Citratzyklus

Der Citratzyklus, auch Tricarbonsäure- oder Zitronensäurezyklus genannt, ist die „Drehscheibe“ des Stoffwechselsystems. Seine wichtigste Funktion ist die Produktion von NADH für die Atmungskette. Der im NADH gebundene Wasserstoff wird in der Mitochondrienmembran mit molekularem Sauerstoff zu Wasser oxidiert. Die dabei frei werdende Energie wird zur ATP-Synthese genutzt. Dieser auch als oxidative Phosphorylierung bezeichnete Vorgang ist der effizienteste ATP-produzierende Prozess.

Der Citratzyklus ist ein bei allen sauerstoffverbrauchenden Lebewesen mit der Atmungskette verbundener Zyklus im Zentrum des Stoffwechsels. Er läuft in den Mitochondrien von Eukaryoten sowie im Cytoplasma von Prokaryoten ab. Der Citratzyklus ist ein zentraler Teil der Zellatmung und ist der dritte von vier Schritten im Kohlenhydrat-Katabolismus (dem Abbau von energiereichen, Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen). Er findet nach der Glykolyse und der oxidativen Decarboxylierung und unmittelbar vor der Atmungskette statt.

Die wichtigste Funktion des Citratzyklus besteht darin, Acetyl-CoA, das aus der oxidativen Decarboxylierung, der β-Oxidation der Fettsäuren oder dem Aminosäureabbau stammt, in acht Reaktionen zu CO2 zu oxidieren. Zunächst überträgt Acetyl-CoA seine Acetylgruppe (C2) auf die C4-Verbindung Oxalacetat, wodurch die C6-Verbindung Citrat entsteht. Aufeinanderfolgende oxidative Decarboxylierungen setzen zwei CO2 frei, sodass letztlich wieder Oxalacetat gebildet wird, das wieder eine Acetylgruppe aufnehmen kann. Die dabei frei werdende Energie wird in Form der Reduktionsäquivalente NADH und FADH2 fixiert. Diese geben die aufgenommenen Elektronen an die Atmungskette ab, wo sie auf Sauerstoff übertragen werden. Außerdem wird im Citratzyklus ein GTP oder ein ATP gebildet. Die Enzyme des Citratzyklus befinden sich, wie die der Atmungskette, im Mitochondrium.

Bei der vollständigen Oxidation eines Moleküls Glucose entstehen insgesamt etwa 38 Moleküle ATP, zwei in der Glykolyse, zwei im Citratzyklus und 34 in der oxidativen Phosphorylierung.

Die Energiebilanz für die Oxidation einer Acetylgruppe zu CO2 lautet: 3 NADH, 1 FADH2 und 1 GTP oder ATP

• Acetyl-CoA reagiert mit Oxalacetat zu Citrat. Das freigesetzte Coenzym A kann ein weiteres Pyruvat binden. 
• Unter Abspaltung und gleichzeitiger Aufnahme von Wasser wird das Isomer Isocitrat gebildet.
• Aus dem Substrat wird abgespalten und Elektronen und Protonen an übertragen. Alpha-Ketogluterat wird gebildet.
• Ein weiteres -Molekül wird abgespalten. Unter Abgabe von Elektronen und Protonen an wird das Restsubstrat oxidiert und an das Coenzym A gekoppelt. Bildung von Succinyl-CoA.
• Das Coenzym A wird wieder freigesetzt. Über Zwischenreaktionen entstehen 2 Moleküle ATP, der einzige Energiegewinn im Citratzyklus. Dabei wird Succinat gebildet.
• Bei der Oxidation des Substrates werden die Wasserstoffatome auf FAD übertragen. FAD ist dem ähnlich. Es wirkt auch als Elektronenakzeptor (FAD = Flavinadenindinucleotid ). Bildung von Fumarat.
• Bei der folgenden Reaktion werden Bindungen im Substrat unter Addition von Wasser umgelagert. Bildung von Malat.
• Durch Elektronen- und Protonenübertragung entsteht wieder Oxalacetat. Durch die Regeneration dieser Verbindung wird der zyklischen Verlauf möglich. Bildung von Oxalacetat.

Folgende Enzyme sind am Citratzyklus beteiligt:

• Citrat-Synthase
• Aconitase
• Isocitrat-Dehydrogenase
• Ketoglutarat-Dehydrogenase
• Succinyl-CoA-Synthase
• Succinat-Dehydrogenase
• Fumarase
• Malat-Dehydrogenase