Cyklus kyseliny citronové
Cyklus kyseliny citronové je série reakcí, při nichž vznikají dvě molekuly oxidu uhličitého, jedna GTP/ATP a redukované formy NADH a FADH2.
Cíle učení
Vyjmenujte kroky Krebsova cyklu (neboli cyklu kyseliny citronové)
Klíčové poznatky
Klíčové body
- Čtyřuhlíková molekula, oxaloacetát, která cyklus zahájila, je po osmi krocích cyklu kyseliny citronové regenerována.
- Osm kroků cyklu kyseliny citronové představuje sérii redoxních, dehydratačních, hydratačních a dekarboxylačních reakcí.
- Každá otočka cyklu tvoří jeden GTP nebo ATP a také tři molekuly NADH a jednu molekulu FADH2, které budou použity v dalších krocích buněčného dýchání k výrobě ATP pro buňku.
Klíčové pojmy
- cyklus kyseliny citronové: řada chemických reakcí, které používají všechny aerobní organismy k výrobě energie oxidací acetátu získaného ze sacharidů, tuků a bílkovin na oxid uhličitý
- Krebsův cyklus: zahrnuje oxidační metabolismus acetylových jednotek a slouží jako hlavní zdroj buněčné energie
- mitochondrie: V buněčné biologii je mitochondrie (množné číslo mitochondrie) membránou uzavřená organela, často označovaná jako „buněčná elektrárna“, protože vytváří většinu ATP
Cyklus kyseliny citronové (Krebsův cyklus)
Stejně jako přeměna pyruvátu na acetyl CoA probíhá cyklus kyseliny citronové v matrix mitochondrií. Téměř všechny enzymy cyklu kyseliny citronové jsou rozpustné, s jedinou výjimkou enzymu sukcinátdehydrogenázy, který je zabudován ve vnitřní membráně mitochondrie. Na rozdíl od glykolýzy je cyklus kyseliny citronové uzavřenou smyčkou: poslední část dráhy regeneruje sloučeninu použitou v prvním kroku. Osm kroků cyklu představuje sérii redoxních, dehydratačních, hydratačních a dekarboxylačních reakcí, při nichž vznikají dvě molekuly oxidu uhličitého, jedna GTP/ATP a redukované formy NADH a FADH2. Tato dráha je považována za aerobní, protože vzniklé NADH a FADH2 musí předat své elektrony další dráze v systému, která bude využívat kyslík. Pokud k tomuto přenosu nedojde, nedojde ani k oxidačním krokům cyklu kyseliny citronové. Všimněte si, že cyklus kyseliny citronové produkuje přímo jen velmi málo ATP a nespotřebovává přímo kyslík.
Cyklus kyseliny citronové: V cyklu kyseliny citronové se acetylová skupina z acetyl CoA připojuje ke čtyřuhlíkaté molekule oxaloacetátu za vzniku šestiuhlíkaté molekuly citrátu. Sérií kroků se citrát oxiduje, přičemž se uvolňují dvě molekuly oxidu uhličitého za každou acetylovou skupinu přivedenou do cyklu. V tomto procesu se tři molekuly NAD+ redukují na NADH, jedna molekula FAD se redukuje na FADH2 a vzniká jeden ATP nebo GTP (podle typu buňky) (fosforylací na úrovni substrátu). Protože konečný produkt cyklu kyseliny citronové je zároveň prvním reaktantem, probíhá cyklus za přítomnosti dostatečného množství reaktantů nepřetržitě.
Kroky v cyklu kyseliny citronové
Krok 1. Prvním krokem je kondenzační krok, při kterém dochází ke spojení dvouuhlíkaté acetylové skupiny (z acetyl CoA) se čtyřuhlíkatou molekulou oxaloacetátu za vzniku šestiuhlíkaté molekuly citrátu. CoA se váže na sulfhydrylovou skupinu (-SH) a difunduje pryč, aby se nakonec spojila s další acetylovou skupinou. Tento krok je nevratný, protože je vysoce exergonický. Rychlost této reakce je řízena negativní zpětnou vazbou a množstvím dostupného ATP. Pokud se hladina ATP zvýší, rychlost této reakce se sníží. Pokud je ATP nedostatek, rychlost se zvyšuje.
Krok 2. Citrát ztrácí jednu molekulu vody a získává druhou, protože citrát se přeměňuje na svůj izomer, isocitrát.
Kroky 3 a 4. Ve třetím kroku se isocitrát oxiduje, přičemž vzniká pětiuhlíkatá molekula α-ketoglutarátu spolu s molekulou CO2 a dvěma elektrony, které redukují NAD+ na NADH. Tento krok je rovněž regulován negativní zpětnou vazbou od ATP a NADH a pozitivním účinkem ADP. Třetí a čtvrtý krok jsou oxidační a dekarboxylační kroky, při nichž se uvolňují elektrony, které redukují NAD+ na NADH a uvolňují karboxylové skupiny, které tvoří molekuly CO2. α-Ketoglutarát je produktem třetího kroku a sukcinylová skupina je produktem čtvrtého kroku. CoA váže sukcinylovou skupinu za vzniku sukcinyl CoA. Enzym, který katalyzuje čtvrtý krok, je regulován zpětnou vazbou inhibice ATP, sukcinyl CoA a NADH.
Krok 5. Fosfátová skupina je nahrazena koenzymem A a vzniká vysokoenergetická vazba. Tato energie je využita při fosforylaci na substrátové úrovni (během přeměny sukcinylové skupiny na sukcinát) za vzniku buď guanin trifosfátu (GTP), nebo ATP. Pro tento krok existují dvě formy enzymu, nazývané izoenzymy, v závislosti na typu živočišné tkáně, ve které se nacházejí. Jedna forma se nachází v tkáních, které využívají velké množství ATP, jako je srdce a kosterní sval. Tato forma produkuje ATP. Druhá forma enzymu se nachází v tkáních, které mají vysoký počet anabolických drah, jako jsou játra. Tato forma produkuje GTP. GTP je energeticky ekvivalentní ATP, jeho využití je však omezenější. Zejména syntéza bílkovin využívá především GTP.
Krok 6. Šestý krok je dehydratační proces, který přeměňuje sukcinát na fumarát. Dva atomy vodíku jsou přeneseny na FAD, čímž vzniká FADH2. Energie obsažená v elektronech těchto atomů je nedostatečná k redukci NAD+, ale dostatečná k redukci FAD. Na rozdíl od NADH zůstává tento nosič připojen k enzymu a přenáší elektrony přímo do elektronového transportního řetězce. Tento proces je umožněn lokalizací enzymu, který tento krok katalyzuje, uvnitř vnitřní membrány mitochondrie.
Krok č. 7. Během sedmého kroku se k fumarátu přidá voda a vznikne malát. Poslední krok cyklu kyseliny citronové regeneruje oxaloacetát oxidací malátu. Vzniká další molekula NADH.
Produkty cyklu kyseliny citronové
Dva atomy uhlíku přicházejí do cyklu kyseliny citronové z každé acetylové skupiny, což představuje čtyři ze šesti uhlíků jedné molekuly glukózy. Při každé otočce cyklu se uvolňují dvě molekuly oxidu uhličitého; ty však nemusí nutně obsahovat nejnověji přidané atomy uhlíku. Dva acetylové atomy uhlíku se nakonec uvolní při pozdějších otočkách cyklu; všech šest atomů uhlíku z původní molekuly glukózy je tedy nakonec začleněno do oxidu uhličitého. Při každé otočce cyklu vznikají tři molekuly NADH a jedna molekula FADH2. Tyto nosiče se spojí s poslední částí aerobního dýchání za vzniku molekul ATP. V každém cyklu se také vytvoří jeden GTP nebo ATP. Několik meziproduktů v cyklu kyseliny citronové lze využít při syntéze neesenciálních aminokyselin; cyklus je tedy amfibolický (katabolický i anabolický).
.