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Citratzyklus: Reaktionen

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  • Lesezeit: 10 min
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Steckbrief

Im Citratzyklus, der nur unter aeroben Bedingungen abläuft, wird die Acetylgruppe von Acetyl-CoA, das aus unterschiedlichen Quellen stammen kann (der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat durch die Pyruvatdehydrogenase, der β-Oxidation von Fettsäuren, dem Ketonkörperabbau oder dem Aminosäureabbau), in 8 aufeinanderfolgenden Schritten zu CO2 oxidiert. Die Energie dieser Oxidationen wird in Form von Reduktionsäquivalenten NADH und FADH2 konserviert, die ihre Elektronen an die Atmungskette abgeben. Außerdem entsteht GTP oder ATP.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die 8 Reaktionsschritte des Citratzyklus.

Reaktionsschritte des Citratzyklus
ReaktionEnzymkatalysierte Reaktion

1

Citratsynthase

Oxalacetat + Acetyl-CoA + H2O → CoA-SH + Citrat

2

Aconitase

Citrat ⇌ Isocitrat

3

Isocitratdehydrogenase

Isocitrat + NAD+ → α-Ketoglutarat + CO2 + NADH + H+

4

α-Ketoglutarat-Dehydrogenase

α-Ketoglutarat + CoA-SH + NAD+ → Succinyl-CoA + CO2 + NADH + H+

5

Succinyl-CoA-Synthetase

Succinyl-CoA + GDP/ADP + Pi ⇌ Succinat + CoA-SH + GTP/ATP

6

Succinatdehydrogenase

Succinat + FAD ⇌ Fumarat + FADH2

7

Fumarase

Fumarat + H2O ⇌ Malat

8

Malatdehydrogenase

Malat + NAD+ ⇌ Oxalacetat + NADH + H+

Die 3 irreversiblen Reaktionen werden von der Citratsynthase, der Isocitratdehydrogenase und der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase katalysiert.

Wird die Acetylgruppe von Acetyl-CoA vollständig zu CO2 oxidiert, dann lautet die Nettoreaktion des Citratzyklus:

Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP/ADP + Pi + 2 H2O → 2 CO2 + 3 NADH + H+ + FADH2 + GTP/ATP + CoA-SH

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Übersicht über die einzelnen Reaktionen des Citratzyklus

Acetyl-CoA wird in 8 aufeinanderfolgenden Reaktionen zu CO2 oxidiert. Dabei werden die Reduktionsäquivalente NADH und FADH2 gebildet, die ihre Elektronen an verschiedene Komplexe der Atmungskette abgeben. Außerdem entsteht 1 GTP bzw. 1 ATP. Drei Reaktionen des Citratzyklus sind irreversibel. Sie werden von der Citratsynthase, der Isocitratdehydrogenase und der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase katalysiert.

(Quelle: Rassow et al., Duale Reihe Biochemie, Thieme, 2022)
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    Allgemeines

    Im Citratzyklus wird die Acetylgruppe von Acetyl-CoA, das aus der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat, der β-Oxidation der Fettsäuren, dem Ketonkörperabbau oder dem Aminosäureabbau stammen kann, in 8 aufeinanderfolgenden Schritten zu CO2 oxidiert. Die Energie dieser Oxidationen wird in Form von Reduktionsäquivalenten NADH und FADH2 mit ihrem hohen Übertragungspotenzial für Elektronen konserviert. Beide geben die Elektronen an die Atmungskette ab (NADH an Komplex I, FADH2 an Komplex II) und werden wieder oxidiert. Durch die Übertragung der Elektronen auf Sauerstoff und den damit verbundenen Elektronenfluss durch die Atmungskettenkomplexe wird ein Protonengradient aufgebaut, der schließlich der ATP-Synthese dient. Neben den Reduktionsäquivalenten entsteht im Citratzyklus pro Umlauf ein GTP, aus dem ATP gebildet werden kann. Die Enzyme des Citratzyklus sind im Mitochondrium lokalisiert.

    Da NAD+ und FAD in den Mitochondrien nur durch Elektronenübertragung auf molekularen Sauerstoff in der Atmungskette regeneriert werden können, ist der Citratzyklus strikt an aerobe Bedingungen gebunden. Die Glykolyse findet dagegen auch unter anaeroben Bedingungen statt. Mehr zu aeroben und anaeroben Glykolyse findest du hier.

    Zu Beginn des Citratzyklus gibt Acetyl-CoA seine Acetylgruppe an die C4-Verbindung Oxalacetat ab, wodurch die C6-Verbindung Citrat entsteht. Im Verlauf des Zyklus entstehen durch Abspaltung eines CO2-Moleküls eine C5-Verbindung und durch Abspaltung eines weiteren CO2-Moleküls eine C4-Verbindung, die dann wieder in Oxalacetat umgewandelt wird. Das Oxalacetat kann wieder eine Acetylgruppe aufnehmen. Bei jedem Umlauf tritt also eine Acetylgruppe als Acetyl-CoA in den Zyklus ein und 2 CO2-Moleküle verlassen ihn. Es findet kein Nettoverbrauch von Oxalacetat statt. Werden allerdings Zwischenprodukte des Zyklus als Vorstufen für die Synthese anderer Verbindungen abgezogen, wie es für den Citratzyklus als Zentrum des Intermediärstoffwechsels typisch ist, dann sind auffüllende (anaplerotische) Reaktionen notwendig.

    Reaktionen des Citratzyklus

    1. Citratsynthase-Reaktion

    Oxalacetat + Acetyl-CoA + H2O → CoA-SH + Citrat

    Die Citratsynthase katalysiert die Übertragung von Acetyl-CoA auf die Dicarbonsäure Oxalacetat unter Bildung von Citrat. Citrat ist das Anion der C6-Tricarbonsäure Zitronensäure. Bei dieser Reaktion wird der Methylkohlenstoff der Acetylgruppe mit dem C-Atom der Carbonylgruppe von Oxalacetat verknüpft (Mechnismus nicht geklärt; z.T. als Kondensationsreaktion beschrieben). Zunächst entsteht ein instabiles Zwischenprodukt (Citryl-CoA), dessen energiereiche Thioesterbindung zu Citrat und CoA-SH hydrolysiert wird. Diese Hydrolyse ist stark exergon und treibt die Bildung des Citrats an. Das abgespaltene Coenzym A wird in der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat wiederverwertet.

    2. Aconitase-Reaktion

    Citrat – H2O ⇌ [cis-Aconitat] + H2O ⇌ Isocitrat

    Die Aconitase (auch Aconitathydratase genannt) katalysiert die reversible Isomerisierung von Citrat in das oxidierbare Isocitrat. Als Zwischenprodukt entsteht das instabile Zwischenprodukt cis-Aconitat, das am Enzym gebunden bleibt. Erst durch die Verschiebung der OH-Gruppe und die Umwandlung des tertiären in einen sekundären Alkohol wird aus Citrat ein Substrat für eine Dehydrogenase. Bei der zweistufigen Reaktion wird die OH-Gruppe zunächst zusammen mit einem Proton als Wasser abgespalten (Dehydratisierung). Es entsteht eine Doppelbindung, an die dann in einem zweiten Schritt wieder Wasser angelagert wird (Hydratisierung), jedoch in anderer Orientierung.

    Die Aconitase enthält ein Eisen-Schwefel-Zentrum. Bei Eisenmangel verliert das Enzym den 4Fe-4S-Cluster und übernimmt eine Funktion bei der Regulation der Eisenhomöostase.

    3. Isocitratdehydrogenase-Reaktion

    Isocitrat + NAD+ → α-Ketoglutarat + CO2 + NADH + H+

    Die Isocitratdehydrogenase oxidiert Isocitrat zu Oxalsuccinat. Dabei entstehen das erste NADH sowie CO2. Anschließend findet eine Decarboxylierung von Oxalsuccinat statt und α-Ketoglutarat (auch 2-Oxoglutarat genannt) wird gebildet. Bei der Gesamtreaktion handelt es sich um eine oxidative Decarboxylierung.

    Blick in die Klinik:
    Mutationen in Genen der Isocitratdehydrogenase

    Mutationen in den Genen der Isocitratdehydrogenase (IDH1 und IDH2) sind eng assoziiert mit der Entstehung von Gliomen und anderen Tumorarten. Der Nachweis von IDH-Mutationen wird sogar zur Klassifizierung von Gliomen herangezogen. Die mutierte Isocitrathydrogenase hemmt die normale IDH-Reaktion der Isocitratumsetzung und wandelt stattdessen α-Ketoglutarat NADPH/H+-abhängig in 2-Hydroxyglutarat um. In den Tumorzellen führt 2-Hydroxyglutarat zu verschiedensten Prozessen, die u.a. über HIF-1-induzierte Expression von VEGF (vascular endothelial growth factor) die Angiogenese und das Tumorwachstum fördern.

    4. α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Reaktion

    α-Ketoglutarat + CoA-SH + NAD+ → Succinyl-CoA + CO2 + NADH + H+

    Aus α-Ketoglutarat entstehen Succinyl-CoA, CO2 und das zweite NADH. Dabei werden die Wasserstoffatome nicht direkt auf NAD+ übertragen, sondern zunächst auf den Vermittler FAD. Das FADH2 leitet die Elektronen dann an NAD+ weiter. Bei der Reaktion handelt es sich ebenfalls um eine oxidative Decarboxylierung.

    Katalysiert wird die Reaktion von der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase (auch als α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex bezeichnet). Das Enzym ist wie der Pyruvatdehydrogenasekomplex ein Multienzymkomplex und benötigt die gleichen 5 Coenzyme (Thiaminpyrophosphat, Liponsäure bzw. Liponamid, FAD, Coenzym A und NAD+). Daher entspricht auch der Reaktionsmechanismus der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase dem Mechanismus des Pyruvatdehydrogenasekomplexes.

    Die Ähnlichkeit von α-Ketoglutarat-Dehydrogenase und Pyruvatdehydrogenasekomplex ist nicht verwunderlich; es handelt sich bei beiden Substraten – α-Ketoglutarat und Pyruvat – um α-Ketosäuren. Das sind Carbonsäuren, bei denen direkt auf die Carboxygruppe eine Carbonylgruppe folgt. Das C-Atom der Carbonylgruppe ist das α-C- bzw. das C2-Atom.

    Die von der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase katalysierte Reaktionsfolge lautet:

    1. α-Ketoglutarat wird auf TPP übertragen. Dabei wird CO2 abgespalten.

    2. Das Produkt wird von TPP auf Liponamid übertragen.

    3. Durch Übertragung des Produkts auf Coenzym A entsteht Succinyl-CoA.

    4. Das Liponamid überträgt die aufgenommenen Elektronen auf FAD. Das FADH2 gibt sie an NAD+ weiter, wodurch NADH + H+ entsteht.

    5. Succinyl-CoA-Synthetase-Reaktion

    Succinyl-CoA + GDP/ADP + Pi ⇌ Succinat + CoA-SH + GTP/ATP

    Der energiereiche Metabolit Succinyl-CoA wird in Succinat überführt. Dabei wird auch GTP bzw. ATP gebildet. Succinat ist das Anion der Bernsteinsäure. Katalysiert wird die Reaktion von der Succinyl-CoA-Synthetase, einer Thiokinase. Das energiereiche Triphosphat GTP entspricht energetisch einem ATP und kann in dieses umgewandelt werden. Diese Reaktion wird von der Nucleosiddiphosphatkinase katalysiert und dient der Anpassung der Konzentrationen von GTP und ATP an den Bedarf der Zelle.

    GTP + ADP → GDP + ATP

    Es gibt gewebespezifisch unterschiedliche Isoenzyme der Succinyl-CoA-Synthetase. Gewebe mit vorwiegend anaboler Funktion enthalten das GDP-abhängige (GTP-bildende) Isoenzym, andere das ADP-abhängige (ATP-bildende) Isoenzym. In respiratorisch sehr aktiven Geweben wie der Herzmuskulatur überwiegt die ADP-abhängige Form, in vorwiegend anabolisch aktiven Geweben wie der Leber ist es die GDP-abhängige Form.

    Wie Acetyl-CoA besitzt auch Succinyl-CoA eine energiereiche Thioesterbindung. Die bei der Spaltung der Thioesterbindung zwischen dem Succinylrest und CoA frei werdende Energie (exergone Reaktion) wird zur Synthese von GTP/ATP aus GDP/ADP (endergone Reaktion) durch Ausbildung einer Phosphorsäureanhydridbindung genutzt. Die Änderung der freien Enthalpie (ΔG) der Gesamtreaktion ist negativ.

    Die Reaktion ist ein Beispiel für die energetische Kopplung von Reaktionen wie auch für eine Substratkettenphosphorylierung.

    6. Succinatdehydrogenase-Reaktion

    Succinat + FAD ⇌ Fumarat + FADH2

    Die Succinatdehydrogenase oxidiert (dehydriert) Succinat zu Fumarat, indem sie die zentrale Einfachbindung des Succinats in eine trans-Doppelbindung umwandelt. Gleichzeitig wird FAD als riboflavinhaltige prosthetische Gruppe der Succinatdehydrogenase zu FADH2 reduziert (FAD siehe Bild). Bei der Reaktion handelt es sich um eine Dehydrierung.

    Das Enzym liegt nicht, wie die anderen Enzyme des Citratzyklus, frei in der mitochondrialen Matrix vor, sondern ist in der inneren Mitochondrienmembran verankert. Die Succinatdehydrogenase ist Bestandteil der Atmungskette (genauer: von Komplex II) und schleust ihre Elektronen direkt in die Atmungskette ein. FAD und Eisen-Schwefel-Zentren sind die prosthetischen Gruppen dieses Enzyms, die die Elektronen vom Succinat über Häm b auf Ubichinon übertragen. Die korrekte Reaktionsgleichung lautet also daher eigentlich:

    Succinat + Ubichinon ⇌ Fumarat + Ubichinol

    7. Fumarase-Reaktion

    Fumarat + H2O ⇌ Malat

    Die Fumarase (auch als Fumarathydratase bezeichnet) katalysiert die Hydratisierung von Fumarat zu Malat. Malat ist das Anion der Äpfelsäure.

    8. Malatdehydrogenase-Reaktion

    Malat + NAD+ ⇌ Oxalacetat + NADH + H+

    Durch Dehydrierung des sekundären Alkohols Malat durch die Malatdehydrogenase entsteht wieder Oxalacetat, das für eine neue Runde des Citratzyklus bereit steht. Coenzym der Malatdehydrogenase ist NAD+, in diesem letzten Schritt entsteht daher das dritte NADH.

    Das Gleichgewicht dieser Reaktion liegt eigentlich vollständig auf der Seite der Substrate. Die Reaktion läuft nur ab, da das gebildete Oxalacetat unter physiologischen Bedingungen rasch mit Acetyl-CoA reagiert und so dem Gleichgewicht entzogen wird.

    Image description
    Reaktionen des Citratzyklus

    Im Citratzyklus wird die Acetylgruppe von Acetyl-CoA in 8 aufeinanderfolgenden Schritten zu CO2 oxidiert. Zu Beginn gibt Acetyl-CoA seine Acetylgruppe an die C4-Verbindung Oxalacetat ab, wodurch Citrat (C6) entsteht. Im weiteren Verlauf wird durch Abspaltung eines CO2-Moleküls α-Ketoglutarat (C5) gebildet und durch Abspaltung eines zweiten CO2-Moleküls Succinyl-CoA (C4), das dann in Oxalacetat umgewandelt wird. Das Oxalacetat kann wieder eine Acetylgruppe aufnehmen. Im Verlauf der Reaktionen werden außerdem GTP/ATP und die Reduktionsäquivalente FADH2 und NADH gebildet.

    Lerntipp:
    Enzyme und Reaktionen des Citratzyklus

    Merke dir die Reihenfolge der Enzyme des Citratzyklus und die Produkte der von ihnen katalysierten Reaktion:

    1. Citratsynthase: Citrat

    2. Aconitase: Isocitrat

    3. Isocitratdehydrogenase: α-Ketoglutarat

    4. α-Ketoglutarat-Dehydrogenase: Succinyl-CoA

    5. Succinyl-CoA-Synthetase: Succinat

    6. Succinatdehydrogenase: Fumarat

    7. Fumarase: Malat

    8. Malatdehydrogenase: Oxalacetat.

    Auch die einzelnen Reaktionen des Citratzyklus sind ein beliebtes Prüfungsthema. Um sich die Reaktionen besser merken zu können, beginnst du am besten beim Oxalacetat und verfolgst die Verbindungen im Zusammenhang mit den Reaktionen. Mache dir klar, wo die Reduktionsäquivalente NADH bzw. FADH2 entstehen und an welcher Stelle GTP/ATP gebildet wird.

    Lerntipp:
    Strukturformeln

    Die Strukturformeln von Oxalacetat, Succinat, und Malat waren in in den letzten Jahren für die Prüfung relevant. Schaue dir diese und alle anderen Strukturformeln von Zwischenprodukten des Citratzyklus gut an. Sie werden dir möglicherweise in der Prüfung präsentiert.

    Möglicherweise muss man sogar Derivate der Strukturformeln erkennen. Einmal wurde z.B. die Formel von zweifach methyliertem Fumarat gezeigt, die man erkennen musste.

    Lerntipp:
    Stoffwechselprinzipien

    Die Citratzyklus-Schritte 6.–8. laufen in identischer Reaktionsfolge auch bei der β-Oxidation geradzahliger Fettsäuren (1.–3.) ab.

    Vergleich der Reaktionsschritte aus Citratzyklus und β-Oxidation
    ReaktionBeschreibungCitratzyklusβ-Oxidation

    Oxidation

    Einführen einer Doppelbindung, FAD wird zu FADH2 reduziert

    6. Succinatdehydrogenase

    1. Acyl-CoA-Dehydrogenase

    Hydratisierung

    Wasser wird angelagert

    7. Fumarase (Fumarathydratase)

    2. Enoyl-CoA-Hydratase

    Oxidation

    Hydroxygruppe wird oxidiert, wobei NAD+ zu NADH + H+ reduziert wird

    8. Malatdehydrogenase

    3. L-3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase

    Überblick über den Citratzyklus

    Mithilfe dieses Videos (deutsche Sprache) kannst du die wesentlichen Merkmale des Citratzyklus noch einmal wiederholen (Lernvideo zum Endspurt-Biochemieposter).

    Image description
    FMN und FAD

    (Quelle: Königshoff, Brandenburger, Kurzlehrbuch Biochemie, Thieme, 2018)
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      IMPP-Fakten im Überblick

      ExamenF21F14Acetyl-CoA reagiert mit der Dicarbonsäure Oxalacetat unter Bildung von Citrat.

      ExamenH17Bei der Isomerisierung von Citrat zu Isocitrat entsteht cis-Aconitat als Zwischenprodukt.

      ExamenF20Eine mutierte Isocitrathydrogenase, die u.a. in Gliomen vorkommen kann, wandelt α-Ketoglutarat NADPH/H+-abhängig in 2-Hydroxyglutarat um.

      ExamenH10Bei der Oxidation von α-Ketoglutarat entstehen Succinyl-CoA und CO2.

      ExamenF12Die Mechanismen der Reaktionen, die von der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase und vom Pyruvatdehydrogenasekomplex katalysiert werden, gleichen sich. Beide Enzymkomplexe nutzen die gleichen Coenzyme.

      ExamenH22F21F19F14Die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase enthält Thiaminpyrophosphat und katalysiert eine oxidative Decarboxylierung.

      ExamenF22F10Bei der Umwandlung von Succinyl-CoA zu Succinat durch die Succinyl-CoA-Synthetase entsteht direkt GTP aus GDP.

      ExamenH16Die Reaktion der Succinyl-CoA-Synthetase ist ein Beispiel für eine Substratkettenphosphorylierung.

      ExamenF13H10Fumarat wird durch Dehydrierung von Succinat gebildet.

      ExamenH21F21H10Die Bildung von Fumarat aus Succinat wird von der Succinatdehydrogenase katalysiert. Diese enthält die riboflavinhaltige prosthetische Gruppe FAD.

      ExamenH13F10Die Succinatdehydrogenase ist sowohl Bestandteil des Citratzyklus als auch der Atmungskette (Komplex II).

      ExamenF16F15H10Die Umwandlung von Fumarat in Malat ist eine Hydratisierung.

      ExamenF09Coenzym der Malatdehydrogenase ist NAD+.

      ExamenH18H12Bei der Umwandlung (Oxidation) von Malat zu Oxalacetat wird NADH gebildet.

      ExamenH14Die Reihenfolge der Enzyme des Citratzyklus und die von ihnen katalysierten Reaktionen musst du kennen:

      • Citratsynthase

      • Aconitase

      • Isocitratdehydrogenase

      • α-Ketoglutarat-Dehydrogenase

      • Succinyl-CoA-Synthetase

      • Succinatdehydrogenase

      • Fumarase

      • Malatdehydrogenase

      ExamenF22F20F14H13H11Die Strukturformeln von Zwischenprodukten des Citratzyklus musst du kennen (ggf. auch Derivate davon).

      ExamenH22Die Citratzyklus-Schritte 6.–8. laufen in identischer Reaktionsfolge auch bei der β-Oxidation geradzahliger Fettsäuren ab: Oxidation, Hydratisierung, Oxidation.

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      zuletzt bearbeitet: 17.10.2022
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