Кребсов циклус

Кребсов циклус (циклус лимунске киселине, циклус трикарбоксилних киселина) је метаболички процес у аеробним условима при коме се добија енергија из глукозе.

Увод

У гликолизи крајњи продукат 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 КоА). 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 + КоА + NAD⁺ → Ацетил КоА + CO₂ + NADH

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

Упрошћена шема

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 резултира 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

Цитрат

Циклус почиње једињењем оксалоацетата и КоА. Оксалоацетат реагује са ацетил КоА и водом и резултира 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

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

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

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 транс-адицију 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

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

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

Литература

• Stryer, L., 1991. Биокемија. Школска књига: Загреб.