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Zitronensäurezyklus,

 

Citronensäurezyklus, Citrat|zyklus, Krebs-Zyklus, Tricarbonsäurezyklus, zyklische Reaktionsfolge des oxidativen Endabbaus der Nahrungsstoffe (Kohlenhydrate, Proteine und Fette) in den Mitochondrien der tierischen und pflanzlichen Zellen. Eine Variante, der Glyoxylsäurezyklus, findet sich v. a. bei Pflanzen und Mikroorganismen. Ausgangssubstanz für den Endabbau ist das Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA), das aus dem Kohlenhydrat-, Aminosäure- und Fettsäurestoffwechsel stammt und dessen Acetylrest zu Kohlendioxid (CO₂) oxidiert wird. Im Zitronensäurezyklus laufen somit Protein-, Fett- und Kohlenhydratstoffwechsel zusammen.

 

In der ersten Reaktion des Zitronensäurezyklus wird der Acetylrest des Acetyl-CoA, katalysiert durch das Enzym Citrat-Synthase, auf Oxalacetat übertragen; es entstehen Zitronensäure und CoA. Zitronensäure wird in mehreren, durch bestimmte Enzyme katalysierten Reaktionen weiter umgesetzt. Wichtig sind dabei Dehydrierungsreaktionen, in denen der frei werdende Wasserstoff auf NAD beziehungsweise FAD übertragen wird, wobei die reduzierten Formen NADH + H^⊕ beziehungsweise FADH₂ entstehen; weiterhin Decarboxylierungsreaktionen, die Kohlendioxid abspalten, sodass letztlich Oxalacetat entsteht und der Zyklus wieder von vorn beginnen kann, sowie die Phosphorylierung von Guanosindiphosphat zu Guanosintriphosphat (GTP; Substratketten-Phosphorylierung) bei der Reaktion von Succinyl-CoA zu Succinat. Das entstehende GTP stellt schon eine verwertbare energiereiche Phosphatverbindung dar; der Hauptanteil in Form von ATP (Adenosin) wird jedoch bei der sauerstoffabhängigen Oxidation von NADH + H^⊕ und FADH₂ im Rahmen der Atmungsketten-Phosphorylierung (Atmungskette) gewonnen.

 

Da der Zitronensäurezyklus der Hauptabbauweg zur ATP-Gewinnung ist, ist eine genaue, am Energie-(ATP-)Bedarf der Zelle orientierte Regulation vonnöten. Sie erfolgt im Wesentlichen an drei Stellen des Zitronensäurezyklus: 1) bei der Synthese von Citrat aus Oxalacetat und Acetyl-CoA durch die Citrat-Synthase, die von ATP allosterisch gehemmt wird; 2) die Isocitrat-Dehydrogenase wird durch ADP aktiviert und durch NADH und ATP gehemmt; 3) die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase wird durch Succinyl-CoA und NADH gehemmt sowie durch eine hohe Energieladung der Zelle.

 

Der Zitronensäurezyklus ist jedoch nicht nur Hauptabbauvorgang zur Energiegewinnung, sondern er liefert auch eine Reihe von Zwischenprodukten für Biosynthesen: So entstehen aus den Oxosäuren mit vier beziehungsweise fünf Kohlenstoffatomen durch Transaminierung L-Asparaginsäure beziehungsweise L-Glutaminsäure; aus Oxalacetat können über die Gluconeogenese Zucker (z. B. Ribose) aufgebaut werden; aus Succinyl-CoA wird eine Vorstufe der Porphyrine synthetisiert. Im Gesamtstoffwechsel verbindet der Zitronensäurezyklus katabole (abbauende) und anabole (aufbauende) Funktionen und somit Bau- und Betriebsstoffwechsel miteinander; er wird wegen dieser Doppelfunktion auch amphibol genannt. Die Substanzen, die für andere Biosynthesen aus dem Zitronensäurezyklus entnommen werden, müssen durch andere Stoffwechselwege aufgefüllt werden; die entsprechenden Reaktionen nennt man anaplerotische Reaktionen (Auffüllreaktionen).

 

Die Reaktionsfolge des Zitronensäurezyklus wurde 1937 durch H. A. Krebs, G. Martius und F. Knoop etwa gleichzeitig aufgeklärt.

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

Verdauung: Aufschließen und Bereitstellen