Citratzyklus

Citratzyklus einfach erklärt

Der Citratzyklus (auch Zitratzyklus, Krebs-Zyklus, Zitronensäurezyklus oder Tricarbonsäurezyklus) ist ein kreisläufiger biochemischer Stoffwechselweg. Dabei handelt es sich um einen Prozess, der Energie bereitstellt und sowohl beim Abbau von Kohlenhydraten als auch von Fetten und Proteinen eine Rolle spielt.

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Der Ort des Citratzyklus ist bei Eukaryoten  (Tiere , Pflanzen , Pilze) das Mitochondrium und bei Prokaryoten das Cytoplasma . Er findet nach der Glykolyse statt und mündet daraufhin in die Atmungskette . Die Hauptaufgabe des Citratzyklus ist die Energiegewinnung.

Die Nettoreaktionsgleichung (auch Bilanz) des Citratzyklus lautet:

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

Entdeckung des Citratzyklus

Der Citratzyklus wurde im Jahr 1937 von dem Biochemiker Hans Krebs beschrieben und wird deswegen auch Krebszyklus genannt. Der Wissenschaftler fand mithilfe verschiedener Experimente heraus, welche Zwischenprodukte bei der Pyruvatoxidation entstehen und dass es sich um einen zyklischen Prozess handeln muss. Seine Beobachtungen basierten auf der Forschung des Biochemikers Albert Szent-Györgyi.

Citratzyklus Funktionen

Der Citratzyklus besitzt mehrere wichtige Funktionen:

• Direkte Energiegewinnung: Während des Zyklus wird Energie in Form von GTP (Guanosintriphosphat) gewonnen. Es ist dem ATP (Adenosintriphosphat) — der Energiespeicherverbindung in unserem Körper — strukturell sehr ähnlich.
• Indirekte Energiegewinnung: Der Prozess dient der Bereitstellung von bestimmten Oxidationsmitteln , auch Elektronencarriermoleküle genannt. Dazu gehören die Moleküle NAD+ und FAD. Sie sind in der Lage Elektronen aufzunehmen und zu transportieren. Im Citratzyklus werden nun Elektronen, die bei der Oxidation bestimmter Moleküle abgegeben werden, auf diese Carrier übertragen. Sie werden also reduziert. Ihre Elektronen geben sie schließlich in einem nachfolgenden Stoffwechselweg — der Atmungskette — ab. Dadurch kann nutzbare Energie in Form von ATP hergestellt werden.
• Bereitstellung von Molekülen: Während des Citratzyklus werden Zwischenprodukte, sogenannte Intermediate, hergestellt. Aus ihnen können durch Biosyntheseprozesse andere Moleküle, wie Aminosäuren oder Nucleotide, gebildet werden.

Wie du siehst, handelt es sich beim Citratzyklus sowohl um einen anabolen (= aufbauenden) als auch einen katabolen (= abbauenden) Stoffwechselweg. Du kannst ihn deshalb auch als amphibol bezeichnen.

Citratzyklus Ablauf

Der Citratzyklus ist ein im Kreis ablaufender Stoffwechselweg. Er besteht aus 8 enzymatisch katalysierten Einzelreaktionen. Den gesamten Ablauf des Citratzyklus kannst du in der Abbildung erkennen:

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Betrachten wir nun die acht Einzelreaktionen im Detail: 

Schritt 1: Oxalacetat (C4) + Acetyl-CoA (C2) Citrat (C6)

Die Acetylgruppe der C2-Verbindung Acetyl-CoA wird mit einer C4-Verbindung (Oxalacetat) verknüpft. Daran ist das Enzym Citrat-Synthase beteiligt.

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Es entsteht eine aus 6 Kohlenstoffatomen bestehende Verbindung, die du als Citrat (= Salz der Zitronensäure) bezeichnest.

Schritt 2 : Citrat (C6) Isocitrat (C6)

Im nächsten Schritt wird die OH-Gruppe von dem Citrat an ein benachbartes Kohlenstoffatom abgegeben. Citrat lagert sich also mithilfe des Enzyms Aconitase zu Isocitrat um.

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Beide Verbindungen besitzen die gleichen Atome, sie sind nur jeweils anders angeordnet (=Isomere ).

Schritt 3: Isocitrat (C6) α-Ketoglutarat (C5) 

Daraufhin wird Isocitat oxidiert, es gibt also Elektronen ab. Die Elektronen werden auf den Elektronencarrier NAD⁺ übertragen. Dabei entsteht ein Molekül NADH. Außerdem wird bei diesem Schritt ein Molekül CO₂ abgespalten.

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Es handelt sich hierbei um eine sogenannte Decarboxylierung. Daran ist ein Enzym namens Isocitrat-Dehydrogenase beteiligt.

Schritt 4: α-Ketoglutarat (C5) Succinyl-CoA (C4)

Im nächsten Reaktionsschritt erfolgt eine weitere Oxidation und CO₂-Abspaltung. Es entsteht wieder ein Molekül NADH. Zusätzlich überträgt ein Multienzymkomplex eine Coenzym A-Gruppe auf das gebildete Molekül. Es entsteht Succinyl-CoA.

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Succinyl-CoA ist ein Molekül, das wie Acetyl-CoA eine sehr energiereiche Bindung enthält.

Schritt 5: Succinyl-CoA (C4) Succinat (C4)

Danach spaltet Succinyl-CoA durch ein Enzym namens Succinyl-CoA-Synthetase das Coenzym A wieder ab. Dabei wird Energie in Form von GTP frei. GTP wird anschließend zu ATP umgewandelt. Das entstehende Molekül bezeichnest du als Succinat.

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Schritt 6: Succinat (C4) Fumarat (C4)

Succinat wird nun im nächsten Reaktionsschritt zu Fumarat oxidiert. Die dabei abgegebenen Elektronen und Wasserstoffprotonen werden auf das Oxidationsmittel FAD übertragen. Dabei entsteht ein Molekül FADH₂.

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Schon gewusst? Fumarat dient auch dem Aufbau verschiedener Aminosäuren wie Tyrosin oder Phenylalanin.

Schritt 7: Fumarat (C4) Malat (C4) 

Das Enzym Fumarase veranlasst im nächsten Schritt, dass sich ein Wassermolekül an die Doppelbindung von Fumarat bindet. In dieser Hydratisierungsreaktion entsteht Malat (= Anion der Apfelsäure).

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Schritt 8: Malat (C4) Oxalacetat (C4) 

Die OH-Gruppe vom Malat wird dann im letzten Reaktionsschritt durch die Malatdehydrogenase zu einer Carbonylgruppe oxidiert. Es bildet sich das Molekül Oxalacetat. Außerdem entsteht ein Molekül NADH. Oxalacetat kann nun wieder mit Acetyl-CoA zu Citrat reagieren und den Zyklus erneut durchlaufen.

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Übrigens: Die einzelnen Moleküle im Citratzyklus kannst du dir ganz leicht mit diesem Merksatz einprägen: Citronen (= Citrat) im (= Isocitrat) Koma (= α-Ketoglutarat) sind (=Succinyl CoA) super (=Succinat) für (=Fumarat) meine (=Malat) Oma (=Oxalacetat).

Citratzyklus Energiebilanz

Für jedes Glucosemolekül, das zuvor in der Glykolyse abgebaut wird, wird der Zyklus zweimal durchlaufen. Es entstehen nämlich jeweils zwei Pyruvat-Moleküle aus einem Glucose-Molekül.

Zusammenfassend lässt sich der Ablauf folgendermaßen darstellen:

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Beim Krebszyklus spielen dabei folgende Moleküle eine Rolle:

• Input: Acetat (in Form von Acetyl-CoA), Wasser, die oxidierten Elektronencarrier (NAD⁺ und FAD) und der Phosphatakzeptor GDP
• Output: Kohlenstoffdioxid (CO₂), die reduzierten Elektronencarrier oder Reduktionsäquivalente NADH und FADH₂ und GTP

Die Bilanz des Citratzyklus sieht in Form einer Reaktionsgleichung folgendermaßen aus:

Pro Molekül NADH kann in der Atmungskette die Synthese von ca. 2,5 ATP-Molekülen stattfinden. Pro Molekül FADH₂ können etwa 1,5 ATP-Moleküle umgesetzt werden und aus dem GTP wird nochmal 1 ATP. Für einen vollständigen Durchlauf des Citratzyklus beträgt die Energiebilanz also 10 Moleküle ATP. Diese Zahl wurde in älterer Literatur überschätzt, da dort oftmals von einem Gewinn von 12 ATP-Molekülen die Rede ist.

Citratzyklus Acetyl-CoA

Der Citratzyklus gilt als die „Drehscheibe des zellulären Stoffwechsels“, denn er vereint die Abbauwege der zellulären Brennstoffe (Fette, Kohlenhydrate und Eiweiße/Proteine). Ausgangspunkt des Citratzyklus stellt das sogenannte Acetyl-Coenzym A Molekül dar, das beim Abbau dieser Nährstoffe entsteht. Du kannst dir darunter eine Nucleotid-ähnliche Verbindung (= Coenzym A) vorstellen, die an einen Essigsäurerest (= Acetat) gebunden ist. Die Bindung ist sehr energiereich, weshalb bei ihrer Spaltung auch sehr viel Energie frei wird. Acetyl-CoA dient deshalb zur Übertragung von Acetylgruppen (= 2 Kohlenstoffatome). 

Acetyl-CoA entsteht auf drei Wegen:

• Fettstoffwechsel: Es entsteht beim Fettsäureabbau, der sogenannten β-Oxidation, als Endprodukt.
• Proteinstoffwechsel: Bei der Zerlegung von bestimmten Aminosäuren fällt Acetyl-CoA an, also beim Abbau von Proteinen.
• Kohlenhydratstoffwechsel: Eine weitere Acetyl-CoA Quelle ist Pyruvat — das Endprodukt der Glykolyse . Es wird in einem weiteren Reaktionsschritt, der Pyruvatoxidation , zu Acetyl-CoA oxidiert.

Der Zitronensäurezyklus kann allerdings nur ablaufen, wenn Sauerstoff vorhanden ist (= aerobe Bedingungen). Bei anaeroben Lebewesen z. B. bei manchen Bakterien kann er nur teilweise ablaufen. Bei den Eukaryoten findet er in den Mitochondrien, genauer gesagt in der Mitochondrienmatrix, statt. Bei den Prokaryoten hingegen ist der Ort des Citratzyklus das Cytoplasma.

Übrigens: Manche Bakterien praktizieren den Zitronensäurezyklus in umgekehrter Richtung, um Kohlenstoffverbindungen aufzubauen. Das kannst du dann auch als reduktiven Citratzyklus bezeichnen.

Citratzyklus Überblick

Hier haben wir dir die wichtigsten Informationen zum Citratzyklus noch einmal zusammengefasst:

• Der Citratzyklus ist ein kreisläufiger Stoffwechselweg. Er besteht aus 8 Einzelreaktionen, die von spezifischen Enzymen katalysiert werden und ist für die Energiegewinnung und die Bereitstellung von Zwischenprodukten für die Synthese von wichtigen Biomolekülen notwendig.
• Bei Eukaryoten findet der Zitronensäurezyklus in den Mitochondrien statt, bei Prokaryoten hingegen im Cytoplasma.
• Den Startpunkt bildet das aus zwei Kohlenstoffatomen bestehende Molekül Acetyl-CoA. Es wird in den Zyklus eingeschleust und dort zu zwei Molekülen Kohlenstoffdioxid (CO₂) oxidiert. Das gasförmige Kohlenstoffdioxid atmen wir dann über die Lungen aus.
• Eine Runde des Zyklus liefert drei Moleküle NADH sowie jeweils ein Molekül FADH₂ und GTP. Die Elektronencarriermoleküle (NADH und FADH₂ ) werden dann zur inneren Mitochondrienmembran weitergeleitet. Denn dort findet die Endoxidation, also die Atmungskette, statt, die sich an den Citratzyklus anschließt.
• Im gesamten Kreislauf besteht ein Fließgleichgewicht. Darunter kannst du verstehen, dass sich die Konzentrationen der Zwischenprodukte kaum ändern, obwohl Zwischenprodukte eingeschleust oder abgezweigt werden.
• Du kannst den Krebs-Zyklus in zwei Phasen einteilen. Die erste Hälfte ist für den Abbau des Kohlenstoffgerüstes in Form von Kohlenstoffdioxidabspaltung zuständig (katabol). Die zweite Hälfte dient dazu, das Akzeptormolekül (Oxalacetat) wiederherzustellen (anabol). Insgesamt bezeichnest du den Citratzyklus als amphibolen Stoffwechselweg.
• Für den Citratzyklus erhalten wir folgende Nettobilanz: Acetyl-CoA + 3 NAD⁺+ FAD + GDP + P_i + 2 H₂O 2 CO₂ + 3 NADH + 3 H⁺ + FADH₂ + GTP + CoA-SH

Zellatmung

Wie du bereits erfahren hast, ist der Citratzyklus Teil der Zellatmung und findet nach der Glykolyse und vor der Atmungskette statt.

Schau dir als nächstes unser Video zur Zellatmung an und finde heraus, wie die anderen Schritte der Zellatmung ablaufen und wie viel Energie der Körper aus einem Molekül Glucose gewinnen kann!