Citratzyklus

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.

Du möchtest diesen Artikel lieber hören als lesen? Wir haben ihn für dich im Rahmen unserer studentischen AMBOSS-Audio-Reihe im Podcastformat vertont. Den Link findest du am Kapitelende in der Sektion “Tipps & Links".

• 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!

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

Hirntumore
Bei einigen Hirntumoren (insb. Astrozytomen) kann eine Mutation der Isocitratdehydrogenase nachgewiesen werden. Dadurch wird Isocitrat zunächst regulär in α-Ketoglutarat umgewandelt, welches dann aber zu 2-Hydroxyglutarat reduziert wird. Letzteres stimuliert als Onkometabolit die Methylierung bestimmter DNA-Abschnitte. Die Prognose bei Astrozytomen mit dieser Mutation ist interessanterweise besser als bei Astrozytomen ohne diese Mutation.

Phase 2: Regeneration des Oxalacetats

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!

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!

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 .

• 7,5 ATP (aus 3 NADH+H⁺)+ 1,5 ATP (aus 1 FADH₂) + 1 ATP (aus 1 GTP) = 10 ATP

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

• Kohlenhydratstoffwechsel
  • Katabol: Pyruvat als Endprodukt der Glykolyse wird zunächst der PDH-Reaktion zugeführt; dort wird es zu Acetyl-CoA decarboxyliert, welches dann in den Citratzyklus eingeschleust wird
  • Anabol: Oxalacetat dient als Substrat der Gluconeogenese
• Aminosäurestoffwechsel
  • Katabol: Aminosäuren werden größtenteils zu Substraten des Citratzyklus abgebaut
  • Anabol: Zwischenprodukte des Citratzyklus werden als Substrate für die Synthese nicht-essenzieller Aminosäuren benutzt
    • Z.B. α-Ketoglutarat → Glutamat, Oxalacetat → Aspartat
• Fettsäurestoffwechsel
  • Katabol: Fettsäuren werden zu Acetyl-CoA abgebaut, dem Ausgangssubstrat des Citratzyklus
  • Anabol: Citrat dient als Synthesevorstufe der Fettsäuren und Steroide
• Porphyrinstoffwechsel
  • Anabol: Succinyl-CoA dient als Synthesevorstufe der Porphyrine bzw. des Häms

Anaplerotische Reaktionen

Anaplerotische Reaktionen dienen der Aufrechterhaltung zyklischer Stoffwechselreaktionen (bspw. Citratzyklus), in dem sie diese mit ihren Zwischenprodukten auffüllen.

• Beispiel Citratzyklus
  • Pyruvatcarboxylase (Cofaktor: Biotin)
    • Pyruvat + CO₂ + ATP → Oxalacetat + ADP+P_i
  • Malatenzym
    • Pyruvat + CO₂ + NADPH+H⁺ ⇄ Malat + NADP⁺
  • Glutamatdehydrogenase
    • Glutamat + NAD⁺ → α-Ketoglutarat + NH₃ + NADH+H⁺

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.

In Kooperation mit Meditricks bieten wir durchdachte Merkhilfen an, mit denen du dir relevante Fakten optimal einprägen kannst. Dabei handelt es sich um animierte Videos und Erkundungsbilder, die auf AMBOSS abgestimmt oder ergänzend sind. Die Inhalte liegen meist in Lang- und Kurzfassung vor, enthalten Basis- sowie Expertenwissen und teilweise auch ein Quiz sowie eine Kurzwiederholung. Eine Übersicht aller Inhalte findest du im Kapitel „Meditricks“. Meditricks gibt es in unterschiedlichen Paketen – für genauere Informationen empfehlen wir einen Besuch im Shop.

Citratzyklus

Citratzyklus: Einleitung

Citratzyklus: Reaktionen

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