Επεξήγηση του κύκλου του κιτρικού οξέος
Βασικές έννοιες
Ο κύκλος του κιτρικού οξέος, επίσης γνωστός ως κύκλος τρικαρβοξυλικού οξέος ή Κύκλος του Krebs, είναι μια καταβολική αερόβια διαδικασία που χρησιμοποιούν οι ζωντανοί οργανισμοί για να παράγουν ATP. Σε αυτό το άρθρο, θα μάθετε τις οκτώ αντιδράσεις στον κύκλο του κιτρικού οξέος, πώς λειτουργούν αυτές οι αντιδράσεις και τα προϊόντα και τα αντιδρώντα που εμπλέκονται. Σε όλο το άρθρο οι όροι κύκλος κιτρικού οξέος, κύκλος τρικαρβοξυλικού οξέος (TCA) και κύκλος του Krebs θα χρησιμοποιούνται εναλλακτικά.
Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα
- Γλυκόλυση
- Οξείδωση και αναγωγή
- Αντιδράσεις συμπύκνωσης
- Φωτοσύνθεση
- E2
Λεξιλόγιο
- Αερόβια αναπνοή- μια χημική διαδικασία που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενέργειας από υδατάνθρακες παρουσία οξυγόνου.
- Αποκαρβοξυλίωση – αφαίρεση μιας καρβοξυλικής ομάδας και αργότερα απελευθέρωση CO2 .
- Αφυδρογονάση- μεταφορά ηλεκτρονίων
- Ενυδάτωση-προσθήκη μορίου νερού
Προϊόντα
- 3 NADH
- 2 CO2
- 1 FADH2
- 1GTP
Σημείωση:Κάθε γλυκόζη παράγει δύο μόρια ακετυλ CoA. Επομένως, τα προϊόντα που αναφέρονται πρέπει να πολλαπλασιαστούν επί δύο. Για παράδειγμα, δύο μόρια γλυκόζης θα παράγουν τα εξής:
- 12 NADH
- 8 CO2
- 4 FADH2
- 4 GTP
Αυτό το παραπάνω παράδειγμα είναι μια συνηθισμένη ερώτηση δοκιμής σε μαθήματα βιοχημείας και κυτταρικής βιολογίας .
Υποστρώματα
- Ακετυλ CoA
- Κιτρικό
- Isocitrate
- άλφα-κετογλουταρικό
- ηλεκτρυλο-CoA
- ηλεκτρικό
- φουμαρικό
- μαλικό
- οξαλοξικό
Ένζυμα
- Κιτρική συνθάση
- Ακονιτάση
- Ισοσιτρική αφυδρογονάση
- α-κετογλουταρική αφυδρογονάση
- ηλεκτρυλο-CoA συνθετάση
- ηλεκτρική αφυδρογονάση
- φουμαράση
- μηλική αφυδρογονάση
Εισαγωγή στον κύκλο του Krebs
Ο σκοπός του κύκλου του κιτρικού οξέος είναι η παραγωγή ενέργειας με την οξείδωση του ακετυλο-CoA σε διοξείδιο του άνθρακα και χρησιμεύει ως πρόδρομος σε άλλες βιοσυνθετικές αντιδράσεις. Αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα στη μήτρα των μιτοχονδρίων. Αιχμαλωτίζει την ενέργεια που αποθηκεύεται στον δεσμό θειολεστέρα στο ακετυλο-CoA και αργότερα τη διατηρεί σε ενεργειακά πακέτα NADH. Παρόλο που το οξυγόνο δεν καταναλώνεται, ο κύκλος είναι αερόβιος αφού NADH και FADH2 μεταφέρουν ηλεκτρόνια σε μια εξαρτώμενη από το οξυγόνο μονοπάτι.
Σύμπλοκο πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης – Το στάδιο προετοιμασίας
Το πυροσταφυλικό συντίθεται σε ακετυλο-CoA μέσω του συμπλόκου πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης. Αυτό το πολυενζυμικό σύμπλεγμα, επομένως, συνδέει τη γλυκόλυση με τον κύκλο του Krebs. Το σύμπλοκο PDH έχει τρεις ενζυμικές ενεργές υπομονάδες οι οποίες είναι:πυροσταφυλική αφυδρογονάση (Ε1), διυδρολιποϋλ τρανσακετυλάση (Ε2) και διυδρολιποϋλ αφυδρογονάση (Ε3). Είναι σημαντικό ότι η πυροσταφυλική αφυδρογονάση έχει μια αλλοστερική θέση, η οποία μπορεί συνεπώς να ρυθμιστεί με ATP ή NADH. Προφανώς, αυτό το βήμα είναι μια κρίσιμη μορφή ρύθμισης, καθώς επιτρέπει στους ζωντανούς οργανισμούς να αξιολογούν τα επίπεδα ATP και AMP τους.
Επισκόπηση
| Θετικοί διαμορφωτές | Αρνητικούς διαμορφωτές |
| AMP | ATP |
| ADP | Acetyl-CoA |
Α. Με τη βοήθεια του Ε1, το πυροσταφυλικό συνδυάζεται με πυροφωσφορική θειαμίνη (TPP), έναν συμπαράγοντα ενζύμου, για να υποστεί στη συνέχεια αποκαρβοξυλίωση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό ενός ενδιάμεσου υδροξυαιθυλίου-ΤΡΡ.
Β. Η ομάδα υδροξυαιθυλίου του TPP προσβάλλει την ομάδα σουλφιδίου λιποαμιδίου του Ε2 και εξαλείφει το παράγωγο TPP. Μόλις απελευθερωθεί το παράγωγο TPP, το υδροξυαιθυλο καρβανιόν οξειδώνεται σε μια ακετυλομάδα. Σημειώστε ότι αυτό το βήμα αναγεννά επίσης το TPP για μελλοντική μείωση του πυροσταφυλικού.
Γ. Ως αποτέλεσμα της μετεστεροποίησης, η ακετυλομάδα μεταφέρεται στο CoA για την παραγωγή ακετυλο-CoA.
Δ. Η Ε3 επαναοξειδώνει το διυδρολιποαμίδιο για να αναγεννήσει την αρχική ομάδα λιποαμιδίου του Ε2.
Ε. Θυμηθείτε ότι σε μια αντίδραση αναγωγής υπάρχει κέρδος ηλεκτρονίων, και στην οξείδωση, υπάρχει απώλεια ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια που χάνονται από το E3 σε αυτή την αντίδραση βοηθούν στην παραγωγή NADH, το οποίο βοηθά στην παραγωγή ATP κατά τη διάρκεια της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων. Όπως είναι προφανές, το σύμπλοκο πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης δεν παράγει άμεσα ΑΤΡ.
Κύκλος κιτρικού οξέος Βήμα 1:Αντίδραση κιτρικής συνθάσης/οξέος-βάσης
Η κιτρική συνθάση καταλύει την αντίδραση μεταξύ ενός ενδιάμεσου που ονομάζεται οξαλοξικό και ακετυλο-CoA για να σχηματίσει αργότερα κιτρικό. Ο μηχανισμός ξεκινά με μια αντίδραση συμπύκνωσης αλδόλης και τελειώνει με την υδρόλυση ενός θειοεστερικού δεσμού. Ωστόσο, προτού συμβεί η αντίδραση, οι ιστιδίνες 274 και 320 της συνθάσης πρέπει να πρωτονιωθούν, ενώ ο ασπαρτικός 375 αποπρωτονιώνεται σε ηρεμία.
Μηχανισμός
Κύκλος κιτρικού οξέος Αντίδραση 2:Αντίδραση Ακονιτάσης/Αφυδάτωσης-Επανυδάτωσης
Η ακονιτάση είναι ένα ένζυμο σιδήρου-θείου που αλληλομετατρέπει το κιτρικό στο ισομερές του, το ισοκιτρικό, μέσω της cis-aconitase. Αυτός είναι ένας μηχανισμός δύο βημάτων που περιλαμβάνει την προσθήκη και αργότερα την αφαίρεση νερού.
Μηχανισμός
Κύκλος κιτρικού οξέος Αντίδραση 3:Ισοϊτρική αφυδρογονάση/ Οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση
Η ισοκιτρική αφυδρογονάση είναι ένα ένζυμο που καταλύει την οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του ισοκιτρικού άλατος προς το ισομερές του άλφα-κετογλουταρικό. Δεν είναι μόνο ένα βασικό βήμα περιορισμού του ποσοστού, αλλά είναι επίσης το πρώτο βήμα στον κύκλο που απελευθερώνει NADH και CO2 . Τα Mghelps σταθεροποιούν το καρβονύλιο στο ενδιάμεσο ενολικό, το οποίο τελικά μετατρέπεται σε άλφα-κετογλουταρικό. Είναι σημαντικό ότι αυτό το βήμα μπορεί στη συνέχεια να ρυθμιστεί δεδομένης της παρουσίας NADH ή ATP.
Μηχανισμός
Κύκλος κιτρικού οξέος Αντίδραση 4:Άλφα-κετογλουταρική αφυδρογονάση
Η αφυδρογονάση της άλφα-κετογλουταρικής είναι ένα σύμπλοκο πολλαπλών ενζύμων που μετατρέπει το άλφα-κετογλουταρικό σε σουκινυλο-CoA μέσω οξειδωτικής αποκαρβοξυλίωσης. Περαιτέρω, αυτό το ένζυμο παράγει το δεύτερο NADH και CO2 του Κύκλου του Krebs. Επίσης, ο μηχανισμός του συμπλέγματος άλφα-κετογλουταρικής αφυδρογονάσης είναι παρόμοιος με αυτόν της πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης.
Μηχανισμός
Κύκλος κιτρικού οξέος Αντίδραση 5:Φωσφορυλίωση σε επίπεδο συνθετάσης ηλεκτρυλικού-CoA-υποστρώματος.
Η συνθετάση succinyl-CoA διασπά τον υψηλής ενέργειας θειολεστέρα του succinyl-CoA για να σχηματίσει ηλεκτρικό. Η ενέργεια που απελευθερώνεται από τον θειοεστερικό δεσμό του succinyl-CoA χρησιμοποιείται για τη δημιουργία GTP, το οποίο μπορεί στη συνέχεια να μεταφέρει το φωσφορικό του στο ADP για να δώσει ATP. Ωστόσο, το φωσφορικό άλας δεν μεταφέρεται απευθείας στο GTP από το ηλεκτρικό-φωσφορικό, αλλά μάλλον μέσω ενός υπολείμματος ιστιδίνης στη συνθετάση.
Μηχανισμός
Κύκλος κιτρικού οξέος Αντίδραση 6:Ηλεκτρική αφυδρογονάση/ Στερεοειδική αφυδάτωση
Η ηλεκτρική αφυδρογονάση καταλύει την αντίδραση αφυδρογόνωσης του ηλεκτρικού σε φουμαρικό. Αυτό το ένζυμο περιέχει την προσθετική ομάδα, FAD, η οποία είναι ομοιοπολικά συνδεδεμένη μέσω ενός υπολείμματος ιστιδίνης. Όταν το ηλεκτρικό οξειδώνεται, δύο άτομα υδρογόνου μεταφέρονται στη συνέχεια στο FAD, παράγοντας FADH2 . Η ηλεκτρική αφυδρογονάση είναι το μόνο ένζυμο που συνδέεται με τη μεμβράνη του κύκλου του τρικαρβοξυλικού οξέος και συνδέεται άμεσα με την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.
Μηχανισμός
Κύκλος κιτρικού οξέος Αντίδραση 7:Αντίδραση φουμαράσης/ενυδάτωσης
Η φουμαράση καταλύει την αντίδραση ενυδάτωσης του φουμαρικού με την προσθήκη νερού κατά μήκος του διπλού δεσμού για την παραγωγή μηλικού.
Μηχανισμός
Κύκλος κιτρικού οξέος Αντίδραση 8:Μηλική αφυδρογονάση
Η μηλική αφυδρογονάση συνδυάζει την περαιτέρω οξείδωση του μηλικού και τη μείωση του NAD+. Αυτό σχηματίζει ένα καρβονύλιο, μετατρέποντας το μηλικό σε οξαλοξικό, ολοκληρώνοντας τελικά τον κύκλο του κιτρικού οξέος.
Μηχανισμός
Φύλλο εξαπάτησης κύκλου κιτρικού οξέος
Περαιτέρω ανάγνωση
- TCA στον καρκίνο
- Σημασία κύκλου Krebs
- Κρίσιμος ρόλος του Alpha-Ketoglutarate
