Citratzyklus
Der Citratzyklus kann als Endstrecke des Nährstoffabbaus verstanden werden. Alle Hauptenergielieferanten unseres Körpers – Eiweiße, Kohlenhydrate und Fette sowie auch Alkohol – werden abgebaut und münden in Form von Acetyl-CoA in den Citratzyklus und können dadurch vollständig zu CO2, Wasserstoff (wird an FAD und NAD gebunden) und Co-Enzym A abgebaut werden. Wichtig ist noch zu erwähnen, dass einige Amino- und Fettsäuren zu Zwischenprodukten wie Succinyl-CoA oder Fumarat abgebaut werden können und somit in den Citratzyklus einfließen.
Wie der Name schon sagt, handelt es sich beim Citratzyklus um einen Kreislauf, in dem Acetyl-CoA vollständig abgebaut wird. Das Ziel des Citratzyklus ist der Abbau von Acetyl-CoA zu CO2 durch Decarboxylierung und zu Wasserstoff durch Oxidation. Die Enzyme, die Wasserstoff abspalten, heißen Dehydrogenasen und binden den freiwerdenden Wasserstoff sofort an NAD+ und FAD. Dadurch wird die Energie kurzfristig zwischengespeichert und kann anschließend in der Atmungskette zur ATP-Regeneration genutzt werden.
- Im ersten Schritt des Citratzyklus wird Acetyl-CoA unter Wasserverbrauch an Oxalacetat gebunden und es entsteht das namensgebende Citrat. Bei diesem Prozess wird das Coenzym A abgespalten. Das Citrat trägt neben drei Carbonsäuregruppen an C1/C2/C3 auch noch eine Hydroxygruppe am zweiten C-Atom. Von dieser Hydroxygruppe soll durch eine Dehydrogenase ein Wasserstoff abgespalten werden. Diese Abspaltung kann jedoch nur stattfinden, wenn die Hydroxygruppe auf den Kohlenstoff an 1. oder 3. Stelle übertragen wird.
- Diese Übertragung findet durch eine Aconitase statt, die zuerst Wasser an zweiter Stelle abspaltet, um es anschließend wieder an der dritten Stelle zu fixieren. Dadurch entsteht aus dem schwer zu oxidierenden tertiären Alkohol Citrat der leicht zu oxidierende sekundäre Alkohol Isocitrat mit der Hydroxgruppe am 3. C-Atom. Diese Reaktion ist eine Isomerasereaktion.
- Das entstandene Isocitrat kann durch die oben beschriebene Isocitrat-Dehydrogenase oxidiert werden. Die beiden frei werdenden Wasserstoffe werden auf NAD+ übertragen und es entsteht NADH+H+. Die Isocitrat-Dehydrogenase spaltet von ihrem Substrat nicht nur zwei Wasserstoffe ab, sondern kann dieses auch decarboxylieren. Durch diese Decarboxylierung entsteht aus Oxalsuccinat α-Ketoglutarat.
- α-Ketoglutarat kann im nächsten Schritt wieder oxidiert werden. Diese Oxidation findet durch das sehr komplexe Enzym α-Ketoglutarat-Dehydrogenase statt. Dieses Enzym besteht aus verschiedenen Untereinheiten und ähnelt der Pyruvat-Dehydrogenase. Daher kann auch die α-Ketoglutarat-DH sowohl eine Decarboxylierung, als auch eine Oxidation durchführen. Das Produkt wird anschließend auch auf das Coenzym A übertragen. Dadurch entsteht der C4-Körper Succinyl-CoA sowie ein freiwerdendes CO2 und zwei Wasserstoffe, die auch an NAD gebunden werden.
- Das Succinyl-CoA enthält durch die Thioesterbindung eine energiereiche Verbindung. Durch das Einfügen von Wasser kann die Verbindung gespalten werden und es wird Energie frei. Diese Energie kann genutzt werden, um GTP zu regenerieren, das anschließend in ATP umgewandelt werden kann. Die Spaltung von Succinyl-CoA findet durch die Succinyl-CoA-Synthetase statt und es entsteht Succinat.
- Succinat kann durch die Succinat-Dehydrogenase oxidiert werden. Bei dieser Oxidation werden die Wasserstoffatome diesmal auf FAD statt auf NAD+ übertragen und es wird FADH2 gebildet. Es entsteht Fumarat.
- An Fumarat kann durch die Fumerase wieder Wasser gebunden werden. Dadurch entsteht Malat.
- Dieses kann durch die Malat-Dehydrogenase wieder oxidiert und NADH2 erneut regeneriert werden. Durch diese Oxidation erhalten wir wieder unser Anfangsprodukt das Oxalacetat. Der Kreislauf kann erneut stattfinden.
Citratzyklus
Während des Citratzyklus wird der C2-Körper Acetyl-CoA eingeschleust und das Coenzym A freigesetzt. Über die 8 Schritte wird der C2-Körper vollständig abgebaut und dabei GTP, NADH+H+ sowie FADH2 regeneriert.
Abiklinik
Reaktionsschritte | Substrat | Produkt | Enzym | Enzymgruppe |
1 | Oxalacetat, Acetyl-CoA, H2O | Citrat, Coenzym A | Citrat-Synthase | Transferase |
2 | Citrat, H20 | Isocitrat, H2O | Aconitase | Isomerase |
3 | Isocitrat, NAD+ | α-Ketoglutarat (über Oxalsuccinat), CO2, NADH | Isocitrat-Dehydrogenase | Oxidoreduktase |
4 | α-Ketoglutarat, Coenzym A, NAD+ | Succinat-CoA, NADH, CO2 | α-Ketoglutarat-Dehydrogenase | Oxidoreduktase |
5 | Succinat-CoA, GDP+P, H2O | Succinat, GTP, Coenzym A | Succinyl-CoA-Synthetase | Hydrolase |
6 | Succinat, FAD | Fumarat, FADH2 | Succinat-Dehydrogenase | Oxidoreduktase |
7 | Fumarat, H2O | Malat | Fumerase | Hydrolase |
8 | Malat, NAD+ | Oxalacetat, NADH | Malat-Dehydrogenase | Oxidoreduktase |
Der Stoffwechsel der Kohlenhydrate ist ein sehr beliebtes Abiturthema, das bereits öfters abgefragt wurde. Dabei war besonders häufig der Citratzyklus das zentrale Thema.
Meist ist eine Abbildung beigefügt, anhand welcher der Stoffwechsel der Kohlenhydrate beschrieben werden soll. Ist diese nicht angeführt, sollen die verschiedenen Schritte meist nur in Grundzügen erklärt werden. Daher ist es nicht nötig, dass du alle Schritte komplett auswendig lernst und im Detail kennst. Jedoch solltest du einen guten Überblick über den Abbau der Kohlenhydrate haben. Je mehr du weißt, desto einfacher fällt es dir, die Materialien zu verstehen und richtig einzuordnen.