1

Cykl kwasu cytrynowego

INNE NAZWY:

CYKL KWASÓW

TRIKARBOKSYLOWYCH (CKT)

CYKL KREBSA

REAKCJA KATALIZOWANA PRZEZ

DEHYDROGENAZĘ PIROGRONIANOWĄ

Pirogronian

Dehydrogenaza

pirogronianowa

Acetylo - CoA

2

OKSYDACYJNA DEKARBOKSYLACJA

PIROGRONIANU

ENZYM

SYMBOL
ENZYMU

GRUPA
PROSTETYCZNA

KATALIZOWANA
REAKCJA

Składnik o aktywności

DEHYDROGENAZY
PIROGRONIANOWEJ

E

1

DPT (PPT)-
DIFOSFORAN
TIAMINY
(PIROFOSFORAN
TIAMINY)

OKSYDACYJNA
DEKARBOKSYLACJA
PIROGRONIANU

ACETYLOTRANSFERAZA

DIHYDROLIPONIANOWA

E

2

KWAS
LIPONOWY
(LIPOAMID)

PRZENIESIENIE GRUPY
ACETYLOWEJ

NA CoA

DEHYDROGENAZA
DIHYDROLIPONIANOWA

E

3

DINUKLEOTYD
FLAWINOADENI-
NOWY (FAD)

REGENERACJA
UTLENIONEJ FORMY
LIPOAMIDU

KOMPLEKS DEHYDROGENAZY PIROGRONIANOWEJ E.coli

Reakcja katalizowana przez dehydrogenazę

pirogronianową

P-hydroksyetyloamina

3

CYKL KWASU CYTRYNOWEGO

•

SUMARYCZNE RÓWNANIE CYKLU :

Acetylo – CoA + 3NAD

+

+ FAD + GDP + P

i

+ 2H

2

O

2CO

2

+ 3NADH + FADH

2

+ GTP + 2H

+

+ CoA

Cykl Krebsa

Cykl kwasów
trójkarboksylowych

Cykl kwasu
cytrynowego

4

KONTROLA OKSYDACYJNEJ DEKARBOKSYLACJI

PIROGRONIANU I CYKLU KWASU CYTRYNOWEGO

U org. eukariotycznych
dehydrogenaza
pirogronianowa jest
regulowana na drodze
fosforylacji/defosforylacji

ATP, NADH, bursztynylo-
CoA, acylo-CoA

Mathews i inni,
Biochemistry, 2000,
zmodyfikowany

1

- DEHYDROENAZA

PIROGRONIANOWA

2 -SYNTAZA
CYTRYNIANOWA

3 – DEHYDROGENAZA
IZOCYTRYNIANOWA

4 – DEHYDROGENAZA 2-
OKSOGLUTARANOWA

1

2

3

4

Bilans cyklu Krebsa:
a) 2C, które wchodzą do cyklu są wydzielane w formie CO

2

,

b) trzy jony hydroniowe (3 x dwa elektrony i proton) są

przeniesione na 3 cząsteczki NADH,
c) dwa atomy wodoru z substratu trafiają na cząsteczkę FAD, co
daje FADH

2

.

Acetylo-CoA

2CO

2

CKT

GTP

8 e

-

8 e

-

O

2

4H

2

O

Gradient protonów

(około 36 H

+

)

Łańcuch

transportu

elektronów

36 H

+

9 ATP

Syntaza

ATP

9 ADP +
9 Pi

Fosforylacja
oksydacyjna

5

ENERGETYKA CYKLU KWASU

CYTRYNOWEGO

•

Z każdej cząsteczki NADH w fosforylacji oksydacyjnej powstają

2.5 cząsteczki ATP.

•

Z każdej cząsteczki FADH

2

w fosforylacji oksydacyjnej powstaje

1.5 cząsteczki ATP.

•

W cyklu kwasu cytrynowego zachodzą :

•

Trzy odwodorowania z udziałem NAD

+

3NADH 7.5 ATP

•

Jedno odwodorowanie z udziałem FAD FADH

2

1.5 ATP

•

Jedna fosforylacja substratowa

GTP 1 ATP

•

Σ

10 ATP

na jedną cząsteczkę acetylo-CoA, czyli 20 na jedną cząsteczkę glukozy.

CYKL KWASU CYTRYNOWEGO jest źródłem
substratów dla wielu procesów anabolicznych
(syntezy)

Mathews i inni,
Biochemistry, 2000,
zmodyfikowany

Karboksykinaza

PEP

6

Reakcje anaplerotyczne

(uzupełniajace)

•

Reakcje anaplerotyczne uzupełniają intermediaty cyklu

Krebsa, aby nie doszło do jego zatrzymania.

•

Podział reakcji anaplerotycznych:

1.

Związane z asymilacją dwutlenku węgla w komórkach

zwierząt.

2.

Związane z katabolizmem aminokwasów, a ich

produktami mogą być:

•

2-oksoglutaran ( z Glu, His, Pro, Gln, Arg)

•

bursztynylo-CoA ( z Ile, Val, Met)

•

fumaran (z Tyr, Phen)

•

szczawiooctan ( z Asp)

Przykłady REAKCJI ANAPLEROTYCZNE

Pirogronian + CO

2

+ATP + H

2

O szczawiooctan + ADP + P

i

Fosfoenolopirogronian + CO

2

+ GDP szczawiooctan + GTP

Pirogronian + CO

2

+ NADH + H

+

jabłczan + NAD

+

Glutaminian + NAD(P)

+

2-oksoglutaran + NH

4

+

NAD(P)H + H

+

Reakcja

Enzym

Karboksylaza

pirogronianowa

Karboksykinaza
PEP

Enzym
jabłczanowy
zależny od
NAD+

Dehydrogenaza
glutaminianowa

7

2 acetylo-CoA + NAD

+

+ 2H

2

O→

→

bursztynian +2CoA +NADH +2H

+

Proces wykorzystywany do
wzrostu i wytwarzania cukrów z
acetylo-CoA.
Przebiega w glioksysomach roślin
wyższych i komórkach
mikroorganizmów. Nie występuje
w organizmach zwierzęcych.
W jednym obrocie cyklu
zużywane są dwie cząsteczki
acetylo-CoA pochodzące z
octanu lub z rozkładu tłuszczów.
Enzymy specyficzne dla cyklu
glioksalowego:

1) liaza izocytrynianowa;
2) syntaza jabłczanowa.

Cykl glioksalowy

R. Boyer Conceps in Biochemistry, 2001, zmodyfikowany

Utlenianie
kwasów
tłuszczowych

Łańcuch oddechowy i

fosforylacja oksydacyjna

8

SKŁADNIKI ŁAŃCUCHA TRANSPORTU ELEKTRONÓW

Cytochrom a,
Cytochrom a

3

,

Cu

A

, Cu

B

160

(10 podjednostek)

Oksydaza cytochromu c
(Oksydaza cytochromowa)

Cytochrom b

562,

Cytochrom b

566,

Cytochrom c

1

białka Fe-S

250

(10 podjednostek)

Oksydoreduktaza
koenzym Q-cytochrom c
(Reduktaza cytochromowa)

FAD,
białka Fe-S

140

(4 podjednostki)

Reduktaza
bursztynian – koenzym Q

FMN,
białka Fe-S

880

(34 podjednostki)

Oksydoreduktaza
NADH- koenzym Q
(Dehydrogenaza NADH)

Grupa
prostetyczna

Masa

(kilodaltony

)

Kompleks
enzymatyczny

Koenzym Q – ruchomy przenośnik elektronów

Cytochrom C – ruchomy przenośnik elektronów

ŁAŃCUCH TRANSPORTU ELEKTRONÓW

• Transport elektronów przez łańcuch

oddechowy jest wymuszony różnicą

potencjału redoks między NADH i O

2

.

• E

o

’

dla NADH wynosi – 0,32 V

E

o

’

dla O

2

wynosi + 0,82 V.

NADH + H

+

+ ½ O

2

NAD

+

+ H

2

O

∆

∆

∆

∆ E

o

’

= 0,82 – (-0.32)= +1.14 V

∆

∆

∆

∆G

o

’

= - nF ∆

∆

∆

∆ E

o

’

n – ilość przeniesionych elektronów

F – stała Faradaya
∆ E

o

’

– zmiana potencjału redoks

∆G

o

’

– energia swobodna wydzielana podczas

reakcji utleniania.

∆

∆

∆

∆G

o

’

= -2 x 96,556kJ·V

-1

·mol

-1

x 1,14V =

= - 220kJ/mol

ADP + P

i

+ H

+

ATP + H

2

O ∆G

0’

= 30,5kJ/mol

Mathews i inni, Biochemistry, 2000,
zmodyfikowany

9

SZCZEGÓŁOWY OBRAZ TRANSPORTU

ELEKTRONÓW

Oksydoreduktaza NADH-Q

Reduktaza

NADH-koenzym Q)

POMPA PROTONOWA

Oksydoreduktaza koenzym

Q-cytochrom c

(Reduktaza cytochromowa)

POMPA PROTONOWA

Reduktaza bursztynian – koenzym Q

Oksydaza cytochromu c

(Oksydaza

cytochromowa)

POMPA PROTONOWA

DZIAŁANIE POMP PROTONOWYCH

• Dehydrogenaza NADH (reduktaza NADH- Q )

NADH + Q + 5H

+

matriks

NAD

+

+ QH

2

+

4H

+

cytozol

• Reduktaza cytochromowa

QH

2

+ 2 cyt c

utleniony

+ 2H

+

matriks

Q + 2cyt c

zred

+

2H

+

cytozol

• Oksydaza cytochromowa

4cyt c

zred

+ 8H

+

matriks

+ O

2

4cyt c

utl

+ 2 H

2

O +

4H

+

cytozo

l

10

CYKL Q

Berg i współaut. Biochemia

Matriks

Przestrzeń międzybłonowa

Teoria

chemiosmotyczna

Mitchella

Siła protonomotoryczna

∆p = ∆Ψ+ ∆pH

(∆ψ)

11

Struktura syntazy ATP

DZIAŁANIE
SYNTAZY
ATP

• Podjednostki ß syntazy ATP posiadają miejsca katalityczne - miejsca wiązania

nukleotydów: ADP +Pi oraz ATP.

• Podjednostki ß syntazy ATP są funkcjonalnie nierównoważne:
• miejsce katalityczne w formie

O

- otwarte – ma znikome powinowactwo do

substratów;

• miejsce katalityczne w formie

L

– luźno wiąże substraty i nie ma aktywności

katalitycznej;

• miejsce katalityczne

T

– mocno wiąże substraty ( ADP i Pi ) i jest katalitycznie

aktywne.

• Energia wniesiona przez przepływ protonów przez kanał Fo, powoduje zmianę

konformacji miejsc katalitycznych: T przechodzi w O, L w T a miejsce O w L.

• Te zmiany konformacyjne zachodzą prawdopodobnie na skutek rotacji podjednostek

ß względem podjednostki

γ.

Podjednostka γ przenosi energię protonów i wymusza

transformację miejsca T w miejsce O, aby nastąpiło odłączenie ATP.

12

ELEKTRONY Z CYTOPLAZMATYCZNEGO NADH

WCHODZĄ DO MITOCHONDRIÓW ZA

POŚREDNICTWEM CZÓŁENEK

STRYER L. BIOCHEMIA 1997

Dehydrogenaza

glicerolo-3-P

Dehydrogenaza glicerolo-3-P

ELEKTRONY Z CYTOPLAZMATYCZNEGO NADH
SĄ PRZENOSZONE DO MITOCHONDRIÓW ZA
POŚREDNICTWEM CZÓŁENEK.

Czółenko jabłczanowo-asparaginianowe

(kardiomiocyty i hepatocyty)

13

STRYER L.

BIOCHEMIA, 1997

INHIBITORY I ROZPRZĘGACZE ŁAŃCUCHA

ODDECHOWEGO

1.

2.

Inne substancje rozprzęgające

:

dikumarol, tyroksyna, duże dawki

aspiryny, termogenina.

STRYER L., BIOCHEMIA, 1997

14

DZIAŁANIE TERMOGENINY

TERMOGENINA

PRZESTRZEŃ

MIĘDZYBŁONOWA

MATRIKS

WEWNĘTRZNA BŁONA MITOCHONDRIALNA

Czynniki rozprzęgające:

• działają jak jonofory
znoszą gradient
protonowy

• nie zachodzi
wytwarzanie ATP
pomimo przepływu
elektronów ze
zredukowanych
koenzymów na tlen

• energia uzyskana z
transportu elektronów
wzdłuż łańcucha
oddechowego zostaje
wydzielona w postaci
ciepła

Regulacja fosforylacji oksydacyjnej

• Fosforylacja oksydacyjna wymaga NADH, FADH

2

, tlenu,

ADP i Pi.

• Transport elektronów jest sprzężony z syntezą ATP.
• Kontrola oddechowa, elektrony przepływają do tlenu tylko

wtedy, gdy potrzebna jest synteza ATP. Szybkość
procesu zależy od dostępności ADP.
↑

[ADP] → ↑zużycia O

2

↑

[ATP] → ↓zużycia O

2

• Duże [ATP]: nie zachodzi transport elektronów, gromadzi

się NADH i FADH

2

, gromadzi się cytrynian, następuje

zahamowanie CKT i glikolizy.

15

Łańcuch oddechowy u roślin

Łańcuch oddechowy u roślin

Reaktywne formy tlenu

1

O

2

Anionorodnik
ponadtlenkowy

Tlen singletowy

Nadtlenek
wodoru

O

3

Ozon (

50 km nad powierzchnią

ziemi w stratosferze), pochłania
promieniowanie nadfioletowe.

.

OH

Rodnik hydroksylowy

16

ENZYMY OCHRONNE

(ROS, ang. reactive oxygen species)

STRYER L., BIOCHEMIA, 1997

(Anionorodnik ponadtlenkowy)

ENZYMY OCHRONNE

• Organizmy eukariotyczne zawierają

dwie formy dysmutazy

ponadtlenkowej (SOD):

1.zawierającą magnez zlokalizowaną

w mitochondriach;

2.zawierającą cynk i miedż

zlokalizowaną w cytoplazmie.

• Obie formy posiadają zbliżony

mechanizm działania.

• Utleniona forma SOD (M

ox

) wchodzi

w reakcję z anionem

ponadtlenkowym- powstaje O

2

i

zredukowana forma enzymu (M

red

).

• Zredukowana forma enzymu reaguje

z drugim anionem ponadtlenkowym

i dwoma protonami - powstaje

nadtlenek wodoru oraz zostaje

zregenerowana utleniona forma

enzymu.

17

INNE ZWIĄZKI – WYMIATACZE WOLNYCH RODNIKÓW

Kwas askorbinowy ( wit.C)

Witamina E

Glutation – forma zredukowana