Sitruunahappokierto
Sitruunahappokierto on sarja reaktioita, jotka tuottavat kaksi hiilidioksidimolekyyliä, yhden GTP/ATP:n ja pelkistetyn NADH:n ja FADH2:n.
Oppimistavoitteet
Luettele Krebsin (tai sitruunahappokierron) vaiheet
Keskeiset asiat
Keskeiset kohdat
- Sitruunahappokierron kahdeksan vaiheen jälkeen kierron aloittanut nelihiilinen molekyyli, oksaalioasetaatti, uusiutuu.
- Sitruunahappokierron kahdeksan vaihetta ovat sarja redox-, dehydraatio-, hydrataatio- ja dekarboksylaatioreaktioita.
- Jokainen kierros muodostaa yhden GTP:n tai ATP:n sekä kolme NADH-molekyyliä ja yhden FADH2-molekyylin, joita käytetään soluhengityksen myöhemmissä vaiheissa ATP:n tuottamiseksi solulle.
Avainsanat
- Sitruunahappokierto: Kaikkien aerobisten eliöiden käyttämä kemiallisten reaktioiden sarja, jonka avulla tuotetaan energiaa hapettamalla hiilihydraateista, rasvoista ja proteiineista peräisin oleva asetaatti hiilidioksidiksi
- Krebsin kierto: entsymaattisten reaktioiden sarja, jota esiintyy kaikissa aerobisissa eliöissä; siihen kuuluu asetyyliyksiköiden oksidatiivinen aineenvaihdunta ja se toimii solujen pääasiallisena energianlähteenä
- mitokondriot: solubiologiassa mitokondrio (monikko mitokondriot) on kalvon ympäröimä organelli, jota kutsutaan usein ”soluvoimaloiksi”, koska ne tuottavat suurimman osan ATP:stä
Sitruunahappokierto (Krebsin sykli)
Sitruunahappokierto (Krebs-sykli)
Sitruunahappokierto, samoin kuin pyruvaatin muuntaminen asetyyli-CoA-alkoholiksi, tapahtuu mitokondrioiden matriisissa. Lähes kaikki sitruunahappokierron entsyymit ovat liukoisia, ainoana poikkeuksena entsyymi sukkinaattidehydrogenaasi, joka on upotettu mitokondrioiden sisäiseen kalvoon. Toisin kuin glykolyysi, sitruunahappokierto on suljettu silmukka: reitin viimeinen osa regeneroi ensimmäisessä vaiheessa käytetyn yhdisteen. Syklin kahdeksan vaihetta ovat sarja redox-, dehydraatio-, hydrataatio- ja dekarboksylaatioreaktioita, jotka tuottavat kaksi hiilidioksidimolekyyliä, yhden GTP/ATP:n ja NADH:n ja FADH2:n pelkistyneet muodot. Tätä pidetään aerobisena reittinä, koska tuotettujen NADH:n ja FADH2:n on siirrettävä elektroninsa järjestelmän seuraavaan reittiin, joka käyttää happea. Jos tätä siirtoa ei tapahdu, myöskään sitruunahappokierron hapetusvaiheita ei tapahdu. Huomaa, että sitruunahappokierto tuottaa suoraan hyvin vähän ATP:tä eikä kuluta suoraan happea.
Sitruunahappokierto: Sitruunahappokierrossa asetyyli-CoA:n asetyyliryhmä kiinnittyy nelihiiliseen oksaloasetaattimolekyyliin muodostaen kuusihiilisen sitraattimolekyylin. Sitraatti hapetetaan useiden vaiheiden kautta, jolloin vapautuu kaksi hiilidioksidimolekyyliä jokaista sykliin syötettyä asetyyliryhmää kohti. Prosessin aikana kolme NAD+-molekyyliä pelkistyy NADH:ksi, yksi FAD-molekyyli pelkistyy FADH2:ksi ja yksi ATP tai GTP (solutyypistä riippuen) tuotetaan (substraattitason fosforylaation avulla). Koska sitruunahappokierron lopputuote on myös ensimmäinen reaktantti, kierto toimii yhtäjaksoisesti, kun reaktantteja on riittävästi.
Sitruunahappokierron vaiheet
Vaihe 1. Ensimmäinen vaihe on kondensaatiovaihe, jossa kahden hiilen asetyyliryhmä (asetyyli-CoA:sta) yhdistyy neljän hiilen oksaloasetaattimolekyylin kanssa kuuden hiilen sitraattimolekyyliksi. CoA sitoutuu sulfhydryyliryhmään (-SH) ja diffundoituu pois yhdistyäkseen lopulta toiseen asetyyliryhmään. Tämä vaihe on peruuttamaton, koska se on erittäin eksergoninen. Tämän reaktion nopeutta säätelevät negatiivinen takaisinkytkentä ja käytettävissä olevan ATP:n määrä. Jos ATP:n määrä kasvaa, tämän reaktion nopeus laskee. Jos ATP:stä on pulaa, nopeus kasvaa.
Vaihe 2. Sitraatti menettää yhden vesimolekyylin ja saa toisen, kun sitraatti muuttuu isomeerikseen, isositraatiksi.
Vaiheet 3 ja 4. Vaiheessa kolme isositraatti hapettuu, jolloin syntyy viiden hiilen molekyyli, α-ketoglutaraatti, yhdessä CO2-molekyylin ja kahden elektronin kanssa, jotka pelkistävät NAD+:n NADH:ksi. Myös tätä vaihetta säätelee ATP:n ja NADH:n negatiivinen palaute ja ADP:n positiivinen vaikutus. Vaiheet kolme ja neljä ovat sekä hapetus- että dekarboksylaatiovaiheita, jotka vapauttavat elektroneja, jotka pelkistävät NAD+:n NADH:ksi, ja vapauttavat karboksyyliryhmiä, jotka muodostavat hiilidioksidimolekyylejä. α-ketoglutaraatti on vaiheen kolme tuote, ja sukkinyyliryhmä on vaiheen neljä tuote. CoA sitoo succinyyliryhmän muodostaen succinyl CoA:ta. Vaihetta neljä katalysoivaa entsyymiä säädellään ATP:n, sukkinyyli-CoA:n ja NADH:n takaisinkytkennällä.
Vaihe 5. Fosfaattiryhmä korvataan koentsyymi A:lla, ja muodostuu korkeaenerginen sidos. Tämä energia käytetään substraattitason fosforylaatiossa (sukkinyyliryhmän muuttuessa sukkinaatiksi) joko guaniinitrifosfaatin (GTP) tai ATP:n muodostamiseksi. Tätä vaihetta varten on olemassa kaksi entsyymimuotoa, joita kutsutaan isoentsyymeiksi, riippuen siitä, minkä tyyppisessä eläinkudoksessa niitä esiintyy. Toista muotoa esiintyy kudoksissa, jotka käyttävät suuria määriä ATP:tä, kuten sydän- ja luurankolihaksessa. Tämä muoto tuottaa ATP:tä. Entsyymin toista muotoa esiintyy kudoksissa, joissa on paljon anabolisia reittejä, kuten maksassa. Tämä muoto tuottaa GTP:tä. GTP vastaa energeettisesti ATP:tä, mutta sen käyttö on rajoitetumpaa. Erityisesti proteiinisynteesi käyttää ensisijaisesti GTP:tä.
Vaihe 6. Vaihe kuusi on dehydraatioprosessi, jossa sukkinaatti muutetaan fumaraatiksi. Kaksi vetyatomia siirtyy FAD:lle, jolloin syntyy FADH2. Näiden atomien elektronien sisältämä energia ei riitä NAD+:n pelkistämiseen, mutta riittää FAD:n pelkistämiseen. Toisin kuin NADH, tämä kantaja pysyy kiinni entsyymissä ja siirtää elektronit suoraan elektroninsiirtoketjuun. Tämän prosessin mahdollistaa tätä vaihetta katalysoivan entsyymin lokalisoituminen mitokondrioiden sisemmän kalvon sisälle.
Vaihe 7. Vaiheessa seitsemän fumaraattiin lisätään vettä, ja syntyy malaattia. Sitruunahappokierron viimeinen vaihe regeneroi oksaloasetaattia hapettamalla malaattia. Toinen NADH-molekyyli tuotetaan.
Sitruunahappokierron tuotteet
Sitruunahappokiertoon tulee kaksi hiiliatomia jokaisesta asetyyliryhmästä, mikä edustaa neljää yhden glukoosimolekyylin kuudesta hiilestä. Jokaisella syklin kierroksella vapautuu kaksi hiilidioksidimolekyyliä, jotka eivät kuitenkaan välttämättä sisällä viimeksi lisättyjä hiiliatomeja. Kaksi asetyylihiiliatomia vapautuu lopulta syklin myöhemmillä kierroksilla, joten kaikki alkuperäisen glukoosimolekyylin kuusi hiiliatomia yhdistyvät lopulta hiilidioksidiksi. Jokaisessa kierrossa muodostuu kolme NADH-molekyyliä ja yksi FADH2-molekyyli. Nämä kantajat yhdistyvät aerobisen hengityksen viimeiseen osaan ATP-molekyylien tuottamiseksi. Jokaisessa syklissä syntyy myös yksi GTP tai ATP. Useita sitruunahappokierron väliyhdisteistä voidaan käyttää ei-välttämättömien aminohappojen syntetisoinnissa; siksi kierto on amfibolinen (sekä katabolinen että anabolinen).