Citromsavciklus

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
A citrátkör áttekintése

A citromsavciklus (más néven Szent-Györgyi–Krebs-ciklus, Krebs-ciklus, trikarbonsavciklus, citrátkör) alapvető fontosságú anyagcsere-folyamat minden olyan élő sejtben, amely oxigént használ a sejtlégzés folyamatában.

Ezekben az aerob organizmusokban a citromsavciklus annak az anyagcsere-útvonalnak a része, amelyben a szénhidrátok, zsírok és fehérjék CO2-dá és vízzé alakulnak, miközben energia termelődik.

A szénhidrátlebontás és ATP-termelés folyamatában végbemenő négy anyagcsere-útvonalból ez a harmadik. A megelőző kettő a glikolízis és a piruvátoxidáció, a következő pedig a légzési lánc.

A citromsavciklusban előanyagok (prekurzorok) is termelődnek (például aminosavak), és néhány reakciója fontos olyan sejtekben is, melyek fermentációt végeznek.

A Szent-Györgyi–Krebs-ciklus felfedezőiről, Szent-Györgyi Albertről és Hans Adolf Krebsről kapta a nevét. Szent-Györgyit 1937-ben a citrátkör egyes reakcióinak kutatásáért (és a C-vitamin vizsgálatáért),[1] Krebst pedig 1953-ban a citrátkör felfedezéséért Nobel-díjjal jutalmazták.[2]

Áttekintés[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A folyamatban két szénatom CO2-dá oxidálódik, a reakciók során felszabaduló energia pedig GTP, NADH és FADH2 formájában raktározódik.

A NADH és FADH2 olyan koenzim (az enzimek működését segítő) molekulák, amelyek energiát tárolnak és az oxidatív foszforiláció során használják azt fel.

szubsztrát koenzim enzim reakciótípus inibitor aktivátor reakciótermék
1 oxálecetsav acetil-CoA, H2O citrát-szintáz kondenzáció citrát, NADH, szukcinil-CoA citrát
2a citrát akonitáz dehidráció cisz-akonitát, H2O
2b cisz-akonitát H2O hidratáció izocitrát
3a izocitrát NAD+ izocitrát-dehidrogenáz oxidáció NADH, ATP Ca2+, ADP oxálszukcinát, NADH
3b oxálszukcinát H+ dekarboxiláció α-ketoglutarát, CO2
4 α-ketoglutarát NAD+, CoA-SH α-ketoglutarát-dehidrogenáz oxidatív dekarboxiláció NADH, szukcinil-CoA Ca2+ szukcinil-CoA, NADH, CO2
5 szukcinil-CoA GDP, foszfát szukcinil-CoA-szintetáz foszforilálás szukcinát, GTP, CoA-SH
6 szukcinát FAD szukcinát-dehidrogenáz oxidáció fumarát, FADH2
7 fumarát H2O fumaráz hidratáció L-malát
8 L-malát NAD+ malát-dehidrogenáz oxidáció oxálecetsav, NADH

A folyamatok egyszerűsített áttekintése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Citromsavciklus-áttekintés.png
  • A citromsavciklus elején az acetil-CoA átadja a két szénatomos acetilcsoportját a négy szénatomból álló oxálacetát molekulának és így citrát (citromsav) keletkezik (6 szénatomos).
  • A citrát ezután több átalakuláson megy keresztül, először az egyik, majd a másik karboxilcsoportját is elveszti CO2 formájában.
  • A folyamat oxidatív lépései során felszabaduló energia nagyenergiájú elektronok formájában a NAD+-hoz jut és NADH képződik belőlük. Minden citromsavciklusba került acetil csoportból három molekula NADH képződik.
  • Az elektronfelvételre képes FAD-ra kerülő elektronok FADH2-t alkotnak.
  • A 4C atomos oxálecetsav molekula minden ciklus végén újraképződik és a ciklus folytatódik.

Reakciótermékek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A egy ciklus alatt egy GTP, három NADH, egy FADH2 és két CO2 keletkezik.

Mivel minden glükózmolekulából két acetil-CoA keletkezik, glükózmolekulánként két ciklusra van szükség. Ebből kifolyólag mindenből a duplája képződik:

kettő GTP, hat NADH, kettő FADH2 és négy CO2.

leírás reaktáns termékek
A citromsavciklus reakcióinak összesített egyenlete: acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O → CoA-SH + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + 2 CO2
Ha összegezzük a piruvát dekarboxiláció és a citromsavciklus során fellépő reakciókat, a következő összesített egyenletet kapjuk (piruvát oxidáció a légzési lánc előtt) : piruvát + 4 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O → 4 NADH + 4 H+ + FADH2 + GTP + 3 CO2
Ha ezekhez hozzátesszük még a glikolízis reakciót is, a következő összesített egyenletet kapjuk a teljes glükózoxidációról a légzési lánc előtt: glükóz + 10 NAD+ + 2 FAD + 2 ADP + 2 GDP + 4 Pi + 2 H2O → 10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 2 ATP + 2 GTP + 6 CO2

A fenti reakciók akkor vezetnek egyensúlyra, ha a Pi a H2PO4- iont, az ADP és a GDP rendre az ADP2- és a GDP2- iont, az ATP és a GTP rendre az ATP3- és a GTP3- ionokat jelölik).

Ha számításba vesszük, hogy a GTP később ATP-vé alakul és a maximum 26 ATP-t, ami a 10 NADH-ből és a 2 FADH2-ből keletkezik az oxidatív foszforiláció során, azt kapjuk, hogy egy glükózmolekulából maximálisan 30 ATP molekula képződhet.

A citromsavciklus lépései[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

1. reakció: citrát-szintáz[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

ΔG'°=-31,4 kJ/mol

A ciklus első reakciójában citrát képződik. Az acetil-CoA oxálacetáttal citrátot képez kondenzációs, majd hidrolitikus reakció során. Az irreverzibilis reakciót (ΔG'°=-31,4 kJ/mol) a citrát-szintáz enzim katalizálja. Az enzim először a mitokondriumban alacsony koncentrációban jelen levő oxálacetátot köti, majd egy konformációváltozás után az acetil-CoA is kötődni tud. Köztitermékként citril-CoA képződik, ebből H2O belépésével CoA szabadul fel. A magas magas csoportátviteli potenciájú tioészterkötés hidrolízise a reakciót erősen exergonikussá teszi, ami azért fontos, mert az oxálacetát koncentrációja alacsony. A szubsztrátok kötődési sorrendje azért fontos, mert így az enzim nem tudja az acetil-CoA-t hidrolizálni. A tioészterkötés hidrolízisének feltétele a citril-CoA létrejöttéhez kötődő konformációváltozás. A reakció terméke, a citrát tovább alakulhat a mitokondriumban, vagy a transzportrendszeren keresztül a citoszolba kerülhet. A citrát citoszolba történő transzportja a mitokondriumban képződő acetil-CoA citoszolba jutását szolgálja, ahol főleg zsírsavak és koleszterin szintézisére használódik fel valamint a NADPH termelését is lehetővé teszi.

Minden citrát-szintáz monomerhez egy oxálacetát (magenta) és egy acetil-CoA molekula (fehér) kötődik.

2. reakció: akonitáz[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

ΔG'°=+6,3 kJ/mol

A mitokondriumban maradó citrát reverzibilis izomerizáció során átalakulhat izocitráttá. A folyamat kétlépéses és átmeneti dehidratálással jár. A reakciót az akonitáz enzim katalizálja, amely egy FeS-központot tartalmaz. A központ a szubsztrátkötésben, a vízaddícióban és a dehidrációban is szerepet játszik. A cisz-akonitát, mely köztitermékként jön létre, az enzimhez kötődik. Egyensúlyi állapotban csak 6-7%-ban izomerizálódik a citrát, de a folyamat az aktuális koncentrációktól függ, ami folyamatosan változik a sejt energiaállapota szerint. Az izocitrát fogyásának sebessége az izocitrát-dehidrogenáz enzim aktivitásától függ.

Az akonitáz enzim szerkezete[3]

3. reakció: izocitrát-dehidrogenáz[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

ΔG'°=-8,4 kJ/mol

Az izocitrát-dehidrogenáz enzim az első dehidrogenálást katalizálja. A reakció során α-ketoglutarát és CO2 keletkezik, egy NAD+ molekula pedig redukálódik. Az irreverzibilis reakció oxidatív dekarboxilálás. Az α-ketoglutarát a mitokondriumban különböző folyamatokban vehet részt.

Az izocitrát-dehidrogenáz enzim szerkezete az Escherichia coli-ban[4].

4. reakció: α-ketoglutarát-dehidrogenáz[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

ΔG'°=-30,1 kJ/mol

Az α-ketoglutarát-dehidrogenáz enzimkomplex működése a piruvát-dehidrogenáz enzimkomplexhez hasonló. Ez az enzim az α-ketoglutarát szukcinil-CoA-vá való átalakulását katalizálja. A reakció irreverzibilis oxidatív dekarboxilezés, melynek során az alfa-ketosav oxidációjából származó energia segítségével magas csoportátviteli potenciálú tioészterkötés jön létre. A komplex három enzimből épül fel: α-ketoglutarát-dehidrogenáz, dihidrolipoil-transzszukciniláz és dihidrolipoil-reduktáz. Ugyanazok a kofaktorok szükségesek a működéshez itt, mint a piruvát-dehidrogenáz-komplex esetében. A folyamatban szukcinil-CoA és CO2 képződik, és egy NAD+ molekula redukálódik. A piruvát-dehidrogenázzal ellentétben ez a komplex nem tartalmaz kinázt és foszfatázt. A szukcinil-CoA a porfirinszintézis előanyaga, ezért távozhat a körfolyamatból.

A katalitikus domain a dihidrolipoil- transzszukciniláz enzimen, mely az α-ketoglutarát- dehidrogenáz- enzimkomplex része.[5]

5. reakció: szukcinil-CoA-szintetáz[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

ΔG°′ = -3,3 kJ mol-1

A szukcinil-CoA-szintetáz enzim a szukcinil-CoA hidrolízisét katalizálja, melynek során CoA és szukcinát keletkezik. A magas csoportátviteli potenciálú reakcióhoz kapcsolt reakció a foszforiltranszfer. Első lépésként a reakcóban átmenetileg maga az enzim, majd GDP foszforilálódik GTP-vé – mely energetikailag ekvivalens az ATP-vel. A reakció szubsztrátszintű foszforiláció, melyben nagy energiájú kötés alakul ki a légzési lánctól függetlenül.

A szukcinil-CoA-szintetáz enzim szerkezete a Sus scrofa-ban[6]

6. reakció: szukcinát-dehidrogenáz[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

ΔG'°=0 kJ/mol

A szukcinát-dehidrogenáz enzim a szukcinát fumaráttá való oxidációját katalizálja. Ebben a lépésben kapcsolódik a citromsavciklus a légzési lánchoz. Az enzim több FeS központot tartalmazó flavoprotein. A reverzibilis reakció sztereospecifikus, kizárólag fumarát képződik. Az enzim a többitől eltérően a mitokondrium belső membránjában helyezkedik el és a terminális oxidációs légzési lánc II. komplexének része. Az enzimhez kovalensen kötött FAD redukálódik és a keletkező FADH2 hidrogénjei redukálják az ubikinont.

A szukcinát-dehidrogenáz enzim negyedleges szerkezete (az elektrontranszportlánc II. komplexével) Escherichia coli-ban .[7]

7. reakció: fumaráz[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

ΔG'°=-3,8 kJ/mol

A fumaráz enzim által katalizált reakcióban egy proton (H+) és egy OH- csoport kapcsolódik a fumaráthoz transz helyzetben, melyek egy vízmolekulából származnak. Az addíció sztereospecifikus, kizárólag a malát L-izomerje képződik, ellenkező irányban is csak fumarát képződhet. (A maleát, a fumarát cisz-izomerje és a D-malát nem szubsztrátja az enzimnek.)

A fumaráz szerkezete a Saccharomyces cerevisiae-ben[8]

8. reakció: malát-dehidrogenáz[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

ΔG'°=+29,7 kJ/mol

A ciklus utolsó enzime, a malát-dehidrogenáz a malát oxálacetáttá való átalakulását katalizálja. Az enzim a NAD+ koenzimmel működik. A reakció ΔG'°=+29,7 kJ/mol ellenére reverzibilis. Az egyensúlyi koncentrációviszonyok szerint a reakció a malátképződés irányába lenne eltolva. Az aktuális oxálacetát-koncentráció azonban igen alacsony (10−6 M), illetve a reakció NADH/NAD+ arány szerint tolódhat az oxálacetát irányába.

A malát-dehidrogenáz enzim szerkezete a Thermus flavus-ban[9]

Szabályzás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Bár a piruvát-dehidrogenáz gyakorlatilag nem része a citromsavciklusnak, mégis szó lesz róla itt.

A citromsavciklus több enzimére negatív feedback-két szabályozza az ATP, ha nagy a sejt energiatöltete (energy charge). Ide tartozik a piruvát-dehidrogenáz, a citrát-szintáz, az izocitrát dehidrogenáz és az alfa-ketoglutarát dehidrogenáz is. Ezek az enzimek, melyek a citromsavciklus első három lépését szabályozzák, gátlódnak, ha megnő az ATP koncentrációja. Ez a szabályzás biztosítja, hogy a citromsavciklus ne oxidáljon piruvátot és acetil-CoA-t, ha elegendő ATP van a sejtben. A negatív feedback alloszterikus mechanizmus által megy végbe.

Több enzim negatívan szabályozódik, mikor a redukáló ekvivalensek szintje magas a sejtben (magas NADH/NAD+ arány). Ez a szabályzómechanizmus NADH szubsztrát-inhibíciója (gátlás) során valósul meg, azokon az enzimeken, melyeknek a NAD+ a szubsztátja. Ide tartozik a piruvát-dehidrogenáz, a citrát-szintáz, az izocitrát-dehidrogenáz és az alfa-ketoglutarát-dehidrogenáz.

A kalcium regulátor szerepet játszik. Aktiválja a piruvát-dehidrogenázt, az izocitrát-dehidrogenázt és az oxoglutarát-dehidrogenázt. Ez megnöveli a reakciósebességet a ciklus több lépésében és növeli a fluxust a metabolikus útvonal egészében.

A citrát feedback gátlást végez, mivel gátolja a foszfofruktokináz enzimet, ami a glikolízisben fruktóz-1,6-bifoszfátot állít elő, ami a piruvát prekurzora (előanyaga).

Ez meggátolja az állandó magas fluxust, ha felgyülemlik a citrát és csökken a enzim számára szükséges szubsztrát mennyisége.

Főbb anyagcsereútvonalak, amelyek a citromsavciklusban egyesülnek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A legtöbb katabolikus (lebontó) anyagcsere-útvonala a citromsavciklusban egyesül. Azokat a reakciókat, amelyek a citromsavciklus köztitermékeit hozzák létre, (azért, hogy feltöltsék azt, ha kevés van belőlük) anaplerotikus reakcióknak nevezzük.

A citromsavciklus a szénhidrát-lebontás (cukorbontás) harmadik lépése. A glikolízis során a glükóz (6 C atom) piruvátra (3 C atom) bomlik. Az eukariótákban a piruvát a mitokondriumba jut és itt acetil-CoA-vá alakul a piruvát dekarboxiláció során, majd belép a citromsavciklusba.

A fehérjebontásban a fehérjéket proteáz enzimek aminosavakra bontják. Ezek az aminosavak bejutnak a sejtbe és ott energiává alakulhatnak a citromsavciklusban.

A zsírbontásban a trigliceridek hidrolizálnak és zsírsavak és glicerin keletkezik belőlük.

A májban a glicerin glükózzá alakul dihidroxiaceton-foszfáton és glicerilaldehid-3-foszfáton keresztül a glükoneogenezis folyamatában.

Sok szövetben, különösképpen a szívizomszövetben, a zsírsavak a béta-oxidáció folyamatában bomlanak tovább, melynek eredményeképpen acetil-CoA keletkezik és ez beléphet a citromsavciklusba. Néha a béta-oxidáció során propionil-CoA jön létre, ami további glükóz képződéré használódik fel a májban.

A citromsavciklust minden esetben oxidatív foszforiláció követi.

A folyamat energiát von el (elektronok formájában) a NADH-tól és a FADH2-től ezeket NAD+-dá és FAD-dá oxidálva, a körfolyamat tehát folytatódhat. A citromsavciklus maga nem használ fel oxigént, de az oxidatív foszforiláció igen.

Egy glükózmolekula teljes lebontásakor tehát (a glikolízis, a citromsavciklus és az oxidatív foszforiláció során) 36 ATP molekula képződik.

A citromsavciklust amfibolikus anyacsere-útvonalnak nevezik, mert anabolikus és katabolikus folyamatokban is szerepet játszik.

Hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1937/
  2. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1953/
  3. H. Lauble, C. D. Stout: Steric and conformational features of the aconitase mechanism. In: Proteins 22, S. 1-11 , 1995
  4. Mesecar, A.D., Stoddard, B.L., Koshland Jr., D.E. Orbital steering in the catalytic power of enzymes: small structural changes with large catalytic consequences. Science v277 pp.202-206 , 1997
  5. Knapp, J.E., Carroll, D., Lawson, J.E., Ernst, S.R., Reed, L.J., Hackert, M.L. Expression, purification, and structural analysis of the trimeric form of the catalytic domain of the Escherichia coli dihydrolipoamide succinyltransferase. Protein Sci. v9 pp.37-48 , 2000
  6. Fraser, M.E., James, M.N., Bridger, W.A., Wolodko, W.T. Phosphorylated and dephosphorylated structures of pig heart, GTP-specific succinyl-CoA synthetase. J.Mol.Biol. v299 pp.1325-1339, 2000
  7. V. Yankovskaya, R. Horsefield, S. Tornroth, C. Luna-Chavez, H. Miyoshi, C. Leger, B. Byrne, G. Cecchini, S. Iwata: Architecture of succinate dehydrogenase and reactive oxygen species generation. In: Science 299, S. 700-704, 2003
  8. Weaver, T., Lees, M., Zaitsev, V., Zaitseva, I., Duke, E., Lindley, P., McSweeny, S., Svensson, A., Keruchenko, J., Keruchenko, I., Gladilin, K., Banaszak, L. Crystal structures of native and recombinant yeast fumarase. J.Mol.Biol. v280 pp.431-442 , 1998
  9. Tomita, T., Fushinobu, S., Kuzuyama, T., Nishiyama, M. Structural basis for alteration of cofactor specificity of malate dehydrogenase from Thermus flavus
  • Neil A. Campbell, Jane B. Reece. Biology, 7th ed., Benjamin Cummings (2005. Dec). ISBN 978-0805371468 
  • Solomon, E.P., Berg, L.R., Martin, D.W.. Biology. Brooks Cole (2005. Mar). ISBN 978-0534495480 
  • Dr. Ádám Veronika, Dux L., Faragó A., Fésüs L., Machovich R., Mandl J., Sümegi B.. Orvosi biokémia, 2. kiadás, Medicina (2001. Mar). ISBN 963-2426916 

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]


A citromsavciklus anyagcsere-útvonala
oxálacetát malát fumarát szukcinát szukcinil-CoA
Oxalacetat.svg L-Malat.svg Fumarat.svg Succinat.svg Succinyl-CoA.svg
Biochem reaction arrow reverse NNYY horiz med.png Biochem reaction arrow reverse NNYN horiz med.png Biochem reaction arrow reverse NNYY horiz med.png Biochem reaction arrow reverse NNYY horiz med.png
acetil-CoA NADH + H+ NAD+ H2O FADH2 FAD CoA + ATP
(GTP)
Pi + ADP
(GDP)
Acetyl-CoA.svg + H2O Biochem reaction arrow special 1.png Biochem reaction arrow special 2.png NADH + H+ + CO2
CoA NAD+
Citrat.svg H2O Cis-Aconitat.svg H2O Threo-Ds-isocitrate wpmp.png NAD(P)+ NAD(P)H + H+ Oxalsuccinat.svg CO2 2-oxoglutarate wpmp.svg
Biochem reaction arrow forward NYNN horiz med.png Biochem reaction arrow forward YNNN horiz med.png Biochem reaction arrow forward YYNN horiz med.png Biochem reaction arrow forward NYNN horiz med.png
citrát cisz-akonitát izocitrát oxálszukcinát α-ketoglutarát

A metabolikus útvonalak áttekintése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]