Citratzyklus: Ort, Stellung und Zwischenprodukte
Wo der Citratzyklus in der Zelle abläuft, welche Stellung er im Stoffwechsel hat und wie man seine acht Zwischenprodukte in Reihenfolge nennt und an Strukturformeln erkennt.
Das Wichtigste in Kürze
- Der Citratzyklus ist eine Kreisfolge von acht Reaktionen, die den Acetylrest aus Acetyl-CoA zu zwei \(\ce{CO2}\) oxidiert und Oxalacetat zurückbildet.
- Er ist Endstrecke der aeroben Glucoseoxidation und des Fettabbaus, arbeitet oxidativ und ist damit das Gegenstück zum \(\ce{CO2}\)-fixierenden Calvin-Zyklus.
- Bei Eukaryoten liegen die Enzyme in der Mitochondrienmatrix, die Succinatdehydrogenase in der inneren Membran; codiert sind sie in der Kern-DNA und werden per Transitpeptid importiert.
- Die acht Intermediate: Oxalacetat, Citrat, Isocitrat, 2-Oxoglutarat, Succinyl-CoA, Succinat, Fumarat, Malat; Glyoxylat, Glycerinsäure und Malonyl-CoA gehören zu anderen Wegen.
- Citronensäure trägt eine tertiäre OH-Gruppe und ist symmetrisch, Isocitronensäure eine sekundäre OH-Gruppe neben einer Carboxygruppe.
- In der \(C_4\)-Reihe folgen Bernsteinsäure (gesättigt), Fumarsäure (trans-Doppelbindung), Äpfelsäure (OH) und Oxalessigsäure (Keto).
Worum es geht
Der Citratzyklus ist die zentrale Oxidationsstation des Energiestoffwechsels. Kohlenhydrate, Fette und viele Aminosäuren münden hier ein. Wer seine Zwischenprodukte sicher kennt, versteht auch, warum Citronensäure und Äpfelsäure als natürliche Säuren in Obst und als Hilfsstoffe in Arzneiformen so verbreitet sind.
Prinzip des Zyklus
Der Zyklus nimmt den Acetylrest aus Acetyl-CoA auf. Dieser C₂-Baustein wird schrittweise zu zwei Molekülen \(\ce{CO2}\) oxidiert. Die abgezogenen Elektronen landen auf \(\ce{NAD+}\) und FAD und gehen später in die Atmungskette.
Kreisförmige Folge von acht Reaktionen, die einen Acetylrest vollständig zu \(\ce{CO2}\) oxidiert und dabei den Akzeptor Oxalacetat zurückbildet. Er heißt auch Tricarbonsäurezyklus oder Krebs-Zyklus.
Das Kreisprinzip ist der Kern. Oxalacetat (\(C_4\)) nimmt den Acetylrest auf und wird zu Citrat (\(C_6\)). Über zwei Decarboxylierungen schrumpft das Gerüst wieder auf vier C-Atome. Am Ende steht erneut Oxalacetat bereit. Man kann sich Oxalacetat wie ein Förderband vorstellen, das bei jeder Runde eine neue Ladung Acetyl aufnimmt und leer zurückkommt.
Der Zyklus ist zugleich eine Drehscheibe. Seine Intermediate dienen auch als Bausteine: 2-Oxoglutarat liefert Glutamat, Oxalacetat liefert Aspartat und Glucose über die Gluconeogenese. Was so entnommen wird, füllen anaplerotische Reaktionen wieder auf.
Stellung im Stoffwechsel
Der Citratzyklus wird bei der vollständigen aeroben Oxidation von Glucose durchlaufen. Die Glykolyse endet beim Pyruvat. Erst Pyruvat-Dehydrogenase und Citratzyklus oxidieren den Kohlenstoff bis zum \(\ce{CO2}\). Ebenso endet der Abbau von Triacylglycerolen zu \(\ce{CO2}\) und \(\ce{H2O}\) hier, auch in Pflanzen: Die Fettsäuren liefern über die β-Oxidation Acetyl-CoA.
Anders als der Calvin-Zyklus arbeitet der Citratzyklus oxidativ. Der Calvin-Zyklus fixiert \(\ce{CO2}\) und verbraucht dafür ATP und NADPH. Der Citratzyklus setzt \(\ce{CO2}\) frei und gewinnt Reduktionsäquivalente. Er gehört zum Primärstoffwechsel und liefert Sekundärstoffe nicht unmittelbar, sondern höchstens Vorstufen für spätere Wege.
Lokalisation der Enzyme
Bei Eukaryoten liegen die Enzyme des Citratzyklus in den Mitochondrien. Das gilt auch für alle Dehydrogenasen des Zyklus. Nur Prokaryoten, die keine Mitochondrien besitzen, betreiben den Zyklus im Cytosol.
Sieben der acht Enzyme sind in der Matrix gelöst. Die Succinatdehydrogenase sitzt dagegen fest in der inneren Mitochondrienmembran. Sie ist zugleich Komplex II der Atmungskette und gibt ihre Elektronen über \(\ce{FADH2}\) direkt an Ubichinon weiter. In diesem Sinn ist der Zyklus an Biomembranen gebunden: Er läuft in einem membranumschlossenen Raum ab, und ein Enzym ist membranständig.
Die Succinatdehydrogenase gehört zur inneren Mitochondrienmembran. Mit dem glatten ER hat sie nichts zu tun.
Die Gene der Zyklusenzyme liegen in der Kern-DNA. Die mitochondriale DNA codiert nur wenige Proteine, vor allem Untereinheiten der Atmungskette, dazu rRNAs und tRNAs. Die Zyklusenzyme entstehen an cytosolischen Ribosomen. Eine N-terminale Signalsequenz (Transitpeptid) lenkt sie danach in die Mitochondrien. Die Details des Proteinimports stehen auf einer eigenen Seite.
Zwischenprodukte
Der Zyklus hat acht Zwischenprodukte. Ab Oxalacetat sind es: Oxalacetat, Citrat, Isocitrat, 2-Oxoglutarat (α-Ketoglutarat), Succinyl-CoA, Succinat, Fumarat und Malat. In der Zelle liegen die Säuren als Anionen vor, daher die Endung -at.
Die acht Zwischenprodukte sind ein Examensklassiker. Achte darauf, ähnlich klingende oder ähnlich gebaute Säuren aus Glykolyse, Fettsäurestoffwechsel und Glyoxylatzyklus sicher abzugrenzen.
Oxalacetat und Succinat entstehen nicht in der Glykolyse. Diese endet beim \(C_3\)-Körper Pyruvat. Succinat kann aber von außen in den Zyklus eingeschleust werden, etwa aus dem Glyoxylatzyklus. Die folgenden Verbindungen ähneln Intermediaten und gehören doch zu anderen Wegen.
| Verbindung | Ähnlichkeit | Tatsächliche Zuordnung |
|---|---|---|
| Glyoxylat | kleine Oxosäure | Glyoxylatzyklus |
| Glycerinsäure | Hydroxycarbonsäure | \(C_3\)-Körper aus dem Umfeld der Glykolyse |
| Malonyl-CoA | CoA-Thioester einer Dicarbonsäure | Fettsäuresynthese |
| Butyrat, Crotonat | \(C_4\)-Säuren | Monocarbonsäuren des Fettsäurestoffwechsels |
| Acetaldehyd | \(C_2\)-Körper | alkoholische Gärung |
| Tricarballylsäure | Citronensäure ohne OH-Gruppe | kein Stoffwechselintermediat des Zyklus |
| α-Hydroxyglutarat | reduziertes 2-Oxoglutarat | kein Stoffwechselintermediat des Zyklus |
Auch zwei Reaktionen gehören allein zum Glyoxylatzyklus. Das ist die Spaltung von Isocitrat in Succinat und Glyoxylat. Dazu kommt die Malatsynthase, die Glyoxylat mit Acetyl-CoA zu Malat verknüpft.
Strukturformeln
Strukturformeln zu erkennen ist ebenfalls ein Examensklassiker: Du solltest jedes Intermediat als freie Säure ohne Namen zuordnen können. Das gelingt mit zwei Fragen. Wie viele C-Atome und Carboxygruppen hat die Säure? Welche funktionelle Gruppe sitzt zusätzlich am Gerüst?
| Säure (Anion) | Halbstrukturformel | C | Merkmal |
|---|---|---|---|
| Oxalessigsäure (Oxalacetat) | \(\ce{HOOC-CO-CH2-COOH}\) | 4 | Ketodicarbonsäure |
| Citronensäure (Citrat) | \(\ce{HOOC-CH2-C(OH)(COOH)-CH2-COOH}\) | 6 | Tricarbonsäure, tertiäre OH |
| Isocitronensäure (Isocitrat) | \(\ce{HOOC-CH2-CH(COOH)-CH(OH)-COOH}\) | 6 | Tricarbonsäure, sekundäre OH |
| 2-Oxoglutarsäure (2-Oxoglutarat) | \(\ce{HOOC-CO-CH2-CH2-COOH}\) | 5 | Ketodicarbonsäure |
| Succinyl-CoA | \(\ce{HOOC-CH2-CH2-CO-S-CoA}\) | 4 | Thioester |
| Bernsteinsäure (Succinat) | \(\ce{HOOC-CH2-CH2-COOH}\) | 4 | gesättigte Dicarbonsäure |
| Fumarsäure (Fumarat) | \(\ce{HOOC-CH=CH-COOH}\) | 4 | ungesättigt, trans |
| Äpfelsäure (Malat) | \(\ce{HOOC-CH(OH)-CH2-COOH}\) | 4 | Hydroxydicarbonsäure |
Die vier \(C_4\)-Dicarbonsäuren bilden eine Reihe. Bernsteinsäure (Butandisäure) ist das nackte Gerüst. Fumarsäure trägt eine trans-Doppelbindung, ihr cis-Isomer Maleinsäure gehört nicht zum Zyklus. Äpfelsäure trägt eine OH-Gruppe, Oxalessigsäure an derselben Stelle eine Ketogruppe.
Citronensäure und Isocitronensäure haben dieselbe Summenformel \(\ce{C6H8O7}\). Sie unterscheiden sich nur in der Lage der OH-Gruppe.
2-Hydroxypropan-1,2,3-tricarbonsäure. Das mittlere C-Atom trägt OH und COOH und hat zwei gleiche \(\ce{CH2-COOH}\)-Nachbarn. Die OH ist tertiär, das Molekül symmetrisch und achiral.
Die OH sitzt an einer CH-Gruppe direkt neben einer Carboxygruppe. Sie ist sekundär. Das Molekül ist unsymmetrisch und hat zwei Stereozentren.
Abzugrenzen ist vor allem Glycerinsäure, \(\ce{HOCH2-CH(OH)-COOH}\). Sie hat nur drei C-Atome und eine einzige Carboxygruppe. Alle freien Säuren des Zyklus sind dagegen Di- oder Tricarbonsäuren.
Reihenfolge der Schritte
Die Reihenfolge der Umsetzungen wird im Examen gerne gefragt: Du solltest von jedem Einstiegspunkt aus weiterzählen können, ob ab Oxalacetat, Citrat oder 2-Oxoglutarat. Die acht Schritte ab Oxalacetat lauten so:
- Kondensation: Oxalacetat und Acetyl-CoA bilden Citrat (\(C_4 + C_2 \rightarrow C_6\)).
- Isomerisierung: Citrat wird über cis-Aconitat zu Isocitrat.
- Erste oxidative Decarboxylierung: Isocitrat wird zu 2-Oxoglutarat, es entstehen NADH und \(\ce{CO2}\).
- Zweite oxidative Decarboxylierung: 2-Oxoglutarat wird zu Succinyl-CoA, wieder mit NADH und \(\ce{CO2}\).
- Thioesterspaltung: Succinyl-CoA wird zu Succinat, dabei entsteht GTP.
- Dehydrierung: Succinat wird zu Fumarat, FAD wird zu \(\ce{FADH2}\).
- Hydratisierung: Fumarat nimmt Wasser auf und wird zu Malat.
- Dehydrierung: Malat wird zu Oxalacetat, es entsteht NADH.
„Ohne Citrone ist Kochen sehr schwer, findet Mama“: Oxalacetat, Citrat, Isocitrat, (Keto-)Oxoglutarat, Succinyl-CoA, Succinat, Fumarat, Malat.
Beim Ordnen vorgelegter Formeln hilft die C-Zahl: 4, 6, 6, 5, 4, 4, 4, 4. Die Tricarbonsäuren stehen also vorn. Die \(C_5\)-Ketosäure folgt nach dem ersten \(\ce{CO2}\). Danach kommt die \(C_4\)-Reihe: Thioester, gesättigt, Doppelbindung, OH, Keto. Steht etwa 2-Oxoglutarat → Succinyl-CoA in einer Liste, folgt als nächste Umsetzung Succinat → Fumarat. Die Enzyme der Schritte behandeln die Seiten vom Citrat zum Succinyl-CoA und vom Succinyl-CoA zum Oxalacetat.
Quiz
Aussage 1
Die Succinatdehydrogenase ist als einziges Enzym des Citratzyklus in die innere Mitochondrienmembran eingebaut.
Die übrigen Enzyme sind in der Matrix gelöst. Die Succinatdehydrogenase ist zugleich Komplex II der Atmungskette.
Aussage 2
Oxalacetat wird bereits in der Glykolyse gebildet und dann in den Citratzyklus eingespeist.
Die Glykolyse endet beim Pyruvat. Oxalacetat ist ein Intermediat des Citratzyklus und wird dort aus Malat zurückgebildet.
Aussage 3
Glyoxylat ist eines der acht Zwischenprodukte des Citratzyklus.
Glyoxylat gehört zum Glyoxylatzyklus. Die Intermediate des Citratzyklus sind Oxalacetat, Citrat, Isocitrat, 2-Oxoglutarat, Succinyl-CoA, Succinat, Fumarat und Malat.
Aussage 4
Auf die Bildung von 2-Oxoglutarat folgt im Zyklus unmittelbar die Bildung von Succinat.
2-Oxoglutarat wird zunächst oxidativ zu Succinyl-CoA decarboxyliert. Erst die Thioesterspaltung liefert Succinat.
Aussage 5
Fumarsäure ist eine \(C_4\)-Dicarbonsäure mit einer trans-konfigurierten C=C-Doppelbindung.
Fumarsäure ist trans-Butendisäure. Das cis-Isomer Maleinsäure gehört nicht zum Zyklus.
Aussage 6
In der Citronensäure sitzt die Hydroxygruppe an einem tertiären C-Atom, in der Isocitronensäure an einem sekundären.
Citronensäure trägt OH und COOH am mittleren C-Atom. Bei Isocitronensäure sitzt die OH an einer CH-Gruppe neben einer Carboxygruppe.
Aussage 7
Die Enzyme des Citratzyklus werden von der mitochondrialen DNA codiert und an mitochondrialen Ribosomen synthetisiert.
Sie sind in der Kern-DNA codiert, entstehen an cytosolischen Ribosomen und gelangen mit einem Transitpeptid in die Mitochondrien.
Aussage 8
Citrat wird zu Isocitrat umgelagert, bevor im Zyklus das erste \(\ce{CO2}\) abgespalten wird.
Die Isomerisierung ist Schritt 2. Das erste \(\ce{CO2}\) entsteht erst bei der oxidativen Decarboxylierung von Isocitrat zu 2-Oxoglutarat.
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