Citratzyklus

Der Citratzyklus (auch Zitratzyklus, Zitronensäurezyklus, Tricarbonsäurezyklus oder Krebs-Zyklus) ist ein Kreislauf biochemischer Reaktionen, der eine wichtige Rolle im Stoffwechsel (Metabolismus) aerober Zellen von Lebewesen spielt und hauptsächlich dem oxidativen Abbau organischer Stoffe zum Zweck der Energiegewinnung und der Bereitstellung von Zwischenprodukten für Biosynthesen dient. Das beim Abbau von Fetten, Zuckern und Aminosäuren als Zwischenprodukt entstehende Acetyl-CoA wird darin zu Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) abgebaut. Dabei werden sowohl für den Aufbau organischer Körperbestandteile des Lebewesens (Anabolismus) nutzbare Zwischenprodukte gebildet wie auch direkt und indirekt Energie in biochemisch verfügbarer Form (als Adenosintriphosphat ATP) zur Verfügung gestellt.

Der Citratzyklus läuft bei Eukaryoten in der Matrix der Mitochondrien, bei Prokaryoten im Zytoplasma ab. Eine umgekehrte Reaktionsfolge findet im sogenannten reduktiven Citratzyklus statt, der zur Kohlenstoffdioxid-Assimilation mancher Bakterien dient.

Etymologie

Namensgeber ist das dabei entstehende Zwischenprodukt Citrat, das Anion der Citronensäure. Die Reaktionsfolge wird nach ihrem Entdecker Hans A. Krebs (1900–1981) auch als Krebs-Zyklus bezeichnet. Krebs erhielt – neben Fritz Albert Lipmann – 1953 den Nobelpreis für Medizin für die Klärung metabolischer Abbauwege.^[1]

Rolle im Stoffwechsel

Schematische Darstellung der mit dem Citratzyklus assoziierten metabolischen Wege

In den Citratzyklus münden Abbauprodukte verschiedener Nährstoffe, die im Stoffwechsel abgebaut werden. Acetyl-CoA, an das Coenzym A gebundene Essigsäure, kann dabei als das zentrale Abbauprodukt verschiedener Nährstoffklassen bezeichnet werden. Aus Fettsäuren beispielsweise werden durch β-Oxidation direkt Acetyl-CoA-Moleküle gebildet. In der Glykolyse werden Kohlenhydrate zu Pyruvat (Brenztraubensäure) abgebaut, dieses wird dann durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex zu Acetat decarboxyliert und der Acetylrest wird an Coenzym A gebunden. Schließlich werden auch Proteine zu Aminosäuren hydrolysiert, die sich nach Desaminierung in ihre korrespondierenden α-Ketosäuren überführen lassen, beispielsweise α-Ketoglutarat aus L-Glutaminsäure oder Oxalacetat aus L-Aspartat. Diese Ketosäuren sind häufig Intermediate des Citratzyklus und fließen direkt darin ein.

Beim Abbau von Acetyl-CoA über den Citratzyklus wird Energie in Form von GTP gewonnen, darüber hinaus auch Reduktionsäquivalente (NADH, FADH₂). Bei diesen Vorgängen wird der Acetylrest des Acetyl-CoA schrittweise zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut. Die im Citratzyklus gewonnenen, an Coenzyme (NAD⁺ und FAD) gebundenen Elektronen werden der Atmungskette zugeführt und auf den terminalen Elektronenakzeptor Sauerstoff (O₂) übertragen. Die dabei frei werdende Energie wird genutzt, um ATP zu bilden.

Der Citratzyklus dient außerdem als Lieferant verschiedener Vorläufermoleküle für den Anabolismus. Beispielsweise können α-Ketosäuren dem Zyklus entnommen werden, um daraus Aminosäuren oder andere Stoffe zu bilden.

Ablauf

Vereinfachte Darstellung des Citratzyklus. In dessen Folge entstehen Reduktionsäquivalente (blau), GTP (rot) und Kohlenstoffdioxid (grün). Die Anzahl an Kohlenstoffatomen der jeweiligen Intermediate ist angegeben.

Der Citratzyklus läuft bei Eukaryoten in den Mitochondrien, bei Prokaryoten im Cytoplasma oder gegebenenfalls in Mitochondrienäquivalenten ab. Er ist ein amphiboler Stoffwechselprozess, d. h. er kann sowohl anabolen als auch katabolen Stoffwechselwegen dienen. Der Citratzyklus ist Teil oxidativer Abbauprozesse und geht bei aeroben Organismen der Atmungskette voraus.

Der Citratzyklus kann als der dritte von vier Schritten im Kohlenhydratkatabolismus betrachtet werden. Er findet nach der Glykolyse und der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA, jedoch vor der Endoxidation in der Atmungskette, statt.

Für den Citratzyklus lässt sich folgende Nettobilanz aufstellen:

$ \mathrm {CH_{3}CO{\text{-}}S{\text{-}}CoA+3\ NAD^{+}+FAD+GDP+P_{i}+3\ H_{2}O\longrightarrow } $
$ \mathrm {2\ CO_{2}+3\ NADH+3\ H^{+}+FADH_{2}+GTP+CoA{\text{-}}SH} $

Acetyl-CoA, das ist Essigsäure gebunden an Coenzym A, auch als „aktivierte“ Essigsäure bezeichnet, wird durch den Citratzyklus zu Kohlenstoffdioxid (CO₂), Wasserstoff (dieser gebunden an den Wasserstoff-/Elektronenüberträgern NADH und FADH₂) und Coenzym A abgebaut. Dabei wird Guanosindiphosphat (GDP) zu Guanosintriphosphat (GTP) phosphoryliert.

In der Atmungskette werden die an NADH und FADH₂ gebundenen Elektronen (je Acetyl-CoA 8 Reduktionsäquivalente) auf Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor übertragen. Die bei der Wanderung der Elektronen durch die Atmungskette von Proteinkomplex zu Proteinkomplex und schließlich auf Sauerstoff frei werdende Energie wird nutzbar gemacht, indem Protonen vom Inneren des Mitochrondriums (Matrix) in den Intermembranraum transportiert werden und so eine Potentialdifferenz, ein elektrochemischer „Protonengradient“ gebildet wird. Angetrieben durch diesen elektrochemischen Protonengradienten phosphoryliert schließlich die ATP-Synthase ADP zu ATP. Anaerobe Organismen können den Citratzyklus nicht vollständig ablaufen lassen, er ist bei ihnen unterbrochen. Das liegt daran, dass ihnen der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex für die Umsetzung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA fehlt oder dieser reprimiert wird.^[2][3]

Beim Abbau von 2 Pyruvat über Acetyl-CoA und den Citratzyklus sowie der Veratmung des dabei abgespaltenen Wasserstoffs (20 Reduktionsäquivalente) in der Atmungskette wird mit 30 ATP wesentlich mehr Energie zur Verfügung gestellt als in der Glykolyse von Glucose bis 2 Pyruvat, in der nur 2 ATP gebildet werden.

Teilreaktionen

Der Reaktionsablauf des Citratzyklus; blaue Pfeile symbolisieren anaplerotische, rote Pfeile cataplerotische Stoffwechselwege, die eng mit dem Citratzyklus verbunden sind.

Der Reaktionsablauf ist in der Abbildung rechts skizziert. Ausgangspunkt des Citratzyklus ist eine durch die Citrat-Synthase katalysierte Kondensation 1 von Oxalacetat mit Acetyl-CoA zum Citrat. Citrat wird bei Bedarf aus dem Zyklus abgezogen und der Cholesterolbiosynthese bzw. der Fettsäuresynthese zugeführt. Diese im Cytosol stattfindenden Prozesse benötigen Acetyl-CoA, welches – im Gegensatz zum Citrat – nicht vermag, die Mitochondrienmembran zu passieren, jedoch aus Citrat synthetisiert werden kann (Citrat-Shuttle). Acetyl-CoA für den Citratzyklus kann aus verschiedenen Quellen stammen, beispielsweise aus der β-Oxidation von Fettsäuren.

Die anschließende Isomerisierung 2a-b des Citrats durch die Aconitase liefert Isocitrat. Die Bedeutung dieses Schrittes liegt in der Umwandlung eines schwer zu oxidierenden tertiären Alkohols (Citrat) in einen leicht zu oxidierenden sekundären Alkohol (Isocitrat).

Isocitrat wird durch die Isocitrat-Dehydrogenase in den Schritten 3a-b oxidiert und decarboxyliert. Neben dem ersten Reduktionsäquivalent NADH entsteht hierbei α-Ketoglutarat (anderer Name: 2-Oxoglutarat), ein auch für den Aminosäurenmetabolismus wichtiges Zwischenprodukt (cataplerotischer Stoffwechselpfad: reduktive (Transaminierung zum L-Glutamat ⇒ Aminosäurebiosynthese; anaplerotischer Stoffwechselpfad: Desaminierung des Glutamats ⇒ Aminosäureoxidation).

Experimente mit isotopenmarkierten Substraten zeigen, dass das bei der Decarboxylierung im Schritt 3b freigesetzte CO₂ dem Oxalsuccinat entstammt, im Gegensatz zur folgenden Reaktion 4, die über eine oxidative Decarboxylierung neben NADH ein zweites Molekül CO₂ liefert, dessen Kohlenstoff der Carbonylgruppe des Acetyl-CoAs zuordenbar ist. Diese Reaktion katalysiert der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex, der funktionell und strukturell dem Pyruvatdehydrogenase-Komplex ähnelt. Das nun entstehende Succinyl-CoA ist ein weiteres Schlüsselprodukt des Citratzyklus (cataplerotischer Stoffwechselpfad: Porphyrin-Biosynthese; anaplerotische Stoffwechselpfade: Abbau der Aminosäuren L-Valin, L-Isoleucin und L-Methionin, Oxidation ungeradzahliger Fettsäuren, siehe auch Fettsäureoxidation).

Die vermittels der Succinyl-CoA-Synthetase katalysierte Hydrolyse 5 des energiereichen Thioesters Succinyl-CoA zum Succinat liefert das einzige Energieäquivalent des Citratzyklus in Form von GTP. Durch eine Nukleosiddiphosphat-Kinase kann dabei GTP in ATP überführt werden.

Succinat ist im Schritt 6 das Substrat der Succinat-Dehydrogenase, welche durch Oxidation ein drittes Reduktionsäquivalent in Form des FADH₂ liefert sowie Fumarat, welches auch durch einen anaplerotischen Stoffwechselpfad über den Abbau der Aminosäuren L-Asparaginsäure, L-Phenylalanin und L-Tyrosin in den Citratzyklus eingespeist wird.

Die Fumarase katalysiert die stereospezifische Addition von Wasser an die Doppelbindung des Fumarats im Schritt 7, so dass L-Malat entsteht. Wie schon das Isocitrat kann auch das Malat als sekundäre Alkohol schlecht oxidiert werden. Infolgedessen wird im Schritt 8 durch die Malatdehydrogenase unter Gewinnung von NADH das Substrat des ersten Schrittes, Oxalacetat, resynthetisiert. Damit wird der Kreislauf geschlossen. An das Oxalacetat sind wiederum weitere Stoffwechselpfade angebunden (cataplerotisch: reduktive (Transaminierung zum Aspartat ⇒ Aminosäurebiosynthese; anaplerotisch: Desaminierung des Aspartats ⇒ Aminosäureoxidation).

Regulation

Der Citratzyklus als zentraler Drehpunkt des aeroben Metabolismus unterliegt starken regulatorischen Einflüssen. Neben der Produktinhibition („negative Rückkopplung“, kompetitive Hemmung) und Inhibition durch andere Zwischenverbindungen spielen als Effektoren insbesondere NAD⁺/NADH, ADP/ATP und Ca²⁺ eine große Rolle. Regulatorischer Kontrolle unterliegen dabei insbesondere die Teilschritte großer Exergonie: die Citrat-Synthese 1 (ΔG^o = −38 kJ/mol), die Ketoglutarat-Bildung 3 (ΔG^o = −7 kJ/mol) und die Bildung des Succinyl-CoA 4 (ΔG^o = −37 kJ/mol).

Die oben genannten exergonen Teilschritte werden durch hohe NADH-Pegel inhibiert: gerät z. B. infolge Sauerstoffmangels die Atmungskette ins Stocken, wird also weniger NADH verbraucht und steigt damit dessen Konzentration, so kann auch der Citratzyklus zum Erliegen kommen.

Wird andererseits wenig Energie benötigt (z. B. Muskel im Ruhezustand), so steigt die ATP-Konzentration bei sinkender ADP-Konzentration. Während ADP ein allosterischer Aktivator der Isocitrat-Dehydrogenase ist, inhibiert ATP deren Wirkung: Der Zyklus wird gebremst.

Weitere Effektoren des Citratzyklus sind der Tabelle zu entnehmen.

Hemmstoffe

Metabolisierung von Fluoracetat (1) zu Fluorcitrat (3), ein effektiver Hemmstoff des Citratzyklus. Für Einzelheiten bitte Text beachten.

Fluoracetat ist in hohen Maßen toxisch, da es den Citratzyklus blockieren kann.^[4] Fluoracetat (1) wird zunächst durch eine Acetyl-CoA-Synthetase (A, EC 6.2.1.1) zu Fluoroacetyl-CoA (2) metabolisiert. Wie dessen Analogon Acetyl-CoA tritt Fluoroacetyl-CoA durch Kondensation mit Oxalacetat in den Citratzyklus ein, was die Citratsynthase (B) katalysiert. Das Produkt ist (2R, 3S)-Fluorocitrat (3). Dieses inhibiert die Aconitase, so dass der Citratzyklus an dieser Stelle unterbrochen wird und zum Erliegen kommt. Damit ist die Zelle von der Energiezufuhr abgeschnitten und stirbt.

Citratzyklus beim Menschen

Auch beim Menschen werden Zucker über die Glykolyse, die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat und den Citratzyklus unter Bildung der Energieträger NADH+H⁺, FADH₂, GTP und ATP zu CO₂ und H₂O abgebaut. Die Energie der gebildeten Energieträger (außer ATP) wird über die Atmungskette an ADP übertragen, das dann mithilfe eines Phosphatrestes zu weiterem ATP aufgebaut werden kann. Hierbei setzt NADH+H⁺ in etwa die Energie frei, die zur Bildung von 3 ATP genutzt werden kann, FADH₂ setzt in etwa die Energie frei, die zur Bildung von 2 ATP benötigt wird, GTP liefert Energie zum Aufbau eines ATP-Moleküles aus ADP und Phosphat.

Bei erhöhter Leistungsabforderung wird aufgrund fehlenden Sauerstoffes, ohne den die Atmungskette nicht ablaufen kann, ein wachsender Prozentsatz des in der Glykolyse gewonnenen Pyruvats nicht mehr aerob zu Acetyl-CoA umgesetzt, sondern anaerob unter Verbrauch eines NADH+H⁺ je Pyruvat-Molekül zu L-Lactat, dem Anion der Milchsäure. Dass NADH+H⁺ verbraucht wird, scheint unverständlich, da der Körper in dieser Situation eigentlich Energie benötigt. Bei genauerer Betrachtung ist dieser Schritt aber notwendig und energiebringend, denn NADH+H⁺ kann von der Atmungskette ohnehin nicht zu ATP verwertet werden (Sauerstoffmangel). Wohl können aber in der Glykolyse 2 ATP, die direkt von den Muskeln ohne die Atmungskette verwertet werden können, gebildet werden, indem 1 Molekül Glucose zu 2 Molekülen Pyruvat abgebaut wird. Hierbei entstehen auch 2 Moleküle NADH+H⁺, sodass im Endeffekt ein Energiegewinn von 2 ATP entsteht. Damit die Pyruvat-Bildung jedoch stetig ablaufen kann, muss gesichert sein, dass Pyruvat dem System immer wieder entnommen wird (damit keine zu hohe Konzentration entsteht), was über die Decarboxylierung und den Citratzyklus normalerweise geschehen würde. Da dies durch fehlenden Sauerstoff wie erwähnt nicht möglich ist, wird Pyruvat zu Lactat abgebaut. So kann die Glykolyse weiterlaufen und immerhin 2 ATP gebildet werden:

Milchsäure muss ab einer bestimmten Konzentration abgebaut werden, weil sie durch pH-Wert-Absenkung leistungshemmend wirkt. Dabei gibt die Muskulatur Lactat an das Blut ab, welches zur Leber transportiert wird. Anschließend wird Lactat in der Leber zu Glucose durch den Prozess der Gluconeogenese umgesetzt. Hierbei wird mehr Energie benötigt, als im Muskel aufgenommen wurde. Der Prozess des Umbaus von Pyruvat zu Lactat ist also nur regional auf den Muskel betrachtet energetisch kurzfristig günstig. Für den Organismus insgesamt bedeutet er allerdings langfristig Energieverluste (siehe auch Cori-Zyklus). Dies zeigt, dass der Körper in Extremsituationen – hier hohe Leistungsanforderung – dazu bereit sein kann, langfristig Energie einzubüßen, um kurzfristig die benötigte Leistung aufzubringen.

Die in der Leber gebildete Glucose kann dann wieder durch das Blut von den Muskelzellen aufgenommen werden. Dieser Kreislauf wird auch als Cori-Zyklus bezeichnet. Die Fähigkeit, eine hohe Leistung trotz hohen Lactatspiegels aufrechtzuerhalten, wird in der physiologisch begründeten Trainingslehre als Lactattoleranz bezeichnet.

→siehe auch: Glykolyse, Milchsäuregärung

Varianten

Veränderte Citratzyklus-Stoffwechselwege, in denen ein Teilschritt fehlt, sind bei Bakterien der Normalfall (13 von 17 untersuchten). Der fehlende Schritt kann durch andere Reaktionsschritte ersetzt sein oder auch nicht. Tatsächlich sind nur von zwei Bakterienarten Enzyme mit Ketoglutarat-Dehydrogenase-Aktivität (KDH) bekannt: Bacillus japonicum und Escherichia coli. Das Bakterium Escherichia coli fährt unter aeroben Bedingungen den kompletten Citratzyklus wie beschrieben. Unter anaeroben Bedingungen ist es in der Lage, die KDH zu desaktivieren. Die Stoffwechselwege, die vorher einen Kreis bildeten, sind nun baumstrukturartig verbunden. M. tuberculosis hingegen kann zwischen zwei verschiedenen Citratzyklen umschalten, die beide vom eukaryotischen Weg verschieden sind.^[5]

Archaeen, aber auch manche Bakterien, wie Helicobacter pylori, das unter microaerophilen Bedingungen wächst, katalysieren die Umwandlung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA mittels einer oxidationsempfindlichen 2-Ketoglutarat:Ferredoxin-Oxidoreduktase (OGOR, EC 1.2.7.3). Im Gegensatz zur OGDC enthält diese Eisen-Schwefel-Cluster; es fehlen das Flavin und das Liponsäureamid. Anstatt NADH wird Ferredoxin als Reduktionsäquivalent genutzt. Auch Mycobacterium tuberculosis enthält ein CoA-abhängiges Enzym, das dagegen auch unter aeroben Bedingungen stabil ist.^[6][7][8]

Bei verschiedenen Mycobakterien (darunter auch Mycobacterium tuberculosis) ist die E1-Untereinheit der Ketoglutarat-Dehydrogenase durch eine Ketoglutarat-Decarboxylase ersetzt, die unabhängig von Coenzym A zunächst Succinat-Semialdehyd produziert, welches von einer NADP⁺-abhängigen Succinat-Semialdehyd-Dehydrogenase zu Succinat dehydriert wird.^[9]

Entdeckung

1937 postulierte der Biochemiker Hans Adolf Krebs als erster den Citratzyklus als Weg der Pyruvatoxidation. Er untersuchte den Einfluss verschiedener organischer Säuren auf den Sauerstoffverbrauch bei der Pyruvatoxidation mit Suspensionen von zerkleinertem Taubenbrustmuskel. Dieser Flugmuskel ist für die Untersuchung besonders gut geeignet, da er eine hohe oxidative Aktivität aufgrund einer sehr hohen Atmungsgeschwindigkeit aufweist. Krebs bestätigte die Beobachtung von unter anderem Albert Szent-Györgyi, dass C₄-Dicarbonsäuren aus tierischen Geweben (Succinat, L-Malat, Fumarat und Oxalacetat) den Sauerstoffverbrauch von Muskeln stimulieren. Krebs bestätigte diese Beobachtung und fand, dass auch die Pyruvatoxidation einen solchen Effekt hervorruft. Diese wird durch C₆-Tricarbonsäuren Citrat, cis-Aconitat und Isocitrat, sowie durch die C₅-Verbindung α-Ketoglutarat stimuliert. Andere organische Säuren zeigten nicht den genannten Effekt. Dieser war jedoch äußerst beachtlich, denn sehr geringe Mengen führten bereits zu einer Oxidation einer vielfachen Menge an Pyruvat.

Die zweite wichtige Beobachtung von Krebs war, dass L-Malat – eng verwandt mit Succinat und kompetitiver Inhibitor der Succinat-Dehydrogenase – die aerobe Verwertung von Pyruvat in Muskelsuspensionen hemmt und zwar unabhängig davon, welche der aktiven organischen Säuren zugesetzt wird. Dies zeigt, dass Succinat und Succinat-Dehydrogenase wesentliche Bestandteile der an der Pyruvatoxidation beteiligten Reaktion sein müssen.

Aus diesen grundlegenden Beobachtungen und weiteren Hinweisen schloss Krebs, dass die unten aufgeführten aktiven Tri- und Dicarbonsäuren in einer chemisch logischen Reihenfolge angeordnet sein könnten. Da die Inkubation von Pyruvat und Oxalacetat mit zerkleinertem Muskelgewebe eine Anreicherung von Citrat im Medium hervorrief, folgerte Krebs, dass diese Sequenz nicht linear, sondern zyklisch arbeitet – ihr Ende ist mit ihrem Anfang verknüpft. Er irrte sich nur bei der letzten fehlenden Reaktion. Es gilt nämlich nicht: Pyruvat + Oxalacetat → Citrat + CO₂. Somit schlug Krebs vor, dass der von ihm als „Zitronensäurezyklus“ bezeichnete Weg den Hauptweg der Kohlenhydratoxidation im Muskel darstelle.

Rezeption

Harold Baum hat ein Lehrbuch^[10] herausgebracht, in dem biochemische Prozesse durch bekannte Lieder vertont wurden. Dies soll es Studenten erleichtern, sich besser an komplizierte Sachverhalte bei Stoffwechselwegen zu erinnern. Auch die Prozesse im Citratzyklus wurden im Lied „Waltz Round The Cycle“ vertont.

Siehe auch

• Zellatmung
• Glyoxylatzyklus
• Biochemische Zyklen
• Glukose-Stoffwechsel
• Reduktiver Citratzyklus

Literatur

• Reginald Garrett, Charles M. Grisham: Biochemistry. International Student Edition. 4. Aufl. Cengage Learning Service, Australia 2009, S. 563ff. ISBN 0-495-11464-2.
• Geoffrey Zubay: Biochemie. 4. Aufl. Mcgraw-Hill International, London 1999. ISBN 3-89028-701-8.
• Donald Voet, Judith G. Voet: Biochemie. Wiley-VCH, Weinheim 1994. ISBN 3-527-29249-7.
• Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer: Biochemie. 6 Aufl. Spektrum, Heidelberg 2007. ISBN 3-8274-1800-3.
• H. Robert Horton, Laurence A. Moran, K. Gray Scrimgeour, Marc D. Perry, J. David Rawn, Carsten Biele (Übers.): Biochemie. 4. Aufl. Pearson Studium, München 2008. ISBN 3-8273-7312-3.
• David L. Nelson, Michael M. Cox, Albert L. Lehninger (Begr.): Lehninger Biochemie. 4. Aufl. Springer, Berlin 2009. ISBN 3-540-68637-1.

Weblinks

Wikibooks: Biochemie und Pathobiochemie: Citratzyklus – Lern- und Lehrmaterialien

• Was ist das Ziel des Zitratzyklus ?
• Prof. DP. Silva: The chemical logic behind the citric acid cycle. (engl.)

Einzelnachweise