Gourt Home::Gourt :: Citratzyklus
Der Citratzyklus (auch Zitratzyklus, Zitronensäurezyklus, Tricarbonsäurezyklus oder Krebs-Zyklus genannt) ist ein Kreislauf biochemischer Reaktionen im Zentrum des Metabolismus aerober Zellen. Namensgeber ist die als Zwischenprodukt auftretende Zitronensäure resp. deren Salz Citrat. Die Reaktionsfolge wurde von Hans Adolf Krebs (1900-1981) entdeckt und wird daher auch als Krebs-Zyklus bezeichnet. Krebs erhielt 1953 den Nobelpreis für Medizin für die Klärung metabolischer Abbauwege.
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 eigentlichen Atmungskette voraus. Anaerobe Organismen verwenden zunächst die gleichen Abbauwege für energiereiche organische Substanzen, z. B. die Glykolyse, dann aber nicht die oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien, sondern andere, nicht von Sauerstoff abhängige Fermentationsprozesse, um Energie zu gewinnen (siehe auch Gärung).
Der Citratzyklus kann als der dritte von vier Schritten im Kohlenhydrat-Katabolismus gesehen werden. Er findet nach der Glykolyse und der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat, jedoch vor der Endoxidation in der Atmungskette, statt.
Für den Citratzyklus lässt sich folgende Bilanz aufstellen:
Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Phosphat → 2 CO2 + 3 (NADH+H+) + FADH2 + GTP + CoA-SH
Acetyl-CoA, d. i. Essigsäure in ihrer aktivierten Form, wird also durch den Citratzyklus zu CO2, den Reduktionsäquivalenten NADH und FADH2 sowie dem Energieäquivalent Guanosintriphosphat, GTP, verstoffwechselt. Die Reduktionsäquivalente als "biochemischer Wasserstoff" werden in der sich anschließenden Atmungskette mit Sauerstoff kontrolliert zu Wasser oxidiert. Die dabei freiwerdende Energie steht dem Stoffwechsel in Form des Energieäquivalents Adenosintriphosphat, ATP, zur Verfügung.
Reaktionsablauf des Citratzyklus
Citratcyclus.svge, rote Pfeile cataplerotische Stoffwechselwege, die eng mit dem Citratzyklus verbunden sind.]]
Der Reaktionsablauf ist in Abb. 1 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.
Die sich daran 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 wird durch die Isocitrat-Dehydrogenase in den Schritten 3a-b oxidiert und decarboxyliert. Neben dem ersten Reduktionsäquivalent NADH+H+ entsteht hierbei α-Ketoglutarat (anderer Name: 2-Oxoglutarat), ein auch für den Aminosäuren-Metabolismus wichtiges Zwischenprodukt (cataplerotischer Stoffwechselpfad: reduktive (Trans-)Aminierung zum Glutamat ⇒ Aminosäurebiosynthese; anaplerotischer Stoffwechselpfad: Desaminierung des Glutamats ⇒ Aminosäureoxidation).
Experimente mit isotopenmarkierten Substraten zeigen, dass das bei der Decarboxylierung im Schritt 3b freigesetzte CO2 dem Oxalacetat 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 zuordbar ist. Das nun entstehende Succinyl-CoA ist ein weiteres Schlüsselprodukt des Citratzyklus (cataplerotischer Stoffwechselpfad: Porphyrin-Biosynthese; anaplerotische Stoffwechselpfade: Abbau der Aminosäuren Valin, Isoleucin und 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.
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 Asparaginsäure, Phenylalanin und 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, welches auch als Ausgangsstoff zur Gluconeogenese dient.
Wie schon das Isocitrat ist auch das Malat bedingt durch die sekundäre OH-Gruppe oxidabel, so dass im Schritt 8 durch die Malat-Dehydrogenase unter Gewinnung von NADH das Substrat des ersten Schrittes, Oxalacetat, resynthetisiert wird und der Kreislauf somit geschlossen wird. An das Oxalacetat sind wiederum weitere Stoffwechselpfade angebunden (cataplerotisch: reduktive (Trans-)Aminierung zum Aspartat ⇒ Aminosäure-Biosynthese; anaplerotisch: Desaminierung des Aspartats ⇒ Aminosäureoxidation).
| Substrat | Reaktionspartner/ Coenzyme | Enzym | Reaktionstyp | Inhibitoren | Aktivatoren | Produkte/ Coenzyme | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Oxalacetat | Acetyl-CoA, Wasser | Citrat-Synthase | Kondensation | Citrat, NADH, Succinyl-CoA | - | Citrat |
| 2a | Citrat | - | Aconitase | Dehydratisierung | - | - | cis-Aconitat, Wasser |
| 2b | cis-Aconitat | Wasser | Hydratisierung | Isocitrat | |||
| 3a | Isocitrat | NAD+ | Isocitrat-Dehydrogenase | Oxidation | NADH, ATP | Ca2+, ADP | Oxalsuccinat, NADH |
| 3b | Oxalsuccinat | H+ | Decarboxylierung | α-Ketoglutarat, Kohlendioxid | |||
| 4 | α-Ketoglutarat | NAD+, CoA-SH | α-Ketoglutarat-Dehydrogenase | Oxidative Decarboxylierung | NADH, Succinyl-CoA | Ca2+ | Succinyl-CoA, NADH, CO2 |
| 5 | Succinyl-CoA | GDP, Phosphat | Succinyl-CoA-Synthetase | Phosphat-Transfer | - | - | Succinat, GTP, CoA-SH |
| 6 | Succinat | FAD | Succinat-Dehydrogenase | Oxidation | - | - | Fumarat, FADH2 |
| 7 | Fumarat | Wasser | Fumarase | Hydratisierung | - | - | L-Malat |
| 8 | L-Malat | NAD+ | Malat-Dehydrogenase | Oxidation | - | - | Oxalacetat, NADH |
| Nicht zum Citratzyklus gehörig: | |||||||
| A | Pyruvat | NAD+, CoA-SH | Pyruvat-Dehydrogenase | Oxidative Decarboxylierung | NADH, Acetyl-CoA | Ca2+ | Acetyl-CoA |
| B | Pyruvat | ATP, H+, CO2 | Pyruvat-Carboxylase | Carboxylierung | - | Acetyl-CoA | Oxalacetat, ADP, Phosphat |
Regulation des Citratzyklus
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 (ΔGo=-38 kJ/mol), die Ketoglutarat-Bildung 3 (ΔGo=-7 kJ/mol) und die Bildung des Succinyl-CoA 4 (ΔGo=-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 steigen damit dessen Pegel, so kann auch der Citratzyklus zum Erliegen kommen.
Wird andererseits wenig Energie benötigt (z. B. Muskel im Ruhezustand), so steigen die ATP-Pegel bei sinkendem ADP. Während ADP ein allosterischer Aktivator der Isocitrat-Dehydrogenase ist, inhibiert ATP deren Wirkung: der Zyklus wird gebremst.
Weitere Effektoren des Citratzyklus sind der Tab. 1 zu entnehmen.
Enzyme des Citratzyklus
Citrat-Synthase
EC 2.3.3.1], CAS-Nr. 9027-956-7) katalysiert die Kondensation von Oxalacetat mit Acetyl-CoA 1. Abb. 2 zeigt die röntgenographisch ermittelte Quartärstruktur des Enzym, welches ein Dimer zweier gleichartiger Untereinheiten darstellt.In Abb. 3 ist als Ausschnitt einer Untereinheit das katalytische Zentrum des Enzyms wiedergegeben; der zugehörige Mechanismus der Reaktion findet sich in Abb. 4. Darin tritt das Anion des Asparaginsäurerestes ASP-375 als katalysierende Base auf, die, zusammen mit der polarisierend auf die Carbonylgruppe des Acetyl-CoA wirkenden Imidazolyl-Gruppe des Histidinrestes HIS-274, aus der aktivierten Essigsäure über eine Deprotonierung ein als reaktives Zwischenprodukt zu formulierendes Enolat 2 erzeugt, welches analog einer Claisen-Kondensation mit dem Oxalacetat stereospezifisch zum S-Citryl-CoA 3 reagiert. Die nachfolgende Hydrolyse des Thioesters zum achiralen Citrat 4 ist stark exergon (ΔdGo > -30 kJ/mol), was diesen Schritt und damit die von der Citrat-Synthase katalysierte Gesamtreaktion irreversibel macht. Citrat als Produkt dieser Reaktion konkurriert mit Oxalacetat um die Bindung an die Citrat-Synthase, so dass eine große Konzentration an Citrat - trotz der hohen Exergonie der Reaktion - die Reaktion inhibiert. Es liegt eine kompetitive Produkthemmung vor.
Das in der Abb. 3 wiedergegebene katalytische Zentrum enthält statt des natürlich auftretenden Acetyl-CoA ein synthetisches Analogon (CMX, Carboxymethyldethia-CoA), welches, im Aufbau der Enolform des Acetyl-CoA sehr ähnelnd, gut an dessen Stelle an die Citrat-Synthase bindet, aber nicht Reaktionspartner im Sinne der Claisen-Kondensation taugt. Dieses Acetyl-CoA-Analoge inhibiert folglich die Reaktion, macht aber die Lage der Substrate im Substrat-Enzym-Komplex sichtbar und ermöglicht somit einen tiefen Einblick in den Mechanismus dieser enzymkatalysierten Reaktion.
Aconitase
| Aconitase.png | Aconitase2.png |
Isocitrat-Dehydrogenase
| Isocitratdehydrogenase.png | Isocitratdehydrogenase2.png | Isocitratdehydrogenase3.png |
2-Ketoglutarat-Dehydrogenase
| Oxoglutaratdehydrogenase.png |
Succinyl-CoA-Synthetase
(EC 6.2.1.4], CAS-Nr. 9014-36-2)Succinat-Dehydrogenase
EC 1.3.5.1], CAS-Nr. 9028-11-9) ist das einzige membrangebundene Enzym des Citratzyklus und ist durch seine Einheit mit dem Komplex II der Atmungskette direkt in die Elektronentransportkette der Mitochondrien eingebunden. Sie besteht aus 4 Untereinheiten (siehe Abb. 11; gelb: Flavoprotein-Untereinheit, blau: Eisencluster-Untereinheit, magenta: Cytochrome-b556-Untereinheit und rot: Ankerprotein) und katalysiert die Oxidation des Succinats zum Fumarat. Das im Citratzyklus formulierte FADH2 als entstehendes Reduktionsäquivalent dieser Oxidation tritt - im Gegensatz zum NADH - nicht frei auf, sondern ist kovalent an den Enzymkomplex gebunden. Seine Reoxidation erfolgt durch eine Kette von Einelektronenübertragungen beginnend bei den drei Eisencluster Fe2S2 ⇒ Fe4S4 ⇒ Fe3S4 hin zum Cytochrom b556 (siehe auch Abb. 12!). Dieses reduziert schlußendlich das chinoide (also oxidierte) Ubichinon (Coenzym Q) über das Semichinon in die phenolische Form (auch Ubichinol genannt). Da die beteiligten Eisenkomplexe nur zu Einelektronenübertragungen fähig sind, erfolgt die Reoxidation des FAD bzw. die Reduktion des Ubichinons, die zu je zwei Elektronen liefern bzw. benötigen, in zwei Stufen über radikalische, jedoch stabile, semichinoide Zwischenstufen. Ubichinon/Ubichinol ist, bedingt durch seine lipophile Polyisoprenyl-Kette, membranlöslich. Es dient daher als mobiler Elektronenüberträger vom Komplex II auf den Komplex III der Atmungskette. Die Bilanzierung dieses Schrittes des Citratzyklus ergibt also eine Übertragung zweier Elektronen vom Succinat auf Ubichinon. Ein Protonentransport findet über dieses Enzym jedoch nicht statt.Fumarase
| Fumarase.png |
Malat-Dehydrogenase
(EC 1.1.1.37], CAS-Nr. 9001-64-3)u.s.w. ⇒ to-do
Der Citratzyklus im Stoffwechsel
| Citratzyklus_überblick.png | Abbildung 2 : Schematische Darstellung der mit dem Citratzyklus assoziierten metabolischen Wege. |
Im oberen Teil der Abbildung 2 sind (mit den Ziffern 1 bis 3 bezeichnet und braun unterlegt) die drei Klassen von Nährstoffen eingetragen, die im Stoffwechsel abgebaut werden: Proteine, Fette und Kohlehydrate. Durch Abbau der Proteine entstehen Aminosäuren (Ziffer 4), durch Abbau der Kohlenhydrate Pyruvat (Brenztraubensäure, Ziffer 6). Weitere Reaktionen lassen sowohl aus den Aminosäuren als auch aus dem Pyruvat Acetyl-CoA (Ziffer 5) entstehen. Aus Fettsäuren (Ziffer 2) werden durch Beta-Oxidation direkt Acetyl-CoA-Moleküle gebildet. Acetyl-CoA kann daher als zentrales Abbauprodukt aller drei Nährstoffklassen bezeichnet werden. Sein Essigsäure-Rest tritt in den Citratzyklus ein und wird dort zwecks Gewinnung von Energie (GTP, in der Abb. fälschlich ATP genannt) und von Reduktionsäquivalenten (NADH + H+, FADH2) und unter Kohlenstoffdioxid-Abgabe weiter abgebaut. Der im Citratzyklus gewonnene, an Coenzyme gebundene Wasserstoff wird der Atmungskette zugeführt, um dort bei der biologischen Knallgasreaktion den Hauptanteil an Zellenergie zu liefern, die in vielen ATP-Molekülen gespeichert wird.
Entdeckung
1937 postulierte der Biochemiker Hans Krebs als erstes den Citronensäure-Zyklus als Weg der Pyruvatoxidation. Er untersuchte den Einfluss verschiedener organischer Säuren auf den Sauerstoffverbauch 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-György, dass C4-Dicarbonsäuren aus tierischen Geweben (Succinat, Malat, Fumarat und Oxalacetat) den Sauerstoffverbrauch von Muskeln stimulieren. Krebs bestätigte diese Beobachtung und fand, dass auch die Pyruvatoxidation einen gleichen Effekt hervoruft. Diese wird durch C6-Tricarbonsäuren Citrat, cis-Aconitat und Isocitrat, sowie durch die C5-Verbindung alpha-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 Malonat - eng verwandt mit Succinat und kompetitiver Inhibitor der Succinat-Dehydrogenase - die aerobe Verwertung von Pyruvat in Muskelsuspensionen hemmt und zwar unabhängig davon, welcher 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 oben 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 + C02. Somit schlug Krebs vor, dass der von ihm als Citronensäure-Cyclus bezeichnete Weg den Hauptweg der Kohlenhydratoxidation im Muskel darstellt.
Siehe auch
Glyoxylat-Zyklus, Biochemische Zyklen, Glukose-Stoffwechsel
Quellen
Weblinks
- Citratzyklus mit Atmungskette - Mitochondrium - ATP / Funktionsweise - Graphik
- http://www.citratzyklus.de
- http://www.foerstner.org/konrad/bco/grundlagen/citratcyclus.html
- http://www.u-helmich.de/bio/stw/reihe3/citrat1.htm
- The chemical logic behind the citric acid cycle
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