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Citratzyklus (Krebs-Zyklus…)

Abstract

Der Citratzyklus ist eine zyklische Reaktionsfolge, bestehend aus acht Reaktionen. Er hat eine zentrale Stellung im Stoffwechsel: Das Acetyl-CoA, welches beim Abbau fast aller Energieträger des Organismus anfällt, wird hier zu CO2 oxidiert und die dabei freiwerdende Energie in Form der Reduktionsäquivalente FADH2 und NADH+H+ gespeichert. Auch dient der Citratzyklus als Lieferant für Substrate verschiedener Biosynthesen.

Überblick

  • Ziele
    1. Abbau von Acetyl-CoA zu CO2 und Bildung der Reduktionsäquivalente FADH2 und NADH+H+
    2. Bereitstellung von Substraten für verschiedene Synthesevorgänge der Zelle
  • Ort: Mitochondriale Matrix
  • Ausgangsstoffe: Acetyl-CoA und Oxalacetat
  • Prinzip und Reaktionsschritte
    • Phase 1: Oxidation von Acetyl-CoA zu zwei CO2 unter Bildung von Succinat (Acetyl-CoA + Oxalacetat → Citrat → Isocitrat → α-Ketoglutarat + CO2↑ → Succinyl-CoA + CO2↑ → Succinat)
    • Phase 2: Regeneration des Ausgangsstoffes Oxalacetat aus Succinat (Succinat → Fumarat → Malat → Oxalacetat)

Die Zwischenprodukte des Citratzyklus: Zitronen im Koma sind super für meine Oma!

Reaktionsschritte des Citratzyklus

Den Citratzyklus kann man in zwei Phasen einteilen: 1. Die Oxidation von Acetyl-CoA zu zwei CO2 unter Bildung von Succinat und 2. die Regeneration des Ausgangsstoffes Oxalacetat aus Succinat .

Phase 1: Oxidation von Acetyl-CoA

Reaktion Substrat Enzym Produkt Besonderheiten
1. Synthese von Citrat
  • Verläuft in zwei Schritten:
    1. Kondensation der zwei Substrate zu Citryl-CoA
    2. Abspaltung von CoA
2. Isomerisierung von Citrat
  • Citrat
  • Aconitase (der Name des Enzyms leitet sich vom Zwischenprodukt der Reaktion, dem cis-Aconitat, ab)
  • Isocitrat
  • Gleichgewicht liegt auf Seiten des Citrats!
3. Oxidative Decarboxylierung von Isocitrat
  • Isocitrat
  • α-Ketoglutarat
  • CO2
4. Oxidative Decarboxylierung von α-Ketoglutarat
  • α-Ketoglutarat
5. Abspaltung von CoA
  • GDPGTP
    • Die Energie, die bei der Spaltung der Thioesterbindung zwischen Succinat und CoA frei wird, wird dazu genutzt, um im Sinne der Substratkettenphosphorylierung das energiereiche Molekül GTP zu bilden.

Phase 2: Regeneration des Oxalacetats

Reaktion Substrat Enzym Produkt Besonderheiten
6. Oxidation von Succinat
  • Succinat
  • Fumarat
7. Hydratisierung von Fumarat
  • Fumarat
  • Malat
8. Oxidation von Malat
  • Malat
  • Malatdehydrogenase
  • Oxalacetat

Regulation des Citratzyklus

Noch vor Beginn wird der Citratzyklus bereits durch die Regulation des Pyruvatdehydrogenase-Komplexes gehemmt bzw. aktiviert. Innerhalb des Zyklus werden mehrere Enzyme allosterisch reguliert (s. Tabelle).

  • Allgemeines Prinzip: Folgende Faktoren spielen bei der Regulation des Citratzyklus eine Rolle
    1. Vorhandensein der Substrate
    2. Anfallen der Produkte
    3. Energieversorgung der Zelle

Wenn die Reduktionsäquivalente FADH2 und NADH+H+ in der Atmungskette nicht oxidiert werden können, weil bspw. Sauerstoff fehlt, wird der Citratzyklus gehemmt. Der Citratzyklus kann also nur unter aeroben Bedingungen stattfinden!

Allosterische Regulation der Enzyme des Citratzyklus
Hemmung durch Aktivierung durch
Citratsynthase
Isocitratdehydrogenase
α-Ketoglutaratdehydrogenase
  • Ca2+
Succinatdehydrogenase
  • Produkt: Oxalacetat
  • Substrate: Succinat

Hormone haben keinen Einfluss auf den Citratzyklus!

Der Citratzyklus hat kein Schlüsselenzym. Damit kann er nicht als Ganzes gehemmt werden, sondern immer nur einzelne Reaktionen!

Energiebilanz des Citratzyklus

Im Citratzyklus entstehen insgesamt drei Moleküle NADH+H+, ein Molekül FADH2 und ein Molekül GTP. Die Reduktionsäquivalente NADH+H+ und FADH2 werden in der Atmungskette oxidiert, die dabei freiwerdende Energie zur Bildung von ATP verwendet. Pro Molekül NADH+H+ entstehen dabei etwa 2,5 ATP, pro FADH2 etwa 1,5 ATP .

Der Citratzyklus als amphiboles Zentrum des Stoffwechsels

Die zweite wichtige Funktion des Citratzyklus ist – neben der Energiegewinnung – die Bereitstellung von Synthesevorstufen für viele andere Stoffwechselwege. Er hat damit eine zentrale Stellung sowohl im katabolen als auch im anabolen Stoffwechsel und wird deshalb auch als „amphiboles Zentrum“ des Stoffwechsels bezeichnet. Infolge dieser Biosynthesen erleidet der Citratzyklus ständig Verluste an Zwischenprodukten. Deshalb gibt es die sog. anaplerotischen Reaktionen, die dazu dienen, ihn mit diesen Zwischenprodukten aufzufüllen.

Rolle des Citratzyklus bei den verschiedenen Stoffwechselwegen

Anaplerotische Reaktionen

Anaplerotische Reaktionen sind Reaktionen, die den Citratzyklus mit seinen Zwischenprodukten auffüllen. Das sind z.B.:

Wiederholungsfragen zum Kapitel Citratzyklus

Überblick

Wozu dient der Citratzyklus bzw. was ist sein Ziel?

Welche Umwandlungen bzw. Reaktionsschritte finden jeweils in Phase 1 und Phase 2 des Citratzyklus statt?

Reaktionsschritte des Citratzyklus

Beschreibe die ersten drei Reaktionen in Phase 1 genauer (u.a. beteiligte Enzyme, Reaktionstyp)!

Was geschieht in der vierten (vorletzten) Reaktion von Phase 1 des Citratzyklus? Beschreibe das beteiligte Enzym etwas näher!

Mit welcher Reaktion endet die Phase 1 des Citratzyklus?

Wie wird in Phase 2 des Citratzyklus der Ausgangsstoff regeneriert? Benenne auch die Reaktionstypen und beteiligten Enzyme! Welches Enzym hat hier eine Doppelfunktion?

Woher kann das im letzten Schritt des Citratzyklus benötigte Malat auch stammen und wie wird es in den Citratzyklus eingeschleust?

Regulation des Citratzyklus

Welche Rolle spielt die Isocitratdehydrogenase bei der Regulation des Citratzyklus?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.