Кребсов циклус

Кребсов циклус (циклус лимунске киселине, циклус трикарбоксилних киселина)^[1][2] је метаболички процес у аеробним условима при коме се добија енергија из глукозе. Кребсов циклус је низ хемијских реакција које сви аеробни организми користе за ослобађање ускладиштене енергије оксидацијом ацетил-КоА добијених из угљених хидрата, масти и протеина. Поред тога, циклус обезбеђује прекурзоре одређених аминокиселина, као и редукционо средство , које се користи у бројним другим реакцијама. Његова централна важност за многе биохемијске путеве сугерише да је то била једна од најранијих компоненти метаболизма и да је можда настала абиогено.^[3][4] Иако је означен као 'циклус', није неопходно да метаболити следе само један одређени пут; препозната су најмање три сегмента циклуса лимунске киселине.^[5]

Преглед Кребсовог циклуса

Назив овог метаболичког пута потиче од лимунске киселине (трикарбоксилне киселине, која се често назива цитратом, јер јонизовани облик превладава на биолошком pH^[6]) која се троши, а затим регенерише овим редоследом реакција да би се циклус завршио. У циклусу се троши ацетат (у облику ацетил-КоА) и воде, редукује ⁺ до , ослобађајући угљен-диоксид. генерисан циклусом лимунске киселине доводи се у пут оксидативне фосфорилације (транспорта електрона). Нето резултат ова два уско повезана пута је оксидација хранљивих састојака да би се произвела употребљива хемијска енергија у облику .

У еукариотским ћелијама се циклус лимунске киселине јавља у матриксу митохондрија. У прокариотским ћелијама, као што су бактерије, којима недостају митохондрије, реакциона секвенца циклуса лимунске киселине се изводи у цитозолу, при чему је градијент протона за производњу ATP остварује преко површине ћелије (плазматске мембране), а не унутрашње мембране митохондрије. Укупан принос једињења која садрже енергију из TCA циклуса је три , један ₂ и један .^[7]

Увод

У гликолизи крајњи продукт 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 ЦоА). 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 + CоА + ⁺ → Ацетил CоА + ₂ +

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 резултује 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 резултује 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 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 + → - Кетоглутарат + ₂ +

Међукорак ове трансформације је оксалосукцинат, иначе нестабилна β - киселина, која приликом реаговања са ензимом, губи ₂ 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 + + КоА → Сукцинил КоА+ CO₂ +

Реакција је катализована комплексом ензима α - кетоглутарат дехидрогеназом.

Веза између сумпора и КоА у једињењу сукцинил КоА је богата енергијом. °' за хидролизу ове везе је -8 килокалорија по молу, што је приближно хидролизи -а, чија износи °' ~ -7.3 килокалорија по молу. Хидролиза ове везе производи (гуанин-трифосфат) фосфорилацијом (гуанин-дифосфат).

Фосфорилација -а:

Сукцинил-КоА + + → Сукцинат + + КоА ; °'= -0.8

Сукцинат

Сукцинат

Сукцинат бива оксидован ензимом сукцинат-дехидрогеназа до фумарата. (флавин аденин динуклеотид) преузима водоников атом, уместо +, који се користи у остале три редокс реакције Кребсовог циклуса. Разлог употребе FAD уместо + је тај да је промена слободне енергије недовољна како би се редуковао у .

Хидрацијом фумарата добија се малат. Фумараза, катализатор ове реакције, катализује стереоспецифичну трансадицију водониковог атома и -групе. -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 ⁺ прихвата водоников атом.

Стехиометрија Кребсовог циклуса

Збирна једначина Кребсовог циклуса је:

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 ⁺ (у току оксидацијских декарбоксилација изоцитрата и α-кетоглутарата) и по један молекул ⁺ (при оксидацији сукцината) и ⁺ (при оксидацији малата).
3. Ствара се једна високо енергијска фосфатна веза у облику -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 и ₂. Молекулски кисеоник у овом процесу не учествује директно, али је овај процес ипак могућ само у аеробним условима јер се ⁺ и могу обновити у митохондрији само преносом електрона на молекулски кисеоник.

Табела

Корак	Реакција	Ензим	Кофактор	Реакција	°' ()
1	ацетил-КоА + оксалоацетат + H2O → цитрат + КоА + +	цитрат-синтетаза	КоА	кондензација	-31,4
2	цитрат → цис-аконитат +	аконитаза	2+	дехидрација	+8,4
3	цис-аконитат + → изоцитрат	аконитаза	2+	хидрација	-2,1
4	цис-аконитат + + → α-кетоглутарат + 2 +	изоцитрат-дехидрогеназа	+	декарбоксилација оксидација	-8,4
5	α-кетоглутарат + + + КоА → сукцинил-КоА + 2 +	комплекс α-кетоглутарат-дехидрогеназе	+ КоА липојева киселина	декарбоксилација оксидација	-30,1
6	сукцинил-КоА + i + → сукцинат + + КоА	сукцинил-КоА-синтетаза	КоА	фосфорилација	-3,4
7	сукцинат + → фумарат + 2	сукцинат-дехидрогеназа		оксидација	0
8	фумарат + → малат	фумараза	нема	хидрација	-3,8
9	Л-малат + + → оксалоацетат + + +	малат-дехидрогеназа	+	оксидација	+29,7

Регулација Кребсовог циклуса

Брзина хемијских реакција у Кребсовом циклусу подложна је прецизној регулацији, сразмерно енергетским потребама дате ћелије. Кључне тачке контроле су алостерични ензими, изоцитрат дехидрогеназа и α-кетоглутарат дехидрогеназа.

Исоцитрат дехидрогеназу поспешује присуство , који се веже за ензим и повећава афинитет према супстрату. Истовремено везање супстрата (исоцитрата), , и на ензим има стимулирајући утицај на активацију, док и смањују његову активност, јер заузимају активно место везе активацијских спојева (компетитивна инхибиција).

Следећа кључна тачка контроле је уређивање активности α-кетоглутарат дехидрогеназе. Ензим је инхибиран сукцинил-КоА-ом и -ом, два коначна производа која настају његовом сопственом активношћу. Генерално, ензим може да смањи активност ако у ћелији већ постоји обиље високоенергетских молекула, као што је . Тиме се смањује успешност свих процеса који производе енергију, међу којима Кребсов циклус има средишњу и чворишну улогу.

Нађени су докази о уређивању активности Кребсовог циклуса и пре његовог почетка, на ниво доступности првог ензима у процесу (цитрат синтетазе). Велика концентрација смањује склоност ензима према свом основном субстрату - ацетил-КоА, смањујући тако производњу цитрата. Стога, што је више у ћелији, то мања количина ацетил-КоА улази у сам Кребсов циклус.^[8]

Везе Кребсовог циклуса и осталих метаболичких путева

Међудејство Кребсовог циклуса и осталих метаболичких путева

Кребсов циклус има чворишну улогу у метаболизму живих бића, пре свега у катаболизму органских молекула, али и у анаболизму. На Кребсов циклус се надовезују различити метаболички путеви који, између осталог, сам циклус снабдевају међуспојевима који су утрошени у биосинтези других органских молекула. Те хемијске реакције се означавају као анаплеротичке реакције.

Претходни процеси Кребсовог циклуса

Кребсов циклус је други степен разградње угљених хидрата. Први, гликолиза, разграђује глукозу и остале шећере у пирогрожђану киселину (пируват), α-кетокиселину са три атома угљеника. Код еукариота пируват се преноси из цитоплазме у митохондрије, где под утицајем ензима губи један атом угљеника и настаје ацетил-КоА. Та се реакција зове оксидативна декарбоксилација пирувата, а ензим који је катализује је пируват дехидрогеназа. Први субстрат у Кребсовом циклусу је ацетил КоА, који се ослобађа у митохондријама.

Као извор енергије у Кребсовом циклусу, индиректно служе и беланчевине и њихови производи. Беланчевине се путем протеолизе разграђују у основне градивне јединице: аминокиселине. Неке од њих, као аспартат, валин и изолеуцин могу бити директно претворени у међуједињења самог циклуса. Остале могу прећи у глуциде (угљене хидрате) и укључити се у циклус преко метаболичких путева карактеристичних за угљене хидрате.

Производи разградње масти су такође изузетно важни извори енергије, који директно и индиректно улазе у Кребсов циклус. Разградњу масти катализују ензими липазе, које ослобађају масне киселине и глицерол. Глицерол може ући у процес гликолизе, посебно у ћелијамајетре или бити претворен у глукозу у процесу глуконеогенезе. У многим ткивима, поготово срцу, масне киселине се разграђују током процеса бета оксидације која директно производи ацетил КоА: основни супстрат Кребсовог циклуса. Бета оксидација може произвести и пропионил КоА, који се путем глуконеогенезе претвара у глукозу.

Процеси иза Кребсовог циклуса

Основни процес који следи Кребсов циклус је оксидативна фосфорилација, метаболички пут у којем се завршава ћелијско дисање. Главна улога те фосфорилације је оксидација кофактора и ₂, који поново у оксидираном облику улазе у Кребсов циклус ⁺ и . Овај процес генерише градијент протона и електрона, чија се енергија користи за процес фосфорилације молекула у високоенергетске молекуле . У том се процесу протони (⁺) вежу на кисеоник, којег организми уносе из атмосфере и стварају воду као коначни производ. Оксидацијска фосфорилација, која је релативно ниска у Кребсовом циклусу, увелико повећава успешност производње високоенергетских нуклеозида, као што су и .

Процеси који користе међупродукте Кребсовог циклуса

Међупродукти Кребсовог циклуса улазе у многе друге метаболичке путеве. У попис који следи, укључени су метаболити Кребсовог циклуса и метаболички путеви у којима учествују.

• Ацетил КоА:
  • Бета оксидација
  • Биосинтеза масних киселина;
  • Деградација лизина
  • Деградација валина и изолеуцина
  • Метаболизам фенилаланина
• α-кетоглутарат:
  • Биосинтеза лизина
  • Метаболизам аскорбинске киселине
  • Метаболизам глутамата
• Сукцинил КоА:
  • Метаболизам пропаноата
  • Биосинтеза порфирина
  • Деградација леуцина и изолеуцина
  • Метаболизам фенилаланина
• Сукцинат:
  • Метаболизам бутаноата
  • Метаболизам тирозина
• Фумарат:
  • Циклус уреје
  • Метаболизам аргинина и пролина
  • Метаболизам тирозина
• Оксалацетат:
  • Глуконеогенеза
  • Метаболизам глутамата и аспартата
  • Метаболизам гликоксилне киселине