Der Citratzyklus

Ein beliebtes Thema im Physikum sind die einzelnen Reaktionen des Citratzyklus. Hier und in den Biochemie Skripten Endspurt Vorklinik gibt's mehr Infos für dich.

Der Citratzyklus (auch Tricarbonsäure- oder Zitronensäurezyklus genannt) steht im Zentrum des Intermediärstoffwechsels. Seine wichtigste Funktion besteht in der Umwandlung von Acetyl-CoA, das aus der oxidativen Decarboxylierung, der β-Oxidation von Fettsäuren oder dem Aminosäureabbau stammt, in CO2 Die dabei frei werdende Energie wird in Form der Reduktionsäquivalente NADH + H⁺ und FADH₂ fixiert und in der Atmungskette zur ATP-Synthese verwendet. Die Enzyme des Citratzyklus befinden sich, wie die der Atmungskette auch, im Mitochondrium. Diese lokale Nähe zueinander erleichtert den Übergang der reduzierten Coenzyme vom Citratzyklus in die Atmungskette. 

Wird das Acetyl-CoA vollständig zu CO₂ abgebaut, so lässt sich für den Umsatz im Citratzyklus folgende Reaktionsgleichung formulieren:

Acetyl-CoA + 3 NAD⁺ + FAD + GDP + 2 H₂O + Pi → 2 CO₂ + CoA + 3 NADH + H⁺ + FADH₂ + GTP

Im Folgenden werden die Reaktionen des Citratzyklus besprochen (Abb. 2.3).

Reaktionen des Citratzyklus

1. Citratsynthase-Reaktion. Die Citratsynthase katalysiert die Übertragung von Acetyl-CoA auf Oxalacetat unter Bildung von Citrat. Citrat ist das Anion der C_6-Tricarbonsäure Zitronensäure. Bei dieser Reaktion wird Wasser eingeführt, das abgespaltene Coenzym A verlässt den Zyklus.
2. Aconitathydratase-Reaktion. Durch die Aconitathydratase, auch Aconitase genannt, wird der tertiäre Alkohol Citrat über das instabile Zwischenprodukt cis-Aconitat in den leichter oxidierbaren sekundären Alkohol Isocitrat verwandelt.
3. Isocitratdehydrogenase-Reaktion. Durch Decarboxylierung (Freisetzung von CO₂!) von Isocitrat durch die Isocitratdehydrogenase entsteht α-Ketoglutarat. In dieser Reaktion entsteht außerdem NADH + H⁺.
4. α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Reaktion. Aus α-Ketoglutarat entsteht durch oxidative Decarboxlierung (Freisetzung von CO₂!) Succinyl-CoA und das zweite NADH + H⁺. Katalysiert wird die Reaktion durch die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase. Das Enzym ist wie der PDH-Komplex ein Multienzymkomplex, der nach demselben Mechanismus wie die PDH über ein intermediäres Liponsäureamid funktioniert und insgesamt fünf Coenzyme benötigt: Thiaminpyrophosphat (= Thiamindiphosphat), NAD, FAD, Liponsäure und CoASH. Es entsteht zuerst ein FADH₂, von dem dann die Wasserstoffatome auf NAD⁺ übertragen werden.
5. Succinyl-CoA-Synthetase-Reaktion. Der energiereiche Metabolit Succinyl-CoA wird in Succinat überführt. Katalysiert wird die Reaktion durch die Succinyl-CoA-Synthetase. Die bei der Spaltung der Thioesterbindung zwischen Succinylrest und CoA frei werdende Energie wird zur Synthese von GTP aus GDP genutzt. Das energiereiche Triphosphat GTP entspricht energetisch einem ATP und kann in dieses umgewandelt werden.
6. Succinatdehydrogenase-Reaktion. Die Succinatdehydrogenase oxidiert Succinat zu Fumarat, indem sie die zentrale Einfachbindung im Succinat in eine trans-Doppelbindung umwandelt. Gleichzeitig wird FAD, als riboflavinhaltige prosthetische Gruppe der Succinatdehydrogenase, zu FADH₂ reduziert. Die Besonderheit der Succinatdehydrogease ist, dass sie auch ein Bestandteil der Atmungskette ist.
7. Fumarathydratase-(Fumarase-)Reaktion. Die Fumarathydratase katalysiert die Hydratisierung von Fumarat zu Malat.
8. Malatdehydrogenase-Reaktion. Durch Umwandlung des sekundären Alkohols Malat durch die Malatdehydrogenase entsteht schließlich wieder Oxalacetat, das für eine neue Runde des Citratzyklus bereit ist. Coenzym der Malatdehydrogenase ist NAD⁺, in diesem letzten Schritt entsteht daher das dritte NADH H⁺.