Krebsov ciklus
Krebsov ciklus (ciklus limunske kiseline, ciklus trikarboksilnih kiselina)[1][2] je metabolički proces u aerobnim uslovima pri kome se dobija energija iz glukoze. Krebsov ciklus je niz hemijskih reakcija koje svi aerobni organizmi koriste za oslobađanje uskladištene energije oksidacijom acetil-KoA dobijenih iz ugljenih hidrata, masti i proteina. Pored toga, ciklus obezbeđuje prekurzore određenih aminokiselina, kao i redukciono sredstvo NADH, koje se koristi u brojnim drugim reakcijama. Njegova centralna važnost za mnoge biohemijske puteve sugeriše da je to bila jedna od najranijih komponenti metabolizma i da je možda nastala abiogeno.[3][4] Iako je označen kao 'ciklus', nije neophodno da metaboliti slede samo jedan određeni put; prepoznata su najmanje tri segmenta ciklusa limunske kiseline.[5]
Naziv ovog metaboličkog puta potiče od limunske kiseline (trikarboksilne kiseline, koja se često naziva citratom, jer jonizovani oblik prevladava na biološkom pH[6]) koja se troši, a zatim regeneriše ovim redosledom reakcija da bi se ciklus završio. U ciklusu se troši acetat (u obliku acetil-KoA) i vode, redukuje NAD+ do NADH, oslobađajući ugljen-dioksid. NADH generisan ciklusom limunske kiseline dovodi se u put oksidativne fosforilacije (transporta elektrona). Neto rezultat ova dva usko povezana puta je oksidacija hranljivih sastojaka da bi se proizvela upotrebljiva hemijska energija u obliku ATP.
U eukariotskim ćelijama se ciklus limunske kiseline javlja u matriksu mitohondrija. U prokariotskim ćelijama, kao što su bakterije, kojima nedostaju mitohondrije, reakciona sekvenca ciklusa limunske kiseline se izvodi u citozolu, pri čemu je gradijent protona za proizvodnju ATP ostvaruje preko površine ćelije (plazmatske membrane), a ne unutrašnje membrane mitohondrije. Ukupan prinos jedinjenja koja sadrže energiju iz TCA ciklusa je tri NADH, jedan FADH2 i jedan GTP.[7]
Uvod[uredi | uredi izvor]
U glikolizi krajnji produkt je pirogrožđana kiselina nastala iz glukoze. U aerobnim uslovima, sledeći korak u stvaranju ćelijske energije je oksidativna dekarboksilacija pirogrožđane kiseline i nastanak acetil koenzima A (skr. acetil CoA). Ova aktivirana acetil jedinica je zatim kompletno oksidovana do ugljen-dioksida serijom reakcija koje čine Krebsov ciklus. Ovaj ciklus je takođe i zajednički metabolički put za stvaranje energije oksidacijom amino kiselina, ugljenih hidrata i masnih kiselina.
Oksidativna dekarboksilacija pirogrožđane kiseline i pretvaranje iste u acetil KoA se odvija u mitohondrijskom matriksu i upravo ovaj korak je karika koja povezuje glikolizu i Krebsov ciklus. Jednačina ove dekarboksilacione reakcije je:
- Pirogrođžana kiselina + CoA + NAD+ → Acetil CoA + CO2 + NADH
Enzim koji katalizuje ovu reakciju je zapravo visoko integrisani kompleks tri enzima piruvat-dehidrogenaze.
Uprošćena šema[uredi | uredi izvor]
Ciklus počinje tako što se oksaloacetat (jedinjenje od četiri ugljenikova atoma) kondenzuje sa acetil jedinicom (jedinjenje od dva ugljenikova atoma) i time stvaraju citrat (jedinjenje sa šest ugljenikovih atoma). Izomer citrata se zatim dekarboksiluje i rezultuje u stvaranju α - ketoglutarata, koji se zatim opet oksidativnom dekarboksilacijom pretvara u sukcinat (jedinjenje sa četiri ugljenikova atoma). Serijom reakcija oksaloacetat se regeneriše iz sukcinata.
Reakcije Krebsovog ciklusa[uredi | uredi izvor]
Aldolna kondenzacija[uredi | uredi izvor]
Ciklus počinje jedinjenjem oksaloacetata i KoA. Oksaloacetat reaguje sa acetil KoA i vodom i rezultuje sa citratom i KoA. Rekacija je tipa aldolne kondenzacije, praćena sa hidrolizom. Enzim koji katalizuje ovu reakciju je citrat-sintaza. Hidroliza citril-KoA jako pomera ravnotežu ukupne reakcije u smeru nastajanja citrata.
Izomerizacija citrata[uredi | uredi izvor]
Citrat mora biti transformisan u izocitrat, jedinjenje sa šest ugljenikovih atoma, kako bi oksidativna dekarboksilacija bila moguća. Koraci izomeriacije citrata se sastoje od dehidracije, praćene hidracijom. Ovom izomeracijom se vrši zamena mesta vodonikovog atoma i ОН grupe. Enzim koji katalizuje oba koraka je akonitaza (akonitat-hidrataza), jer se pretpostavlja da je „međukorak“ izomerizacije cis-akonitat.
Oksidacija i dekarboksilacija izocitarata[uredi | uredi izvor]
Prva od ukupno četiri oksidativno-redukcione reakcije je dobijanje ketoglutarata. Oksidativna dekarboksilacija izocitrata je katalizovana enzimom izocitrat-dehidrogenaza:
Izocitrat + NAD → α - Ketoglutarat + CO2 + NADH
Međukorak ove transformacije je oksalosukcinat, inače nestabilna β - kiselina, koja prilikom reagovanja sa enzimom, gubi CO2 i formira ketoglutarat. Ova reakcija Krebsovog ciklusa je veoma važna, jer brzina ove reakcije i samim tim brzina stvaranja α - Ketoglutarata, određuje sveukupnu brzinu ciklusa.
Stvaranje sukcinil KoA[uredi | uredi izvor]
Konverzacija izocitrata u alfa-ketoglutarat je praćena drugom oksidativno dekarboksilacionom reakcijom, formacija sukcinil KoA.
α - Ketoglutarat + NAD + KoA → Sukcinil KoA+ CO2 + NADH
Reakcija je katalizovana kompleksom enzima α - ketoglutarat dehidrogenazom.
Veza između sumpora i KoA u jedinjenju sukcinil KoA je bogata energijom. ΔG°' za hidrolizu ove veze je -8 kilokalorija po molu, što je približno hidrolizi ATP-a, čija iznosi ΔG°' ~ -7.3 kilokalorija po molu. Hidroliza ove veze proizvodi GTP (guanin-trifosfat) fosforilacijom GDP (guanin-difosfat).
Fosforilacija GDP-a:
Sukcinil-KoA + Pi + GDP → Sukcinat + GTP + KoA ; ΔG°'= -0.8 kcal/mol
Sukcinat[uredi | uredi izvor]
Sukcinat biva oksidovan enzimom sukcinat-dehidrogenaza do fumarata. FAD (flavin adenin dinukleotid) preuzima vodonikov atom, umesto NAD+, koji se koristi u ostale tri redoks reakcije Krebsovog ciklusa. Razlog upotrebe FAD umesto NAD+ je taj da je promena slobodne energije nedovoljna kako bi se NAD redukovao u NADH.
Hidracijom fumarata dobija se malat. Fumaraza, katalizator ove reakcije, katalizuje stereospecifičnu transadiciju vodonikovog atoma i ОН-grupe. ОН-grupa se dodaje samo jednoj strani dvogube veze, te se ovom reakcijom dobija L izomer malata (L-malat).
Regeneracija oksaloacetata[uredi | uredi izvor]
Poslednji korak ciklusa je oksidacija malata kako bi se regenerisao oksaloacetat. Katalizator ove reakcije je malat-dehidrogenaza, u kojoj NAD+ prihvata vodonikov atom.
Stehiometrija Krebsovog ciklusa[uredi | uredi izvor]
Zbirna jednačina Krebsovog ciklusa je:
- Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 3 H2O → CoA-SH + 3 NADH + H+ + FADH2 + GTP + 2 CO2 + 3 H+
Ciklus[uredi | uredi izvor]
- Dva atoma ugljenika ulaze u ciklus kondenzacijom acetilne jedinice, a dva atoma ugljenika i napuštaju ciklus u obliku ugljen-dioksida. Ipak, to nisu ista dva ugljenikova atoma.
- Ciklus napušta četiri para vodonikovih atoma u četiri reakcije oksidacije. Pri tome se redukuju dva molekula NAD+ (u toku oksidacijskih dekarboksilacija izocitrata i α-ketoglutarata) i po jedan molekul FAD+ (pri oksidaciji sukcinata) i NAD+ (pri oksidaciji malata).
- Stvara se jedna visoko energijska fosfatna veza u obliku GTP-a, a na račun tioestarske veze u sukcinil-KoA.
- Potroše se dva molekula vode: pri sintezi citrata i pri hidraciji fumarata.
- Stvaraju se molekuli NADH i FADH2. Molekulski kiseonik u ovom procesu ne učestvuje direktno, ali je ovaj proces ipak moguć samo u aerobnim uslovima jer se NAD+ i FAD mogu obnoviti u mitohondriji samo prenosom elektrona na molekulski kiseonik.
Tabela[uredi | uredi izvor]
| Korak | Reakcija | Enzim | Kofaktor | Reakcija | ΔG°' (kcal/mol) |
| 1 | acetil-KoA + oksaloacetat + H2O → citrat + KoA + H+ |
citrat-sintetaza | KoA | kondenzacija | -31,4 |
| 2 | citrat → cis-akonitat + H2O | akonitaza | Fe2+ | dehidracija | +8,4 |
| 3 | cis-akonitat + H2O → izocitrat | akonitaza | Fe2+ | hidracija | -2,1 |
| 4 | cis-akonitat + NAD+ → α-ketoglutarat + CO2 + NADH |
izocitrat-dehidrogenaza | NAD+ | dekarboksilacija oksidacija |
-8,4 |
| 5 | α-ketoglutarat + NAD+ + KoA → sukcinil-KoA + CO2 + NADH |
kompleks α-ketoglutarat-dehidrogenaze |
NAD+ KoA TPP lipojeva kiselina FAD |
dekarboksilacija oksidacija |
-30,1 |
| 6 | sukcinil-KoA + Pi + GDP → sukcinat + GTP + KoA |
sukcinil-KoA-sintetaza | KoA | fosforilacija | -3,4 |
| 7 | sukcinat + FAD → fumarat + FADH2 | sukcinat-dehidrogenaza | FAD | oksidacija | 0 |
| 8 | fumarat + H2O → malat | fumaraza | nema | hidracija | -3,8 |
| 9 | L-malat + NAD+ → oksaloacetat + NADH + H+ |
malat-dehidrogenaza | NAD+ | oksidacija | +29,7 |
Regulacija Krebsovog ciklusa[uredi | uredi izvor]
Brzina hemijskih reakcija u Krebsovom ciklusu podložna je preciznoj regulaciji, srazmerno energetskim potrebama date ćelije. Ključne tačke kontrole su alosterični enzimi, izocitrat dehidrogenaza i α-ketoglutarat dehidrogenaza.
Isocitrat dehidrogenazu pospešuje prisustvo ADP, koji se veže za enzim i povećava afinitet prema supstratu. Istovremeno vezanje supstrata (isocitrata), NAD+, Mg2+ i ADP na enzim ima stimulirajući uticaj na aktivaciju, dok NADH i ATP smanjuju njegovu aktivnost, jer zauzimaju aktivno mesto veze aktivacijskih spojeva (kompetitivna inhibicija).
Sledeća ključna tačka kontrole je uređivanje aktivnosti α-ketoglutarat dehidrogenaze. Enzim je inhibiran sukcinil-KoA-om i NADH-om, dva konačna proizvoda koja nastaju njegovom sopstvenom aktivnošću. Generalno, enzim može da smanji aktivnost ako u ćeliji već postoji obilje visokoenergetskih molekula, kao što je ATP. Time se smanjuje uspešnost svih procesa koji proizvode energiju, među kojima Krebsov ciklus ima središnju i čvorišnu ulogu.
Nađeni su dokazi o uređivanju aktivnosti Krebsovog ciklusa i pre njegovog početka, na nivo dostupnosti prvog enzima u procesu (citrat sintetaze). Velika koncentracija ATP smanjuje sklonost enzima prema svom osnovnom substratu - acetil-KoA, smanjujući tako proizvodnju citrata. Stoga, što je više ATP u ćeliji, to manja količina acetil-KoA ulazi u sam Krebsov ciklus.[8]
Veze Krebsovog ciklusa i ostalih metaboličkih puteva[uredi | uredi izvor]
.svg)
Krebsov ciklus ima čvorišnu ulogu u metabolizmu živih bića, pre svega u katabolizmu organskih molekula, ali i u anabolizmu. Na Krebsov ciklus se nadovezuju različiti metabolički putevi koji, između ostalog, sam ciklus snabdevaju međuspojevima koji su utrošeni u biosintezi drugih organskih molekula. Te hemijske reakcije se označavaju kao anaplerotičke reakcije.
Prethodni procesi Krebsovog ciklusa[uredi | uredi izvor]
Krebsov ciklus je drugi stepen razgradnje ugljenih hidrata. Prvi, glikoliza, razgrađuje glukozu i ostale šećere u pirogrožđanu kiselinu (piruvat), α-ketokiselinu sa tri atoma ugljenika. Kod eukariota piruvat se prenosi iz citoplazme u mitohondrije, gde pod uticajem enzima gubi jedan atom ugljenika i nastaje acetil-KoA. Ta se reakcija zove oksidativna dekarboksilacija piruvata, a enzim koji je katalizuje je piruvat dehidrogenaza. Prvi substrat u Krebsovom ciklusu je acetil KoA, koji se oslobađa u mitohondrijama.
Kao izvor energije u Krebsovom ciklusu, indirektno služe i belančevine i njihovi proizvodi. Belančevine se putem proteolize razgrađuju u osnovne gradivne jedinice: aminokiseline. Neke od njih, kao aspartat, valin i izoleucin mogu biti direktno pretvoreni u međujedinjenja samog ciklusa. Ostale mogu preći u glucide (ugljene hidrate) i uključiti se u ciklus preko metaboličkih puteva karakterističnih za ugljene hidrate.
Proizvodi razgradnje masti su takođe izuzetno važni izvori energije, koji direktno i indirektno ulaze u Krebsov ciklus. Razgradnju masti katalizuju enzimi lipaze, koje oslobađaju masne kiseline i glicerol. Glicerol može ući u proces glikolize, posebno u ćelijamajetre ili biti pretvoren u glukozu u procesu glukoneogeneze. U mnogim tkivima, pogotovo srcu, masne kiseline se razgrađuju tokom procesa beta oksidacije koja direktno proizvodi acetil KoA: osnovni supstrat Krebsovog ciklusa. Beta oksidacija može proizvesti i propionil KoA, koji se putem glukoneogeneze pretvara u glukozu.
Procesi iza Krebsovog ciklusa[uredi | uredi izvor]
Osnovni proces koji sledi Krebsov ciklus je oksidativna fosforilacija, metabolički put u kojem se završava ćelijsko disanje. Glavna uloga te fosforilacije je oksidacija kofaktora NADH i FADH2, koji ponovo u oksidiranom obliku ulaze u Krebsov ciklus NAD+ i FAD. Ovaj proces generiše gradijent protona i elektrona, čija se energija koristi za proces fosforilacije molekula ADP u visokoenergetske molekule ATP. U tom se procesu protoni (H+) vežu na kiseonik, kojeg organizmi unose iz atmosfere i stvaraju vodu kao konačni proizvod. Oksidacijska fosforilacija, koja je relativno niska u Krebsovom ciklusu, uveliko povećava uspešnost proizvodnje visokoenergetskih nukleozida, kao što su ATP i GTP.
Procesi koji koriste međuprodukte Krebsovog ciklusa[uredi | uredi izvor]
Međuprodukti Krebsovog ciklusa ulaze u mnoge druge metaboličke puteve. U popis koji sledi, uključeni su metaboliti Krebsovog ciklusa i metabolički putevi u kojima učestvuju.
- Acetil KoA:
- Beta oksidacija
- Biosinteza masnih kiselina;
- Degradacija lizina
- Degradacija valina i izoleucina
- Metabolizam fenilalanina
- α-ketoglutarat:
- Biosinteza lizina
- Metabolizam askorbinske kiseline
- Metabolizam glutamata
- Sukcinil KoA:
- Metabolizam propanoata
- Biosinteza porfirina
- Degradacija leucina i izoleucina
- Metabolizam fenilalanina
- Sukcinat:
- Metabolizam butanoata
- Metabolizam tirozina
- Fumarat:
- Ciklus ureje
- Metabolizam arginina i prolina
- Metabolizam tirozina
- Oksalacetat:
- Glukoneogeneza
- Metabolizam glutamata i aspartata
- Metabolizam glikoksilne kiseline
Reference[uredi | uredi izvor]
- ^ 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. str. 25. ISBN 978-0-904498-22-6.
- ^ Wagner, Andreas (2014). Arrival of the Fittest (first izd.). PenguinYork. str. 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 (avgust 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 izd.). New York: John Wiley & Sons, Inc. str. 615.
- ^ Lieberman, Michael (2013). Marks' basic medical biochemistry : a clinical approach. Marks, Allan D., Peet, Alisa. (Fourth izd.). 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.
Literatura[uredi | uredi izvor]
- Strajer, L. 1991. Biokemija. Školska knjiga: Zagreb.
Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]
- An animation of the citric acid cycle at Smith College
- Citric acid cycle variants at MetaCyc
- Pathways connected to the citric acid cycle Arhivirano na sajtu Wayback Machine (26. oktobar 2008) at Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes
- Introduction at Khan Academy Arhivirano na sajtu Wayback Machine (25. avgust 2014)
- metpath: Interactive representation of the citric acid cycle
Mapa metabolizma | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||
| Državne | |
|---|---|
| Ostale | |
