Citrátový cyklus
Citrátový cyklus (TCC; jinak též cyklus trikarboxylových kyselin, cyklus kyseliny citrónové nebo Krebsův cyklus) [1][2] je metabolická dráha aerobního metabolismu, ačkoliv jej i většina anaerobních organismů využívá k syntéze jiných metabolitů pomocí kata- a anaplerotických reakcí (amfibolická povaha TCC, viz dále). Citrátový cyklus slouží u aerobních organismů včetně člověka k získávání NADH + H+, které se oxiduje v dýchacím řetězci, kde vzniká proton-motivní silou ATP. Enzymy TCC jsou lokalizované v matrix mitochondrie kromě sukcinátdehydrogenázy, nacházející se ve vnitřní mitochondriální membráně (některé isoformy enzymů TCC jsou i cytozolické, úplný TCC zde však neprobíhá).
Přehled enzymů
Pyruvát dehydrogenázový komplex je komplex tří enzymů uvnitř mitochondrie: pyruvát dekarboxylázy, 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 AsIII (arsenitan), který blokuje lipoamid.
- 2. Citrát syntáza
Enzym katalyzuje reakci acetyl-S·CoA a oxalacetátu, která produkuje citrát. Hlavními zdroji acetyl-CoA jsou pyruvát (produkt glykolýzy; viz pyruvát dehydrogenázový komplex) či β-oxidace mastných kyselin.
- 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 izotopicky značeným pyruvátem). Reakci inhibuje např. (2R,3R)2-fluorocitrát.
- 4. Izocitrát dehydrogenáza
Katalyzuje oxidativní dekarboxylaci karboxylové skupiny na terciárním uhlíku izocitrátu za současné dehydrogenace hydroxy skupiny, přičemž se redukuje 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 (trans-butendiová kyselina), a ne maleinát (cis-butendiová kyselina). 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. Acetyl-CoA + oxalacetát + H2O → citrát + HS-CoA
- katalyzuje regulační enzym citrátsynthasa
Citrát – isocitrát
2. Citrát → cis-akonitát + H2O → isocitrát
- katalyzuje akonitasa
Isocitrát – 2-oxoglutarát
3. Isocitrát + NAD+(NADP+) → 2-oxoglutarát + NADH+H+(NADPH+H+) + CO2
- katalyzuje regulační isocitrátdehydrogenáza
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 + 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 + FAD → fumarát + FADH2
- katalyzuje sukcinátdehydrogenáza
Fumarát – L-malát
7. Fumarát + H2O L-malát
L-malát
- katalyzuje fumaráthydratasa
L-malát – oxalacetát
8. L-malát + NAD+ 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.
- Glukoneogeneza;
- Syntéza mastných kyselin a cholesterolu – vychází z acetyl-S·CoA;
- Syntéza aminokyselin – α-ketoglutarát je zdrojem pro glutamát;
- Syntéza porfyrinů – začíná z acetyl-koenzymu A;
- 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.
- Oxidace mastných kyselin s lichým počtem uhlíků doplňuje sukcinyl-S·CoA.
- Degradace izoleucinu, methioninu a valinu doplňuje sukcinyl-S·CoA.
- Transaminace a deaminace aminokyselin vede k tvorbě α-ketoglutarátu a oxalacetátu.
- karboxylace pyruvatu - oxalacetat
- oxidativní dekarboxylace pyruvatu- Acetyl Co A
Regulace citrátového cyklu
Regulace Krebsova cyklu je uskutečněna několika způsoby. V první řadě je důležitý dostatek substrátů pro jednotlivé reakce, zejména Ac-CoA a oxalacetátu. Množství substrátu je určováno odstraňováním/dodáváním meziproduktů - viz. ana- a katapletrotické reakce. Dále dochází k regulaci prstřednictvím aktivace a inhibice enzymů.
- Citrátsyntáza je allostericky inhibována vysokou koncentrací ATP, NADH, svým produktem citrátem a jedním z dalších meziproduktů cyklu, sukcinyl-CoA. Naopak ADP ji allostericky aktivuje.
- Isocitrát dehydrogenáza je inhibována ATP a aktivována ADP. Dále ji stimulují Ca2+, což souvisí s prací svalů: Ca2+ stimuluje kontrakci svalu, k čemuž je potřeba ATP. Takže je logické, že zároveň stimuluje enzym, který povede ke tvorbě NADH a tím ke tvorbě ATP pomocí dýchacího řetězce a oxidativní fosforylace.
- α-ketoglutarátdehydrogenáza je inhibována svým produktem, sukcinyl-CoA, a NADH. Stimuluje ji opět Ca2+.
Souhrně by se tedy dalo říct, že je cyklus inhibován zvýšeným poměrem ATP:AMP a regulován množstvím NADH, které přímo souvisí s aktivitou dýchacího řetězce a tedy s dostupností kyslíku. Mluvíme o respirační kontrole mechanisemem zvyšování poměru NAD+:NADH.
[4]
Odkazy
Související články
Externí odkazy
Reference
- ↑ VOET, Donald a Judith VOET. Biochemistry. 3rd vydání. John Wiley & Sons Inc, 2004. 1616 s. s. 765–795. ISBN 0-471-19350-X.
- ↑ NELSON, David L a Michael M COX. Lehninger Principles of Biochemistry. 4th ed vydání. 2004. 1130 s. s. 601–623. ISBN 0-71674339-6.
- ↑ a b LIBERDA, Jiří. Citrátový cyklus [přednáška k předmětu Cvičení z biochemie, obor Chemie v přírodních vědách, Přírodovědecká fakulta UK]. Praha. 7.4.2011.
- ↑ Metabolism | Krebs Cycle
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.