Citratzyklus: Bedeutung für den Intermediärstoffwechsel und Regulation

Der Citratzyklus als Zentrum des Intermediärstoffwechsels

Der Citratzyklus ist nicht nur die Endstrecke des Substratabbaus durch Oxidation von C₂-Acetylgruppen zu CO₂, sondern ist als amphiboler Stoffwechselweg auch Zentrum des Intermediärstoffwechsels: Neben seiner katabolen Funktion für den Abbau verschiedener Biomoleküle, deren Abbauprodukte an unterschiedlichen Stellen eingeschleust werden können, besitzt er auch eine große Bedeutung als anaboler Stoffwechselweg, dessen Zwischenprodukte Vorstufen für zahlreiche Biosynthesen sind. Seine Bedeutung als amphiboler Stoffwechselweg betrifft:

• den Aminosäurestoffwechsel: Abbau des Kohlenstoffgerüsts von Aminosäuren, Bereitstellung von Vorstufen für die Synthese nicht essenzieller Aminosäuren

• den Kohlenhydratstoffwechsel: Abbau der Acetylgruppe von Acetyl-CoA aus dem oxidativen Abbau von Glucose, Bereitstellung von Oxalacetat für die Synthese von Glucose in der Gluconeogenese

• den Fettsäurestoffwechsel: Abbau der Acetylgruppe von Acetyl-CoA aus der β-Oxidation der Fettsäuren und dem Abbau von Ketonkörpern; Bereitstellung von Citrat bzw. Acetyl-CoA für die Fettsäurebiosynthese

• weitere Biosynthesen: Bereitstellung von Vorstufen für die Hämbiosynthese, die Steroidsynthese und die Nucleotidsynthese

Um die verbrauchten Zwischenprodukte zu ersetzen, sind auffüllende (anaplerotische) Reaktionen notwendig.

Regulation des Citratzyklus

Die Aktivität des Citratzyklus ist eng mit dem Energiehaushalt der jeweils betrachteten Zelle korreliert. Die Regulation lässt sich wie folgt zusammenfassen: Ist die Energieladung der Zelle hoch (viel NADH und ATP), dann ist der Substratfluss durch den Zyklus gering, ist sie schlecht (viel ADP und NAD⁺), dann ist der Fluss durch den Zyklus hoch. Vor allem folgende Faktoren kontrollieren den Zyklus:

• Eine gute Verfügbarkeit der Substrate Acetyl-CoA und Oxalacetat beschleunigt den Umsatz der Citratsynthase.

• Zwischenprodukte des Zyklus wirken als allosterische Effektoren. Ein hoher Gehalt an NADH und ATP wie auch die Zwischenprodukte Citrat und Oxalacetat bremsen den Fluss durch den Zyklus auf diese Weise. NAD⁺, ADP und das Substrat Succinat steigern ihn.

• Ca²⁺, das Kontraktionen und damit Energieverbrauch im Muskelgewebe signalisiert und viele zelluläre Funktionen aktiviert, stimuliert den energieliefernden Citratzyklus ebenfalls.