Krebsov ciklus

S Wikipedije, slobodne enciklopedije
(Preusmjereno sa Ciklus limunske kiseline)
Idi na: navigaciju, pretragu
Translation Latin Alphabet-cs.svg Ovaj članak nije preveden ili je djelimično preveden.
Ako smatrate da ste ga sposobni prevesti, kliknite na "Uredi" i prevedite ga vodeći računa o enciklopedijskom stilu pisanja i pravopisu bosanskog jezika.
Preferences-system.svg Ovom članku potrebna je jezička standardizacija, preuređivanje ili reorganizacija.
Pogledajte kako poboljšati članak, kliknite na link uredi i doradite članak vodeći računa o standardima Wikipedije.
Gnome-edit-clear.svg Ovaj članak zahtijeva čišćenje.
Molimo Vas da pomognete u poboljšavanju članka pišući ili ispravljajući ga u enciklopedijskom stilu.

Krebsov ciklus ili ciklus limunske kiseline i ciklus trikarboksilnih kiselina (TCA ciklus) je jedan od temeljnih metaboličkih ciklusa u ćelijama koje se koriste kisikom u procesu ćelijskog disanja. Kod aerobnih organizama, ovaj ciklus je integrirajući metabolički proces koji spaja puteve degradacije (katabolizma) ugljikohidrata, lipida (masti) i bjelančevina u ugljik-dioksid i vodu, uz oslobađanje određenih količina hemijske energije.

Ciklus limunske kiseline je anfibolički metabolički put, jer sudjeluje i u degradaciji organskih molekula (katabolizam) i u njihovoj biosintezi (anabolizam). Najvažniji metabolički putevi koji se vežu na Krebsov ciklus su prethodna glikoliza i oksidativna dekarboksilacija piruvata i naredna oksidativna fosforilacija. Krebsov ciklus je važan i kao izvor prekursora aminokiselina (acetil CoA, α-ketoglutarat, sukcinil CoA, sukcinat, fumarat, oksalacetat).

Ciklus nosi ime po Hansu Adolfu Krebsu, britanskom biologu njemačkog porijekla koji je otkrio ključne elemente procesa limunske kiseline i za to dobio Nobelovu nagradu za medicinu 1953.[1][2][3][4][5]

Osnovne reakcije[uredi | uredi izvor]

Krebsov se ciklus odvija u mitohondrijama eukariotskih i citoplazmi prokariotskih ćelija. Katabolizam ugljikohidrata i masti stvara acetil-CoA – molekulu sastavljenu od jedne acetilne grupe koja je vezana na koenzim A. Acetil-CoA je osnovni supstrat Krebsovog ciklusa. Dvije molekule acetil-CoA oslobađaju svoje acetilne grupe, koje se spajaju s oksalacetatom i tvore limunsku kiselinu. Ona prolazi kroz niz metaboličkih procesa, oslobađajući dvije molekule ugljendioksida (CO2) i ponovo se regenerira u oksalacetat koji je spreman za naredni ciklus. U bioenergetici tog procesa, najbitnije su reakcije formiranje molekule guanozin trifosfata (GTP), koja odmah regenerira jednu molekulu adenozin-trifosfata (ATP) i nastanak tri molekule nikotinamid adenin dinukleotida (NADH) i jedne flavin adenin dinukleotida (FADH2). Ključne hemijske reakcije i uključeni enzimi u Krebsovom ciklusu, kao i njihovi glavni proizvodi prikazani su u tabeli koja slijedi.[6]

Reducirani kofaktori NADH i FADH2 su prijelazne molekule u procesima oksidacije i redukcije. U reduciranom obliku prenose elektrone sa oksidiranih molekula iz samog Krebsovog ciklusa i glikolize na molekule prve faze oksidativne fosforilacije, tzv. lanca prijenosa elektrona. Tada se oksidiraju u NAD+ i FAD i daju elektrone, koji će se, tokom oksidacijske fosforilacije, iskoristiti za regeneriranje ATP iz adenozin-difosfata (ADP).[7]

Konačna stehiometrijska formula svih reakcija je kako slijedi:

Dobijena energija od potpune razgradnje jedne molekule glukoze, u tri faze ćelijskog disanja (glikoliza, Krebsov ciklus i oksidativna fosforilacija) izbnosi 36 molekula ATP. Ukupno nastaje 38 molekula ATP, ali dvije su iskorištene za prijenos (aktivnim transportom) dviju molekula NADH proizvedenih glikolizom iz citoplazme kroz membranu mitohondrija.

Ciklus limunske kiseline
Supstrat Koenzim Enzim Vrsta reakcije Inibitori Aktivatori Produkt
1 Oksalacetat Acetil-CoA, voda Citrat sintetaza Kondenzacija Citrat, NADH, sukcinil-CoA Citrat
2a Citrat Akonitaza Dehidracija Cis-akonitat, voda
2b Cis-akonitat Voda Hidracija Izocitrat
3a Izocitrat NAD+ Izocitrat dehidrogenaza Oksidacija NADH, ATP Ca2+, ADP Oksalsukcinat, NADH
3b Oksalsukcinat H+ Dekarboksilacija α-Ketoglutarat, CO2
4 α-Ketoglutarat NAD+, CoA-SH α-Ketoglutarat dehidrogenaza Oksidativna dekarboksilacija NADH, sukcinil-CoA Ca2+ Sukcinil-CoA, NADH, CO2
5 Sukcinil-CoA GDP, fosfat sukcinil-CoA sintetaza Fosforilacija Sukcinat, GTP, CoA-SH
6 Sukcinat FAD Sukcinat deihdrogenaza Oksidacija Fumarat, FADH2
7 Fumarat Voda Fumaraza Hidracija L-malat
8 L-malat NAD+ Malat dehidrogenaza Oksidacija Oksalacetat, NADH

Reakcije u Krebsovom ciklusu[uredi | uredi izvor]

Svaka podjedinica citrat sintetaze veže jednu molekulu oksalacetata (ljubičasto) i jednu acetil-CoA (sivo).

Reakcija 1: Citrat sintetaza[uredi | uredi izvor]

Citratna reakcija oksalacetat-AcCoA: ΔG'°=-31.4 kJ/mol
Struktura akonitaze

Prvi enzim u Krebsovom ciklusu, citrat sintetazakatalizira reakciju kondenzacije acetil-CoA s oksalacetatom iz kojeg nastaje citrat (limunska kiselina). Enzim ima dvije strukturne podjedinice, od kojih je svaka sposobna vezati oba supstrata za svoje aktivno mjesto.[8][9][10][11]

Ovaj enzim katalizira aktivaciju acetil-CoA, kako bi se povećao afinitet prema oksalacetatu. Nakon vezanja acetilne skupine za oksalacetat, tioesterna se grupa (CoA) odvaja hidrolizom i oslobađa se limunska kiselina.

Jednadžba reakcije: Acetil-CoA + oksakacetat + H2O → citrat + CоА + H+

Reakcija je vrlo egzoergonska tj. oslobađa energiju (ΔG'°=-31.4 kJ/mol) što sprečava da reakcija teče u suprotnom smjeru. Pored toga, limunska kiselina regulira aktivnosti samog enzima, jer djeluje kao kompetitivni inhibitor. Sposobnost inhibicije citrat sintetaze je veoma bitna za reguliranje cijelog Krebsovog ciklusa, pošto ona funkcionira kao biohemijski regulator ritma (pacemaker).[12]

Reakcija 2: Akonitaza[uredi | uredi izvor]

Reakcija citrat - izocitrat: ΔG'°=+6.3 kJ/mol

Akonitaza katalizira izomerizaciju citrata u izocitrat preko prijelaznog cis-akonitata. Citrat zatim ulaziu proces dehidracije ugljika C3 i stvaranje međuspoja cis-akonitata, koji se zatim hidrira u C2 i formira izocitrat. Reakcija može teći i reverzibilno − u suprotnom smjeru, ali to se ne događa u Krebsovom ciklusu zbog zakona o djelovanju masa. Koncentracija citrata je 91%, međuspoja cis-akonitata: 3%, a izocitrata: 6%. Reakcija zato teče nepovratno. prema izocitratu.

Jednadžba reakcije: citrat → cis-akonitat + H2O → izocitrat

U aktivnom mjestu akonitaze se nalazi grupa željezo-sumpor koja veže supstrat, zajedno s određenim polarnim aminokiselinama. Prostorna struktura aktivnog mjesta omogućava samo vezanje 1R,2S citrata, odbijajući suprotni izomer.

Struktura izocitrat dehidrogenaze Escherichia coli.

Reakcija 3: Izocitrat dehidrogenaza[uredi | uredi izvor]

Reakcija izocitrat - oksoglutarat: ΔG'°=-8.4 kJ/mol

Mitohondrijska izocitrat dehidrogenaza je enzim koji je ovisan o NAD+, Mn2+ i/ili Mg2+. U početku enzim katalizira oksidaciju izocitrata u oksalsukcinat i, od NAD+, producira jednu molekulu NADH. Nakon toga, jedan bivalentni ion (Mn2+ ili Mg2+) veže kisik iz karboksilne skupine i povećava elektronegativnost tog dijela molekule. Molekulski elektroni se preraspodijele, hemijskih veze se kidaju i karboksilne grupe oslobađaju. Dekarboksilacijom se formiraju α-ketoglutarata i oslobađa jedna molekula CO2.[13]

Jednadžba reakcije: izocitrat + NAD+ → Oksalsukcinat + NADH + H+; Oksalsukcinat → α-ketoglutarat + CO2

Aktivno mjesto dihidrolipoamid sukciniltransferaze – enzima α-ketoglutarat deihdrogenaze Escherichia coli

Reakcija 4: α-ketoglutarat dehidrogenaza[uredi | uredi izvor]

Reakcija oksoglutarat - sukcinil CoA: ΔG'°=-30.1 kJ/mol
Struktura sukcinil-CoA sintetaze izolirane iz svinjskog srčanog mišića

Transformacija α-ketoglutarata u sukcinil-CoA pomoću α-ketoglutarat dehidrogenaze odvija se putem oksidativne dekarboksilacije. Reakcija uključuje dekarboksilaciju α-ketoglutarata i formiranje tioesterne veze s koenzimom A, uz konačni produkt sukcinil CoA i oslobađanje CO2. Istovremeno se NAD+ reducira u NADH.

Jednadžba reakcije: α-ketoglutarat + NAD+ + CоА-SH → sukcinil CоА + CO2 + NADH + H+

α-ketoglutarat dehidrogenaza je u biti kompleks sastavljen od tri različita enzima. Podjedinice E1 (2-ketoglutarat dehidrogenaza) i E2 (transsukcinilaza) su vrlo slične podjedinicama u jednom drugom enzimu: piruvat dehidrogenazi. Podjedinica E3, međutim, istovjetna podjedinici istog enzima. Najvjerovatnije je da jedan enzim evolucijski potiče od drugoga.[14]

Reakcija 5: Sukcinil CoA sintetaza[uredi | uredi izvor]

Reakcija sukcinil-CoA-sukcinat: ΔG°′ = -3.3 kJ mol-1

Sukcinil CoA je tioester visoke hemijske energije: njegova ΔG°′ hidrolize je -33.5 kJ mol-1, slična onoj ATP -30.5 kJ mol-1. Enzim sukcinil CoA sintetaza uzima ovu energiju za fosforilaciju purinskog nukleozid difosfata kao GDP u jednoj od ključnih reakcija stvaranja hemijske energije iz Krebsovog ciklusa.

Energija u tioesteru se jednostavno pretvori u energiju fosfatnih veza koje se kasnije koriste kao univerzalni izvor energije u gotovo svim endoergonskim metaboličkim procesima cijelog organizma. U prvom koraku reakcije, enzim, iz sukcinil CoA, eliminira Koenzim A i nastaje međuspoj visoke energije sukcinil fosfat. Potom jedna molekula histidina prima fosfat u aktivnom mjestu enzima koji oslobađa sukcinat, kao konačni proizvod reakcije i formiranja fosfohistidina. Fosfohistidin odmah prebacuje fosfat na GDP. pretvarajući ga u GTP. To je jedina reakcija u Krebsovom ciklusu u kojoj se fosforilacija odvija na razini substrata.

Jednadžba reakcije: sukcinat-CоА + Pi + GDP → sukcinat + GTP + CоА-SH

GTP, kao molekulu visoke energije (GTP ima ulogu signalne molekule), organizam ne koristi direktno. U Krebsovom ciklusu da posluži kao međuspoj koji prebacuje fosfatnu grupu na ADP kako bi se stvorio ATP. Tu reakciju katalizira enzim nukleozid difosfokinaza.

U završnim fazama Krebsovog ciklusa dolazi do preraspodjele molekula s četiri atoma ugljika do ponovne regeneracije oksalacetata. Da bi to bilo moguće, metilna grupa na sukcinatu mora proći konverziju u karbonilnu grupu, koja se odvija u tri prijelazna koraka: prva oksidacija, hidracija, pa druga oksidacija. Osim što regeneriraju oksalacetat, ovi prijelazi omogućavaju izvlačenje dodatne hemijske energije preko flavin adenin FADH2 i NADH.

Struktura enzimskog kompleksa sukcinat dehidrogenaze i kompleksa II lanca prijenosa elektrona Escherichia coli

Reakcija 6: Sukcinat dehidrogenaza[uredi | uredi izvor]

Reakcija sukcinat-fumarat: ΔG'°=0 kJ/mol
Struktura fumaraze kvasca Saccharomyces cerevisiae

Prvu reakciju oksidacije katalizira enzimski kompleks sukcinat dehidrogenaze, koji je jedini enzim iz ciklusa sa FAD kao akceptorom vodika, umjesto NAD+. FAD je, preko jedne molekule histidina, kovalentno vezan za enzim, koji rijetko koristi FAD kao primatelja vodika, pošto reakcija ne daje dovoljno slobodne energije da reducira NAD+. Enzim katalizira oksidaciju sukcinata u fumarat.

Jednadžba reakcije: sukcinat+ FAD → fumarat + FADH2

Enzimski sustav sukcinat dehidrogenaze je jedini iz cijelog ciklusa koji se nalazi unutar mitohondrijske membrane, pošto ulazi i u metabolički put lanca prijenosa elektrona (u kojem nosi naziv kompleks II). Nakon prijelaza na FAD, ovaj enzim ubacuje elektrone direktno u lanac prijenosa elektrona, koji je prvi dio oksidativne fosforilacije. To je moguće upravo zbog stabilne veze između enzima i samog kofaktora FAD.

Reakcija 7: Fumaraza[uredi | uredi izvor]

Reakcija fumarat-L-malat: ΔG'°=-3.8 kJ/mol
Struktura malat dehidrogenaze bakterije Thermus flavus

Enzim fumaraza dodaje fumaratu jedan proton i jednu hidroksilnu grupu (OH-) dobivenu hidrolizom vode i formira malat kao konačni produkt. Enzim može vezati grupu OH- samo sa jedne strane, tako da fumarat prelazi samo u L-malat. Jednadžba reakcije: fumarat + H2O → malat

Reakcija 8: Malat dehidrogenaza[uredi | uredi izvor]

Reakcija L-matlat - oksalacetat: ΔG'°=+29.7 kJ/mol

Posljednja reakcija Krebsovog ciklusa predviđa oksidaciju malata u oksalacetat. Tako se oksalacetat regenerira i ulazi u novi ciklus, djelovanjem anzima malat dehidrogenaza, koji koristi još jednu molekulu NAD+ kao primatelja vodika kako bi proizveo NADH.

Jednadžba reakcije: malat + NAD+ → oksalacetat + NADH + H+

Aktivnost enzima u potpunosti ovisi o potrošnjom oksalacetata pomoću citrat sintetaze (prvog enzima u Krebsovom ciklusu) i potrošnjom NADH lanca prijenosa elektrona. Kontinuirano smanjenje koncentracije navedenih spojeva stimulira enzim na stalnu proizvodnju novih spojeva.

Regulacija Krebsovog ciklusa[uredi | uredi izvor]

Brzina kemijskih reakcija u Krebsovom ciklusu podložna je preciznioj regulaciji, srazmjerno energetskim potrebama date ćelije. Ključne tačke kontrole su alosterični enzimi, izocitrat dehidrogenaza i α-ketoglutarat dehidrogenaza.

Isocitrat dehidrogenazu stimulira prisustvo ADP, koji se veže za enzim i povećava afinitet prema supstratu. Simultano vezanje supstrata (isocitrata), NAD+, Mg2+ i ADP na enzim ima stimulirajući uticaj na aktivaciju, dok NADH i ATP smanjuju njegovu aktivnost, jer zauzimaju aktivno mjesto veze aktivacijskih spojeva (kompetitivna inhibicija).

Slijedeća ključna tačka kontrole je regulacija aktivnosti α-ketoglutarat dehidrogenaze. Enzim je inhibiran sukcinil-CoA-om i NADH-om, dva konačna proizvoda koji nastaju njegovom sopstvenom aktivnošću. Općenito, enzim može smanjiti aktivnost, ako u ćeliji već postoji obilje visokoenergetskih molekula, kao što je ATP. Time se smanjuje efikasnost svih procesa koji proizvode energiju, među kojima Krebsov ciklus ima centralnu i čvorišnu ulogu.

Nađeni su dokazi o reguliranju aktivnosti Krebsovog ciklusa i prije njegovog početka, na razinio pskrbe prvog enzima u procesu (citrat sintetaze). Velika koncentracija ATP smanjuje afinitet enzima prema svom osnovnom substratu - acetil-CoA, smanjujući tako proizvodnju citrata. Stoga, što je više ATP u stanici, manja količina acetil-CoA ulazi u sam Krebsov ciklus.[15]

Veze Krebsovog ciklusa i ostalih metaboličkih puteva[uredi | uredi izvor]

Interakcija Krebsovog ciklusa i ostalih metaboličkih puteva

Krebsov ciklus ima čvorišnu ulogu u metabolizmu živih bića, prije svega u katabolizmu organskih molekula, ali i u anabolizmu. Na Krebsov ciklus se nadovezuju različiti metabolički putevi koji, između ostalog, sam ciklus snabdijevaju međuspojevima koji su utrošeni u biosintezi drugih organskih molekula. Te hemijske reakcije se označavaju kao anaplerotičke reakcije.

Prethodni procesi Krebsovog ciklusa[uredi | uredi izvor]

Krebsov ciklus je drugi stupanj razgradnje ugljikohidrata. Prvi, glikoliza, razgrađuje glukozu i ostale šećere u pirogrožđanu kiselinu (piruvat), α-ketokiselinu sa tri atoma ugljika. Kod eukariota piruvat se prenosi iz citoplazme u mitohondrije, gdje pod uticajem enzima gubi jedan atom ugljika i nastaje acetil-CoA. Ta se reakcija zove oksidativna dekarboksilacija piruvata, a enzim koji je katelizira je piruvat dehidrogenaza. Prvi substrat u Krebsovom ciklusu je acetil CoA, koji se oslobađa u mitohondrijama.

Kao izvor energije u Krebsovom ciklusu, indirektno služe i bjelančevine i njihovi produkti. Bjelančevine se putemproteolize razgrađuju u osnovne građevne jedinice: aminokiseline. Neke od njih, kao aspartat, valin i izoleucin mogu se direktno pretvoreni u međuspojeve samog ciklusa. Ostale mogu biti preći u glucide (ugljikohidrate) i uključiti se u ciklus preko metaboličkih puteva karakterističnih za ugljikohidrate.

Produkti razgradnje masti su također izuzetno važni izvori energije, koji direktno i indirektno ulaze u Krebsov ciklus. Razgradnju masti kataliziraju enzimi lipaze, koje oslobađaju masne kiseline i glicerol. Glicerol može ući u proces glikolize, osobito u ćelijamajetre ili biti pretvoren u glukozu u procesu glukoneogeneze. U mnogim tkivima, pogotovo srcu, masne se kiseline razgrađuju tokom procesa beta oksidacije koja direktno proizvodi acetil CoA: osnovni supstrat Krebsovog ciklusa. Beta oksidacija može proizvesti i propionil CoA, koji se putem glukoneogeneze pretvara u glukozu.

Procesi iza Krebsovog ciklusa[uredi | uredi izvor]

Osnovni proces koji slijedi Krebsov ciklus je oksidativna fosforilacija, metabolički put u kojem završava ćelijsko disanje. Glavna uloga te fosforilacije je oksidacija kofaktora NADH i FADH2, koji ponovo, u oksidiranom obliku, ulaze u Krebsov ciklus NAD+ i FAD. Ovaj proces generira gradijent protona i elektrona, čija se energija koristi za proces fosforilacije molekula ADP u visokoenergetske molekule ATP. U tom se procesu protoni (H+) vežu na kisik, kojeg organizmi unose iz atmosfere i stvaraju vodu kao konačni produkt. Oksidacijska fosforilacija, koja je relativno niska u Krebsovom ciklusu, uveliko povećava efikasnost proizvodnje visokoenergetskih nukleozida, kao što su ATP i GTP.

Procesi koji koriste međuspojeve Krebsovog ciklusa[uredi | uredi izvor]

Međuspojevi Krebsovog ciklusa ulaze u mnoge druge metaboličke puteve. U popis koji slijedi, uključeni su metaboliti Krebsovog ciklusa i metabolički putevi u kojima sudjeluju.

  • Sukcinat:
    • Metabolizam butanoata
    • Metabolizam tirozina

Mapa interaktivnih putva[uredi | uredi izvor]

Šablon:TCACycle WP78

Također pogledajte[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Hall J. E., Guyton A. C. (2006): Textbook of medical physiology, 11th edition. Elsevier Saunders, St. Louis, Mo, ISBN 0-7216-0240-1.
  2. ^ Međedović S., Maslić E., Hadžiselimović R. (2000): Biologija 2. Svjetlost, Sarajevo, ISBN 9958-10-222-6.
  3. ^ Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-1-8.
  4. ^ Kornberg A. (1989): For the love of enzymes – The Odyssay of a biochemist. Harvard University Press, Cambridge (Mass.), London,ISBN 0-674-30775-5, ISBN 0-674-30776-3.
  5. ^ Hunter G. K. (2000): Vital Forces. The discovery of the molecular basis of life. Academic Press, London 2000, ISBN 0-12-361811-8.
  6. ^ Barnes S. J., Weitzman P. D. (1986): Organization of citric acid cycle enzymes into a multienzyme cluster. FEBS Lett., 201 (2): 267–270.
  7. ^ Berg J. M., Tymoczko J. L., Stryer L. (2002): Biochemistry, 5th edition. W. H. Freeman and Company, ISBN 978-0-7167-4684-3.
  8. ^ Nelson D. L., Cox M. M. (2013): Lehninger Principles of Biochemistry. W. H. Freeman and Co., ISBN 978-1-4641-0962-1.
  9. ^ Hall J. E., Guyton A. C. (2006): Textbook of medical physiology, 11th edition. Elsevier Saunders, St. Louis, Mo, ISBN 0-7216-0240-1.
  10. ^ Kapur Pojskić L., Ed. (2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 978-9958-9344-8-3.
  11. ^ Međedović S., Maslić E., Hadžiselimović R. (2000): Biologija 2. Svjetlost, Sarajevo, ISBN 9958-10-222-6.
  12. ^ Usher C, Remington J., Martin P., Drueckhammer G. (1994): A very short hydrogen bond provides only moderate stabilization of an enzyme-inhibitor complex of citrate synthase. Biochemistry 33, S. 7753.-7759.
  13. ^ Mesecar A.D., Stoddard B.L., Koshland Jr. D.E. (1997): Orbital steering in the catalytic power of enzymes: small structural changes with large catalytic consequences. Science v, 277: 202-206.
  14. ^ Knapp J. E. et al. (2000): Expression, purification, and structural analysis of the trimeric form of the catalytic domain of the Escherichia coli dihydrolipoamide succinyltransferase. Protein Sci. v 9. 37-48.
  15. ^ Voet D., Voet J. G. (2004): Biochemistry, 3rdedition. John Wiley & Sons, Inc., New York.

Vanjski linkovi[uredi | uredi izvor]