CYKL KWASU CYTRYNOWEGO – CYKL KREBSA –
CYKL KWASÓW TRIKARBOKSYLOWYCH (TCA)
Funkcją cyklu Krebsa jest odbieranie wysokoenergetycznych e- z substratów energetycznych.
Zachodzi wewnątrz mitochondriów.
Sam cykl nie dostarcza dużo ATP, natomiast podczas niego przenośniki e- takie jak FAD (nukleotyd flawinoadeninowy) i NAD+ (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy) są dalej wykorzystywane w fosforylacji oksydacyjnej gdzie e- są uwalniane z FADH i NADH generując cząsteczki ATP. Uwalnianych jest 8 e-.
2
1)
dekarboksylacja oksydacyjna – reakcja pomostowa (nie zalicza się do cyklu Krebsa – łączy cykl Krebsa z glikolizą), jest nieodwracalna:
PIROGRONIAN + CoA + NAD+
ACETYLO–CoA + CO + NADH
2
Reakcja ta zachodzi w 3 etapach:
+ Dekarboksylacja pirogronianu
+ Utlenienie (przeniesienie e- na NAD+) – niezwykłe gdyż wyjatkowo e-
przenoszone są z FADH na NAD+
2
+ Przeniesienie gr. acetylowej na CoA
Nadmiar acetylo – CoA może być użyty do syntezy kw tłuszczowych lub ciał ketonowych.
Zachodzi w matriks mitochondrialnej, gdzie specjalne białko w błonie mitochondriom przenosi pirogronian.
Powstaje CO a wysokoenergetyczne e- zmagazynowane zostają w NADH.
2
Dehydrogenaza pirogronianowa to olbrzymi enzym 4 – 10 mlnDa złożony z 3 enzymów:
+ Składnik o aktywności dehydrogenazy pirogronianowej
+ Acetylotransferaza dihydroliponianowa
+ Dehydrogenaza dihydroliponianowa
___________________________________________________________________________________________
2)
kondensacja: C2 + C4 = C6
ACETYLO – CoA + SZCZAWIOOCTAN + H O
CYTRYNIAN + CoA
2
Syntaza cytrynianowa nie hydrolizuje wiązania acetylo–CoA , ponieważ
+ acetylo–CoA nie wchodzi w reakcje z syntezą, dopóki nie zostanie związany ze szczawiooctanem
+ reszty enzymu decydujące o reakcji działają dopiero gdy powstanie cytrynylo–CoA , 3)
izomeryzacja
CYTRYNIAN
IZOCYTRYNIAN
Akonitaza jest enzymem żelazowo – siarkowym: 4 at Fe połączone są z 4 at S nieorg i 2 at S cysteiny.
Cytrynian jest dehydratowany, powstaje cis – akonitan, który jest ponownie hydratoway dając izocytrynian.
utlenianie C6 → C5
IZOCYTRYNIAN + NAD+
α–KETOGLUTARAN + NADH + CO
2
Powstaje pierwsza cz z wysokoenergetycznymi e- – NADH
Szybkość tworzenia się α–ketoglutaranu decyduje o szybkości całego cyklu.
5)
utlenianie C5 ՜ C4
!"
α–KETOGLUTARAN + NAD+
BURSZTYNYLO – CoA + NADH + CO
#$"% &
2
Reakcja jest analogiczna jak dekarboksylacja oksydacyjna – reakcja pomostowa.
Wiązanie tioestrowe w bursztynylo–CoA jest wysokoenergetyczne.
6)
przekształcenie, w wyniku którego powstaje ATP (u roślin) lub GTP (raczej u zwierząt)
BURSZTYNYLO – CoA + Pi + ADP/GDP
BURSZTYNIAN + ATP/GTP + CoA
'% "$
Wiązanie bursztynylo–CoA jest wysokoenergetyczne, rozerwanie tego wiązania – tioestrowego – jest sprzężone z fosforylacją difosforanu nukleozydu purynowego – GDP/ADP.
Syntetaza bursztynylo–CoA jest heterodimerem α β – każda podjednostka składa się z 2 domen.
2 2
7)
utlenienie
BURSZTYNIAN + FAD
FUMARAN + FADH
'%
2
FAD jest akceptorem H+, ponieważ zmiana energii swobodnej tej reakcji jest niewystarczająca do redukcji NAD+.
FAD łączy się z enzymem dając kompleks E–FAD.
Dehydrogenaza bursztynianowa (podobnie jak akonitaza) jest białkiem żelazowo – siarkowym, o 3 różnych ugrupowaniach tych pierwiastków:
2Fe – 2S
3Fe – 2S
4Fe – 4S
Dehydrogenaza bursztynianowa różni się od innych enzymów cyklu Krebsa tym, że jest integralną częścią wewnętrznej błony mitochondrialnej – enzym ten stanowi pomost między cyklem Krebsa a łańcuchem oddechowym – syntezą ATP.
Kompleks E–FADH nie dysocjuje, wysokoenergetyczne e- przenoszone są z FADH na ugrupowania żelazowo –
2
siarkowe, które przekazują je do koenzymu Q – CoQ – ubichinon.
8)
uwodnienie fumaranu do jabłczanu
(%!
FUMARAN + H O
JABŁCZAN
2
Powstaje wyłącznie L – jabłczan, ponieważ fumaraza jest enzymem stereospecyficznie przyłączającym H+ i OH- w układnie trans – gr. OH- przyłączana jest tylko z jednej strony wiązania podwójnego fumaranu.
utlenienie
JABŁCZAN + NAD+
SZCZAWIOOCTAN + NADH
& 'Ł
Energia swobodna tej reakcji jest wyjątkowo, znacząco dodatnia, jej zajście jest możliwe dzięki wykorzystaniu produktów reakcji:
Szczawianu przez syntezę cytrynianową (reakcja 2)
NADH przez łańcuch transportu e- w łańcuchu oddechowym
Acetylo – CoA + 3NAD+ + FAD + GDP/ADP + Pi + 2H O
2
2CO + 3NADH + FADH + GTP/ATP + 2H+ + CoA
2
2
Powstaje
8 e- 6 w 3NADH i 2 w 1FADH
2
8 H+
Tunelowanie substratowe:
Proces za pomocą, którego substraty cyklu Krebsa wędrują od jednego MA do drugiego w innym enzymie za pomocą kontaktujących się kanałów pomiędzy poszczególnymi enzymami, które są ciasno upakowane. Taki olbrzymi kompleks nazwano metabolonem (nazwa proponowana).
Dzięki jednej jednostce octanowej w wyniku cyklu Krebsa powstaje 1 cz ATP/GTP oraz 3NADH i 1FADH , 2
które dalej zostają użyte w łańcuchu oddechowym dając 9 cząsteczek ATP. Wobec tego, w sumie powstaje 10
cząsteczek ATP. Ponadto powstaje 8 protonów, które zostaną wykorzystane również w fosforylacji oksydacyjnej
– syntezie ATP.
Cykl kwasu cytrynowego może zachodzić jedynie w warunkach tlenowych, ponieważ regeneracja NAD+ i FAD przebiega wyłącznie poprzez transport e- w łańcuchu oddechowym na O .
2
Cykl kwasu cytrynowego nie tylko dostarcza paliwa komórkowego, ale również jest ważnym źródłem elementów budulcowych dla wielu biocząsteczek.
Regulacja cyklu kwasu cytrynowego:
+ Fosforylacja dehydrogenazy pirogronianowej hamuje jej aktywność:
+ Enzym ten jest nieaktywny, gdy stężenie produktów oraz ładunek energetyczny są duże.
+ Ponowna aktywacja następuje przy dużym stężeniu ADP i pirogronianu.
+ Dodatkowo wzrost stężenia Ca2+ wzmaga aktywność dehydrogenazy pirogronianowej.
+ Regulacja hormonalna, np. adrenalina zwiększa stężenie Ca2+.
+ Dehydrogenaza izocytrynianowa jest hamowana poprzez ATP oraz NADH.
+ Dehydrogenaza α – ketoglutaranowa (jest podobna do dehydrogenazy pirogronianowej), ponadto hamowana przez: ATP, NADH oraz bursztynylo – CoA.