Citratzyklus

Medizinische Expertise: Dr. med. Nonnenmacher
Qualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer nat. Frank Meyer

Letzte Aktualisierung am: 12. März 2024

Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.

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Der Citratzyklus ist ein Kreislauf aus biochemischen Reaktionen, der dem Abbau von organischen Stoffen dient. Der Vorgang ist in den Gesamtstoffwechsel eingebettet und übernimmt darin etwa die Hälfte der Energiegewinnung. Ist der Citratzyklus gestört, so liegt unter Umständen eine Mitochondriopathie vor.

Was ist der Citratzyklus?

Bei Lebewesen, deren Zellen einen Zellkern besitzen, findet der Citratzyklus in der Mitochondrienmatrix der Zellen statt.

Der Citratzyklus ist ein metabolischer Abbauweg und spielt als solcher eine wichtige Rolle beim Zellstoffwechsel. Er wird auch Zitronensäurezyklus genannt und entspricht einem Kreislauf der biochemischen Reaktionen. Mittelpunkt des Citratzyklus ist die Oxidation, bei der Stoffe über die Abgabe von Elektronen abgebaut werden.

Im Citratzyklus werden auf diese Weise organische Stoffe abgebaut, um der Biosynthese Zwischenprodukte bereitstellen zu können. Bei Lebewesen, deren Zellen einen Zellkern besitzen, findet der Citratzyklus in der Mitochondrienmatrix der Zellen statt. Bei allen anderen Lebewesen ist er im Zytoplasma lokalisiert.

Wenn der Citratzyklus in umgekehrter Reihenfolge stattfindet, so ist vom reduktiven Citratzyklus die Rede. Ein solcher reduktiver Citratzyklus liegt zum Beispiel bei der Assimilation von Kohlenstoff im Körper verschiedener Bakterien vor.

Seinen Namen hat der Citratzyklus dem Citrat zu verdanken, das als Anion der Citronensäure bekannt ist. Hans A. Krebs hat den Citratzyklus als erster beschrieben, sodass der Zyklus auch Krebs-Zyklus genannt wird.

Funktion & Aufgabe

Beim Abbau von Zuckern, Fetten und Aminosäuren entsteht als Zwischenprodukt Acetyl-CoA. Dieses Acetyl-CoA wird im Citratzyklus zu CO2 und H2O abgebaut. Der erste Schritt ist eine Kondensierung. So wird ein C-2-Molekül aus Acetyl-CoA gemeinsam mit einem C-4-Molekül zu Citrat, also zu einem C-6-Molekül kondensiert. Dieses C-6-Citrat wird jetzt abgebaut. Der Abbau findet unter einer zweimaligen CO2-Abspaltung statt und lässt die C-4-Verbindung Succinat entstehen. Es folgt eine Oxidation über zwei Stufen. Die C-4-Verbindung wird so zu Oxalacetat und ein neuer Umlauf kann beginnen.

Nach jedem Umlauf gibt es einen Acetyl-Rest, also ein C-2-Molekül mehr. Zwei CO2-Moleküle verlassen je den Zyklus. Ein C-4-Molekül wird dabei je unter der Bildung von einem C-6-Molekül verbraucht. Erst wenn der Umlauf vollständig erfolgt ist, kann es wieder zurückgebildet werden. Wird der Zyklus einmal vollständig durchlaufen, so findet damit eine Oxidation von Acetat zu Wasser und Kohlendioxid statt. Die einzelnen Schritte der Reaktionen finden durch Hydratisierung, Dehydratisierung, Dehydrierung und Decarboxylierung statt.

Im Anbetracht aller Abzweigungen des Citratzyklus lässt sich von einer Vernetzung des Zyklus mit dem gesamten Stoffwechsel sprechen. Damit dient der Zyklus auch der Vorbereitung anaboler Stoffwechselwege. Energie liefern lediglich die vier Dehydrierungen von alpha-Ketoglutarat, Isocitrat, Malat und Succinat. Diese Bereitstellung von Energie liegt an der Oxidation, die das HCO2 im Rahmen der Atmungskette erfährt. In der Atmungskette wird diese Energie im Rahmen von oxidativer Phosphorylierung benötigt, um aus Adenosindiphosphat ATP herzustellen.

Die Oxidation im Citratzyklus ist also eng an den Erhalt von Energie in der Atmungskette gekoppelt. Rund die Hälfte aller Reaktionen zur Energiegewinnung erfolgen im Stoffwechsel daher durch den Citratzyklus.

Krankheiten & Beschwerden

Mitochondrienpathien können entweder vererbt oder durch Umwelteinflüsse erworben sein. Oft besteht zwischen den beiden Formen ein Zusammenhang. So bleibt die vererbte Form zum Beispiel häufig solange ohne Symptome, bis Umwelteinflüsse den Ausbruch initiieren.

Die unzureichende Energieversorgung der Zellen wird heute als mögliche Ursache für verschiedene neurodegenerative Erkrankungen in Betracht gezogen. Auch Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen werden mittlerweile mit einem gestörten Zellstoffwechsel im Sinne einer Mitochondienpathie in Verbindung gebracht.

Je nachdem, welche Vorgänge in den Mitochondrien gestört sind, ist von verschiedenen Mitochondrienpathien die Rede. Wenn zum Beispiel der Pyruvat-Abbau gestört ist, kann die Verbrennung von Glukose nicht mehr ausreichend stattfinden und das Endprodukt der Glukose-Verbrennung, also die Glykolyse kann nicht in den Citratzyklus einwandern. Am häufigsten geht dieser Erscheinung eine Mutation im X-chromosomal semidominanten Erbgang voraus.

Es können aber auch Mitochondrienpathien mit anderen Auswirkungen auf den Citratzyklus vorliegen. Acetyl-CoA wird in dem Zyklus aus Glykolyse weiterverarbeitet. Es handelt sich dabei um den vorletzten Schritt der Kohlenhydratverbrennung, der vor der Atmungskette stattfindet. Wenn dieser Ablauf gestört ist, kann zum Beispiel ein Mangel an Ketoglutarat-Dehydrogenase dafür verantwortlich sein, also ein Enzymmangel. Auch ein Mangel an Fumarase kann als Ursache in Frage kommen.

Mitochondrienpathien äußern sich in einer Milchsäureüberladung, die wiederum an einem Pyruvat-Stau vor dem Citratzyklus liegt. Als Symptome stellen sich in der Regel muskuläre und neurologische Beschwerden ein. Mitochondrienpathien unterscheiden sich mit der Anzahl mutierter Mitochondrien, schreiten in der Regel aber rasch fort. Als therapeutische Maßnahmen stehen aktuell keine ursächlichen Behandlungswege, sondern lediglich symptomatische Behandlungen zur Verfügung.

Quellen

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