Citronensäurecyclus

Einleitung, Zweck

Der Citronensäurecyclus, auch Tricarbonsäurecyclus oder (nach dem Entdecker Hans Krebs) Krebs-Cyclus genannt, ist ein zentraler biochemischer Cyclus im Stoffwechsel (Katabolismus). Er steht zwischen der Glykolyse (dem Abbau von Glucose zu Pyruvat) und der Atmungskette; Pyruvat bzw. Acetyl-Coenzym-A wird unter Energiegewinnung (ATP) oxidativ abgebaut, wobei der Wasserstoff als NADH bzw. FADH2 gebunden wird und Kohlendioxid an die Atmosphäre abgegeben wird. Die Wasserstoffüberträger (NADH und FADH2) werden anschließend in der Atmungskette unter Energiegewinnung (ATP) oxidiert, wobei pro mol NADH drei mol ATP gebildet werden, pro mol FADH2 nur zwei mol. Die acht Substanzen im Cyclus sind ausnahmslos Carbonsäuren (fünf Dicarbonsäuren, zwei Tricarbonsäuren und eine Monocarbonsäure), die bei physiologischen pH-Werten als Anionen vorliegen.

Die Schritte des Cyclus

Citronensaeurecyclus

1. Pyruvat (Brenztraubensäure) wird unter Aufnahme von Coenzym A oxidativ decarboxyliert, wobei Acetyl-Coenzym-A (mit einer energiereichen Bindung) und ein mol NADH gebildet werden:
Pyruvat (C3H3O3-) + CoA-SH + NAD+ → Acetyl-CoA (C2H3O-S-CoA) + NADH + CO2
Dieser vorbereitende Schritt liegt vor dem eigentlichen Citronensäurecyclus.

2. Acetyl-Coenzym-A wird in einer Art Aldoladdition (oder Knoevenagel-Reaktion) an Oxalacetat (Oxalessigsäure) addiert, wobei Citrat (Citronensäure) gebildet wird und Coenzym A freigesetzt wird; letzteres kann dann in Schritt 1 verwendet werden:
Oxalacetat (C4H2O52-) + Acetyl-CoA (C2H3O-S-CoA) + H2O → Citrat (C6H5O73-) + CoA-SH + H+

3. Citrat (Citronensäure) wird, formal unter intermediärer Wasserabspaltung zu cis-Aconitsäure, zu Isocitrat (Isocitronensäure) umgelagert. Im Ergebnis wird die Hydroxygruppe aus der Position 2 in die Position 1 verschoben.

4. Isocitrat (Isocitronensäure) wird oxidativ zu α-Ketoglutarat (α-Ketoglutarsäure) decarboxyliert, wobei der freiwerdende Wasserstoff in Form von NADH gespeichert wird:
Isocitrat (C6H5O73-) + NAD+ → α-Ketoglutarat (C5H4O52-) + NADH + CO2

5. α-Ketoglutarat (α-Ketoglutarsäure) reagiert mit Coenzym A unter oxidativer Decarboxylierung zu Succinyl-Coenzym-A, wobei der freiwerdende Wasserstoff wiederum in Form von NADH gespeichert wird:
α-Ketoglutarat (C5H4O52-) + CoA-SH + NAD+ → Succinyl-CoA (C4H4O3--S-CoA) + NADH + CO2

6. Die Hydrolyse der energiereichen Carbonyl-Schwefel-Bindung in Succinyl-CoA liefert Succinat (Bernsteinsäure), Coenzym A und 1 mol ATP:
Succinyl-CoA (C4H4O3--S-CoA) + OH- + ADP + Pi → Succinat (C4H4O42-) + CoA-SH + ATP + H2O

7. Succinat (Bernsteinsäure) wird zu Fumarat (Fumarsäure) dehydriert, der freiwerdende Wasserstoff wird hier in Form von FADH2 gespeichert:
Succinat (C4H4O42-) + FAD → Fumarat (C4H2O42-) + FADH2

8. Fumarat (Fumarsäure) wird zu L-Malat (L-Äpfelsäure) hydratisiert:
Fumarat (C4H2O42-) + H2O → L-Malat (C4H4O52-)

9. L-Malat (L-Äpfelsäure) wird zu Oxalacetat (Oxalessigsäure) dehydriert, der freiwerdende Wasserstoff wird in Form von NADH gespeichert:
L-Malat (C4H4O52-) + NAD+ → Oxalacetat (C4H2O52-) + NADH + H+

Bilanz (schematisch)

vorbereitender Schritt: C3H4O3 + H2O → C2H4O2 + CO2 + [2 H]
Bildung von 1 mol NADH

Cyclus: C2H4O2 + 2 H2O → 2 CO2 + [8 H]
Bildung von 3 mol NADH, 1 mol FADH2 und 1 mol ATP

Summe: C3H4O3 + 3 H2O → 3 CO2 + [10 H]
Bildung von 4 mol NADH, 1 mol FADH2 und 1 mol ATP

ATP-Bilanz nach Durchlaufen der Atmungskette

Wie in der Einleitung erwähnt, liefert 1 mol NADH 3 mol ATP, 1 mol FADH2 2 mol ATP.

vorbereitender Schritt: 3 mol ATP
Citronensäurecyclus: 12 mol ATP
Summe: 15 mol ATP

Literatur


Autor: BKi