Der Citratzyklus
Die Hauptfunktion des Citratzyklus besteht darin, chemische Energie aus Nährstoffen zu gewinnen und diese in Form von Adenosintriphosphat (ATP) zu speichern, der primären Energiequelle der Zelle. Der Citratzyklus, auch bekannt als Tricarbonsäurezyklus oder Krebszyklus, ist ein lebensnotwendiger biochemischer Prozess, der in den Mitochondrien von eukaryotischen Zellen stattfindet.
Wie funktioniert der Citratzyklus?
Einfach erklärt nimmt der Citratzyklus zuerst Acetyl-CoA auf, dass aus den Nährstoffen stammen kann, die wir essen. Diese Nährstoffe (Kohlenhydrate, Fette, Proteine) werden verdaut und in verschiedenen Stoffwechselwegen weiter abgebaut (Glykolyse, Beta-Oxidation, Proeteolyse) zu letztendlich Acetyl-CoA. Dieses Acetyl-CoA wird dann in eine Art Startmaterial namens Citrat umgewandelt.
Während des Zyklus durchläuft das Citrat verschiedene Stationen, bei denen es sich allmählich in andere Substanzen verwandelt. Gleichzeitig werden kleine Energiemoleküle, wie NADH und FADH2, erzeugt. Diese Moleküle sind wie kleine Batterien, die später zur Produktion von ATP verwendet werden, der Energiequelle für unsere Zellen.
Der genaue Ablauf
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Pyruvat + CoA → Acetyl-CoA Die Pyruvatdehydrogenase ist ein sogenannter Multienzymkomplex, der aus drei unterschiedlichen Enzymen besteht und im Mitochondrium lokalisiert ist. Damit eine Katalyse ihrer Reaktionen vollständig durchgeführt werden kann, benötigt die PDH insgesamt fünf Coenzyme: Thiaminpyrophosphat (TPP) = aktiviertes Thiamin, Liponsäure, Coenzym A, FAD, NAD+
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Acetyl-CoA + Oxalacetat → Citrat Enzym: Citrat-Synthase Co-Substrat: H2O Nebenprodukt: Coenzym A (CoA-SH)
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Citrat → Isocitrat Enzym: Aconitase
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Isocitrat → α-Ketoglutarat Enzym: Isocitrat-Dehydrogenase Co-Substrat: NAD+
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α-Ketoglutarat → Succinyl-CoA Die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase ist ein großer Enzymkomplex, welcher sehr der Pyruvatdehydrogenase ähnelt. Er benötigt für die oxidative Decarboxylierung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA folgende Cofaktoren: Thiaminpyrophosphat, Liponamid, Coenzym A, FAD und NAD+. Es entsteht erneut CO2 sowie 1 weiteres NADH+H+ für die Atmungskette.
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Succinyl-CoA → Succinat + CoA + GTP Enzym: Succinyl-CoA-Synthetase Co-Substrat: GDP, Pi
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Succinat → Fumarat + FADH2 Die FAD-abhängige Succinat-Dehydrogenase führt die Oxidation von Succinat zu Fumarat durch. Dies geschieht unter der Ausbildung einer Doppelbindung und Freisetzung von 1 FADH2. Eine wichtige Besonderheit ist, dass die Succinat-Dehydrogenase als einziges Enzym des Citratzyklus nicht frei im Matrixraum vorliegt, sondern in der inneren Mitochondrienmembran verankert ist. Dadurch kann sie ihre Elektronen des FADH2 direkt in die Atmungskette einspeisen und wird dann Komplex II genannt. Fumarat + H2O → Malat Enzym: Fumarase
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Malat → Oxalacetat Enzym: Malat-Dehydrogenase Co-Substrat: NAD+
Wussten Sie schon...
Was passiert mit NADH und FADH2?
Nachdem der Citratzyklus abgeschlossen ist, tragen NADH und FADH2 die während des Zyklus gespeicherte Energie weiter zur ATP-Synthese bei. Diese Moleküle fungieren als "Energieträger" und dienen als Hauptquellen von Elektronen und Protonen für die Elektronentransportkette (ETC) in den Mitochondrien.
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Elektronentransportkette (ETC): NADH und FADH2 geben ihre Elektronen an die Proteinkomplexe der Elektronentransportkette ab, die sich in der inneren mitochondrialen Membran befinden. Diese Elektronen durchlaufen eine Reihe von Proteinkomplexen, wodurch Protonen (H+) aus dem Mitochondrieninneren in den Intermembranraum gepumpt werden.
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Protonenpumpen und Elektronentransport: Während die Elektronen durch die Proteinkomplexe wandern, wird die durch diese Protonenpumpen erzeugte Protonengradientenenergie genutzt, um Protonen aktiv in den Intermembranraum zu pumpen. Dadurch entsteht ein Protonengradient über der inneren mitochondrialen Membran.
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ATP-Synthese: Der Protonengradient wird durch ein Enzym namens ATP-Synthase genutzt, um ATP zu produzieren. ATP-Synthase fungiert als "Turbine", die sich durch den Fluss von Protonen dreht, und dabei wird ADP zu ATP umgewandelt.
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Wasserbildung: Am Ende der Elektronentransportkette werden die Elektronen und Protonen mit Sauerstoff (O2) kombiniert, um Wasser (H2O) zu bilden. Regeneration von NAD+ und FAD:
Die Elektronen, die durch die Elektronentransportkette wandern, werden auf Sauerstoff übertragen, und NADH und FADH2 werden in den ursprünglichen Zustand (NAD+ und FAD) regeneriert. Dies ist wichtig, da NAD+ und FAD wieder im Citratzyklus benötigt werden, um den Zyklus fortzusetzen.
Zusammengefasst tragen NADH und FADH2 die während des Citratzyklus gespeicherte Energie zur Elektronentransportkette bei, wodurch ATP erzeugt wird, das als Hauptenergiewährung der Zelle fungiert. Der Prozess endet mit der Bildung von Wasser und der Regeneration der Moleküle NAD+ und FAD, die wieder am Anfang des Citratzyklus eingesetzt werden können.