Citratzyklus

Überblick über den Zitronensäurezyklus ⓘ

Der Zitronensäurezyklus (CAC) - auch bekannt als Krebszyklus oder TCA-Zyklus (Tricarbonsäurezyklus) - ist eine Reihe von chemischen Reaktionen zur Freisetzung gespeicherter Energie durch die Oxidation von Acetyl-CoA aus Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen. Der Krebs-Zyklus wird von Organismen genutzt, die atmen (im Gegensatz zu Organismen, die gären), um Energie zu erzeugen, entweder durch anaerobe Atmung oder durch aerobe Atmung. Darüber hinaus liefert der Zyklus Vorstufen bestimmter Aminosäuren sowie das Reduktionsmittel NADH, die in zahlreichen anderen Reaktionen verwendet werden. Seine zentrale Bedeutung für viele biochemische Vorgänge lässt vermuten, dass er eine der frühesten Komponenten des Stoffwechsels war und möglicherweise abiogenen Ursprungs ist. Auch wenn er als "Zyklus" bezeichnet wird, ist es nicht notwendig, dass die Metaboliten nur einen bestimmten Weg nehmen; es sind mindestens drei alternative Abschnitte des Zitronensäurezyklus bekannt. ⓘ

Der Name dieses Stoffwechselweges leitet sich von der Zitronensäure ab (eine Tricarbonsäure, die oft als Citrat bezeichnet wird, da die ionisierte Form bei biologischen pH-Werten vorherrscht), die verbraucht und dann durch diese Abfolge von Reaktionen regeneriert wird, um den Zyklus abzuschließen. Der Zyklus verbraucht Acetat (in Form von Acetyl-CoA) und Wasser, reduziert NAD⁺ zu NADH und setzt dabei Kohlendioxid frei. Das durch den Zitronensäurezyklus erzeugte NADH wird in den Weg der oxidativen Phosphorylierung (Elektronentransport) eingespeist. Das Endergebnis dieser beiden eng miteinander verbundenen Wege ist die Oxidation von Nährstoffen zur Erzeugung von nutzbarer chemischer Energie in Form von ATP. ⓘ

In eukaryotischen Zellen findet der Zitronensäurezyklus in der Matrix des Mitochondriums statt. In prokaryontischen Zellen, wie z. B. Bakterien, die keine Mitochondrien besitzen, wird die Reaktionsfolge des Zitronensäurezyklus im Zytosol durchgeführt, wobei der Protonengradient für die ATP-Produktion über die Zelloberfläche (Plasmamembran) und nicht über die innere Membran des Mitochondriums verläuft. Die Gesamtausbeute an energiehaltigen Verbindungen aus dem Zitronensäurezyklus beträgt drei NADH, ein FADH₂ und ein GTP. ⓘ

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Acetyl-CoA-Katabolismus
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Der Citratzyklus (auch Zitratzyklus, Citronensäurezyklus, Tricarbonsäurezyklus, Krebs-Zyklus oder Szent-Györgyi-Krebs-Zyklus) ist ein Kreislauf biochemischer Reaktionen, der eine wichtige Rolle im Stoffwechsel (Metabolismus) aerober Zellen von Lebewesen spielt und hauptsächlich dem oxidativen Abbau organischer Stoffe zum Zweck der Energiegewinnung und der Bereitstellung von Zwischenprodukten für Biosynthesen dient. Das beim Abbau von Fetten, Zuckern, Alkohol und Aminosäuren als Zwischenprodukt entstehende Acetyl-CoA wird darin zu Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) abgebaut. Dabei werden sowohl für den Aufbau organischer Körperbestandteile des Lebewesens (Anabolismus) nutzbare Zwischenprodukte gebildet wie auch direkt und indirekt Energie in biochemisch verfügbarer Form (als Adenosintriphosphat ATP) zur Verfügung gestellt. ⓘ

Der Citratzyklus läuft bei Eukaryoten in der Matrix der Mitochondrien, bei Prokaryoten im Zytoplasma ab. Eine umgekehrte Reaktionsfolge findet im sogenannten reduktiven Citratzyklus statt, der manchen Bakterien zur Kohlenstoffdioxid-Assimilation dient. ⓘ

Entdeckung

1937 postulierte der Biochemiker Hans Adolf Krebs (in Zusammenarbeit mit William Arthur Johnson) als erster den Citratzyklus als Weg der Pyruvatoxidation. Krebs untersuchte den Einfluss verschiedener organischer Säuren auf den Sauerstoffverbrauch bei der Pyruvatoxidation mit Suspensionen von zerkleinertem Taubenbrustmuskel. Dieser Flugmuskel ist für die Untersuchung besonders gut geeignet, da er eine hohe oxidative Aktivität aufgrund einer sehr hohen Atmungsgeschwindigkeit aufweist. Krebs bestätigte die Beobachtung von unter anderem Albert Szent-Györgyi, dass C₄-Dicarbonsäuren aus tierischen Geweben (Succinat, L-Malat, Fumarat und Oxalacetat) den Sauerstoffverbrauch von Muskeln stimulieren. Krebs bestätigte diese Beobachtung und fand, dass auch die Pyruvatoxidation einen solchen Effekt hervorruft. Diese wird durch C₆-Tricarbonsäuren Citrat, cis-Aconitat und Isocitrat, sowie durch die C₅-Verbindung α-Ketoglutarat stimuliert. Andere organische Säuren zeigten nicht den genannten Effekt. Dieser war jedoch äußerst beachtlich, denn sehr geringe Mengen führten bereits zu einer Oxidation einer vielfachen Menge an Pyruvat. ⓘ

Die zweite wichtige Beobachtung von Krebs war, dass Malonat – eng verwandt mit Succinat und kompetitiver Inhibitor der Succinat-Dehydrogenase – die aerobe Verwertung von Pyruvat in Muskelsuspensionen hemmt und zwar unabhängig davon, welche der aktiven organischen Säuren zugesetzt wird. Dies zeigt, dass Succinat und Succinat-Dehydrogenase wesentliche Bestandteile der an der Pyruvatoxidation beteiligten Reaktion sein müssen. ⓘ

Aus diesen grundlegenden Beobachtungen und weiteren Hinweisen schloss Krebs, dass die unten aufgeführten aktiven Tri- und Dicarbonsäuren in einer chemisch logischen Reihenfolge angeordnet sein könnten. Da die Inkubation von Pyruvat und Oxalacetat mit zerkleinertem Muskelgewebe eine Anreicherung von Citrat im Medium hervorrief, folgerte Krebs, dass diese Sequenz nicht linear, sondern zyklisch arbeitet – ihr Ende ist mit ihrem Anfang verknüpft. Er irrte sich nur bei der letzten fehlenden Reaktion. Es gilt nämlich nicht: Pyruvat + Oxalacetat → Citrat + CO₂. Somit schlug Krebs vor, dass der von ihm als „Zitronensäurezyklus“ bezeichnete Weg den Hauptweg der Kohlenhydratoxidation im Muskel darstelle. ⓘ

Einige der Komponenten und Reaktionen des Zitronensäurezyklus wurden in den 1930er Jahren durch die Forschungen von Albert Szent-Györgyi entdeckt, der 1937 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin speziell für seine Entdeckungen in Bezug auf die Fumarsäure, eine Schlüsselkomponente des Zyklus, erhielt. Er machte diese Entdeckung bei der Untersuchung des Brustmuskels von Tauben. Da dieses Gewebe seine Oxidationsfähigkeit auch nach dem Abbau in der Latapie-Mühle und der Freisetzung in wässrigen Lösungen beibehält, eignete sich der Brustmuskel der Taube sehr gut für die Untersuchung oxidativer Reaktionen. Der Zitronensäurezyklus selbst wurde schließlich 1937 von Hans Adolf Krebs und William Arthur Johnson während ihrer Zeit an der Universität Sheffield identifiziert, wofür ersterer 1953 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhielt und nach dem der Zyklus manchmal als "Krebs-Zyklus" bezeichnet wird. ⓘ

Überblick

Strukturelles Schema von Acetyl-CoA: Der blaue Teil auf der linken Seite ist die Acetylgruppe, der schwarze Teil ist das Coenzym A. ⓘ

Der Zitronensäurezyklus ist ein wichtiger Stoffwechselweg, der den Kohlenhydrat-, Fett- und Proteinstoffwechsel miteinander verbindet. Die Reaktionen des Zyklus werden von acht Enzymen durchgeführt, die Acetat (ein Molekül mit zwei Kohlenstoffatomen) in Form von Acetyl-CoA vollständig zu je zwei Molekülen Kohlendioxid und Wasser oxidieren. Durch den Abbau von Zuckern, Fetten und Proteinen entsteht das organische Zweikohlenstoffprodukt Acetyl-CoA, das in den Zitronensäurezyklus gelangt. Die Reaktionen des Zyklus wandeln auch drei Äquivalente Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD⁺) in drei Äquivalente reduziertes NAD⁺ (NADH), ein Äquivalent Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) in ein Äquivalent FADH₂ und je ein Äquivalent Guanosin-Diphosphat (GDP) und anorganisches Phosphat (Pi) in ein Äquivalent Guanosin-Triphosphat (GTP) um. Das NADH und das FADH₂, die durch den Zitronensäurezyklus erzeugt werden, werden wiederum durch den oxidativen Phosphorylierungsweg verwendet, um energiereiches ATP zu erzeugen. ⓘ

Eine der Hauptquellen für Acetyl-CoA ist der Abbau von Zuckern durch die Glykolyse, bei dem Pyruvat entsteht, das wiederum durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex decarboxyliert wird, wobei Acetyl-CoA nach dem folgenden Reaktionsschema entsteht

+ HSCoA + NAD⁺ → + NADH + CO_{2 ⓘ}

Das Produkt dieser Reaktion, Acetyl-CoA, ist der Ausgangspunkt für den Zitronensäurezyklus. Acetyl-CoA kann auch durch die Oxidation von Fettsäuren gewonnen werden. Nachfolgend ist der Zyklus schematisch dargestellt:

Der Zitronensäurezyklus beginnt mit der Übertragung einer Zwei-Kohlenstoff-Acetylgruppe von Acetyl-CoA auf die Vier-Kohlenstoff-Akzeptorverbindung (Oxalacetat) zur Bildung einer Sechs-Kohlenstoff-Verbindung (Citrat).
Das Citrat durchläuft dann eine Reihe von chemischen Umwandlungen und verliert dabei zwei Carboxylgruppen als CO₂. Die als CO₂ verlorenen Kohlenstoffe stammen aus dem ehemaligen Oxalacetat, nicht direkt aus Acetyl-CoA. Die von Acetyl-CoA gespendeten Kohlenstoffe werden nach der ersten Runde des Zitronensäurezyklus Teil des Oxalacetat-Kohlenstoffgerüsts. Der Verlust der von Acetyl-CoA gespendeten Kohlenstoffe in Form von CO₂ erfordert mehrere Durchgänge im Zitronensäurezyklus. Aufgrund der Rolle des Zitronensäurezyklus im Anabolismus gehen sie jedoch möglicherweise nicht verloren, da viele Zwischenprodukte des Zitronensäurezyklus auch als Vorstufen für die Biosynthese anderer Moleküle verwendet werden.
Die meisten der durch die oxidativen Schritte des Zyklus zur Verfügung gestellten Elektronen werden auf NAD⁺ übertragen und bilden NADH. Für jede Acetylgruppe, die in den Zitronensäurezyklus gelangt, werden drei Moleküle NADH gebildet. Der Zitronensäurezyklus umfasst eine Reihe von Oxidationsreduktionsreaktionen in den Mitochondrien.
Außerdem werden die Elektronen aus dem Succinat-Oxidationsschritt zunächst auf den FAD-Cofaktor der Succinat-Dehydrogenase übertragen, der zu FADH₂ reduziert wird, und schließlich auf Ubichinon (Q) in der Mitochondrienmembran, das zu Ubichinol (QH₂) reduziert wird, das ein Substrat der Elektronenübertragungskette auf der Ebene des Komplexes III ist.
Für jedes NADH- und FADH₂-Molekül, das im Zitronensäurezyklus entsteht, werden bei der oxidativen Phosphorylierung 2,5 bzw. 1,5 ATP-Moleküle erzeugt.
Am Ende eines jeden Zyklus ist das Oxalacetat mit vier Kohlenstoffatomen regeneriert, und der Zyklus wird fortgesetzt. ⓘ

Schritte

Der Zitronensäurezyklus besteht aus zehn grundlegenden Schritten, die im Folgenden beschrieben werden. Dem Zyklus wird kontinuierlich neuer Kohlenstoff in Form von Acetyl-CoA zugeführt, der bei Schritt 0 in der Tabelle beginnt. ⓘ

	Substrate	Produkte	Enzym	Art der Reaktion	Bemerkung ⓘ
0 / 10	Oxalacetat + Acetyl CoA + H₂O	Citrat + CoA-SH	Citrat-Synthase	Aldol-Kondensation	irreversibel, verlängert das 4C-Oxaloacetat zu einem 6C-Molekül
1	Citrat	cis-Aconitat + H₂O	Aconitase	Dehydratisierung	reversible Isomerisierung
2	cis-Aconitat + H₂O	Isocitrat	Aconitase	Hydratisierung	reversible Isomerisierung
3	Isocitrat + NAD⁺	Oxalosuccinat + NADH + H ⁺	Isocitrat-Dehydrogenase	Oxidation	erzeugt NADH (Äquivalent von 2,5 ATP)
4	Oxalosuccinat	α-Ketoglutarat + CO₂	Isocitrat-Dehydrogenase	Decarboxylierung	geschwindigkeitsbegrenzende, irreversible Stufe, erzeugt ein 5C-Molekül
5	α-Ketoglutarat + NAD⁺ + CoA-SH	Succinyl-CoA + NADH + CO₂	α-Ketoglutarat Dehydrogenase, Thiaminpyrophosphat, Liponsäure, Mg++, Transsuccinytase	Oxidative Decarboxylierung	irreversible Stufe, erzeugt NADH (Äquivalent von 2,5 ATP), regeneriert die 4C-Kette (ohne CoA)
6	Succinyl-CoA + GDP + P_i	Succinat + CoA-SH + GTP	Succinyl-CoA-Synthetase	Substrat-Ebene Phosphorylierung	oder ADP→ATP anstelle von GDP→GTP, erzeugt 1 ATP oder ein Äquivalent. Die Kondensationsreaktion von GDP + Pi und die Hydrolyse von Succinyl-CoA beinhalten das für die Gleichgewichtsgleichung benötigte H₂O.
7	Succinat + Ubichinon (Q)	Fumarat + Ubichinol (QH₂)	Succinat-Dehydrogenase	Oxidation	verwendet FAD als prosthetische Gruppe (FAD→FADH₂ im ersten Schritt der Reaktion) im Enzym. Diese beiden Elektronen werden später im Komplex II der ETC auf QH₂ übertragen, wo sie das Äquivalent von 1,5 ATP erzeugen
8	Fumarat + H₂O	L-Malat	Fumarase	Hydratisierung	Hydratisierung der C-C-Doppelbindung
9	L-Malat + NAD⁺	Oxalacetat + NADH + H⁺	Malat-Dehydrogenase	Oxidation	reversibel (das Gleichgewicht begünstigt Malat), erzeugt NADH (Äquivalent von 2,5 ATP)
10 / 0	Oxalacetat + Acetyl CoA + H₂O	Citrat + CoA-SH	Citrat-Synthase	Aldol-Kondensation	Dies entspricht dem Schritt 0 und setzt den Zyklus neu in Gang. Die Reaktion ist irreversibel und erweitert das 4C-Oxaloacetat zu einem 6C-Molekül

Zwei Kohlenstoffatome werden zu CO₂ oxidiert, die Energie aus diesen Reaktionen wird durch GTP (oder ATP) und als Elektronen in NADH und QH₂ auf andere Stoffwechselprozesse übertragen. Das im Zitronensäurezyklus erzeugte NADH kann später oxidiert werden (seine Elektronen abgeben), um die ATP-Synthese in einem als oxidative Phosphorylierung bezeichneten Prozess anzutreiben. FADH₂ ist kovalent an die Succinatdehydrogenase gebunden, ein Enzym, das sowohl im CAC als auch in der mitochondrialen Elektronentransportkette bei der oxidativen Phosphorylierung wirkt. FADH₂ erleichtert somit die Übertragung von Elektronen auf Coenzym Q, das der letzte Elektronenakzeptor der Reaktion ist, die vom Succinat-Ubichinon-Oxidoreduktase-Komplex katalysiert wird, der auch als Zwischenglied in der Elektronentransportkette fungiert. ⓘ

Die Mitochondrien von Tieren, einschließlich des Menschen, besitzen zwei Succinyl-CoA-Synthetasen: eine, die GTP aus GDP erzeugt, und eine andere, die ATP aus ADP erzeugt. Pflanzen besitzen den Typ, der ATP produziert (ADP-bildende Succinyl-CoA-Synthetase). Mehrere Enzyme des Zyklus können lose in einem Multienzym-Proteinkomplex innerhalb der Mitochondrienmatrix verbunden sein. ⓘ

Das GTP, das von der GDP-bildenden Succinyl-CoA-Synthetase gebildet wird, kann von der Nukleosid-Diphosphat-Kinase zur Bildung von ATP verwendet werden (die katalysierte Reaktion ist GTP + ADP → GDP + ATP). ⓘ

Produkte

Die Produkte der ersten Runde des Zyklus sind ein GTP (oder ATP), drei NADH, ein FADH₂ und zwei CO₂. ⓘ

Da aus jedem Glukosemolekül zwei Acetyl-CoA-Moleküle gebildet werden, sind pro Glukosemolekül zwei Zyklen erforderlich. Am Ende von zwei Zyklen sind die Produkte daher: zwei GTP, sechs NADH, zwei FADH₂ und vier CO₂. ⓘ

Beschreibung	Reaktanten	Produkte ⓘ
Die Summe aller Reaktionen im Zitronensäurezyklus ist:	Acetyl-CoA + 3 NAD⁺ + FAD + GDP + P_i + 2 H₂O	→ CoA-SH + 3 NADH + FADH₂ + 3 H⁺ + GTP + 2 CO₂
Kombiniert man die bei der Pyruvat-Oxidation ablaufenden Reaktionen mit denen des Zitronensäurezyklus, so ergibt sich die folgende Gesamtreaktion der Pyruvat-Oxidation:	Pyruvat-Ion + 4 NAD⁺ + FAD + GDP + P_i + 2 H₂O	→ 4 NADH + FADH₂ + 4 H⁺ + GTP + 3 CO₂
Kombiniert man die obige Reaktion mit den Reaktionen, die im Verlauf der Glykolyse ablaufen, erhält man die folgende Gesamtreaktion der Glukoseoxidation (ohne Reaktionen in der Atmungskette):	Glucose + 10 NAD⁺ + 2 FAD + 2 ADP + 2 GDP + 4 P_i + 2 H₂O	→ 10 NADH + 2 FADH₂ + 10 H⁺ + 2 ATP + 2 GTP + 6 CO₂

Die obigen Reakt_ionen sind ausgeglichen, wenn Pi das H₂PO₄-Ion, ADP und GDP die ADP2- bzw. GDP2- Ionen und ATP und GTP die ATP3- bzw. GTP3- Ionen darstellen. ⓘ

Die Gesamtzahl der ATP-Moleküle, die nach der vollständigen Oxidation einer Glukose in der Glykolyse, dem Zitronensäurezyklus und der oxidativen Phosphorylierung entstehen, wird auf 30 bis 38 geschätzt. ⓘ

Wirkungsgrad

Die theoretische maximale Ausbeute an ATP durch die Oxidation eines Glukosemoleküls in der Glykolyse, im Zitronensäurezyklus und in der oxidativen Phosphorylierung beträgt 38 (unter der Annahme von 3 Moläquivalenten ATP pro Äquivalent NADH und 2 ATP pro FADH₂). In Eukaryonten werden bei der Glykolyse, die im Zytoplasma stattfindet, zwei Äquivalente NADH und vier Äquivalente ATP erzeugt. Der Transport von zwei dieser NADH-Äquivalente in die Mitochondrien verbraucht zwei ATP-Äquivalente, so dass die Nettoproduktion von ATP auf 36 reduziert wird. Darüber hinaus wird die ATP-Ausbeute aus NADH und FADH₂ aufgrund von Ineffizienzen bei der oxidativen Phosphorylierung, die auf das Austreten von Protonen durch die Mitochondrienmembran und das Verrutschen der ATP-Synthese/Protonenpumpe zurückzuführen sind, in der Regel auf weniger als die theoretische Höchstausbeute reduziert. Die beobachteten Erträge liegen daher eher bei ~2,5 ATP pro NADH und ~1,5 ATP pro FADH₂, was die gesamte Netto-ATP-Produktion auf etwa 30 reduziert. Eine Bewertung der gesamten ATP-Ausbeute mit den neu überarbeiteten Protonen-zu-ATP-Verhältnissen ergibt eine Schätzung von 29,85 ATP pro Glukosemolekül. ⓘ

Änderung

Obwohl der Zitronensäurezyklus im Allgemeinen sehr konserviert ist, gibt es eine beträchtliche Variabilität bei den Enzymen, die in verschiedenen Taxa zu finden sind (beachten Sie, dass die Diagramme auf dieser Seite spezifisch für die Säugetiervariante des Weges sind). ⓘ

Einige Unterschiede bestehen zwischen Eukaryoten und Prokaryoten. Die Umwandlung von D-threo-Isocitrat in 2-Oxoglutarat wird in Eukaryoten durch das NAD⁺-abhängige EC 1.1.1.41 katalysiert, während Prokaryoten das NADP⁺-abhängige EC 1.1.1.42 verwenden. In ähnlicher Weise wird die Umwandlung von (S)-Malat in Oxalacetat bei Eukaryonten durch das NAD⁺-abhängige EC 1.1.1.37 katalysiert, während die meisten Prokaryonten ein chinonabhängiges Enzym, EC 1.1.5.4, verwenden. ⓘ

Ein Schritt mit erheblicher Variabilität ist die Umwandlung von Succinyl-CoA in Succinat. Die meisten Organismen verwenden EC 6.2.1.5, die Succinat-CoA-Ligase (ADP-bildend) (trotz seines Namens arbeitet das Enzym im Stoffwechselweg in Richtung der ATP-Bildung). Bei Säugetieren arbeitet auch ein GTP-bildendes Enzym, die Succinat-CoA-Ligase (GDP-bildend) (EC 6.2.1.4). Der Grad der Nutzung der einzelnen Isoformen ist gewebeabhängig. In einigen Acetat-produzierenden Bakterien, wie z. B. Acetobacter aceti, katalysiert ein ganz anderes Enzym diese Umwandlung - EC 2.8.3.18, Succinyl-CoA:Acetat-CoA-Transferase. Dieses spezialisierte Enzym verbindet in diesen Organismen den TCA-Zyklus mit dem Acetat-Stoffwechsel. Einige Bakterien, wie Helicobacter pylori, verwenden für diese Umwandlung ein weiteres Enzym, die Succinyl-CoA:Acetoacetat-CoA-Transferase (EC 2.8.3.5). ⓘ

Auch beim vorhergehenden Schritt - der Umwandlung von 2-Oxoglutarat in Succinyl-CoA - besteht eine gewisse Variabilität. Während die meisten Organismen die ubiquitäre NAD⁺-abhängige 2-Oxoglutarat-Dehydrogenase verwenden, setzen einige Bakterien eine Ferredoxin-abhängige 2-Oxoglutarat-Synthase (EC 1.2.7.3) ein. Andere Organismen, darunter obligat autotrophe und methanotrophe Bakterien und Archaeen, umgehen Succinyl-CoA vollständig und wandeln 2-Oxoglutarat über Succinat-Semialdehyd in Succinat um, wobei sie EC 4.1.1.71, 2-Oxoglutarat-Decarboxylase, und EC 1.2.1.79, Succinat-Semialdehyd-Dehydrogenase, verwenden. ⓘ

Bei Krebs kommt es zu erheblichen Störungen des Stoffwechsels, um die Vermehrung der Tumorzellen zu gewährleisten, und infolgedessen können sich Metaboliten ansammeln, die die Tumorentstehung begünstigen und als Onkometaboliten bezeichnet werden. Zu den am besten charakterisierten Onkometaboliten gehört 2-Hydroxyglutarat, das durch eine heterozygote Gain-of-Function-Mutation (speziell eine neomorphe) in der Isocitrat-Dehydrogenase (IDH) entsteht (die unter normalen Umständen die Oxidation von Isocitrat zu Oxalosuccinat katalysiert, das dann spontan zu Alpha-Ketoglutarat decarboxyliert, wie oben beschrieben; In diesem Fall erfolgt nach der Bildung von alpha-Ketoglutarat über NADPH ein zusätzlicher Reduktionsschritt zur Bildung von 2-Hydroxyglutarat), weshalb IDH als Onkogen betrachtet wird. Unter physiologischen Bedingungen ist 2-Hydroxyglutarat ein untergeordnetes Produkt mehrerer Stoffwechselwege, wird aber durch Hydroxyglutarat-Dehydrogenase-Enzyme (L2HGDH und D2HGDH) leicht in alpha-Ketoglutarat umgewandelt, hat aber keine bekannte physiologische Rolle in Säugetierzellen; Bemerkenswert ist, dass 2-Hydroxyglutarat bei Krebs wahrscheinlich ein Endmetabolit ist, da Isotopenmarkierungsexperimente an Darmkrebszelllinien zeigen, dass seine Rückumwandlung in Alpha-Ketoglutarat zu gering ist, um gemessen zu werden. Bei Krebs dient 2-Hydroxyglutarat als kompetitiver Hemmstoff für eine Reihe von Enzymen, die Reaktionen über alpha-Ketoglutarat in alpha-Ketoglutarat-abhängigen Dioxygenasen ermöglichen. Diese Mutation führt zu mehreren wichtigen Veränderungen im Stoffwechsel der Zelle. Zum einen kann die zusätzliche NADPH-katalysierte Reduktion zur Erschöpfung der zellulären NADPH-Vorräte beitragen und die Menge des für die Zelle verfügbaren Alpha-Ketoglutarats verringern. Die Erschöpfung von NADPH ist insbesondere deshalb problematisch, weil NADPH in hohem Maße kompartimentiert ist und nicht frei zwischen den Organellen der Zelle diffundieren kann. Es wird hauptsächlich über den Pentosephosphatweg im Zytoplasma produziert. Der Mangel an NADPH führt zu erhöhtem oxidativen Stress in der Zelle, da es ein notwendiger Cofaktor für die Produktion von GSH ist, und dieser oxidative Stress kann zu DNA-Schäden führen. Auch auf genetischer und epigenetischer Ebene kommt es zu Veränderungen durch die Funktion von Histon-Lysin-Demethylasen (KDMs) und Ten-Eleven-Translokationsenzymen (TETs); normalerweise hydroxylieren TETs 5-Methylcytosine, um sie für die Demethylierung vorzubereiten. In Abwesenheit von Alpha-Ketoglutarat kann dies jedoch nicht geschehen, so dass es zu einer Hypermethylierung der Zell-DNA kommt, die den epithelial-mesenchymalen Übergang (EMT) fördert und die Zelldifferenzierung hemmt. Ein ähnliches Phänomen ist bei der Jumonji-C-Familie von KDMs zu beobachten, die eine Hydroxylierung benötigen, um die Demethylierung an der Epsilon-Amino-Methylgruppe durchzuführen. Darüber hinaus führt die Unfähigkeit der Prolylhydroxylasen, die Reaktionen zu katalysieren, zu einer Stabilisierung des Hypoxie-induzierbaren Faktors alpha, der notwendig ist, um den Abbau des letzteren zu fördern (da unter sauerstoffarmen Bedingungen kein ausreichendes Substrat für die Hydroxylierung vorhanden ist). Dies führt zu einem pseudohypoxischen Phänotyp in der Krebszelle, der Angiogenese, metabolische Reprogrammierung, Zellwachstum und Migration fördert. ⓘ

Veränderte Citratzyklus-Stoffwechselwege, in denen ein Teilschritt fehlt, sind bei Bakterien der Normalfall (13 von 17 untersuchten). Der fehlende Schritt kann durch andere Reaktionsschritte ersetzt sein oder auch nicht. Tatsächlich sind nur von zwei Bakterienarten Enzyme mit Ketoglutarat-Dehydrogenase-Aktivität (KDH) bekannt: Bacillus japonicum und Escherichia coli. Das Bakterium Escherichia coli fährt unter aeroben Bedingungen den kompletten Citratzyklus wie beschrieben. Unter anaeroben Bedingungen ist es in der Lage, die KDH zu desaktivieren. Die Stoffwechselwege, die vorher einen Kreis bildeten, sind nun baumstrukturartig verbunden. M. tuberculosis hingegen kann zwischen zwei verschiedenen Citratzyklen umschalten, die beide vom eukaryotischen Weg verschieden sind. ⓘ

Regulierung

Allosterische Regulierung durch Metaboliten. Die Regulierung des Zitronensäurezyklus wird weitgehend durch die Hemmung von Produkten und die Verfügbarkeit von Substraten bestimmt. Würde man den Zyklus unkontrolliert ablaufen lassen, könnten große Mengen an Stoffwechselenergie durch eine Überproduktion von reduzierten Coenzymen wie NADH und ATP verschwendet werden. Das Hauptsubstrat des Zyklus ist ADP, das in ATP umgewandelt wird. Eine reduzierte Menge an ADP führt zu einer Anhäufung der Vorstufe NADH, die wiederum eine Reihe von Enzymen hemmen kann. NADH, ein Produkt aller Dehydrogenasen im Zitronensäurezyklus mit Ausnahme der Succinat-Dehydrogenase, hemmt Pyruvat-Dehydrogenase, Isocitrat-Dehydrogenase, α-Ketoglutarat-Dehydrogenase und auch Citrat-Synthase. Acetyl-CoA hemmt die Pyruvat-Dehydrogenase, während Succinyl-CoA die Alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase und die Citrat-Synthase hemmt. Bei In-vitro-Tests mit TCA-Enzymen hemmt ATP die Citrat-Synthase und die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase; in vivo ändert sich der ATP-Spiegel zwischen Ruhe und intensiver Belastung jedoch um nicht mehr als 10 %. Es ist kein allosterischer Mechanismus bekannt, der große Änderungen der Reaktionsgeschwindigkeit durch einen allosterischen Effektor erklären kann, dessen Konzentration sich um weniger als 10 % ändert. ⓘ

Citrat wird zur Rückkopplungshemmung verwendet, da es die Phosphofructokinase hemmt, ein an der Glykolyse beteiligtes Enzym, das die Bildung von Fructose-1,6-bisphosphat, einer Vorstufe von Pyruvat, katalysiert. Dadurch wird eine konstant hohe Flussrate verhindert, wenn es zu einer Anhäufung von Citrat und einer Abnahme des Substrats für das Enzym kommt. ⓘ

Regulierung durch Kalzium. Calcium wird auch als Regulator im Zitronensäurezyklus verwendet. Der Kalziumspiegel in der Mitochondrienmatrix kann während der Zellaktivierung bis zu zehn mikromolare Werte erreichen. Es aktiviert die Pyruvat-Dehydrogenase-Phosphatase, die wiederum den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex aktiviert. Calcium aktiviert auch die Isocitrat-Dehydrogenase und die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase. Dadurch erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit vieler Schritte im Zyklus und somit auch der Fluss durch den gesamten Stoffwechselweg. ⓘ

Transkriptionsregulierung. Jüngste Arbeiten haben eine wichtige Verbindung zwischen Zwischenprodukten des Zitronensäurezyklus und der Regulierung von hypoxieinduzierbaren Faktoren (HIF) aufgezeigt. HIF spielt eine Rolle bei der Regulierung der Sauerstoffhomöostase und ist ein Transkriptionsfaktor, der auf Angiogenese, Gefäßumbau, Glukoseverwertung, Eisentransport und Apoptose abzielt. HIF wird konstitutiv synthetisiert, und die Hydroxylierung von mindestens einem der beiden kritischen Prolinreste vermittelt ihre Interaktion mit dem von Hippel Lindau E3-Ubiquitin-Ligase-Komplex, der sie für einen schnellen Abbau anvisiert. Diese Reaktion wird durch Prolyl-4-Hydroxylasen katalysiert. Fumarat und Succinat wurden als wirksame Inhibitoren von Prolylhydroxylasen identifiziert, was zur Stabilisierung von HIF führt. ⓘ

Wichtige Stoffwechselwege, die im Zitronensäurezyklus zusammenlaufen

Mehrere katabole Stoffwechselwege laufen im Zitronensäurezyklus zusammen. Die meisten dieser Reaktionen fügen dem Zitronensäurezyklus Zwischenprodukte hinzu und werden daher als anaplerotische Reaktionen bezeichnet, was aus dem Griechischen stammt und so viel wie "auffüllen" bedeutet. Sie erhöhen die Menge an Acetyl-CoA, die der Zyklus transportieren kann, und steigern so die Fähigkeit des Mitochondriums, die Atmung durchzuführen, wenn diese ansonsten ein limitierender Faktor ist. Prozesse, die Zwischenprodukte aus dem Zyklus entfernen, werden als "kataplerotische" Reaktionen bezeichnet. ⓘ

In diesem und im nächsten Abschnitt werden die Zwischenprodukte des Zitronensäurezyklus kursiv dargestellt, um sie von anderen Substraten und Endprodukten zu unterscheiden. ⓘ

Die durch die Glykolyse erzeugten Pyruvatmoleküle werden aktiv durch die innere Mitochondrienmembran und in die Matrix transportiert. Hier können sie oxidiert und mit Coenzym A kombiniert werden, um CO₂, Acetyl-CoA und NADH zu bilden, wie im normalen Zyklus. ⓘ

Es ist jedoch auch möglich, dass Pyruvat durch Pyruvat-Carboxylase zu Oxalacetat carboxyliert wird. Diese letztere Reaktion "füllt" die Oxalacetatmenge im Zitronensäurezyklus auf und ist daher eine anaplerotische Reaktion, die die Kapazität des Zyklus zur Verstoffwechselung von Acetyl-CoA erhöht, wenn der Energiebedarf des Gewebes (z. B. im Muskel) durch Aktivität plötzlich steigt. ⓘ

Im Zitronensäurezyklus werden alle Zwischenprodukte (z. B. Citrat, Isocitrat, Alpha-Ketoglutarat, Succinat, Fumarat, Malat und Oxalacetat) bei jeder Umdrehung des Zyklus regeneriert. Wenn dem Mitochondrium mehr von einem dieser Zwischenprodukte zugeführt wird, bedeutet dies, dass diese zusätzliche Menge im Zyklus verbleibt und alle anderen Zwischenprodukte erhöht, da eines in ein anderes umgewandelt wird. Die Zugabe eines dieser Zwischenprodukte zum Zyklus hat also eine anaplerotische Wirkung, seine Entfernung eine kataplerotische Wirkung. Diese anaplerotischen und kataplerotischen Reaktionen erhöhen oder verringern im Laufe des Zyklus die Menge an Oxalacetat, die für die Verbindung mit Acetyl-CoA zur Bildung von Zitronensäure zur Verfügung steht. Dies wiederum erhöht oder verringert die Rate der ATP-Produktion durch das Mitochondrium und damit die Verfügbarkeit von ATP für die Zelle. ⓘ

Acetyl-CoA hingegen, das aus der Oxidation von Pyruvat oder aus der Beta-Oxidation von Fettsäuren stammt, ist der einzige Brennstoff, der in den Zitronensäurezyklus gelangt. Bei jeder Umdrehung des Zyklus wird für jedes in der Mitochondrienmatrix vorhandene Molekül Oxalacetat ein Molekül Acetyl-CoA verbraucht, das niemals regeneriert wird. Bei der Oxidation des Acetatanteils von Acetyl-CoA entstehen CO₂ und Wasser, wobei die dabei freigesetzte Energie in Form von ATP gebunden wird. Die drei Schritte der Beta-Oxidation ähneln den Schritten, die bei der Herstellung von Oxalacetat aus Succinat im TCA-Zyklus ablaufen. Acyl-CoA wird zu trans-Enoyl-CoA oxidiert, während FAD zu FADH₂ reduziert wird, was der Oxidation von Succinat zu Fumarat ähnlich ist. Anschließend wird trans-Enoyl-CoA über die Doppelbindung zu beta-Hydroxyacyl-CoA hydratisiert, so wie Fumarat zu Malat hydratisiert wird. Schließlich wird beta-Hydroxyacyl-CoA zu beta-Ketoacyl-CoA oxidiert, während NAD+ zu NADH reduziert wird, was dem gleichen Prozess folgt wie die Oxidation von Malat zu Oxalacetat. ⓘ

In der Leber ist die Carboxylierung von zytosolischem Pyruvat zu intra-mitochondrialem Oxalacetat ein früher Schritt im gluconeogenen Stoffwechselweg, der unter dem Einfluss hoher Glucagon und/oder Epinephrinspiegel im Blut Lactat und desaminiertes Alanin in Glucose umwandelt. In diesem Fall hat die Zugabe von Oxalacetat zum Mitochondrium keinen anaplerotischen Nettoeffekt, da ein anderes Zwischenprodukt des Zitronensäurezyklus (Malat) sofort aus dem Mitochondrium entfernt wird, um in zytosolisches Oxalacetat umgewandelt zu werden, das schließlich in Glukose umgewandelt wird, und zwar in einem Prozess, der fast das Gegenteil der Glykolyse darstellt. ⓘ

Beim Proteinkatabolismus werden die Proteine durch Proteasen in ihre einzelnen Aminosäuren zerlegt. Deren Kohlenstoffgerüste (d. h. die desaminierten Aminosäuren) können entweder als Zwischenprodukte in den Zitronensäurezyklus gelangen (z. B. alpha-Ketoglutarat aus Glutamat oder Glutamin) in den Zitronensäurezyklus eintreten, was eine anaplerotische Wirkung auf den Zyklus hat, oder, im Falle von Leucin, Isoleucin, Lysin, Phenylalanin, Tryptophan und Tyrosin, in Acetyl-CoA umgewandelt werden, das zu CO₂ und Wasser verbrannt werden kann, oder zur Bildung von Ketonkörpern verwendet werden, die ebenfalls nur in anderen Geweben als der Leber, wo sie gebildet werden, verbrannt oder über den Urin oder die Atemluft ausgeschieden werden können. Die letztgenannten Aminosäuren werden daher als "ketogene" Aminosäuren bezeichnet, während die Aminosäuren, die als Zwischenprodukte in den Zitronensäurezyklus gelangen, nur kataplerotisch entfernt werden können, indem sie über Malat, das aus dem Mitochondrium zur Umwandlung in zytosolisches Oxalacetat und schließlich in Glukose transportiert wird, in den glukoneogenen Weg gelangen. Dies sind die so genannten "glucogenen" Aminosäuren. De-aminiertes Alanin, Cystein, Glycin, Serin und Threonin werden in Pyruvat umgewandelt und können dann entweder als Oxalacetat (eine anaplerotische Reaktion) oder als Acetyl-CoA in den Zitronensäurezyklus gelangen und als CO₂ und Wasser entsorgt werden. ⓘ

Beim Fettkatabolismus werden Triglyceride hydrolysiert, um sie in Fettsäuren und Glycerin aufzuspalten. In der Leber kann das Glycerin über Dihydroxyacetonphosphat und Glyceraldehyd-3-phosphat im Wege der Gluconeogenese in Glucose umgewandelt werden. In vielen Geweben, insbesondere im Herz- und Skelettmuskelgewebe, werden Fettsäuren durch einen als Beta-Oxidation bezeichneten Prozess abgebaut, der zur Bildung von mitochondrialem Acetyl-CoA führt, das im Zitronensäurezyklus verwendet werden kann. Bei der Beta-Oxidation von Fettsäuren mit einer ungeraden Anzahl von Methylenbrücken entsteht Propionyl-CoA, das anschließend in Succinyl-CoA umgewandelt und dem Zitronensäurezyklus als anaplerotisches Zwischenprodukt zugeführt wird. ⓘ

Die Gesamtenergie, die aus dem vollständigen Abbau eines (6-Kohlenstoff-) Glukosemoleküls durch die Glykolyse, der Bildung von 2 Acetyl-CoA-Molekülen, ihrem Abbau im Zitronensäurezyklus und der oxidativen Phosphorylierung gewonnen wird, entspricht bei Eukaryoten etwa 30 ATP-Molekülen. Die Anzahl der ATP-Moleküle, die aus der Beta-Oxidation eines 6-Kohlenstoff-Segments einer Fettsäurekette und der anschließenden Oxidation der daraus resultierenden 3 Acetyl-CoA-Moleküle stammen, beträgt 40. ⓘ

Zwischenprodukte des Zitronensäurezyklus dienen als Substrate für biosynthetische Prozesse

Hier wie auch im vorhergehenden Abschnitt sind die TCA-Zwischenprodukte durch Kursivschrift gekennzeichnet. ⓘ

Mehrere der Zwischenprodukte des Zitronensäurezyklus werden für die Synthese wichtiger Verbindungen verwendet, die erhebliche kataplerotische Auswirkungen auf den Zyklus haben. Acetyl-CoA kann nicht aus dem Mitochondrium transportiert werden. Um zytosolisches Acetyl-CoA zu erhalten, wird Citrat aus dem Zitronensäurezyklus entfernt und durch die innere Mitochondrienmembran in das Zytosol transportiert. Dort wird es von der ATP-Zitratlyase in Acetyl-CoA und Oxalacetat gespalten. Das Oxalacetat wird als Malat in das Mitochondrium zurückgeführt (und dann wieder in Oxalacetat umgewandelt, um mehr Acetyl-CoA aus dem Mitochondrium zu transportieren). Das cytosolische Acetyl-CoA wird für die Fettsäuresynthese und die Produktion von Cholesterin verwendet. Cholesterin kann wiederum für die Synthese von Steroidhormonen, Gallensalzen und Vitamin D verwendet werden. ⓘ

Die Kohlenstoffgerüste vieler nicht-essentieller Aminosäuren werden aus Zwischenprodukten des Zitronensäurezyklus hergestellt. Um sie in Aminosäuren umzuwandeln, müssen die aus den Zwischenprodukten des Zitronensäurezyklus gebildeten Alpha-Ketosäuren ihre Aminogruppen aus Glutamat in einer Transaminationsreaktion erhalten, bei der Pyridoxalphosphat als Cofaktor dient. Bei dieser Reaktion wird das Glutamat in alpha-Ketoglutarat umgewandelt, das ein Zwischenprodukt des Zitronensäurezyklus ist. Die Zwischenprodukte, die das Kohlenstoffgerüst für die Aminosäuresynthese liefern können, sind Oxalacetat, das Aspartat und Asparagin bildet, und Alpha-Ketoglutarat, das Glutamin, Prolin und Arginin bildet. ⓘ

Von diesen Aminosäuren werden Aspartat und Glutamin zusammen mit Kohlenstoff- und Stickstoffatomen aus anderen Quellen verwendet, um die Purine zu bilden, die als Basen in DNA und RNA sowie in ATP, AMP, GTP, NAD, FAD und CoA verwendet werden. ⓘ

Die Pyrimidine werden teilweise aus Aspartat (abgeleitet von Oxalacetat) aufgebaut. Die Pyrimidine, Thymin, Cytosin und Uracil, bilden die Komplementärbasen zu den Purinbasen in DNA und RNA und sind auch Bestandteile von CTP, UMP, UDP und UTP. ⓘ

Der Großteil der Kohlenstoffatome in den Porphyrinen stammt aus dem Zwischenprodukt des Zitronensäurezyklus, Succinyl-CoA. Diese Moleküle sind ein wichtiger Bestandteil von Hämoproteinen wie Hämoglobin, Myoglobin und verschiedenen Cytochromen. ⓘ

Während der Gluconeogenese wird mitochondriales Oxalacetat zu Malat reduziert, das dann aus dem Mitochondrium transportiert wird, um im Cytosol wieder zu Oxalacetat oxidiert zu werden. Das zytosolische Oxalacetat wird dann von der Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase zu Phosphoenolpyruvat decarboxyliert, was der geschwindigkeitsbeschränkende Schritt bei der Umwandlung fast aller glukoneogenen Vorstufen (wie die glukogenen Aminosäuren und Laktat) in Glukose durch Leber und Niere ist. ⓘ

Da der Zitronensäurezyklus sowohl an katabolischen als auch anabolischen Prozessen beteiligt ist, wird er als amphibolischer Stoffwechselweg bezeichnet. ⓘ

Evan M.W.Duo Klicken Sie unten auf die Gene, Proteine und Metaboliten, um zu den entsprechenden Artikeln zu gelangen. ⓘ

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Glukose speist den TCA-Zyklus über zirkulierendes Laktat

Die metabolische Rolle von Laktat ist als Brennstoff für Gewebe und Tumore gut bekannt. Im klassischen Cori-Zyklus produzieren die Muskeln Laktat, das dann von der Leber zur Glukoneogenese aufgenommen wird. Neue Studien legen nahe, dass Laktat als Kohlenstoffquelle für den TCA-Zyklus verwendet werden kann. ⓘ

Entwicklung

Es wird angenommen, dass Komponenten des Zitronensäurezyklus von anaeroben Bakterien stammen und dass sich der TCA-Zyklus selbst mehr als einmal entwickelt haben könnte. Theoretisch gibt es mehrere Alternativen zum TCA-Zyklus; der TCA-Zyklus scheint jedoch die effizienteste zu sein. Wenn sich mehrere TCA-Alternativen unabhängig voneinander entwickelt haben, scheinen sie alle zum TCA-Zyklus konvergiert zu haben. ⓘ

Regulation

Der Citratzyklus als zentraler Drehpunkt des aeroben Metabolismus unterliegt starken regulatorischen Einflüssen. Neben der Produktinhibition („negative Rückkopplung“, kompetitive Hemmung) und Inhibition durch andere Zwischenverbindungen spielen als Effektoren insbesondere NAD⁺/NADH, ADP/ATP und Ca²⁺ eine große Rolle. Regulatorischer Kontrolle unterliegen dabei insbesondere die Teilschritte großer Exergonie: die Citrat-Synthese 1 (ΔG^o = −38 kJ/mol), die Ketoglutarat-Bildung 3 (ΔG^o = −7 kJ/mol) und die Bildung des Succinyl-CoA 4 (ΔG^o = −37 kJ/mol). ⓘ

Die oben genannten exergonen Teilschritte werden durch hohe NADH-Pegel inhibiert: gerät z. B. infolge Sauerstoffmangels die Atmungskette ins Stocken, wird also weniger NADH verbraucht und steigt damit dessen Konzentration, so kann auch der Citratzyklus zum Erliegen kommen. ⓘ

Wird andererseits wenig Energie benötigt (z. B. Muskel im Ruhezustand), so steigt die ATP-Konzentration bei sinkender ADP-Konzentration. Während ADP ein allosterischer Aktivator der Isocitrat-Dehydrogenase ist, inhibiert ATP deren Wirkung: Der Zyklus wird gebremst. ⓘ

Weitere Effektoren des Citratzyklus sind der Tabelle zu entnehmen. ⓘ

Hemmstoffe

Fluoracetat ist toxisch, da es den Citratzyklus blockieren kann. Fluoracetat (1) wird zunächst durch eine Acetyl-CoA-Synthetase (A, EC 6.2.1.1) zu Fluoroacetyl-CoA (2) metabolisiert. Fluoroacetyl-CoA wird, wie dessen Analogon Acetyl-CoA, durch die Citratsynthase (B) katalysiert, mit Oxalacetat kondensiert. Das Produkt, (2R, 3S)-Fluorocitrat (3), kann aber von der Aconitase nicht verarbeitet werden und blockiert diese, wodurch der Citratzyklus an dieser Stelle abbricht. Damit ist die Zelle von der Energiezufuhr abgeschnitten und stirbt (Letale Synthese). ⓘ

Metabolisierung von Fluoracetat (1) zu Fluorcitrat (3), ein effektiver Hemmstoff des Citratzyklus. Für Einzelheiten bitte Text beachten. ⓘ

Citratzyklus beim Menschen

Auch beim Menschen werden Zucker über die Glykolyse, die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat und den Citratzyklus unter Bildung der Energieträger NADH+H⁺, FADH₂, GTP und ATP zu CO₂ und H₂O abgebaut. Die Energie der gebildeten Energieträger (außer ATP) wird über die Atmungskette an ADP übertragen, das dann mithilfe eines Phosphatrestes zu weiterem ATP aufgebaut werden kann. Hierbei setzt NADH+H⁺ in etwa die Energie frei, die zur Bildung von 3 ATP genutzt werden kann, FADH₂ setzt in etwa die Energie frei, die zur Bildung von 2 ATP benötigt wird, GTP liefert Energie zum Aufbau eines ATP-Moleküles aus ADP und Phosphat. ⓘ

Bei erhöhter Leistungsabforderung wird aufgrund fehlenden Sauerstoffes, ohne den die Atmungskette nicht ablaufen kann, ein wachsender Prozentsatz des in der Glykolyse gewonnenen Pyruvats nicht mehr aerob zu Acetyl-CoA umgesetzt, sondern anaerob unter Verbrauch eines NADH+H⁺ je Pyruvat-Molekül zu L-Lactat, dem Anion der Milchsäure. Dass NADH+H⁺ verbraucht wird, scheint unverständlich, da der Körper in dieser Situation eigentlich Energie benötigt. Bei genauerer Betrachtung ist dieser Schritt aber notwendig und energiebringend, denn NADH+H⁺ kann von der Atmungskette ohnehin nicht zu ATP verwertet werden (Sauerstoffmangel). Wohl können aber in der Glykolyse 2 ATP, die direkt von den Muskeln ohne die Atmungskette verwertet werden können, gebildet werden, indem 1 Molekül Glucose zu 2 Molekülen Pyruvat abgebaut wird. Hierbei entstehen auch 2 Moleküle NADH+H⁺, sodass im Endeffekt ein Energiegewinn von 2 ATP entsteht. Damit die Pyruvat-Bildung jedoch stetig ablaufen kann, muss gesichert sein, dass Pyruvat dem System immer wieder entnommen wird (damit keine zu hohe Konzentration entsteht), was über die Decarboxylierung und den Citratzyklus normalerweise geschehen würde. Da dies durch fehlenden Sauerstoff wie erwähnt nicht möglich ist, wird Pyruvat zu Lactat abgebaut. So kann die Glykolyse weiterlaufen und immerhin 2 ATP gebildet werden:

Stoffwechselvorgang	Energiebilanz ⓘ
Umbau von 2 Pyruvat zu 2 Lactat	−6 ATP (2 NADH+H⁺)
Abbau von 1 Glucose zu 2 Pyruvat	+8 ATP (2 NADH+H⁺ und 2 ATP)
Bilanz je Glucose-Molekül	+2 ATP

Milchsäure muss ab einer bestimmten Konzentration abgebaut werden, weil sie durch pH-Wert-Absenkung leistungshemmend wirkt. Dabei gibt die Muskulatur Lactat an das Blut ab, welches zur Leber transportiert wird. Anschließend wird Lactat in der Leber zu Glucose durch den Prozess der Gluconeogenese umgesetzt. Hierbei wird mehr Energie benötigt, als im Muskel aufgenommen wurde. Der Prozess des Umbaus von Pyruvat zu Lactat ist also nur regional auf den Muskel betrachtet energetisch kurzfristig günstig. Für den Organismus insgesamt bedeutet er allerdings langfristig Energieverluste (siehe auch Cori-Zyklus). Dies zeigt, dass der Körper in Extremsituationen – hier hohe Leistungsanforderung – dazu bereit sein kann, langfristig Energie einzubüßen, um kurzfristig die benötigte Leistung aufzubringen. ⓘ

Die in der Leber gebildete Glucose kann dann wieder durch das Blut von den Muskelzellen aufgenommen werden. Dieser Kreislauf wird auch als Cori-Zyklus bezeichnet. Die Fähigkeit, eine hohe Leistung trotz hohen Lactatspiegels aufrechtzuerhalten, wird in der physiologisch begründeten Trainingslehre als Lactattoleranz bezeichnet. ⓘ

→siehe auch: Glykolyse, Milchsäuregärung ⓘ

Umkehrung

In manchen Bakterien wird zur Kohlenstoffdioxid-Assimilation der Citratzyklus in umgekehrter Reihenfolge betrieben (reduktiver Citratzyklus). Hierbei werden unter ATP-Verbrauch und Einsatz von Reduktionsmitteln drei energetisch ungünstig verlaufende Schritte des oxidativen Citratzyklus umgangen: Die Citrat-Synthase wird durch eine ATP-Citrat-Lyase ersetzt, die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase durch eine α-Ketoglutarat-Synthase und die Succinat-Dehydrogenase durch eine Fumarat-Reduktase. ⓘ

2018 haben Forschergruppen in zwei thermophilen, schwefelreduzierenden, anaeroben Bakterien (Desulfurella acetivorans und Thermosulfidibacter takaii) entdeckt, dass diese eine umgekehrte Reihenfolge des Citratzyklus nutzen, jedoch kein Gen für die im reduktiven Citratzyklus notwendige ATP-abhängige Citrat-Lyase kodieren. Dieser Stoffwechselweg wurde zur Unterscheidung des reduktiven Citratzyklus („rTCA“) als revertierter bzw. umgekehrter oxidativer Citratzyklus („roTCA“) bezeichnet. Den Bakterien gelingt die Umkehrung der Bildung von Citrat, indem die Nachfolgemetabolite Malat und Acetyl-CoA effizient weiterverstoffwechselt werden; dadurch ist auch die Konzentration an Oxalacetat äußerst gering, so dass das Gleichgewicht der Citratspaltung auf Seiten von Oxalacetat verschoben wird. Durch Einsparung eines Moleküls ATP wird im roTCA insgesamt nur ein Molekül ATP benötigt, um zwei Moleküle CO₂ zu fixieren. Dies entspricht dem Energiebedarf des reduktiven Acetyl-CoA-Wegs. ⓘ