Cykl kwasu cytrynowego - Polski Serwis Naukowy

przekierowanie z „Cykl Krebsa”. Zapoznaj się również z: mocznikowy cykl Krebsa.

Cykl kwasu cytrynowego, cykl kwasów trikarboksylowych (TCA) lub cykl Krebsa – cykliczny szereg reakcji biochemicznych. Stanowi końcowy etap metabolizmu aerobów, czyli organizmów oddychających tlenem. Mechanizm cyklu zbadał w latach 30. XX wieku sir Hans Krebs, a kluczowe elementy cyklu przedstawił w 1937, za co został nagrodzony w 1953 Nagrodą Nobla.

Dekarboksylacja (inaczej dekarboksylowanie) to reakcja chemiczna, w której dochodzi do usunięcia grupy karboksylowej z kwasów karboksylowych. W wyniku tej reakcji następuje zazwyczaj wydzielenie dwutlenku węgla. W organizmie jest wywoływana najczęściej poprzez działanie enzymów.
Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy – organiczny związek chemiczny, nukleotyd pełniący istotną rolę w procesach oddychania komórkowego. Różne pochodne tego związku są akceptorami elektronów i protonów w procesach utleniania komórkowego. Pełnią też rolę koenzymów oksydoreduktaz.

Cykl kwasu cytrynowego przebiega w macierzy (matrix) mitochondrialnej eukariontów i w cytoplazmie prokariontów. Substratem cyklu jest acetylokoenzym A (acetylo-CoA, czynny octan), który po połączeniu ze szczawiooctanem daje cytrynian (koenzym A odłącza się), a następnie w wyniku kolejnych reakcji izomeryzacji, dehydrogenacji, hydratacji, dehydratacji i dekarboksylacji zostaje utleniony do dwóch cząsteczek dwutlenku węgla. Jednocześnie regeneruje się cząsteczka szczawiooctanu. W wyniku utleniania z jednej reszty octanu redukują się 3 cząsteczki NAD i jedna FAD, powstaje też cząsteczka guanozynotrifosforanu (GTP, równoważnik ATP), sumarycznie daje to 12 cząsteczek ATP zysku z jednej cząsteczki Acetylo-CoA.

Cykl ornitynowy, zwany też cyklem mocznikowym lub mocznikowym cyklem Krebsa – cykl przemian biochemicznych (reakcji enzymatycznych) trzech aminokwasów: ornityny, cytruliny i argininy prowadzący do powstania mocznika.
Kwas szczawiowooctowy (Nazwa systematyczna: kwas oksalooctowy, HOOC–CO–CH2–COOH) - organiczny związek chemiczny, dwukarboksylowy ketokwas, jeden ze składników zapoczątkowujących cykl Krebsa. Drugim składnikiem jest Acetylo-CoA.

Przebieg

Substraty

Głównym substratem cyklu kwasu cytrynowego jest acetylo-CoA (CoASAc). Może on pochodzić z różnych źródeł. Zwykle powstaje z pirogronianu (produktu glikolizy) w reakcji katalizowanej przez kompleks dehydrogenazy pirogronianowej w mitochondrium. Stanowi także produkt β-oksydacji kwasów tłuszczowych.

Kwas fumarowy (fumaran, kwas trans-butenodiowy, HOOC-CH=CH-COOH) — organiczny związek chemiczny z grupy nienasyconych alifatycznych kwasów dikarboksylowych. Występuje w mchach i grzybach. Jest stosowany jako lek w łuszczycy.
Wydawnictwo Lekarskie PZWL - polskie wydawnictwo istniejące od 1945 roku wydające literaturę fachową dla pracowników opieki zdrowotnej, podręczniki szkolne i akademickie, a także publikacje popularnonaukowe. Do 1993 roku państwowe wydawnictwo istniało pod nazwą Państwowe Zakłady Wydawnictw Lekarskich (PZWL). W 1998 nastąpiła prywatyzacja. Aktualnie stanowi część grupy wydawniczej PWN.

Drugim substratem pierwszej reakcji cyklu jest szczawiooctan, odnawiany przez sam cykl, w razie niedoboru wytwarzany także dzięki reakcjom anaplerotycznym. Jego powstawanie z pirogronianu stymuluje sam acetylo-CoA, pobudzając karboksylazę pirogronianową. Związek ten może powstać także na drodze transaminacji z odpowiedniego aminokwasu: kwasu asparaginowego.

Cytoplazma – część protoplazmy komórki eukariotycznej pozostająca poza jądrem komórkowym a w przypadku, z definicji nie posiadających jądra, komórek prokariotycznych – cała protoplazma.
Glukoza (dokładniej: D-glukoza), C6H12O6 – węglowodan należący do cukrów prostych z grupy aldoheksoz. Jest białym, drobnokrystalicznym ciałem stałym, z roztworów wodnych łatwo krystalizuje jako monohydrat. Bardzo dobrze rozpuszczalna w wodzie (nie zmienia pH roztworu), nierozpuszczalna w etanolu. Ma słodki smak, nieco mniej intensywny od sacharozy.

Cykl kwasu cytrynowego

Synteza cytrynianu

ΔG'°=-31.4 kJ/mol

Budowa syntazy cytrynianowej.

W pierwszej reakcji cyklu acetylo-CoA łączy się ze szczawiooctanem w reakcji katalizowanej przez syntazę cytrynianową. W efekcie tworzy się cytrynylo-CoA, który rozpada się na wolny koenzym A (CoASH) i cytrynian. Należy zwrócić uwagę, że ten ostatni jest związkiem sześciowęglowym.

Glukoneogeneza (ang. Gluconeogenesis) - enzymatyczny proces przekształcania niecukrowcowych prekursorów, np. aminokwasów, glicerolu czy mleczanu w glukozę. Resynteza glukozy następuje głównie w komórkach wątroby i w mniejszym stopniu w komórkach nerek, a głównym punktem wejścia substratów do tego szlaku jest pirogronian. Szybkość zachodzenia procesu jest zwiększana podczas wysiłku fizycznego i głodu. W wyniku glukoneogenezy wydzielają się duże ilości energii.
Energia gr. ενεργεια (energeia) – skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca pod względem ilościowym stan układu fizycznego (materii) (z punktu widzenia termodynamiki niektóre formy energii są funkcjami stanu i potencjałami termodynamicznymi), stan i wzajemne oddziaływania obiektów fizycznych (ciał, pól, cząstek, układów fizycznych), przemiany fizyczne i chemiczne oraz wszelkiego rodzaju procesy występujące w przyrodzie.

Inhibitorami tego etapu są ATP (gdyż jego obecność świadczy o mniejszym zapotrzebowaniu energetycznym komórki) oraz acyli-CoA o długich łańcuchach alifatycznych (są to reszty kwasów tłuszczowych).

Izomeryzacja

ΔG'°=+6.3 kJ/mol

Budowa akonitazy

Cytrynian powstały w poprzedniej reakcji zazwyczaj nie jest przekazywany do środowiska wodnego macierzy mitochondrialnej, ale przechodzi od razu do kolejnego enzymu: akonitazy, czyli hydratazy akonitanowej. Zjawisko to zwane jest chanellingiem. Zwiększa to znacznie szybkość reakcji, bowiem enzym nie musi czekać, aż substrat się na niego "natknie", ale rozpoczyna katalizę swej reakcji natychmiast po zakończeniu poprzedniej. Poza tym dzięki temu dwie identyczne grupy -CH2COO są rozróżniane przez enzym: reakcji zawsze będzie ulegała ta pochodząca od szczawiooctanu. Jeśli zaś akonitaza jest wysycona, cytrynian przechodzi do cytoplazmy, gdzie rozpada się do substratów, z których powstał. Dzięki temu nadmiar acetylo-CoA może zostać użyty do przebiegającej tam syntezy kwasów tłuszczowych.

Izoenzymy (izozymy) - homologiczne enzymy w obrębie danego organizmu, które katalizują tę samą reakcję, ale różnią się nieznacznie strukturą, wartościami Km i Vmax oraz właściwościami regulacyjnymi. Izoenzymy ulegają ekspresji w różnych tkankach lub organellach w różnych stadiach rozwojowych. Są kodowane przez geny zajmujące różne loci, które zwykle powstają w wyniku duplikacji genu i dywergencji. Izoenzymy można często odróżnić od siebie na podstawie właściwości biochemicznych, takich jak ruchliwość elektroforetyczna.
Koenzym A (w skrócie CoA, czasem CoASH w celu uwidocznienia niepodstawionej grupy tiolowej) - związek organiczny powstający w organizmie z adenozynotrifosforanu, pantotenianu oraz β-merkaptoetyloaminy, służący jako przenośnik grup acylowych. Cząsteczkę koenzymu A związaną z resztą acylową nazywa się acylokoenzymem A (acylo-CoA). Najważniejszym z takich połączeń jest acetylokoenzym A (acetyl-CoA).

Akonitaza przeprowadza wpierw odłączenie cząsteczki wody od cytrynianu, tworząc wiązanie podwójne. Powstaje cis-akonitan. Metabolit ten przyłącza zaś ponownie cząsteczkę wody, ale tym razem grupą hydroksylową zostaje podstawiony 2., a nie 3. atom C. Powstałą sól hydroksykwasu nazywamy izocytrynianem. W probówce reakcja izomeryzacji przebiegałaby w odwrotną stronę, wobec czego in vivo zachodzić musi nieustanne dostarczanie substratu i usuwanie produktu, co wymusza prawidłowy przebieg.

Dwutlenek węgla (CO2, nazwa systematyczna: ditlenek węgla lub tlenek węgla(IV)) – nieorganiczny związek chemiczny, tlenek węgla na IV stopniu utlenienia.
Kwas bursztynowy (wg obecnej nomenklatury IUPAC kwas 1,4-butanodiowy, dawniej kwas 1,2-etanodikarboksylowy) – związek organiczny, kwas dikarboksylowy o wzorze (CH2COOH)2.

Etap ten blokowany jest przez fluorocytrynian, który może być produktem syntazy cytrynianowej, jeśli zamiast reszty acetylowej do szczawiooctanu dołączy ona fluoroacetylową.

Pierwsze utlenienie

ΔG'°=-8.4 kJ/mol

Budowa dehydrogenazy izocytrynianowej u Escherichia coli.

Izocytrynian zostaje utleniony przy użyciu NAD przez dehydrogenazę izocytrynianową. Grupa hydroksylowa zostaje przekształcona w karbonylową. W ten sposób powstaje szczawiobursztynian. Związek ten, będąc β-ketokwasem (licząc od "środkowej" grupy karboksylowej), ulega dekarboksylacji, zanim jeszcze odłączy się od enzymu. Produkty tej reakcji to dwutlenek węgla oraz α-ketoglutaran. W przeciwieństwie do poprzednich związek ten posiada 5 atomów C.

β-oksydacja (β-oksydacja Knoopa) – szereg reakcji przekształcenia kwasów tłuszczowych w acetylokoenzym A (acetylo-CoA) w przypadku kwasów tłuszczowych o parzystej liczbie węgli oraz acetylo-CoA i propionylo-CoA, gdy liczba atomów węgla jest nieparzysta.
Prokarionty, prokarioty, organizmy prokariotyczne (Prokaryota, Procaryota) – mikroorganizmy w większości jednokomórkowe, których komórka nie zawiera jądra komórkowego oraz organelli komórkowych charakterystycznych dla eukariontów. Nazwa pochodzi od greckich słów pros (przed) i karyon (jądro). Pozostałe synonimy to: akariobionty, akariota, organizmy akariotyczne, anukleobionty, bezjądrowce, bezjądrowe, prokariota, protokarionty, przedjądrowce.

Oksydacyjna dekarboksylacja

ΔG'°=-30.1 kJ/mol

Kompleks dehydrogenazy α-ketoglutaranowej u Escherichia coli

Α-ketoglutaran ulega oksydacyjnej dekarboksylacji analogicznej do podobnego procesu, w którym substratem jest pirogronian. Tym razem proces katalizuje kompleks dehydrogenazy α-ketoglutaranowej. Utlenianie i dekarboksylacja także przebiega analogicznie. Wymaga ona następujących kofaktorów:

Saccharomyces cerevisiae (czyt. sakharomyces cerewisje) – gatunek drożdży należący do grzybów, którego poszczególne szczepy (drożdże piekarnicze, drożdże górnej fermentacji, drożdże winiarskie, gorzelnicze) znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach spożywczych i posiadają ogromne znaczenie dla człowieka, który wykorzystywał je już w starożytności w piekarnictwie, browarnictwie czy później w gorzelnictwie.
Fosforylacja substratowa – reakcja chemiczna, która ma miejsce, gdy reszta fosforanowa zostanie przeniesiona ze związku ufosforylowanego – substratu – bezpośrednio na ADP przez enzymy, najczęściej z grupy kinaz. Ten sposób wytwarzania ATP nie wymaga udziału tlenu i zachodzi np. w glikolizie oraz cyklu Krebsa. Ten sposób wytwarzania ATP jest ewolucyjnie najstarszy, jednak ilość związków, które mogą wejść w reakcję fosforylacji substratowej jest ograniczona. Fosforylacja ta pozwala, np. mięśniom szkieletowym funkcjonować sprawnie podczas dużego wysiłku fizycznego przy niedostatecznym dopływie tlenu.

pirofosforan tiaminy, TPP (aktywna postać witaminy z grupy B), na który przeniesieniu ulega substrat, by odłączyć CO2

liponamid (amid kwasu liponowego) – przenosi z TPP zdekarboksylowaną resztę pochodzącą od ketoglutaranu, redukując się

koenzym A – odbiera tą resztę liponamidowi, w wyniku czego powstaje bursztynylo-CoA, zwany także sukcynylo-CoA

dinukleotyd flawinoadeninowy, FAD – utlenia zredukowany liponamid, przekształcając się w FADH2

dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy, NAD – utlenia z kolei zredukowany FADH2, przechodząc w NADH

NADH wędruje oddać równoważniki redukcyjne na łańcuch oddechowy.

Guanozynotrifosforan, GTP – organiczny związek chemiczny, nukleotyd purynowy pełniący funkcję przenośnika energii w komórce. Pełni podobne funkcje do adenozynotrifosforanu (ATP), zawiera dwa wiązania wysokoenergetyczne. GTP bierze udział w reakcjach fosforylacji, a także dostarcza energię w procesie translacji a także transkrypcji. Powstaje w cyklu Krebsa.
Kwas asparaginowy (nazwa skrótowa Asp lub D; ; skróty "Asx" lub "B" oznaczają "kwas asparaginowy lub asparagina" czyli Asx = [Asp lub Asn]) – organiczny związek chemiczny z grupy aminokwasów białkowych o charakterze kwasowym. Anion karboksylowy tego kwasu (forma anionowa jest formą przeważającą w warunkach fizjologicznych) to asparaginian. Uczestniczy w syntezie puryn i pirymidyn oraz mocznika i AMPS z IMP. Zapotrzebowanie na niego jest w całości pokrywane przez syntezę w organizmie, zatem jest to aminokwas endogenny.

Produkt, bursztynylo-CoA, posiada resztę posiadającą już tylko 4 węgle.

Fosforylacja substratowa

ΔG°′ = -3.3 kJ mol

Budowa syntetazy bursztynylo-CoA u Sus scrofa

Bursztynylo-CoA, posiadając wiązanie wysokoenergetyczne, zostaje wykorzystany do przeprowadzenia fosforylacji substratowej przy użyciu fosforanu nieorganicznego. Katalizujący ten proces enzym nazywany jest syntetazą sukcynylo-CoA albo tiokinazą bursztynianową. W większości tkanek związkiem, na który przenosi się energia, jest ADP (adenozynodifosforan). Jednakże w komórkach przeprowadzających proces glukoneogenezy i w związku z tym potrzebujących GTP (wykorzystywanego przez karboksykinazę fosfoenolopirogronianową) występuje także drugi izoenzym – fosforylujący GDP. Wiąże się z tym pewien rodzaj regulacji glukoneogenezy. Mianowicie odnawianie puli glukozy ma sens tylko, kiedy ładunek energetyczny jest dość duży. Jeśli cykl Krebsa dostarczałby zbyt mało energii, produkowałby więc też mało GTP i ograniczałby glukoneogenezę.
W reakcji oprócz trójfosforanu puryny powstają wolny koenzym A i bursztynian. Ponieważ cząsteczka tego ostatniego jest symetryczna i oba jej końce nie różnią się między sobą, od tego momentu nie możemy już odróżnić, który atom węgla pochodził z wprowadzonej do cyklu reszty acetylowej, a który ze szczawiooctanu.

Dzik (Sus scrofa) – gatunek dużego, lądowego ssaka łożyskowego z rzędu parzystokopytnych. Sus scrofa jest jedynym przedstawicielem dziko żyjących świniowatych w Europie. Jest przodkiem świni domowej.
Metabolit – produkt metabolizmu (przemian chemicznych zachodzących w organizmach). Metabolity to związki organiczne i nieorganiczne produkowane przez komórki. Przyjęto jednak, że określenie to nie dotyczy białek i kwasów nukleinowych. Zwykle pisząc o metabolitach ma się na myśli związki niskocząsteczkowe.

Utlenienie bursztynianu

ΔG'°=0 kJ/mol

Budowa dehydrogenazy bursztynianowej u Escherichia coli.

Bursztynian ulega odwodornieniu katalizowanemu przez dehydrogenazę bursztynianową. Przenosi ona równoważniki redukcyjne z bursztynianiu na dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD), tworząc fumaran oraz FADH2. Nadmienić należy, że w przeciwieństwie do innych enzymów cyklu Krebsa dehydrogenaza ta jest trwale związana z wewnętrzną błoną mitochondrium, stanowi bowiem 2. kompleks przenośników elektronów łańcucha oddechowego.

Macierz mitochondrialna (łac. matrix) - bezpostaciowa substancja wypełniająca wnętrze mitochondrium. W jej skład wchodzą między innymi enzymy przyspieszające reakcje utleniania substancji organicznych. W macierzy zawieszone są także niewielkie cząsteczki jego własnego DNA oraz rybosomy. Dzięki temu mitochondria syntetyzują niektóre swoje białka.
Dinukleotyd flawinoadeninowy, FAD – organiczny związek chemiczny złożony z mononukleotydu flawinowego (FMN) (pochodnej ryboflawiny) i kwasu adenozynomonofosforowego (AMP), koenzym oksydoreduktaz, pełniący funkcję przenośnika elektronów i protonów (kationów wodorowych). Przenosi dwa protony i dwa elektrony, w efekcie czego utleniona forma FAD przechodzi odwracalnie w formę zredukowaną FADH2.

Przyłączenie cząsteczki wody

ΔG'°=-3.8 kJ/mol

Budowa fumarazy u Saccharomyces cerevisiae.

Fumaran posiada wiązanie podwójne węgiel-węgiel w konfiguracji trans, do którego przyłącza się cząsteczka wody. Reakcję tą katalizuje fumaraza nazywana także hydratazą fumaranową. W rezultacie powstaje L-jabłczan. Ponieważ oba końce cząsteczki fumaranu są nieodróżnialne, grupa hydroksylowa jabłczanu może znajdować się zarówno przy atomie węgla pochodzącym ze szczawiooctanu, jak i przy dostarczonym przez acetylo-CoA.

Sir Hans Adolf Krebs (ur. 25 sierpnia 1900 w Hildesheim, Niemcy, zm. 22 listopada 1981 w Oksfordzie, Anglia, Wielka Brytania) – biochemik i lekarz niemiecki pochodzenia żydowskiego, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny w 1953 roku za odkrycie i opracowanie mechanizmów cyklu przemian kwasu cytrynowego (nazwanego później cyklem Krebsa).
Kwas jabłkowy (inaczej: kwas hydroksybursztynowy, kwas hydroksybutanodiowy, HOOC-CH2-CH(OH)-COOH) – organiczny związek chemiczny, hydroksykwas dikarboksylowy obecny m.in. w soku z jabłek.

Odtworzenie szczawiooctanu

ΔG'°=+29.7 kJ/mol

Budowa dehydrogenazy jabłczanowej u Thermus flavus.

L-jabłczan ulega w ostatniej reakcji cyklu utlenieniu z odtworzenie szczawiooctanu, który może przyłączyć kolejną resztę acetylową. Proces ten katalizuje dehydrogenaza jabłczanowa, enzym przenoszący równoważniki redukcyjne na dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy NAD, tworząc jego zredukowaną formę NADH.

Dehydrogenaza bursztynianowa – (EC 1.3.99.1) katalizuje reakcje odwodornienia bursztynianu z wytworzeniem fumaranu. W grupie prostetycznej enzymu występuje FAD. Na każdą grupę flawinową przypadają 4 atomy żelaza i 4 jony siarczkowe. Dehydrogenaza bursztynianowa u eukariontów jest zlokalizowana w wewnętrznej błonie mitochondrium.
Kwas pirogronowy (kwas 2-oksopropanowy), CH3-CO-COOH – organiczny związek chemiczny z grupy α-ketokwasów. Jest produktem przejściowym fermentacji alkoholowej węglowodanów.

Substratem dla tego specyficznego biokatalizatora jest jedynie występujący w naturze izomer L jabłczanu. Otrzymany sztucznie enancjomer D nie jest rozpoznawany przez białko.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)