Citratzyklus und Oxidative Decarboxylierung
Der Citratzyklus ist ein zentraler Kreislauf biochemischer Reaktionen im Zellstoffwechsel, der dem oxidativen Abbau organischer Stoffe (Fette, Zucker und Aminosäuren) zum Zweck der Energiegewinnung dient.
In der oxidativen Decarboxylierung wird das Stoffwechselprodukt Pyruvat, neben Stoffwechselprodukten aus anderen Stoffwechselwegen weiterverarbeitet.
Dabei werden die sogenannten Reduktionsäquivalente Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+) und Flavinadenindinukleotid (FAD+) durch Wasserstoff- und Elektronenübertragung reduziert (Reduktion heißt Elektronenaufnahme). Das wird kenntlich gemacht durch das Anhängen eines ’H’ an NAD bzw. FAD (ebenso verwendet bei NADP). Ganz genau genommen werden sogar zwei Elektronen übertragen, die ganz exakte Schreibweise lautet dann NADH+H+ bzw. FADH+H+. Diese Elektronen und der Wasserstoff sind leicht wieder abzulösen (unter Energiefreisetzung) und werden später in der Atmungskette gebraucht.
Das Pyruvat wird zunächst in die Mitochondrien, die ’Kraftwerke der Zelle’ transportiert. Dort wird es decarboxyliert, d. h. es wird CO2 abgespalten, dass sich später in der ’Atemluft’ wiederfindet. Dabei werden Elektronen auf NAD übertragen. Der Stoffrest ’Acetyl’ (eigentlich Acetylgruppe, bzw. Essigsäurerest) ist instabil und muss an ein Hilfsenzym, das Coenzym A wie an eine Krücke gebunden bleiben, damit es nicht vorzeitig zerfällt. Es entsteht das sogenannte Acetyl-CoA, die Hauptsubstrat des Citratzyklus.
Im Citratzyklus wird Acetyl-CoA an Oxalacetat (ein C4-Körper) gebunden, es entsteht Citrat, ein C6-Körper. Das Coenzym A wandert wieder ’zurück’, um an die nächste Acetylgruppe aus der oxidativen Decarboxylierung zu koppeln. Citrat wird unter Umlagerung von Wasser zu Isocitrat (Enzym: Aconitase) umgewandelt, anschließend zu Alpha-Ketoglutarat, auch 2-Oxoglutarat genannt (Enzym: Isocitratdehydrogenase). Dabei wird wiederum CO2 frei (2-Oxoglutarat ist also ein C5-Körper), auch hier wird NAD wird zu NADH reduziert. Durch eine erneute Decarboxylierung (es wird wieder CO2 abgespalten und es entsteht ein C4-Körper) und Elektronenübertragung auf NAD entsteht Succinyl-CoA (Enzym: Alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase). Auch hier ist das entstandene Substrat alleine nicht lebensfähig und muss an das Coenzym A gebunden bleiben. Durch die Succinyl-CoA-Synthetase entsteht Succinat, dabei entsteht Guanosintriphosphat (GTP), analog zu ATP. Als nächster Schritt wird Succinat durch die Succinat-Dehydrogenase zu Fumarat umgebaut, dabei wird FAD zu FADH reduziert. Aus Fumarat entsteht schließlich Malat (Enzym: Fumarase), aus diesem durch die Malat-Dehydrogenase letztlich der Ausgangsstoff Oxalacetat. Dabei wird wiederum NAD zu NADH reduziert. Damit ist der Kreis geschlossen.
Die Gesamtbilanz des Citratzyklus lautet also:
2 Acetylgruppen (CH3-CO-COOH) + 8 NAD + 2 FAD + 2 GDP + 2 P + 6 H2O --> 6 CO2 + 8 NADH + 2 FADH + 2 GTP
Hier werden, wie schon eingangs erwähnt, vor allem Reduktionsäquivalente in Form von NADH und FADH gewonnen, die im Folgenden wichtig werden. Das CO2 ist überflüssig und findet sich in der Atemluft von Tieren und Pflanzen wieder.