Cykl kwasów trikarboksylowych (cykl Krebsa; cykl kwasu cytrynowego)
Ogólne informacje:
o Zasadnicza funkcja – utlenianie grup acetylowych związanych z CoA do CO2 i H2O.
o Skąd acetylo-CoA ? Pochodzi z metabolizmu substratów energetycznych, jak cukry, kwasy tłuszczowe i szkielety węglowodorowe aminokwasów.
o Utlenianie grup acetylowych w cyklu Krebsa zużywa 2/3 całkowitej ilości tlenu pobieranego przez człowieka i dostarcza 2/3 ATP powstającego w organizmie.
o Cykl Krebsa dostarcza substratów do różnych biosyntez, np. przetwarza szkielety węglowodorowe niektórych aminokwasów do szczawiooctanu, zużywanego w glukoneogenezie; dostarcza alfa-ketokwasów do reakcji transaminacji i syntezy aminokwasów oraz bursztynianu do syntezy hemu.
o Ma miejsce wyłącznie w mitochondriach i jest sprzężony z reakcjami fosforylacji oksydacyjnej.
Reakcje cyklu Krebsa (uwaga: teraz się skup i patrz na mapkę, a wszystko stanie się banalnie proste … J ;p )
Reszta acetylowa (octanowa) włącza się do cyklu Krebsa poprzez wiązanie ze szczawiooctanem. W wyniku kolejno następujących po sobie reakcjach utleniania reszta acetylowi utlenia się całkowicie do CO2 i H2O, natomiast szczawiooctan odtwarza się.Cykl Krebsa zasilany jest poprzez metabolity powstające poza tym cyklem, np. szczawiooctan i alfa-ketoglutaran powstają jako produkty transaminacji i deaminacji aminokwasów, szczawiooctan może być produktem karboksylacji pirogronianu, a bursztynylo-S-CoA – powstawać w trakcie utleniania kwasów tłuszczowych o nieparzystej liczbie atomów w węglu.
o Synteza cytrynianu z acetylo-CoA i szczawiooctanu – reakcja katalizowana przez syntazę cytrynianową; powstaje cytrynian.
o Izomeryzacja cytrynianu do izocytrynianu pod działaniem akonitazy.
o Utlenienie i dekarboksylacja izocytrynianu (oksydacyjna dekarboksylacja izocytrynianu) pod działaniem dehydrogenazy izocytrynianowe. Produktem jest alfa-ketoglutaran. Następuje utlenienie izocytrynianu z udziałem NAD i powstaje NADH, a następnie odłącza się pierwsza cząsteczka CO2.(zawsze, gdy ze związku odłącza się H, który idzie np. do NAD, reakcja nazywa się utlenianiem. Zawsze, gdy odłącza się CO2, to reakcja nazywa się dekarboksylacją. Ćwiczenie – znajdź na mapce inne przykłady dekarboksylacji bądź utleniania)
o Oksydacyjna dekarboksylacja alfa-ketoglutaranu katalizowana jest przez dehydrogenazę alfa-ketoglutaranową. W przebiegu tego procesu znów uwalnia się cząsteczka CO2, będąca produktem utlenienia drugiego atomu węgla, zawartego w reszcie acetylowej. Powstaje druga cząsteczka NADH.
o Rozpad bursztynylo-CoA – enzymem reakcji jest tiokinaza bursztynianowa, zwana inaczej syntetazą bursztynylo-CoA, która rozkłada bogate w energię wiązanie tioestrowe, zawarte w bursztynylo-CoA. Tak więc reakcja jest sprzężona z fosforylacją ADP do ATP lub GDP do GTP. Energia zawarta w GTP jest równoważna energii zawartej w ATP. Powstanie GTP/ATP z bursztynylo-CoA jest przykładem fosforylacji substratowej, w której produkcja GTP lub ATP jest skojarzona z konwersją bogatego w energię substratu w ubogi w energię produkt (tu: bursztynian).(czyli jeśli bezpośrednio w jakiejś reakcji tworzy się ATP, to jest to fosforylacja substratowa. Skąd nagle bierze się ATP? – Do ADP dołącza fosfor i mamy ATP. Ćwiczenie: Znajdź na mapce inne przykłady fosforylacji substratowej, np. w glikolizie.)
o Utlenianie bursztynianu – enzymem jest dehydrogenaza bursztynianowa. Akceptorem („biorcą”) dwóch atomów wodoru jest FAD przechodzący w FADH2. Produkt: fumaran.
o Hydratacja fumaranu do jabłczanu – reakcja katalizowana przez fumarazę, zwaną inaczej hydratazą fumaranową.
o Utlenienie jabłczanu przez enzym dehydrogenazę jabłczanowa do szczawiooctanu. Reakcja ta jest źródłem trzeciej cząsteczki NADH powstającej w cyklu Krebsa.
Bilans samego cyklu Krebsa:
Do cyklu wchodzą 2 atomy węgla w postaci reszty acetylowej związanej z CoA i opuszczają cykl w postaci CO2. Podczas jednego obrotu cyklu 4 pary elektronów są przenoszone z substratów na akceptory, trzy pary na NAD, który redukuje się do NADH i jedna para na FA, który redukuje się do FADH2.Utlenienie 1 cząsteczki NADH przez łańcuch oddechowy prowadzi do powstania trzech cząsteczek ATP. Podczas jednego cyklu powstają 3 cząsteczki NADH. Ich utlenianie dostarcza więc 9 (3x3) cząsteczek ATP. Utlenianie jedynej cząsteczki FADH2 daje 2 cząsteczki ATP. Łącznie, w wyniku procesów oksydoredukcyjnych, powstaje 11 cząsteczek ATP. Dodatkowo powstaje jedna cząsteczka GTP lub ATP na drodze fosforylacji substratowej. Tak więc mamy już 12 ATP. Bilans można przedstawić za pomocą równań:
3 NADH + 3 H + 9 ADP + 9 Pi à 3 NAD + 9 ATP
FADH2 + 2 ADP + 2 Pi à FAD + 2 ATP
GTP + ADP à GDP + 1 ATP łącznie: 12 ATP / 1 obrót
Bilans energetyczny przemiany glukozy do CO2 i H2O (glikoliza + cykl Krebsa)
Przemiana glukozy drogą glikolizy wraz z oksydacyjną dekarboksylacją powstającego w niej pirogronianu jest głównym źródłem acetylo-CoA. Reszty acetylowe utleniają się w cyklu Krebsa do CO2 i H2O. Z jednej cząsteczki glukozy powstaja dwie cząsteczki acetylo-CoA, czyli łączny zysk na jedną cząsteczkę glukozy wynosi 24 (2x12) ATP. Z podsumowania tej wartości z efektami energetycznymi glikolizy (8 ATP) i oksydacyjnej dekarboksylacji dwu cząsteczek pirogronianu (2x3=6ATP) wynika, że 1 cząsteczka glukozy, utleniając się do 6 cząsteczek CO2 i 12 cząsteczek H2O, dostarcza 38 cząsteczek ATPC6H12O6 + 6O2 + 38 ADP + 38 Pi à 6 CO2 + 6 H20 + 38 ATPJeśli w transporcie równoważników redukcyjnych z cytosolu do mitochondrium uczestniczy mostek glicerolofosforanowy, współdziałający z FAD, to zysk energetyczny w przeliczeniu na jedną cząsteczkę glukozy wyniesie 36 ATP.
wfkce