Cykl krebsa stanowi drugi etap oddychania komórkowego zachodzący w mitochondriach, końcowa droga spalania metabolitów powstałych z rozkładu cukrów, tłuszczów i białek. Cykl ten polega na całkowitym utlenianiu czynnego octanu powstałego w procesie glikolizy w szeregu przemian od kwasu octowego do kwasu szczawiooctowego. W przebiegu tych reakcji odłączane są cząsteczki dwutlenku węgla (CO2) oraz atomy wodoru, które łączą się z NAD. W jednym przebiegu cyklu następuje spalanie dwóch atomów węgla, w wyniku czego powstają dwie cząsteczki CO2, odłącza się 8 protonów i 8 elektronów. Istotą cyklu jest to, że jednostka dwuwęglowa, czyli acetylokoenzym A (acetylo-CoA) łączy się z jednostką czterowęglową (kwas szczawiooctowy) dając związek sześciowęglowy (kwas cytrynowy), który ulega dwukrotnie dekarboksylacji i czterokrotnie odwodorowaniu i w rezultacie przekształca w kwas szczawiooctowy, dzięki czemu może nastąpić kolejny obrót cyklu. W szczególności cykl kwasu cytrynowego zachodzi następująco: acetylo-CoA łączy się z kwasem szczawiooctanowym, z czego powstaje kwas cytrynowy oraz wolny koenzym A (CoA). Kwas cytrynowy w wyniku reakcji kondensacji zostaje przekształcony w kwas izocytrynowy, a ten w wyniku odwodorowania i dekarboksylacji w alfa-ketoglutaran, który po kolejnej dekarboksylacji i odwodornieniu daje bursztynylo-CoA. Związek ten po odłączeniu ATP i wolnego CoA daje bursztynian, natomiast po odłączeniu FADH2 daje fumaran. Następnie w reakcji hydratacji (przyłączania wody) powstaje jabłczan, który oddając wodór przekształca się w szczawiooctan zamykający cykl. Sumarycznie równanie cyklu Krebsa przedstawia się następująco: acetylo-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + 2H+ + CoA . Cykl Krebsa jest koncowym wspolnym szlakiem utleniania czasteczek materialu energetycznego- aminokwasow, kw tluszczowych i węglowodanów. Większość tych związków wchodzi do cyklu pod postacia acetylo-CoA. Cykl ten dostarcza także intermediatow do biosyntez. Reakcje cyklu kw cytrynowego przebiegaja wewnątrz mitochondriow. Pomostem łączącym glikolize z cyklem k cytrynowego jest zachodzaca w matriks mitochondriow oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu: pirogronian+CoA+NAD+ acetylo-CoA+CO2+NADH. To nieodwracalne przekazanie produktu glikozy co cyklu k cytrynowego jest katalizowane przez kompleks enzymatyczny o skomplikowanej budowie zwany dehydrogenaza pirogronianowa. Stanowi on scisle współzależny zespol trzech rodzajow enzymow. Cykl zaczyna się od kondensacji związku czteroweglowego szczawiooctanu z dwuweglowym fragmentem acetylowym, acetylo-CoA. Szczawiooctan reaguje z acetylo-CoA i H2O tworząc cytrynian i CoA. Reakcja ta przebiega w dwuch etapach kondensacji aldolowej i hydrolizy jest katalizowana przez syntetaze cytrynianowa. Najpierw szczawiooctan kondensuje z acetylo-CoA tworząc cytrynylo-CoA który nastepnie jest hydrolizowany do cytrynianu i CoA. Hydroliza cytrynylo-CoA przesowa reakcje w kierunku syntezy cytrynianu. Cytrynian jest izomeryzowany do izocytrynianu. Aby umożliwić zajcie oksydacyjnej dekarboksylacji szejscioweglowego związku cytrynian musi ulec izomeryzacji do izocytrynianu. Izomeryzacja cytrynianu dokonuje się w dwuch etapach odwodnienia i uwodnienia. Rezultatem ich jest zamiana położenia grup H i OH. Enzym katalizujący te dwa etapy nazywa się hydrataza akonitanowa ponieważ intermediatem tej reakcji jest cis-akonitan. I z czterech reakcji oksydoredukcyjnych. Oksydacyjna dekarboksylacje izocytrynianu katalizuje dehydrogenaza izocytrynianowa izocytrynian + NAD+@-ketoglutaran+CO2+NADH. Intermediatem tej reakcji jest szczawiobursztynian który w polaczeniu z enzymem szybko traci CO2 i w rezultacie powstaje @-ketoglutaran. Szybkość tworzenia się @-ketoglutaranu warunkuje szybkość dzialania calego cyklu. Istnieja dwa rodzaje dehydrogenaz izocytrynianowych: jedna specyficzna dla NAD+ a druga dla fosforanu dwunukleotydunikotynamidoadeninowego NADP+ Po przeksztalecniu izocytrynianu w @-ketoglutaran nast. druga reakcja oksydacyjnej dekarboksylacji-tworzenie byrsztynylo-CoA z @-ketoglutaranu: @-ketoglutaran+NAD+ + COAbursztynylo-CoA+CO2+NADH. Reakcje te katalizuje kompleks dehydrogenazy @-ketoglutaranowej składający się z trzech rodzajow enzymow. Mechanizm jej jest bardzo podobny do przemiany. Mechanizm jej jest bardzo podobny do przemiany pirogronianu w acetylo-CoA. Czynne SA te same ko faktory: NAD+, CoA, pirofosforan tiaminy, amid kw lipowego i FAD. Kosztem bursztynylokoenzymu A powstaje powstaje jedno wysokoenergetyczne wiazanie fosforanowe. Wiazanie tioestrowe w bursztynylo-CoA jest wysokoenergetyczne. Hydrolizy bursztynylo-CoA wynosi ok. 34kJ/mol. Rozerwanie wiazania tioestrowego w bursztynylo-CoA jest sprzężone z fosforylacja guanozyno-5-dwufosforanu (GDP): bursztynylo-CoA+Pi+GDPbursztynian+GTP+CoA. Ta latwo odwracalna reakcja jest katalizowana przez synteze bursztynylo-CoA. Grupa fosforanowa z guanozynotrojfosforanu jest latwo przenoszona na adenozyno-5-dwufosforan (ADP) tworząc w ten sposób ATP. Reakcje te katalizuje enzym dwufosfokinaza nukleozydow: GTP+ADPGDP+ATP. Tworzenie wysokoenergetycznego wiazania fosforanowego z bursztynylo-CoA jest przykładem fosforylacji substratowej. Jest to jedyna reakcja cyklu kw cytr bezpośrednio dostarczajaca bogatego energetycznie wiazania fosforanowego. Zupełnie innym procesem fosforylacji jest jest fosf oksydacyjna w lancuchu oddechowym polegajaca na tworzeniu się ATP kosztem energii pochodzącej z utleniania NADH i FADH2 przez O2. Koncowy etap stanowia reakcje związków czteroweglowych. W trzech reakcjach (utlenienia, uwodnienia, i drugiego utlenienia) bursztynian jest przekształcany w szczawiooctan. W ten sposób regeneruje się szczawiooctan potrzebny do nast. obrotu cyklu. Dzieje się to równocześnie z magazynowaniem energii w formie FADH2 i NADH. Nastepna reakcja cyklu jest jest uwodnienie Dumaranu i tworzenie L-jablczanu. Stereo specyficzne przyłączenie w pozycji tran H i OH do Dumaranu katalizuje hydrataza fumaranowa. Gr OH przylaczana jest tylko z jednej strony podwojnego wiazania Dumaranu dzieki czemu tworzy się wyłącznie izomer L-jablczanu. Jablczan jest ostatecznie utleniany do szczawiooctanu. Reakcje te katalizuje dehydrogenaza jablczanowa a akceptorem wodorow jest znow NAD+ jablczan+NAD+zcawiooctan+NADH+H+ Cykl glioksalanowy cykliczny szereg przemian biochemicznych (reakcji enzymatycznych) umożliwiający przekształcanie tłuszczów w cukrowce. Zachodzi w glioksysomach nasion roślin oleistych oraz u bakterii, w których zachodzi przemiana: tłuszcz → acetylo-CoA → cukier prosty. Cykl glioksylanowy stanowi utlenianie kwasów tłuszczowych oraz umożliwia wykorzystanie tłuszczów zawartych w nasionach jako materiałów do budowy węglowodanów. Glukoneogeneza: Synteza glukozy z prekursorów nie będących cukrowcami głównie ze szczawianu, mleczanu, pirogronianu. Proces ten przedewszystkim przebiega w wątrobie oraz warstwie korowej nerek. Szczególnie ważną rolę odgrywa w czasie głodowania, gdy zapas glikogenu kończy się po 12 godzinach głodu. Wówczas to glukoneogeneza odpowieda za utrzymanie poziomu glukozy we krwi. Glukoneogeneza stanowi też pomost między przemianami aminokwasów białek, a metabolizmem cukrów. Pod względem chemicznym glukoneogeneza w dużym stopniu jest odwróceniem glikolizy, jednekże nie uważa się za odwrócenie gdyż:
- glikoliza przebiega przede wszystkim w mięśniach a glukoneogeneza w wątrobie.
- cząsteczka enzymu glukoneogenezy nie bierze udziału w przemianach glikolitycznych.
- część przemian glukoneogenezy przebiega w mitochondriach podczas gdy wszystkie przemiany glikolityczne w cytoplaźmie.
W warunkach beztlenowych lub ograniczonego dostępu tlenu powstały w mięśniach mleczan dyfunduje do krwi, za jej pośrednictwem transportowany jest do wątroby, tam wchodzi w przemiany glukoneogenetyczne, gdzie końcowym produktem jest glukoza. Cukier ten z wątroby przechodzi do krwiobiegu gdzie za pośrednictwem krwi przedostaje się do mięśni gdzie wchodzi w przemiany glikolityczne. Cykl tych reakcji nazwany jest cyklem Coricha.
Cykl pentozowy prowadzi do syntezy NADPH i piecioweglowych cukrow. NADPH jest wytwarzany w cyklu pentozowym przy równoczesnym utlenianiu glukozo-6-fosforanu do rybozo-5-fosforanu. Ten piecioweglowy cukier i jego pochodne SA składnikami wielu związków bardzo waznych biologicznie takich jak ATP CoA NAD+ FAD RNA DNA. Glukozo-6-fosforan+2NADP+ +H2Orybozo-5-fosforan+2NADPH+2H+ +Co2. W cyklu pentozowym zachodza także w szeregu reakcji nieutleniających wzajemne przekształcenie cukrow troj- cztero- piecio- szescio- i siedmioweglowych. Wszystkie one przebiegaja w cytozo lu. Urosli niektóre intermedia ty cyklu pentozowego podczas fotosyntezy uczestnicza w tworzeniu heksoz z Co2. Cykl pentocowy zaczyna się od dehydrogenacji glukozo-6fosforanu przy weglu C-1, katalizowanej przez dehydrogenaze glukozo-6-fosforanowa. Enzym ten jest silnie specyficzny w stosunku do do NADP+. Produktem tej reakcji jest &-lakton kw 6-fosfoglukonowego bedacy estrem wewnętrznym pomiedzy grupa karboksylowa a gr hydroksylowa. Nastepnie specyficzna glukonolaktonaza hydrolizuje 6-fosfoglukono-&-lakton do 6-fosfoglukonianu. Ten szescioweglowy cukier jest nastepnie oksydacyjnie dekarboksylowany przez dehydrogenaze fosfoglukonianowa do rybulozo-5fosforanu. Także tutaj akceptorem elektronow jest NADP+. Koncowym etapem w syntezie rybozo-5-fosforanu jest izomeryzacja rybulozo-5-fosforanu katalizowana przez izomeraze rybozo fosforanowa Dotychczasowe reakcje cyklu przy utlenianiu każdej czasteczki glukozo-6-fosforanu dostarczaja 2 NADPH i 1 czasteczki rybozo-5-fosforanu. Wiele Komorek potrzebuje jednak duzo wiecej NADPH do syntez redukcyjnych niż rybozo-5-fosforan, koniecznego do syntezy nukleotydow i kw nukleinowych. W takich warunkach przy udziale transketolaz i trans aldolazy, rybozo-5-fosforan jest przekształcany w aldehyd 3-fosfoglicerynowy i fruktozo-6fosforan. Enzymy te tworza pomost pomiedzy glikoliza a cyklem pentozowym katalizując w sposób odwracalny nast. trzy reakcje C5+C5transketolaza C3+C7, C7+C3C4+C6, C5+C4C3+C6. Z trzech pentoz powstaja dwie heksozy i jedna trioza. Transketolaza przenosi jednostki dwuweglowe a trans aldolaza-trojweglowe. Cukrem dostarczającym fragmentow dwu- i troj- weglowych jest zawsze ketoza a akceptorem aldoza. Pierwsza z trzech reakcji łączących cykl pentozowy z glikoliza jest tworzenie się z dwoch pentoz aldehydu 3-fosfoglicerynowego i sedoheptulozo-7-fosforanu. Donorem fragmentu dwuweglowego w tej reakcji jest ksylulozo-5-fosforan bedacy epimerom rybulozo-5-fosforanu .Nastepnie aldehyd 3-fosfoglicerynowy i sedoheptulozo-fosforan reaguja tworząc fruktozo-6-fosforan i erytozo-4-fosforan. Synteze te prowadzaca do cukru czteroweglowego i szescioweglowego katalizuje trans aldolaza. W trzeciej reakcji transketolaza katalizuje synteze fruktozo-6-fosforanu i aldehydu 3-fosfoglicerynowego z erytrozo-4-fosforanu i ksylulozo-5-fosforanu. Po zsumowaniu tych reakcji otrzymujemy: 2ksylulozo-5-fosforan+rybozo-5-fosforan2fruktozo-6-fosforan+aldehyd 3-fosfoglicerynowy Glikoliza jest procesem chemicznym zachodzącym często w organizmach żywych. Jest jednym z etapów oddychania zachodzącego w komórkach. Glikoliza polega na przemianie cukru ( najczęściej glukozy ) w kwas pirogronowy w warunkach beztlenowych, wyniku czego wydzielana jest energia w postaci ATP. Wzór reakcji glikolizy: C6H12O6 + 2Pi + 2ADP = 2CH3CHOHCOOH + 2ATP + H2O Proces glikolizy zachodzi z udziałem jedenastu enzymów. Enzymy oraz wszystkie substraty dostarczane SA do cytoplazmy komórki, gdzie proces ten się odbywa. Glikoliza jest przemiana beztlenową lecz może zachodzić również w warunkach tlenowych. Proces ten podzielony jest na dwa etapy. W pierwszym dochodzi do ufosforylowania glukozy lub innego cukru będącego substratem glikolizy, np. fruktozy, sacharozy, glikogenu, skrobi. Do procesu tego zużywany jest ATP a produktem reakcji jest aldehyd 3-fosfoglicerynowy. W drugim etapie , wyniku reakcji redukcji i utleniania powstaje kwas pirogronowy. W reakcji tej bierze udział dinukleotyd nikotynamidoadeninowy ( NAD+ ) a powstała energia kumulowana jest w cząsteczkach ATP. Powstający w czasie glikolizy kwas pirogronowy bierze udział w procesach oddychania . Niezbędny jest w tak zwanym cyklu kwasów trikarboksylowych ( cykl Krebsa ). Przemiany te zachodzą w warunkach tlenowych. Natomiast w warunkach beztlenowych przemiany kwasu pirogronowego wyglądają inaczej. Niektóre drobnoustroje, np. drożdże mają zdolność rozkładania kwasu pirogronowego do alkoholu etylowego i dwutlenku węgla. Proces ten nazywany jest fermentacją alkoholową i wykorzystywany jest w przemyśle spożywczym. Pirogronian może także ulec fermentacji mlekowej. Taka reakcja zachodzi czasem w mięśniach w czasie intensywnego wysiłku fizycznego i niedostatecznej ilości tlenu. Kwas pirogronowy jest zredukowany przez NADH do kwasu mlekowego. W czasie tej reakcji NADH utlenia się do NAD+, który może być ponownie wykorzystany w drugim etapie glikolizy. Glikoliza nie dostarcza dużo energii. W czasie przemiany jednej cząsteczki glukozy powstaje około 200 kJ energii.
Cykl mocznikowy to szereg metaboliczny, podczas którego toksyczny amoniak ulega przekształceniu i wydaleniu w postaci nietoksycznego mocznika. Źródłem amoniaku jest azot białkowy. Mocznik powstaje w następstwie reakcji enzymatycznych z dwutlenku węgla i amoniaku. W cyklu tym biorą przede wszystkim udział aminokwasy ornityna, cytrulina i arginina, mimo ze ani amoniak, ani dwutlenek węgla nie reagują z tymi aminokwasami. Karbamoilofosforan (karbamylofosforan) powstaje z amoniaku i dwutlenku węgla w złożonej reakcji, która wymaga dwóch cząsteczek ATP. Karbamoilofosforan kondensuje z korlcową grupą ornityny, w wyniku czego powstaje cytrulina. Ta z kolei reaguje z kwasem asparaginowym i wytwarza się związek pośredni — kwas argininobursztynowy. Do przeprowadzenia tej reakcji potrzebny jest ATP. Kwas argininobursztynowy jest teraz rozkładany do argininy i kwasu fumarowego; w ten sposób grupa aminowa zostaje przeniesiona na argininę. Arginina jest hydrolizowana przez enzym arginazę, w wyniku czego otrzymujemy mocznik i ornitynę, która z kolei może być wykorzystana w następnym cyklu. Energia konieczna do syntezy mocznika i przeprowadzenia całego cyklu jest dostarczana przez dwa wiązania ~P, które zostają zużyte w syntezie fosforanu karbamoilowego oraz jedno wiązanie ~P z ATP przekształconego w AMP i PP; (nieorganiczny pirofosforan) w czasie syntezy kwasu argininobursztynowego. ORNITYNA ba drodze przemian cyklu mocznikowego jest przetransportowana z cytozolu do mitochondrium, pod działaniem enzymu karbamoilotransferazy ornitynowej, po przyłączeniu grupy karbamoilowej z karbamoilofosforanu przekształca się w cytrulinę, która jest transportowana do cytozolu. Kolejnym etapem jest połączenie cytruliny z asparaginą co daje w wyniku utworzenie argininobursztynian. Źródłem energii w tym procesie jest ATP. Dalej argininobursztynian ulega rozkładowi pod działaniem liazy argininobursztynianowej tworząc argininę, która stanowi prekursor mocznika i fumaranu. Na dalszych etapach, gdzie nie ma już mocznika arginina ulega przekształceniu w ornitynę i cykl się powtarza. CYTRULINA - ma postać aminokwasu, który katalizuje tworzenie się substancji moczowych, a później odbudowę amoniaku. ARGININA - syntezowana jest poprzez cykl ornitynowy, który nie stanowi jedynego szlaku metabolicznego, w którym uczestniczy arginina. W obrębie komórek, które nie wytwarzają mocznika, pod działaniem grupy enzymów zwanych syntezami, arginina zostaje przekształcona w cytrulinę oraz tlenek azotu (NO).