer Reaktionen zusammen, die in lebenden Zellen ablaufen, bei denen die Zitronensäure (Salz: Citrat) beteiligt ist. Diese wird in andere organische Polycarbonsäuren umgewandelt, um die chemischen Grundlagen für die beiden Decarboxylierungsschritte und für die Gewinnung von Reduktionsäquivalenten bereitszustellen. Zu Ehren von Sir Hans Adolf Krebs (1900-1981)wird die Reaktionsfolge auch als "Krebs-Zyklus" bezeichnet. Krebs erhielt 1953 den Nobelpreis für Medizin für die Klärung metabolischer Abbauwege.In den Citratzyklus tritt das Abbauprodukt der Glukose oder einer Fettsäure in Form von Acetyl-CoA ein. Diese "aktivierte Essigsäure" (ein an ein Coenzym-gebundener Essigsäure-Rest) wird im Zyklus und der nachgeschalteten Atmungskette vollständig zu Kohlendioxid und Wasserstoff abgebaut. Diese gesteuerte "Verbrennung" liefert Energie in Form von ATP.
Der Citratzyklus läuft in den Mitochondrien von Eukaryoten sowie im Cytoplasma von Prokaryoten ab. Er ist Teil oxidativer Abbauprozesse und geht bei aeroben Organismen der eigentlichen 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.
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 von Brenztraubensäure (Salz: Pyruvat, jedoch vor der Endoxidation (Atmungskette) statt, also:
Glykolyse | V oxidativen Decarboxylierung | V Zitronensäurezyklus | V Atmungskette
Reaktionen des Citratzyklus
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. Wie erwähnt ist Acetyl-CoA das Produkt eines vorangegangenen Abbauweges, z.B. der Glykolyse, des Protein-Katabolismus oder des Fett-Katabolismus (→Abbildung 2).
Molekül | Enzym | Reaktionstyp | Rektionspartner/ Coenzyme | Produkte/ Coenzyme |
---|---|---|---|---|
I. Citrat | 1. Aconitase | De-hydratisierung | H2O | |
II. cis-Aconitat | 2. Aconitase | Re-hydratisierung | 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 | Phosphat-Transfer | GDP Pi | GTP CoA-SH |
VII. Succinat | 7. Succinat Dehydrogenase | Oxidation | FAD+ | FADH2 |
VIII. Fumarat | 8. Fumarase | Hydratisierung | ||
IX. L-Malat | 9. Malat Dehydrogenase | Oxidation | NAD+ | NADH+H+ |
X. Oxalacetat | 10. Citrat Synthetase | Addition | ||
XI. Acetyl-CoA |
Summarische Zusammenfassung
Die Summe aller Reaktionen im Citratzyklus ist :
CoA-SH + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + 2 CO2Der Citratzyklus im Stoffwechsel
|
Abbildung 2 : Schematische Darstellung der mit dem Citratzyklus assoziierten metabolischen Wege.
|
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, Glukose-Stoffwechsel
Weblinks