A trikarbonsav ciklus (röv. CTK , Krebs ciklus , citrát ciklus , citromsav ciklus [1] [2] ) a katabolizmus általános folyamatának központi része , egy ciklikus biokémiai folyamat, amelynek során az acetil maradékok (CH 3 ) CO-) szén - dioxiddá (CO 2 ) oxidálódnak . Ebben az esetben egy ciklusban 2 CO 2 molekula , 3 NADH , 1 FAD H 2 és 1 GTP (vagy ATP ) képződik [3] . A NADH-n és FADH 2 -n található elektronok ezt követően a légzési láncba kerülnek [2] , ahol az oxidatív foszforilációs reakciók során ATP képződik .
A trikarbonsavciklus kulcsfontosságú lépés minden oxigént használó sejt légzésében, a szervezetben számos anyagcsereút metszéspontja , közbenső lépés a glikolízis és az elektrontranszport lánc között . Jelentős energetikai szerepe mellett a körforgás jelentős plasztikus funkciót is betölt, vagyis fontos előanyag-forrás, amelyből más biokémiai átalakulások során olyan, a sejtélet szempontjából fontos vegyületek, mint az aminosavak , szénhidrátok , zsírsavak stb. szintetizálódnak [4]
A citromsav konverziós ciklusát az élő sejtekben (vagyis a trikarbonsav ciklust) Hans Krebs német biokémikus fedezte fel és tanulmányozta , ezért munkájáért ( F. Lipmannel együtt ) Nobel-díjat kapott (1953) [1]. .
Az eukariótákban a Krebs- ciklus minden reakciója a mitokondriumokon belül megy végbe , a legtöbb baktériumnál pedig a ciklus reakciói a citoszolban [5] .
A trikarbonsavciklus kezdetén az acetil-koenzim A (acetil-CoA) acetilcsoportját négy szénatomos vegyületté - oxálacetáttá (oxálecetsav) adja , és hat szénatomos citrát (citromsav) keletkezik. Az acetil-CoA olyan vegyületek oxidációs terméke, mint a glükóz , aminosavak és zsírsavak [6] . A citrát ezután izomerizálódik izocitráttá ( izomersav), amelyet tovább dehidrogéneznek és dekarboxileznek öt szénsavvá , α-ketoglutaráttá . Az α-ketoglutarát ismét dekarboxileződik, és négy szénatomos szukcináttá (borostyánkősav) alakul. A szukcinát ezután három lépésben enzimatikusan átalakul négy szénatomos oxálacetáttá, amely kész reakcióba lépni az új acetil-CoA molekulával. A ciklus minden fordulójában egy acetilcsoport (azaz két szénatom ) acetil-CoA formájában lép be a körforgásba, és két szénatom két CO 2 molekula formájában hagyja el a ciklust ; egy oxálacetát molekulát használnak fel citrát képzésére, majd egyet regenerálnak. Az oxaloacetát nem hagyja el a ciklust, és egy oxaloacetát molekula elméletileg korlátlan számú acetilcsoportot képes megkötni, és valójában az oxálacetát nagyon alacsony koncentrációban van jelen a sejtekben. A ciklus nyolc szakaszából négy oxidatív folyamat, az e folyamatok során felszabaduló oxidációs energia hatékonyan tárolódik redukált NADH és FADH 2 koenzimek formájában [5] .
Bár a trikarbonsav ciklus központi szerepet játszik az energia - anyagcserében, szerepe nem korlátozódik az energia beszerzésére és tárolására. A négy és öt szénatomos gyűrűs intermedierek számos vegyület szintézisének prekurzoraiként szolgálnak . Ezeknek a ciklusból kilépő köztes vegyületeknek a pótlására speciális anaplerotikus reakciók mennek végbe a sejtben [5] .
Mint fentebb említettük, a trikarbonsavciklus összes reakciója a mitokondriumokban megy végbe, és a légzési lánc a mitokondriumokban (a belső membránon ) található. A legtöbb baktériumban a trikarbonsavciklus enzimei a citoszolban helyezkednek el, és a plazmamembrán a mitokondriumok belső membránjához hasonló funkciókat lát el [5] .
A trikarbonsavciklus 8 fő szakaszból áll, amelyeket az alábbiakban részletesen tárgyalunk.
A ciklus első reakciója az acetil-CoA visszafordíthatatlan kondenzációja oxálacetáttal citráttá , amelyet a citrát - szintáz enzim katalizál (1. reakció az általános sémában):
Ebben a reakcióban az acetil-CoA acetilcsoportjában lévő metilcsoportot hozzáadják az oxálacetát karbonilcsoportjához (második szénatom, C2 atom) . A reakció során az enzim aktív centrumában egy köztes vegyület képződik - citroil-CoA . Gyorsan hidrolizálódik , és szabad CoA -ra és citrátra hasad, amelyeket eltávolítanak az enzim aktív helyéről . Ennek a nagy energiájú tioéter intermediernek a hidrolízise rendkívül exergonikussá teszi ezt a reakciót . A citrát szintáz reakció standard szabad energiájában nagy negatív változásra van szükség a ciklus szabályozásához, mivel amint azt korábban megjegyeztük, az oxálacetát normál koncentrációja a sejtben nagyon alacsony. A reakció során felszabaduló CoA további szerepet játszik a következő piruvátmolekula oxidatív dekarboxilezésében a piruvát - dehidrogenáz komplex által [7] .
A citrát-szintázt szubsztrátja és inhibitorai jelenlétében és hiányában kristályosították, és röntgendiffrakciós elemzést végeztek . Ennek a homodimer enzimnek minden alegysége egyetlen polipeptid két doménnel , amelyek közül az egyik nagy és merev, a másik pedig kisebb és képlékenyebb; ezen domének között található az enzim aktív helye. Az oxaloacetát, az első citrát-szintáz-kötő szubsztrát, jelentős konformációs változásokat indukál a plasztikus doménben, így kötőhelyet hoz létre a második szubsztrát molekula, az acetil-CoA számára (lásd jobbra). Amikor az enzim aktív helyén citroil-CoA képződik, egy második konformációs változás következik be az enzimben a tioészter hidrolízise következtében, és így felszabadul a CoA. Ezek a konformációs változások, amelyeket először a szubsztrátumhoz, majd az intermedierhez való kötődés okoz, megakadályozzák az acetil-CoA-ban lévő tioéter kötés idő előtti és nem produktív hasadását. A citrát-szintáz kinetikai vizsgálatai megerősítik a fent leírt kétszubsztrát-mechanizmust. A fenti citrát-szintáz reakció egy aldol-kondenzáció [8] [9] (egyes szerzők azonban Claisen-kondenzációnak tartják [7] ). Az alábbiakban bemutatjuk a citrát szintáz reakció mechanizmusát:
Az akonitáz enzim (pontosabban akonitát-hidratáz) katalizálja a citrát reverzibilis izomerizációját izocitráttá egy köztes vegyület - trikarbonsav- cisz-akonitát - képződésével , amely általában nem hagyja el az aktív centrumot. Az akonitáz kétféle módon ad vizet a cisz -akonitát aktív centrumához kapcsolódó kettős kötéséhez : az egyik hatására citrát, a másik eredményeként izocitrát képződik (2. és 3. reakció általában rendszer) [7] :
Bár a pH 7,4 és 25 ° C közötti egyensúlyi keverék kevesebb, mint 10% izocitrátot tartalmaz, a reakció jobbra tolódik el a sejtben, mivel az izocitrát gyorsan bekerül a ciklus következő szakaszába, és koncentrációja csökken. Az Aconitase vas-kén klasztert tartalmaz , amely egyrészt a szubsztrát megkötésére szolgál az aktív helyen, másrészt katalitikusan hidratálja vagy dehidratálja. Azokban a sejtekben, amelyek nem tartalmaznak elegendő vasat , az akonitáz elveszti vas-kén klaszterét, és szabályozó szerepet kap a vas anyagcseréjében (a részletekért lásd az IRE (biológia) részt ). Így az akonitáz egyike a sok enzim közül, amelyek két különböző funkcióval rendelkeznek [10] .
Az alábbiakban egy diagramon látható, hogy az akonitáz vas-kén klaszter hogyan köti meg az izocitrátot és alakítja át cisz -akonitáttá:
A következő lépésben az izocitrát-dehidrogenáz enzim katalizálja az izocitrát oxidatív dekarboxilezését így α-ketoglutarátot (oxoglutarátot) képez . Az enzim aktív helyén lévő Mn 2+ (vagy Mg 2+ ) ion [11] kölcsönhatásba lép az oxaloszukcinát intermedier karbonilcsoportjával , amely gyorsan képződik, de dekarboxilációig nem hagyja el az aktív helyet. és α-ketoglutaráttá alakítják [10] .
Ezeket az átalakításokat az alábbiakban részletesen tárgyaljuk (4. és 5. reakció az általános sémában):
Az izocitrát-dehidrogenáz két különböző formáját (izoenzimét) találták a sejtekben. Az egyik működéséhez NAD + , a másikhoz NADP + szükséges (sőt az utóbbi működéséhez a Mg 2+ ionra van szükség , nem pedig Mn 2+ -ra [11] ). Az általuk végrehajtott reakciók egyébként azonosak. Az eukariótákban a NAD-függő izoenzim a mitokondriális mátrixban lokalizálódik, és részt vesz a trikarbonsav ciklusban. A mitokondriális mátrixban és a citoszolban egyaránt előforduló NADP-függő izoenzim fő funkciója a helyreállító anabolikus folyamatokhoz szükséges NADPH képződése lehet [13] .
A trikarbonsavciklus következő szakaszában oxidatív dekarboxiláció is megtörténik, amelyben az α-ketoglutarát az α-ketoglutarát dehidrogenáz komplex hatására szukcinil-CoA-vá és CO 2 -dá alakul ; A NAD + elektronakceptorként , míg a CoA szukcinilcsoport-hordozóként működik. Az α-ketoglutarát oxidációs energiája a szukcinil-CoA-ban tioéter kötés kialakulása során tárolódik [13] (6. reakció az általános sémában):
Ez a reakció közel azonos a piruvát oxidatív dekarboxilezésének piruvát-dehidrogenáz reakciójával, és az α-ketoglutarát-dehidrogenáz komplex szerkezetében és funkciójában rendkívül közel áll a piruvát-dehidrogenáz komplexhez (PDC). 3 enzimet tartalmaz , amelyek homológok az E 1 , E 2 és E 3 MPC enzimekkel, valamint kofaktorai a tiamin-pirofoszfát , lipoát , FAD, NAD és a koenzim A. Kétségtelen, hogy mindkét komplexnek közös evolúciós őse. Bár mindkét komplex E 1 enzime szerkezetileg hasonló, aminosav szekvenciájuk különbözik, és természetesen más-más szubsztrátra specifikusak: a PDC komplex E 1 -je köti a piruvátot, az E 1 az α-ketoglutarát dehidrogenáz komplexé . megköti az α-ketoglutarátot. Mindkét komplex E 2 enzime nagyon hasonló, és mindkettő kovalensen kötődik a lipoáthoz. Mindkét komplex E 3 alegységei azonosak [14] .
A szukcinil-CoA, az acetil-CoA-hoz hasonlóan, tioéterkötést tartalmaz, nagy negatív standard szabad hidrolízisenergiával (ΔG'® ≈ -36 kJ/mol). A trikarbonsavciklus következő szakaszában a tioéter kötés hasadása során felszabaduló energiát a foszfoanhidrid kötés kialakítására használják fel GTP-ben vagy ATP-ben, míg a szukcinil-CoA szukcináttá alakul [14] (6. reakció in az általános séma):
Ezt a reverzibilis reakciót a szukcinil-CoA szintetáz (szukcinil-tiokináz) enzim katalizálja ; ennek az enzimnek mindkét neve arra utal, hogy a nukleozid-trifoszfát részt vesz ebben a reakcióban [14] .
Ez az energiatároló reakció olyan közbenső lépéseket tartalmaz, amelyekben maga az enzimmolekula foszforilálódik az aktív helyen lévő hisztidin-maradéknál. Ez a nagy átviteli potenciállal rendelkező foszforilcsoport átkerül az ADP-be vagy a GDP-be, hogy ATP-t vagy GTP-t képezzen. Az állati sejtekben két szukcinil-CoA szintetáz izoenzim van, amelyek közül az egyik az ADP-re, a másik a GDP-re specifikus. A szukcinil-CoA szintetáz két alegységből áll: az α-alegység ( Mr = 32 000) egy foszforilált hisztidint (His 246 ) és egy CoA kötőhelyet tartalmaz, a β-alegység (M r = 42 000 to ADP specifitást) biztosít . vagy GDP. Az aktív hely az alegységek közötti térben található. A szukcinil-CoA szintetáz kristályszerkezete két „erőspirált” ( angolul power hélix ) tartalmaz, mindegyik alegységben egy-egy, és ezek a spirálok úgy vannak elhelyezve, hogy elektromos dipólusmomentumaik részben pozitív töltéseket egy negatív töltésű hisztidin-foszfáttá tolnak el. P-His ); ennek köszönhetően az enzim közbenső foszforilált formája stabilizálódik [15] . A következő reakcióvázlat a szukcinil-CoA szintetáz által katalizált:
Az ATP (vagy GTP) képződése az α-ketoglutarát oxidatív dekarboxilezése során tárolt energiából egy szubsztrát foszforilációs reakció , csakúgy, mint az ATP szintézise a glikolízis során, amelyet a gliceraldehid-3-foszfát-dehidrogenáz és a piruvát katalizál . A szukcinil-CoA szintetáz által szintetizált GTP terminális foszforilcsoportját ADP-nek adhatja át, hogy ATP-t képezzen egy nukleozid-difoszfát kináz által katalizált reverzibilis reakcióban :
GTP + ADP → GDP + ATP, ΔG′ o = 0 kJ/mol.Így a szukcinil-CoA szintetáz bármely izoenzimének aktivitásának végeredménye az energia tárolása ATP formájában. A nukleozid-difoszfát kináz reakcióban a Gibbs-energia változása nulla, az ATP és a GTP energetikailag egyenértékű egymással [16] .
A szukcinil-CoA-ból képződött szukcinát a flavoprotein - szukcinát-dehidrogenáz [17] hatására fumaráttá oxidálódik (8. reakció az általános sémában):
Eukariótákban a szukcinát-dehidrogenáz szorosan kötődik a mitokondriális belső membránhoz , baktériumokban a plazmamembránon található. Ez az enzim 3 különböző vas-kén klasztert és egy kovalens kötésű FAD molekulát tartalmaz, amely az enzim protézis csoportja . A szukcinátból származó elektronok áthaladnak a FAD-on és a vas-kén klasztereken, majd elektronhordozóként a belső mitokondriális membránon (baktériumokban a plazmamembránon) elhelyezkedő légzési elektrontranszport láncba kerülnek. A FAD FADH 2 -re redukálódik , de az ubikinon további elektronakceptor [2] . Az elektronok átvitele a szukcinátból ezeken a hordozókon keresztül a végső elektronakceptorhoz, az oxigénhez kapcsolódik az ATP szintéziséhez, és elektronpáronként 1,5 ATP molekula képződik. A malonát , amely általában hiányzik a sejtekben, a szukcinát-dehidrogenáz erős kompetitív inhibitora, és ennek a vegyületnek a mitokondriumokhoz való hozzáadása blokkolja a trikarbonsav ciklus aktivitását [17] .
A fumarát reverzibilis hidratációját L - maláttá alakítja a fumaráz (pontosabban a fumarát hidratáz ) enzim katalizálja . Ennek a reakciónak az átmeneti terméke egy karbanion [17] (9. reakció az általános sémában):
A fumaráz reakció mechanizmusát az alábbiakban mutatjuk be részletesebben:
A fumaráz egy sztereospecifikus enzim: katalizálja a kettős kötés hidratálását a fumarátban ( transz - izomer ), de nem a maleátban ( a fumarát cisz - izomerje ). A fumaráz a fordított reakcióban is sztereospecifitást mutat: a D-malát nem szolgálhat szubsztrátként [17] .
A trikarbonsavciklus utolsó reakciójában a NAD-függő L - malát-dehidrogenáz enzim katalizálja az L-malát oxál-acetáttá történő oxidációját [17] (10. reakció az általános sémában):
Normál termodinamikai körülmények között ennek a reakciónak az egyensúlya erősen balra tolódik el, élő sejtben azonban az oxálacetát folyamatosan részt vesz a rendkívül exergonikus citrát-szintáz reakcióban (1. szakasz). Ez rendkívül alacsony oxálacetát koncentrációt tart fenn a sejtben (< 10 -6 M), aminek következtében a malát-dehidrogenáz reakció egyensúlya jobbra tolódik el [17] .
Bár a trikarbonsavciklus enzimjeit általában a mitokondriális mátrix oldható komponenseiként írják le (kivéve a membránhoz kötött szukcinát-dehidrogenázt), egyre több bizonyíték van arra, hogy ezek az enzimek multienzim komplexekként léteznek a mitokondriumokban . A ciklusenzimeket sikeresen izolálták az elpusztult sejtek kivonataiból , azonban az egyik fehérje és a másik fehérje, vagy a sejt szerkezeti komponensével ( membrán , mikrotubulus , mikrofilamentum ) nem kovalens kölcsönhatása következtében létrejött multiprotein komplexek elpusztultak. A sejtkivonat elkészítésekor azonban a sejtek tartalmát, beleértve az enzimeket is, 100-ra vagy 1000-szeresre hígítják [18] .
Számos bizonyíték utal arra, hogy a sejtekben a multienzim komplexek biztosítják az egyik enzim reakciótermékeinek hatékony átmenetét az útvonal következő enzimjébe. Az ilyen komplexeket metabolonoknak nevezzük . A trikarbonsavciklus számos enzimét szupramolekuláris komplexek részeként izolálták, vagy a mitokondriális belső membránhoz kapcsolódnak, vagy kimutatták, hogy lassabb diffúziós sebességgel rendelkeznek, mint az egyes fehérjék oldatban. Ez erős bizonyítékot szolgáltat a szubsztrátcserére a multienzim komplexek között és más metabolikus útvonalakban, és sok „oldhatónak” gondolt enzim valójában rendkívül szervezett komplexeket képez, amelyek közbenső termékeket cserélnek [18] .
A fentiekben a trikarbonsavciklus egy fordulatát alkotó reakciókat vettük figyelembe. A két szénatomos acetilcsoport oxál-acetáttal kombinálva lép be a ciklusba. Két szénatom hagyja el a ciklust két CO 2 molekula formájában, amelyek az izocitrát és az α-ketoglutarát oxidációja során keletkeznek . Az ezen oxidációs reakciók során felszabaduló energia három redukált NADH molekula, egy FADH 2 molekula és egy ATP vagy GTP molekula formájában tárolódik . A ciklus végén az oxálacetát molekula regenerálódik. Érdemes megjegyezni, hogy az a két szénatom, amely két CO2 molekula formájában hagyja el a ciklust, különbözik attól a két szénatomtól, amely (ebben a körben) acetilcsoportként lépett be a ciklusba. Az acetilcsoport által hozott szénatomok csak a ciklus következő fordulóiban hagyhatják el a körforgást CO 2 formájában [3] .
Bár a citromsav ciklus fordulatonként csak egy ATP-molekulát termel közvetlenül (amikor a szukcinil-CoA szukcináttá alakul), a ciklus négy oxidatív reakciója jelentős számú NADH és FADH 2 által szállított elektronnal látja el a légzési láncot , és így jelentős mennyiségű ATP-t biztosítanak az oxidatív foszforiláció során [3] .
A glikolízis során egy glükózmolekula két piruvát molekulát, 2 ATP-t és 2 NADH-t termel. Az oxidatív foszforiláció során a NADH-ról O 2 -re történő kételektronos átmenet 2,5 ATP-t, a FADH 2 -ről O 2 -re történő kételektronos átmenet 1,5 ATP-t termel. Ha mindkét piruvátmolekulát a piruvát-dehidrogenáz komplex és a trikarbonsavciklus során 6 CO 2 -dá oxidálja, és az oxidatív foszforiláció során az elektronok O 2 -be kerülnek , a teljes ATP hozam glükózmolekulánként 32 molekula [3] :
| Reakció | ATP vagy redukált koenzimek kibocsátása | Teljes ATP kimenet |
|---|---|---|
| glükóz → glükóz-6-foszfát | −1 ATP | −1 |
| fruktóz-6-foszfát → fruktóz-1,6-biszfoszfát | −1 ATP | −1 |
| 2 gliceraldehid-3-foszfát → 2 1,3-biszfoszfoglicerát | 2 NADH | 3 vagy 5 |
| 2 1,3-biszfoszfoglicerát → 2 3-foszfoglicerát | 2 ATP | 2 |
| 2 foszfoenolpiruvát → 2 piruvát | 2 ATP | 2 |
| 2 piruvát → 2 acetil-CoA | 2 NADH | 5 |
| 2 izocitrát → 2 α-ketoglutarát | 2 NADH | 5 |
| 2 α-ketoglutarát → 2 szukcinil-CoA | 2 NADH | 5 |
| 2 szukcinil-CoA → 2 szukcinát | 2 ATP (vagy 2 GTP) | 2 |
| 2 szukcinát → 2 fumarát | 2 FADH 2 | 3 |
| 2 malát → 2 oxálacetát | 2 NADH | 5 |
| Összesen : 30-32 |
32 ATP molekula egyenértékű 32 × 30,5 kJ / mol = 976 kJ / mol értékkel, ami a glükóz teljes oxidációjának elméleti maximumának 34% -a - 2840 kJ / mol. Ezek a számítások a szabadenergia-változások standard értékeinek figyelembevételével készültek, azonban ha figyelembe vesszük a sejt valós szükségletét az ATP-ben lévő szabad energia iránt, akkor az oxidációs folyamat hatékonysága megközelíti az elméleti 65%-át. maximum [19] .
| Színpad | egy | 2 | 3 | négy | 5 | 6 | 7 | nyolc |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ΔG'°, kJ/mol | -32.2 | 13.3 | -7.1 | -33.5 | -2.9 | 0 | -3.8 | 29.7 |
Az anyagcsereút enzimeinek szabályozása alloszterikus effektorok és kovalens módosítások segítségével valósítható meg, a sejtben a köztes és végtermékek koncentrációját állandó szinten tartva, túlzott képződésüket megelőzve. A szénatomok átmenete a piruvátból a trikarbonsavciklusba két szinten finoman szabályozott: a piruvát átalakulása acetil-CoA-vá, a ciklus kiindulási vegyülete (piruvát-dehidrogenáz reakció) és az aktív acetát belépése a ciklusba ( citrát szintáz reakció). Az acetil-CoA nemcsak a piruvát-dehidrogenáz komplex (PDH), hanem a zsírsavak oxidációja (β-oxidáció) és egyes aminosavak oxidációjával is képződik, így ezen utak szabályozása is fontos a piruvát oxidációjának szabályozásában és a trikarbonsav ciklus. Ezenkívül a ciklust izocitrát-dehidrogenáz és α-ketoglutarát-dehidrogenáz reakciók szabályozzák. Az alábbiakban magának a trikarbonsavciklusnak a szabályozását vizsgáljuk [20] ; a piruvát oxidatív dekarboxilációjának szabályozásához lásd a Piruvát oxidatív dekarboxilációja című cikket .
Így a metabolitok bejutása a trikarbonsav ciklusba szigorúan szabályozott. A metabolitok bevitelét három tényező határozza meg: a szubsztrát elérhetősége, a felhalmozódott termékek elnyomása és a ciklus kezdeti szakaszait katalizáló enzimek alloszterikus visszacsatolásos elnyomása [21] .
A ciklus mindhárom exergonikus lépése – a citrátszintáz, izocitrát-dehidrogenáz és α-ketoglutarát-dehidrogenáz által katalizált lépések – bizonyos körülmények között sebességkorlátozóvá válhat . A citrát-szintáz szubsztrátjainak (acetil-CoA és oxálacetát) elérhetősége a sejt állapotától függően változik, és néha gátolja a citrátképződés sebességét. A NADH, az izocitrát és az α-ketoglutarát oxidációs terméke, bizonyos körülmények között felhalmozódik, és magas [NADH]/[NAD + ] aránynál mindkét dehidrogenáz reakció erősen elnyomódik. Hasonlóképpen a sejtben a malát-dehidrogenáz reakció szigorú egyensúlyban van (azaz a szubsztrát korlátozza), és magas [NADH]/[NAD + ] aránynál és alacsony oxálacetát koncentrációnál a a ciklus első szakasza lelassul. A termékek felhalmozódása korlátozza a ciklus mindhárom korlátozó szakaszát: a szukcinil-CoA gátolja az α-ketoglutarát dehidrogenázt (valamint a citrát szintázt); a citrát blokkolja a citrát-szintázt; a végtermék, az ATP, gátolja a citrát-szintázt és az izocitrát-dehidrogenázt. Az ADP, a citrát-szintáz alloszterikus aktivátora csökkenti az ATP ezen enzimre gyakorolt gátló hatását. A gerinces izomszövetében található Ca 2+ -ionok , amelyek az összehúzódás jeleként szolgálnak, és az ATP-igény növekedését kísérik, aktiválják az izocitrát-dehidrogenázt és az α-ketoglutarát-dehidrogenázt, valamint a piruvát-dehidrogenáz komplexet (PDH). Így a trikarbonsav körfolyamatban a szubsztrátok és intermedierek koncentrációja olyan szénáramlást határoz meg rajta, amelynél a képződött ATP és NADH koncentrációja optimális lesz [22] .
Normális esetben a glikolízis sebessége és a trikarbonsavciklus szorosan összefügg egymással, így csak akkora mennyiségű glükóz alakul piruváttá, amely elegendő mennyiségű „üzemanyagot” biztosít a ciklusnak - az acetil-CoA acetilcsoportjai. A piruvát, laktát és acetil-CoA koncentrációja általában állandó. A glikolízis sebessége nem csak a glikolízis magas szintű ATP és NADH általi gátlásán keresztül függ össze a citromsavciklus sebességével, ami mind a glikolízisre, mind a glükózoxidáció légzőszervi lépésére jellemző, hanem a citrátkoncentrációval is. A citrát, a trikarbonsavciklus első terméke, a foszfofruktokináz-1 , egy glikolitikus enzim fontos alloszterikus inhibitora [18] .
Egy egyszerű acetil-két szénatomos csoport CO 2 -dá történő oxidációjának nyolclépéses ciklikus folyamata szükségtelenül bonyolultnak tűnhet, és nem felel meg a maximális gazdaságosság biológiai elvének . A trikarbonsavciklus szerepe azonban nem korlátozódik az acetátion (és így a szénhidrátok, zsírsavak és egyes aminosavak, amelyek oxidációja során keletkezik) oxidációjára. Ez az út képezi az intermedierek metabolizmusának magját. Számos katabolikus folyamat négy és öt szénatomos végtermékei köztes lépésekben lépnek be a körforgásba. Az oxaloacetát és az α-ketoglutarát például az aszparaginsav és a glutaminsav lebontásának termékei , amelyek a fehérjék lebontása során keletkeznek. Számos ciklus közbenső termék vesz részt bizonyos anyagcsere-folyamatokban, és számos anabolikus folyamatban előfutárként szolgál. A trikarbonsavciklus tehát egy amfibolikus út, amely összekapcsolja a katabolikus és anabolikus folyamatokat [23] .
A piruvát a szénhidrátok oxidációjának terméke. Továbbá a piruvát acetil-CoA-vá alakul, és részt vesz a trikarbonsav ciklusban. Emellett az acetil-CoA a zsírsav-oxidáció terméke is, így a trikarbonsavciklus is részt vesz a zsírkatabolizmusban [24] . Érdemes megjegyezni, hogy a piruvát anélkül is részt vehet a trikarbonsav körfolyamatban, hogy acetil-CoA-vá alakul, hanem egy almasav enzim hatására maláttá alakul [25] .
A trikarbonsavciklusban képződő α-ketoglutarátból a glutamin , glutamát, prolin és arginin aminosavak szintetizálódnak . A szukcinil-CoA prekurzorként működik a porfirinek és a hem szintézisében . A citrát részt vesz a zsírsavak és a szterolok szintézisében (citrátból acetil-CoA képződik, emellett szabályozóként is működik [26] ). A malát a mitokondriumból a citoplazmába szállítható, ahol reverzibilisen oxálacetáttá alakul. A kapott oxálacetát prekurzorként szolgálhat az aszpartát, aszparagin , metionin , treonin és izoleucin aminosavak , valamint pirimidinek szintézisében . A GTP rovására foszfoenolpiruváttá is alakítható, és a foszfoenolpiruvát (PEP) prekurzorként szolgálhat a fenilalanin , tirozin , triptofán , szerin , glicin és cisztein bioszintézisében . A glikolízis során PEP-ből előállított piruvát az alanin , a leucin és a valin prekurzorává válhat , és részt vehet a glükoneogenezisben is [24] [25] .
A trikarbonsavciklusnak a ciklusból kilépő intermediereit, amelyek különböző vegyületek szintézisében vesznek részt, speciális anaplerotikus reakciók váltják fel . Normál körülmények között azok a reakciók, amelyekben a ciklus közbenső termékek más anyagcsere-útvonalakban vesznek részt, és az ezek távozását helyettesítő reakciók dinamikus egyensúlyban vannak, így a citromsav ciklus közbenső termékeinek koncentrációja állandó marad [25] .
Az alábbi táblázat a legfontosabb anaplerotikus reakciókat mutatja be [25] :
| Reakció | Enzim | szövet/szervezet |
|---|---|---|
| piruvát + HCO 3 − + ATP ⇌ oxálacetát + ADP + F n | piruvát-karboxiláz | máj , vese |
| foszfoenolpiruvát + CO 2 + GDP ⇌ oxálacetát + GTP | foszfoenolpiruvát karboxikináz | szív , vázizmok |
| foszfoenolpiruvát + HCO 3 − ⇌ oxálacetát + F n | foszfoenolpiruvát-karboxiláz | magasabb rendű növények , élesztőgombák , baktériumok |
| piruvát + HCO 3 − + NAD(P)H ⇌ malát + NAD(P) + | malik-enzim | széles körben elterjedt az eukarióták és baktériumok között |
Az emlősök májában és veséjében a legfontosabb anaplerotikus reakció a piruvát reverzibilis karboxilezése oxálacetáttá, amelyet a piruvát-karboxiláz enzim katalizál . Ha a citrátciklusban az oxál-acetát vagy más intermedierek mennyisége csökken, a piruvát karboxileződik, és további oxálacetát keletkezik. A karboxilcsoport piruváthoz való enzimatikus hozzáadásához energiára van szükség, amelyet az ATP-ből vesznek fel: a karboxilcsoport piruváthoz való hozzáadásához szükséges szabad energia majdnem megegyezik az ATP-ből nyerhető szabad energiával. A piruvát-karboxiláz egy szabályozó enzim, és acetil-CoA hiányában inaktiválódik, amely pozitív alloszterikus modulátor. Ha az acetil-CoA, a trikarbonsavciklus "üzemanyaga" feleslegben van jelen, serkenti a piruvát-karboxiláz reakciót, és ezáltal elősegíti az oxálacetát képződését, ami viszont lehetővé teszi több acetil-CoA bevonását a trikarbonsav ciklus. A piruvát-karboxiláz reakció megvalósításához biotin vitaminra van szükség , amely a CO 2 -t hordozó enzim protéziscsoportjaként működik . A biotinnak jelen kell lennie az emberi étrendben, számos élelmiszerben megtalálható, és a bélbaktériumok szintetizálják [27] .
A fenti táblázatban felsorolt többi anaplerotikus reakciót is úgy szabályozzuk, hogy a trikarbonsavciklus működéséhez elegendő koncentrációjú intermediert biztosítsunk. Például a foszfoenolpiruvát-karboxilázt a fruktóz-1,6-biszfoszfát aktiválja, amely egy glikolízis közbenső termék, amely feleslegben felhalmozódó piroszőlősav mellett [27] .
Növényekben és baktériumokban a glioxilát ciklus során az acetil-CoA szukcináttá alakulhat. Így ezek az organizmusok képesek a semleges zsírok anaplerotikus lebontását végrehajtani (a glioxilátciklusról bővebben lásd alább) [4] .
Vannak más anaplerotikus módszerek is. A hisztidin, a prolin, az arginin, a glutamin és a glutamát aminosavak α-ketoglutaráttá alakulhatnak és visszaállíthatják annak koncentrációját; izoleucin, valin, metionin, triptofán - szukcinil-CoA-ba, aszpartát, fenilalanin és tirozin - fumaráttá; az aszpartát és az aszpragin oxálacetáttá. Az alanin, szerin, treonin, cisztein és glicin aminosavak piruváttá alakulhatnak, amely a trikarbonsavciklushoz szükséges [24] .
Amint fentebb említettük, egyes anaerob szervezetekben a trikarbonsavak nem teljes köre létezik . Számukra ez nem az energia beszerzését szolgálja, hanem a bioszintetikus folyamatokhoz szükséges prekurzorok beszerzését. Ezek a szervezetek a ciklus első három reakcióját használják fel az α-ketoglutarát előállítására, azonban α-ketoglutarát dehidrogenáz hiányában nem tudják végrehajtani a ciklus összes átalakulását. Mindazonáltal 4 enzimük van, amelyek katalizálják az oxál-acetát szekvenciális átalakulását szukcinil-CoA-vá, így malátot, fumarátot, szukcinátot és szukcinil-CoA-t képezhetnek oxálacetátból olyan reakciókban, amelyek ellentétesek a „normális” (oxidatív) reakciókkal. a ciklus. Ez az útvonal egy fermentáció , melynek során az izocitrát oxidációja során képződő NADH az oxálacetát szukcináttá redukálásával NAD + -tá alakul [23] .
Növényekben , néhány gerinctelenben és néhány mikroorganizmusban (például élesztőben, Escherichia coliban ) az acetil-CoA a glioxilát cikluson keresztül szukcináttá alakul , amely szorosan kapcsolódik a trikarbonsav ciklushoz. A glioxilát ciklus általános egyenlete így néz ki:
2 acetil-CoA + NAD + + 2H 2 O → szukcinát + 2CoA + NADH + H +A keletkező szukcinát tovább vesz részt a bioszintetikus folyamatokban. A növényekben a glioxilát ciklus speciális organellumokban , glioxiszómákban lokalizálódik [28] [4] .
Egyes baktériumok képesek a trikarbonsavak fordított ciklusának végrehajtására . Ebben a folyamatban a trikarbonsavciklus reakciói ellentétes irányban mennek végbe: ahol a szénatomok acetil-CoA formájában lépnek be a körforgásba, majd ezt követően CO 2 -dá oxidálódnak , a fordított ciklusban acetil. - Megjelent a CoA. Ennek megvalósításához elektrondonorokra van szükség, és erre a célra a baktériumok hidrogént , szulfidokat vagy tioszulfátokat használnak . A megfelelő előrehaladó ciklusú enzimektől eltérő fordított ciklusú enzimek közé tartozik az ATP-citrát liáz , 2-oxoglutarát: ferredoxinoxireduktáz , piruvát szintáz . A trikarbonsavak fordított ciklusát a fotoszintézis alternatívájának tekintik a szénhidrátok képzésén keresztül [29] .
A trikarbonsavciklus az acetilcsoportok oxidációjának gyakori útja, amelyre az élő szervezetek gyakorlatilag minden anyagcsereútja redukálódik. Egyáltalán nem ez a legrövidebb út az acetát CO 2 -dá történő oxidációjához , de a természetes szelekció ezt találta a legnagyobb előnyökkel. A korai anaerobok felhasználhatták a trikarbonsavciklus egyes reakcióit lineáris bioszintetikus folyamatokban. Valójában egyes modern anaerob mikroorganizmusok a trikarbonsavak nem teljes ciklusát használják fel, de nem energiaforrásként, hanem a bioszintetikus folyamatok prekurzorainak forrásaként (további részletekért lásd a Módosítások részt ). A vízből O 2 -t alkotó cianobaktériumok evolúciójával együtt a földi légkör aerobbá vált, és a természetes szelekció hatására az élőlényekben aerob anyagcsere fejlődött ki, sokkal hatékonyabb, mint az anaerob fermentáció [23] .
Ha az útvonalak szabályozó mechanizmusai, például a trikarbonsavciklus megszakadnak, súlyos betegségeket okozhat. A ciklusenzimeket háztartási gének kódolják , és e gének funkcionális másolatainak hiánya a ciklus szövetspecifikus jellemzőinek jelenlétével magyarázható [30] . Az emberek körében a ciklus enzim génjeit érintő mutációk nagyon ritkák, de azok, amelyek előfordulnak, károsak.
A fumaráz gén hibái simaizom daganatokhoz ( leiomyomák ) és vesékhez vezetnek ; a szukcinát-dehidrogenáz mutációi mellékvese rákot ( feokromocitómát ) okoznak. Az ilyen mutációkkal rendelkező sejttenyészetek akkumulálják a fumarátot ( fumaráz mutációk esetén) és kisebb mértékben a szukcinátot (szukcinát-dehidrogenáz mutációk esetén), és ez a felhalmozódás aktiválja a hipoxia által kiváltott HIF-1α transzkripciós faktort . A rák kialakulása a pszeudohipoxiás állapot következménye lehet. Az ezekkel a mutációkkal rendelkező sejtekben megnövekedett a HIF-1α által szabályozott gének expressziója . A fumaráz és szukcinát-dehidrogenáz gének mutációinak ilyen következményei lehetővé teszik, hogy a tumorszuppresszorok közé sorolják őket [31] .
Kimutatták a kapcsolatot a fumaráz-hibák és az idegrendszeri rendellenességek között [32] .
Az α-ketoglutarát dehidrogenáz aktivitását megváltoztató mutációk aminosav bomlástermékek felhalmozódásához vezetnek a vizeletben, amitől a vizelet juharszirup illatú lesz . Ezt a betegséget leukinózisnak ( Eng. Maple syrup urine disease ) [33] nevezik .
A trikarbonsavciklus számos vegyületét és reakcióját fedezte fel 1930-ban Szent-Györgyi Albert , különös tekintettel a fumarát, a ciklus kulcsfontosságú összetevőjének szerepére. Felfedezéseiért Szent-Györgyi 1937 -ben fiziológiai vagy orvosi Nobel-díjat kapott [34] . A reakciók és a képződött vegyületek teljes sorozatát 1937-ben Hans Adolf Krebs állapította meg, amiért 1953-ban Nobel-díjat kapott (F. Lipmannel együtt) [35] (az ő tiszteletére kapta a trikarbonsav ciklus egyik nevét) . 1948-ban E. Kennedy és Albert Lehninger megállapította, hogy az eukariótákban a ciklus minden reakciója a mitokondriumokban megy végbe [5] .
Amikor körülbelül 60 évvel ezelőtt elérhetővé vált a nehéz szén- 13 C izotóp, valamint a 11 C és 14 C radioaktív izotóp , ezeket használták a szénatomok útjának nyomon követésére a trikarbonsav körforgásában. Az egyik ilyen kísérlet nagyon váratlan eredményeket hozott. A hidroxil-jelölt acetátot jelöletlen oxál-acetáttal egyesítve jelölt citrátot kapunk. Mivel a citrát szimmetrikus molekula, feltételezték, hogy α-ketoglutaráttá alakul át, amelyek között különböző szénatomokon jelölt molekulák lesznek. Azonban csak egyfajta α-ketoglutarát molekulát izoláltak a sejtekből, és a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a citrát és bármely más szimmetrikus molekula nem lehet köztes az acetáttól az α-ketoglutarátig vezető úton; azt javasolták, hogy az acetát és az oxálacetát kondenzációja aszimmetrikus trikarbonsavat, például cisz - akonitátot vagy izocitrátot eredményez . 1948-ban Alexander Ogston megállapította a citrát prociralságát (az aszimmetrikus reakciókra való hajlamot királis centrum hiányában ), ezzel megmagyarázva a kísérletek eredményeit, és megerősítve, hogy a ciklus első szakaszában a citrát képződik [36] .
A Krebs-ciklusban részt vevő savak könnyebb memorizálása érdekében van egy emlékező szabály :
A Whole Pineapple And A Slice Of Soufflé Today Actually My Lunch , amely megfelel a sorozatnak - citrát, cisz -akonit, izocitrát, alfa-ketoglutarát, szukcinil-CoA, szukcinát, fumarát, malát, oxálacetát.
A következő emlékvers is található (írója a KSMU E. V. Parshkova Biokémiai Tanszékének asszisztense [37] ):
Csuka és acetil citrom iszap, De a nárcisz lóval félt Izolimon felette , de Alfa-ketoglutar als. Succinyl Xia koenzim , Amber ils fumar ovo, Télre mentett Apple ek, Megfordult csuka oh megint.(oxálecetsav, citromsav, cisz -akonitsav, izocitromsav, α-ketoglutársav, szukcinil-KoA, borostyánkősav, fumársav, almasav, oxálecetsav).
A vers másik változata:
A csuka megette az acetátot, citrátról kiderül cisz - akonitán keresztül izocitrát lesz-e hidrogéneket ad át, CO2 -t veszít rendkívül örül ennek alfa-ketoglutarát oxidáció jön: A NAD ellopja a hidrogént B1 és lipoát koenzim A-val sietve, vegyél CO2 -t és az energia alig szukcinilben jelent meg azonnal megszületett a gtf és a szukcinát maradt. így eljutott a FAD-hoz, amihez hidrogén kell elveszett hidrogén, csak fumarát lett. fumarát vizet ivott, és maláttá változott itt jutottam el a NAD-hoz, vásárolt hidrogéneket A csuka újra megjelent és csendesen elbújt Az acetát őrzése...