Der Citratzyklus (auch Zitratzyklus, Citronensäure- bzw. Zitronensäurezyklus, Tricarbonsäurezyklus, Krebs-Zyklus oder Szent-Györgyi-Krebs-Zyklus) ist ein Stoffwechselweg, genauer ein Kreislauf biochemischer Reaktionen, der eine wichtige Rolle im Stoffwechsel (Metabolismus) aerober Zellen von Lebewesen spielt und hauptsächlich dem oxidativen Abbau organischer Stoffe zum Zweck der Energiegewinnung und der Bereitstellung von Zwischenprodukten für Biosynthesen dient. Das beim Abbau von Fetten, Zuckern, Alkohol und Aminosäuren als Zwischenprodukt entstehende Acetyl-CoA wird darin zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) abgebaut. Dabei werden sowohl für den Aufbau organischer Körperbestandteile des Lebewesens (Anabolismus) nutzbare Zwischenprodukte gebildet, wie auch direkt und indirekt Energie in biochemisch verfügbarer Form (als Adenosintriphosphat ATP) zur Verfügung gestellt.
Der Citratzyklus läuft bei Eukaryoten in der Matrix der Mitochondrien, bei Prokaryoten im Zytoplasma ab. Eine umgekehrte Reaktionsfolge findet im sogenannten reduktiven Citratzyklus statt, der manchen Bakterien zur Kohlenstoffdioxid-Assimilation dient.
Etymologie Namensgeber ist das dabei entstehende Zwischenprodukt Citrat, das Anion der Citronensäure. Die Reaktionsfolge wird nach ihrem Entdecker Hans A. Krebs (1900–1981) auch als Krebs-Zyklus bezeichnet. Krebs erhielt – neben Fritz Albert Lipmann – 1953 den Nobelpreis für Medizin für die Klärung metabolischer Abbauwege.Nobelpreis für Medizin 1953.
Entdeckung 1937 postulierte der Biochemiker Hans Adolf Krebs (in Zusammenarbeit mit William Arthur Johnson) als erster den Citratzyklus als Weg der Pyruvatoxidation.H. A. Krebs und W. A. Johnson: The role of citric acid in intermediate metabolism in animal tissues. In: Enzymologia. Band 4, 1937, S. 148–156 (Nachdruck: ) Krebs untersuchte den Einfluss verschiedener organischer Säuren auf den Sauerstoffverbrauch bei der Pyruvatoxidation mit Suspensionen von zerkleinertem Taubenbrustmuskel. Dieser Flugmuskel ist für die Untersuchung besonders gut geeignet, da er eine hohe oxidative Aktivität aufgrund einer sehr hohen Atmungsgeschwindigkeit aufweist. Krebs bestätigte die Beobachtung von unter anderem Albert Szent-Györgyi, dass C4-Dicarbonsäuren aus tierischen Geweben (Succinat, L-Malat, Fumarat und Oxalacetat) den Sauerstoffverbrauch von Muskeln stimulieren. Krebs bestätigte diese Beobachtung und fand, dass auch die Pyruvatoxidation einen solchen Effekt hervorruft. Diese wird durch C6-Tricarbonsäuren Citrat, cis-Aconitat und Isocitrat, sowie durch die C5-Verbindung α-Ketoglutarat stimuliert. Andere organische Säuren zeigten nicht den genannten Effekt. Dieser war jedoch äußerst beachtlich, denn sehr geringe Mengen führten bereits zu einer Oxidation einer vielfachen Menge an Pyruvat.
Die zweite wichtige Beobachtung von Krebs war, dass Malonat – eng verwandt mit Succinat und kompetitiver Inhibitor der Succinat-Dehydrogenase – die aerobe Verwertung von Pyruvat in Muskelsuspensionen hemmt und zwar unabhängig davon, welche der aktiven organischen Säuren zugesetzt wird. Dies zeigt, dass Succinat und Succinat-Dehydrogenase wesentliche Bestandteile der an der Pyruvatoxidation beteiligten Reaktion sein müssen.
Aus diesen grundlegenden Beobachtungen und weiteren Hinweisen schloss Krebs, dass die unten aufgeführten aktiven Tri- und Dicarbonsäuren in einer chemisch logischen Reihenfolge angeordnet sein könnten. Da die Inkubation von Pyruvat und Oxalacetat mit zerkleinertem Muskelgewebe eine Anreicherung von Citrat im Medium hervorrief, folgerte Krebs, dass diese Sequenz nicht linear, sondern zyklisch arbeitet – ihr Ende ist mit ihrem Anfang verknüpft. Er irrte sich nur bei der letzten fehlenden Reaktion. Es gilt nämlich nicht: Pyruvat + Oxalacetat → Citrat + CO2. Somit schlug Krebs vor, dass der von ihm als „Zitronensäurezyklus“ bezeichnete Weg den Hauptweg der Kohlenhydratoxidation im Muskel darstelle.
Rolle im Stoffwechsel mini|Schematische Darstellung der mit dem Citratzyklus assoziierten metabolischen Wege In den Citratzyklus münden Abbauprodukte verschiedener Nährstoffe, die im Stoffwechsel abgebaut werden. Acetyl-CoA, an das Coenzym A gebundene Essigsäure, kann dabei als das zentrale Abbauprodukt verschiedener Nährstoffklassen bezeichnet werden. Aus Fettsäuren beispielsweise werden durch β-Oxidation direkt Acetyl-CoA-Moleküle gebildet. In der Glykolyse werden Kohlenhydrate zu Pyruvat (Brenztraubensäure) abgebaut, dieses wird dann durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex zu Acetat decarboxyliert und der Acetylrest wird an Coenzym A gebunden. Schließlich werden auch Proteine zu Aminosäuren hydrolysiert, die sich nach Desaminierung in ihre korrespondierenden α-Ketosäuren überführen lassen, beispielsweise α-Ketoglutarat aus L-Glutaminsäure oder Oxalacetat aus L-Aspartat. Diese Ketosäuren sind häufig Intermediate des Citratzyklus und fließen direkt darin ein.
Beim Abbau von Acetyl-CoA über den Citratzyklus wird Energie in Form von GTP gewonnen, darüber hinaus auch die Reduktionsmittel (NADH, FADH2). Bei diesen Vorgängen wird der Acetylrest des Acetyl-CoA schrittweise zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut. Die im Citratzyklus gewonnenen, an Coenzyme (NAD+ und FAD) gebundenen Elektronen werden der Atmungskette zugeführt und auf den terminalen Elektronenakzeptor Sauerstoff (O2) übertragen. Die dabei frei werdende Energie wird genutzt, um ATP zu bilden.
Der Citratzyklus dient außerdem als Lieferant verschiedener Vorläufermoleküle für den Anabolismus. Beispielsweise können α-Ketosäuren dem Zyklus entnommen werden, um daraus Aminosäuren oder andere Stoffe zu bilden. Auch Oxalacetat kann wieder in die Gluconeogenese eingespeist werden.
Ablauf mini|Vereinfachte Darstellung des Citratzyklus. In dessen Folge entstehen Reduktionsäquivalente (blau), GTP (rot) und Kohlenstoffdioxid (grün). Die Anzahl an Kohlenstoffatomen der jeweiligen Intermediate ist angegeben. Der Citratzyklus läuft bei Eukaryoten in den Mitochondrien, bei Prokaryoten im Cytoplasma oder gegebenenfalls in Mitochondrienäquivalenten ab. Er ist ein amphiboler Stoffwechselprozess, d. h., er kann sowohl anabolen als auch katabolen Stoffwechselwegen dienen. Der Citratzyklus ist Teil oxidativer Abbauprozesse und geht bei aeroben Organismen der Atmungskette voraus.
Der Citratzyklus kann als der dritte von vier Schritten im Kohlenhydratkatabolismus betrachtet werden. Er findet nach der Glykolyse und der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA, jedoch vor der Endoxidation in der Atmungskette statt.
Für den Citratzyklus lässt sich folgende Nettobilanz aufstellen:
CH_3CO-S-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + P_i + 2H2O -> 2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + CoA-SH
Acetyl-CoA, an Coenzym A gebundene Essigsäure, auch als „aktivierte“ Essigsäure bezeichnet, wird durch den Citratzyklus zu Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasserstoff (dieser gebunden an die Wasserstoff-/Elektronenüberträger NADH und FADH2) und Coenzym A abgebaut. Dabei wird Guanosindiphosphat (GDP) zu Guanosintriphosphat (GTP) phosphoryliert.
In der Atmungskette werden die an NADH und FADH2 gebundenen Elektronen (je Acetyl-CoA 8 Reduktionsäquivalente) auf Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor übertragen. Die bei der Wanderung der Elektronen durch die Atmungskette von Proteinkomplex zu Proteinkomplex und schließlich auf Sauerstoff frei werdende Energie wird nutzbar gemacht, indem Protonen vom Inneren des Mitochondriums (Matrix) in den Intermembranraum transportiert werden und so durch den Protonengradienten eine Potentialdifferenz, ein chemiosmotisches Potenzial ΔP gebildet wird. Angetrieben durch dieses Potential phosphoryliert schließlich die ATP-Synthase ADP zu ATP. Anaerobe Organismen können den Citratzyklus nicht vollständig ablaufen lassen, er ist bei ihnen unterbrochen. Das liegt daran, dass ihnen der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex für die Umsetzung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA fehlt oder dieser reprimiert wird.Albert L. Lehninger, David L. Nelson, Michael M. Cox: Lehninger Biochemie. 3. Auflage. Springer, Berlin 2009, ISBN 3-540-41813-X, S. 626.Hans Günther Schlegel, Georg Fuchs (Hrsg.): Allgemeine Mikrobiologie. 8. Auflage. Thieme, Stuttgart 2006, ISBN 3-13-444608-1, S. 326.
Beim Abbau von 2 Pyruvat über Acetyl-CoA und den Citratzyklus sowie der Oxidation des dabei abgespaltenen Wasserstoffs (20 Reduktionsäquivalente) in der Atmungskette wird mit 25 ATP wesentlich mehr Energie zur Verfügung gestellt als in der Glykolyse von Glucose bis 2 Pyruvat, in der nur 2 ATP gebildet werden.
Teilreaktionen mini|zentriert|hochkant=3|Der Reaktionsablauf des Citratzyklus; blaue Pfeile symbolisieren anaplerotische, rote Pfeile cataplerotische Stoffwechselwege, die eng mit dem Citratzyklus verbunden sind.
Der Reaktionsablauf ist in der Abbildung oben skizziert. Ausgangspunkt des Citratzyklus ist eine durch die Citrat-Synthase katalysierte Addition von Acetyl-CoA an Oxalacetat und anschließende Hydrolyse zum Citrat (1). Citrat wird bei Bedarf aus dem Zyklus abgezogen und der Cholesterolbiosynthese bzw. der Fettsäuresynthese zugeführt. Diese im Cytosol stattfindenden Prozesse benötigen Acetyl-CoA, welches – im Gegensatz zum Citrat – nicht vermag, die Mitochondrienmembran zu passieren, jedoch aus Citrat synthetisiert werden kann (Citrat-Shuttle). Acetyl-CoA für den Citratzyklus kann aus verschiedenen Quellen stammen, beispielsweise aus der β-Oxidation von Fettsäuren.
Die anschließende Isomerisierung 2a-b des Citrats durch die Aconitase liefert Isocitrat. Die Bedeutung dieses Schrittes liegt in der Umwandlung eines schwer zu oxidierenden tertiären Alkohols (Citrat) in einen leicht zu oxidierenden sekundären Alkohol (Isocitrat).
Isocitrat wird durch die Isocitrat-Dehydrogenase in den Schritten 3a-b oxidiert und decarboxyliert. Neben dem ersten Reduktionsäquivalent NADH entsteht hierbei α-Ketoglutarat (anderer Name: 2-Oxoglutarat), ein auch für den Aminosäurenmetabolismus wichtiges Zwischenprodukt (cataplerotischer Stoffwechselpfad: reduktive Transaminierung zum L-Glutamat ⇒ Aminosäurebiosynthese; anaplerotischer Stoffwechselpfad: Desaminierung des Glutamats ⇒ Aminosäureoxidation).
Die folgende Reaktion 4, die über eine oxidative Decarboxylierung neben NADH ein zweites Molekül CO2 liefert, wird vom α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex katalysiert, der funktionell und strukturell dem Pyruvatdehydrogenase-Komplex ähnelt. Experimente mit isotopenmarkierten Substraten zeigen, dass das dabei freigesetzte CO2 nicht dem Kohlenstoff der Carbonylgruppe des Acetyl-CoAs zuordenbar ist, sondern wie dasjenige aus Schritt 3b dem Oxalacetat entstammt.
Das nun entstehende Succinyl-CoA ist ein weiteres Schlüsselprodukt des Citratzyklus (cataplerotischer Stoffwechselpfad: Porphyrin-Biosynthese; anaplerotische Stoffwechselpfade: Abbau der Aminosäuren L-Valin, L-Isoleucin und L-Methionin, Oxidation ungeradzahliger Fettsäuren, siehe auch Fettsäureoxidation).
Die vermittels der Succinyl-CoA-Synthetasen katalysierte Hydrolyse 5 des energiereichen Thioesters Succinyl-CoA zum Succinat liefert das einzige Energieäquivalent des Citratzyklus in Form von GTP. Durch eine Nukleosiddiphosphat-Kinase kann dabei GTP in ATP überführt werden.
Succinat ist im Schritt 6 das Substrat der Succinat-Dehydrogenase, welche durch Oxidation ein drittes Reduktionsäquivalent in Form des FADH2 liefert sowie Fumarat, welches auch durch einen anaplerotischen Stoffwechselpfad über den Abbau der Aminosäuren L-Asparaginsäure, L-Phenylalanin und L-Tyrosin in den Citratzyklus eingespeist wird.