Citromsavciklus

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából.

A citrátkör áttekintése

A citromsavciklus (más néven Krebs-ciklus, Szentgyörgyi–Krebs-ciklus, trikarboxilát-ciklus) alapvető fontosságú anyagcserefolyamat 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 szénhidrát-lebontás és ATP-termelés folyamatában végbemenő négy anyagcsere-útvonalból ez a harmadik. A megelőző kettő a glikolízis és a piruvát oxidáció, 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 Szentgyörgyi-Krebs-ciklus elnevezést felfedezőiről, Hans Adolf Krebs és Szent-Györgyi Albert után kapta, akik közül Krebs ezért a felfedezésért 1953-ban Nobel-díjat kapott.

Tartalomjegyzék

1 Áttekintés
2 A folyamatok egyszerűsített áttekintése
3 Reakciótermékek
4 A citromsavciklus lépései
5 Szabályzás
6 Főbb anyagcsereútvonalak, amelyek a citromsavciklusban egyesülnek
7 Hivatkozások
8 Külső hivatkozások
9 A metabolikus útvonalak áttekintése

[szerkesztés] Áttekintés

malát
dehidrogenáz

fumaráz

CITROMSAV-
CIKLUS

szukcinát
dehidrogenáz

szukcinil-CoA-
szintetáz

citrát-
szintetáz

α-ketoglutarát-
dehidrogenáz

izocitrát-
dehidrogenáz

piruvát-
karboxiláz

piruvát-
dehidrogenáz

glükolízis

zsírsavoxidáció

zsírsav
bioszintézis

koleszterin
bioszintézis

aminosav
bioszintézis
és oxidáció

zsírsav
oxidáció

valin
izoleucin
metionin

porfirin
bioszintézis

aszpartát
fenilalanin
tirozin

glukoneogenezis

aminosav bioszintézis
és oxidáció

A folyamatban két szénatom CO₂-dá oxidálódik és a reackiók során felszabaduló energia 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	akonitáz	hidratáció	–	–	izocitrát
3a	izocitrát	NAD⁺	izocitrát-dehidrogenáz	oxidáció	NADH, ATP	Ca²⁺, ADP	oxálszukcinát, NADH
3b	oxálszukcinát	H⁺	izocitrát-dehidrogenáz	dekarboxiláció	NADH, ATP	Ca²⁺, ADP	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

[szerkesztés] A folyamatok egyszerűsített áttekintése

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.

[szerkesztés] Reakciótermékek

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 + P_i + 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 + P_i + 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 P_i + 2 H₂O	→ 10 NADH + 10 H⁺ + 2 FADH₂ + 2 ATP + 2 GTP + 6 CO₂

A fenti reakciók akkor vezetnek egyensúlyra, ha a P_i a H₂PO₄^- iont, az ADP és a GDP rendre az ADP^2- és a GDP^2- iont, az ATP és a GTP rendre az ATP^3- és a GTP^3- 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.

[szerkesztés] A citromsavciklus lépései

[szerkesztés] 1. reakció: citrát-szintáz

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 katalizája. 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.

[szerkesztés] 2. reakció: akonitáz

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 vízddícióban 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 kocentrációktól függ, ami folyamatosan változik a sejt energiaállapota szerint. Az izocitrát fogyásának sebessége az izocitrát-dehidrogenáz enzim aktivitásától függ.

Az akonitáz enzim szerkezete^[1]

[szerkesztés] 3. reakció: izocitrát-dehidrogenáz

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 irreveribilis reakció oxidatív dekarboxilálás. Az α-ketoglutarát a mitokondriumban különböző folyamatokban vehet részt.

Az izocitrát-dehidrogenáz enzim szerkezete az Escherichia coli-ban^[2].

[szerkesztés] 4. reakció: α-ketoglutarát-dehidrogenáz

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.^[3]

[szerkesztés] 5. reakció: szukcinil-CoA-szintetáz

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^[4]

[szerkesztés] 6. reakció: szukcinát-dehidrogenáz

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 .^[5]

[szerkesztés] 7. reakció: fumaráz

ΔG'°=-3,8 kJ/mol

A fumaráz enzim által katalizált reakciban 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^[6]

[szerkesztés] 8. reakció: malát-dehidrogenáz

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^[7]

[szerkesztés] Szabályzás

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.

[szerkesztés] Főbb anyagcsereútvonalak, amelyek a citromsavciklusban egyesülnek

A legtöbb katabolikus (lebontó) anyagcsere-útvonala a citromsavciklus-ban 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 aminosvak 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.

[szerkesztés] Hivatkozások

^ H. Lauble, C. D. Stout: Steric and conformational features of the aconitase mechanism. In: Proteins 22, S. 1-11 , 1995
^ 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
^ 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
^ 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
^ 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
^ 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
^ 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 (2005. Dec). Biology, 7th ed., Benjamin Cummings. ISBN 978-0805371468.
Solomon, E.P., Berg, L.R., Martin, D.W. (2005. Mar). Biology. Brooks Cole. ISBN 978-0534495480.
Dr. Ádám Veronika, Dux L., Faragó A., Fésüs L., Machovich R., Mandl J., Sümegi B. (2001. Mar). Orvosi biokémia, 2. kiadás, Medicina. ISBN 963-2426916.