Citratzyklus
Was der Citratzyklus ist und alles Wichtige zur Bedeutung, den Funktionen und dem Ablauf erfährst du hier und im Video dazu!
Inhaltsübersicht
Citratzyklus einfach erklärt
Der Citratzyklus ist ein zentraler Prozess in deinen Zellen. Er ist ein kreisförmigenr Stoffwechselweg, der für die Energieversorgung deiner Zellen unverzichtbar ist. Bei Eukaryoten (z. B. Menschen, Tieren, Pflanzen) läuft der Prozess in den Mitochondrien ab. Bei Prokaryoten hingegen läuft er im Cytoplasma ab, da sie keine keine Mitochondrien haben.
Der Citratzyklus ist ein Teilprozess der Zellatmung. Bevor der Zyklus starten kann, muss Glucose in der Glykolyse in zwei Teile gespalten werden, das Pyruvat. Die beiden Pyruvat-Moleküle werden dann in der oxidativen Decarboxylierung für den Citratzyklus vorbereitet.
Im Citratzyklus entstehen dann daraus die ersten energiereiche Stoffe: 3 NADH, 1 FADH2 und 1 GTP. Diese Stoffe in der anschließenden Atmungskette ihre Energie ab, sodass ATP gebildet werden. ATP ist nämlich der Haupt-Energielieferant im Körper.
Die gesamte Reaktionsbilanz des Citratzyklus lautet:
| Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O → 2 CO2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + CoA-SH |
Übrigens: NADH, FADH2 und GTP speichern die Energie, die deine Zellen brauchen, um alle lebenswichtigen Aufgaben zu erfüllen.
Funktionen und Bedeutung des Citratzyklus
Der Citratzyklus besitzt mehrere wichtige Funktionen:
Indirekte Energiegewinnung
Die wichtigste Aufgabe des Citratzyklus ist die Bereitstellung von Energievorstufen. Dabei entstehen Stoffe, die später in der Atmungskette in ATP (Adenosintriphosphat)
umgewandelt werden, also in die Energie, die deine Zellen für nahezu alle Aufgaben brauchen.
Direkte Energiegewinnung
Ein Teil der Energie, die im Citratzyklus entsteht, kann auch sofort genutzt werden. Dabei wird ein energiereiches Molekül (GTP — Guanosintriphosphat) gebildet, das ähnlich wie ATP funktioniert und der Zelle direkt zur Verfügung steht.
Bereitstellung von Baustoffen
Der Citratzyklus liefert außerdem Zwischenprodukte, die die Zelle weiterverarbeiten kann, zum Beispiel für den Bau von Aminosäuren
, Zellbestandteilen oder genetischem Material. Damit trägt er auch zum Aufbau neuer Moleküle
bei.
Knotenpunkt im Stoffwechsel
Der Citratzyklus ist mit vielen anderen Stoffwechselwegen verbunden. Stoffe aus anderen Prozessen können in den Zyklus einfließen oder aus ihm herausgenommen werden. So wird er zur zentralen Schaltstelle im Stoffwechsel deiner Zelle.
Einzelschritte des Citratzyklus
Der Citratzyklus besteht aus acht aufeinanderfolgenden Reaktionen, die in einer festen Reihenfolge ablaufen.
In den nächsten Abschnitten schauen wir uns diese Schritte einzeln an. Du erfährst dabei, was in jedem Reaktionsschritt passiert und wie genau er zur Energiegewinnung beiträgt.
Die einzelnen Moleküle im Citratzyklus kannst du dir ganz leicht mit diesem Merksatz einprägen: Citronen (= Citrat) im (= Isocitrat) Koma (= α-Ketoglutarat) sind (=Succinyl CoA) super (=Succinat) für (=Fumarat) meine (=Malat) Oma (=Oxalacetat).
Schritt 1: Acetyl-CoA → Citrat
Im ersten Schritt des Citratzyklus startet alles mit der Verbindung Acetyl-CoA. Dieses Molekül liefert zwei Kohlenstoffatome, die nun in den Kreislauf eingeschleust werden. Dafür reagiert es mit Oxalacetat, einem Molekül mit vier Kohlenstoffatomen. Das Ergebnis: ein neues Molekül mit sechs Kohlenstoffatomen — das Citrat.
Wichtig: Dieser Schritt wird durch das Enzym Citrat-Synthase ermöglicht. Es bringt die beiden Moleküle zusammen und sorgt dafür, dass die Reaktion überhaupt ablaufen kann.
Chemisch betrachtet entsteht dabei eine neue Bindung zwischen den Kohlenstoffatomen, das braucht Energie. Diese Energie kommt aus der Bindung im Acetyl-CoA, die beim Reagieren aufgelöst wird. Dadurch wird der Vorgang angetrieben, ohne dass zusätzlich ATP verbraucht werden muss.
Übrigens: Das Citrat, das dabei entsteht, ist namensgebend für den gesamten Zyklus. Es bildet die Grundlage für alle weiteren Schritte und damit für die Energiegewinnung in deiner Zelle.
Schritt 2: Citrat → Isocitrat
Damit der Citratzyklus weiterlaufen kann, muss das Molekül Citrat in eine Form gebracht werden, die für den nächsten Reaktionsschritt geeignet ist. Genau das passiert hier: Citrat wird in Isocitrat umgewandelt.
Der Umbau erfolgt in zwei Schritten: Zuerst wird aus Citrat ein Zwischenprodukt namens Aconitat, indem ein Wassermolekül abgespalten wird. Danach wird an einer anderen Stelle wieder Wasser angelagert und so entsteht Isocitrat.
Wichtig: Diese Reaktion wird vom Enzym Aconitase gesteuert. Es sorgt dafür, dass genau die richtige Stelle im Molekül verändert wird. Dabei wird kein ATP verbraucht und auch kein Energieträger wie NADH gebildet, das passiert erst im nächsten Schritt.
Schritt 3: Isocitrat → α-Ketoglutarat
Jetzt wird zum ersten Mal Energie in Form von NADH gewonnen und gleichzeitig CO2 freigesetzt. Damit beginnt die eigentliche Energieausbeute des Citratzyklus.
Das Molekül Isocitrat wird durch das Enzym Isocitrat-Dehydrogenase oxidiert. Dabei wird ein Wasserstoffatom samt Elektron auf NAD+ übertragen — es entsteht NADH, ein wichtiger Energieträger. Gleichzeitig wird das Isocitrat chemisch so verändert, dass es instabil wird. Die Folge: Es spaltet ein CO2-Molekül ab.
Das Produkt heißt α-Ketoglutarat. Die Reaktion ist ein klassisches Beispiel für eine oxidative Decarboxylierun g: Ein Molekül wird oxidiert (Elektronenabgabe) und gleichzeitig wird ein CO2 abgespalten.
Schritt 4: α-Ketoglutarat → Succinyl-CoA
Auch dieser Schritt liefert Energie — und zwar gleich doppelt: Es entsteht NADH für die Atmungskette und ein weiteres CO2-Molekül wird freigesetzt.
Das Molekül α-Ketoglutarat wird durch das Enzym α-Ketoglutarat-Dehydrogenase umgewandelt. Dabei handelt es sich erneut um eine oxidative Decarboxylierung: Ein Kohlenstoffatom wird als CO2 abgespalten, und gleichzeitig wird NAD+ zu NADH reduziert. Das heißt: Ein Elektron wird aufgenommen, das später zur ATP-Bildung genutzt werden kann. So entsteht das Produkt Succinyl-CoA.
Schritt 5: Succinyl-CoA → Succinat
Jetzt wird die im Molekül Succinyl-CoA gespeicherte Energie direkt genutzt und zwar für die Bildung eines energiereichen Stoffes, der fast identisch mit ATP ist: GTP.
Das Enzym Succinyl-CoA-Synthetase spaltet dabei die energiereiche Bindung zwischen Succinyl und Coenzym A. Durch diese Spaltung wird Energie freigesetzt — genug, um aus GDP und Phosphat ein Molekül GTP herzustellen. GTP kann im nächsten Schritt direkt in ATP umgewandelt werden. Damit ist dies der einzige Schritt im Citratzyklus, bei dem Energie sofort für die Zelle nutzbar wird.
Am Ende entsteht das Molekül Succinat, das in den nächsten Reaktionen weiterverarbeitet wird.
Wichtig: In diesem Schritt entsteht zwar kein NADH oder FADH2, aber durch die direkte Bildung von GTP trägt er dennoch zur Gesamtenergieproduktion der Zelle bei.
Schritt 6: Succinat → Fumarat
In diesem Schritt wird wieder Energie gewonnen, diesmal in Form von FADH2.
Das Molekül Succinat wird durch das Enzym Succinat-Dehydrogenase oxidiert. Dabei werden zwei Wasserstoffatome entfernt und auf FAD übertragen — so entsteht FADH2. Gleichzeitig entsteht aus Succinat das Molekül Fumarat.
Mit der Bildung von Fumarat ist die Umwandlung abgeschlossen und der Zyklus nähert sich seinem Ende.
Schritt 7: Fumarat → Malat
Damit die Energiegewinnung im letzten Schritt vorbereitet werden kann, muss das Molekül Fumarat umgebaut werden und zwar durch die Anlagerung von Wasser (H2O).
Das Enzym Fumarat-Hydratase (auch Fumarase genannt) katalysiert diesen Vorgang: Es fügt an die Doppelbindung im Fumarat ein Wassermolekül an. Dadurch entsteht Malat. Diese Umwandlung ist wichtig, weil nur Malat in der Lage ist, im letzten Schritt des Zyklus ein weiteres NADH-Molekül zu liefern.
Schritt 8: Malat → Oxalacetat
Im letzten Schritt des Citratzyklus wird das Molekül Malat oxidiert — also unter Elektronenabgabe umgewandelt. Das Enzym Malat-Dehydrogenase übernimmt hier die Reaktion. Es überträgt Elektronen von Malat auf NAD+, wodurch NADH entsteht. Dabei entsteht Oxalacetat, das Ausgangsmolekül des Zyklus. Damit ist der Kreislauf wieder am Anfang angekommen, bereit für eine neue Runde.
Diese Reaktion läuft unter Standardbedingungen nicht besonders leicht ab — das chemische Gleichgewicht liegt eigentlich auf Seiten des Malats. Doch weil das entstandene Oxalacetat im nächsten Schritt sofort mit Acetyl-CoA weiterreagiert, wird es schnell verbraucht. So bleibt die Reaktion in Gang.
Energiebilanz des Citratzyklus
In den acht Reaktionen des Citratzyklus werden schrittweise energiereiche Moleküle erzeugt.
- Input: Acetat (in Form von Acetyl-CoA), Wasser, die oxidierten Elektronencarrier (NAD+ und FAD) und der Phosphatakzeptor GDP
- Output: Kohlenstoffdioxid (CO2), die reduzierten Elektronencarrier oder Reduktionsäquivalente NADH und FADH2 und GTP
Die Bilanz des Citratzyklus sieht in Form einer Reaktionsgleichung folgendermaßen aus:
Acetyl-CoA + 3 NAD++ FAD + GDP + Pi + 2 H2O 
2 CO2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2+ GTP + CoA-SH
Wie viel Energie bringt das?
Die beim Citratzyklus entstehenden NADH und FADH2 gehen in die Atmungskette ein. Dort liefern sie die Energie für die ATP-Synthese:
- 1 NADH → ca. 2,5 ATP
- 1 FADH2 → ca. 1,5 ATP
- 1 GTP → 1 ATP
Das ergibt pro Durchlauf des Zyklus ca. 10 ATP.
Da die Glykolyse, die vor dem Citratzyklus stattfindet, zwei Pyruvatmoleküle liefert, beginnt der Citratzyklus auch zweimal — einmal pro Pyruvat. Das heißt: Pro Glucose läuft der Zyklus zweimal ab, weshalb für ein Glucosemolekül ca. 20 ATP hergestellt werden können.
Übrigens: Früher gingen die Wissenschaftler von 12 ATP aus — das war eine Überschätzung. Heute ist bekannt, dass etwa 10 ATP pro Zyklus realistisch sind, da FADH2 etwas weniger zur ATP-Produktion beiträgt als NADH.
Citratzyklus — häufigste Fragen
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Was ist der Citratzyklus? Der Citratzyklus ist ein zentraler, zyklischer Stoffwechselprozess in der mitochondrialen Matrix. Er oxidiert Acetyl-CoA zu CO2 und gewinnt dabei Energie für die Zelle. Dabei ist er eng mit anderen Stoffwechselwegen verbunden. -
Wie wird der Citratzyklus definiert? Der Citratzyklus, Zitronensäurezyklus oder Krebs-Zyklus ist ein zyklischer, amphiboler, enzymkatalysierter Stoffwechselweg. Seine Aufgaben sind die Energiegewinnung sowie die Bereitstellung von Zwischenprodukten für die Synthese von wichtigen Biomolekülen, wie Aminosäuren. Der Prozess findet sowohl in Eukaryoten als auch in Prokaryoten statt. -
Wo findet der Citratzyklus statt? Der Citratzyklus findet bei Eukaryoten in der Matrix der Mitochondrien und bei Prokaryoten im Zytoplasma statt. Beide Organellentypen sind für die Zellatmung verantwortlich. -
Was ist ein Merksatz für den Citratzyklus? Citronen (= Citrat) im (= Isocitrat) Koma (= α-Ketoglutarat) sind (=Succinyl CoA) super (=Succinat) für (=Fumarat) meine (=Malat) Oma (=Oxalacetat). -
Wie lautet die Bilanz des Citrazyklus? Der Citrazyklus produziert energiereiche Moleküle. In der Bilanz entstehen 3 NADH und 1 FADH2, die zur Energiegewinnung in der Zelle beitragen. CoA-SH und GTP werden ebenfalls gebildet.
Zellatmung
Wie du bereits erfahren hast, ist der Citratzyklus Teil der Zellatmung und findet nach der Glykolyse und vor der Atmungskette statt.
Schau dir als nächstes unser Video zur Zellatmung an und finde heraus, wie die anderen Schritte der Zellatmung ablaufen und wie viel Energie der Körper aus einem Molekül Glucose gewinnen kann!
