Citratzyklus – Bedeutung und Bilanz

Citratzyklus – Biologie

1937 entdeckte 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 – einfach erklärt

Der Citratzyklus ist laut Definition ein Stoffwechselkreislauf bestehend aus mehreren biochemischen Reaktionen, die dem Abbau von organischen Stoffen zur Energiegewinnung dienen. Dabei entstehende Zwischenprodukte sind wertvolle Ausgangsstoffe für die Biosynthese von beispielsweise Aminosäuren. Der Citratzyklus benötigt Sauerstoff, daher spricht man auch von einem oxidativen Abbau der organischen Stoffe, und findet in den Zellen aerob lebender Organismen statt.

Wo findet der Citratzyklus statt?

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 „C3‑Körper“. Dabei steht das „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 „Cx“ (x = 1, 2, 3 ...) angegeben.

Pyruvat (C3) wird durch die oxidative Decarboxylierung zu Essigsäure abgebaut, die an das Coenzym A ($\ce{CoA-SH}$) 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:
$\ce{Acetyl-CoA-SH}$ reagiert mit Oxalacetat (C4) zu Citrat (C6). Dabei katalysiert das Enzym Citratsynthase die Übertragung des Acetylrests von Coenzym A auf das Oxalacetat. Coenzym A wird somit regeneriert.

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

3. und 4. Schritt:
Der dritte und der vierte Schritt lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: Isocitrat (C6) wird durch zweifache oxidative Decarboxylierung zu Succinyl (C4)$\ce{-CoA-SH}$ 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 der 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:
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:
Succinat (C4) wird zu Fumarat (C4) oxidiert. Dabei wird energiereiches $\ce{FADH2}$ mithilfe des Enzyms Succinat-Dehydrogenase generiert.

7. Schritt:
Fumarat (C4) wird durch eine Kondensationsreaktion (Anlagerung von Wasser) zu Malat (C4) umgewandelt. Diese Reaktion wird durch das Enzym Fumarat-Hydratase, auch Fumarase, katalysiert.

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

Was wird im Citratzyklus regeneriert?

Betrachtet man den ersten und letzten Schritt des Citratzyklus, so 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.
Darüber hinaus generiert der Citratzyklus auch wichtige Cofaktoren wie $\ce{(NADH + H+)}$ und $\ce{FADH2}$, die in der Atmungskette zur $\ce{ATP}$-Gewinnung genutzt werden. $\ce{GTP}$ wird hingegen direkt in $\ce{ATP}$ umgewandelt.

Wie oft läuft der Citratzyklus ab?

Der Citratzyklus läuft pro Mol $\ce{Acetyl-CoA-SH}$ einmal ab. Da in der Glykolyse aus 1 Mol Glucose 2 Mol Pyruvat entstehen und demzufolge 2 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 – Zusammenfassung

Der Citratzyklus ist ein Teil der Zellatmung und liefert in erster Linie wichtige Elektronen für die Atmungskette. Diese werden in Form von $\ce{NADH + H+}$ und $\ce{FADH2}$ gespeichert und transportiert.
Außerdem vereint der Citratzyklus die Stoffwechselwege der Kohlenhydrate, Fette und Aminosäuren. So wird $\ce{Acetyl-CoA-SH}$ aus der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat, sprich Glucose, und somit aus Kohlenhydraten gewonnen, aber auch durch die sogenannte $\beta$‑Oxidation der Fettsäuren. Abbauprodukte der Aminosäuren können ebenfalls zu $\ce{Acteyl-CoA}$ umgewandelt werden, zumeist werden jedoch Produkte des Citratzyklus für die Aminosäuresynthese genutzt: So wird beispielsweise aus Oxalacetat die Vorstufe für Aspartat und aus $\alpha$-Ketoglutarat die Vorstufe für Glutamat gebildet.

In der nachfolgenden Tabelle findest du noch einmal alle Reaktionsprodukte mit den jeweiligen Enzymen des Citratzyklus.

Über das Video Citratzyklus - Bedeutung und Bilanz

Dieses Video erklärt dir Schritt für Schritt den Ablauf des Citratzyklus. Um komplizierte Strukturformeln zu vermeiden, liegt der Fokus bei der Darstellung der beteiligten Stoffe auf der Anzahl der Kohlenstoffatome. So kannst du ganz einfach nachverfolgen, wie aus Citrat (C6) mit sechs Kohlenstoffatomen Oxalacetat (C4) mit vier Kohlenstoffatomen wird. Außerdem bekommst du eine Übersicht über die (Energie-)Bilanz des Citratzyklus. Im Anschluss an das Video kannst du dein neu gewonnenes Wissen mittels interaktiver Übungen und eines Arbeitsblatts testen.