CYKL KWASU CYTRYNOWEGO DOSTARCZA SUBSTRATU DLA ŁAŃCUCHA ODDECHOWEGO.
Istotą cyklu jest połączenie cząsteczki acetylo-CoA z 4-węglowym dikarboksylowym kwasem szczawiooctowym, czego wynikiem jest powstanie 6-węglowego kwasu trikarboksylowego - cytrynianu.
Enzymy cyklu kwasu cytrynowego znajdują się w macierzy mitochondrialnej albo w formie wolnej, albo przyłączone do wewnętrznej powierzchni wewnętrznej błony mitochondrialnej, co ułatwia przenoszenie równoważników redukujących na odpowiednie enzymy łańcucha oddechowego, umiejscowionego również w wewnętrznej błonie mitochondrialnej.
REAKCJE CYKLU KWASU CYTRYNOWEGO UWALNIAJĄ RÓWNOWAŻNIKI REDUKUJĄCE I CO2.
Enzym kondensujący - syntaza cytynianowa - katalizuje inicjującą cykl kondensację acetylo-CoA ze szczawiooctanem i powstanie cytrynianu. Po reakcji kondensacji, następuje hydroliza wiązania trioestrowego CoA połączona ze znaczną utratą energii swobodnej w postaci ciepła, co zapewnia przebieg reakcji do końca.
Acetylo-CoA + Szczawiooctan + H2O ® Cytrynian + Co-A
Cytrynian « Cis-akonitan « Izocytrynian
H2O (związany z enzymem) H2O
Izocytrynian przy udziale dehydrogenazy izocytrynianowej ulega odwodornieniu i powstaje szczawiobursztynian. Znane są 3 różne dehydrogenazy izocytrynianowe. Jedna, swoista względem NAD+, znajduje się tylko w mitochondriach. Pozostałe 2 enzymy są swoiste względem NADP+, jeden z nich znajduje się w mitochondriach, a drugi w cytozolu. Utlenianie izocytrynianu związane z łańcuchem oddechowym odbywa się niemal wyłącznie przy udziale enzymu zależnego od NAD+.
Izocytrynian + NAD+ « Szczawiobursztynian « a-Ketoglutaran + CO2 + NADH + H+
(związany z enzymem)
a-Ketoglutaran + NAD+ + Co-A ® Sukcynylo-CoA + CO2 + NADH + H+
Sukcynylo-CoA + Pi + GDP « Bursztynian + GTP + CoA
Reakcja ta wymaga GDP lub IDP, które w obecności fosforanów nieorganicznych zostają przekształcone odpowiednio w GTP lub ITP. W cyklu kwasu cytrynowego jest to jedyny przypadek powstawania bogatoenergetycznego wiązania fosforanowego na poziomie substratu. Występuje on dlatego, że uwolnienie energii swobodnej w reakcji dekarboksylacji oksydacyjnej a-ketoglutaranu jest wystarczające do dodatkowego utworzenia wiązania bogatoenergetycznego, oprócz wytwarzania NADH. Przy udziale kinazy difosfonukleozydowej z GTP lub ITP. Może powstawać ATP, np.:
GTP + ADP « GDP + ATP
Bursztynian + FAD « Fumaran + FADH2
Pierwszą reakcję odwodornienia katalizuje dehydrogenaza bursztynianowa, która jest związana z wewnętrzną powierzchnią wewnętrznej błony mitochondrialnej, w odróżnieniu od pozostałych enzymów cyklu, które znajdują się w matriks. Jest to jedyna reakcja odwodornienia w cyklu kwasu cytrynowego, w której następuje bezpośrednie przeniesienie wodoru z substratu na flawoproteinę bez udziału NAD+. Enzym zawiera FAD i białko żelazosiarkowe (Fe:S). Wynikiem odwodornienia jest powstanie fumaranu. Dodanie malonianu lub szczawiooctanu hamuje kompetycyjnie dehydrogenazę bursztynianową, powodując nagromadzenie się bursztynianu.
Fumaraza (hydrataza fumaranowa) katalizuje reakcję przyłączenia cząsteczki wody do fumaranu, dając jabłczan.
Fumaran + H2O « L-Jabłczan
Oprócz swoistości dla L-izomeru jabłczanu, fumaraza katalizuje przyłączenie elementów wody do podwójnego wiązania fumaranu w konfiguracji trans. Jabłczan ulega przekształceniu przez dehydrogenazę jabłczanową w szczawiooctan reakcji wymagającej obecności NAD+.
L-Jabłczan + NAD+ « Szczawiooctan + NADH + H+
Enzymy cyklu kwasu cytrynowego, z wyjątkiem dehydrogenaz a-ketoglutaranowej i bursztynianowej oraz syntazy cytrynianowej, występują również poza mitochondriami. Chociaż katalizują one podobne reakcje, niektóre z enzymów, np. dehydrogenaza jabłczanowa, nie muszą być w rzeczywistości tymi samymi białkami, co enzymy mitochondrialne o tej samej nazwie.
KAŻDY OBRÓT CYKLU KWASU CYTRYNOWEGO UMOŻLIWIA SYNTEZĘ 12 CZĄSTECZEK ATP.
CYKL KWASU CYTRYNOWEGO ODGRYWA WĘZŁOWĄ ROLĘ METABOLICZNĄ.
Niektóre szlaki metaboliczne kończą się na związku pośrednim cyklu kwasu cytrynowego, a inne szlaki wywodzą się z tego cyklu. Dotyczy to takich procesów, jak: glukoneogeneza, transaminacja, deaminacja i synteza kwasów tłuszczowych. Cykl kwasu cytrynowego odgrywa rolę zarówno w procesach oksydacyjnych, jak i w procesach syntez, a zatem jest amfiboliczny.
Wszystkie ważniejsze metabolity cyklu, od cytrynianu do szczawiooctanu, są potencjalnie glukogenne, gdyż mogą zwiększyć wytwarzanie glukozy w wątrobie lub nerce, narządach zawierających pełny zestaw enzymów niezbędnych do przeprowadzenia glukoneogenezy. Kluczowym enzymem, umożliwiającym przejście z cyklu do głównego szlaku glukoneogenezy, jest karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa, katalizująca reakcję dekarboksylacji szczawiooctanu do fosfoenolopirogronianu z GTP jako źródłem fosforanu bogatoenergetycznego
Szczawiooctan + GTP ® Fosfoenolopirogronian + CO2 + GDP
Wprowadzenie do cyklu następuje jako wynik kilku różnych reakcji. Jedną z najważniejszych jest tworzenie szczawiooctanu w reakcji karboksylacji pirogronianu katalizowanej przez karboksylazę pirogronianową.
ATP + CO2 + H2O + Pirogronian ® Szczawiooctan + ADP + Pi
W reakcjach katalizowanych przez transaminazy (aminotransferazy) wytwarza się: pirogronian z alaniny, szczawiooctan z asparaginianu oraz a-ketoglutaran z glutaminianu. Ponieważ reakcje te są odwracalne, cykl służy również jako źródło szkieletów węglowych do syntezy aminokwasów endogennych, np.
Asparaginian + Pirogronian « Szczawiooctan + Alanina
Glutaminian + Pirogronian « a-ketoglutaran + Alanina
GLIKOLIZA I UTLENIANIE PIROGRONIANU.
Znaczenie biomedyczne - glikoliza jest nie tylko podstawową drogą metabolizmu glukozy prowadzącą do wytwarzania acetylo-CoA i utleniania w cyklu kwasu cytrynowego, lecz także stanowi główny szlak metabolizmu fruktozy i galaktozy pochodzenia pokarmowego.
GLIKOLIZA MOŻE PRZEBIEGAĆ W WARUNKACH BEZTLENOWYCH.
Jeżeli tlen jest dostępny tylko przez krótki okres, to jest ograniczona reoksydacja NADH powstałego w czasie glikolizy. W tych warunkach NADH jest utleniany w reakcji redukcji pirogronianu do mleczanu, a tak utworzony NAD umożliwia dalszy przebieg glikolizy. W ten sposób glikoliza może zachodzić w warunkach beztlenowych, lecz dochodzi do ograniczenia ilości energii uwalnianej na mol utlenianej glukozy. W konsekwencji, aby wytworzyć tę samą ilość energii, więcej glukozy musi ulec glikolizie w warunkach beztlenowych niż w warunkach tlenowych.
CIĄG REAKCJI W GLIKOLIZIE TO GŁÓWNY SZLAK ZUŻYCIA GLUKOZY.
Ogóle równanie glikolizy do mleczanu jest następujące:
Glukoza + 2ADP + 2Pi ® 2L(+)-Mleczan + 2ATP + 2H2O
Wszystkie enzymy szlaku glikolitycznego znajdują się w pozamitochondrialnej rozpuszczalnej frakcji komórkowej, w cytozolu. Katalizują one reakcje zachodzące podczas przemiany glukozy do pirogronianu i mleczanu następująco:
Glukoza wchodzi do szlaku glikolitycznego przez fosforylację do glukozo-6-fosforanu. Zachodzi to przy udziale enzymu heksokinazy, a w hepatocytach przy udziale glukokinazy, której aktywność jest indukowana i modyfikowana w wyniku zmian odżywiania.
Glukoza + ATP ® Glukozo-6-fosforan + ADP
Glukozo-6-fosforan przekształcany w fruktozo-6-fosforan przez izomeryzację aldozowo-ketozową przy udziale izomerazy fosfoheksozowej
Glukozo-6-fosforan « Fruktozo-6-fosforan
Po tej reakcji następuje druga fosforylacja z udziałem ATP, katalizowana przez enzym fosfofruktokinazę.
Nieodwracalna w warunkach fizjologicznych
Fruktozo-6-fosforan + ATP ® Fruktozo-1,6-bisfosforan
Fruktozo-1,6-bisfosforan jest rozczepiany przez aldolazę na 2 fosfotriozy, gliceraldehydo-3-fosforan i dihydroksyacetonofosforan.
Fruktozo-1,6-bisfosforan « Gliceraldehydo-3-fosforan + Dihydroksyacetonofosforan
Gliceraldehydo-3-fosforan oraz dihydroksyacetonofosforan przekształcają się jeden w drugi pod wpływem enzymu izomerazy fosfotriozowej.
D-Gliceraldehydo-3-fosforan « Dihydroksyacetonofosforan
Następny etap glikolizy to utlenienie gliceraldehydo-3-fosforanu do 1,3-bisfosfoglicerynianu. Dzięki aktywności izomerazy fosfotriozowej również dihydroksyacetono-fosforan, przechodząc uprzednio w gliceraldehydo-3-fosforan, jest utleniany do 1,3-bisfosfoglicerynianu.
D-Gliceraldehydo-3-fosforan + NAD+ + Pi « 1,3-bisfosfoglicerynian + NADH + H+
Enzym warunkujący utlenianie - dehydrogenaza gliceraldehydo-3-fosforanowa - jest zależny od NAD. Bogatoenergetyczny fosforan znajduje się następnie w ATP w wyniku katalizowanej przez kinazę fosfoglicerynianową reakcji zachodzącej w obecności ADP i tworzącej 3-fosfoglicerynian.
1,3-bisfosfoglicerynian + ADP « 3-fosfoglicerynian + ATP
Ponieważ z cząsteczki glukozy podlegającej glikolizie powstają dwie cząsteczki fosfotrioz, na tym etapie wytwarzają się również dwie cząsteczki ATP na cząsteczkę glukozy; jest to przykład fosforylacji „na poziomie substratu” (fosforylacja substratowa).
Powstający w powyższych reakcjach 3-fosfoglicerynian jest przekształcany w 2-fosfoglicerynian przez enzym mutazę fosfoglicerynianową. Prawdopodobnie 2,3-bisfosfoglicerynian jest związkiem pośrednim w tej reakcji.
3-Fosfoglicerynian « 2-Fosfoglicerynian
Następny etap glikolizy jest katalizowany przez enolazę, która powoduje odłączenie wody.
2-Fosfoglicerynian « Fosfoenolopirogronian + H2O
Następnie fosforan bogatoenergetyczny jest przenoszony z fosfoenolopirogronianu na ADP przez enzym kinazę pirogronianową, tworzący w tym etapie 2 cząsteczki ATP na cząsteczkę utlenianej glukozy. Utworzony w tej reakcji enolopirogronian przekształca się spontanicznie w formę ketonową pirogronianu. Jest to kolejna reakcja, której towarzyszy znaczna utrata energii swobodnej w postaci ciepła i musi być ona traktowana jako fizjologicznie nieodwracalna.
Fosfoenolopirogronian + ADP ® Pirogronian + ATP
Teraz stan red.-oks. tkanki jest czynnikiem decydującym, który z 2 możliwych szlaków metabolicznych zajdzie.
Jeżeli przeważają warunki beztlenowe, to uniemożliwiona jest reoksydacja NADH w łańcuchu oddechowym przez przeniesienie równoważników redukujących na tlen. Pirogronian ulega redukcji przez NADH do mleczanu w reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę mleczanową.
Pirogronian + NADH + H+ « Mleczan + NAD+
Reoksydacja NADH w reakcji powstawania mleczanu, przez odtworzenie NAD+ potrzebnego w następnym cyklu reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę gliceraldehydo-3-fosforanową, umożliwia przebieg glikolizy w nieobecności tlenu. Tkanki funkcjonujące w warunkach niedotlenienia wytwarzają więc mleczan. Jedynie w erytrocytach ssaków około 90% całkowitego zapotrzebowania energetycznego pokrywa glikoliza. Poza mięśniem szkieletowym i erytrocytami, tkankami, które również czerpią energię głównie z glikolizy i wytwarzają mleczan, są: mózg, jelito, rdzeń nerki, siatkówka i skóra. Wątroba, nerki i serce zwykle pobierają mleczan i utleniają go, ale w warunkach niedotlenienia narządy te mogą wytwarzać mleczan.
Glikoliza jest regulowana na 3 etapach obejmujących reakcje „nieodwracalne”.
Chociaż większość reakcji glikolitycznych jest odwracalna, to jednak 3 z nich są wyraźnie egzoergiczne i z tego powodu muszą być uważane za reakcje fizjologicznie nieodwracalne. Są to reakcje katalizowane przez heksokinazę (i glukokinazę), fosfofruktokinazę i kinazę pirogronianową. Reakcje te stanowią zasadnicze miejsca regulacji glikolizy. Komórki, mające różne systemy enzymatyczne, pozwalające na alternatywny przebieg nieodwracalnych reakcji katalizowanych przez wyżej wymienione enzymy, mają możliwość dokonywania w szlaku glikolitycznym przesunięcia metabolitów w kierunku syntezy (glukoneogenezy).
UTLENIANIE PIROGRONIANU DO ACETYLO-CoA JEST NIEODWRACALNYM PROCESEM ŁĄCZĄCYM GLIKOLIŻE Z CYKLEM KWASU CYTRYNOWEGO.
Aby pirogronian mógł wejść do cyklu kwasu cytrynowego, musi najpierw zostać przetransportowany do wnętrza mitochondrium przez przenośnik pirogronianowy, który umożliwia przejście pirogronianu przez wewnętrzną błonę mitochondrialną. Wewnątrz mitochondrium pirogronian ulega dekarboksylacji oksydacyjnej do acetylo-CoA. Reakcja ta jest katalizowana przez kilka różnych enzymów, działających kolejno w kompleksie wieloenzymatycznym. Enzymy te określa się zbiorowo mianem kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej, który jest analogiczny do kompleksu dehydrogenazy a-ketoglutaranowej w cyklu kwasu cytrynowego.
Pirogronian + NAD+ + CoA ® Acetylo-CoA + NADH + H+ + CO2
METABOLIZM GLIKOGENU.
Glikogen jest główną formą magazynowania węglowodanów u zwierząt i jest odpowiednikiem skrobi u roślin. Występuje głównie w wątrobie (do 6%) i w mięśniach, gdzie rzadko przekracza 1%.
W szlaku biosyntezy glikogenu bierze udział specjalny aktywny nukleotyd glukozy
Glukoza jest fosforylowana do glukozo-6-fosforanu w reakcji, która jest również pierwszą reakcją szlaku glikolizy z glukozy. Ta reakcja jest katalizowana przez heksokinazę w mięśniu i przez glukokinazę w wątrobie. Glukozo-6-fosforan jest w glukozo-1-fosforan w reakcji katalizowanej przez fosfoglukomutazę. Sam enzym jest fosforylowany w przebiegu reakcji, a grupa fosforanowa bierze udział w reakcji odwracalnej, w której związkiem pośrednim jest glukozo-1,6-bisfosforan.
Enz-P. + Glukozo-6-fosforan « Enz + Glukozo-1,6-bisfosforan « Enz-P. + Glukozo-1-fosforan
Następnie glukozo-1-fosforan reaguje z urydynotrifosforanem (UTP), aby utworzyć urydynodifosfoglukozę (UDPGlc).
Reakcja między glukozo-1-fosforanem i urydynotrifosforanem jest katalizowana przez enzym pirofosforylazę UDPGlc.
UTP + Glukozo-1-fosforan « UDPGlc + PPi
Następująca potem hydroliza nieorganicznego pirofosforanu pod wpływem nieograniczonej pirofosfatazy przesuwa reakcję na prawą stronę równania.
Działaniem enzymu syntazy glikogenowej, C1 aktywnej glukozy UDPGlc tworzy wiązanie glikozydowe z C4 końcowej reszty glukozowej glikogenu, uwalniając urydynodifosforan (UDP). Aby zainicjować tę reakcję, musi być obecna istniejąca już wcześniej cząsteczka glikogenu, czyli primer. Sam primer (wym. prajmer) glikogenu może być utworzony na szkielecie białkowym, co może być procesem podobnym do syntezy innych glikoprotein.
W wątrobie i w nerce (ale nie w mięśniach) występuje swoisty enzym glukozo-6-fosfataza, który usuwa fosforan z glukozo-6-fosforanu, umożliwiając powstającej glukozie dyfundowanie z komórkami do krwi. Jest to końcowy etap glikogenolizy wątrobowej, która odzwierciedla się zwiększeniem stężenia glukozy we krwi.
GLUKONEOGENEZA I KONTROLA STĘŻENIA GLUKOZY WE KRWI.
W procesie glukoneogenezy uczestniczą wszystkie mechanizmy i szlaki odpowiedzialne za przekształcenie związków niewęglowodanowych w glukozę lub glikogen. Głównymi substratami dla glukoneogenezy są glikogenne aminokwasy, mleczan oraz glicerol. Głównymi tkankami, w których odbywa się ten proces, są wątroba i nerki, gdyż one właśnie zawierają pełen zestaw niezbędnych do tego enzymów.
Glukogeneza zaspokaja zapotrzebowanie organizmu na glukozę wówczas, gdy węglowodany nie są dostępne w wystarczającej ilości z dostarczanych pokarmów. Ciągłe dostarczanie glukozy jest niezbędne jako źródło energii, zwłaszcza dla układu nerwowego i dla erytrocytów.
GLUKONEOGENEZA OBEJMUJE REAKCJE GLIKOLIZY, CYKLU CYTRYNIANOWEGO ORAZ NIEKTÓRE REAKCJE SPECJALNE
Bariery termodynamiczne zapobiegają prostemu odwróceniu glikolizy.
Krebs zwracał uwagę na to, że bariery energetyczne nie pozwalają na proste odwrócenie glikolizy pomiędzy 1)pirogronianem a fosfoenolopirogronianem, 2)pomiędzy fruktozo-1,6-bisfosforanem a fruktozo-6-fosforanem, 3)pomiędzy glukozo-6-fosforanem a glukozą, 4) pomiędzy glukozo-1-fosforanem a glikogenem. Wszystkie te reakcje nie są w stanie równowagi, uwalniają dużą ilość energii w postaci ciepła i wobec tego są fizjologicznie nieodwracalne.
Pirogronian i fosfoenolopirogronian.
W mitochondriach znajduje się enzym karboksylaza pirogronianowa, który w obecności ATP oraz CO2 przekształca pirogronian w szczawiooctan. Funkcją biotyny jest związanie CO2 na enzymie przed przyłączeniem go do pirogronianu. Drugi enzym, karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa, katalizuje przekształcenie szczawiooctanu do fosfoenolopirogronianu. W tej reakcji jest niezbędny bogatoenergetyczny fosforan w postaci GTP lub ITP., a uwalnia się CO2. Za pomocą tych 2 enzymów i dehydrogenazy mleczanowej, mleczan może być przekształcony w fosfoenolopirogronian.
Fruktozo-6-fosforan i fruktozo-1,6-bisfosforan
Przekształcenie fruktozo-1,6-bisfosforanu do fruktozo-6-fosforanu konieczne do osiągnięcia odwrócenia glikolizy, jest katalizowane przez swoisty enzym fruktozo-1,6-bisfosfatazę. Obecność tego enzymu warunkuje, czy dana tkanka jest zdolna do biosyntezy glikogenu nie tylko z pirogronianu, lecz także z fosfotrioz.
Glukozo-6-fosforan i glukoza.
Przekształcenie glukozo-6-fosforanu w glukozę jest katalizowane przez inną swoistą fosfatazę - glukozo-6-fosfatazę.
Glukozo-1-fosforan i glikogen.
Rozpad glikogenu do glukozo-1-fosforanu jest katalizowany przez fosforylazę. Biosynteza glikogenu odbywa się całkiem odmiennym szlakiem, przez utworzenie urydynodifosfoglukozy i z udziałem syntazy glikogenowej.
Te kluczowe enzymy pozwalają na to, że odwrócenie glikolizy odgrywa zasadniczą rolę w glukoneogenezie. Aminokwasy glikogenne po transaminacji lub deaminacji tworzą albo pirogronian albo stają się członami cyklu kwasu cytrynowego. Wobec tego powyżej opisane reakcje są odpowiedzialne za przekształcenie w glukozę lub glikogen zarówno aminokwasów glikogennych, jak i mleczanu. Wiadomo, że mleczan przekształca się w pirogronian i wnika do mitochondriów przed przekształceniem do szczawiooctanu i ewentualnym przekształceniem w glukozę.