Citratzyklus: Reaktionen

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.

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.

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.

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.

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.

Succinyl-CoA + GDP/ADP + P_i ⇌ 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.

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

Fumarat + H₂O ⇌ Malat

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

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.