Schritte im Zitronensäure-Zyklus
Schritt 1. Der erste Schritt ist ein Kondensationsschritt, bei dem die Zwei-Kohlenstoff-Acetylgruppe (von Acetyl-CoA) mit einem Vier-Kohlenstoff-Oxalacetat-Molekül kombiniert wird, um ein Sechs-Kohlenstoff-Molekül Citrat zu bilden. CoA wird an eine Sulfhydrylgruppe (-SH) gebunden und diffundiert weg, um sich schließlich mit einer anderen Acetylgruppe zu verbinden. Dieser Schritt ist irreversibel, da er stark exergonisch ist. Die Geschwindigkeit dieser Reaktion wird durch eine negative Rückkopplung und die Menge des verfügbaren ATP gesteuert. Steigt der ATP-Gehalt, sinkt die Geschwindigkeit dieser Reaktion. Bei ATP-Knappheit erhöht sich die Rate.
Schritt 2. Citrat verliert ein Wassermolekül und gewinnt ein weiteres, wenn Citrat in sein Isomer, Isocitrat, umgewandelt wird.
Schritte 3 und 4. Im dritten Schritt wird Isocitrat oxidiert, wobei ein Molekül mit fünf Kohlenstoffatomen, α-Ketoglutarat, zusammen mit einem Molekül CO2 und zwei Elektronen entsteht, die NAD+ zu NADH reduzieren. Auch dieser Schritt wird durch eine negative Rückkopplung von ATP und NADH sowie durch eine positive Wirkung von ADP reguliert. Die Schritte drei und vier sind sowohl Oxidations- als auch Decarboxylierungsschritte, bei denen Elektronen freigesetzt werden, die NAD+ zu NADH reduzieren und Carboxylgruppen freisetzen, die CO2-Moleküle bilden. α-Ketoglutarat ist das Produkt von Schritt drei, und eine Succinylgruppe ist das Produkt von Schritt vier. CoA bindet die Succinylgruppe, um Succinyl-CoA zu bilden. Das Enzym, das Schritt vier katalysiert, wird durch Rückkopplungshemmung von ATP, Succinyl-CoA und NADH reguliert.
Schritt 5. Eine Phosphatgruppe wird durch Coenzym A ersetzt und eine hochenergetische Bindung wird gebildet. Diese Energie wird bei der Phosphorylierung auf Substratebene (während der Umwandlung der Succinylgruppe in Succinat) verwendet, um entweder Guanintriphosphat (GTP) oder ATP zu bilden. Für diesen Schritt gibt es zwei Formen des Enzyms, die als Isoenzyme bezeichnet werden, je nach Art des tierischen Gewebes, in dem sie vorkommen. Eine Form findet sich in Geweben, die große Mengen an ATP verbrauchen, wie Herz- und Skelettmuskeln. Diese Form produziert ATP. Die zweite Form des Enzyms findet sich in Geweben, die viele anabole Stoffwechselwege aufweisen, wie z. B. die Leber. Bei dieser Form wird GTP gebildet. GTP ist energetisch äquivalent zu ATP, seine Verwendung ist jedoch stärker eingeschränkt. Insbesondere die Proteinsynthese verwendet hauptsächlich GTP.
Schritt 6. Schritt sechs ist ein Dehydratisierungsprozess, bei dem Succinat in Fumarat umgewandelt wird. Dabei werden zwei Wasserstoffatome auf FAD übertragen, wodurch FADH2 entsteht. Die in den Elektronen dieser Atome enthaltene Energie reicht nicht aus, um NAD+ zu reduzieren, aber ausreichend, um FAD zu reduzieren. Im Gegensatz zu NADH bleibt dieser Träger am Enzym gebunden und überträgt die Elektronen direkt auf die Elektronentransportkette. Dieser Prozess wird durch die Lokalisierung des Enzyms, das diesen Schritt katalysiert, innerhalb der inneren Membran des Mitochondriums ermöglicht.
Schritt 7. Im siebten Schritt wird dem Fumarat Wasser zugesetzt, und es entsteht Malat. Im letzten Schritt des Zitronensäurezyklus wird Oxalacetat durch Oxidation von Malat regeneriert. Dabei wird ein weiteres Molekül NADH gebildet.