Citrátový cyklus

Historie výzkumu

Citrátový cyklus se také nazývá cyklus Krebsův, na počest sira Hanse Adolfa Krebse (1900-1981). Ten již v roce 1932 objevil močovinový cyklus a dobře si tedy uvědomoval, že biochemické děje v těle často pracují v cyklech. +more V Krebsově době bylo známo, že se glukóza před svým rozkladem na oxid uhličitý mění na pyruvát, ale další sled reakcí byl neznámý. Měl k dispozici čerstvou holubičí svalovou tkáň, do které aplikoval různé organické látky a sledoval, zda se spalují na CO2. Ve třicátých letech na tomto tématu pracovali další vědci a objasňovali dokonce některé dílčí metabolické kroky. Až Krebse však napadlo, že by se mohl oxalacetát regenerovat vazbou na nějaký produkt rozkladu potravy a kondenzovat s ním na citrát, čímž by se uzavřel cyklus. Jeho práci však odmítl renomovaný časopis Nature, nicméně nakonec svou revoluční teorii v roce 1937 publikoval. Jeho žáci v několika dalších letech Krebsovu teorii prokázali pomocí radioaktivně značeného uhlíku. V padesátých letech byl cyklus upřesněn o acetylkoenzym A a v roce 1953 byla Krebsovi za objev citrátového cyklu udělena Nobelova cena za fyziologii a medicínu.

Průběh reakce

Sukcinátdehydrogenáza na membráně

Přehled

Produktem katabolismu živin je acetyl-CoA, acetylový (dvouuhlíkatý) zbytek navázaný na koenzym A. K syntéze koenzymu A je potřeba vitamín B5, kyselina pantothenová.

* Acetyl-CoA vstupuje do cyklu a kondenzuje s oxalacetátem (4 uhlíky) na citrát - kyselinu citrónovou (6 uhlíků). * Postupné dekarboxylace a oxidace uvolňují oxid uhličitý jako odpadní produkt, hlavně ale dochází k redukci koenzymů. +more Konečným produktem je opět oxalacetát. * Oxalacetát kondenzuje s dalším acetyl-CoA a cyklus se opakuje.

Protony nesené redukovanými koenzymy jsou použity v dýchacím řetězci, kdy oxidativní fosforylací dochází k syntéze ATP, molekuly, která je hlavním zdrojem energie pro veškeré endotermní reakce probíhající v buňce.

Podrobnější pohled

Isocitrátdehydrogenáza +morepng|náhled|Katalytické_centrum_akonitáza'>akonitázy Citrátový cyklus se dá rozdělit do několika fází, například takto:.

1. acetyl-CoA + oxalacetát + H2O → citrát + CoA-SH

Jedná se o kondenzační reakci, kterou katalyzuje enzym citrátsyntáza. Acetylový zbytek navázaný na CoA a čtyřuhlíkatý oxalacetát dávají vzniknout šestiuhlíkatému citroyl-CoA. +more Hydrolýza vazby mezi koenzymem A a citrátem uvolní značné množství energie jako teplo.

2. citrát ↔ cis-akonitát ↔ isocitrát Citrát je přeměňován na isocitrát, reakce je katalyzována enzymem akonitázou. +more Akonitáza obsahuje nehemové železo ve stavu Fe2+ a síru. Citrát je nejprve dehydratován na cis-akonitát a pak rehydratován na isocitrát. Reakce je inhibována fluoracetátem, který kondenzuje jako fluoracetyl-CoA s oxalacetátem za vzniku fluorcitrátu, který působí na akonitázu inhibičně.

3. isocitrát + NAD+ ↔ oxalsukcinát ↔ α-ketoglutarát + CO2 + NADH+H+ Dehydrogenace isocitrátu za vzniku oxalsukcinátu je katalyzována isocitrátdehydrogenázou. +more Jsou známy tři různé isocitrátdehydrogenázy. NAD+ specifická dehydrogenasa je přítomna v mitochodriích, ostatní dvě, které jsou NADP+ specifické, se vyskytují v mitochondriích i v cytosolu. Oxidace isocitrátu pro dýchací řetězec je katalyzována výhradně NAD+ specifickou dehydrogenázou. Oxalsukcinát je následně dekarboxylován na α-ketoglutarát. Tuto reakci také katalyzuje isocitrátdehydrogenáza. Důležitými složkami dekarboxylační reakce je Mn2+ nebo Mg2+. Koenzym NAD+ se při reakci redukuje na NADH+H+. Protony nesené koenzymem jsou použity v dýchacím řetězci k syntéze 3 ATP.

4. α-ketoglutarát + NAD+ + CoA-SH → sukcinyl-CoA + CO2 + NADH+H+ V dalším kroku dochází k dekarboxylaci α-ketoglutarátu. +more Enzymy katalyzující reakci se sdružují do α-ketoglutarátdehydrogenázového komplexu. K reakci jsou potřebné kofaktory thiamindifosfát, kyselina lipoová, NAD+, FAD a koenzym A. Reakce je inhibována arsenitanem.

5. sukcinyl-CoA + Pi + GDP ↔ sukcinát + GTP + CoA-SH Enzym sukcinátthiokinasa (sukcinyl-CoA-synthetasa) katalyzuje přeměnu sukcinyl-CoA na sukcinát. +more Uvolněná energie je použita k vytvoření makroergní vazby mezi fosfátem a GDP za vzniku jedné molekuly GTP. Díky GTP nakonec vzniká ATP. Reakci, při které vznikne ATP mimo dýchací řetězec, se říká substrátová fosforylace.

6. sukcinát + FAD ↔ fumarát + FADH2 Sukcinát je dehydrogenován na fumarát. +more Enzym sukcinátdehydrogenáza, který katalyzuje tuto reakci, je vázán na vnitřní povrch vnitřní membrány mitochondrie. Je to jediný enzym citrátového cyklu, který přenáší protony na flavoprotein, bez účasti NAD+. Malonát a oxalacetát kompetitivně inhibují sukcinádehydrogenázu. Redukovaný koenzym FADH2 přenáší redukční ekvivalenty do dýchacího řetězce. Na rozdíl od NADH ale vytvoří jen 2 molekuly ATP.

7. fumarát + H2O ↔ malát Adicí vody na fumarát vznikne malát. +more Reakce je katalyzována enzymem fumarázou (fumaráthydratasa). Je specifická pro isomer malátu.

8. malát + NAD+ ↔ oxalacetát + NADH+H+ V poslední reakci je malát dehydrogenován enzymem malátdehydrogenázou zpět na oxalacetát.

Výtěžek

Během jedné otáčky vznikne při substrátové fosforylaci 1 molekula ATP. Při oxidaci acetyl-CoA se při každé otáčce cyklu vytvoří 3 molekuly NADH+H+ a jedna molekula FADH2. +more Při oxidativní fosforylaci v dýchacím řetězci se při oxidaci NADH+H+ na NAD+ vytváří 3 molekuly ATP, při oxidaci FADH2 se tvoří 2 molekuly ATP. Oxidací jedné molekuly acetyl-CoA by tedy mělo vzniknout 12 molekul ATP. Ve skutečnosti se ale vytvoří asi 10 ATP.

Regulace

Citrátsynthasa, isocitrátdehydrogenasa a α-ketoglutarátdehydrogenásový komplex jsou enzymy, které jsou alostericky inhibované vysokou koncentrací ATP. To zabraňuje nadměrné spotřebě acetyl-CoA.

Některé enzymy jsou inhibovány, pokud je v mitochondrii velké množství redukovaných koenzymů. Rychlost zpětné oxidace koenzymů je závislá na dýchacím řetězci, tedy i na dostupnosti kyslíku. +more Nepřítomnost nebo částečný nedostatek O2 způsobí úplnou nebo částečnou inhibici cyklu. Naopak zvýšená rychlost respirace, ke které dochází při zvýšené potřebě ATP, zvyšuje i aktivitu citrátového cyklu.

Úloha v metabolismu

Citrátový cyklus nemusí proběhnout celý, některé jeho meziprodukty mohou být substrátem pro jiné metabolické dráhy, naopak jiné dráhy končí v některé součásti cyklu. Citrátový cyklus plní funkci v oxidativních i syntetických pochodech, je tzv. +more amfibolický. Oxalacetát může být přeměněn na pyruvát a použit ke glukoneogenezi, tzn. pro syntézu sacharidů. Cyklus může sloužit také jako zdroj uhlíkových koster k syntéze postradatelných aminokyselin. Naopak po transaminaci a deaminaci mohou aminokyseliny do cyklu vstupovat:.

Glycin, alanin, cystein, hydroxyprolin, serin, threonin a tryptofan tvoří pyruvát, ze kterého je syntetizován acetyl-CoA; arginin, histidin, glutamin a prolin jsou substrátem pro tvorbu α-ketoglutarátu, isoleucin, methionin a valin tvoří sukcinyl-CoA, tyrosin a fenylalanin tvoří fumarát.

Acetyl-CoA je hlavním substrátem pro syntézu mastných kyselin.

Význam vitamínů

Čtyři vitamíny, patřící do B-komplexu, mají nezastupitelnou úlohu v citrátovém cyklu. * Thiamin (B1) je ve své aktivní formě, thiamindifosfátu, koenzymem α-ketoglutarátdehydrogenázového komplexu. +more * Riboflavin (B2) je ve formě FAD (nadenindinukleotidu) kofaktor α-ketoglutarátdehydrogenázového komplexu a sukcinátdehydrogenasy. * Niacin (B3) je ve své aktivní formě (NAD) koenzymem dehydrogenáz cyklu * Kyselina pantothenová (B5) je součást koenzymu A (CoA).

Odkazy

Poznámky

Důvodem by mohlo být to, že na jednu molekulu ATP musí protonový gradient poskytnout celkem čtyři protony (3 protony na syntézu ATP a 1 proton při symportu Pi− a H+).

Reference

Literatura

MURRAY, Robert K., et al. Harperova biochemie. Z angl. 23. vyd. přel. Lenka Fialová et. al. 4. vyd. v ČR. Praha: H & H, 2002. ix, 872 s. .

Související články

Beta-oxidace - přeměňuje mastné kyseliny z lipidů na acetyl-CoA * Glykolýza - štěpí sacharidy na pyruvát, který se dekarboxylací a přidáním HS-CoA změní na acetyl-CoA * Dýchací řetězec

Externí odkazy

Kategorie:Buněčné dýchání