Biologie 2e

Schritte im Zitronensäurezyklus

Schritt 1. Vor dem ersten Schritt findet eine Übergangsphase statt, in der Brenztraubensäure in Acetyl-CoA umgewandelt wird. Dann beginnt der erste Schritt des Zyklus: In diesem Kondensationsschritt wird die Acetylgruppe mit zwei Kohlenstoffatomen mit einem Oxalacetatmolekül mit vier Kohlenstoffatomen zu einem Citratmolekül mit sechs Kohlenstoffatomen verbunden. CoA wird an eine Sulfhydrylgruppe (-SH) gebunden und diffundiert weg, um sich schließlich mit einer weiteren 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. Im zweiten Schritt verliert Citrat ein Wassermolekül und gewinnt ein weiteres, da Citrat in sein Isomer, Isocitrat, umgewandelt wird.

Schritt 3. In Schritt drei 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 und eine positive Wirkung von ADP gesteuert.

Schritt 4. Die Schritte drei und vier sind sowohl Oxidations- als auch Decarboxylierungsschritte, die, wie wir gesehen haben, Elektronen freisetzen, die NAD+ zu NADH reduzieren und Carboxylgruppen freisetzen, die CO2-Moleküle bilden. Alpha-Ketoglutarat ist das Produkt von Schritt drei, und eine Succinylgruppe ist das Produkt von Schritt vier. CoA verbindet sich mit der Succinylgruppe und bildet Succinyl-CoA. Das Enzym, das Schritt vier katalysiert, wird durch Rückkopplungshemmung von ATP, Succinyl-CoA und NADH reguliert.

Schritt 5. In Schritt fünf wird eine Phosphatgruppe durch Coenzym A ersetzt und eine hochenergetische Bindung 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, bei dem Succinat in Fumarat umgewandelt wird. Dabei werden zwei Wasserstoffatome auf FAD übertragen, wodurch es zu FADH2 reduziert wird (Anmerkung: Die in den Elektronen dieser Wasserstoffatome 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 durch Hydrolyse zu Fumarat Wasser hinzugefügt und Malat entsteht. Im letzten Schritt des Zitronensäurezyklus wird Oxalacetat durch Oxidation von Malat regeneriert. Dabei entsteht ein weiteres Molekül NADH.