Citromsavciklus
A citromsavciklus egy olyan reakciósorozat, amelynek során két szén-dioxid molekula, egy GTP/ATP, valamint a NADH és a FADH2 redukált formái keletkeznek.
Tanulási célok
Névsorolja fel a Krebs- (vagy citromsav-) ciklus lépéseit
Főbb tanulságok
Főbb pontok
- A citromsavciklus nyolc lépése után regenerálódik a ciklus kezdetén lévő négy szénatomos molekula, az oxalacetát.
- A citromsavciklus nyolc lépése redoxi-, dehidratálási, hidratálási és dekarboxilálási reakciók sorozata.
- A ciklus minden fordulója egy GTP-t vagy ATP-t, valamint három NADH-molekulát és egy FADH2-molekulát képez, amelyeket a sejtlégzés további lépéseiben használnak fel, hogy ATP-t állítsanak elő a sejt számára.
Kulcsfogalmak
- citromsavciklus: minden aerob szervezet által használt kémiai reakciósorozat, amely a szénhidrátokból, zsírokból és fehérjékből származó acetát szén-dioxiddá történő oxidációja révén energiát termel
- Krebs-ciklus: enzimatikus reakciók sorozata, amely minden aerob szervezetben lejátszódik; magában foglalja az acetil egységek oxidatív anyagcseréjét, és a sejtek fő energiaforrásaként szolgál
- mitokondriumok: A sejtbiológiában a mitokondrium (többes számban mitokondriumok) egy membránnal körülvett organella, amelyet gyakran “sejterőműveknek” neveznek, mivel ezek állítják elő az ATP nagy részét
Citromsavciklus (Krebs-ciklus)
A citromsavciklus a piruvát acetil-CoA-vá történő átalakításához hasonlóan a mitokondriumok mátrixában zajlik. A citromsavciklus szinte valamennyi enzimje oldható, egyetlen kivételt képez a szukcinát-dehidrogenáz enzim, amely a mitokondrium belső membránjába ágyazódik. A glikolízissel ellentétben a citromsavciklus zárt ciklus: az útvonal utolsó szakasza regenerálja az első lépésben felhasznált vegyületet. A ciklus nyolc lépése redoxi-, dehidratálási, hidratálási és dekarboxilálási reakciók sorozata, amelyek során két szén-dioxid-molekula, egy GTP/ATP, valamint a NADH és a FADH2 redukált formái keletkeznek. Ez aerob útvonalnak tekinthető, mivel a keletkező NADH-nak és FADH2-nek át kell adnia elektronjait a rendszer következő útvonalához, amely oxigént használ. Ha ez az átadás nem történik meg, akkor a citromsavciklus oxidációs lépései sem történnek meg. Vegyük észre, hogy a citromsavciklus közvetlenül nagyon kevés ATP-t termel, és közvetlenül nem fogyaszt oxigént.
A citromsavciklus: A citromsavciklusban az acetil-CoA acetilcsoportja egy négy szénatomos oxalacetátmolekulához kapcsolódik, így egy hat szénatomos citrátmolekula keletkezik. A citrát egy sor lépésen keresztül oxidálódik, és minden egyes, a ciklusba bevitt acetilcsoport után két szén-dioxid-molekula szabadul fel. A folyamat során három NAD+ molekula redukálódik NADH-vá, egy FAD-molekula redukálódik FADH2-vá, és egy ATP vagy GTP (a sejttípustól függően) keletkezik (szubsztrát-szintű foszforilációval). Mivel a citromsavciklus végterméke egyben az első reaktáns is, a ciklus elegendő reaktáns jelenlétében folyamatosan zajlik.
A citromsavciklus lépései
1. lépés. Az első lépés egy kondenzációs lépés, amely a két szénatomos acetilcsoportot (az acetil-CoA-ból) egy négy szénatomos oxalacetátmolekulával egyesíti, hat szénatomos citrátmolekulát alkotva. A CoA egy szulfhidrilcsoporthoz (-SH) kötődik, és diffundál, hogy végül egy másik acetilcsoporttal egyesüljön. Ez a lépés irreverzibilis, mivel erősen exergonikus. A reakció sebességét a negatív visszacsatolás és a rendelkezésre álló ATP mennyisége szabályozza. Ha az ATP szintje nő, a reakció sebessége csökken. Ha kevés az ATP, a sebesség nő.
2. lépés. A citrát elveszít egy vízmolekulát, és nyer egy másikat, ahogy a citrát izomerjévé, izocitráttá alakul át.
3. és 4. lépés. A harmadik lépésben az izocitrát oxidálódik, és egy öt szénatomos molekula, α-ketoglutarát keletkezik egy CO2-molekulával és két elektronnal együtt, amely a NAD+-t NADH-vá redukálja. Ezt a lépést is az ATP és a NADH negatív visszacsatolása, valamint az ADP pozitív hatása szabályozza. A harmadik és a negyedik lépés egyaránt oxidációs és dekarboxilációs lépés, amelyek elektronokat szabadítanak fel, amelyek a NAD+-t NADH-ra redukálják, és karboxilcsoportokat szabadítanak fel, amelyek CO2-molekulákat alkotnak. α-Ketoglutarát a harmadik lépés terméke, egy szukcinilcsoport pedig a negyedik lépés terméke. A CoA megköti a szukcinilcsoportot, így szukcinil-CoA képződik. A negyedik lépést katalizáló enzimet az ATP, a szukcinil-CoA és a NADH visszacsatolt gátlása szabályozza.
5. lépés. A koenzim A foszfátcsoportot helyettesít, és egy nagy energiájú kötés jön létre. Ezt az energiát a szubsztrát-szintű foszforiláció során (a szukcinilcsoport szukcináttá történő átalakítása során) guanin-trifoszfát (GTP) vagy ATP képződésére használják fel. Az enzimnek két formája, úgynevezett izoenzimjei vannak erre a lépésre, attól függően, hogy milyen állati szövetben található. Az egyik forma olyan szövetekben található, amelyek nagy mennyiségű ATP-t használnak fel, mint például a szív és a vázizomzat. Ez a forma termeli az ATP-t. Az enzim másik formája olyan szövetekben található, amelyekben nagyszámú anabolikus útvonal található, mint például a máj. Ez a forma GTP-t termel. A GTP energetikailag egyenértékű az ATP-vel, felhasználása azonban korlátozottabb. Különösen a fehérjeszintézis használja elsősorban a GTP-t.
6. lépés. A hatodik lépés egy dehidratációs folyamat, amely a szukcinátot fumaráttá alakítja. Két hidrogénatom kerül át a FAD-ra, így FADH2 keletkezik. Az ezen atomok elektronjaiban lévő energia nem elegendő a NAD+ redukciójához, de elegendő a FAD redukciójához. A NADH-val ellentétben ez a hordozó az enzimhez kötődve marad, és az elektronokat közvetlenül az elektrontranszportláncnak adja át. Ezt a folyamatot az teszi lehetővé, hogy az ezt a lépést katalizáló enzim a mitokondrium belső membránjában lokalizálódik.
7. lépés. A hetedik lépés során a fumaráthoz vizet adunk, és malát keletkezik. A citromsavciklus utolsó lépése a malát oxidálásával regenerálja az oxalacetátot. Újabb NADH-molekula keletkezik.
A citromsavciklus termékei
A citromsavciklusba minden egyes acetilcsoportból két szénatom kerül, ami egy glükózmolekula hat szénatomjából négyet jelent. A ciklus minden egyes fordulóján két szén-dioxid-molekula szabadul fel; ezek azonban nem feltétlenül tartalmazzák a legutóbb hozzáadott szénatomokat. A két acetil-szénatom végül a ciklus későbbi fordulóin szabadul fel; így az eredeti glükózmolekula mind a hat szénatomja végül szén-dioxiddá épül be. A ciklus minden egyes fordulója három NADH-molekulát és egy FADH2-molekulát képez. Ezek a hordozók az aerob légzés utolsó szakaszához kapcsolódva ATP-molekulákat hoznak létre. Minden ciklusban egy GTP vagy ATP is keletkezik. A citromsavciklus számos köztes vegyülete felhasználható a nem esszenciális aminosavak szintéziséhez; ezért a ciklus amfibolikus (katabolikus és anabolikus).