Der Citratzyklus – Bedeutung

Der Citratzyklus, auch als Krebszyklus oder tricarboxylische Säurezyklus (TCA-Zyklus) bezeichnet, ist ein wichtiger Schritt der aeroben (Sauerstoff benötigenden) Zellatmung. Er nutzt das Endprodukt des Abbaus von Kohlenhydraten, Fetten und Aminosäuren, Acetyl-CoA, um die Energiegewinnung in der Atmungskette vorzubereiten. Er dient außerdem der Bereitstellung von Molekülen zur Synthese (Herstellung) von Aminosäuren und Fetten.

Der Citratzyklus läuft bei Eukaryoten (Lebewesen mit Zellkern) in den Mitochondrien (Zellorganellen, die für die Energiegewinnung zuständig sind), bei Prokaryoten (Lebewesen ohne Zellkern) im Cytoplasma (Zellflüssigkeit) oder gegebenenfalls in Mitochondrienäquivalenten ab. Er ist ein amphiboler (sowohl aufbauend als auch abbauend) Stoffwechselprozess, d. h., er kann sowohl anabolen (aufbauenden) als auch katabolen (abbauenden) Stoffwechselwegen dienen.

Der Ablauf des Citratzyklus

1. Schritt: Acetyl-CoA-Reaktion

• Acetyl-CoA (aus der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat oder Fettsäuren) verbindet sich mit Oxalacetat, einem vierkohlenstoffhaltigen Molekül, um Citrat zu bilden.
• Das Enzym Citratsynthase katalysiert diese Reaktion.

2. Schritt: Citratisomerisierung

• Citrat wird von Aconitase in Isocitrat umgewandelt.

3. Schritt: Isocitrat-Dehydrogenase-Reaktion

• Isocitrat wird durch Isocitrat-Dehydrogenase oxidiert.
• Dies führt zur Abgabe von NADH (Nicotinamidadenindinukleotid) und zur Bildung von alpha-Ketoglutarat.

4. Schritt: alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Reaktion

• alpha-Ketoglutarat wird von der alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase oxidiert.
• Dies führt zur Freisetzung von NADH und zur Bildung von Succinyl-CoA.

5. Schritt: Succinyl-CoA-Synthese

• Succinyl-CoA reagiert mit Guanosindiphosphat (GDP) und anorganischem Phosphat (Pi) zu Succinat und Guanosintriphosphat (GTP).
• Die Succinyl-CoA-Synthetase katalysiert diese reversible Reaktion.

6. Schritt: Succinat-Dehydrogenase-Reaktion

• Succinat wird durch Succinat-Dehydrogenase oxidiert.
• Dies führt zur Bildung von FADH2 (Flavinadenindinukleotid) und zur Bildung von Fumarat.

7. Schritt: Fumarase-Reaktion

• Fumarat wird von Fumarase zu Malat hydratisiert.

8. Schritt: Malat-Dehydrogenase-Reaktion

• Malat wird von Malat-Dehydrogenase oxidiert.
• Dies führt zur Bildung von NADH und zur Regeneration von Oxalacetat.

Der Oxalacetat kann dann wieder mit Acetyl-CoA reagieren, um den Kreislauf fortzusetzen. Der Citratzyklus spielt eine entscheidende Rolle bei der Energieerzeugung im Körper, da er NADH und FADH2 produziert, die in der Atmungskette zur Bildung von ATP verwendet werden.

Cofaktoren des Citratzyklus 

Für den Citratzyklus werden verschiedene Cofaktoren und Moleküle benötigt, darunter Eisen, Mangan, Magnesium, die Vitamine B1, B2, B3, B7 und α-Liponsäure. Wenn diese Cofaktoren fehlen, kann der Citratzyklus und damit auch die Energiegewinnung beeinträchtigt werden, deswegen werden diese unter anderem auch als essentielle Nährstoffe bezeichnet.

Einige Enzyme des Citratzyklus benötigen auch dieselben Cofaktoren wie die Enzyme der Pyruvatdehydrogenase. Dazu gehören TPP (Thiaminpyrophosphat), Liponamid, Coenzym A, FAD (Flavin-Adenin-Dinukleotid) und NAD+ (Nicotinamidadenindinukleotid)

Hier sind einige Beispiele für Cofaktoren, Vitamine, Mineralien und Makronährstoffe, die im Citratzyklus eine Rolle spielen:

1. Thiamin (Vitamin B1): Thiamin ist ein Cofaktor für das Enzym Pyruvatdehydrogenase, das Pyruvat zu Acetyl-CoA umwandelt, das dann in den Citratzyklus eingespeist wird.

2. Riboflavin (Vitamin B2): Riboflavin ist ein Vorläufer für FAD (Flavinadenindinukleotid), ein Cofaktor bei der Reaktion der Succinat-Dehydrogenase.

3. Niacin (Vitamin B3): Niacin wird benötigt, um NAD+ (Nicotinamidadenindinukleotid) zu synthetisieren. NAD+ ist ein Cofaktor bei mehreren Reaktionen des Citratzyklus.
4. Biotin (Vitamin B7): Biotin ist ein Cofaktor für das Enzym Pyruvat-Carboxylase im Citratzyklus. Pyruvat-Carboxylase katalysiert die Carboxylierung von Pyruvat zu Oxalacetat, was eine Schlüsselreaktion für den Einstieg von Acetyl-CoA in den Citratzyklus ist.
5. Eisen: Eisen ist ein Mineral, das für die Aktivität der Aconitase im Citratzyklus erforderlich ist.
6. Magnesium: Magnesium wird für die Aktivität mehrerer Enzyme im Citratzyklus benötigt, einschließlich der Citratsynthase und der Isocitrat-Dehydrogenase.
7. Mangan: Mangan ist ein Spurenelement, das als Cofaktor für die Aktivität der Enzyme Pyruvat-Carboxylase und Malat-Dehydrogenase im Citratzyklus benötigt wird. Die Pyruvat-Carboxylase katalysiert die Umwandlung von Pyruvat in Oxalacetat, während die Malat-Dehydrogenase die Oxidation von Malat zu Oxalacetat katalysiert..
8. α-Liponsäure: α-Liponsäure (auch bekannt als Thioctsäure) ist ein Coenzym, das eine wichtige Rolle bei der Aktivierung des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes spielt. Dieser Komplex ist entscheidend für den ersten Schritt des Citratzyklus, bei dem Pyruvat in Acetyl-CoA umgewandelt wird. α-Liponsäure ist für die Bildung von Acetyl-CoA aus Pyruvat von zentraler Bedeutung.
9. Coenzym A: Coenzym A ist eine Verbindung, die das Acetyl-CoA-Molekül trägt und es in den Citratzyklus einspeist.
10. Sauerstoff: Sauerstoff ist für die oxidative Phosphorylierung und den Elektronentransport in der Atmungskette erforderlich, die mit dem Citratzyklus zusammenhängen.
11. Kohlenhydrate, Fettsäuren & Aminosäuren: Kohlenhydrate und Fettsäuren dienen als Hauptsubstrate für den Citratzyklus. Sie werden in Form von Glukose bzw. Fettsäuren abgebaut und in Acetyl-CoA umgewandelt, das dann in den Citratzyklus eingehen kann.

Diese Cofaktoren, Vitamine, Mineralien und Makronährstoffe sind entscheidend für die ordnungsgemäße Funktion des Citratzyklus und die Energieerzeugung im Körper.

Enzyme im Citratzyklus

Diese nachfolgenden Enzyme/Proteine spielen im Citratzyklus eine entscheidende Rolle bei der Katalyse der Reaktionen. Durch ihre spezifische Struktur und Funktion ermöglichen sie die Umwandlung und den Transport von Molekülen, die für den Energiestoffwechsel und die Bereitstellung von ATP von entscheidender Bedeutung sind.

Die wichtigsten Enzyme im Citratzyklus sind:

1. Citratsynthase: Dieses Enzym katalysiert die Bildung von Citrat aus Acetyl-CoA und Oxalacetat.
2. Aconitase: Aconitase ist für die Isomerisierung von Citrat zu Isocitrat verantwortlich.
3. Isocitrat-Dehydrogenase: Dieses Enzym katalysiert die Oxidation von Isocitrat zu alpha-Ketoglutarat.
4. alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex: Dieser Komplex katalysiert die oxidative Decarboxylierung von alpha-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA.
5. Succinyl-CoA-Synthetase: Dieses Enzym katalysiert die reversible Umwandlung von Succinyl-CoA in Succinat.
6. Succinat-Dehydrogenase: Succinat-Dehydrogenase oxidiert Succinat zu Fumarat.
7. Fumarase: Fumarase katalysiert die Hydratisierung von Fumarat zu Malat.
8. Malat-Dehydrogenase: Dieses Enzym oxidiert Malat zu Oxalacetat.

Was ist Adenosintriphosphat (ATP)

Adenosintriphosphat kurz ATP ist eine energiereiche Verbindung, die in den Zellen von Lebewesen als universelle Energiequelle dient. Die Energie wird in den Phosphatbindungen des Moleküls gespeichert und kann durch die Hydrolyse von ATP zu ADP (Adenosindiphosphat) und einem freien Phosphatmolekül freigesetzt werden. Diese freigesetzte Energie wird dann von der Zelle genutzt, um verschiedene Prozesse wie Muskelkontraktionen, aktiven Transport von Molekülen durch Membranen und die Synthese von Biomolekülen anzutreiben.

Mehr zum Thema ATP in unserem separaten ausführlichen Artikel.