Citratzyklus: der Weg im Körper · Biomarker & Urinanalyse

Diese Seite zeigt den biochemischen Weg hinter dem Laborwert Zitrat, Alpha-Ketoglutarat, Succinat, Fumarat, Malat: welche Stationen aufeinander folgen, welche Enzyme den Schritt machen und welche Cofaktoren sie dafür brauchen. Jede Aussage hat eine Quelle. Die Seite beschreibt allgemeines Lehrbuchwissen und sagt nichts über einen einzelnen Menschen.

Kurz erklärt

Der Citratzyklus ist eine Kette von Enzymschritten im Mitochondrium, in der Zitrat, Alpha-Ketoglutarat, Succinat, Fumarat und Malat entstehen. Er baut Acetyl-CoA zu CO₂ ab und lädt dabei Elektronenträger für die Atmungskette. Seine Zwischenprodukte dienen zudem als Bausteine.

10 Stationen · 3 Quellen

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Der Weg Schritt für Schritt

An jeder Station steht, was der Stoff dort tut. Drei Zeichen: ↑ liefert — baut auf oder stellt bereit · ↓ zehrt — hemmt, verbraucht oder entzieht · ↕ beides, je nach Menge. Dahinter steht, worauf die Aussage beruht: gesicherte Physiologie, in Studien beobachtet oder umstritten. Die Zeichen bewerten nicht; sie benennen die Richtung.

Pyruvat → Acetyl-CoA PDH-Komplex · Vitamin B1 (TPP), Liponsäure Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex entfernt ein Kohlenstoffatom als CO₂ und überträgt den Rest auf Coenzym A. Er braucht Thiamin (Vitamin B1) und Liponsäure. Staut sich Acetyl-CoA, bremst es den Komplex selbst. Quelle 3↑ liefert Acetyl-CoA ist der Brennstoff des Zyklus: Sein Acetylrest wird mit Oxalacetat zu Zitrat verbunden und zu CO₂ abgebaut. Der PDH-Komplex braucht dafür B1, B2 (FAD), B3 (NAD⁺), B5 (in Coenzym A) und Liponsäure. gesicherte Physiologie Quelle 3, 1
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Staut sich Acetyl-CoA zusammen mit NADH, bremsen beide den PDH-Komplex direkt und über seine Kinasen; aus Pyruvat entsteht dann weniger Acetyl-CoA nach.

zu wenig — Ist wenig Thiamin, Liponsäure oder Coenzym A da, kommt der PDH-Komplex nicht nach; Pyruvat wird langsamer zu Acetyl-CoA, und dem Zyklus fehlt Brennstoff aus Zucker.

gesicherte Physiologie · Quelle 3
Acetyl-CoA → Zitrat Citrat-Synthase · Oxalacetat Die Citrat-Synthase verbindet Acetyl-CoA mit Oxalacetat zu Zitrat. Mit sechs Kohlenstoffatomen ist es die größte Station des Zyklus. Ein Teil verlässt das Mitochondrium und dient dem Aufbau von Fettsäuren. Quelle 1↑ liefert Zitrat geht im Zyklus weiter zu Isocitrat. Ein Teil verlässt das Mitochondrium; im Zellplasma spaltet die ATP-Citrat-Lyase es und liefert Acetyl-CoA für den Aufbau von Fettsäuren. gesicherte Physiologie Quelle 1
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Staut sich Zitrat, wird mehr davon ins Zellplasma ausgeschleust und dort zu Acetyl-CoA und Oxalacetat gespalten; mehr Kohlenstoff fließt so in den Aufbau von Fettsäuren.

zu wenig — Ist wenig Oxalacetat oder Acetyl-CoA da, bildet die Citrat-Synthase weniger Zitrat, und alle folgenden Schritte erhalten weniger Nachschub.

gesicherte Physiologie · Quelle 1
Zitrat → Isocitrat Aconitase · Eisen-Schwefel-Cluster Die Aconitase verschiebt eine OH-Gruppe im Molekül. Es entsteht Isocitrat, das sich im nächsten Schritt leichter umbauen lässt. Der folgende Schritt bestimmt mit, wie schnell der Zyklus läuft. Quelle 1↑ liefert Isocitrat ist das Substrat der Isocitrat-Dehydrogenase, eines der Schritte, die das Tempo des Zyklus mitbestimmen. Hier wird zum ersten Mal NAD⁺ zu NADH geladen, dessen Elektronen an die Atmungskette gehen. gesicherte Physiologie Quelle 1
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Bremsen viel NADH und ATP die Isocitrat-Dehydrogenase, staut sich Isocitrat; weil die Aconitase in beide Richtungen arbeitet, bleibt dann auch mehr Zitrat stehen.

zu wenig — Arbeitet die Aconitase langsamer, etwa weil ihr Eisen-Schwefel-Zentrum unvollständig ist, entsteht wenig Isocitrat, und Zitrat staut sich davor.

gesicherte Physiologie · Quelle 1
Isocitrat → Alpha-Ketoglutarat Isocitrat-DH · NAD⁺ Die Isocitrat-Dehydrogenase spaltet CO₂ ab und lädt NAD⁺ zu NADH. Alpha-Ketoglutarat ist zugleich Ausgangsstoff für die Aminosäure Glutamat. Zudem brauchen Enzyme, die Erbgut und Eiweiße umbauen, Alpha-Ketoglutarat. Quelle 1, 2↕ beides, je nach Menge Alpha-Ketoglutarat ist eine Kreuzung: Aus Glutamin nachgeliefert, füllt es den Zyklus auf; als Glutamat abgezweigt, entzieht es ihm Kohlenstoff. Zudem brauchen Enzyme, die Erbgut und Eiweiße umbauen, es als Cosubstrat. gesicherte Physiologie Quelle 1, 2
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Ist viel Alpha-Ketoglutarat da, arbeiten die davon abhängigen Dioxygenasen leichter, die Methylgruppen von Erbgut und Histonen entfernen; das ist vor allem in Zellkultur beschrieben.

zu wenig — Ist wenig Alpha-Ketoglutarat da, verlangsamen sich die folgenden Zyklusschritte und diese Dioxygenasen; die Zelle kann es aus Glutamin über Glutamat nachliefern.

in Studien beobachtet · Quelle 2, 1
Alpha-Ketoglutarat → Succinyl-CoA α-KG-Dehydrogenase · Vitamin B1 (TPP), NAD⁺ Ein zweiter Enzymkomplex spaltet erneut CO₂ ab; auch er arbeitet mit Thiamin. Succinyl-CoA ist außerdem Baustein für den roten Blutfarbstoff. Ist wenig Thiamin da, entsteht weniger Succinyl-CoA. Quelle 1↑ liefert Succinyl-CoA liefert die Energie für den nächsten Schritt und ist Ausgangsstoff für Häm, den Kern des roten Blutfarbstoffs. Die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase braucht dafür Thiamin, Liponsäure, FAD, NAD⁺ und Coenzym A. gesicherte Physiologie Quelle 1, 3
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Staut sich Succinyl-CoA zusammen mit NADH, bremsen beide die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase; Alpha-Ketoglutarat staut sich dann vor diesem Schritt.

zu wenig — Ist wenig Thiamin da, kommt die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase nicht nach; es entsteht weniger Succinyl-CoA für den Zyklus und für den Aufbau von Häm.

gesicherte Physiologie · Quelle 1, 3
Succinyl-CoA → Succinat Succinat-Thiokinase · GDP Beim Lösen der Bindung zu Coenzym A wird Energie frei; die Zelle speichert sie zunächst als GTP. Übrig bleibt Succinat. Außerhalb des Zyklus wirkt Succinat auch als Signalstoff. Quelle 1↕ beides, je nach Menge Succinat geht im Zyklus weiter und gibt dabei Elektronen direkt an die Atmungskette. Außerhalb des Mitochondriums wirkt es als Signalstoff: Es bremst Enzyme, die den Hypoxie-Faktor HIF abbauen, und bindet an einen eigenen Rezeptor. in Studien beobachtet Quelle 2, 1
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Staut sich Succinat, hemmt es die Prolylhydroxylasen, und HIF wird auch bei genug Sauerstoff nicht abgebaut. Wird gestautes Succinat rasch umgesetzt, entstehen im Tiermodell an Komplex I reaktive Sauerstoffverbindungen.

zu wenig — Ist wenig Succinat da, erhält die Succinat-Dehydrogenase weniger Substrat, und über diesen Weg gehen weniger Elektronen an die Atmungskette.

in Studien beobachtet · Quelle 2
Succinat → Fumarat Succinat-DH · FAD Die Succinat-Dehydrogenase sitzt zugleich in der Atmungskette. Sie entnimmt zwei Wasserstoffatome und überträgt sie auf FAD. Von hier gehen Elektronen direkt an die Atmungskette. Quelle 1↕ beides, je nach Menge Fumarat entsteht, wenn die Succinat-Dehydrogenase Elektronen über FAD an die Atmungskette weitergibt. In höherer Menge bindet Fumarat an Schwefelgruppen von Eiweißen und verändert sie; das ist vor allem in Zellmodellen beschrieben. in Studien beobachtet Quelle 2, 1
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Staut sich Fumarat, hemmt es wie Succinat die Alpha-Ketoglutarat-abhängigen Dioxygenasen und verändert Cysteine in Eiweißen; das ist vor allem in Zellkultur gezeigt.

zu wenig — Arbeitet die Succinat-Dehydrogenase langsamer, etwa wenn wenig FAD da ist, entsteht weniger Fumarat, und Succinat staut sich vor diesem Schritt.

in Studien beobachtet · Quelle 2, 1
Fumarat → Malat Fumarase · Wasser Die Fumarase lagert ein Wassermolekül an die Doppelbindung an. So entsteht Malat. Malat trägt außerdem Wasserstoff zwischen Zellplasma und Mitochondrium hin und her. Quelle 1↑ liefert Malat wird zu Oxalacetat weiterverarbeitet. Über den Malat-Aspartat-Shuttle trägt es außerdem Wasserstoff aus dem Zellplasma ins Mitochondrium, wo er an die Atmungskette geht. gesicherte Physiologie Quelle 1
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Staut sich Malat, liegt das Gleichgewicht der Malat-Dehydrogenase weit auf seiner Seite; es fließt erst ab, wenn Oxalacetat rasch weiterverbraucht wird.

zu wenig — Ist wenig Malat da, entsteht auch wenig Oxalacetat, und der Zyklus kann weniger Acetyl-CoA aufnehmen.

gesicherte Physiologie · Quelle 1
Malat → Oxalacetat Malat-DH · NAD⁺ Die Malat-Dehydrogenase lädt noch einmal NAD⁺ zu NADH. Das entstandene Oxalacetat nimmt das nächste Acetyl-CoA auf – der Kreis beginnt von vorn. Ist wenig Oxalacetat da, findet Acetyl-CoA keinen Partner. Quelle 1↑ liefert Oxalacetat nimmt jedes neue Acetyl-CoA auf und hält den Zyklus in Gang. Zweigt die Zelle es ab, etwa zu Aspartat oder Glucose, muss sie es auffüllen, zum Beispiel aus Pyruvat über die Pyruvat-Carboxylase. gesicherte Physiologie Quelle 1
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Ist reichlich Oxalacetat da, wird mehr davon zu Aspartat oder in die Glucose-Neubildung abgezweigt; den Durchsatz des Zyklus begrenzt dann das Angebot an Acetyl-CoA.

zu wenig — Ist wenig Oxalacetat da, findet Acetyl-CoA keinen Partner; es staut sich, und der Zyklus läuft langsamer, bis Nachschub aus Pyruvat oder Aminosäuren kommt.

gesicherte Physiologie · Quelle 1

Weitere Stationen

Pyruvat — aus dem Zuckerabbau Beim Abbau von Zucker entsteht im Zellplasma Pyruvat. Es wird in das Mitochondrium geschleust, den Ort des Citratzyklus. Im Mitochondrium wird es zum wichtigsten Lieferanten von Acetyl-CoA aus Zucker. Quelle 3↑ liefert Pyruvat ist der Hauptlieferant für Acetyl-CoA aus Zucker: Im Mitochondrium setzt der PDH-Komplex es um, und sein Kohlenstoff speist den Citratzyklus. gesicherte Physiologie Quelle 3
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Kommt viel Pyruvat an, hemmt es die Kinasen, die den PDH-Komplex abschalten; der Komplex bleibt aktiv und setzt mehr Pyruvat zu Acetyl-CoA um.

zu wenig — Kommt wenig Pyruvat an, entsteht aus Zucker weniger Acetyl-CoA; der Zyklus bezieht sein Acetyl-CoA dann stärker aus dem Abbau von Fettsäuren.

gesicherte Physiologie · Quelle 3, 1

Cofaktoren dieses Weges

Vitamin B1 (Thiamin) — Als Thiaminpyrophosphat Cofaktor des PDH-Komplexes und der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase; ohne TPP staut sich Pyruvat Quelle 3, 1
NAD⁺ — Nimmt an drei Schritten des Zyklus Elektronen auf und wird dabei zu NADH; NADH trägt sie zur Atmungskette Quelle 1Im ORY-Katalog als Laborwert: NAD⁺ (Nicotinamidadenindinukleotid)
Vitamin B2 (FAD) — Als FAD Elektronenträger der Succinat-Dehydrogenase und der Dehydrogenase-Komplexe; FADH₂ gibt sie an die Atmungskette Quelle 1, 3
Coenzym A — Trägt die Acetyl- und Succinyl-Reste zwischen den Enzymen des Zyklus; ohne ihn tritt kein Acetylrest in den Zyklus ein Quelle 1, 3
Liponsäure — Cofaktor im PDH-Komplex und in der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase; ist wenig da, kommen beide Komplexe nicht nach Quelle 3
Eisen — Teil der Eisen-Schwefel-Zentren von Aconitase und Succinat-Dehydrogenase; ohne sie stockt der Umbau von Zitrat Quelle 1Im ORY-Katalog als Laborwert: Eisen
Magnesium — Bindet Thiaminpyrophosphat im aktiven Zentrum des PDH-Komplexes; so kann der Komplex Pyruvat umsetzen Quelle 3Im ORY-Katalog als Laborwert: Magnesium

Quellen

Arnold PK, Finley LWS. Regulation and function of the mammalian tricarboxylic acid cycle. J Biol Chem 2023 · PubMed 36581208
Martínez-Reyes I, Chandel NS. Mitochondrial TCA cycle metabolites control physiology and disease. Nat Commun 2020 · PubMed 31900386
Patel MS, Nemeria NS, Furey W et al. The pyruvate dehydrogenase complexes: structure-based function and regulation. J Biol Chem 2014 · PubMed 24798336