Кребсов циклус

Преглед Кребсовог циклуса

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[уреди | уреди извор]

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[уреди | уреди извор]

Упрошћени приказ Кребсовог циклуса

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[уреди | уреди извор]

Алдолна кондензација[уреди | уреди извор]

Цитрат

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[уреди | уреди извор]

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[уреди | уреди извор]

α - Кетоглутарат

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[уреди | уреди извор]

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

Сукцинат[уреди | уреди извор]

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[уреди | уреди извор]

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[уреди | уреди извор]

Збирна једначина Кребсовог циклуса је:

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

Циклус[уреди | уреди извор]

Кребсов Циклус
  1. 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.
  2. 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).
  3. Ствара се једна високо енергијска фосфатна веза у облику GTP-а, а на рачун тиоестарске везе у сукцинил-КоА.
  4. Потроше се два молекула воде: при синтези цитрата и при хидрацији фумарата.
  5. 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[уреди | уреди извор]

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 + Pi + 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[уреди | уреди извор]

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[уреди | уреди извор]

Међудејство 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[уреди | уреди извор]

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[уреди | уреди извор]

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[уреди | уреди извор]

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

Референце[уреди | уреди извор]

  1. ^ Lowenstein JM (1969). Methods in Enzymology, Volume 13: Citric Acid Cycle. Boston: Academic Press. ISBN 978-0-12-181870-8. 
  2. ^ 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. 
  3. ^ Wagner, Andreas (2014). Arrival of the Fittest (first изд.). PenguinYork. стр. 100. ISBN 9781591846468. 
  4. ^ Lane, Nick (2009). Life Ascending: The Ten Great Inventions of EvolutionНеопходна слободна регистрација. New York: W. W. Norton & Co. ISBN 978-0-393-06596-1. 
  5. ^ 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.23196Слободан приступ. 
  6. ^ Voet D, Voet JG (2004). Biochemistry (3rd изд.). New York: John Wiley & Sons, Inc. стр. 615. 
  7. ^ 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. 
  8. ^ Voet D., Voet J. G. (2004): Biochemistry, 3rdedition. John Wiley & Sons, Inc., New York.

Литература[уреди | уреди извор]

Спољашње везе[уреди | уреди извор]