Den Krebs syklus , også kalt syklus av sitronsyre er ved Anglisisme en metabolsk vei som er tilstede i alle organismer aerob og hvis primære funksjon er å oksydere de gruppene acetyl , spesielt fra nedbrytning av karbohydrater , i fett og proteiner , for å gjenvinne energi i formen av åtte elektroner med høyt potensial og overføring av et molekyl av GTP eller ATP ; elektroner med høyt overføringspotensial, utvunnet fra NADH og ubiquinol (CoQ 10 H 2, eller koenzym Q 10 redusert ), kan deretter sirkulere gjennom luftveiskjeden for i sin tur å tillate dannelse av ytterligere ATP-molekyler ved oksidativ fosforylering .
Denne syklusen ble oppdaget i trinn på 1930-tallet , flere av elementer som har blitt identifisert ved den ungarske molekylarbiologen Albert Szent-Györgyi mens dens sykliske funksjon var markert med den tyske biokjemikeren Hans Adolf Krebs i 1937. Det utfolder seg i cytoplasma av prokaryoter og i mitokondriene av eukaryoter . Det er en syklus fordi den siste metabolitten , oksaloacetat , også er involvert i den første reaksjonen. Det første trinnet er å overføre acetylgruppen fra acetyl-CoA til oksaloacetat for å danne sitrat , noe som ga ringen navnet på engelsk og germansk. Følgende trinn danner en sekvens av reaksjoner, hver katalysert av et spesifikt enzym , som fører til en gradvis oksidasjon av acetylgruppen i to molekyler karbondioksid (CO 2). Ved å gjøre dette produserer denne syklusen også forløpere for biosyntese av visse proteinogene aminosyrer , mens NADH kan brukes i et stort antall biokjemiske reaksjoner .
Krebs-syklusen er det vanlige sluttpunktet for nedbrytningen av polyholosider ( glykolyse , pentosefosfatvei ), lipider ( β-oksidasjon ) og aminosyrer , som resulterer i dannelse av acetyl-CoA; sistnevnte er en form for transport av acetylgrupper fra pyruvat . Det er også rømningsreaksjoner i syklusen som tillater forskjellige biosynteser; den glyoksylat syklus , fraværende i dyr, men til stede i særdeleshet i planter , er et eksempel blant andre slike av metabolske baner ved hjelp av Krebs-syklusen.
Det faktum at Krebs-syklusen er viktig for mange metabolske veier, både anabole og katabolske , antyder at det sannsynligvis var en av de første byggesteinene i cellulær metabolisme som fant sted under evolusjonen. , Muligens ved abiogenese . Det er relatert til reaksjoner som forekommer i anaerobe bakterier og sies å ha utviklet seg i flere trinn; Det er teoretisk flere alternativer til Krebs-syklusen, men sistnevnte ser ut til å være den mest effektive: Hvis flere alternativer har utviklet seg uavhengig, må de alle ha konvergert mot Krebs-syklusen.
Tabellen nedenfor oppsummerer de ti trinnene i Krebs-syklusen, katalysert av åtte forskjellige enzymer . Disse trinnene er bemerkelsesverdig bevart avhengig av arten , men enzymene kan derimot skille seg ganske betydelig fra en organisme til en annen. Reaksjonene og enzymene vist i denne tabellen er de som er vanlig hos pattedyr .
Underlag | Produkter | Enzym | Type reaksjon | Merknader | |
---|---|---|---|---|---|
1 |
Oksaloacetat + Acetyl-CoA + H 2 O |
Sitrat + CoA-SH |
Sitratsyntase ( EC ) |
Krotonisering | Irreversible, strekker oxaloacetat (4C) i et molekyl til seks atomer av karbon |
2 | Sitrat |
cis -Aconitate + H 2 O |
Aconitase ( EC ) |
Dehydrering | Reversibel isomerisering |
3 |
cis -Aconitate + H 2 O |
Isocitrate | Hydrering | ||
4 |
Isocitrate + NAD + |
Oksalosuccinat + NADH + H + |
Isocitrate dehydrogenase ( EC ) |
Oksidasjon | Produkt av NADH (tilsvarer 2,5 ATP ) |
5 | Oksalosuccinat |
α-ketoglutarat + CO 2 |
Dekarboksylering | Begrensende reaksjon, irreversibelt trinn, og produserer et molekyl med fem karbonatomer. |
|
6 |
α-ketoglutarat + NAD + + CoA-SH |
Succinyl-CoA + NADH + H + + CO 2 |
Α-Ketoglutarat dehydrogenase kompleks ( EC ) |
Oksidativ dekarboksylering |
Irreversibelt trinn, produserer NADH (tilsvarer 2,5 ATP ), som fører til et molekyl med fire karbonatomer (unntatt koenzym A ) |
7 |
Succinyl-CoA + BNP + P i |
Succinat + CoA-SH + GTP |
Succinyl-CoA syntetase ( EC ) |
Fosforylering | eller ADP → ATP i stedet for BNP → GTP, produserer et molekyl av ATP eller tilsvarende Den kondensasjonsreaksjon av BNP med P i og hydrolyse av succinyl-CoA innebærer molekylet H 2 O kreves for likevekt i reaksjonen. |
8 |
Succinat + CoQ 10 |
Fumarat + CoQ 10 H 2 (ubiquinol) |
Succinatdehydrogenase ( EC ) |
Oksidasjon | Anvendelser FAD som en prostetisk gruppe (FAD → FADH 2på første trinn av reaksjonen), tilsvarende 1,5 ATP |
9 |
Fumarat + H 2 O |
L -Mate |
Fumarase ( EC ) |
Hydrering | |
10 |
L -Mate + NAD + |
Oksaloacetat + NADH + H + |
Malat-dehydrogenase ( EC ) |
Oksidasjon | Reversibel (i virkeligheten fremmer balansen dannelsen av L- malat ), produkt av NADH (tilsvarer 2,5 ATP ) |
Den citratsyntaseaktivitet kondenserer oksaloacetat og acetyl-CoA i citrat med frigjøring av CoA . Et forbigående mellomprodukt, citroyl-CoA, dannes . Den tioester -binding av acetyl-CoA er en binding med høy hydrolyse potensial . Koblingen av hydrolase- og syntaseaktivitetene gjør syntesereaksjonen termodynamisk mulig. Denne reaksjonen er et regulatorisk trinn i syklusen, med succinyl-CoA , NADH , acetyl-CoA , citrat og ATP som negativ effekt på reaksjonshastigheten .
+ Acetyl-CoA + H 2 O → CoA + | ||
Oksaloacetat | Sitrat | |
Sitratsyntase - EC |
Den aconitase , en lyase , katalyserer dehydratiseringen av citrat i cis -aconitate . Selv om citratmolekylet ser ut til å være symmetrisk, har det vist seg at avgang av vann skjer mellom karbonatomer avledet fra oksaloacetatet :
H 2 O + | ||
Sitrat | cis -Aconitate | |
Aconitase - EC |
Den aconitase katalyserer også hydrering av cis -aconitate i isocitrat :
+ H 2 O | ||
cis -Aconitate | Isocitrate | |
Aconitase - EC |
De to foregående trinnene, katalysert av akonitase , fører til isomerisering av sitrat til isocitrat :
H 2 O + | ||||
Sitrat | cis -Aconitate | Isocitrate | ||
Aconitase - EC |
Den isocitrat dehydrogenase , en oxidoreduktase , katalyserer oksidasjonen av isocitrat i oxalosuccinate :
+ NAD + NADH + H + + | ||
Isocitrate | Oksalosuccinat | |
Isocitrate dehydrogenase - EC |
Den eukaryote bruk en isocitrat dehydrogenase NAD + -avhengig ( EC ), som krever som en kofaktor ioner Mn 2+ eller Mg 2+ . De prokaryote seg bruke en isocitrat dehydrogenase NADP + -avhengige ( EC ).
Den isocitrat dehydrogenase katalyserer også dekarboksylering av oxalosuccinate , flyktige, α-ketoglutarat under utvikling av CO 2, i en irreversibel reaksjon:
→ CO 2 + | ||
Oksalosuccinat | α-ketoglutarat | |
Isocitrate dehydrogenase - EC |
Det er også et reguleringstrinn i syklusen, med NADH og ATP som negative effektorer . Tilstedeværelsen av ADP fremmer motsatt aktiviteten til isocitratdehydrogenase, og dermed hastigheten til denne reaksjonen.
Den α-ketoglutarat dehydrogenase-komplekset katalyserer den oksydative dekarboksylering av α-ketoglutarat til suksinyl-CoA med produksjon av NADH + H + og frigjøring av CO 2. Det er en reaksjon som ligner den som omdanner pyruvat til acetyl-CoA , katalysert av pyruvatdehydrogenase-komplekset . Dette enzymkomplekset involverer suksessivt tre enzymer - α-ketoglutarat dehydrogenase , dihydrolipoamid S-succinyltransferase og dihydrolipoyl dehydrogenase - og fem kofaktorer : TPP , lipoamid , koenzym A , FAD og NAD + . Denne reaksjonen er irreversibel.
+ CoA-SH + NAD + → NADH + H + + CO 2 + | ||
α-ketoglutarat | Succinyl-CoA | |
Α-Ketoglutarat dehydrogenase kompleks - EC |
Den NADH , den GTP og succinyl-CoA er negative effektorer på aktiviteten av den enzymatiske kompleks.
Den syntetase suksinyl-CoA eller suksinat thiokinase , konverterer suksinyl-CoA til succinat og koenzym A , som danner et molekyl av GTP i dyr eller ATP i planter og bakterier . Denne reaksjonen er reversibel.
+ BNP / ADP + Pi GTP / ATP + CoA + | ||
Succinyl-CoA | Succinat | |
succinyl-CoA-syntetase (som danner GTP / ATP) - EC / EC |
Den suksinat-dehydrogenase , et oxidoreduktase , katalyserer oksidasjonen av succinat til fumaratet med ledsagende reduksjon av ubiquinon ( koenzym Q 10) I ubiquinol (CoQ 10 H 2). Dette enzymet flavoprotéique til ADF er kompleks II i luftveiskjeden . Det hemmes av malonat . Siden FAD er en protesegruppe kovalent bundet til enzymet, overfører den bare elektroner og protoner til det “virkelige” CoQ 10- substratet..
+ FAD FADH 2 + | ||
Succinat | Fumarat | |
Succinatdehydrogenase - EC |
Denne reaksjonen er den fjerde og siste regulatoriske reaksjonen i syklusen. Malonate er den konkurransehemmende her.
Den fumarase , en lyase katalyserer hydratisering av fumaratet til L -malat .
+ H 2 O | ||
Fumarat | L -Mate | |
Fumarase - EC |
Den malat dehydrogenase , en oxidoreduktase , omdanner L -malat i oxaloacetate med dannelse av NADH + H + .
+ NAD + NADH + H + + | ||
L -Mate | Oksaloacetat | |
Malat dehydrogenase - EC |
Denne reaksjon katalyseres ved hjelp av en NAD + -avhengig malat dehydrogenase ( EC ) i eukaryoter og kinon -avhengig ( EC ) i prokaryoter .
Krebs-syklusen består av ti trinn katalysert av åtte forskjellige enzymer . I løpet av syklusen fremstilles, fra en mol av acetat til CO 2 trinnetog H 2 O :
Det kan sees at Krebs-syklusen bare produserer ett ATP- ekvivalent (en GTP ), det vil si mindre enn glykolyse (fire ATP- molekyler for ett molekyl glukose , hvorav to brukes under "aktiverings" -fasen av glykolyse. - trinn 1 og 3, som tilsvarer fosforyleringer ). Det meste av den potensielle kjemiske energien produseres i form av reduserende kraft ( NADH + H + og CoQ 10 H 2). Denne reduserende kraften blir deretter brukt i respirasjonskjeden til mitokondrier for å produsere 11 andre ATP- molekyler via en protongradient og ATP-syntase som noen ganger feilaktig tilskrives Krebs-syklusen.
Beskrivelse | Underlag | Produkter |
Summen av alle oksidasjonsreaksjonene av acetyl-CoA i Krebs-syklusen (unntatt luftveiskjeden ) tilsvarer: | Acetyl-CoA + 3 NAD + + CoQ 10 + BNP + P i + 2 H 2 O | → CoA-SH + 3 (NADH + H + ) + CoQ 10 H 2 + GTP + 2 CO 2 |
Når vi går tilbake til dekarboksylering av pyruvat , blir resultatene: | Pyruvat + 4 NAD + + CoQ 10 + BNP + P i + 2 H 2 O | → 4 (NADH + H + ) + CoQ 10 H 2 + GTP + 3 CO 2 |
Når vi går tilbake til oksidering av glukose ved glykolyse , blir resultatene: | Glukose + 10 NAD + + 2 CoQ 10+ 2 ADP + 2 BNP + 4 P i + 2 H 2 O | → 10 (NADH + H + ) + 2 CoQ 10 H 2 + 2 ATP + 2 GTP + 6 CO 2 |
Dette tilsvarer totalt hele aerob respirasjon ( glykolyse , Krebs-syklus, reduksjon av NAD + og CoQ 10- koenzymer av luftveiskjeden ) mellom 30 og 38 ATP for et estimert glukosemolekyl, avhengig delvis av den ATP-avhengige mitokondrie-skyttelen som brukes til å transportere NAD + fra glykolyse.
Bruken av glukose ved aerob respirasjon er mer energisk enn gjæring .
I nærvær av en stor mengde acetyl-CoA kan Krebs-syklusen bli overveldet, spesielt hos diabetikere med alvorlig insulinmangel eller etter langvarig faste (se diabetisk ketoacidose for ytterligere detaljer).
Selv om Krebs-syklusen generelt er konservert mellom arter, er det betydelige variasjoner i enzymene som er tilstede i de forskjellige taksene . Spesielt er det forskjeller mellom prokaryoter og eukaryoter . Således blir omdannelsen av D - treo- isocitrat til α-ketoglutarat katalysert av en NAD + -avhengig isocitratdehydrogenase ( EC ) i eukaryoter, men NADP + -avhengig ( EC ) i prokaryoter. Det samme gjelder for omdannelse av L -malat til oksaloacetat , katalysert av en NAD + -avhengig malat dehydrogenase ( EC ) i eukaryoter og kinon -avhengige ( EC ) i prokaryoter.
Omdannelsen av succinyl-CoA til succinat av succinyl-CoA synthetase viser betydelig variabilitet. De fleste levende ting bruker et ADP- avhengig enzym ( EC ), mens pattedyr også bruker den BNP- avhengige isoformen ( EC ) av dette enzymet. Brukshastigheten for hver av disse to former av enzymet avhenger av vevet som vurderes. I visse bakterier som produserer acetat som Acetobacter aceti (en) , er det et helt annet enzym som katalyserer denne reaksjonen, i dette tilfellet succinyl-CoA: acetat CoA-transferase ( EC ): dette enzymet utfører krysset mellom eddiksyre syremetabolisme med Krebs-syklusen i disse organismer. Noen bakterier som Helicobacter pylori bruker et enda annet enzym for denne reaksjonen, i dette tilfellet 3-oksosyre CoA-transferase ( EC ).
Det er også noen variasjoner i forrige trinn, det vil si i omdannelsen av α-ketoglutarat til succinly-CoA . De fleste levende ting bruker α-ketoglutarat dehydrogenase-komplekset , men noen bakterier bruker α-ketoglutarat-syntase ( EC ). Andre organismer, inkludert bakterier og archaea autotrofe og obligatorisk metanotrof fullstendig utenom succinyl-CoA og konvertere α-ketoglutarat til succinat via den suksinsemialdehyd ved virkningen suksessivt av den α-ketoglutarat dekarboksylase ( EC ) og suksinat-semialdehyddehydrogenase ( EC ).
De irreversible stadier i Krebs syklus kan reguleres: stadium av citratsyntaseaktivitet , isocitrat dehydrogenase og α-ketoglutarat dehydrogenase-komplekset :
Reguleringen av Krebs-syklusen er hovedsakelig avhengig av tilgjengeligheten av substratet og hemming av reaksjonsproduktene. Hvis disse reaksjonene ikke ble regulert, ville Krebs-syklusen kaste bort store mengder metabolsk energi ved å produsere overflødig ATP og reduserte koenzymer som NADH .
Arbeid publisert i 2007 viste en viktig kobling mellom Krebs-syklusmellomprodukter og regulering av hypoksiinduserte faktorer ( HIF ). De spiller en rolle i homeostase av oksygen som transkripsjonsfaktorer involvert i angiogenese , vaskulær ombygging, mobilisering av glukose , transport av ioner og apoptose . HIF syntetiseres konstitutivt og hydroksylering av minst en av to rester av prolin er involvert i deres interaksjon med den komplekse ubiquitinligasen , som betegner dem som et mål for rask nedbrytning. Denne reaksjonen katalyseres av prokollagen-prolindioksygenaser . Den fumarat og suksinatet er effektive inhibitorer av disse enzymer, som kan stabilisere HIF.
Flere metabolske veier konvergerer i Krebs-syklusen. De fleste av disse reaksjonene produserer metabolitter som deltar i syklusen og er derfor anaplerotiske reaksjoner ; prosesser som derimot bruker Krebs-syklusmetabolitter sies å være kataplerotiske.
Alle Krebs syklus mellomprodukter - som citrat , isocitrat , α-ketoglutarat , suksinat , fumarat , L- malat og oksaloacetat - regenereres med hver omgang av syklusen. Å øke den tilgjengelige mengden av en av disse metabolittene øker den totale mengden av alle metabolitter i syklusen, ettersom hvert mellomprodukt gradvis blir konvertert til alle andre mellomprodukter i syklusen. Dette er grunnen til at produksjon av noen av metabolittene i Krebs-syklusen har en generell anaplerotisk effekt på den syklusen, mens inntak av en hvilken som helst metabolitt også har en kataplerotisk effekt.
Pyruvatmolekyler som følge av glykolyse blir aktivt transportert fra cytosolen til mitokondriell matrise gjennom den indre mitokondrie-membranen . En gang i matrisen kan de oksideres og reagere med koenzym A for å danne CO 2, acetyl-CoA og NADH , eller de kan karboksyleres av pyruvatkarboksylase for å danne oksaloacetat . Dette er en anaplerotisk reaksjon som øker strømmen og derfor strømmen gjennom Krebs-syklusen når cellen står overfor et økt behov for metabolsk energi, for eksempel i myocytter .
Den acetyl-CoA , men avledet fra oksidasjon av pyruvat eller av den β-oksidasjon av fettsyrer , er aldri regenereres ved Krebs syklus: tvert imot hver sin side av sykkel forbruker ett molekyl av acetyl-CoA pr oksaloacetat molekyl av den mitokondrielle matriks, mens acetyl rest av acetyl-CoA er fullstendig oksyderes til CO 2og i H 2 Ogjennom luftveiskjeden , slik at metabolsk energi kan utvinnes i form av ATP ved oksidativ fosforylering .
De metabolske banene som produserer eller forbruker acetyl-CoA er derfor ikke anaplerotiske eller kataplerotiske for Krebs-syklusen.
I leveren er karboksylering av cytosolisk pyruvat til mitokondrieoksaloacetat et avansert trinn i glukoneogenese , som omdanner laktat og deaminert alanin til glukose under effekten av et forhøyet nivå av glukagon og / eller adrenalin. I blodet . Under disse forhold viser dannelsen av oksaloacetat i mitokondriene ingen anaplerotisk effekt fordi mitokondrie L- malat forbrukes for å danne cytosolisk oksaloacetat, som omdannes til glukose.
I prosessen med degradering av proteiner , de polypeptidkjeder blir spaltet av peptidaser i de aminosyrer som utgjør dem. Deres karbonkjede kan da:
I prosessen med lipolyse , triglyserider blir hydrolysert til glyserol og fettsyrer . I leveren , kan bli omdannet glycerol til glukose via de fosfat dihydroksyaceton og glyseraldehyd 3-fosfat i sammenheng med glukoneogenese . I mange vev , inkludert hjerte- og skjelettmuskulatur , nedbrytes fettsyrer gjennom β-oksidasjon , noe som produserer mitokondrieacetyl -CoA som er i stand til å bli med i Krebs-syklusen. Fettsyrer med et ulike antall atomer av karbon produsere propionyl-CoA , som omdannes til succinyl-CoA og slutter seg til Krebs syklus mellomproduktet som anaplerotic.
Flere metabolitter i Krebs-syklusen er involvert i biosyntese av viktige forbindelser, som viser en betydelig kataplerotisk effekt på syklusen.
Ettersom acetyl-CoA ikke kan forlate mitokondriene som det er , er det citratet som transporteres gjennom den indre mitokondrielle membranen fra mitokondriell matrise til cytosolen , der den spaltes i acetyl-CoA og oksaloacetat av ATP citratlyase . Oksaloacetat kan brukes til glukoneogenese i leveren , eller omdannes til L- malat og bli med i mitokondriene. Cytosolisk acetyl-CoA brukes til biosyntese av fettsyrer og kolesterol . Sistnevnte kan i sin tur anvendes for å fremsteroidhormoner , de gallesyrer og vitamin D .
I løpet av glukoneogenese , mitokondriell oxaloacetat blir redusert til malat , som deretter transporteres ut av mitokondrier som skal oksyderes på nytt til oksaloacetat i cytosol . Sistnevnte dekarboksyleres deretter til fosfoenolpyruvat av fosfoenolpyruvat karboksykinase , som er det kinetisk bestemte trinnet i omdannelsen til glukose av praktisk talt alle de glukoformende forløperne - slik som de glukoformende aminosyrene og laktatet - av leveren og nyrene .
Den karbonkjede av mange ikke-essensielle aminosyrer stammer fra metabolitter av Krebs-syklusen. Den aspartat og asparagin og er avledet fra oksaloacetat , mens glutamin , det prolin og arginin utlede fra den α-ketoglutarat . Den amingruppe kommer fra glutamat ved transaminering på en α-ketosyre ved hjelp av enzymer ved hjelp av pyridoksalfosfat som en kofaktor ; under disse reaksjonene omdannes glutamat til α-ketoglutarat, som er en metabolitt av Krebs-syklusen.
Den aspartat og glutamin er også involvert i biosyntesen av nukleobaser purin går inn i sammensetningen av nukleinsyren - DNA og RNA - så vel som nukleotider , slik som ATP , den syklisk AMP , den NAD , den ADF og CoA . Pyrimidin- nukleinsbasene er på sin side avledet fra aspartat , selv avledet av oksaloacetat .
De fleste karbonatomer i porfyriner kommer fra succinyl-CoA , en metabolitt av Krebs-syklusen. Porfyriner er den prostetiske grupper av hemoproteiner , slik som hemoglobin , myoglobin, og cytokrom .