In diesem Video betrachten wir uns den Citratzyklus als einen Teilschritt der Zellatmung. Ein Prozess, bei dem die über unsere Nahrung aufgenommene Glukose als unser Hauptenergiestoff in Anwesenheit von Sauerstoff, man bezeichnet das auch als Aerob, abgebaut wird. Bei dem Abbau von Glukose über den Prozess der Zellatmung wird die Energie, die ursprünglich in den chemischen Verbindungen der Glucose gespeichert ist, freigesetzt und in Form von ATP gespeichert.
Die Energie steht nun der Zelle in Form von ATP zur Verfügung, um energieaufwendige Stoffwechselprozesse anzutreiben. Der Glucoseabbau geschieht dabei über eine Vielzahl von Stoffwechselwegen und einer von ihnen ist der in den Mitochondrien stattfindende Citratzyklus. Schauen wir uns den Citratzyklus zunächst ganz grob an. Das Ausgangsprodukt, das in den Citratzyklus eingeschleust wird.
und damit sämtliche Reaktionen des Citratzyklus antreibt, ist ein Molekül namens Acetyl-CoA, ein aus zwei Kohlenstoffatomen bestehendes Molekül, das entsprechend hier mit zwei Kreisen dargestellt ist. Wie im vorherigen Video über die oxidative Dekarboxylierung bereits erklärt, entsteht Acetyl-CoA infolge der Oxidation des aus der Glykolyse stammenden Moleküls Pyruvat als C3-Körper. Bei der Oxidation von Pyruvat, die dem Citratzyklus unmittelbar vorausgeht, wird Kohlenstoffdioxid und damit ein C-Atom abgespalten.
Sowohl für die oxidative Dekarboxylierung als auch für den Citratzyklus gilt, dass sie für jedes abzubauende Glucosemolekül zweimal ablaufen. Denn ein Glucosemolekül wurde in der Glykolyse in zwei Moleküle Pyruvat gespalten. Möchte man Aussagen über die Energiebilanz des Abbaus von einem Molekül Glucose ziehen, muss nach der Glykolyse entsprechend der Abbau beider Moleküle Pyruvat und damit auch Acetyl-CoA betrachtet werden. Das Akzeptormolekül, auf das Acetyl-CoA zu Beginn des Citratzyklus übertragen wird, ist ein Molekül mit vier Kohlenstoffatomen, nämlich Oxalacetat, sodass ein Molekül mit sechs Kohlenstoffatomen entsteht. Es handelt sich dabei um das Molekül Citrat, das Molekül, das dem Stoffwechselweg seinen Namen gibt.
Im weiteren Verlauf wird zweimal Kohlenstoffdioxid und damit zweimal eine C1-Verbindung abgespalten. So wird aus dem C6-Körper zunächst ein C5-Körper, Alpha-Getoglutarat, und anschließend ein C4-Körper, Succinyl-CoA. Auch dieses Molekül wird durch weitere Reaktionsschritte in ein anderes Molekül und schließlich wieder in Oxalacetat umgewandelt. Es behält dabei trotzdem sein Grundgerüst mit vier Kohlenstoffatomen bei. Die Regeneration von Oxalacetat gewährleistet, dass fortlaufend Acetyl-CoA in den Citratzyklus eingeschleust werden kann und diesen dadurch aufrechterhalten kann, indem es nämlich wieder an das C4-Molekül bindet und Citrat als C6-Molekül entsteht.
Diese stark vereinfachte Darstellung lässt wesentliche Fragen zunächst unbeantwortet, wie zum Beispiel, welche Produkte entstehen beim Citratzyklus. Und welchen Beitrag leisten diese Produkte oder generell der Citratzyklus im Hinblick auf die Zellatmung? Und wie steht der Citratzyklus mit der nachfolgenden Atmungskette in Verbindung? Eine detailliertere Betrachtung offenbart, dass insgesamt 8 Reaktionsschritte erforderlich sind, um den Citratzyklus einmal zu durchlaufen. Ausreichend Zeit, um eine Menge an Stoffen zu synthetisieren.
Von CO2 wissen wir, dass es zweimal im Laufe des Zyklus gebildet wird. Das auf Oxalacetat transferierte Acetyl-CoA wird vollständig zu zwei Molekülen Kohlenstoffdioxid oxidiert. Wie bereits erwähnt, findet der Vorgang pro Glucosemolekül zweimal statt, mit der Konsequenz, dass die Anzahl der entstehenden Produkte mit zwei multipliziert werden müssen. Es entstehen also vier CO2-Moleküle im Citratzyklus. Als Abfallprodukt hat es für die Zelle keinen weiteren Nutzen und wird von uns Menschen ausgeatmet.
Während das eingeschleuste Acetyl-CoA noch viel Energie enthält, sind die oxidierten CO2-Moleküle äußerst energiearm. Während der Oxidation, und das gilt für eine Oxidation generell, wird also Energie freigesetzt. Die aus Acetyl-CoA stammende, nun frei vorliegende Energie wird schnell wieder eingefangen, und zwar sowohl durch GTP, sowie durch die Elektronenüberträgerstoffe NADH und FADH2. Insgesamt werden für jedes Acetyl-CoA, das in den Citratzyklus eingeschleust wird, drei Moleküle NADH, ein Molekül FADH2 sowie ein Molekül GTP gebildet. Auch dieser Wert muss entsprechend verdoppelt werden, weil pro Glucosemolekül zwei Acetyl-CoA den Citratzyklus durchlaufen.
Schauen wir uns die einzelnen acht Reaktionsschritte kurz genauer an, um die Bildung dieser Stoffe und auch den Begriff Oxidation besser verstehen zu können. Der erste Reaktionsschritt ist bekannt. Acetyl-CoA und Oxalacetat werden miteinander verknüpft und bilden Citrat. Im zweiten Reaktionsschritt geschieht nicht viel.
Hier wird Citrat zu Isocitrat umgelagert. Anschließend findet die erste Oxidation statt. Isocitrat wird oxidiert zu Alpha-Ketoglutarat.
Dabei werden ein CO2-Molekül, ein positiv geladenes Wasserstoff-Ion, Man bezeichnet es auch als Wasserstoffproton und zwei Elektronen abgespalten. Was bedeutet Oxidation eigentlich in dem Zusammenhang? Im engeren chemischen Sinne die Abgabe von Elektronen. In der Biologie kann man den Begriff hingegen auch für die Abgabe von Wasserstoffatomen verwenden, weil die Abgabe eines Wasserstoffatoms immer auch mit der Abgabe von Elektronen einhergeht.
Isozitrat besitzt fünf Wasserstoffatome Alpha-Ketoglutarat, 4 Wasserstoffatome. Isocitrat gibt also während seiner Oxidation ein Wasserstoffatom und damit Elektronen ab. Während Isocitrat oxidiert wird, bezeichnet man die Bildung von NAD plus zu NADH als Reduktion. NAD plus wird reduziert, weil es Elektronen aufnimmt.
die Oxidation eines Stoffes, bei der Wasserstoffatome abgegeben werden, ist meist also auch immer an die Reduktion eines anderen Stoffes gekoppelt, der die Wasserstoffatome bindet. Das steckt hinter der Wirkweise des aus der Chemie bekannten Begriffs Redoxreaktion. Im nächsten Schritt wird Alpha-Ketoglutarat zu Succinyl-QA oxidiert.
Auch hier entstehen CO2 und NADH. Im nächsten Reaktionsschritt wird ein Teil der Energie des Succinyl-QA genutzt, um aus GDP und einem anorganischen Phosphat, GTP, Guanusin-Triphosphat, herzustellen. Sollte in manchen Schulbüchern an dieser Stelle vom Molekül ATP anstelle von GTP die Rede sein, ist das insofern nicht falsch, als dass GTP wiederum genutzt wird für die Bildung von ATP aus ADP.
Bei diesem Vorgang entsteht Succinat. welches anschließend zwei seiner Wasserstoffatome verliert und Fumarat bildet. Succinat wird also oxidiert.
Die zwei Wasserstoffatome und damit auch die Elektronen werden auf den Elektronenüberträgerstoff FAD übertragen, sodass dieser reduziert als FADH2 vorliegt. In Reaktion 7 reagiert Fumarat und Wasser zu Malat, welches anschließend im letzten Reaktionsschritt unter Bildung von NADH zu Oxalacetat oxidiert wird. Nun kann Oxalacetat erneut mit dem Acetyl-CoA reagieren und der Citratzyklus ein weiteres Mal durchlaufen werden.
Dem komplexen Stoffwechselweg des Citratzyklus lassen sich folgende Kernaussagen zusammenfassend ableiten. Neben einer geringen Menge an gebildeten GTP werden im Citratzyklus vor allem Elektronen über Trägerstoffe generiert. Für jedes Acetyl-QA, das den Citratzyklus durchläuft, sind es drei Moleküle NADH, ein Molekül FADH2.
In der Bilanz fällt die Ausbeute doppelt so hoch aus, wie schon erklärt wird der Citratzyklus pro Glucosemolekül nämlich zweimal durchlaufen. Zugegebenermaßen fällt die Ausbeute an GTP bzw. ATP doch sehr mickrig aus, insbesondere wenn man bedenkt, dass im letzten Teil der Zellatmung der Atmungskette ca. 28 ATP-Moleküle gewonnen werden.
Wenn man jedoch berücksichtigt, dass für den Ablauf der Atmungskette die Elektronen von NADH und FADH2 erforderlich sind und diese im Citratzyklus in vergleichsweise großer Menge gebildet werden und dadurch erst die Atmungskette antreiben, wird die Bedeutung des Citratzyklus umso deutlicher. Und damit nicht genug. Selbst in der folgenden, sehr stark vereinfachten Darstellung über die in unserem Körper stattfindenden Stoffwechselreaktionen Sticht der Citratzyklus direkt ins Auge. Der Citratzyklus spielt nicht nur im Kontext der Zellatmung eine besondere Rolle, er fungiert als zentrale Drehscheibe des gesamten Zellstoffwechsels. Dabei werden sowohl Abbauprodukte verschiedener Biomoleküle, wie zum Beispiel Aminosäuren, an verschiedenen Stellen des Citratzyklus eingeschleust.
Andererseits fungieren manche Zwischenprodukte des Citratzyklus als Vorstufen für die Synthese von Biomolekülen. Oxalacetat kann bereitgestellt werden für die Synthese von Glucose in der Gluconeogenese. Citrat wird im Rahmen der Fettsäure-Biosynthese genutzt und so weiter. Die vollständige Nettoreaktionsgleichung des Citratzyklus findet ihr hier abgebildet.