Citratzyklus

Einleitung

Mitochondrienlokalisierung: Der Citratzyklus findet in der Mitochondrienmatrix statt, wo er eine zentrale Rolle im aeroben Stoffwechsel spielt
Eingangsverbindung: Acetyl-CoA, das aus der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat stammt, ist die Hauptverbindung, die in den Citratzyklus eintritt
Acetyl-CoA-Verknüpfung: Acetyl-CoA wird mit Oxalacetat verknüpft, um Citrat zu bilden. Dies ist der Startpunkt des Zyklus
Redoxreaktionen: Im Citratzyklus finden mehrere Redoxreaktionen statt, bei denen Elektronen von den Zwischenprodukten auf Elektronenträger wie NAD+ und FAD übertragen werden, um NADH + H+ und FADH2 zu bilden, deren aufgenommene Elektronen in der Atmungskette abgeben werden
ATP-Produktion: Sowohl direkt als auch indirekt trägt der Citratzyklus zur ATP- bzw. GTP-Produktion bei
Regulation: Der Citratzyklus wird durch Rückkopplungsmechanismen und die Verfügbarkeit von Substraten und Produkten reguliert. Hohe Konzentrationen von NADH, ATP und Citrat können die Enzymaktivitäten hemmen. Hohe Konzentrationen von Acetyl-CoA, NAD+, ADP und Ca2+ erhöhen die Enzymaktivitäten
Vorläufermoleküle: Der Citratzyklus ist eine wichtige Quelle von Vorläufermolekülen für den Aufbau von Aminosäuren, Fetten und anderen Biomolekülen
Kohlenstoffkreislauf: Der Citratzyklus ist auch in den Prozess der Gluconeogenese involviert, bei dem Glucose aus nicht-kohlenhydratischen Vorläufermolekülen synthetisiert wird
Anaplerotische Reaktionen im Citratzyklus
- Funktion: Auffüllung von Zwischenprodukten, wenn sie für andere Stoffwechselwege entzogen wurden
- Beispiele:
  - Glutamat → α-Ketoglutarat (Glutamat-Dehydrogenase)
  - Pyruvat → Oxalacetat (Pyruvat-Carboxylase)

Ablauf

1. Citrat-Synthase-Reaktion

Reaktion: Acetyl-CoA + Oxalacetat → Citrat (irreversibel)
Enzym: Citrat-Synthase

2. Aconitase-Reaktion

Reaktion: Citrat ⇌ Isocitrat (Isomerisierung)
Enzym: Aconitase

3. Isocitrat-Dehydrogenase-Reaktion

Reaktion: Isocitrat → α-Ketoglutarat + CO₂ + NADH + H⁺ (oxidative Decarboxylierung)
Enzym: Isocitrat-Dehydrogenase
Energiebilanz: 1 NADH + H⁺ → 2,5 ATP

4. α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Reaktion

Reaktion: α-Ketoglutarat → Succinyl-CoA + CO₂ + NADH + H⁺
Enzym: Multienzymkomplex mit 5 Coenzymen (ähnlich Pyruvat-Dehydrogenase)
Energiebilanz: 1 NADH + H⁺ → 2,5 ATP

5. Succinyl-CoA-Synthetase-Reaktion

Reaktion: Succinyl-CoA → Succinat + GTP (Substratkettenphosphorylierung)
Enzym: Succinyl-CoA-Synthetase
Energiebilanz: 1 GTP → 1 ATP

6. Succinat-Dehydrogenase-Reaktion

Reaktion: Succinat → Fumarat + FADH₂
Enzym: Succinat-Dehydrogenase (Teil der Atmungskette)
Energiebilanz: 1 FADH2 → 1,5 ATP

7. Fumarat-Hydratase-Reaktion

Reaktion: Fumarat → Malat (Hydratisierung)
Enzym: Fumarase

8. Malat-Dehydrogenase-Reaktion

Reaktion: Malat → Oxalacetat + NADH + H⁺
Enzym: Malat-Dehydrogenase
Energiebilanz: 1 NADH + H⁺ → 2,5 ATP

Merke
„Citronen im Koma sind super für meine Oma.“
Citronen → Citrat
im → Isocitrat
Koma → α-Ketoglutarat
sind → Succinyl-CoA
super → Succinat
für → Fumarat
meine → Malat
Oma → Oxalacetat

Reaktionen des Citratzyklus:

Regulation

Substrataktivierung:
- Aktivierung durch hohe Konzentrationen von Oxalacetat, Acetyl-CoA, Succinat
Produkthemmung:
- Hemmung durch Ansammlung von Citrat, Succinyl-CoA, NADH + H⁺
Energiestatus der Zelle:
- Gute Energieversorgung: Hemmung durch ATP, hohes NADH/NAD⁺-Verhältnis
- Energiebedarf: Aktivierung durch ADP, Ca²⁺, niedriges NADH/NAD⁺-Verhältnis

Stoffwechselverbindungen

Amphiboler Stoffwechselweg:
- Katabol: Oxidativer Abbau von Kohlenhydraten, Fettsäuren, Aminosäuren
- Anabol: Bereitstellung von Vorstufen für Biosynthesen
Funktion: Drehscheibe des Stoffwechsels

Aminosäurestoffwechsel

Katabol: Kohlenstoffgerüste aus Aminosäuren werden über folgende Metabolite in den Citratzyklus eingeschleust:
- Pyruvat → Acetyl-CoA: Serin, Glycin, Alanin, Cystein, Threonin, Tryptophan, Leucin, Isoleucin, Tyrosin
- α-Ketoglutarat: Glutamat (gebildet aus Histidin, Glutamin, Prolin, Arginin)
- Succinyl-CoA: Valin, Isoleucin, Threonin, Methionin
- Fumarat: Phenylalanin, Tyrosin
- Oxalacetat: Aspartat, Asparagin
Anabol: Synthese nicht-essenzieller Aminosäuren:
- Oxalacetat → Aspartat → Fumarat (über den Harnstoffzyklus)
- α-Ketoglutarat → Glutamat → Glutamin, Prolin, Arginin, Histidin

Kohlenhydratstoffwechsel

Katabol: Oxidation der Acetylgruppe (Acetyl-CoA) zu CO2 → Energiegewinnung
Anabol (Gluconeogenese):
- Pyruvat → Oxalacetat (Pyruvatcarboxylase) → Phosphoenolpyruvat (PEP- Carboxykinase) → Glucose
- Malat → Pyruvat (Malatenzym)

Fettsäurestoffwechsel

β-Oxidation: Abbau von Fettsäuren zu Acetyl-CoA → Eintritt in den Citratzyklus
Abbau ungeradzahliger Fettsäuren: Propionyl-CoA → Succinyl-CoA
Fettsäurebiosynthese:
- Acetyl-CoA → Citrat (Transport ins Zytosol) → Acetyl-CoA (Citratlyase)

Vorstufen für Biosynthesen

Nucleotidsynthese:
- Purine: Glutamin
- Pyrimidine: Aspartat
Neurotransmitter: Glutamat → GABA
Cholesterinsynthese: Acetyl-CoA aus Citrat
Hämbiosynthese: Succinyl-CoA + Glycin → δ-Aminolävulinsäure → Porphyrinring (Häm)

Citratzyklus

Einleitung

Ablauf

Reaktionen des Citratzyklus:

Regulation

Stoffwechselverbindungen

Aminosäurestoffwechsel

Kohlenhydratstoffwechsel

Fettsäurestoffwechsel

Vorstufen für Biosynthesen

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