Stellung des Citratcyclus im Stoffwechsel
Nahezu alle katabolen Stoffwechselvorgänge führen zur aktivierten Essigsäure, dem Acetyl-CoA. Es entsteht aus dem aus der Glykolyse stammenden Pyruvat, bei der b-Oxidation der Fettsäuren,
sowie beim Abbau vieler Aminosäuren. Für den Abbau von Acetyl-CoA ist ein cyclischer Vorgang verantwortlich, in dessen Verlauf Acetyl-CoA zunächst mit Oxalacetat unter Bildung von
Citrat kondensiert. Citrat wird danach schrittweise wieder auf die Stufe des Oxalacetats decarboxyliert und oxidiert. Die dabei gewonnenen Reduktionsäquivalente werden in der Atmungskette reoxidiert.
Erfolgt der Glucoseabbau über die Glykolyse bis auf die Stufe des Lactats, was auch unter anaeroben Bedingungen möglich ist, so tritt eine Aenderung an freier Energie von –197 kJ/mol
Glucose auf. Die vollständige Zerlegung des Glucosemoleküls in CO2 und H2O, die allerdings nur in Anwesenheit von Sauerstoff möglich ist, ist dagegen von einer um mehr als das zehnfache
höheren Aenderung der freien Energie begleitet:
Abbauweg |
ΔG° |
Glucose › 2 Lactat |
- 197 kJ/mol |
Glucose + 6 H2O › 6 CO2 + 6 H2O |
- 2881 kJ/mol |
Der Citratcyclus führt formal bei einem Durchgang zur Zerlegung eines Moleküls Acetat in 2 Moleküle CO2 und 8 Wasserstoffatome.
Innerhalb der Zelle enthalten die Mitochondrien den vollständigen Satz der für den Citratcyclus notwendigen Enzyme.
Reaktionsfolge des Citratcyclus
Die Reaktionsfolge des Citratcyclus lässt sich in 3 Teile einteilen:
- Erzeugung des für den Citratcyclus notwendigen Acetats in Form der aktivierten Essigsäure, des Acetyl-CoA.
- Reaktion von Oxalacetat mit Acetyl-CoA unter Bildung von Citrat, das zweimal
oxidiert und zweimal decarboxyliert wird, so dass Succinat entsteht.
- Regenerierung von Oxalacetat, das damit wieder der erneuten Reaktion mit Acetyl-CoA zur Verfügung steht. Dabei wird das
durch dehydrierende Decarboxylierung von a-Ketoglutarat gebildete Succinat in einer Reaktionssequenz, die formal Aehnlichkeit mit den ersten 3 Reaktionen der Fettsäureoxidation hat, zu Oxalacetat
umgebaut.
Acetyl-CoA entsteht aus Pyruvat durch dehydrierende Decarboxylierung
Um Kohlenhydrate in den Citratcyclus einschleusen zu können, muss Pyruvat als Endprodukt der Glykolyse in die aktivierte Essigsäure, das Acetyl-CoA, umgewandelt werden. Dies geschieht
in einer mehrstufigen, als dehydrierende Decarboxylierung von Pyruvat bezeichnete Reaktion. Sie wird von einem kompliziert aufgebauten Multienzymkomplex, dem Pyruvatdehydrogenasekomplex (PDH-Komplex)
katalysiert.
In der Pyruvatdehydrogenasereaktion wird zunächst durch die Pyruvatdecarboxylase-untereinheit des Enzymkomplexes Pyruvat decarboxyliert.
Der PDH-Komplex besteht aus 4 Untereinheiten: E1, E2, E3 und X. E1 kann durch eine spezifische Kinase phosphoryliert und inaktiviert, sowie durch eine spezifische Phosphatase dephosphoryliert und
aktiviert werden. Der biologische Vorteil dieser Tatsache besteht darin, dass durch die Phosphorylierung bzw. Dephosphorylierung die Aktivität des Enzymkomplexes sehr rasch „an- bzw. abgeschaltet“ werden
kann.
Energieausbeute des Citratcyclus – 12 ATP
Die Summengleichung des Citratcyclus lautet:
CH3COOH + 2 H2O › 2 CO2 + 8 H+
Energiebilanz
| Energiereicher Cofaktor |
Energiewert |
| 3 NADH (1 NADH = 3 ATP) |
9 ATP |
| 1 FADH2 (1 FADH = 2 ATP) |
2 ATP |
| 1 GTP |
1 ATP |
| Total: 1 Acetyl-CoA |
12 ATP |
Regulation des Citratcyclus
PDH-Hemmung durch Acetyl-CoA und NADH, PDH-Aktivierung durch Pyruvat
Das für den Citratcyclus notwendige mitochondriale Acetyl-CoA wird durch Fettsäureoxidation oder dehydrierende Decarboxylierung von Pyruvat bereitgestellt. Während die Geschwindigkeit
des ersten Vorgangs im wesentlichen durch das mitochondriale Fettsäureangebot bestimmt wird, regulieren komplizierte Vorgänge die Geschwindigkeit der Pyruvatoxidation zu Acetyl-CoA. Dabei
kommt der Tatsache, dass die Pyruvatdehydrogenase ein interconvertierbares Enzym ist, besondere Bedeutung zu.
Die aktive Form des Enzyms wird durch Acetyl-CoA und NADH gehemmt. Dies hat beispielsweise zur Folge, dass bei gesteigerter Fettsäureoxidation Pyruvat nicht mehr in Acetyl-CoA umgewandelt werden
kann.
Andere Effektoren regulieren die Enzymaktivität durch Beeinflussung des Gleichgewichts zwischen aktiver und inaktiver Form des Enzyms. Eine Aktivierung wird durch Erhöhung der Konzentration
von Pyruvat und ADP erreicht, während gesteigerte Fettsäureoxidation (Nahrungskarenz, Diabetes) oder Erhöhung des ATP-Spiegels zu einer Vermehrung der inaktiven Form des Enzyms führen.
Zellulärer Energiebedarf – wichtigster Regulator des Citratcyclus
Die einleitende Reaktion, die durch die Citratsynthase katalysiert wird, wird durch das energiereiche ATP gehemmt. Dies macht eine wirksame Kontrolle der Umsatzgeschwindig-keit im Cyclus durch den
ATP-Verbrauch in der Zelle möglich. Ist dieser gering, und kommt es darüber hinaus zu einem Anstieg des mitochondrialen ATP, so wird die Citratsynthase-reaktion gehemmt und Acetyl-CoA steht
für Biosynthesen (Fettsäuresynthese, Cholesterinsynthese u.a.) zur Verfügung. Kommt es dagegen zu einem Abfall des ATP-Spiegels, wird die Citratsynthasehemmung aufgehoben, der Cyclus
kann mit maximaler Geschwindigkeit laufen und Reduktionsäquivalente für die Energiegewinnung in der Atmunskette bereitstellen.
Amphibole Natur des Citratcyclus
Der Citratcyclus kann nicht einfach als Endstrecke des oxidativen Abbaus der Substrate aufgefasst werden, sondern ist neben dieser „katabolen“ Funktion auch Ausgangspunkt für eine
Vielzahl biosynthetischer „anaboler“ Reaktionssequenzen. Da die meisten Biosynthesen im cytosolischen und nicht im mitochondrialen Raum ablaufen, ist der Transport von Cycluszwischenprodukten
durch die mitochondriale Membran notwendig. Da nicht alle Cyclusintermediate mit ausreichender Geschwindigkeit transportiert werden können, kommen Teilsequenzen des Citratcyclus auch im extramitochondrialen
Raum vor.
Von besonderer Bedeutung für die im Cytosol stattfindenden Fettsäurebiosynthese ist die Bereitstellung von Acetyl-CoA. Dieses kann jedoch die mitochondriale Innenmembran nicht permeieren.
Um es im Cytosol zu erzeugen, wird mitochondriales Citrat mit Hilfe eines spezifischen Transportsystems in das Cytosol transportiert und dort durch die ATP-Citratlyase gespalten. Wegen seiner Fähigkeit
zur Erzeugung von cytosolischem Acetyl-CoA kommt somit diesem Enzym eine Schlüsselrolle bei der Fettsäuresynthese zu.
Die Bedeutung der extramitochondrialen NAD+-Isocitratdehydrogenase liegt ausser in der Erzeugung cytosolischen a-Ketoglutarats mit seinen vielfältigen Beziehungen zum Stoffwechsel der Aminosäuren
in der Erzeugung cytosolischer, für die Biosynthese benötigter Reduktionsäquivalente in Form von NADPH + H+ (hydrierende Biosynthesen).
Succinyl-CoA steht über 2 wichtige Reaktionen mit der Hämbiosynthese bzw. dem Fettstoffwechsel in Verbindung. Durch Kondensation entsteht d-Aminolävulinat als Ausgangsprodukt der Hämbiosynthese.
Die zweite Succinyl-CoA-abhängige Reaktion katalysiert die Verwertung von Ketonkörpern. Es handelt sich um die Aktivierung von Acetacetat nach Acetacetat-CoA.
Die für diese Reaktion verantwortliche Thiotransferase kommt hauptsächlich im Muskel und im Fettgewebe, nicht aber in der Leber vor, die deshalb nicht zur Verwertung von Ketonkörpern
fähig ist.
Die Konzentration der verschiedenen Zwischenprodukte des Citratcyclus ist relativ gering. Da sie alle mit Ausnahme von Acetyl-CoA eine katalytische Funktion haben, d.h. bei einmaligem Durchgang durch
den Cyclus regeneriert werden, ist eine optimale Durchsatzgeschwindigkeit trotzdem gewährleistet. Dies trifft allerdings nur zu, wenn der ständige Abfluss von Cycluszwischenprodukten bei
Biosynthesen wieder ausgeglichen wird. Die hierfür verantworlichen Reaktionen werden als anaplerotische Reaktionen bezeichnet. Neben den Transaminierungsreaktionen mit Aspartat, bei denen Oxalacetat
gebildet werden kann, ist die wichtigste anaplerotische Reaktion die Oxalacetatbiosynthese durch Carboxylierung von Pyruvat. Das für die Reaktion verantwortliche Enzym, die Pyruvatcarboxylase,
ist biotinabhängig. Das Enzym wird durch Acetyl-CoA in sehr geringen Konzentrationen aktiviert, so dass dann das für die Citratbildung notwendige Oxalacetat gebildet werden kann. Anaplerotisch
wirken kann ferner das cytosolische Malatenzym, das die Malatbildung aus Pyruvat katalysiert.
Zusammenfassung Citratcyclus
Der Citratcyclus dient dem oxidativen Abbau von Acetyl-CoA. Eine wichtige Acetyl-CoA-liefernde Reaktion ist neben der b-Oxidation der Fettsäuren die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat (Glykolyse).
Der hierfür verantwortliche Multienzymkomplex ist intramito-chondrial lokalisiert. Die Reaktionssequenz des Citratcyclus wird mit der Uebertragung eines Acetylrestes auf Oxalacetat eingeleitet,
wobei Citrat entsteht. In der Bilanz wird nun der Acetylkohlenstoff unter Rückgewinnung von Oxalacetat zu CO2 oxidiert. Dabei entstehen 3 NADH sowie ein FADH2, ausserdem durch Substratkettenphosphorylierung
1GTP.
Ausser in diese katabolen Vorgänge ist der Citratcyclus in eine Reihe von Biosynthese-reaktionen eingeschaltet, die Zwischenprodukte des Cyclus als Ausgangsmaterial verwenden. Zu ihnen gehören
die Fettsäurebiosynthese, die Acetyl-CoA benötigt, die Synthese einer Reihe von Aminosäuren, die Häm-Biosynthese sowie als mengenmässig wichtigste Reaktion die Neusynthese
von Glucose, die von Oxalacetat ihren Ausgang nimmt. |
Citratcyclus