Citrátový cyklus

Z WikiSkript

Citrátový cyklus, cyklus trikarboxylových kyselin, TCC, cyklus kyseliny citrónové, Krebsův (velký) cyklus [1][2] je metabolická dráha aerobního metabolismu (vzniká NADH + H+, které se spotřebovává v dýchacím řetězci), ačkoliv jej i většina anaerobních organismů využívá k syntéze jiných metabolitů pomocí kata- a anaplerotických reakcí (amfibolická povaha TCC, viz dále, z toho důvodu je TCC tak složitý). U aerobních organismů, jako je člověk, kromě tohoto slouží primárně k získávání NADH + H+ a posléze ATP z pyruvátu (produkt glykolýzy) či acetyl-S·CoA (produkt β-oxidace). Enzymy, které se podílejí na reakcích CC, jsou lokalizované v mitochodriích kromě enzymu sukcinátdehydrogenáza nacházející se ve vnitřní mitochondriální membráně.

Přehled enzymů

Reakce citrátového cyklu.
1. Pyruvátdehydrogenáza

Pencil.png upravit

Pyruvát dehydrogenáza

Pyruvát dehydrogenázový komplex je komplex tří enzymů uvnitř mitochondrie: pyruvát dehydrogenázy, dihydrolipoyltransacetylázy a dihydrolipoyldehydrogenázy. Komplex pracuje jako celek v přítomnosti koenzymů TPP, NAD+, lipoátu ve formě lipoamidu, FAD a koenzymu A. Pyruvát dehydrogenáza katalyzuje oxidativní dekarboxylaci pyruvátu s navázáním acetylu na TPP, dihydrolipoyltransacetyláza katalyzuje přenesení acetylu z TPP přes lipoamid na koenzym A a dihydrolipoyldehydrogenáza regeneruje lipoamid pomocí FAD, z něhož vzniká FADH2, které regeneruje zase pomocí NAD+, z něhož vzniká NADH + H+. Enzym je inhibován arsenem v oxidačním stavu As(III) (arseničnany,…), který blokuje lipoamid.

2. Citrát syntáza

Katalyzuje přenesení acetylu z acetyl-S·CoA na oxalacetát za vniku citrátu.

3. Akonitáza

Katalyzuje přesmyk citrátu na izocitrát přes cis-akonitát. Její aktivní centrum tvoří kuboidní klastr čtyř atomů síry a čtyř atomů železa, vázaného přes síru z postranních řetězců cysteinu. Tento enzym je stereospecifický s ohledem na prochirální vlastnosti citrátu. (To se dá prokázat značením pyruvátu pomocí uhlíku 14C.) Inhibuje ho (2R,3R)2-fluorocitrát.

4. Izocitrát dehydrogenáza

Provádí oxidativní dekarboxylaci karboxylové skupiny na terciárním uhlíku izocitrátu za současné dehydrogenace hydroxy skupiny, přičemž se mění NAD+ na NADH + H+. Tento enzym využívá manganaté či hořečnaté ionty jako koenzym.

5. α-ketoglutarát dehydrogenáza

Katalyzuje oxidativní dekarboxylaci za současného navázání α-keto uhlíku na koenzym A. Vzniká tak sukcinyl-S·CoA a NADH + H+ z NAD+.

6. Sukcinylkoenzym A syntetáza

Provádí přesně opačnou reakci, než podle které se jmenuje. Katalyzuje hydrolýzu sukcinylkoenzymu A za současné fosforylace na substrátové úrovni, tedy vzniká přímo GTP z GDP (a ne až v dýchacím řetězci).

7. Sukcinát dehydrogenáza

Provádí dehydrogenaci sukcinátu. Vzniká FADH2 z FAD. Dehydrogenace je vysoce stereospecifická a vzniká pouze fumarát a ne maleinát. Enzym je kompetitivně inhibován malonátem, který je o uhlík kratší než sukcinát, a proto nemůže dojít k dehydrogenaci.

8. Fumaráza

Katalyzuje alkalickou hydrataci fumarátu za vzniku malátu. OH- provádí nukleofilní atak na uhlík, který díky rezonanci π-elektronů získal parciální kladný náboj, čímž vniká karbanion, na který se naváže H+.

9. Malát dehydrogenáza

Katalyzuje dehydrogenaci malátu na oxalacetát, čímž se substrát celého cyklu regeneruje. Tento enzym také může být zapojen v malátovém člunku.

Přehled reakcí

Acetyl-CoA + oxalacetát

1. Ac-CoA+oxalacetát

1. Acetyl-CoA + oxalacetát + H2O → citrát + HS-CoA

  • katalyzuje regulační enzym citrátsynthasa

Citrát – isocitrát

2. citrát – isocitrát

2. Citrát → cis-akonitát + H2O → isocitrát

  • katalyzuje akonitasa

Isocitrát – 2-oxoglutarát

3. isocitrát – 2-oxoglutarát

3. Isocitrát + NAD+(NADP+) → 2-oxoglutarát + NADH+H+(NADPH+H+) + CO2

  • katalyzuje regulační isocitrátdehydrogenáza

2-oxoglutarát – sukcinyl-CoA

4. 2-oxoglutarát – sukcinyl-CoA

4. 2-oxoglutarát + NAD+ + HS-CoA → sukcinyl-CoA + NADH+H+ + CO2

  • katalyzuje regulační 2-oxoglutarátdehydrogenasový komplex

Sukcinyl-CoA – sukcinát

5. sukcinyl-CoA – sukcinát

5. Sukcinyl-CoA + GDP → sukcinát + GTP + CoA

  • katalyzuje sukcinátthiokináza

Makroergní sukcinylkoenzym A je hydrolyzován za vzniku sukcinátu a energie je využita k fosforylaci na substrátové úrovni. Jedná se o evolučně starou reakci, proto je zde v přeměně GDP na GTP využit na místo adenosinu guanosin[3].

Sukcinát – fumarát

6. sukcinát – fumarát

6. Sukcinát + FAD → fumarát + FADH2

  • katalyzuje sukcinátdehydrogenáza

Fumarát – L-malát

7. Fumarát – malát

7. Fumarát + H2O \rightleftharpoons L-malát

L-malát

  • katalyzuje fumaráthydratasa

L-malát – oxalacetát

8. L-malát – oxalacetát

8. L-malát + NAD+\rightleftharpoons oxalacetát + NADH+H+

oxalacetát + NADH+H+

  • katalyzuje malátdehydrogenáza


Celý cyklus je poháněn těmito reakcemi[3]:

  • Dekarboxylace isocitrátu — rovnováha je posunuta ve prospěch α-ketoglutarátu tím, že vznikající oxid uhličitý je odstraňován z buněk a vydýcháván.
  • Dekarboxylace α-ketoglutarátu — rovnováha je posunuta ve prospěch sukcinylkoenzymu A — stejné jako v předchozím případě.
  • Oxidace malátu na oxalacetát — rovnováha je posunuta ve prospěch oxalacetátu tím, že vznikající NADH + H+ je spotřebováváno v dýchacím řetězci.

Přehled kataplerotických reakcí

Kataplerotické reakce jsou reakce, které vyčerpávají intermediáty TCC.

  1. Glukoneogeneza;
  2. Syntéza mastných kyselin a cholesterolu – vychází z acetyl-S·CoA;
  3. Syntéza aminokyselin – α-ketoglutarát je zdrojem pro glutamát;
  4. Syntéza porfyrinů – začíná z acetyl-koenzymu A;
  5. oxidace aminokyselin – aminokyseliny mohou být metabolizovány na jednotlivé intermediáty TCC, které se přetvoří na oxalacetát, jenž může být degradován pomocí fosfoenolpyruvát karboxykinázy na fosfoenolpyruvát, posléze na pyruvát, pak na acetyl-S·CoA, který se v TCC oxiduje na CO2 a uhlíky z řetězců aminokyselin jsou vydýchány.

Přehled anaplerotických reakcí

Anaplerotické reakce (řec. ana = vzhůru, pleroein = doplňovat) jsou reakce, které doplňují intermediáty TCC.

  1. Oxidace mastných kyselin s lichým počtem uhlíků doplňuje sukcinyl-S·CoA.
  2. Degradace izoleucinu, methioninu a valinu doplňuje sukcinyl-S·CoA.
  3. Transaminace a deaminace aminokyselin vede k tvorbě α-ketoglutarátu a oxalacetátu.
  4. karboxylace pyruvatu - oxalacetat
  5. oxidativní dekarboxylace pyruvatu- Acetyl Co A


V průběhu citrátového cyklu nutně dochází k odčerpávání meziproduktů. Napojené reakce – tvorba jiných intermediátů stojících mimo cyklus i z cyklu vycházející syntézy – snižují koncentraci meziproduktů. Aby se cyklus nezpomaloval, existují reakce, jimiž se množství meziproduktů doplňuje. Souhrn těchto cest se nazývá anapleróza. Z několika anaplerotických reakcí je nejznámější ta, která doplňuje obsah oxalacetátu. Pro anaplerózu je rozhodující metabolický produkt glukózy − pyruvát, který se karboxyluje. Anaplerotické reakce se odehrávají v mitochondriích, hlavně ve svalech a v ledvinách. Karboxylace pyruvátu má endergonní charakter a vyžaduje ATP. Katalyzujícím enzymem je pyruvátkarboxylasa, jejíž součástí je biotinový kofaktor, vlastní přenašeč karboxylu. CO2 se navázal na dusík biotinu a tím se vytvořil karboxybiotin; tento faktor karboxyluje i jiné látky. Allosterický enzym pyruvátkarboxylasa je aktivován acetylkoenzymem A. Potřebu většího obsahu oxalacetátu signalizuje vysoká hladina acetylkoenzymu A. Další anaplerotické reakce vedou především ke vzniku 2-oxoglutarátu, a to zejména transaminací nebo i oxidační deaminací glutamátu.

Regulace citrátového cyklu

Regulace Krebsova cyklu je uskutečněna několika způsoby:

  • dostatek substrátů pro průběh cyklu, zejména Ac-CoA a oxalacetát
  • odstranění katabolitů (viz výše)
  • cyklus je inhibován zvýšeným poměrem ATP:AMP
  • respirační kontroladýchací řetězec funguje (zvyšuje se poměr NAD+:NADH+H+)
  • enzymatická regulace:
  • citrátsynthasa
  • isocitrátdehydrogenáza
  • α-ketoglutarátdehydrogenáza

+++++extra :

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. 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.

Odkazy

Související články

Externí odkazy

Reference

  1. VOET, Donald a Judith VOET. Biochemistry. 3rd vydání. John Wiley & Sons Inc, 2004. 1616 s. s. 765–795. ISBN 0-471-19350-X.
  2. NELSON, David L a Michael M COX. Lehninger Principles of Biochemistry. 4th ed vydání. 2004. 1130 s. s. 601–623. ISBN 0-71674339-6.
  3. a b LIBERDA, Jiří. Citrátový cyklus [přednáška k předmětu Cvičení z biochemie, obor Chemie v přírodních vědách, Přírodovědecká fakulta UK]. Praha. 7.4.2011. 

Použitá literatura

  • LEDVINA, Miroslav, et al. Biochemie pro studující medicíny. I. díl. 2. vydání. Praha : Karolinum, 0000. 269 s. s. 103-106. ISBN 978-80-246-1416-8.
  • MATOUŠ, Bohuslav, et al. Základy lékařské chemie a biochemie. 1. vydání. Praha : Galén, 2010. 540 s. ISBN 978-80-7262-702-8.


Doporučená literatura

Viz reference.