Zitronensäurezyklus
Der Zitronensäurezyklus ist eine Reihe von Reaktionen, die zwei Kohlendioxidmoleküle, ein GTP/ATP und reduzierte Formen von NADH und FADH2 erzeugen.
Lernziele
Nenne die Schritte des Krebs- (oder Zitronensäure-) Zyklus
Schlüsselpunkte
Schlüsselpunkte
- Das Vier-Kohlenstoff-Molekül Oxalacetat, mit dem der Zyklus begann, wird nach den acht Schritten des Zitronensäurezyklus regeneriert.
- Die acht Schritte des Zitronensäurezyklus sind eine Reihe von Redox-, Dehydratisierungs-, Hydratisierungs- und Decarboxylierungsreaktionen.
- Bei jeder Drehung des Zyklus werden ein GTP oder ATP sowie drei NADH-Moleküle und ein FADH2-Molekül gebildet, die in weiteren Schritten der Zellatmung verwendet werden, um ATP für die Zelle zu erzeugen.
Schlüsselbegriffe
- Zitronensäurezyklus: eine Reihe chemischer Reaktionen, die von allen aeroben Organismen zur Energiegewinnung durch die Oxidation von Acetat aus Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen zu Kohlendioxid genutzt werden
- Krebszyklus: eine Reihe von enzymatischen Reaktionen, die in allen aeroben Organismen ablaufen; er beinhaltet den oxidativen Stoffwechsel von Acetyleinheiten und dient als Hauptenergiequelle der Zelle
- Mitochondrien: In der Zellbiologie ist ein Mitochondrium (Plural Mitochondrien) eine membranumschlossene Organelle, die oft als „zelluläre Kraftwerke“ bezeichnet wird, weil sie den größten Teil des ATP erzeugen
Zitronensäurezyklus (Krebszyklus)
Wie die Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA findet auch der Zitronensäurezyklus in der Matrix der Mitochondrien statt. Fast alle Enzyme des Zitronensäurezyklus sind löslich, mit der einzigen Ausnahme des Enzyms Succinat-Dehydrogenase, das in der inneren Membran des Mitochondriums eingebettet ist. Im Gegensatz zur Glykolyse ist der Zitronensäurezyklus ein geschlossener Kreislauf: Im letzten Teil des Weges wird die im ersten Schritt verwendete Verbindung regeneriert. Die acht Schritte des Zyklus sind eine Reihe von Redox-, Dehydratisierungs-, Hydratisierungs- und Decarboxylierungsreaktionen, die zwei Kohlendioxidmoleküle, ein GTP/ATP und reduzierte Formen von NADH und FADH2 erzeugen. Dieser Weg wird als aerob bezeichnet, da die erzeugten NADH- und FADH2-Elektronen auf den nächsten Weg im System übertragen werden müssen, bei dem Sauerstoff verwendet wird. Wenn diese Übertragung nicht stattfindet, finden auch die Oxidationsschritte des Zitronensäurezyklus nicht statt. Beachten Sie, dass der Zitronensäurezyklus nur sehr wenig ATP direkt produziert und keinen Sauerstoff verbraucht.
Der Zitronensäurezyklus: Im Zitronensäurezyklus wird die Acetylgruppe von Acetyl-CoA an ein Oxalacetatmolekül mit vier Kohlenstoffatomen angehängt, um ein Citratmolekül mit sechs Kohlenstoffatomen zu bilden. Durch eine Reihe von Schritten wird das Citrat oxidiert, wobei für jede in den Zyklus eingespeiste Acetylgruppe zwei Kohlendioxidmoleküle freigesetzt werden. Dabei werden drei NAD+-Moleküle zu NADH reduziert, ein FAD-Molekül wird zu FADH2 reduziert, und ein ATP oder GTP (je nach Zelltyp) wird (durch Phosphorylierung auf Substratebene) erzeugt. Da das Endprodukt des Zitronensäurezyklus auch der erste Reaktant ist, läuft der Zyklus kontinuierlich ab, wenn genügend Reaktanten vorhanden sind.
Schritte im Zitronensäurezyklus
Schritt 1. Der erste Schritt ist ein Kondensationsschritt, bei dem die Zwei-Kohlenstoff-Acetylgruppe (von Acetyl-CoA) mit einem Vier-Kohlenstoff-Oxalacetat-Molekül zu einem Sechs-Kohlenstoff-Molekül Citrat verbunden wird. CoA wird an eine Sulfhydrylgruppe (-SH) gebunden und diffundiert weg, um sich schließlich mit einer anderen Acetylgruppe zu verbinden. Dieser Schritt ist irreversibel, da er stark exergonisch ist. Die Geschwindigkeit dieser Reaktion wird durch eine negative Rückkopplung und die Menge des verfügbaren ATP gesteuert. Steigt der ATP-Gehalt, sinkt die Geschwindigkeit dieser Reaktion. Bei ATP-Knappheit erhöht sich die Rate.
Schritt 2. Citrat verliert ein Wassermolekül und gewinnt ein weiteres, wenn Citrat in sein Isomer, Isocitrat, umgewandelt wird.
Schritte 3 und 4. Im dritten Schritt wird Isocitrat oxidiert, wobei ein Molekül mit fünf Kohlenstoffatomen, α-Ketoglutarat, zusammen mit einem Molekül CO2 und zwei Elektronen entsteht, die NAD+ zu NADH reduzieren. Auch dieser Schritt wird durch eine negative Rückkopplung von ATP und NADH sowie durch eine positive Wirkung von ADP reguliert. Die Schritte drei und vier sind sowohl Oxidations- als auch Decarboxylierungsschritte, bei denen Elektronen freigesetzt werden, die NAD+ zu NADH reduzieren und Carboxylgruppen freisetzen, die CO2-Moleküle bilden. α-Ketoglutarat ist das Produkt von Schritt drei, und eine Succinylgruppe ist das Produkt von Schritt vier. CoA bindet die Succinylgruppe, um Succinyl-CoA zu bilden. Das Enzym, das Schritt vier katalysiert, wird durch Rückkopplungshemmung von ATP, Succinyl-CoA und NADH reguliert.
Schritt 5. Eine Phosphatgruppe wird durch Coenzym A ersetzt und eine hochenergetische Bindung wird gebildet. Diese Energie wird bei der Phosphorylierung auf Substratebene (während der Umwandlung der Succinylgruppe in Succinat) verwendet, um entweder Guanintriphosphat (GTP) oder ATP zu bilden. Für diesen Schritt gibt es zwei Formen des Enzyms, die als Isoenzyme bezeichnet werden, je nach Art des tierischen Gewebes, in dem sie vorkommen. Eine Form findet sich in Geweben, die große Mengen an ATP verbrauchen, wie Herz- und Skelettmuskeln. Diese Form produziert ATP. Die zweite Form des Enzyms findet sich in Geweben, die viele anabole Stoffwechselwege aufweisen, wie z. B. die Leber. Bei dieser Form wird GTP gebildet. GTP ist energetisch äquivalent zu ATP, seine Verwendung ist jedoch stärker eingeschränkt. Insbesondere die Proteinsynthese verwendet hauptsächlich GTP.
Schritt 6. Schritt sechs ist ein Dehydratisierungsprozess, der Succinat in Fumarat umwandelt. Dabei werden zwei Wasserstoffatome auf FAD übertragen, wodurch FADH2 entsteht. Die in den Elektronen dieser Atome enthaltene Energie reicht nicht aus, um NAD+ zu reduzieren, aber ausreichend, um FAD zu reduzieren. Im Gegensatz zu NADH bleibt dieser Träger an das Enzym gebunden und überträgt die Elektronen direkt an die Elektronentransportkette. Dieser Prozess wird durch die Lokalisierung des Enzyms, das diesen Schritt katalysiert, innerhalb der inneren Membran des Mitochondriums ermöglicht.
Schritt 7. Im siebten Schritt wird dem Fumarat Wasser zugesetzt, und es entsteht Malat. Im letzten Schritt des Zitronensäurezyklus wird Oxalacetat durch Oxidation von Malat regeneriert. Dabei entsteht ein weiteres Molekül NADH.
Produkte des Zitronensäurezyklus
Von jeder Acetylgruppe gelangen zwei Kohlenstoffatome in den Zitronensäurezyklus, was vier der sechs Kohlenstoffe eines Glukosemoleküls entspricht. Bei jeder Umdrehung des Zyklus werden zwei Kohlendioxidmoleküle freigesetzt, die jedoch nicht unbedingt die zuletzt hinzugefügten Kohlenstoffatome enthalten. Die beiden Acetylkohlenstoffatome werden bei späteren Drehungen des Zyklus freigesetzt, so dass schließlich alle sechs Kohlenstoffatome des ursprünglichen Glukosemoleküls in Kohlendioxid eingebaut werden. Bei jeder Umdrehung des Zyklus werden drei NADH-Moleküle und ein FADH2-Molekül gebildet. Diese Träger werden mit dem letzten Teil der aeroben Atmung verbunden, um ATP-Moleküle zu erzeugen. In jedem Zyklus wird auch ein GTP oder ATP gebildet. Mehrere der Zwischenprodukte des Zitronensäurezyklus können zur Synthese nicht-essentieller Aminosäuren verwendet werden; daher ist der Zyklus amphibolisch (sowohl katabolisch als auch anabolisch).