Cykl kwasu cytrynowego jest końcowym, wspólnym szlakiem utleniania substratów energetycznych- aminokwasów, kwasów tłuszczowych i węglowodanów. Większość tego paliwa wchodzi do cyklu w postaci acetylokoenzymu A. W warunkach tlenowych pirogronian powstały z glukozy w procesie glikolizy jest dekarboksylowany oksydacyjnie do acetylo-CoA. Reakcje kwasu cytrynowego zachodzą wewnątrz mitochondriów, jest głównym ośrodkiem metabolicznym komórki. Cykl ten nie tylko dostarcza komórce cząsteczek będących zapasową formą paliwa komórkowego, lecz także stanowi źródło elementów budulcowych wielu cząsteczek, takich jak aminokwasy, zasady nukleotydowi, cholesterol i porfiryna. Cykl kwasu cytrynowego obejmuje szereg reakcji utleniania i redukcji, w wyniku których grupa acetylowa zostaje utleniona do dwóch cząsteczek dwutlenku węgla. Funkcją cyklu jest odbieranie wysokoenergetycznych elektronów z substratów energetycznych. Jest pierwszym etapem oddychania komórkowego.
Etapy cyklu kwasu karboksylowego.
1)W warunkach tlenowych pirogronian zostaje przetransportowany do mitochondriów, w matrix ulega on dekarboksylacji oksydacyjnej do acetylo-CoA w reakcji katalizowanej prze kompleks dehydrogenazy pirogronianowej. Ta nieodwracalna reakcja stanowi pomost pomiędzy glikolizą a cyklem kwasu cytrynowego. Przekształcenie to zachodzi w trzech etapach:
-dekarboksylacji
-utlenianie
-przeniesienie powstałej w wyniku tych reakcji grupy acetylowej do CoA
Produktami tych reakcji są acetylo-CoA, CO2, NADH i H+.
2) Następnie szczawiooctan kondensuje z acetylo-CoA tworząc cytrynylo-CoA, a później dochodzi do jego hydrolizy do cytrynianu i CoA. Cały proces jest katalizowany przez syntezę cytrynianową.
3) Następnym etapem jest izomeryzacja cytrynianu do izocytrynianu, ponieważ ułożenie grupy hydroksylowej w cząsteczce cytrynianu uniemożliwia przeprowadzenie dekarboksylacji oksydacyjnej. Podczas izomeryzacji najpierw dochodzi do dehydratacji, a następnie ponownej hydratacji. W rezultacie dochodzi do zmiany położenia H i OH. Enzym katalizujący oba te procesy nazwano akonitazą.
4) Następnie dochodzi do dekarboksylacji oksydacyjnej izocytrynianu, katalizowaną dehydrogenazą izocytrynianową. Produktem pośrednim tej reakcji jest szczawiobursztynian, podczas połączenia z enzymem traci on CO2 i powstaje alfa-ketoglutaran. W wyniku tej reakcji powstaje NADH.
5) alfa-ketoglutaran przechodzi bursztynylo-CoA podczas drugiej reakcji dekarboksylacji oksydacyjnej. Reakcja ta jest katalizowana przez kompleks dehydrogenazy alfa-ketoglutaranowej. Podczas tej reakcji również powstaje NADH.
6) Następuje rozerwanie wiązania tioestrowego bursztynylo-CoA, jest ono sprzężone z fosforylacją GDP. Powstaje bursztynian, CoA i GTP, a reakcja jest katalizowana przez syntetazę bursztynylo-CoA.
7) Końcowy etap cyklu stanowią reakcje związków czterowęglowych: regeneracji szczawiooctanu. Grupa metylenowa zostaje przekształcona w grupę karbonylową w trzech reakcjach: utlenienia, uwodnienia, ponownego utlenienia. W ten sposób szczawiooctan regeneruje się do kolejnego cyklu i zostaje uwolniona energia w formie FADH2 i NADH.
- utlenianie bursztynianu do fumaranu zachodzi z udziałem dehydrogenazy bursztynianowej, FAD jest akceptorem wodoruFADH2
-następną reakcją jest uwodnienie fumaranu, co prowadzi do utworzenia L-jabłczanu, katalizatorem jest fumaraza
- jabłczan ulega ostatecznie utlenieniu do szczawiooctanu, reakcję tą katalizuje dehydrogenaza jabłczanowa, a akceptorem wodoru jest znów NAD+ NADH
Równanie cyklu:
acetylo-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H20 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP +2H+ + CoA
Znaczenie metaboliczne cyklu kwasów trójkarboksylowych.
Cykl kwasu cytrynowego jest głównym szlakiem rozkładu cząsteczek służącym do tworzenia ATP. Jest on również głównym centrum metabolicznym komórki, dostarcza substratów do biosyntezy. Gdy komórka ma wystarczającą ilość energii, cykl kwasu cytrynowego może również dostarczać elementy budulcowe ważnych cząsteczek biologicznych, takich jak zasady azotowe występujące w nukleotydach, białka czy grupy hemowe. Powoduje to ubytek intermediatów w cyklu. Kiedy komórka ponownie potrzebuje energii, intermediaty cyklu zostają uzupełnione przez reakcje anaplerotyczne.
Regulacja procesów cyklu kwasów trójkarboksylowych.
Glukoza może być tworzona z pirogronianu, jednakże zwierzęta nie potrafią przekształcać acetylo-CoA w glukozę, dlatego tworzenie acetylo-CoA z pirogronianu jest u nich reakcją nieodwracalną. Dekarboksylacja oksydacyjna pirogronianu do aetylo-CoA skierowuje atomy węgla glukozy na dwie różne drogi metaboliczne: albo cykl kwasu cytrynowego, albo wbudowywanie do lipidów. Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej, umiejscowiony w krytycznym punkcie rozgałęzienia szlaków metabolicznych, jest kontrolowany. Duże stężenia produktów reakcji hamują jego działanie: acetylo-CoA, wiążąc się bezpośrednio, hamuje aktywność acetylotransferazy, natomiast NADH hamuje aktywność dehydrogenazy dihydroliponianowej (oznacza to, że zapotrzebowanie energetyczne komórki zostało zaspokojone). Głównym sposobem regulacji kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej jest modyfikacja kowalencyjna. Fosforylacja dehydrogenazy pirogronianowej przez specyficzną kinazę hamuje aktywność kompleksu, a działanie specyficznej fosfatazy przywraca tą aktywność. Fosfataza jest stymulowana przez jony Ca2+, duże stężenie mitochondrialnego Ca2+ aktywuje fosfatazę, która wzmaga aktywność dehydrogenazy piroronianowej. W niektórych tkankach aktywność fosfatazy regulują hormony, np. adrenalina, insulina.
Pierwszym punktem kontrolnym jest dehydrogenaza izocytrynianowa, która stymuluje allosterycznie ADP, zwiększający jej powinowactwo do substratów. Hamuje ją NADH, który wypiera NAD+ , inhibitorem jest również ATP.
Drugim punktem kontrolnym działania cyklu kwasu cytrynowego jest dehydrogenaza alfa-ketoglutaranowa. Hamują ją bursztynylo-CoA i NADH oraz duże stężenie ATP.
Dekarboksylacja pirogronianu.
Jest to jeden z etapów przekształcenia pirogronianu w acetylo-CoA. Energia pochodząca z dekarboksylacji jest potrzebna do wytwarzania NADH i acetylo-CoA. W pierwszym etapie pirogronian łączy się z TPP- pirofosforanem tiaminy i ulega dekarboksylacji, w wyniku której powstaje hydroksyetylo-TPP. Tę reakcję katalizuje składnik wieloenzymatycznego kompleksu wykazujący aktywność dehydrogenazy pirogronianowej. Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu polega na odłączeniu od cząsteczki kwasu pirogronowego cząsteczki dwutlenku węgla, a następnie utlenieniu powstałego produktu, tj. aldehydu octowego, do reszty acetylowej, która przyłączona jest do koenzymu A.