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Der Citratzyklus ist primär als die letzte Stufe des Kohlenhydratstoffwechsels bekannt, ist aber auch der Endweg im Fettsäurekatabolismus und vieler Aminosäuren. Es ist ein oxidativer metabolischer Weg, der Kohlenstoffatome in CO2 umwandelt und die ATP-Synthese antreibt. Der Citratzyklus findet im Cytosol von Prokaryoten und in den Mitochondrien von Eukaryoten statt. Bei Prokaryoten und Eukaryoten findet der Zyklus in acht Schritten statt. Der Zyklus beginnt immer mit Kohlenstoffatomen in Form von Acetylgruppen. Im Falle des Kohlenhydratstoffwechsels tritt Pyruvat über die Nutzung von Pyruvatdehydrogenase zum Transfer von Coenzym A auf eine Acetylgruppe in den Citratzyklus ein, was zu Acetyl-CoA führt. Die Netto-Gleichung des Citratzyklus lautet: Acetyl-CoA + GDP + Pi + 3NAD+ + Q → 2CO2 + CoA + GTP + 3NADH + QH2.
Die erste Reaktion des Citratzyklus besteht darin, dass Acetyl-CoA über Citratsynthase mit Oxalacetat kondensiert, um Citrat zu produzieren. Dieser besondere Schritt ist exergonisch und ist eines der wenigen Enzyme, die in der Lage sind, eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung ohne einen Metallion-Kofaktor zu synthetisieren.
Die zweite Reaktion im Citratzyklus ist eine reversible Isomerisierungsreaktion. Citrat wird über ein Zwischenmolekül namens Aconitat und das Enzym Aconitase zu Isocitrat katalysiert.
Die dritte Reaktion beinhaltet Isocitrat, das über Isocitratdehydrogenase eine oxidative Decarboxylierung durchläuft und Alpha-Ketoglutarat bildet. Diese Reaktion reduziert NAD+ auch zu NADH und setzt ein CO2 frei.
Der vierte Schritt im Citratzyklus ist eine weitere oxidative Decarboxylierungsreaktion, setzt ein weiteres CO2-Molekül frei und reduziert ein weiteres NAD+ zu NADH. In dieser Reaktion bildet Alpha-Ketoglutarat über Alpha-Ketoglutaratdehydrogenase Succinyl-CoA.
Der fünfte Schritt des Citratzyklus nutzt Succinyl-CoA-Synthetase, um Succinyl-CoA in Succinat zu spalten. Während dieser Reaktion ersetzt eine Phosphatgruppe CoA an Succinyl-CoA, um ein Succinylphosphat zu produzieren. Succinylphosphat spendet dann die Phosphatgruppe an ein His-Residuum, was das Produkt Succinat erzeugt. Die Phosphatgruppe wird vom His-Residuum auf ein GDP-Molekül übertragen, wodurch auch ein GTP-Molekül freigesetzt wird.
Die letzten drei Reaktionen werden Succinat zum Ausgangssubstrat Oxalacetat umwandeln.
Die sechste Reaktion ist eine reversible Dehydrogenierungsreaktion, die Succinat über Succinatdehydrogenase zu Fumarat umwandelt. Diese Reaktion wandelt auch FAD in FADH2 um.
Die siebte Reaktion nutzt Fumaratase, um eine reversible Hydratation von Fumarat zu Malat zu katalysieren. Diese Reaktion nutzt auch ein Wassermolekül.
Der letzte Schritt des Citratzyklus regeneriert ein Oxalacetat über Malatedehydrogenase aus Malat. Diese letzte Reaktion bringt den Zyklus in seinen ursprünglichen Zustand zurück und setzt ein weiteres NADH von NAD+ frei.
Das Verständnis der einzigartigen Eigenschaften des Citratzyklus wird helfen, den Zweck und den Prozess des Zyklus zu klären. Der Citratzyklus hat drei irreversible Schritte, die als Regulierungspunkte dienen. Die drei irreversiblen Reaktionen sind Reaktion eins, drei und vier. Diese drei Schritte helfen, die Häufigkeit des Zyklus zu regulieren.
Der Citratzyklus hat auch Zwischenprodukte, die Vorläufer für andere metabolische Moleküle und Funktionen sind, weshalb der Citratzyklus nicht ausschließlich als katabol oder anabol kategorisiert werden kann. Citrat wird für die Fettsäure- und Cholesterinsynthese verwendet; Alpha-Ketoglutarat wird für die Aminosäure- und Nukleotidsynthese verwendet; Succinyl-CoA wird für die Häm-Synthese verwendet; Malat wird für die Pyruvatsynthese verwendet; Oxalacetat wird für die Glucosesynthese verwendet.
Eine weitere wichtige Komponente ist, wie die sechs NADH- und zwei QH2-Moleküle reoxidiert werden. Die sechs NADH-Moleküle führen zu 18 ATP-Molekülen und die zwei QH2-Moleküle führen zu vier ATP-Molekülen. Diese Abrechnung basiert auf einem Glucosemolekül, was zu zwei Citratzyklen führt.
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