PROFILPELAJAR.COM

Кребсов циклус (циклус лимунске киселине, циклус трикарбоксилних киселина)^[1]^[2] је метаболички процес у аеробним условима при коме се добија енергија из глукозе. Кребсов циклус је низ хемијских реакција које сви аеробни организми користе за ослобађање ускладиштене енергије оксидацијом ацетил-КоА добијених из угљених хидрата, масти и протеина. Поред тога, циклус обезбеђује прекурзоре одређених аминокиселина, као и редукционо средство NADH, које се користи у бројним другим реакцијама. Његова централна важност за многе биохемијске путеве сугерише да је то била једна од најранијих компоненти метаболизма и да је можда настала абиогено.^[3]^[4] Иако је означен као 'циклус', није неопходно да метаболити следе само један одређени пут; препозната су најмање три сегмента циклуса лимунске киселине.^[5]

Назив овог метаболичког пута потиче од лимунске киселине (трикарбоксилне киселине, која се често назива цитратом, јер јонизовани облик превладава на биолошком pH^[6]) која се троши, а затим регенерише овим редоследом реакција да би се циклус завршио. У циклусу се троши ацетат (у облику ацетил-КоА) и воде, редукује NAD⁺ до NADH, ослобађајући угљен-диоксид. NADH генерисан циклусом лимунске киселине доводи се у пут оксидативне фосфорилације (транспорта електрона). Нето резултат ова два уско повезана пута је оксидација хранљивих састојака да би се произвела употребљива хемијска енергија у облику ATP.

У еукариотским ћелијама се циклус лимунске киселине јавља у матриксу митохондрија. У прокариотским ћелијама, као што су бактерије, којима недостају митохондрије, реакциона секвенца циклуса лимунске киселине се изводи у цитозолу, при чему је градијент протона за производњу ATP остварује преко површине ћелије (плазматске мембране), а не унутрашње мембране митохондрије. Укупан принос једињења која садрже енергију из TCA циклуса је три NADH, један FADH₂ и један GTP.^[7]

Увод

У гликолизи крајњи продукт је пирогрожђана киселина настала из глукозе. У аеробним условима, следећи корак у стварању ћелијске енергије је оксидативна декарбоксилација пирогрожђане киселине и настанак ацетил коензима А (скр. ацетил ЦоА). Ова активирана ацетил јединица је затим комплетно оксидована до угљен-диоксида серијом реакција које чине Кребсов циклус. Овај циклус је такође и заједнички метаболички пут за стварање енергије оксидацијом амино киселина, угљених хидрата и масних киселина.

Оксидативна декарбоксилација пирогрожђане киселине и претварање исте у ацетил КоА се одвија у митохондријском матриксу и управо овај корак је карика која повезује гликолизу и Кребсов циклус. Једначина ове декарбоксилационе реакције је:

Пирогрођжана киселина + CоА + NAD⁺ → Ацетил CоА + CO₂ + NADH

Ензим који катализује ову реакцију је заправо високо интегрисани комплекс три ензима пируват-дехидрогеназе.

Упрошћена шема

Циклус почиње тако што се оксалоацетат (једињење од четири угљеникова атома) кондензује са ацетил јединицом (једињење од два угљеникова атома) и тиме стварају цитрат (једињење са шест угљеникових атома). Изомер цитрата се затим декарбоксилује и резултује у стварању α - кетоглутарата, који се затим опет оксидативном декарбоксилацијом претвара у сукцинат (једињење са четири угљеникова атома). Серијом реакција оксалоацетат се регенерише из сукцината.

Реакције Кребсовог циклуса

Алдолна кондензација

Циклус почиње једињењем оксалоацетата и КоА. Оксалоацетат реагује са ацетил КоА и водом и резултује са цитратом и КоА. Рекација је типа алдолне кондензације, праћена са хидролизом. Ензим који катализује ову реакцију је цитрат-синтаза. Хидролиза цитрил-КоА јако помера равнотежу укупне реакције у смеру настајања цитрата.

Изомеризација цитрата

Цитрат мора бити трансформисан у изоцитрат, једињење са шест угљеникових атома, како би оксидативна декарбоксилација била могућа. Кораци изомериације цитрата се састоје од дехидрације, праћене хидрацијом. Овом изомерацијом се врши замена места водониковог атома и ОН групе. Ензим који катализује оба корака је аконитаза (аконитат-хидратаза), јер се претпоставља да је „међукорак“ изомеризације цис-аконитат.

Оксидација и декарбоксилација изоцитарата

Прва од укупно четири оксидативно-редукционе реакције је добијање кетоглутарата. Оксидативна декарбоксилација изоцитрата је катализована ензимом изоцитрат-дехидрогеназа:

Изоцитрат + NAD → α - Кетоглутарат + CO₂ + NADH

Међукорак ове трансформације је оксалосукцинат, иначе нестабилна β - киселина, која приликом реаговања са ензимом, губи CO₂ и формира кетоглутарат. Ова реакција Кребсовог циклуса је веома важна, јер брзина ове реакције и самим тим брзина стварања α - Кетоглутарата, одређује свеукупну брзину циклуса.

Стварање сукцинил КоА

Конверзација изоцитрата у алфа-кетоглутарат је праћена другом оксидативно декарбоксилационом реакцијом, формација сукцинил КоА.

α - Кетоглутарат + NAD + КоА → Сукцинил КоА+ CO₂ + NADH

Реакција је катализована комплексом ензима α - кетоглутарат дехидрогеназом.

Веза између сумпора и КоА у једињењу сукцинил КоА је богата енергијом. ΔG°' за хидролизу ове везе је -8 килокалорија по молу, што је приближно хидролизи ATP-а, чија износи ΔG°' ~ -7.3 килокалорија по молу. Хидролиза ове везе производи GTP (гуанин-трифосфат) фосфорилацијом GDP (гуанин-дифосфат).

Фосфорилација GDP-а:

Сукцинил-КоА + P_i + GDP → Сукцинат + GTP + КоА ; ΔG°'= -0.8 kcal/mol

Сукцинат

Сукцинат бива оксидован ензимом сукцинат-дехидрогеназа до фумарата. FAD (флавин аденин динуклеотид) преузима водоников атом, уместо NAD+, који се користи у остале три редокс реакције Кребсовог циклуса. Разлог употребе FAD уместо NAD+ је тај да је промена слободне енергије недовољна како би се NAD редуковао у NADH.

Хидрацијом фумарата добија се малат. Фумараза, катализатор ове реакције, катализује стереоспецифичну трансадицију водониковог атома и ОН-групе. ОН-група се додаје само једној страни двогубе везе, те се овом реакцијом добија Л изомер малата (Л-малат).

Регенерација оксалоацетата

Последњи корак циклуса је оксидација малата како би се регенерисао оксалоацетат. Катализатор ове реакције је малат-дехидрогеназа, у којој NAD⁺ прихвата водоников атом.

Стехиометрија Кребсовог циклуса

Збирна једначина Кребсовог циклуса је:

Acetyl-CoA + 3 NAD⁺ + FAD + GDP + P_i + 3 H₂O → CoA-SH + 3 NADH + H⁺ + FADH₂ + GTP + 2 CO₂ + 3 H⁺

Циклус

Два атома угљеника улазе у циклус кондензацијом ацетилне јединице, а два атома угљеника и напуштају циклус у облику угљен-диоксида. Ипак, то нису иста два угљеникова атома.
Циклус напушта четири пара водоникових атома у четири реакције оксидације. При томе се редукују два молекула NAD⁺ (у току оксидацијских декарбоксилација изоцитрата и α-кетоглутарата) и по један молекул FAD⁺ (при оксидацији сукцината) и NAD⁺ (при оксидацији малата).
Ствара се једна високо енергијска фосфатна веза у облику GTP-а, а на рачун тиоестарске везе у сукцинил-КоА.
Потроше се два молекула воде: при синтези цитрата и при хидрацији фумарата.
Стварају се молекули NADH и FADH₂. Молекулски кисеоник у овом процесу не учествује директно, али је овај процес ипак могућ само у аеробним условима јер се NAD⁺ и FAD могу обновити у митохондрији само преносом електрона на молекулски кисеоник.

Табела

Корак	Реакција	Ензим	Кофактор	Реакција	ΔG°' (kcal/mol)
1	ацетил-КоА + оксалоацетат + H₂O → цитрат + КоА + H⁺	цитрат-синтетаза	КоА	кондензација	-31,4
2	цитрат → цис-аконитат + H₂O	аконитаза	Fe²⁺	дехидрација	+8,4
3	цис-аконитат + H₂O → изоцитрат	аконитаза	Fe²⁺	хидрација	-2,1
4	цис-аконитат + NAD⁺ → α-кетоглутарат + CO₂ + NADH	изоцитрат-дехидрогеназа	NAD⁺	декарбоксилација оксидација	-8,4
5	α-кетоглутарат + NAD⁺ + КоА → сукцинил-КоА + CO₂ + NADH	комплекс α-кетоглутарат-дехидрогеназе	NAD⁺ КоА TPP липојева киселина FAD	декарбоксилација оксидација	-30,1
6	сукцинил-КоА + P_i + GDP → сукцинат + GTP + КоА	сукцинил-КоА-синтетаза	КоА	фосфорилација	-3,4
7	сукцинат + FAD → фумарат + FADH₂	сукцинат-дехидрогеназа	FAD	оксидација	0
8	фумарат + H₂O → малат	фумараза	нема	хидрација	-3,8
9	Л-малат + NAD⁺ → оксалоацетат + NADH + H⁺	малат-дехидрогеназа	NAD⁺	оксидација	+29,7

Регулација Кребсовог циклуса

Брзина хемијских реакција у Кребсовом циклусу подложна је прецизној регулацији, сразмерно енергетским потребама дате ћелије. Кључне тачке контроле су алостерични ензими, изоцитрат дехидрогеназа и α-кетоглутарат дехидрогеназа.

Исоцитрат дехидрогеназу поспешује присуство ADP, који се веже за ензим и повећава афинитет према супстрату. Истовремено везање супстрата (исоцитрата), NAD⁺, Mg²⁺ и ADP на ензим има стимулирајући утицај на активацију, док NADH и ATP смањују његову активност, јер заузимају активно место везе активацијских спојева (компетитивна инхибиција).

Следећа кључна тачка контроле је уређивање активности α-кетоглутарат дехидрогеназе. Ензим је инхибиран сукцинил-КоА-ом и NADH-ом, два коначна производа која настају његовом сопственом активношћу. Генерално, ензим може да смањи активност ако у ћелији већ постоји обиље високоенергетских молекула, као што је ATP. Тиме се смањује успешност свих процеса који производе енергију, међу којима Кребсов циклус има средишњу и чворишну улогу.

Нађени су докази о уређивању активности Кребсовог циклуса и пре његовог почетка, на ниво доступности првог ензима у процесу (цитрат синтетазе). Велика концентрација ATP смањује склоност ензима према свом основном субстрату - ацетил-КоА, смањујући тако производњу цитрата. Стога, што је више ATP у ћелији, то мања количина ацетил-КоА улази у сам Кребсов циклус.^[8]

Везе Кребсовог циклуса и осталих метаболичких путева

Кребсов циклус има чворишну улогу у метаболизму живих бића, пре свега у катаболизму органских молекула, али и у анаболизму. На Кребсов циклус се надовезују различити метаболички путеви који, између осталог, сам циклус снабдевају међуспојевима који су утрошени у биосинтези других органских молекула. Те хемијске реакције се означавају као анаплеротичке реакције.

Претходни процеси Кребсовог циклуса

Кребсов циклус је други степен разградње угљених хидрата. Први, гликолиза, разграђује глукозу и остале шећере у пирогрожђану киселину (пируват), α-кетокиселину са три атома угљеника. Код еукариота пируват се преноси из цитоплазме у митохондрије, где под утицајем ензима губи један атом угљеника и настаје ацетил-КоА. Та се реакција зове оксидативна декарбоксилација пирувата, а ензим који је катализује је пируват дехидрогеназа. Први субстрат у Кребсовом циклусу је ацетил КоА, који се ослобађа у митохондријама.

Као извор енергије у Кребсовом циклусу, индиректно служе и беланчевине и њихови производи. Беланчевине се путем протеолизе разграђују у основне градивне јединице: аминокиселине. Неке од њих, као аспартат, валин и изолеуцин могу бити директно претворени у међуједињења самог циклуса. Остале могу прећи у глуциде (угљене хидрате) и укључити се у циклус преко метаболичких путева карактеристичних за угљене хидрате.

Производи разградње масти су такође изузетно важни извори енергије, који директно и индиректно улазе у Кребсов циклус. Разградњу масти катализују ензими липазе, које ослобађају масне киселине и глицерол. Глицерол може ући у процес гликолизе, посебно у ћелијамајетре или бити претворен у глукозу у процесу глуконеогенезе. У многим ткивима, поготово срцу, масне киселине се разграђују током процеса бета оксидације која директно производи ацетил КоА: основни супстрат Кребсовог циклуса. Бета оксидација може произвести и пропионил КоА, који се путем глуконеогенезе претвара у глукозу.

Процеси иза Кребсовог циклуса

Основни процес који следи Кребсов циклус је оксидативна фосфорилација, метаболички пут у којем се завршава ћелијско дисање. Главна улога те фосфорилације је оксидација кофактора NADH и FADH₂, који поново у оксидираном облику улазе у Кребсов циклус NAD⁺ и FAD. Овај процес генерише градијент протона и електрона, чија се енергија користи за процес фосфорилације молекула ADP у високоенергетске молекуле ATP. У том се процесу протони (H⁺) вежу на кисеоник, којег организми уносе из атмосфере и стварају воду као коначни производ. Оксидацијска фосфорилација, која је релативно ниска у Кребсовом циклусу, увелико повећава успешност производње високоенергетских нуклеозида, као што су ATP и GTP.

Процеси који користе међупродукте Кребсовог циклуса

Међупродукти Кребсовог циклуса улазе у многе друге метаболичке путеве. У попис који следи, укључени су метаболити Кребсовог циклуса и метаболички путеви у којима учествују.

Ацетил КоА:
- Бета оксидација
- Биосинтеза масних киселина;
- Деградација лизина
- Деградација валина и изолеуцина
- Метаболизам фенилаланина
α-кетоглутарат:
- Биосинтеза лизина
- Метаболизам аскорбинске киселине
- Метаболизам глутамата
Сукцинил КоА:
- Метаболизам пропаноата
- Биосинтеза порфирина
- Деградација леуцина и изолеуцина
- Метаболизам фенилаланина
Сукцинат:
- Метаболизам бутаноата
- Метаболизам тирозина
Фумарат:
- Циклус уреје
- Метаболизам аргинина и пролина
- Метаболизам тирозина
Оксалацетат:
- Глуконеогенеза
- Метаболизам глутамата и аспартата
- Метаболизам гликоксилне киселине

Референце

^ Lowenstein JM (1969). Methods in Enzymology, Volume 13: Citric Acid Cycle. Boston: Academic Press. ISBN 978-0-12-181870-8.
^ Kay J, Weitzman PD (1987). Krebs' citric acid cycle: half a century and still turning. London: Biochemical Society. стр. 25. ISBN 978-0-904498-22-6.
^ Wagner, Andreas (2014). Arrival of the Fittest (first изд.). PenguinYork. стр. 100. ISBN 9781591846468.
^ Lane, Nick (2009). Life Ascending: The Ten Great Inventions of Evolution. New York: W. W. Norton & Co. ISBN 978-0-393-06596-1.
^ Chinopoulos C (август 2013). „Which way does the citric acid cycle turn during hypoxia? The critical role of α-ketoglutarate dehydrogenase complex” (PDF). Journal of Neuroscience Research. 91 (8): 1030—43. PMID 23378250. doi:10.1002/jnr.23196 .
^ Voet D, Voet JG (2004). Biochemistry (3rd изд.). New York: John Wiley & Sons, Inc. стр. 615.
^ Lieberman, Michael (2013). Marks' basic medical biochemistry : a clinical approach. Marks, Allan D., Peet, Alisa. (Fourth изд.). Philadelphia: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 9781608315727. OCLC 769803483.
^ Voet D., Voet J. G. (2004): Biochemistry, 3rdedition. John Wiley & Sons, Inc., New York.