Cykl Krebsa

Co się dzieje z pirogronem wytworzonym w glikolidzie ?

1. Zmiana na acetylo-koenzym A, zwany też aktywnym octanem

Reakcja ta zachodzi w błonie mitochondrialnej, jest więc sprzężony transport pirogronianu do mitochondriom i równoczesne przekształcenie go w acetyl-CoA, który jest podstawową cegiełką paliwową w mitochondriom.

Enzym, który katalizuje tę reakcje jest dużym złożonym kompleksem enzymatycznym, który nie ma odpowiednika w cytoplazmie ( podobnym kompleksem jest dehydrogenaza bursztynianowi pojawiająca się w połowie cyklu Krebsa.)

1. Zamiana na szczawiooctan.

Podstawowy cel tej przemiany to dostarczenie związków pośrednich dla cyklu Krebsa.

Rys.3

Cykl Krebsa czyli:

Cykl kwasu cytrynowego

Cykl kwasów tri karboksylowych (TCA)

-cykliczny szereg reakcji biochemicznych

-końcowy etap metabolizmu aerobów, czyli organizmów oddychających tlenem.

Cykl kwasu cytrynowego przebiega w macierzy mitochondrialnej komórek eukariotycznych i cytoplazmie komórek prokariotycznych.

Rys.5

Cykl Krebsa to ciąg reakcji zachodzących w mitochondriom, umożliwiających spalenie 1 cząsteczki acetylo-CoA.

Cykl Krebsa to pierwsza część spalania acetylo-CoA, w trakcie którego następuje go rozłożenie na wodór i dwutlenek węgla.

Powstały w tym procesie wodór jest wykorzystany do syntezy ATP, co nastepuje w trakcie jego spalania z tlenem.

CO₂ jest usuwany

Przenośnikiem wodoru w tym cyklu jest głównie NAD oraz w jednej z reakcji FAD (di nukleotyd flawoadeninowy).

W jakich warunkach zachodzi cykl Krebska?

Tlen cząsteczkowy nie bierze bezpośredniego udziału w cyklu Krebsa, ale cynk ten może funkcjonować jedynie w warunkach tlenowych ponieważ NAD i FAD mogą być regenerowanie w mitochondriach tylko poprzez transport elektronów do tlenu cząsteczkowego.

Glikoza może zachodzić w warunkach tlenowych i beztlenowych natomiast cykl Krebsa jest procesem przebiegającym wyłącznie w warunkach tlenowych.

Substratem cyklu jest acetyl-CoA, który po połączeniu ze szczawiooctanem daje cytrynian, a następnie w wyniku kolejnych reakcji:

izomeryzacji,

dehydrogenacji,

hydratacji,

dehydratacji

i dekarboksylacji

zostaje utleniony do dwóch cząsteczek dwutlenku węgla.

Rys.8

Jednocześnie w cyklu Krebsa regeneruje się cząsteczka szczawiooctanu.

W wyniku utlenienie z jednej reszty octanu redukują się 3 cząsteczki NAD i jedna FAD, powstaje też cząsteczka guanozynotrifosforanu (GTP).

Sumarycznie daje to 12 cząsteczek ATP zysku z jednej cząsteczki acetyl-CoA.

Głównym substratem kwasu cytrynowego jest acetylo-CoA.

Rys.10

Drugim substratem pierwszej reakcji cyklu jest szczawiooctan, odnawiany przez sam cykl.

Jego powstawanie z pirogronianu stymuluje sam acetylo-CoA, pobudzając karboksylazę pirogronianową, związek ten może powstawać także na drodze transaminacji z kw. asparagionowego.

Rys.11

Cykl zaczyna się od kondensacji związku czterowęglowego, szczawioctanu, z dwuwęglowym fragmentem acetylowym, acetylo-CoA.

Szczawiooctan reaguje z acetylo-CoA i H₂O tworząc cytrynian i CoA.

Szczawiooctan + acetyl ko-CoA + H₂O cytrynian + CoA + H⁺

Rys.12

Aby umożliwić zajście oksydacyjnej dekarboksylacji szaściowęglowego związku, cytrynian musi ulec izomeryzacji do izocytrynianu.

Rys.13

Pierwsza z czterech reakcji oksydoredukcyjnych cyklu kwasu cytrynowego-

Oksydacja dekarboksylacjia izocytrynianu – katalizuje ją

Dehydrogenaza izocytrynianowa

Izocytrynian + NAD + alfa-ketoglutaran + CO₂ + NADH

Rys.14

Pomiędzy izocytrynianem a alfa-ketoglutaranem

Rys.15

izocytrynian + NAD szczawiobursztynian + NADH₂

(przeniesienie dwóch pierwszych wodorów na NAD)

szczawiobursztynian alfa-ketoglutaran + CO₂

Druga reakcja oksydacyjna dekarboksylacji – tworzenie bursztynylo-CoA z alfa-ketoglutaranu.

alfa-ketoglutaran + NAD + CoA --. Bursztynylo-CoA + CO₂ + NADH

Reakcja ta jest katalizowana przez enzym: dehydrogenazę a-ketoglutaranową

Następna reakcja:

bursztynylo-CoA + Pi + GDP bursztynian + GTP + CoA

Reakcja katalizowana przez syntezę bursztynylo-CoA

Utlenianie bursztynianu do Dumaranu zachodzi z udziałem dehydrogenazy bursztynianowej.

bursztynian + FAD fumaran + FADH₂

( odłączenie dwóch kolejnych wodorów, tym razem uczestniczy w tym inny przenośnik: FAD)

Następna reakcja cyklu jest uwodnienie Dumaranu i tworzenie L-jabłczanu.

fumaran + H₂O jabłczan

(przyłączenie cząsteczki wody)

Jabłczan jest ostatecznie utleniany do szczawiooctanu. Reakcje ta katalizuje dehydrogenaza jabłczanowa, a akceptorem wodorów jest w tym przypadku znów NAD+.

jabłczan + NAD+ szczawiooctan + NADH + H+

Regulacja cyklu Krebsa

Cykl kwasu cytrynowego jako ważny szlak metaboliczny umożliwiający zarówno utlenianie związków organicznych, jak i syntezę wielu substancji do biosyntez musi podlegać ścisłej kontroli.

Regulacja zachodzenia cyklu odbywa się w kilku punktach. Krytycznym punktem w decydującym o dostarczeniu substratu do cyklu jest kompleks dehydrogenazy. Regulacji podlega kilka z enzymów kompleksu.

Dehydrogenaza pirogronianowa jest hamowana w wyniku fosforylacji przez specyficzną kinazę, w sytuacji gdy zwiększa się w komórce stosunek NADH/NAD+, acetylo-CoA/CoA lub ATP/ADP.

Enzymem stanowiącym punkt kontrolny w samym cyklu jest dehydrogenaza izocytrynianowa skumulowana allosterycznie przez ADP. Aktywność enzymu wzrasta również pod wpływem NAD+ oraz jonów Mg²⁺. Wzrost poziomu NADH prowadzi do zahamowania aktywności enzymu.

Drugim enzymem cyklu stanowiącym punkt kontrolny jest dehydrogenaza alfa-ketoglateranowa. Jej aktywność ulega zahamowaniu, gdy wzrasta stężenie punktów katalizowanej reakcji –bursztynylo-CoA i NADH. Enzym jest hamowany także w sytuacji wysokiego poziomu ATP w komórce.

Cykl kwasy cytrynowego jest bardzo wydajny, gdyż podczas jego każdego obrotu powstaje 12 cząsteczek ATP.

Jeśli policzymy wszystkie cząsteczki ATP, jakie mogą powstać przy spalaniu 1 cząsteczki glukozy, to uzyskamy:

8 ATP (glikoliza) + 2x3 ATP (pirogronian acetylo-CoA) + 2x12 ATP (cykl Krebsa)

Razem daje to 38 cząsteczek ATP.

Obie reakcje zmieny pirogronianu na acetylo-CoA lub szczawiooctan są ściśle regulowanie przez wiele sprzężeń zwrotnych, gdyż jest to jeden z najbardziej węzłowych punktów metabolizmu.

Siła oddziaływania tych sprzężeń a więc również procentowy podział rozpadu na szczawiooctan bądź acetylo-CoA podlega zmienności osobniczej.

Jest to jeden z ważniejszych punktów, z których wynika tzw. typ metaboliczny danego człowieka.

W największym uproszczeniu można powiedzieć, że osoby, u których zamiana na acetylo-CoA jest wolna, będą miały tendencje do tycia.

Gromadzenie się wtedy w mitochondriom i cytoplazmie cząsteczek cyklu Krebsa i glikolizy będzie powodować ich wchodzenie w cykl pentozowy i generowanie wodoru do syntez kwasów tłuszczowych i cholesterolu.