Tricarbonsäure-Zyklus, Citrat-Zyklus, Citronensäure-Zyklus, Krebs-Zyklus, E tricarboxylic acid cycle, die wichtigste zyklische Reaktionsfolge für den oxidativen Endabbau der Proteine, Fette und Kohlenhydrate zu CO2 und H2O (Abb. 1). Der T. wurde 1937 etwa gleichzeitig von Krebs und von Martius und Knoop entdeckt. Das gesamte Enzymsystem des T. und der Atmungskette wurde von Green als Multienzymkomplex aufgefasst und als Cyclophorase bezeichnet.

Funktion: Im T. entsteht CO2 durch oxidative Decarboxylierung von Oxosäuren (Oxalsuccinat, in Abb. 1 nicht gezeigt, als Intermediat zwischen Isocitrat und α-Ketoglutarat; Isocitrat-Dehydrogenase). In Verbindung mit der Atmungskette erfolgt der Energieumsatz zur Synthese des energiereichen Adenosintriphosphats. Neben dem Energiegewinn spielt der T. eine wichtige Rolle bei der Synthese von neuem zelleigenem Material. Verschiedene wichtige Substanzgruppen stammen von Zwischenprodukten des T. ab und verschiedene Stoffwechselzyklen sind mit dem T. verknüpft (Abb. 2). Bei Eukaryoten läuft der T. in den Mitochondrien ab, wo er strukturell und funktionell in die Atmungskette und den Fettsäureabbau einbezogen wird. Bei Prokaryoten sind die Enzyme des T. im Zellcytoplasma lokalisiert.

Die biologische Bedeutung des T. liegt in der Oxidation und Zerlegung der Acetylgruppe von Acetyl-Coenzym A (z. B. aus der Glycolyse; Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex) in zwei Moleküle CO2. Dabei entstehen viermal zwei Wasserstoffatome, die auf NAD+ oder FAD übertragen werden. Die Regeneration dieser Coenzyme erfolgt über die Atmungskette, wobei die Wasserstoffatome zu Wasser oxidiert werden. Die Oxidationen im T. erfolgen durch mehrmalige Wasseranlagerung und anschließende Dehydrierung; Sauerstoff spielt direkt keine Rolle:

CH3CO-SCoA + 3 H2O → 2 CO2 + 8 [H] + HSCoA. Die Bilanz des Tricarbonsäure-Zyklus (ohne Atmungskette) ist demnach:

Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O → 2 CO2 + HSCoA + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP

Inizialreaktion des T. ist die Kondensation des Acetyl-Coenzyms A mit Oxalacetat, die durch die Citrat-Synthase katalysiert wird. Unter Wasseraufnahme entstehen Citrat und freies Coenzym A. Aus dem Citrat wird über sieben weitere, teilweise komplexe Reaktionsschritte (Abb. 1) das Oxalacetat regeneriert. Die Reaktionen 3 und 4 sind mit Decarboxylierungen verbunden (α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex).

Energiebilanz des T.: Bei der Oxidation von Acetyl-CoA im T. werden insgesamt 901,7kJ (215,2kcal) chemische Energie frei, davon 800,29kJ (191kcal) über die Atmungskette. Ein Teil dieser Energie wird zur Synthese von 12 Molekülen ATP verwertet, was einer Energieausbeute von etwa 40 % der gesamten freien Energie entspricht: in den Reaktionen 3, 4 und 8 ergeben sich durch NADH-Oxidation in der Atmungskette 3-mal drei Moleküle ATP; in der Reaktion 6 ergeben sich durch FADH2-Oxidation in der Atmungskette zwei Moleküle ATP; und das in der Reaktion 5 (Substratkettenphosphorylierung) gebildete GTP ist energetisch äquivalent mit ATP. Bilanz des T. (einschließlich Atmungskette):

CH3CO-SCoA + GDP + 11 ADP + 12 Pi + 2 O2→ 2 CO2 + 13 H2O + GTP + 11 ATP + HSCoA.

Der T. steht über Oxalacetat mit der Gluconeogenese in Verbindung. Er ist ferner Ausgangspunkt für die Synthesen mehrerer Aminosäuren, besonders von Asparaginsäure und Glutaminsäure, und er liefert mit Succinyl-Coenzym A eine Ausgangsverbindung für die Synthese der Porphyrine, z. B. von Hämoglobin, Chlorophyll und Cobalamin (Abb. 2).

Nebenwege des T. unter Einbeziehung weiterer Zwischenprodukte sind der 4-Aminobuttersäureweg (4-Aminobuttersäure), der Glyoxylat-Zyklus bei Pflanzen und der Succinat-Glycin-Zyklus. Die Carboxylierung von Pyruvat (Pyruvat-Carboxylase) ist ein Schritt in der Gluconeogenese aus Pyruvat. Sie ist aber ebenso eine anaplerotische Reaktion (Anaplerose) des T., d. h. sie hält die Oxalacetat-Konzentration aufrecht, die sich durch Entnahme von Zwischenprodukten des T. für Biosynthesen sonst erschöpfen würde.

Regulation: Die Konzentrationsverhältnisse ADP / ATP (Energieladung) und NAD+ / NADH + H+ (Reduktionsäquivalente) wirken als Effektoren des T., wobei besonders die Regulation der Isocitrat-Dehydrogenase, eines allosterischen Proteins, von Bedeutung ist. Weitere Regulationsmechanismen zeigt die Tabelle. Da der T. nur in Verbindung mit der Atmungskette abläuft, wird seine Intensität auch vom Sauerstoffangebot reguliert. Unter anaeroben Bedingungen kommt es bei Bildung der reduzierten Coenzyme NADH und FADH2 zum Stillstand des T.


Tricarbonsäure-Zyklus: Abb. 1. Reaktionsfolge. Tricarbonsäure-Zyklus

Tricarbonsäure-Zyklus: Abb. 2. Die biosynthetische Funktion des Tricarbonsäure-Zyklus. Tricarbonsäure-Zyklus

Tricarbonsäure-Zyklus: Tab. Regulationsmöglichkeiten des Tricarbonsäure-Zyklus.

Name des Enzyms

Reaktionsbedingungen

Bemerkungen

Lokalisation

Bedarf an

Freisetzung von

Aktivierung durch

Hemmung durch

Citrat-Synthase

Mitochondrien

Acetyl-CoA,

Oxalacetat

Citrat,

HSCoA

langkettige Acyl-CoA

Kontrollstelle für Acetyl-CoA-Verbrauch

NAD-abhängige Isocitrat-Dehydrogenase

Mitochondrien

NAD+

NADH,

CO2

ADP

ATP,

NADH

niedriger Umsatz des T.

NADP-abhängige Isocitrat-Dehydrogenase

Cytoplasma und Mitochondrien

NADP+

NADPH,

CO2

Oxalacetat?

hoher Umsatz des T.; als extramitochondriales Enzym Bedeutung für NADPH-Bildung

Glutamat-Dehydrogenase

Mitochondrien

NADPH oder NADH,

NH3

NADP+ oder NAD+

ADP

GDP + NADH

Pyruvat-Carboxylase

Cytoplasma

ATP,

CO2

ADP

Acetyl-CoA

Kontrolle des Kohlenhydratstoffwechsels

Acetyl-CoA-

Carboxylase

Cytoplasma

ATP,

CO2

ADP

Citrat

langkettige Acyl-CoA

Kontrolle der Lipogenese

Citrat-Lyase

Cytoplasma

Citrat

Acetyl-CoA,

Oxalacetat

Bedeutung für extramitochondriale Acetyl-CoA-Synthese