1
Cykl kwasu cytrynowego
INNE NAZWY:
CYKL KWASÓW
TRIKARBOKSYLOWYCH (CKT)
CYKL KREBSA
REAKCJA KATALIZOWANA PRZEZ
DEHYDROGENAZĘ PIROGRONIANOWĄ
Pirogronian
Dehydrogenaza
pirogronianowa
Acetylo - CoA
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