Citratzyklus – Bedeutung und Bilanz

Citratzyklus – Definition

Im Jahr 1937 entdeckte der Mediziner und Biochemiker Hans Krebs den Citratzyklus. Noch häufig wird dieser nach seinem Entdecker als Krebs‑Zyklus bezeichnet, aber auch Begriffe wie Zitronensäurezyklus und Tricarbonsäurezyklus sind geläufig. Der Citratzyklus gilt als die Drehscheibe des Stoffwechsels. Warum er eine besondere Rolle im Stoffwechsel spielt, was im Citratzyklus genau passiert und welcher Zusammenhang zur Zellatmung besteht, erfährst du im Folgenden.

Citratzyklus – Verortung

Der Citratzyklus ist ein Teil der Zellatmung und findet nach der Glykolyse und vor der Atmungskette statt. In Zellen von Eukaryoten (Tiere, Pflanzen, Pilze) sind die Reaktionen des Citratzyklus in den Mitochondrien lokalisiert.

In Prokaryoten (Bakterien, Archaeen) findet der Citratzyklus im Zytoplasma statt. Wenn dir die Unterschiede zwischen Eukaryoten und Prokaryoten nicht ganz klar sind, hilft dir das Video über Zellen weiter.

Citratzyklus – Ablauf

Wir erinnern uns: Das Endprodukt der Glykolyse ist Pyruvat, ein „$\ce{C3}$‑Körper“. Dabei steht das „$\ce{C}$“ als Elementsymbol für Kohlenstoff und die „$3$“ für die Anzahl der Kohlenstoffatome im Molekül. Im Citratzyklus geht es stets um den Abbau und Aufbau von Kohlenstoffverbindungen, daher wird vereinfacht die Anzahl der Kohlenstoffatome mit „$\ce{C}_x$“ $\left( x = 1, 2, 3 ... \right)$ angegeben.

Pyruvat $\left( \ce{C3} \right)$ wird durch die oxidative Decarboxylierung zu Essigsäure abgebaut, die an das Coenzym A $\left( \ce{CoA-SH} \right)$ gebunden und somit aktiviert wird. Diese Verbindung wird als Acteyl$\ce{-CoA-SH}$ bezeichnet und bildet den Ausgangspunkt des Citratzyklus. Betrachten wir im Folgenden die acht Einzelreaktionen des Citratzyklus:

1. Schritt – Citratsynthese
$\ce{Acetyl-CoA-SH}$ reagiert mit Oxalacetat $\left( \ce{C4} \right)$ zu Citrat $\left( \ce{C6} \right)$. Dabei katalysiert das Enzym Citratsynthase die Übertragung des Acetylrests von Coenzym A auf das Oxalacetat. Coenzym A wird somit regeneriert.

2. Schritt – Isomerisation
Das Enzym Aconitrathydratase, auch Aconitase, verlagert die Hydroxygruppe $\left( \ce{-OH} \right)$ des Citrats und generiert so Isocitrat.

3. und 4. Schritt – oxidative Decarboxylierung
Der dritte und der vierte Schritt lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: Isocitrat $\left( \ce{C6} \right)$ wird durch zweifache oxidative Decarboxylierung zu Succinyl $\left( \ce{C4} \right)\ce{-CoA-SH}$ abgebaut. Dabei werden zwei Moleküle Kohlenstoffdioxid frei und Energie in Form von Elektronen auf $\ce{NAD+}$ übertragen. Es entstehen dabei insgesamt zwei Moleküle $\ce{NADH + H+}$. Schauen wir uns nun die beiden Schritte noch einmal genauer an.

Im 3. Schritt wird Isocitrat mittels Isocitrat-Dehydrogenase zu $\alpha$-Ketoglutarat umgewandelt. Es entstehen je ein Molekül Kohlenstoffdioxid und $\ce{NADH + H+}$.

Im 4. Schritt wird $\alpha$-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA umgewandelt. Neben dem Enzym $\alpha$-Ketoglutarat-Dehydrogenase sind an der zweiten oxidativen Decarboxylierung weitere Cofaktoren beteiligt – unter anderem das schon bekannte Coenzym A. Als Nebenprodukte entstehen abermals je ein Molekül Kohlenstoffdioxid und $\ce{NADH + H+}$.

5. Schritt – GTP-Entstehung
Das Coenzym A wird mithilfe des Enzyms Succinyl-CoA-Synthetase abgespalten, wonach freies Succinat entsteht. Durch die Hydrolyse der energiereichen Bindung werden Elektronen frei, die auf $\ce{GDP + P_i}$ übertragen werden. Es entsteht ein Molekül $\ce{GTP}$.

6. Schritt – Redoxreaktion
Succinat $\left( \ce{C4} \right)$ wird zu Fumarat $\left( \ce{C4} \right)$ oxidiert. Dabei wird energiereiches $\ce{FADH2}$ mithilfe des Enzyms Succinat-Dehydrogenase generiert.

7. Schritt – Hydratisierung

Fumarat $\left( \ce{C4} \right)$

wird durch eine Kondensationsreaktion (Anlagerung von Wasser) zu Malat $\left( \ce{C4} \right)$ umgewandelt. Diese Reaktion wird durch das Enzym Fumarat-Hydratase, auch Fumarase, katalysiert.

8. Schritt – Redoxreaktion
In der letzten Reaktion des Citratzyklus wird Malat durch das Enzym Malat-Dehydrogenase zu Oxalacetat $\left( \ce{C4} \right)$ oxidiert, das nun wieder als Substrat für den ersten Schritt zur Verfügung steht. Hierbei entsteht ein weiteres Molekül $\ce{NADH + H+}$.

In der folgenden Abbildung ist der Zyklus der acht Schritte schematisch dargestellt.

Wie oft läuft der Citratzyklus ab?

Der Citratzyklus läuft pro Mol $\ce{Acetyl-CoA-SH}$ einmal ab. Da in der Glykolyse aus einem Mol Glucose zwei Mol Pyruvat entstehen und demzufolge zwei Mol $\ce{Acetyl-CoA-SH}$ generiert werden, kann man zusammenfassend festhalten, dass pro Mol Glucose der Citratzyklus zweimal abläuft. In einer einzelnen Gleichung kann man den Citratzyklus wie folgt beschreiben:

$\ce{Acetyl-CoA-SH + 3 NAD+ + FAD + (GDP + P_i) + 2 H2O ->}$
$\ce{2 CO2 + 3 (NADH + H+) + FADH2 + GTP + CoA-SH}$

Citratzyklus – Merksatz

Damit du die einzelnen Schritte im Citratzyklus besser im Gedächtnis behalten kannst, hilft dir möglicherweise folgender Merksatz:

Citrusfrüchte im Krafttraining sind super für meine Oberarme.

Die Wörter des Merksatzes geben also mit ihren Anfangsbuchstaben Hinweise auf die jeweils entstehenden Produkte.

Citratzyklus – Funktion

Der Citratzyklus hat mehrere wichtige Funktionen.

Indirekte Energiegewinnung:
Der Citratzyklus generiert wichtige Cofaktoren wie $\ce{NADH + H+}$ und $\ce{FADH2}$, die in der Atmungskette zur $\ce{ATP}$-Gewinnung genutzt werden.

Direkte Energiegewinnung:
$\ce{GTP}$ wird direkt in $\ce{ATP}$ umgewandelt.

Während des Citratzyklus werden Zwischenprodukte hergestellt, aus denen andere Moleküle wie Aminosäuren oder Nucleotide gebildet werden können.

Übrigens: Betrachtet man den ersten und letzten Schritt des Citratzyklus, stellt man fest, dass Oxalacetat sowohl als Substrat als auch als Produkt fungiert. So wird durch die Regeneration des Oxalacetats im letzten Schritt ein zyklischer Verlauf des Citratzyklus erst ermöglicht.

Citratzyklus – Bilanz

In der Atmungskette können mithilfe eines Moleküls $\ce{NADH + H+}$ $2,5$ ATP und mithilfe eines Moleküls $\ce{FADH2}$ $1,5$ ATP generiert werden. Addiert man die Summe von $4$ ATP mit dem direkt erzeugten GTP, kommt man auf eine Energiebilanz des Citratzyklus von etwa $10$ ATP.

Ausblick – das lernst du nach Citratzyklus – Bedeutung und Bilanz

Vertiefe dein Verständnis für die Energie erzeugenden Prozesse in Zellen! Die Themen Atmungskette und Glykolyse geben dir weiterführende Einblicke.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Citratzyklus