1. Allgemeines

Der Citratzyklus wird auch Tricarbonsäurezyklus oder zu Ehren von Hans Adolf Krebs (1900-1981), der 1953 den Nobelpreis für Medizin für die Klärung metabolischer Abbauwege erhielt, Krebszyklus genannt. Hierbei handelt es sich um einen zentralen Stoffwechselvorgang, bei dem die Endprodukte aus dem Kohlenhydrat-, Fett- und Aminosäureabbau unter Energiegewinnung zu Kohlenstoffdioxid und letztendlich in der Atmungskette zu Wasser abgebaut werden.

Bei der Glykolyse fällt als aerobes Endprodukt Pyruvat an und bei der ?-Oxidation der Fettsäuren ist das Ketoacyl-CoA das relevante Molekül zum Übergang in den Citratzyklus. Die Abbauprodukte der beiden Makronährstoffe reagieren hierfür zur Essigsäure (CH3 COOH), dass heißt sie werden in Bruchstücke aus zwei Kohlenstoffatomen gespalten. Danach werden sie in Form eines Acetylrests (-C(O)CH3) an das Coenzym-A gebunden. Das Coenzym-A (CoA) ist ein komplexes Molekül mit einer Schwefelwasserstoff- bzw. Thiolgruppe (SH-Gruppe), die mit Säuren einen Thioester bildet. Acetyl-CoA stellt einen solchen Ester dar und spielt eine zentrale Rolle im Stoffwechsel, da die Thioesterbindung ein hohes Gruppenübertragungspotential besitzt. Das Acetyl-CoA und die bei der Proteolyse entstandenen Aminosäuren, welche zuvor über den Harnstoffzyklus zum Fumarat abgebaut wurden, werden nun in den Citratzyklus eingeschleust und verstoffwechselt, wobei der hierbei gewonnene Wasserstoff anschließend in der Atmungskette zu Wasser reagiert.
 
Zusammenhang der katabolen Stoffwechselvorgänge
 
Reprinted with permission of Franz Hetzer from www.tgs-chemie.de

2. Ablauf des Citratzyklus

 
Der Citratzyklus läuft in den Mitochondrien von Eukaryonten sowie im Cytoplasma von Prokaryonten ab und dient der Gewinnung energiereicher Verbindungen und Reduktionsäquivalente (1 mol Elektronen, die bei Redoxreaktionen entweder direkt oder in Form von Wasserstoff übertragen werden).
Für die Reaktionen wird kein Sauerstoff benötigt, da sie durch Hydrierung (Anlagerung von Wasserstoff) und Dehydrierung (Abspaltung von Wasserstoff) bewerkstelligt werden. Der Wasserstoff wird hierbei auf Coenzyme übertragen.
 
Der Krebszyklus kann in zwei Phasen unterteilt werden. Die erste Phase (vom Citrat zum Succinat) besteht aus fünf Reaktionsschritten und dient der Gewinnung von zwei Molekülen CO2 aus einem Teilchen Acetyl-CoA.Die zweite Phase, die aus drei Reaktionsschritten besteht, dient der Regeneration des Succinats zu Oxalacetat, um den Kreislauf von neu beginnen zu können.

Zuerst erfolgt eine Verknüpfung der aktivierten Essigsäure (C2-Körper) mit Oxalacetat (C4-Körper) durch Kondensation, also Abspaltung von Wasser. Dadurch entsteht das Citrat (C6-Körper), welches im Gleichgewicht mit seinem Isomer Isocitrat steht. Isomere sind Moleküle, die bei gleicher Summenformel eine andere Strukturformel aufweisen. Die Alkoholgruppe (OH-Gruppe) des entstandenen Isocitrats wird durch das Enzym Isocitrat-Dehydrogenase zu einer Ketogruppe (C=O-Gruppe innerhalb der Kette) dehydriert und wird nun als Oxalsuccinat bezeichnet. Dieses wird mittels der Isocitrat-Dehydrogenase oxidativ zu a-Ketoglutarat decarboxyliert (Entfernung der Carboxylgruppe bzw. CO2), wodurch 2-Oxoglutarat entsteht. Über einen Multienzymkomplex erfolgt die Reaktion zu Succinyl-CoA und es entstehen NADH/H+ (Nikotinamid-Adenin-Dinucleotid mit zwei Wasserstoffen) und Kohlenstoffdioxid. Es folgt eine Hydrolyse mit Abspaltung vom Coenzym-A, wodurch Energie frei wird, die zur Überführung von GDP (Guanosindiphosphat) in GTP (Guanosintriphosphat) verwendet wird.

Das GTP wird mit der Nukleosiddiphosphat-Kinase zu ATP (Adenosintriphosphat) umgewandelt (GTP + ADP ? GDP + ATP).

Dies ist der Grund dafür, dass die vorhandenen Mengen von ADP und ATP den Citratzyklus steuern. Der Zyklus stoppt ohne die Anwesenheit von ADP, da sonst die Energie nicht aufgenommen werden kann und läuft bei großen ADP-Mengen verstärkt ab.

Nun beginnt die zweite Phase.

Das bei der eben genannten Hydrolyse entstandene Succinat wird durch das Enzym Succinat-Dehydrogenase und FAD (Flavin-Adenin-Dinukleotid) als Coenzym (reagiert zu FADH2) zu Fumarat reduziert. An die somit entstandene Doppelbindung wird Wasser durch die Fumarathydratase angelagert und Malat entsteht. Mit der Malatdehydrogenase und NAD+ (Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid) als Coenzym (NADH/H+ entsteht) , wird das Malat zu Oxalacetat reduziert und der Kreislauf ist einmal durchlaufen.

Die beim Citratzyklus gebildeten Reduktionsäquivalente gehen neben GTP bzw. ATP nun in die Atmungskette ein.

Die Energiebilanz des Kreislaufs ergibt drei NADH/H+, ein FADH2 und ein GTP.

Reaktionsgleichung:

Acetyl-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + P + 2H2O ? 2 CO2 + 3(NADH/H+) + FADH2 + GTP + CoA


3. Bedeutung

Die wesentliche Bedeutung des Citratzyklus´ liegt in der Bereitstellung von reaktionsfähigen Wasserstoff (NADH/FADH2) für die Atmungskette, der Entbindung von CO2 und der Bereitstellung von Zwischenverbindungen für die Synthese vieler Stoffwechselprodukte. Eine direkte Energiegewinnung (GTP/ATP) steht hierbei eher im Hintergrund.

 

Darstellung des Citratzyklus´ mit Pyruvat als Ausgangsstoff

 
Quelle: http://home.schule.at/member/neumann/Biochemie/bioch-citratzyklus.htm
Frei zugängliche Unterrichtsunterlage  
 

 

Quellen:

Schlieper, Cornelia A.

„Grundfragen der Ernährung“
18.Auflage
Dr. Felix Büchner-Verlag Handwerk und Technik GmbH
Kiel 2005 

Becker, Hans, Reichling, Jürgen„Grundlagen der Pharmazeutischen Biologie“
4., völlig neu bearbeitete Auflage
Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH
Stuttgart 1999