Citronensäurecyclus

Der Citratcyclus stellt den zentralen Prozess des Stoffwechsels von Lebewesen dar. Durch den Citratcyclus werden alle Nahrungsstoffe zu Kohlenstoffdioxid abgebaut. Außerdem bestimmt der Cyclus ob ein Überangebot an Nahrung in der Leber als Glykogen oder als Fett gespeichert wird.

 

Aufgrund seiner Komplexizität dauerte es lange, bis der Cyclus in seiner Funktion und Wirkungsweise verstanden wurde. Im Jahr 1937 wurde der Citratcyclus von Hans Krebs (Nobelpreisträger 1953) publziert.

 

Der Zitronensäurezyklus ist von der Atmungskette abgekoppelt, sodass es notwendig ist ein anderes Oxidationsmittel als Sauerstoff zu nutzten. Im Zitronensäurezyklus spielen die Oxidationsmittel Nicotinamid-Dinucleotid (NAD+) sowie Flavin-Adenin-Dinucleotid (FAD) eine bedeutende Rolle.

 

Der Citratzyklus ist der dritte von vier Schritten im Kohlenhydrat-Katabolismus (Abbau von energiereichen, kohlenstoffhaltigen Verbindungen). Er findet nach der Glykolyse und der oxidativen Decarboxylierung von Brenztraubensäure, jedoch vor der Endoxidation (Atmungskette) statt.

 

Glykolyse → oxidative Decarboxylierung → Zitronensäurezyklus → Atmungskette

In den Citratzyklus tritt das Abbauprodukt der Glukose oder einer Fettsäure in Form von Acetyl-CoA ein. Diese "aktivierte Essigsäure" (ein an Coenzym A gebundener Essigsäure-Rest) wird im Citratzyklus vollständig zu Kohlendioxid und an Nikotinsäureadenindinucleotid (NAD+) und Flavinadenindinucleotid (FAD) gebundenen Wasserstoff (NADH + H+ bzw. FADH2) abgebaut. NADH + H+ und FADH2 werden in der nachgeschalteten Atmungskette mit Sauerstoff zu Wasser und NAD+ bzw. FAD oxidiert. Diese gesteuerte "Verbrennung" liefert Energie in Form von ATP.

Der Citratzyklus läuft bei Eukaryoten in den Mitochondrien, bei Prokaryoten im Cytoplasma oder gegebenenfalls in Mitochondrienäquivalenten ab. Er ist Teil oxidativer Abbauprozesse und geht bei aeroben Organismen der eigentlichen Atmungskette voraus. Anaerobe Organismen mit fermentativem Energiestoffwechsel verwenden zunächst die gleichen Abbauwege für energiereiche organische Substanzen,  dann aber nicht die oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien, sondern andere, nicht von Sauerstoff abhängige Fermentationsprozesse, um Energie zu gewinnen.

 

 

Citrat-Synthase (1):

Zunächst bindet die Citrat-Sythase das Oxalacetat. Dadurch wird eine Bindungsstelle für das Acetyl-Coenzym A. Im Anschluss daran findet eine aldolartige Addition mit einer sich anschließenden Hydrolyse des Thioethers zum Citrat.

 

Aconitase (2):

Die Aconitase dient als Katalysator für die Isomerisierung von Citrat zum Isocitrat. Die Reaktion verläuft über einen Zwischenschritt - dem Aconitrat, welches durch Dehydratisierung zum Isocitrat wird.

 

Isocitrat-Dehydrogenase (3):

Dieses Enzym besitzt ein Molekulargewicht von etwa 380.000g/mol und besteht aus 8 identischen Untereinheiten. Durch das Enzym wird die Hydroxylgruppe des Isocitrats mit Hilfe von NAD+ zur Ketofunktion oxidiert. Man erhält schließlich das Oxalsuccinat, welches durch zweiwertige Metallionen decarboxyliert. Es wird dabei Kohlenstoffdioxid freigesetzt.

 

a-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex (4):

Dieser Komplex stellt einen gigantischen Multienzym-Komplex dar mit einem Molekulargewicht von über 5.000.000g/mol. Das a-Ketoglutarat wird in einer komplizierten Reaktionskaskade zum Succinyl-CoA umgesetzt. Bei diesem Prozess werden NAD+ sowie das Coenzym A und Thiamin benötigt. Dabei wird wiederum Kohlenstoffdioxid freigesetzt.

 

Succinyl-CoA-Synthase (5):

Die Synthase besitzt zwei Untereinheiten, welche ein Molekulargewicht von etwa 32.000 bzw. 42.000 besitzen. Sie katalysiert die Hydrolyse des Thioesters Succinyl-CoA.

 

Succinat-Dehydrogenase (6):

Das Enzym besteht aus 4 Untereinheiten und dient zur Oxidation des Succinat mit Hilfe von FAD.

 

Fumarase (7):

Die Fumarase wird durch Addition von Wasser katalysiert. Das Enzym stellt ein Tetramer dar.

 

Malat-Dehydrogenase (8):

Im letzten Schritt des Citratcyclus wird Malat mit Hilfe eines Enzyms zu Oxalacetat oxidiert. Dabei oxidiert NAD+ einen sekundären Alkohol zur Ketogruppe.