Biochemie und Pathobiochemie: Citratzyklus
Allgemeines
[Bearbeiten]Im Citratzyklus (TCA, Tricarbonsäurezyklus, Krebs-Zyklus) und der vorgeschalteten dehydrierenden Decarboxylierung wird in einem Durchlauf ein C4-Körper vollständig dehydriert (oxidiert), wobei 3 CO2-Moleküle frei werden. Die freiwerdende Energie wird in Form von Reduktionsäquivalenten wie NADH/H+ und FADH2 zwischengespeichert. Lokalisiert sind die beteiligten Enzyme in der mitochondrialen Matrix.
Aufgeklärt wurde der Citratzyklus 1932 von Hans Adolf Krebs (*1900 - †1981). Krebs entdeckte 1932 auch den Harnstoffzyklus. 1953 erhielt er für seine Entdeckungen den Nobelpreis für Medizin.
Oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-Coenzym A
[Bearbeiten]| Kov. | All. | ⇓ | Subst. | ( ⇑ ) | Co. | Enzym | EC | EG | Erkr. |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| - Phosph.
+ Dephosph. |
+ AMP, GMP, cAMP |
CO2, NADH/H+ |
|
Thiamin-P2 | Pyruvat- dehydrogenase (PDH)-Komplex | 1.2.4.1 | Ox | PDH-E1-alpha-Def., PDH-E1-beta-Def. | |
| Tr | PDH-E2-Def. | ||||||||
| FAD | Ox | MSUD III | |||||||
Die sog. oxidative bzw. dehydrierende Decarboxylierung am Pyruvatdehydrogenase-Komplex bildet die Verbindung zwischen Glycolyse und Citratzyklus. Der katalysierende Proteinkomplex besteht aus drei Untereinheiten mit jeweils eigener enzymatischer Funktion (E1, E2 und E3).
Bei der dehydrierenden Decarboxylierung wird vom Pyruvat (C3) ein CO2 abgespalten und ein NADH/H+ gewonnen. Dabei wird eine energiereiche Thioesterbindung zwischen Coenzym A und dem Acetat-Rest gebildet. Die Energie hierfür stammt aus der Decarboxylierung.
Das Produkt Acetyl-CoA (aktivierte Essigsäure) ist der „Universalbrennstoff“ des Citratzyklus, kann aber auch für zahlreiche Biosynthesen verwendet werden (z.B. Fettsäuren, Ketone, Cholesterin). Die Einzelreaktionen sind hier dargestellt.
Regulation: Reguliert wird der PDH-Komplex vordringlich durch Interkonversion, d.h. das Enzym wird durch Dephosporylierung und Phosphorylierung an- und abgeschaltet. Anders als bei vielen anderen Proteinen ist hier die dephosphorylierte die aktivere Form. Der Spiegel an aktiver dephosphorylierter PDH wird gesteigert durch die Aktivierung der spezifischen PDH-Phosphatase (durch Mg2+, Ca2+, Insulin) und durch die Hemmung der PDH-Kinase (durch Pyruvat, ADP, PPi). Der Dephospho-PDH-Komplex wird zusätzlich allosterisch feinreguliert, um die Acetyl-CoA-Bildung exakt dem Bedarf anzupassen.
Einschleusung und Abbau von Acetyl-CoA im Citratzyklus
[Bearbeiten]| All. | ⇓ | Subst. | ( ⇑ ) | Co. | Enzym | EC | EG | Erkr. |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| - ATP, Citrat | 
H2O, Acetyl-CoA |
|
Citrat-Synthase | 2.3.3.1 | Tr | |||
|
|
||||||||
|
|
|
|
FeS | Aconitase | 4.2.1.3 | Ly | ||
|
|
||||||||
| H2O
|
|
H2O
|
FeS | Aconitase | 4.2.1.3 | Ly | ||
|
|
||||||||
| + ADP, Mg2+, Ca2+
- ATP, NADH |
NAD(P)+
CO2, NAD(P)H/H+ |
|
NAD(P)+
NAD(P)H/H+, CO2 |
Mn od. Mg | Isocitrat-Dehydrogenase | 1.1.1.41, 1.1.1.42 | Ox | |
| + ADP, NAD+, Spermin, TDP
- ATP, NADH/H+ |
CoA-SH, NAD+
CO2, NADH/H+ |
|
Thiamin- P2 | α-Ketoglutarat- Dehydrogenase-Komplex | 1.2.4.2 | Ox | αKGDH-Def. | |
| Tr | ||||||||
| FAD | Ox | MSUD III | ||||||
| Pi, GDP
CoA-SH, GTP |
|
GDP, Pi
GTP, CoA-SH |
Succinyl-CoA-Synthetase | 6.2.1.4 | Lig | MTDPS5, MTDPS9 | ||
|
|
||||||||
| + Succinat, Fumarat
- Oxalacetat |
FAD |
|
FAD | FAD, FeS | Succinat-Dehydrogenase | 1.3.5.1 | Ox | |
| H2O
|
|
H2O
|
Fumarase 2 | 4.2.1.2 | Ly | Fumarase-Def., HLRCC, MCUL1 | ||
| - Malat | NAD+ |
|
NAD+ | Malat-Dehydrogenase | 1.1.1.37 | Ox | ||
Im Citratzyklus wird das Acetyl-CoA vollständig zu CO2 oxidiert. Die in Form energiereicher Elektronen frei werdende Energie wird in Form von 3 NADH/H+ und 1 FADH2 zwischengespeichert. Die Reduktionsäquivalente übertragen die Elektronen auf die mitochondriale Elektronentransportkette, wo ihre Energie zur Erzeugung eines Protonengradienten genutzt wird, der dann die ATP-Synthetase antreibt (siehe im Kapitel Oxidative Phosphorylierung). Weiterhin liefert die Succinyl-CoA-Synthetase noch ein GTP (Substratkettenphosphorylierung).
Einzelreaktionen des Citratzyklus
[Bearbeiten]Im Einzeln gliedert sich der Krebs-Zyklus in folgende Schritte:
- Die Citrat-Synthase bildet aus Acetyl-CoA und Oxalacetat Citrat. Begünstigt wird diese Aldolreaktion durch die gleichzeitige Spaltung der energiereichen Thioester-Bindung, die in der Vorreaktion installiert wurde.
- Als nächstes wird durch Dehydrogenierung und Hydrogenierung - vermittelt durch die Aconitase - die Hydroxylgruppe in eine günstigere Position verlagert. Dabei wird aus Citrat Isocitrat.
- Nun kann die Isocitrat-Dehydrogenase Isocitrat gleichzeitig oxidieren und decarboxylieren, so dass ein NADH gewonnen wird. Die Decarboxylierung verschiebt dabei das Gleichgewicht in Richtung Oxidation. Es entsteht α-Ketoglutarat.
- Es folgt die zweite Decarboxylierung im Citratzyklus. α-Ketoglutarat wird am α-Ketoglutarat- Dehydrogenase-Komplex durch eine dehydrierenden Decarboxylierung zu Succinyl-CoA umgesetzt. Die Reaktion verhält sich analog zur Vorreaktion am Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex. Auch hier wird ein NADH/H+ gewonnen und noch etwas Energie in Form einer Thioester-Bindung konserviert.
- Im nächsten Schritt wird diese Bindung eingetauscht gegen GTP (Substratkettenphosphorylierung), katalysiert von der Succinyl-CoA-Synthetase. Nun sind wir beim Succinat.
- Succinat wird in den letzten drei Schritten oxidiert (zu Fumarat), hydrogeniert (zu Malat) und noch einmal oxidiert (wieder zu Oxalacetat). Dabei werden noch einmal zwei Reduktionsäquivalente in Form von FADH2 und NADH/H+ gewonnen. Dieses Reaktionstriplett scheint sich besonders bewährt zu haben, die β-Oxidation der Fettsäuren baut darauf auf.
Durch diese Reaktionsfolge holt die Zelle bzw. das Mitochondrium aus einem Acetyl-CoA das Maximum heraus, nämlich 3 NADH/H+, 1 FADH2 und ein GTP. Als Abfallprodukt bleiben zwei Moleküle CO2.
Energiebilanz
[Bearbeiten]ATP-Ausbeute aus Vorreaktion, Citratzyklus und oxidativer Phosphorylierung in der Atmungskette:
| Dehydrierende Decarboxylierung | ||
|---|---|---|
| 1 NADH/H+ | -> 2,5 ATP | |
| Citratzyklus | ||
| 3 NADH/H+ | -> 7,5 ATP | 10 ATP |
| 1 FADH2 | -> 1,5 ATP | |
| Substratkettenphosphorylierung | -> 1 ATP (GTP) | |
Der Abbau eines Acetyl-CoA im Citratzyklus liefert insgesamt etwa 10 ATP. Der Abbau von Pyruvat liefert damit insgesamt etwa 12,5 ATP.
Der ATP-Gewinn aus dem vollständigen Abbau eines Glucosemoleküls über Glycolyse, Vorreaktion, Citratzyklus und oxidativer Phosphorylierung beträgt demnach 7 ATP + 2 x 12,5 ATP = 32 ATP. (Anm.: In der älteren Literatur wird teilweise mit bis zu 38 ATP gerechnet.)
Die amphibolen Verbindungen und anaplerotischen Reaktionen des Citratzyklus
[Bearbeiten]Der Citratzyklus nimmt im Stoffwechsel sowohl in kataboler (Energiegewinnung) als auch in anaboler Hinsicht (Biosynthesen) eine zentrale Stellung ein und ist die Drehscheibe des Stoffwechsels. Er dient nicht nur der Oxidation der aktivierten Essigsäure (C2-Körper) zur Gewinnung von Reduktionsäquivalenten (NADH, FADH), die in die mitochondriale Elektronentransportkette eingeschleust werden. Er liefert auch Substrate für andere Stoffwechselwege oder wird umgekehrt von diesen über sog. anaplerotische Reaktionen wieder mit C4-Körpern aufgefüllt, z.B. durch Produkte aus dem Abbau ungeradzahliger Fettsäuren (Succinyl-CoA) oder aus dem Abbau glucogener Aminosäuren und Pyruvat aus der Glycolyse (Oxalacetat).
Im Einzelnen bestehen folgende Verknüpfungen (Siehe dazu die Stoffwechsel-Übersichtskarte).
- Zustrom/Abstrom: Oxalacetat kann aus der Glycolyse (nach Carboxylierung von Pyruvat im 1. Schritt der Gluconeogenese) bezogen werden. Umgekehrt kann Oxalacetat aus dem Citratzyklus zur Gluconeogenese oder zur Bildung von Acetyl-CoA (Oxalacetat <-> PEP -> Pyruvat) abgezogen werden.
- Abstrom/Zustrom: Die Aminosäure Aspartat wird durch die Übertragung einer Stickstoffgruppe von einer anderen Aminosäure auf die α-Ketosäure Oxalacetat erzeugt. Aus Aspartat geht durch eine weitere Stickstoffaufnahme Asparagin hervor. Umgekehrt können die beiden Aminosäuren nach Stickstoffabgabe an dieser Stelle wieder in den Citratzyklus eingeschleust werden.
- Zustrom/Abstrom: Analog zu Aspartat kann auch Glutamat durch die Übertragung einer Stickstoffgruppe von einer anderen Aminosäure auf die α-Ketosäure α-Ketoglutarat erzeugt werden. α-Ketoglutarat kann Ammoniak auch direkt binden. Aus Glutamat, der „Drehscheibe des Aminostickstoff-Stoffwechsels“, gehen weitere Aminosäuren wie Glutamin, Ornithin und Arginin (Harnstoffzyklus) sowie Prolin hervor. Umgekehrt liefert der Abbau dieser Aminosäuren (wie auch der Abbau von Histidin) Glutamat, das hier in den Citratzyklus eingehen kann.
- Zustrom: Endstrecke des Abbaus von ungeradzahligen Fettsäuren, Threonin, Methionin, Isoleucin und Valin mit Bildung von Succinyl-CoA aus Propionyl-CoA.
- Abstrom: Aus Succinyl-CoA wird δ-Aminolävulinat erzeugt, der Rohstoff der Hämbiosynthese.
- Zustrom: Die Desaminierung von Aspartat im Harnstoffzyklus u.a. Stoffwechselwegen (Aspartatzyklus) wie auch der Abbau von Phenylalanin und Tyrosin liefert Fumarat.
- Abstrom: Aus Malat und Oxalacetat kann Pyruvat gebildet werden, das zur Gluconeogenese genutzt oder zu Acetyl-CoA decarboxyliert werden kann. Acetyl-CoA kann dann wieder im Citratzyklus zur Energiegewinnung oxidiert oder z.B. in die Fettsäure- und Cholesterinbiosynthese eingeschleust werden.
Weblinks
[Bearbeiten]- KEGG: Citrate cycle (TCA cycle) - Homo sapiens (human)
- Biology 231 Cell Biology Laboratory - Animation of the Tricarboxylic acid cycle
- RCSB PDB: Citric Acid Cycle
- Animated Krebs Cycle (von John Kyrk)
- The chemical logic behind... the citric acid cycle (von Prof. Doutor Pedro Silva)
- TCA (Citric Acid) Cycle (by Rodney F. Boyer)
- Citric Acid Cycle Purdue University
| Allgemeine Hintergrundfarbe für Substrate | Hintergrundfarbe Reaktionspfeile | „Schlüsselenzyme“ | |
| Energiereiche Phosphate Reduktionsäquivalente | CO2 / HCO3− C1-Reste Stickstoff |
Abk.: Tr.: Transkriptionelle Regulation, Tl.: Regulation der Translation, Lok.: Regulation über die Enzymlokalisation, Kov.: Regulation durch kovalente Modifikation, All.: Allosterische Regulation, Koop.: Kooperativer Effekt, Co.: Cofaktoren, EC: Enzymklassifikation, EG: Enzymgruppe (Oxidoreductase, Transferase, Hydrolase, Lyase, Isomerase, Ligase), Erkr.: Assoziierte Erkrankungen.
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