Citratzyklus

Bedeutung und Grundprinzip

Der Citratzyklus ist ein Kreislauf biochemischer Reaktionen im Stoffwechsel aerober Zellen. Er wird auch Zitratzyklus, Zitronensäurezyklus, Tricarbonsäurezyklus oder Krebs-Zyklus genannt. Seine Hauptaufgaben sind der oxidative Abbau organischer Stoffe zur Energiegewinnung und die Bereitstellung von Zwischenprodukten für Biosynthesen, also für den Aufbau körpereigener Stoffe.

Das zentrale Ausgangsprodukt ist Acetyl-CoA, eine an Coenzym A gebundene „aktivierte“ Essigsäure. Es entsteht beim Abbau von Fetten, Zuckern, Alkohol und Aminosäuren. Im Zyklus wird sein Acetylrest schrittweise zu Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) abgebaut. Dabei entstehen energiereiche Stoffe wie GTP sowie die Reduktionsmittel NADH und FADH₂. Diese übertragen Elektronen an die Atmungskette, in der ATP gebildet wird.

Bei Eukaryoten findet der Citratzyklus in der Matrix der Mitochondrien statt, bei Prokaryoten im Cytoplasma oder in Mitochondrienäquivalenten. Er ist amphibol: Er dient sowohl dem Katabolismus, dem Abbau von Stoffen, als auch dem Anabolismus, dem Aufbau von Stoffen.

Rolle im Stoffwechsel

Acetyl-CoA verbindet den Abbau verschiedener Nährstoffklassen mit dem Citratzyklus. Fettsäuren liefern durch β-Oxidation direkt Acetyl-CoA. Kohlenhydrate werden in der Glykolyse zu Pyruvat abgebaut; der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex decarboxyliert Pyruvat zu Acetat und bindet dessen Acetylrest an Coenzym A. Proteine werden zunächst zu Aminosäuren hydrolysiert. Nach der Desaminierung können daraus α-Ketosäuren entstehen, die als Zwischenprodukte direkt in den Zyklus eintreten, zum Beispiel α-Ketoglutarat aus L-Glutaminsäure oder Oxalacetat aus L-Aspartat.

Der Zyklus liefert nicht nur Energie, sondern auch Vorläufermoleküle für Biosynthesen. α-Ketosäuren können beispielsweise entnommen werden, um Aminosäuren oder andere Stoffe aufzubauen. Oxalacetat kann in die Gluconeogenese eingespeist werden. Citrat kann für die Cholesterol- und Fettsäuresynthese aus dem Zyklus abgezogen werden. Da Acetyl-CoA die Mitochondrienmembran nicht passieren kann, Citrat jedoch schon, ermöglicht der Citrat-Shuttle die Versorgung solcher Prozesse im Cytosol mit Acetyl-CoA.

Der Citratzyklus ist der dritte von vier Schritten des Kohlenhydratkatabolismus: Auf Glykolyse und oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA folgt der Zyklus; danach erfolgt die Endoxidation in der Atmungskette.

Ablauf und Energiebilanz

Die Nettobilanz pro Acetyl-CoA lautet:

CH₃CO-S-CoA + 3 NAD⁺ + FAD + GDP + Pᵢ + 2 H₂O → 2 CO₂ + 3 NADH + 3 H⁺ + FADH₂ + GTP + CoA-SH

Damit entstehen pro Acetyl-CoA drei NADH, ein FADH₂ und ein GTP. Die Elektronen von NADH und FADH₂ entsprechen je Acetyl-CoA 8 Reduktionsäquivalenten und werden in der Atmungskette auf Sauerstoff (O₂), den terminalen Elektronenakzeptor, übertragen. Die frei werdende Energie transportiert Protonen aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum. Der Protonengradient erzeugt ein chemiosmotisches Potenzial ΔP. Die ATP-Synthase nutzt dieses Potenzial, um ADP zu ATP zu phosphorylieren.

Beim Abbau von 2 Pyruvat über Acetyl-CoA und Citratzyklus sowie bei der Oxidation der dabei abgespaltenen 20 Reduktionsäquivalente in der Atmungskette entstehen 25 ATP. Dagegen liefert die Glykolyse von Glucose bis zu 2 Pyruvat nur 2 ATP.

Anaerobe Organismen können den Zyklus nicht vollständig betreiben. Ihnen fehlt der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex für die Umsetzung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA, oder dieser Komplex wird reprimiert.

Die acht Teilreaktionen

1. Die Citrat-Synthase kondensiert Oxalacetat mit Acetyl-CoA; nach Hydrolyse entsteht Citrat.

2. Die Aconitase isomerisiert Citrat über cis-Aconitat zu Isocitrat. Dadurch wird ein schwer oxidierbarer tertiärer Alkohol in einen leichter oxidierbaren sekundären Alkohol umgewandelt.

3. Die Isocitrat-Dehydrogenase oxidiert und decarboxyliert Isocitrat. Es entstehen NADH, CO₂ und α-Ketoglutarat (2-Oxoglutarat). α-Ketoglutarat ist außerdem für den Aminosäurenstoffwechsel wichtig.

4. Der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex setzt α-Ketoglutarat durch oxidative Decarboxylierung zu Succinyl-CoA um. Dabei entstehen ein weiteres NADH und CO₂. Das in den Schritten 3 und 4 abgegebene CO₂ stammt nicht aus der Carbonylgruppe des Acetyl-CoAs, sondern aus Oxalacetat.

5. Die Succinyl-CoA-Synthetase hydrolysiert den energiereichen Thioester Succinyl-CoA zu Succinat. Dabei entsteht GTP; eine Nukleosiddiphosphat-Kinase kann GTP in ATP überführen.

6. Die Succinat-Dehydrogenase oxidiert Succinat zu Fumarat und bildet FADH₂. Malonat hemmt dieses Enzym.

7. Die Fumarase addiert Wasser stereospezifisch an Fumarat, wodurch L-Malat entsteht.

8. Die Malatdehydrogenase oxidiert L-Malat zu Oxalacetat und bildet NADH. Das Oxalacetat steht anschließend wieder für den ersten Schritt bereit; der Kreislauf ist geschlossen.

Anaplerotische Wege füllen Zwischenprodukte des Zyklus auf, etwa durch Desaminierung von Glutamat oder Aspartat. Cataplerotische Wege entnehmen Zwischenprodukte für Biosynthesen, beispielsweise α-Ketoglutarat für Glutamat, Succinyl-CoA für die Porphyrin-Biosynthese oder Oxalacetat für Aspartat.

Regulation, Hemmstoffe und Mensch

Besonders stark reguliert werden die energieabgebenden, exergonen Schritte: Citrat-Synthese 1 mit ΔG° = −38 kJ/mol, Ketoglutarat-Bildung 3 mit ΔG° = −7 kJ/mol und Succinyl-CoA-Bildung 4 mit ΔG° = −37 kJ/mol. Wichtige Effektoren sind NAD⁺/NADH, ADP/ATP und Ca²⁺. Hohe NADH-Konzentrationen hemmen die exergonen Teilschritte. Bei Sauerstoffmangel wird NADH in der Atmungskette weniger verbraucht; seine Konzentration steigt und der Citratzyklus kann zum Erliegen kommen. Bei geringem Energiebedarf steigt ATP, während ADP sinkt. ADP aktiviert die Isocitrat-Dehydrogenase allosterisch, ATP hemmt sie.

Fluoracetat ist toxisch, weil es den Zyklus blockieren kann. Es wird zu Fluoroacetyl-CoA und anschließend zu (2R,3S)-Fluorocitrat umgewandelt. Dieses kann von der Aconitase nicht verarbeitet werden. Der Zyklus bricht ab, die Zelle wird von der Energiezufuhr abgeschnitten und stirbt; dies wird letale Synthese genannt.

Beim Menschen werden Zucker über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus zu CO₂ und H₂O abgebaut. NADH+H⁺ kann ungefähr Energie für 3 ATP liefern, FADH₂ für ungefähr 2 ATP; GTP liefert Energie für den Aufbau eines ATP aus ADP und Phosphat.

Bei Sauerstoffmangel wird zunehmend Pyruvat anaerob zu L-Lactat umgewandelt. Dabei wird pro Pyruvat ein NADH+H⁺ verbraucht. Dies ermöglicht das Weiterlaufen der Glykolyse und einen Gewinn von 2 ATP je Glucose. Lactat gelangt über das Blut zur Leber und wird dort durch Gluconeogenese wieder zu Glucose aufgebaut. Dieser Cori-Zyklus benötigt insgesamt mehr Energie, als der Muskel zuvor gewonnen hat. Die Fähigkeit, trotz hohen Lactatspiegels hohe Leistung aufrechtzuerhalten, heißt Lactattoleranz.

Varianten und Umkehrung

Bei Bakterien sind veränderte Citratzyklen mit fehlenden Teilschritten häufig: Sie wurden bei 13 von 17 untersuchten Bakterien gefunden. Escherichia coli betreibt unter aeroben Bedingungen den vollständigen Zyklus, kann unter anaeroben Bedingungen jedoch die Ketoglutarat-Dehydrogenase-Aktivität deaktivieren. Mycobacterium tuberculosis kann zwischen zwei vom eukaryotischen Weg abweichenden Zyklen umschalten.

Manche Archaeen und Bakterien nutzen für α-Ketoglutarat eine 2-Ketoglutarat:Ferredoxin-Oxidoreduktase statt der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase. Dabei dient Ferredoxin statt NADH als Reduktionsäquivalent.

Einige Bakterien verwenden den reduktiven Citratzyklus zur Kohlenstoffdioxid-Assimilation. Die ATP-Citrat-Lyase ersetzt die Citrat-Synthase, die α-Ketoglutarat-Synthase ersetzt die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase und die Fumarat-Reduktase ersetzt die Succinat-Dehydrogenase. In Desulfurella acetivorans und Thermosulfidibacter takaii wurde 2018 ein revertierter oxidativer Citratzyklus (roTCA) beschrieben. Er benötigt nur ein ATP, um zwei CO₂-Moleküle zu fixieren.