Citratzyklus im Detail

Vorbereitung / Schritt 0

Die Herstellung von Acetyl-CoA aus Coenzym A und Pyruvat wird hier als Schritt 0 des Citratzyklus bezeichnet, weil diese Reaktion eigentlich nicht zum Zyklus selbst gehört, sondern gleichzeitig auch als letzter Schritt der Glycolyse und letzter Schritt des Fettsäure-Abbaus angesehen werden kann. Das Coenzym A tritt bei dieser Reaktion als Überträger eines C2-Körpers auf.

Pyruvat + NAD⁺ + CoA ----> Acetyl-CoA + NADH/H⁺ + CO₂

Diese Reaktion wird durch den Multi-Enzym-Komplex Pyruvat-Dehydrogenase katalysiert. Die Reaktion verläuft exotherm. Wie man der Reaktionsgleichung entnehmen kann, findet nicht nur eine Decarboxylierung statt (Abspaltung von Kohlendioxid), sondern das Pyruvat wird auch noch oxidiert (Reduktion von NAD).

Schritt 1

Im diesem ersten und wichtigsten Schritt des Citratzyklus entsteht aus dem Oxalacetat und dem Acetyl-Coenzym A der C6-Körper Citrat:

Acetyl-CoA + Oxalacetat + H₂O ----> CoA + Citrat

Diese exotherme Kondensation wird durch das Enzym Citrat-Synthase katalysiert.

Der 1. Schrit ist geschwindigkeitsbestimmend für den gesamten Citrat-Zyklus. Wird die Citrat-Synthetase gehemmt, so läuft quasi nichts mehr.

Die Geschwindigkeit des 1. Schrittes hängt im wesentlichen von drei Faktoren ab:

1. Konzentration des Acetyl-Coenzym A
2. Konzentration des Oxalacetats
3. Konzentration der Verbindung Succinyl-Coenzym A

Daß die Geschwindigkeit von den beiden ersten Faktoren abhängt, dürfte klar sein (Motto: wo nichts ist, kann auch nichts reagieren). Der Faktor 3 deutet auf eine allosterische Regulation des Enzyms hin. Es handelt sich aber um eine kompetitive Hemmung; das Succinyl-Coenzym A hat eine ähnliche Struktur wie das Acetyl-Coenzym A und konkurriert mit diesem um die Citrat-Synthetase. Je größer nun c(Succinyl-CoA), desto geringer wird die Umsetzungsgeschwindigkeit.

Eine echte allosterische Hemmung liegt jedoch bei ATP und NADH vor: beide Stoffe hemmen die Citrat-Synthetase.

Schritt 2

Hier handelt es sich um eine typische Isomerisierung, wie wir sie bereits beim 2. Schritt der Glycolyse kennengelernt haben. Die Strukturformel des Citrats wird nur geringförmig geändert, indem eine OH-Gruppe und ein H-Atom ihren Platz tauschen.

Dadurch gelangt die OH-Gruppe an das zweite C-Atom von unten und kann anschließend im dritten Schritt oxidiert werden. Würde diese OH-Gruppe noch an der alten Position sitzen, so wäre keine Oxidation zur Carbonylgruppe C=O möglich (das dritte C-Atom von unten müßte dann fünfbindig sein).

Interessant ist, daß das Gleichgewicht dieser Reaktion stark auf der Seite des Citrats liegt (93%). Durch die nachfolgenden Reaktionsschritte wird dem Zyklus jedoch ständig Isocitrat entzogen, so daß auch ständig neues Citrat zu Isocitrat umgesetzt wird.

Info für Chemiker: Zunächst wird ein Wassermolekül abgespalten. Es bildet sich eine C=C-Doppelbindung. Dann wird ein Wassermolekül addiert. Dabei erhält das andere C-Atom die OH-Gruppe.

Schritt 3

Das Isocitrat gibt zwei Wasserstoff-Atome ab und wird dadurch oxidiert. Die beiden Reduktionsäquivalente werden durch NAD aufgenommen.

Das Oxalsuccinat wird nicht freigesetzt, sondern bleibt an das Enzym gebunden und wird vom gleichen Enzym sofort zu Ketoglutarat umgesetzt (Schritt 4).

Schritt 4

Aus Oxalsuccinat bildet sich in einer exothermen Reaktion Ketoglutarat. Dabei wird Kohlendioxid abgespalten. Insgesamt wurden zu diesem Zeitpunkt bereits zwei Kohlendioxidmoleküle abgespalten: das erste bei der Bildung des Acetyl-Coenzym A, das zweite bei der Bildung von Ketoglutarat. Man bedenke, daß es das im Citratzyklus gebildete Kohlendioxid ist, welches wir beim normalen Atmen ausatmen.

Die Isocitrat-Dehydrogenase ist für die beiden Schritte 3 und 4 verantwortlich. Es handelt sich um ein allosterisches Enzym, welches durch ADP aktiviert und durch ATP und NADH gehemmt wird.

Schritt 5

Dieser Schritt ist sehr kompliziert, weil eine Vielzahl chemischer Reaktionen gleichzeitig ablaufen. Ein einzelnes Enzym reicht zur Beschleunigung der Reaktion nicht aus, es werden mehrere Enzyme benötigt, die Hand in Hand arbeiten, ein sogenannter Multienzymkomplex.

Der erste Teilschritt ähnelt in vieler Hinsicht der Einstiegsreaktion in den Citratzyklus. Dort wurde Pyruvat auf CoA übertragen, verlor dabei eine Carboxylgruppe in Form von CO2, und wurde gleichzeitig oxidiert, so dass Reduktionsäquivalente in Form von NADH freiwurden.
Genauso ist es hier: es wird Ketoglutarat auf CoA übertragen, auch hier wird Kohlendioxid freigesetzt, und das Substrat wird ebenfalls oxidiert, so dass NADH gebildet werden kann. Das Endprodukt des ersten Teilschrittes heißt Succinyl-Coenzym A.

Ketoglutarat + CoA + NAD⁺ --->
Succinyl-CoA + NADH/H⁺ + CO₂

Diese Oxidation und Decarboxylierung ist sehr exotherm. Die Aufgabe des Coenzym A ist es, den bei der Decarboxylierung des Ketoglutarats entstandenen C4-Körper zu binden und zum nächsten Enzym des Citratzyklus zu übertragen. Nach dieser Übertragung wird das Coenzym A wieder freigesetzt:

Succinyl-CoA + GDP/P_i ---> Succinat + CoA + GTP

Wie man sofort sieht, ist auch diese Reaktion exotherm, sonst könnte kein energiereiches GTP gebildet werden.

Schritt 6

Die Succinat-Dehydrogenase oxidiert das Succinat zu Fumarat. Hauptzweck dieses Schritts ist die Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten in Form von FADH₂. Gleichzeitig wird aber auch der 8. Schritt vorbereitet, bei dem ebenfalls Wasserstoff gewonnen wird - wir erinnern uns: Der eigentliche Sinn des Zitratzyklus ist die Bereitstellung von möglichst viel Wasserstoff, damit die Atmungskette angetrieben werden kann.

Schritt 7

Es wird ein Wassermolekül an die Doppelbildung addiert. Sinn und Zweck dieses Schrittes ist es, den nächsten zu ermöglichen, bei dem dann die neue OH-Gruppe oxidiert wird, um wieder NADH/H⁺ zu gewinnen.

Schritt 8

In diesem letzten Schritt des Citratzyklus wird nun endlich das Oxalacetat regeneriert. Die soeben angelagerte OH-Gruppe wird oxidiert, es entsteht noch einmal NADH/H⁺.

Interessanterweise ist diese Reaktion ziemlich endotherm, und das chemische Gleichgewicht liegt stark auf der linken Seite. Die Reaktion kann daher nur ablaufen, wenn die Malat-Konzentration hoch und die Oxalacetat-Konzentration niedrig ist.

Schritt 1 : Bildung von Citrat Schritt 2 : Bildung von Isocitrat Schritt 3 : Bildung von Oxalsuccinat Schritt 4 : Bildung von Ketoglutarat Schritt 5 : Bildung von Succinat Schritt 6 : Bildung von Fumarat Schritt 7 : Bildung von Malat Schritt 8 : Bildung von Oxalacetat