Krebs-Zyklus

Krebs-Zyklus Definition

Der Krebs-Zyklus, auch Zitronensäurezyklus genannt, ist der zweite große Schritt der oxidativen Phosphorylierung. Nachdem die Glykolyse die Glukose in kleinere 3-Kohlenstoff-Moleküle aufgespalten hat, überträgt der Krebs-Zyklus die Energie dieser Moleküle auf Elektronenträger, die dann in der Elektronentransportkette zur Herstellung von ATP verwendet werden.

Übersicht über den Krebs-Zyklus

Die meisten Organismen verwenden Glukose als Hauptbrennstoffquelle, müssen diese Glukose jedoch abbauen und die Energie in ATP und anderen Molekülen speichern. Der Krebszyklus befindet sich in den Mitochondrien. Innerhalb der Mitochondrienmatrix werden durch die Reaktionen des Krebszyklus Elektronen und Protonen zu einer Reihe von Elektronenträgern hinzugefügt, die dann von der Elektronentransportkette verwendet werden, um ATP zu erzeugen.

Der Krebszyklus beginnt mit den Produkten der Glykolyse, bei denen es sich um zwei Drei-Kohlenstoff-Moleküle handelt, die als Pyruvat bekannt sind. Dieses Molekül ist sauer, weshalb der Krebszyklus auch als Tricarbonsäurezyklus (TCA) bezeichnet wird. Über eine Reihe von Reaktionen werden diese Moleküle weiter zu Kohlendioxid abgebaut. Die Energie der Moleküle wird auf andere Moleküle, so genannte Elektronenträger, übertragen. Diese Moleküle transportieren die gespeicherte Energie zur Elektronentransportkette, die wiederum ATP erzeugt.

Anschließend verwendet die Zelle dieses ATP, um verschiedene zelluläre Reaktionen, wie die Aktivierung von Enzymen oder Transportproteinen, durchzuführen. Der Krebs-Zyklus ist der zweite von 4 verschiedenen Prozessen, die ablaufen müssen, um die Energie aus Glukose zu gewinnen. Insgesamt besteht der Krebs-Zyklus aus 9 aufeinanderfolgenden Reaktionen.

Krebs-Zyklus Produkte

Der erste Schritt der Glukoseverwertung, die Glykolyse, produziert einige ATP sowie die Moleküle, die im Krebs-Zyklus verarbeitet werden. Bei der Glykolyse wird ein einzelnes Glukosemolekül in zwei kleinere, dreikohlenstoffhaltige Moleküle namens Pyruvat gespalten. Pyruvat wird dann in Acetyl-CoA umgewandelt. Acetyl-CoA wird dann im Krebs-Zyklus zur Herstellung mehrerer wichtiger Produkte verwendet. Diese Produkte wiederum dienen der Bildung von ATP, der Hauptenergiequelle der Zelle.

Vor den ersten Stufen des Krebszyklus wird Pyruvat in Acetyl-CoA umgewandelt. Dabei entstehen ein Molekül CO2 und ein Molekül des Elektronenträgers NADH. Im Krebs-Zyklus wird dieses Acetyl-CoA in Kohlendioxid umgewandelt. Bei den Schritten des Zyklus werden zwei Moleküle CO2 freigesetzt, außerdem drei weitere Moleküle NADH, ein Molekül FADH2 und ein Molekül GTP.

Für je 1 Pyruvatmolekül, das hinzugefügt wird, produziert der Krebs-Zyklus also:

• 2 Moleküle CO2
• 3 Moleküle NADH
• 1 Molekül FADH2
• 1 Molekül GTP

Ein Glukosemolekül enthält 2 Pyruvatmoleküle, so dass 1 Glukosemolekül auf seinem Weg durch den Krebszyklus die doppelte Menge der oben genannten Produkte erzeugt. Diese Produkte werden dann in späteren Phasen der aeroben Atmung in ATP umgewandelt. Kohlendioxid ist das einzige „Abfallprodukt“ und muss aus der Zelle entfernt werden. Große Organismen müssen Kohlendioxid aus allen ihren Zellen entfernen. Bei diesen Tieren wird Kohlendioxid typischerweise in den Kiemen oder in der Lunge gegen Sauerstoff ausgetauscht, der die letzten Phasen der aeroben Atmung vorantreibt.

Wo findet der Krebszyklus statt?

Der Krebszyklus findet nur innerhalb der Mitochondrienmatrix statt. Pyruvat wird im Zytosol der Zelle gebildet und dann in die Mitochondrien importiert. Dort wird es in Acetyl-CoA umgewandelt und in die mitochondriale Matrix importiert. Die Mitochondrienmatrix ist der innerste Teil der Mitochondrien. Die Grafik unten zeigt die verschiedenen Teile der Mitochondrien.

Die Mitochondrienmatrix verfügt über die erforderlichen Enzyme und die Umgebung, in der die komplexen Reaktionen des Krebszyklus ablaufen können. Außerdem treiben die Produkte des Krebszyklus die Elektronentransportkette und die oxidative Phosphorylierung an, die beide in der inneren Mitochondrienmembran stattfinden. Die Elektronenträger geben ihre Elektronen und Protonen in die Kette ab, was letztlich die Produktion von ATP antreibt. Dieses Molekül wird dann aus den Mitochondrien als Hauptenergiequelle für die Zelle exportiert.

Mitochondrien sind in fast allen Organismen zu finden, insbesondere in mehrzelligen Organismen. Pflanzen, Tiere und Pilze nutzen alle den Krebszyklus als unverzichtbaren Teil der aeroben Atmung.

Krebszyklus-Schritte

Der Krebszyklus hat 9 Hauptreaktionen, die schnell nacheinander ablaufen. Die folgende Abbildung zeigt diese Reaktionen.

Beachte, dass Citrat das erste Molekül ist, das nach der Zugabe von Acetyl CoA entsteht. Deshalb wird der Krebszyklus auch als Zitronensäurezyklus bezeichnet. Die Produkte des Zyklus sind in der Abbildung oben zu sehen. Dieser Prozess wird als „Zyklus“ bezeichnet, weil er immer mit Oxalacetat endet, das mit neuem Acetyl-CoA kombiniert werden kann, um für jeden Zyklus ein neues Molekül Citrat zu erzeugen.

Krebszyklus-Funktion

Der Krebszyklus ist wahrscheinlich der wichtigste Teil des Prozesses der aeroben Atmung, weil er die Bildung von Elektronenträgern antreibt. Diese Träger sind wichtig. Sie transportieren die Energie, die zur Bildung einer großen Anzahl von ATP-Molekülen in den letzten Schritten der aeroben Atmung benötigt wird. Die erzeugten Elektronenüberträger (NADH und FADH2) können die Energie für die zellulären Prozesse nicht direkt bereitstellen. Stattdessen verwenden die Prozesse der Elektronentransportkette und der oxidativen Phosphorylierung die Energie dieser Moleküle, um den Enzymkomplex ATP-Synthase zu aktivieren, der ATP produziert.