cykl Krebsa
Cykl Krebsa – jest cyklicznym szeregiem reakcji biochemicznych. Inne nazwy cyklu Krebsa to cykl kwasów trikarboksylowych (TCA) i cykl kwasu cytrynowego. Cykl ten jest końcowym etapem metabolizmu organizmów aerobowych, czyli oddychających tlenem.
Cykl Krebsa ma miejsce równo w cytoplazmie prokariontów jak i w macierzy mitochondrialnej eukariontów. Ogólnie acetylokoenzym A (acetylo-CoA) łącząc się ze szczawiooctanem przekształca się w cytrynian, przy czym dochodzi do odłączenia koenzymu A. W wyniku kolejnych reakcji izomeryzacji, dehydrogenacji, hydratacji, dehydratacji i dekarboksylacji dochodzi do utlenienia cytrynianu do dwóch cząsteczek dwutlenku węgla, a cząsteczka szczawiooctanu ulega regeneracji. Dochodzi do redukcji trzech cząsteczek NAD i jednej FAD, powstania cząsteczki ATP lub GTP. W związku z tym końcowy zysk energetyczny cyklu Krebsa stanowi 12 wiązań wysokoenergetycznych pochodzących z jednej cząsteczki acetylokoenzymu A.
Historia związana z cyklem Krebsa
Cykl reakcji prowadzących do utlenienia acetylo-CoA opisany został w roku 1937 przez Hansa Adolfa Krebsa. Za to odkrycie w 1953 roku otrzymał on nagrodę Nobla. Natomiast za odkrycie i opisanie roli koenzymu A nagrodę Nobla otrzymał Fritz Lipman. W trakcie badań nad utlenianiem kwasów trikarboksylowych w komórkach mięśni zespół naukowy Krebsa dowiódł, że bursztynian może być utleniany do szczawiooctanu, z cytrynianu powstaje 2-oksoglutaran, natomiast z pirogronianu i szczawiooctanu powstaje cytrynian. Co ciekawe opis cyklu tych reakcji nie został pierwotnie przyjęty do publikacji w prestiżowym czasopiśmie naukowym Nature, a ostatecznie ukazał się w innym czasopiśmie naukowym, tj. w Enzymologii.
Rola cyklu Krebsa w organizmie
Cykl Krebsa bierze udział nie tylko w procesach syntezy związków organicznych ale także w reakcjach oksydacji dlatego zaliczany jest on do szlaków amfibolicznych. Wiele szlaków metabolicznych jest zależnych w mniejszych lub większym stopniu od cyklu Krebsa, a mianowicie:
- obecne w cyklu Krebsa związki mogą rozpoczynać szlaki anaboliczne jak i mogą być metabolitami końcowymi szlaków katabolicznych;
- powstałe produkty po oksydacji acetylo-CoA i następnie po dezaminacji mogą być użyte do tworzenia szkieletów węglowych aminokwasów;
- powstałe w cyklu Krebsa metabolity stanowią początkowe substraty w glukoneogenezie oraz w syntezie kwasów tłuszczowych, a ponadto przekształcane są w aminokwasy (w wyniku transaminacji).
Do związków organicznych, w syntezie których bierze udział cykl Krebsa należą:
- aminokwasy, puryny oraz m.in. pirymidyny są syntetyzowane ze szczawiooctanu;
- porfiryny, chlorofil i hem są wytwarzane przy udziale bursztynylo-CoA;
- glutaminian, a także puryny są wytwarzane za sprawą α-Ketoglutaranu;
- sterole oraz kwasy tłuszczowe wytwarzane są z cytrynianu.
Jednocześnie w celu podtrzymywania reakcji cyklu Krebsa zużyte do biosyntezy związki pośrednie są uzupełniane. Uczestniczy w tym karboksylaza pirogronianowa, która dba o odpowiedni poziom szczawiooctanu. Cykliczny charakter reakcji wymaga ponadto stałego udziału ATP i H2O. A reakcje, które umożliwiają uzupełnianie wszystkich składników cyklu nazywane są reakcjami anaplerotycznymi.
Przebieg cyklu Krebsa
Przebieg cyklu Krebsa związany jest z takimi następującymi etapami jak: synteza cytrynianu, izomeryzacja, pierwsze utlenianie i dekarboksylacja, oksydacyjna dekarboksylacja, fosforylacja substratowa, utlenianie bursztynianu, przyłączenie cząsteczki wody oraz odtworzenie szczawiooctanu.
Synteza cytrynianu jest pierwszą reakcją cyklu Krebsa, w której acetylo-CoA łączy się ze szczawiooctanem. A reakcja ta jest katalizowane przez sytazę cytrynianową tworząc cytrynylo-CoA rozpadający się następnie na wolny koenzym A i cytrynian. Szczawioctan przyłączając się do syntazy cytrynianowej wpływa na zmiany konformacyjnego pozwalając przyłączenie się acetylo-CoA. Bliskie położenie tych związków, polaryzacja wiązań oraz właściwa orientacja przestrzenna prowadzi do reakcji kondensacji. Następnie centrum reakcji oddaje proton na tlen grupy karbonylowej acetylo-CoA i usuwa proton z grupy metylowej. Aktywowany szczawiooctan oddaje proton na atom węgla grupy karbonylowej tego związku. Węgiel z grupy karbonylowej szczawiooctanu oddziałuje z enolem acetylo-CoA przez powstaje wiązanie C-C. Powstały w wyniku tego cytrynylo-CoA indukuje kolejne zmiany konformacyjne i dochodzi do zamknięcia centrum aktywnego, a za sprawą przekazaniu protonu przez centrum aktywne tioester ulega hydrolizie. CoA odłącza się więc od enzymu, a po nim cytryniam. W tym przypadku niemożliwa się staje hydroliza acetylo-CoA, a reakcji tej ulega wyłącznie cytrynylo-CoA. Należy dodać, że inhibitorami synezy cytrynianu są cząsteczki ATP oraz acyli-CoA o długich łańcuchach alifatycznych.
Kolejnym etapem cyklu Krebsa jest izomeryzacja. W reakcji tej cytrynian ze względu na to, że najczęściej przechodzi od razu do kolejnego enzymu, czyli hydratazy akonitanowej (akonitazy) powoduje znaczne zwiększenie szybkości reakcji. W przypadku gdy akonitaza zostaje wysycone to cytrynian przechodzi do cytoplazmy rozpadając się na związki, z których powstał. Powoduje to, że nadmiar acetylo-CoA może zostać użyty do syntezy kwasów tłuszczowych. Przeprowadzana przez akonitazę reakcja polega na odłączeniu w pierwszym etapie cząsteczki wody od cytrynianu. Następnie w wyniku dehydratacji dochodzi do powstania podwójnego wiązania w cis-akonitanie. Po czym powstały produkt ulega rehydratacji. Kolejne (ponowne) przyłączenie cząsteczki wody prowadzi do powstania izocytrynianu. Może dochodzić do blokowania izomeryzacji poprzez błędne dołączenie do szczawiooctanu reszty fluoroacetylowej zamiast reszty acetylowej.
W kolejnym etapie izocytrynian zostaje utleniony przez dehydrogenazę izocytrynianową co odbywa się przy użyciu NAD+. Grupa hydroksylowa zostaje przekształcona w karbonylową prowadząc do powstania szczawiobursztynianu. Powstały związek ulega dekarboksylacji przy czym niezbędna jest tutaj obecność Mn2+ lub Mg2+. Centrum aktywnym enzymu, do którego za pomocą wiązań wodorowych przyłącza się izocytrynian składa się zwykle z argininy, asparaginy, lizyny, seryny i tyrozyny. Uczestniczyć tutaj muszą wyżej wymienione jony. Do centrum aktywnego przyłączany jest także NAD+ lub NADP+, co następuje dzięki określonym regionom aminokwasów. A do produktów tej reakcji należą pięciowęglowy α-ketoglutaran, CO2 oraz NADH.
W oksydacyjnej dekarboksylacji Α-ketoglutaran jest substratem. Proces ten katalizuje kompleks dehydrogenazy α-ketoglutaranowej składający się z dehydrogenazy/dekarboksylazy α-ketoglutaranowej, bursztynylotransferazy oraz dehydrogenazy dihydroliponianowej. Proces ten wymaga udziału następujących kofaktorów: pirofosforan tiaminy (czyli TTP, na który przeniesieniu ulega substrat, by odłączyć CO2), liponamid (przenosi z pirofosforanu tiaminy zdekarboksylowaną resztę pochodzącą od ketoglutaranu, przy czym sam redukuje się), koenzym A (odbierający resztę liponamidowi, w wyniku czego powstaje bursztynylo-CoA), dinukleotyd flawinoadeninowy (czyli FAD, który utlenia zredukowany liponamid i przekształca się w FADH2), dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (czyli NAD+, który utlenia zredukowany FADH2, przechodząc w NADH. A powstały NADH ulega utlenieniu w reakcjach łańcucha oddechowego.
W fosforylacji substratowej bursztynylo-CoA zawierający wiązanie wysokoenergetyczne użyty może zostać przy pomocy nieorganicznego fosforanu. A enzymem katalizującym ten proces jest syntetaza sukcynylo-CoA albo tiokinazą bursztynianową (u roślin syntetaza sukcynylo-CoA ATP-specyficzna). Enzymy te pozwalają na zamianę koenzymu A na resztę ortofosforanową prowadząc do powstania bursztynylofosforanu. Z tego związku fosforan przenoszony jest za pośrednictwem reszty histydynowej na difosforan nukleozydu i w efekcie dając trifosforanu nukleozydu. Reakcja ta jest odwracalna, przy czym pierwszy etap zachodzi na podjednostce α, a difosforan nukleozydu łączy się z podjednostką β. Efektem końcowym jest powstanie trójfosforanu puryny, wolnego koenzymu A oraz bursztynianu.
W kolejnym etapie dehydrogenaza bursztynianowa prowadzi do odwodornienia bursztynianu w wyniku redukcji ulega FAD oraz powstaje fumaran. Ze względu na to, że energia swobodna reakcji jest niewystarczająca do zredukowania NAD+ to akceptorem atomów wodoru jest FAD, który połączony jest z enzymem wiązaniem kowalencyjnym przez histydynę. Podjednostka enzymu stabilizująca cząsteczkę FAD jest także miejscem wiązania bursztynianu. A miejsce wiązania ubichinonu odbierającego elektrony znajduje się pomiędzy różnymi podjednostkami.
L-jabłczan powstaje następnie poprzez przyłączenie się cząsteczki wody do fumaranu prowadząc do powstania podwójnego wiązania węgiel-węgiel w konfiguracji trans, co katalizuje fumaraza (hydrataza fumaranowa). Oba końce fumaranu są takie same, więc grupa hydroksylowa jabłczanu może znajdować się przy atomie węgla przy dostarczonym przez acetylo-CoA jak i przy pochodzącym ze szczawiooctanu.
W ostatnim etapie cyklu Krebsa L-jabłczan ulega reakcji utlenieniu z odtworzeniem szczawiooctanu, który może przyłączyć kolejną resztę acetylową, co katalizuje dehydrogenaza jabłczanowa (enzym wymagający obecności NAD+ i redukujący go do NADH). Jabłczan łączy się z centrum aktywnym enzymu w sposób, który stabilizuje substrat, a jest nim izomer L jabłczanu.
Regulacja cyklu Krebsa
W regulację cyklu Krebsa zaangażowanych jest pięć enzymów, jednak tylko cztery z nich występują w komórkach eukariotycznych (dehydrogenaza pirogronianowa, dehydrogenaza izocytrynianowa, dehydrogenaza α-ketoglutaranowa, dehydrogenaza jabłczanowa), ponieważ syntaza cytrynianowa występuje w komórkach prokariotycznych. Każdy z tych związków jest istotny z punktu widzenia prawidłowego przebiegu cyklu Krebsa spełniając w komórkach eukariotycznych określone role.
Zaburzenia metabolizmu związane z cyklem Krebsa
W cyklu Krebsa może dochodzić do zaburzeń. Prowadzić do nich może zarówno zatrucie arsenem i rtęcią jak i brak tiaminy. Zaburzenie spowodowane brakiem tiaminy nazywane jest chorobą beri-beri. W zaburzeniu tym poprzez niedobór pirofosforanu tiaminy dochodzi do upośledzenia neurologicznego spowodowanego wykorzystaniem wyłącznie glukozy jako substratu oddechowego w komórkach nerwowych. Konsekwencją tego jest niedobór energii w komórkach. Natomiast ze względu na to, że związki arsenu i rtęci charakteryzują się silnym powinowactwem do grup hydrosulfidowych enzymów kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej dochodzić może do podobnych zaburzeń jak w przypadku choroby beri-beri.
