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Citratzyklus als energieliefernder Stoffwechselweg
Die wichtigste Funktion des Citratzyklus (auch Tricarbonsäure- oder Zitronensäurezyklus genannt) besteht darin, Acetyl-CoA, das aus der oxidativen Decarboxylierung, der β-Oxidation der Fettsäuren oder dem Aminosäureabbau stammt, in 8 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 2 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 1 GTP bzw. ATP gebildet. Die Enzyme des Citratzyklus befinden sich, wie die der Atmungskette, im Mitochondrium.
Die Energiebilanz für die Oxidation einer Acetylgruppe zu CO2 lautet: 3 NADH, 1 FADH2 und 1 GTP bzw. ATP
Citratzyklus als Zentrum des Intermediärstoffwechsels
Der Citratzyklus ist nicht nur die Endstrecke des Substratabbaus durch Oxidation von Acetylgruppen (C2) zu CO2, sondern ist das Zentrum des Intermediärstoffwechsels. Neben seiner katabolen Funktion beim Abbau verschiedener Biomoleküle, dessen Produkte an unterschiedlichen Stellen in den Zyklus eingeschleust werden können, besitzt er eine große Bedeutung als anaboler Stoffwechselweg, dessen Zwischenprodukte Vorstufen für zahlreiche Biosynthesen darstellen, wie:
Um die verbrauchten Zwischenprodukte des Citratzyklus zu ersetzen, sind auffüllende (anaplerotische) Reaktionen notwendig.
Regulation des Citratzyklus
Die Regulation beruht vor allem auf einer Aktivierung und Hemmung durch Substrate und Produkte, die u.a. im Verlauf des Zyklus entstehen und als allosterische Effektoren verschiedener Enzyme des Zyklus fungieren. Die Aktivität des Citratzyklus ist eng mit dem Energiehaushalt der Zelle korreliert: Ist die Energieladung der Zelle hoch (viel NADH und ATP sind vorhanden), dann ist der Substratfluss durch den Zyklus gering, ist sie schlecht (viel ADP und NAD+ sind vorhanden), dann ist der Fluss durch den Zyklus besonders hoch. Der Citratzyklus wird hauptsächlich von folgenden Faktoren reguliert:
Aktivatoren: Acetyl-CoA, Oxalacetat, NAD+, ADP, Succinat, Ca2+
Inhibitoren: NADH, ATP, Citrat, Oxalacetat.
Übersicht über den Citratzyklus
In acht aufeinanderfolgenden Reaktionen wird Acetyl-CoA zu CO2 oxidiert. Dabei werden die Reduktionsäquivalente NADH und FADH2 gebildet, die ihre Elektronen an die Atmungskette abgeben. Außerdem entsteht je nach Gewebe GTP oder ATP.
(Quelle: Rassow et al., Duale Reihe Biochemie, Thieme, 2022)Gedächtnispalast zum Citratzyklus: Einführung & Übersicht
In diesem Video bekommst du eine Einführung in den Citratzyklus und lernst alle wichtigen Figuren des Gedächtnispalastes kennen: Kohlenhydrate, Fett und Eiweiß werden zu Acetyl-CoA (Koala mit Essiggurke) abgebaut. Der Koala mit Essiggurke wird in die Zitronenlimonadenfabrik (Citratzyklus) eingeschleust. Daraus entsteht letzendlich massig Energie (direkt als GTP und über die Zwischenschritte von Reduktionsäquivalenten als ATP in der Atmungskette).
(Dauer: 5:02 min, © HappyHippocampus)
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