Citratzyklus light - Ulrich Helmich

Citratzyklus light
Eine zusammenfassende Darstellung für Grundkurse
von Ulrich Helmich
Was ist das Ziel des Zitratzyklus ?
Das Endprodukt der Glycolyse soll weiter oxidiert werden, um möglichst viele Reduktionsäquivalente zu gewinnen,
die dann in der Atmungskette in ATP umgewandelt werden.
Was sind eigentlich "Reduktionsäquivalente"?
In der Biochemie versteht man unter dem Begriff "Reduktion" dreierlei:
a) die Abgabe von Sauerstoff
b) die Aufnahme von Wasserstoff
c) die Aufnahme von Elektronen
Unter "Oxidation" versteht man dann entsprechend die Aufnahme von Sauerstoff,
die Abgabe von Wasserstoff oder die Abgabe von Elektronen.
In der Praxis kommen beide Reaktionen - Reduktion und Oxidation - immer nur
gemeinsam vor. Ist ja auch einleuchtend: Wenn bei einer Reduktion Wasserstoff
aufgenommen werden soll, so muss dieser Wasserstoff doch irgendwo herkommen.
Man spricht hier auch von einer Redoxreaktion (Reduktion-Oxidation). Eine Verbindung
X-H stellt den Wasserstoff zur Verfügung und wird zu X oxidiert, eine andere
Verbindung Y übernimmt ihn und wird dadurch zu Y-H reduziert.
Eine Redoxreaktion, bei der Wasserstoff
von einem Stoff X-H auf
einen Stoff Y übertragen wird.
Bei Reaktionen, die im Reagenzglas ablaufen, kann der Wasserstoff direkt von X-H auf Y übertragen werden. In
der lebenden Zelle wäre elementarer Wasserstoff jedoch ein tödliches Gas: man brächte sich nur eine Zigarette
anzustecken und würde komplett explodieren. Also wird der Wasserstoff im Zellplasma auf andere Weise transportiert:
mit Hilfe von Coenzymen. Da ein solches Coenzym quasi die "Fähigkeit zu reduzieren" überträgt,
spricht man hier auch von "Reduktionsäquivalenten". Es wird sozusagen so etwas Ähnliches ("äquivalent" heißt
"gleichwertig") wie Wasserstoff übertragen, aber auf keinen Fall Wasserstoff selbst
Coenzym NAD +
Coenzyme transportieren immer irgendetwas. Drei wichtige Klassen von Coenzymen sind bei Stoffwechselprozessen
wichtig:
a) Coenzyme, die Energie in Form von Phosphatgruppen übertragen, z.B. ADP/ATP, GDP/GTP.
b) Coenzyme, die Reduktionsäquivalente in Form von Wasserstoff übertragen, z.B. NAD/NADH, FAD/FADH2.
c) Coenzyme, die Kohlenstoffatome z.B. in Form von Acetylgruppen übertragen: Coenzym A
Zur Übertragung von Wasserstoff bzw. Reduktionsäquivalenten wird in tierischen Zellen das Coenzym NAD
verwendet. Ein NAD + -Ion kann zwei Protonen und gleichzeitig zwei Elektronen aufnehmen: Das eine Proton
und die beiden Elektronen werden direkt vom NAD-Ion aufgenommen, das zweite Proton wird "mitgeschleppt".
Soll eine Verbindung reduziert werden, so kann dafür NADH/H + eingesetzt werden; es entsteht wieder NAD + :

Nochmal: Das Ziel des Citratzyklus
Der Citratzyklus dient nun dazu, möglichst viel NADH/H+ herzustellen. Warum wird das gemacht? Weil das
NADH/H+ anschließend in der Atmungskette mit dem Luftsauerstoff reagiert, denn wir durch Atmen aufgenommen
haben. Dabei entsteht Wasser, welches wir beim Ausatmen an die Umwelt abgeben. Diese Endoxidation ist
extrem exotherm, es wird sehr viel Energie dabei frei, die dann zur Synthese von ATP verwendet werden kann:
Das Grundprinzip des Citratzyklus
In einem vorgeschalteten Schritt reagiert das Pyruvat aus der Glycolyse mit dem Coenzym A. Das Pyruvat gibt
eine COOH-Gruppe in Form von CO2 ab, und die beiden restlichen C-Gruppen werden an das Coenzym A angelagert,
es entsteht das sogenannte Acetyl-Coenzym A. Da diese Reaktion gleichzeitig eine Oxidation ist, kann der
freigesetzte Wasserstoff auf NAD übertragen werden. Bereits bei dieser Vor-Reaktion entsteht also ein NADH/
H + pro Pyruvat-Molekül, also zwei pro Glucose-Molekül.
Das Acetyl-Coenzym A überträgt den Acetyl-Rest dann auf eine Verbindung
namens Oxalacetat, welche aus 4 C-Gruppen besteht. Es ensteht dabei
das Citrat (6 C-Gruppen). Nach dieser organischen Verbindung hat der
ganze Zyklus seinen Namen: Citratzyklus oder Zitronensäurezyklus.
Und jetzt passiert etwas Eigenartiges. Das Citrat wird in mehreren Schritten
abgebaut,
bis am Ende
wieder Oxalacetatvorliegt.
Dabei
wird zweimalKohlendioxidabgegeben,welches
aber nur
als Abfallprodukt anzusehen ist (obwohl da die grünen
Pflanzen anderer Meinung sind, sie leben
schließlich vom Kohlendioxid).
Viel wichtiger aber: während dieser vielen Abbauschritte
wird fleißig NADH/H + gewonnen. Die
meisten Abbauschritte sind nämlich Oxidationsreaktionen,
die Wasserstoff freisetzen, der dann vom
NAD + aufgenommen wird.
Der Vollständigkeit wegen findet sich auf dieser
Seite noch eine Abbildung des "echten" Citratzyklus.
Für den Unterricht im GK ist aber viel wichtiger,
dass man das Grundprinzip und das Ziel des
Citratzyklus verstanden hat.