Citrátový cyklus

Citrátový cyklus (iné názvy: Krebsov cyklus, cyklus trikarboxylových kyselín, cyklus kyseliny citrónovej) je cyklická postupnosť reakcií odbúravania organických zlúčenín (sacharidov) na oxid uhličitý (CO2), pričom sa získavajú energeticky bohaté látky NADH, FADH2 a ATP. V procese oxidatívnej fosforylácie sa za spotreby kyslíka môže získavať ATP aj z NADH a FADH2, prípadne sa tieto látky môžu využiť pri biosyntéze rôznych iných organických látok.

Citrátový cyklus je konečnou fázou odbúravania intermediárnych produktov pri metabolizme cukrov, tukov a čiastočne bielkovín. Citrátový cyklus prebieha v mitochondriách, enzýmy citrátového cyklu sú lokalizované v matrix mitochondrií, jeden z enzýmov je integrálny membránový proteín, ktorý je vnorený do vnútornej mitochondriálnej membrány a považuje za súčasť dýchacieho reťazca (sukcinátdehydrogenáza).

 Sumárna reakcia 
Sumárnu reakciu citrátového cyklu môžeme zapísať:

acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD+ + GDP + P_i + 2 H_2O -> 2 CO2 + CoA + 3 NADH + FADH2 + GTP

Acetyl je dvojuhlíkatý acyl, ktorý sa v citrátovom cykle zoxiduje na dve jednouhlíkaté molekuly oxidu uhličitého. Acetyl je tvorený metylovou skupinou, ktorá má uhlík v oxidačnom stave -III, preto jeho oxidácia na oxid uhličitý, kde je oxidačné čídlo uhlíka +IV, poskytne 7 elektrónov. Karboxylová skupina acetylu obsahuje uhlík v oxidačnom stave +III, preto jeho oxidácia na oxid uhličitý, kde je oxidačné číslo uhlíka +IV, poskytne 1 elektrón. Dohromady teda oxidácia acetylu dodá 8 elektrónov, preto vzniknú dohromady 4 redukčné ekvivalenty (3 NADH a 1 FADH2). Acetylkoenzým A je makroergická zlúčenina, ktorá svoju voľnú energiu odovzdá do vzniku inej makroergickej zlúčeniny: GTP. Voda je zdrojom atómov kyslíka pre oxid uhličitý a zdrojom jadier vodíka pre redukčné ekvivalenty.

 Dejiny a alternatívne názvy 
Názov citrátový cyklus je odvodený od kyseliny citrónovej (anglicky citrate). Pomenovanie Krebsov cyklus bolo vytvorené na počesť Hansa Adolfa Krebsa (19001981), ktorý v roku 1937 navrhol kľúčové reakcie cyklu, za čo získal v roku 1953 Nobelovu cenu za medicínu a fyziológiu. Názov cyklus trikarboxylových kyselín sa v slovenčine používa len zriedka, skôr sa vyskytuje v niektorých iných jazykoch (napr. v angličtine tricarboxylic acid cycle, TCA cycle). Bol odvodený od toho, že kyselina citrónová, cis-akonitová a izocitrónová obsahujú tri karboxylové skupiny (-COOH).

 Cyklus kyseliny citrónovej 
Produktom glykolýzy je pyruvát (kyselina pyrohroznová). V molekule pyruvátu je však uskladnené značné množstvo energie (spalné teplo jedného mólu glukózy je približne 1700 kJ). Túto energiu však môže bunka uvoľniť len oxidáciou kyslíkom, čo sa udeje práve v procese Krebsovho cyklu. Pyruvát preto prechádza z cytoplazmy do mitochondrií, kde sa každá molekula pyruvátu prevedie na CO2 a dvojuhlíkovú acetylovú skupinu, z ktorej po spojení s koenzýmom A (CoA) vznikne acetylkoenzým A (acetyl-CoA).

Acetylová skupina v acetyl-CoA je s koenzýmom A spojená väzbou s vysokým obsahom energie. Acetyl-CoA vstupuje do zložitého chemického reťazca nazývaného cyklus kyseliny citrónovej. V týchto reakciách sa acetylová skupina oxiduje na CO2 za súčasnej tvorby veľkého množstva prenášačov elektrónov NADH. Nakoniec elektróny s vysokým obsahom energie prechádzajú z NADH reťazcom prenosu elektrónov (dýchacím reťazcom) vo vnútornej mitochondriovej membráne. Tu sa energia, ktorá sa pri tomto procese uvoľňuje, používa na tvorbu ATP (za spotreby molekulárneho kyslíka). Práve v týchto posledných krokoch sa uvoľňuje veľké množstvo energie, a tým sa aj vytvára väčšina ATP. Tvorba ATP prebiehajúca v mitochondriách sa označuje ako oxidatívna fosforylácia. Úplným rozložením jednej molekuly glukózy bunka získa 36 molekúl ATP (nie 38 molekúl ATP, ako sa doteraz uvádzalo v odbornej literatúre) a časť energie sa uvoľní vo forme tepla.

stred|schéma Krebsovho cyklu

 Syntéza citrátu: citrátsyntáza 
Citrátsyntáza je enzým, ktorý katalyzuje prvú reakciu citrátového cyklu. Ido o aldolovú reakciu, pri ktorej deprotonizovaná metylová skupina acetylkoenzýmu A nukleofilne atakuje karbonylovú skupinu oxalacetátu, za vzniku terciárnej hydroxylovej skupiny citroylkoenzýmu A.

Primárnym produktom aldolovej reakcie oxalacetátu a acetylkoenzýmu  A je citroylkoenzým A, ktorý sa hydrolyticky štiepi na citrát a koenzým A. Na rozdiel od premeny sukcinylkoenzýmu A na sukcinát, nie je pri tejto reakcii generované ATP. Dôvodom je termodynamika citrátového cyklu, pretože uvoľnením voľnej energie (Gibbsovej energie) je možné tlačiť priebeh citrátového cyklu dopredu.

 Syntéza izocitrátu: akonitáza 
Keďže citrát je terciárny alkohol, ktorý nie je možné oxidovať, v nasledujúcom kroku prebehne izomerizácia terciárneho alkoholu (citrátu) na sekundárny alkohol (izocitrát). Realizuje sa to tak, že v prvom kroku dôjde ku eliminácii za tvorby cis-akonitátu (α,β-nenasýtenej trikarboxylovej kyseliny) a následne prebehne stereoselektívna adícia vody za tvorby jedného enantioméru izocitrátu: (2R,3S)-izocitrát. Citrát nie je chirálny, izocitrát má až dve chirálne centrá, i.e. existujú až 4 rozličné enantioméry. Akonitáza poskytzuje chirálne prostredie, vďaka čomu vznikne stereoselektívne iba jeden enantiomér.

 Syntéza 2-oxoglutarátu: izocitrátdehydrogenáza 
Keďže izocitrát je sekundárny alkohol, je možné ho zoxidovať na príslušnú karbonylovú zlúčeninu (ketón), ktorý sa nazýva oxalsukcinát. Oxalsukcinát je ale β-oxodikarbonylová zlúčenina, ktorá spontánne dekarboxyluje na 2-oxoglutarát (po starom 2-ketoglutarát).

 Syntéza sukcinylkoenzýmu A: 2-oxoglutarátdehydrogenáza 
2-oxoglutarát je α-oxokyselina podobne ako pyruvát. Preto 2-oxoglutarát  podľahne analogickej reakcii ako pyruvát v cytoplazme. 2-oxoglutarátdehydrogenáza je enzým analogický pyruvátdehydrogenáze, ktorá sa nachádza v cytoplazme. Mechanizmus je podobný ako pri tvorbe acetylkoenzýmu A z pyruvátu: Karboxylová skupina vedľa oxoskupiny sa odštiepi vo forme oxidu uhličitého, čím vnikne druhá molekula oxidu uhličitého a oxidácia acetylu sa ukončí. 

 Syntéza sukcinátu: tiokináza 
Hydrolýza sukcinylkoenzýmu A na sukcinát je analogická hydrolýze citroylkoenzýmu A na citrát. V tomto prípade je však voľná energia prenesená do druhej makroergickej zlúčeniny: GTP, ktorý sa následne konvertuje na ATP pôsobením nukleoziddifosfátkinázy:

GTP + ADP ->[{nukleoziddifosfátkináza}] GDP + ATP

 Syntéza fumarátu: sukcinátdehydrogenáza 
Keďže sukcinát obsahuje dve metylénové skupiny -CH2- veľa seba, môže byť medzi ne introdukovaná dvojitá väzba za vzniku fumarátu. Reakcia je katalyzovaná sukcinátdehydrogenázou, čo je jediný enzým citrátového cyklu, ktorý nie je voľne prítomný v matrixe mitochondrie, ale je inkorporovaný do vnútornej mitochondriálnej membrány a je súčasťou dýchacieho reťazca (ako komplex II), preto pri oxidácii sukcinátu dochádza k redukcii FAD na FADH2. Dáto dehydrogenačná reakcia je analogická prvému kroku β-oxidácie mastných kyselín, keď medzi α-uhlíkom a β-uhlíkom vznikne dvojitá väzba.

 Syntéza L-malátu: fumaráza 
Stereoselektívna hydroxylácia (hydratácia) dvojitej väzby fumarátu vedie na L-malát, vzniká jediný enantiomér (2S-malát), reakcia preto musí prebiehať v chirálnom prostredí, ktorým je enzým fumaráza. Premena fumarátu na L-malát je analogická druhej reakcii β-oxidácie mastných kyselín, keď sa na β-uhlík naviaže hydroxylová skupina. Premena fumarátu na L-malát je analogická tiež stereoselektívnej hydratácii cis-akonitátu na izocitrát.

 Syntéza oxalacetátu: malátdehydrogenáza 
Oxidácia sekundárnej hydroxylovej skupiny na karbonylovú skupiny oxalacetátu prebieha za redukcie NAD+ na NADH. Reakcia je analogická tretej reakcii β-oxidácie mastných kyselín, keď sa hydroxylová skupina na β-uhlíku zoxiduje na ketoskupinu. Reakcia  je analogická  tiež oxidácii izocitrátu na oxalsukcinát.

 Význam citrátového cyklu 
Citrátový cyklus je amfibolický, i.e. zúčastňuje sa nielen katabolizmu, ale aj anabolizmu.  

 Katabolický význam citrátového cyklu 
Ako bolo popísané vyššie, citrátový cyklus oxiduje acetyl prítomný v acetylkoenzýme A na oxid uhličitý za zisku vysokoenergetických elektrónov, ktoré sú prenášané redukčnými ekvivalentmi ako je NADH a FADH2. V citrátovom cykle vzniká aj GTP ako makroergická zlúčenina, ktorá svoju voľnú energiu čerpá z voľnej energie acetylkoenzýmu A. Elektróny získané oxidáciou sú následne zbavené svojej energie v dýchacom reťazci, kde sa ich energia uloží vo forme energie transmembránového potenciálu (Donnanovho potenciálu) na vnútornej mitochondriálnej membráne. Tento Donnanov elektrochemický transmembránový potenciál sa využije ako zdroj energie na syntézu ATP, teda energia uložená v transmembránovom potenciále sa uloží do molekúl ATP, ktoré následne slúžia na uloženie energie v transmembránovom potenciáli na cytoplazmatickej membráne pomocou Na+/K+-ATPázy. 

 Anabolický význam citrátového cyklu 
Produkcia energeticky bohatých zlúčenín ATP, NADH a FADH2 v citrátovom cykle sa využíva pri biosyntéze mnohých organických látok. Citrátový cyklus však nemusí prebehnúť celý, ale jeho ktorýkoľvek medziprodukt môže byť východiskovou látkou (uhlíkovou kostrou, substrátom) pre syntézu mnohých organických zlúčenín, z ktorých azda najdôležitejšie sú: 

 biosyntéza sacharidov (glukoneogenéza): prekurzormi sú oxalacetát a malát,

 biosyntéza aminokyselín (transaminácia): prekurzormi sú 2-oxoglutarát (transaminovaný na glutamát) a oxalacetát (transaminovateľný na aspartát), 
 biosyntéza nukleových báz a
 biosyntéza citrátu ako prekurzora mastných kyselín a izoprenoidov.

 Anaplerotické reakcie 
Anaplerotické reakcie sú také, ktoré dopĺňajú intermediáty citrátového cyklu, i.e. ide otaké metabolické pochody, ktoré končia u intermediátov citrátového cyklu.
náhľad

 Pyruvátkarboxylázová reakcia 
Pyruvátkarboxyláza je enzým, ktorý premieňa v jednom kroku pyruvát na oxalacetát. Pyruvátkarboxylázová reakcia má ten význam, že nie všetok pyruvát je premenený na acetylkoenzým A, pretože v matrixe mitochondrie je len malé množstvo oxalacetátu, takže by sa hneď vyčerpal a acetylkoenzým A by nemal s čím reagovať. Z toho dôvodu, ak je v bunke potreba rýchlo rozkladať glukózu na oxid uhličitý, pyruvátkarboxylázová reakcia zabezpečuje dostatočné množstvo oxalacetátu na aldolovú reakciu acetylkoenzýmu A s oxalacetátom. Pyruvátkarboxylázová reakcia vyžaduje ATP ako zdroj energie a fosforylačné činidlo, ktoré vytvorí intermediárny fosfoenolpyruvát, ktorý nukleofilne atakuje oxid uhličitý za vzniku oxalacetátu.

 Glutamátdehydrogenázová reakcia 
Glutamátdehydrogenáza je enzým, ktorý premieňa glutamát na 2-oxoglutarát a amoniak. Ide o enzým, ktorý ukončuje katabolizmus všetkých aminokyselín: dusík aminokyselín sa transaminačnými reakciami prenáša na 2-oxoglutatár, čím vznikne glutamát, ktorý sa oxidatívnou deamináciou (glutamátdehydrogenázovou reakciou) premení na 2-oxoglutarát a amoniak. Táto anaplerotická reakcia má význam hlavne pri hladovaní, keď degradáciou proteínov vznikajú aminokyseliny, ktoré sa ďalej degradujú za vzniku glutamátu, ako termíneho nosiča dusíka aminokyselín.

 Glukogénne aminokyseliny 
Degradácia (katabolizmus) glukogénnych aminokyselín vedie na produkty, ktoré sú priamo intermediátmi citrátového cyklu alebo sú na ne ľahko premeniteľné:

 asparagín a aspartát sa degradujú na oxalacetát,
 glutamín, glutamát, arginín, histidín, prolín sa degradujú na 2-oxoglutarát,
 valín, izoleucín a metionín sa degradujú na sukcinylkoenzým A,
 aspartát, fenylalanín a tyrozín sa degradujú na fumarát.

 Kataplerotické reakcie 
Kataplerotické reakcie sú také, ktoré odčerpávajú intermediáty citrátového cyklu, i.e. ide o také metabolické pochody, ktoré začínajú u intermediátov citrátového cyklu.

 Syntéza mastných kyselín a izoprenoidov 
Syntéza mastných kyselín a izoprenoidov začína u acetylkoenzýmu A, ktorý však vzniká v matrixe mitochondií. problémom je, že acetylkoenzým A nemá žiadny prenášať, ktorým by sa matrixu mitochondrií dostal do cytoplazmy, kde prebieha syntéza mastných kyselín a izoprenoidov. Evolúcia to vyriešila tak, že z acetylkoenzýmu A sa vplyvom citrátsyntázy vytvorí citrát, ktorý prechádza cez vnútornú mitochondriálnu membránu pomocou antiportu s malátom. Citrát v cytoplazme sa citrát pôsobením citrátlyázy rozloží na oxalacetát a acetylkoenzým A. cytrátlyáza je enzým, ktorý vytvorí acetylkoenzým A v cytoplazme za spotreby ATP. Oxalacetát sa následne zredukuje na malát pomocou cytoplazmatickej malátdehydrogenázy a malát sa vracia do matrixu mitochondií antiportom s citrátom. 

Malát bunka využíva nielen na "vynášanie" acetylkoenzýmu A, resp. citrátu z mitochondrie do cytoplazmy, ale aj ako zdroj elektrónov na anabolické procesy. Syntéza mastných kyselín vyžaduje veľa NADPH, ktorý sa okrem pentózafosfátového cyklu generuje aj pomocou malátového enzýmu, ktorý premieňa malát (štvoruhlíkatý) na pyruvát (trojuhlíkatý). 

 Syntéza nukleových báz 
Syntéza nukleových báz, resp. nukleotidov, vyžaduje intermediáty citrátového cyklu ako prekurzory a to nielen ako zdroj atómov uhlíka nukleových báz, ale aj ako zdroj atómov dusíka po transaminícii intermediátov citrátového cykla.

 Pyrimidínové bázy 
Syntéza pyrimidínových báz vyžaduje aspartát, ktorý je transaminačným produktom oxalacetátu. Vzniká za katalýzy aspartátaminotransferázou (AST).

Druhý dusík pyrimidínového cyklu je dodávaný glutamínom, ktorý sa pri reakcie degraduje na glutamát, ktorý je transaminačným produktom 2-oxoglutarátu.

 Alternatívne cykly a metabolické dráhy 
Niektoré organizmy využívajú dráhy podobné citrátovému cyklu, ktoré sa od neho však mierne líšia. Acetobacter suboxydans napríklad evidentne vôbec nemá TCA cyklus, takže na syntézu aminokyselín využíva iné spôsoby. Podľa všetkého používa oxalomalátlyázu, ktorá spája glyoxylát s oxalacetátom za vzniku 3-oxalomalátu, ktorý využíva ako prekurzor pre syntézu glutamátu a ostatných aminokyselín. 

 Dráhy bez 2-oxoglutarátdehydrogenázy 
V mnohých organizomch chýba 2-oxoglutarátdehydrogenáza, takže 2-oxoglutarát sa nemôže priamo premeniť na sukcinyl-CoA a odtiaľ na sukcinát. Existujú však minimálne tri spôsoby, ktorými organizmy tento nedostatok obchádzajú.

 Glyoxylátový cyklus 

Obdobou citrátového cyklus je glyoxylátový cyklus. Neprebieha však v mitochondriách, ale v glyoxyzómoch. S citrátovým cyklom zdieľa niekoľko enzýmov, ale namiesto dekarboxylácie sa v ňom 2-oxoglutarát štiepi na sukcinát a glyoxylát. Glyoxylát sa potom spája s acetyl-CoA, čím z neho vzniká malát a cyklus môže pokračovať znova. Tento cyklus využávajú baktérie, huby, niektoré prvoky a rastliny, predovšetkým na syntézu sacharidov. Organizmy s glyoxylátovým cyklom majú i Krebsov cyklus a sú schopné využiť oba v rôznych prípadoch. 

 2-Oxoglutarátdekarboxyláza 
Mitochondrie Euglena gracilis alebo napr. niektoré druhy Mycobacterium majú 2-oxoglutarátdekarboxylázu, ktorá tvorí sukcinylsemialdehyd, a sukcinylsemialdehyddehydrogenázu, ktorá ho potom oxiduje za vzniku sukcinátu. Sinice majú takisto 2-oxoglutarátdekarboxylázu, odlišnú od iných organizmov, a sukcinylsemialdehyddehydrogenázu, ktoré takisto umožňuje podobný proces. 

 GABA skrat 

Alternatívnym spôsobom je premena 2-oxoglutarátu na glutamát a následne na gama-aminobutyrát, ktorý sa potom premieňa na sukcinylsemialdehyd. Táto dráha využíva glutamátdehydrogenázu, glutamátdekarboxylázu a GABA aminotransferázu.

 Referencie 

 Pozri aj 

 Oxidatívna dekarboxylácia, proces, ktorým vzniká acetylkoenzým A z pyruvátu, proces prepájajúci glykolýzu a citrátový cyklus,
 Dýchací reťazec, proces, ktorým sa reoxidujú redukované koenzýmy NADH a FADH2,

 Iné projekty 


Kategória:Metabolické dráhy

 Externé odkazy 

 AK Lectures: Overview of Citric Acid Cycle (v angličtine)
 AK Lectures: Replenishing Oxaloacetate in Citric Acid Cycle (v angličtine)
 AK Lectures: Introduction to Citric Acid Cycle (v angličtine)
 AK Lectures: Step 1 of Citric Acid Cycle (v angličtine)
 AK Lectures: Step 1 of Citric Acid Cycle (Part II) (v angličtine)
 AK Lectures: Steps 2-4 of Citric Acid Cycle (v angličtine)
 AK Lectures: Citric Acid Cycle (v angličtine)
 AK Lectures: Regulation of Citric Acid Cycle (v angličtine)
 AK Lectures: Steps 5-8 of Citric Acid Cycle(v angličtine)

Kategória:Látková premena