Cyklu kwasu cytrynowego
Cyklu kwasu cytrynowego jest serią reakcji, która wytwarza dwie cząsteczki dwutlenku węgla, jedną GTP/ATP i zredukowane formy NADH i FADH2.
Learning Objectives
List the steps of the Krebs (or citric acid) cycle
Key Takeaways
Key Points
- Cząsteczka czterech węgli, oxaloacetate, która rozpoczęła cykl jest regenerowana po ośmiu krokach cyklu kwasu cytrynowego.
- Osiem etapów cyklu kwasu cytrynowego to seria reakcji redoks, dehydratacji, hydratacji i dekarboksylacji.
- Każdy zwrot cyklu tworzy jeden GTP lub ATP, jak również trzy cząsteczki NADH i jedną cząsteczkę FADH2, które będą wykorzystywane w dalszych etapach oddychania komórkowego do produkcji ATP dla komórki.
Key Terms
- cykl kwasu cytrynowego: seria reakcji chemicznych wykorzystywanych przez wszystkie organizmy tlenowe do wytwarzania energii poprzez utlenianie octanów pochodzących z węglowodanów, tłuszczów i białek do dwutlenku węgla
- cykl Krebsa: seria reakcji enzymatycznych, która zachodzi we wszystkich organizmach tlenowych; obejmuje metabolizm oksydacyjny jednostek acetylowych i służy jako główne źródło energii komórkowej
- mitochondria: w biologii komórki mitochondrium (liczba mnoga mitochondriów) to organelle otoczone błoną, często określane jako „elektrownie komórkowe”, ponieważ wytwarzają większość ATP
Cykl kwasu cytrynowego (Cykl Krebsa)
Podobnie jak konwersja pirogronianu do acetylo-CoA, cykl kwasu cytrynowego odbywa się w macierzy mitochondriów. Prawie wszystkie enzymy cyklu kwasu cytrynowego są rozpuszczalne, z jednym wyjątkiem enzymu dehydrogenazy bursztynianowej, który jest osadzony w wewnętrznej błonie mitochondrium. W przeciwieństwie do glikolizy, cykl kwasu cytrynowego jest pętlą zamkniętą: w ostatniej części szlaku następuje regeneracja związku użytego w pierwszym etapie. Osiem etapów cyklu to seria reakcji redoks, dehydratacji, hydratacji i dekarboksylacji, w wyniku których powstają dwie cząsteczki dwutlenku węgla, jedna GTP/ATP oraz zredukowane formy NADH i FADH2. Jest to szlak tlenowy, ponieważ powstałe NADH i FADH2 muszą przenieść swoje elektrony do następnego szlaku w systemie, który będzie wykorzystywał tlen. Jeśli to przeniesienie nie nastąpi, nie zachodzą również etapy utleniania w cyklu kwasu cytrynowego. Należy zauważyć, że cykl kwasu cytrynowego wytwarza bezpośrednio bardzo mało ATP i nie zużywa bezpośrednio tlenu.
Cykl kwasu cytrynowego: W cyklu kwasu cytrynowego grupa acetylowa z acetylo-CoA jest przyłączana do czterowęglowej cząsteczki oksalooctanu, tworząc sześciowęglową cząsteczkę cytrynianu. W serii etapów cytrynian jest utleniany, uwalniając dwie cząsteczki dwutlenku węgla na każdą grupę acetylową wprowadzoną do cyklu. W procesie tym trzy cząsteczki NAD+ są redukowane do NADH, jedna cząsteczka FAD jest redukowana do FADH2, a jeden ATP lub GTP (w zależności od typu komórki) jest produkowany (poprzez fosforylację na poziomie substratu). Ponieważ produkt końcowy cyklu kwasu cytrynowego jest również pierwszym reagentem, cykl przebiega w sposób ciągły w obecności wystarczającej ilości reagentów.
Kolejne etapy cyklu kwasu cytrynowego
Krok 1. Pierwszym etapem jest etap kondensacji, łączący dwuwęglową grupę acetylową (z acetylo-CoA) z czterowęglową cząsteczką oksalooctanu w celu utworzenia sześciowęglowej cząsteczki cytrynianu. CoA jest związany z grupą sulfhydrylową (-SH) i ulega dyfuzji, by ostatecznie połączyć się z inną grupą acetylową. Ten etap jest nieodwracalny, ponieważ jest silnie egzergoniczny. Szybkość tej reakcji jest kontrolowana przez ujemne sprzężenie zwrotne i ilość dostępnego ATP. Jeśli poziom ATP wzrasta, szybkość tej reakcji maleje. Jeśli ATP jest w niedoborze, szybkość wzrasta.
Krok 2. Cytrynian traci jedną cząsteczkę wody i zyskuje drugą, ponieważ cytrynian jest przekształcany w swój izomer, izocyjanian.
Kroki 3 i 4. W kroku trzecim, izocyjanian jest utleniany, produkując pięciowęglową cząsteczkę, α-ketoglutaran, wraz z cząsteczką CO2 i dwoma elektronami, które redukują NAD+ do NADH. Ten etap jest również regulowany przez ujemne sprzężenie zwrotne z ATP i NADH oraz przez dodatni wpływ ADP. Etapy trzeci i czwarty są zarówno etapami utleniania jak i dekarboksylacji, które uwalniają elektrony redukujące NAD+ do NADH i uwalniają grupy karboksylowe tworzące cząsteczki CO2. α-Ketoglutaran jest produktem etapu trzeciego, a grupa bursztynowa jest produktem etapu czwartego. CoA wiąże się z grupą sukcynylową tworząc sukcynylo-CoA. Enzym, który katalizuje krok czwarty, jest regulowany przez hamowanie zwrotne ATP, sukcynylo-CoA i NADH.
Krok 5. Grupa fosforanowa jest podstawiona do koenzymu A i powstaje wysokoenergetyczne wiązanie. Energia ta jest wykorzystywana w fosforylacji na poziomie substratu (podczas przekształcania grupy bursztynowej w bursztynian) do utworzenia trójfosforanu guaniny (GTP) lub ATP. Istnieją dwie formy enzymu, zwane izoenzymami, dla tego etapu, w zależności od rodzaju tkanki zwierzęcej, w której występują. Jedna forma znajduje się w tkankach, które zużywają duże ilości ATP, takich jak serce i mięśnie szkieletowe. Ta forma produkuje ATP. Druga forma enzymu znajduje się w tkankach, które mają dużą liczbę szlaków anabolicznych, takich jak wątroba. Ta forma produkuje GTP. GTP jest energetycznie równoważny z ATP, jednak jego zastosowanie jest bardziej ograniczone. W szczególności, synteza białek wykorzystuje głównie GTP.
Krok 6. Krok szósty to proces dehydratacji, który przekształca bursztynian w fumaran. Dwa atomy wodoru są przenoszone na FAD, tworząc FADH2. Energia zawarta w elektronach tych atomów jest niewystarczająca do redukcji NAD+, ale wystarczająca do redukcji FAD. W przeciwieństwie do NADH, nośnik ten pozostaje przyłączony do enzymu i przekazuje elektrony bezpośrednio do łańcucha transportu elektronów. Proces ten jest możliwy dzięki lokalizacji enzymu katalizującego ten etap wewnątrz wewnętrznej błony mitochondrium.
Krok 7. Podczas kroku siódmego do fumaranu dodawana jest woda i powstaje jabłczan. Ostatni krok w cyklu kwasu cytrynowego regeneruje oksalooctan poprzez utlenianie jabłczanu. Wytwarzana jest kolejna cząsteczka NADH.
Produkty cyklu kwasu cytrynowego
Dwa atomy węgla wchodzą do cyklu kwasu cytrynowego z każdej grupy acetylowej, reprezentując cztery z sześciu węgli jednej cząsteczki glukozy. Na każdym etapie cyklu uwalniane są dwie cząsteczki dwutlenku węgla; jednak nie muszą one zawierać ostatnio dodanych atomów węgla. Dwa acetylowe atomy węgla zostaną ostatecznie uwolnione w kolejnych cyklach; w ten sposób wszystkie sześć atomów węgla z pierwotnej cząsteczki glukozy zostaje ostatecznie włączonych do dwutlenku węgla. W każdym cyklu powstają trzy cząsteczki NADH i jedna cząsteczka FADH2. Nośniki te połączą się z ostatnią częścią oddychania tlenowego, aby wytworzyć cząsteczki ATP. W każdym cyklu wytwarzany jest również jeden GTP lub ATP. Kilka związków pośrednich w cyklu kwasu cytrynowego może być wykorzystanych do syntezy nieistotnych aminokwasów; dlatego cykl ten jest amfiboliczny (zarówno kataboliczny, jak i anaboliczny).
.