Citrátový cyklus

Citrátový cyklus (TCC; jinak též cyklus trikarboxylových kyselin, cyklus kyseliny citrónové nebo Krebsův cyklus) je metabolická dráha aerobního metabolismu, ačkoliv jej i většina anaerobních organismů využívá k syntéze jiných metabolitů pomocí kata- a anaplerotických reakcí (amfibolická povaha TCC, viz dále). Citrátový cyklus slouží u aerobních organismů včetně člověka k získávání NADH + H⁺, které se oxiduje v dýchacím řetězci, kde vzniká proton-motivní silou ATP. Enzymy TCC jsou lokalizované v matrix mitochondrie kromě sukcinátdehydrogenázy, nacházející se ve vnitřní mitochondriální membráně (některé isoformy enzymů TCC jsou i cytozolické, úplný TCC zde však neprobíhá).

Přehled enzymů

Reakce citrátového cyklu.

1. Pyruvátdehydrogenáza

[ ✎ upravit vložený článek ]

Pyruvát dehydrogenáza

Pyruvát dehydrogenázový komplex je komplex tří enzymů uvnitř mitochondrie: pyruvát dekarboxylázy, dihydrolipoyltransacetylázy a dihydrolipoyldehydrogenázy. Komplex pracuje jako celek v přítomnosti koenzymů TDP, NAD⁺, lipoátu ve formě lipoamidu, FAD a koenzymu A. Pyruvát dekarboxyláza katalyzuje oxidativní dekarboxylaci pyruvátu s navázáním acetylu na TPP, dihydrolipoyltransacetyláza katalyzuje přenesení acetylu z TPP přes lipoamid na koenzym A a dihydrolipoyldehydrogenáza regeneruje lipoamid pomocí FAD, z něhož vzniká FADH₂, které regeneruje zase pomocí NAD⁺, z něhož vzniká NADH + H⁺. Enzym je inhibován arsenem v oxidačním stavu As^III (arsenitan), který blokuje lipoamid.

2. Citrát syntáza

Enzym katalyzuje reakci acetyl-S·CoA a oxalacetátu, která produkuje citrát. Hlavními zdroji acetyl-CoA jsou pyruvát (produkt glykolýzy; viz pyruvát dehydrogenázový komplex) či β-oxidace mastných kyselin.

3. Akonitáza

Katalyzuje přesmyk citrátu na izocitrát přes cis-akonitát. Její aktivní centrum tvoří kuboidní klastr čtyř atomů síry a čtyř atomů železa, vázaného přes síru z postranních řetězců cysteinu. Tento enzym je stereospecifický s ohledem na prochirální vlastnosti citrátu (to se dá prokázat izotopicky značeným pyruvátem). Reakci inhibuje např. (2R,3R)2-fluorocitrát.

4. Izocitrát dehydrogenáza

Katalyzuje oxidativní dekarboxylaci karboxylové skupiny na terciárním uhlíku izocitrátu za současné dehydrogenace hydroxy skupiny, přičemž se redukuje NAD⁺ na NADH + H⁺. Tento enzym využívá manganaté či hořečnaté ionty jako koenzym.

5. α-ketoglutarát dehydrogenáza

Katalyzuje oxidativní dekarboxylaci za současného navázání α-keto uhlíku na koenzym A. Vzniká tak sukcinyl-S·CoA a NADH + H⁺ z NAD⁺.

6. Sukcinylkoenzym A syntetáza

Provádí přesně opačnou reakci, než podle které se jmenuje. Katalyzuje hydrolýzu sukcinylkoenzymu A za současné fosforylace na substrátové úrovni, tedy vzniká přímo GTP z GDP (a ne až v dýchacím řetězci).

7. Sukcinát dehydrogenáza

Provádí dehydrogenaci sukcinátu. Vzniká FADH₂ z FAD. Dehydrogenace je vysoce stereospecifická a vzniká pouze fumarát (trans-butendiová kyselina), a ne maleinát (cis-butendiová kyselina). Enzym je kompetitivně inhibován malonátem, který je o uhlík kratší než sukcinát, a proto nemůže dojít k dehydrogenaci.

8. Fumaráza

Katalyzuje alkalickou hydrataci fumarátu za vzniku malátu. OH^- provádí nukleofilní atak na uhlík, který díky rezonanci π-elektronů získal parciální kladný náboj, čímž vniká karbanion, na který se naváže H⁺.

9. Malát dehydrogenáza

Katalyzuje dehydrogenaci malátu na oxalacetát, čímž se substrát celého cyklu regeneruje. Tento enzym také může být zapojen v malátovém člunku.

Přehled reakcí

Acetyl-CoA + oxalacetát

1. Ac-CoA+oxalacetát

1. Acetyl-CoA + oxalacetát + H₂O → citrát + HS-CoA

• katalyzuje regulační enzym citrátsynthasa

Citrát – isocitrát

2. citrát – isocitrát

2. Citrát → cis-akonitát + H₂O → isocitrát

• katalyzuje akonitasa

Isocitrát – 2-oxoglutarát

3. isocitrát – 2-oxoglutarát

3. Isocitrát + NAD⁺(NADP⁺) → 2-oxoglutarát + NADH+H⁺(NADPH+H⁺) + CO₂

• katalyzuje regulační isocitrátdehydrogenáza

2-oxoglutarát – sukcinyl-CoA

4. 2-oxoglutarát – sukcinyl-CoA

4. 2-oxoglutarát + NAD⁺ + HS-CoA → sukcinyl-CoA + NADH+H⁺ + CO₂

• katalyzuje regulační 2-oxoglutarátdehydrogenasový komplex

Sukcinyl-CoA – sukcinát

5. sukcinyl-CoA – sukcinát

5. Sukcinyl-CoA + GDP → sukcinát + GTP + CoA

• katalyzuje sukcinátthiokináza

Makroergní sukcinylkoenzym A je hydrolyzován za vzniku sukcinátu a energie je využita k fosforylaci na substrátové úrovni. Jedná se o evolučně starou reakci, proto je zde v přeměně GDP na GTP využit na místo adenosinu guanosin.

Sukcinát – fumarát

6. sukcinát – fumarát

6. Sukcinát + FAD → fumarát + FADH₂

• katalyzuje sukcinátdehydrogenáza

Fumarát – L-malát

7. Fumarát – malát

7. Fumarát + H₂O $\rightleftharpoons$ L-malát

L-malát

• katalyzuje fumaráthydratasa

L-malát – oxalacetát

8. L-malát – oxalacetát

8. L-malát + NAD⁺$\rightleftharpoons$ oxalacetát + NADH+H⁺

oxalacetát + NADH+H⁺

• katalyzuje malátdehydrogenáza

Celý cyklus je poháněn těmito reakcemi:

• Dekarboxylace isocitrátu — rovnováha je posunuta ve prospěch α-ketoglutarátu tím, že vznikající oxid uhličitý je odstraňován z buněk a vydýcháván.
• Dekarboxylace α-ketoglutarátu — rovnováha je posunuta ve prospěch sukcinylkoenzymu A — stejné jako v předchozím případě.
• Oxidace malátu na oxalacetát — rovnováha je posunuta ve prospěch oxalacetátu tím, že vznikající NADH + H⁺ je spotřebováváno v dýchacím řetězci.

Přehled kataplerotických reakcí

Kataplerotické reakce jsou reakce, které vyčerpávají intermediáty TCC.

1. Glukoneogeneza;
2. Syntéza mastných kyselin a cholesterolu – vychází z acetyl-S·CoA;
3. Syntéza aminokyselin – α-ketoglutarát je zdrojem pro glutamát;
4. Syntéza porfyrinů – začíná z acetyl-koenzymu A;
5. oxidace aminokyselin – aminokyseliny mohou být metabolizovány na jednotlivé intermediáty TCC, které se přetvoří na oxalacetát, jenž může být degradován pomocí fosfoenolpyruvát karboxykinázy na fosfoenolpyruvát, posléze na pyruvát, pak na acetyl-S·CoA, který se v TCC oxiduje na CO₂ a uhlíky z řetězců aminokyselin jsou vydýchány.

Přehled anaplerotických reakcí

Anaplerotické reakce (řec. ana = vzhůru, pleroein = doplňovat) jsou reakce, které doplňují intermediáty TCC.

1. Oxidace mastných kyselin s lichým počtem uhlíků doplňuje sukcinyl-S·CoA.
2. Degradace izoleucinu, methioninu a valinu doplňuje sukcinyl-S·CoA.
3. Transaminace a deaminace aminokyselin vede k tvorbě α-ketoglutarátu a oxalacetátu.
4. karboxylace pyruvatu - oxalacetat
5. oxidativní dekarboxylace pyruvatu- Acetyl Co A

V průběhu citrátového cyklu nutně dochází k odčerpávání meziproduktů. Napojené reakce – tvorba jiných intermediátů stojících mimo cyklus i z cyklu vycházející syntézy – snižují koncentraci meziproduktů. Aby se cyklus nezpomaloval, existují reakce, jimiž se množství meziproduktů doplňuje. Souhrn těchto cest se nazývá anapleróza. Z několika anaplerotických reakcí je nejznámější ta, která doplňuje obsah oxalacetátu. Pro anaplerózu je rozhodující metabolický produkt glukózy − pyruvát, který se karboxyluje. Anaplerotické reakce se odehrávají v mitochondriích, hlavně ve svalech a v ledvinách. Karboxylace pyruvátu má endergonní charakter a vyžaduje ATP. Katalyzujícím enzymem je pyruvátkarboxylasa, jejíž součástí je biotinový kofaktor, vlastní přenašeč karboxylu. CO₂ se navázal na dusík biotinu a tím se vytvořil karboxybiotin; tento faktor karboxyluje i jiné látky. Allosterický enzym pyruvátkarboxylasa je aktivován acetylkoenzymem A. Potřebu většího obsahu oxalacetátu signalizuje vysoká hladina acetylkoenzymu A. Další anaplerotické reakce vedou především ke vzniku 2-oxoglutarátu, a to zejména transaminací nebo i oxidační deaminací glutamátu.

Regulace citrátového cyklu

Regulace Krebsova cyklu je uskutečněna několika způsoby. V první řadě je důležitý dostatek substrátů pro jednotlivé reakce, zejména Ac-CoA a oxalacetátu. Množství substrátu je určováno odstraňováním/dodáváním meziproduktů - viz. ana- a katapletrotické reakce. Dále dochází k regulaci prstřednictvím aktivace a inhibice enzymů.

1. Citrátsyntáza je allostericky inhibována vysokou koncentrací ATP, NADH, svým produktem citrátem a jedním z dalších meziproduktů cyklu, sukcinyl-CoA. Naopak ADP ji allostericky aktivuje.
2. Isocitrát dehydrogenáza je inhibována ATP a aktivována ADP. Dále ji stimulují Ca²⁺, což souvisí s prací svalů: Ca²⁺ stimuluje kontrakci svalu, k čemuž je potřeba ATP. Takže je logické, že zároveň stimuluje enzym, který povede ke tvorbě NADH a tím ke tvorbě ATP pomocí dýchacího řetězce a oxidativní fosforylace.
3. α-ketoglutarátdehydrogenáza je inhibována svým produktem, sukcinyl-CoA, a NADH. Stimuluje ji opět Ca²⁺.

Souhrně by se tedy dalo říct, že je cyklus inhibován zvýšeným poměrem ATP:AMP a regulován množstvím NADH, které přímo souvisí s aktivitou dýchacího řetězce a tedy s dostupností kyslíku. Mluvíme o respirační kontrole mechanisemem zvyšování poměru NAD⁺:NADH.

Odkazy

Související články

• Glykolýza
• Koenzymy
• Acetyl-CoA
• ATP

Externí odkazy

• Citric Acid Cycle

Použitá literatura

• LEDVINA, Miroslav, et al. Biochemie pro studující medicíny. I. díl. 2. vydání. Praha : Karolinum, 0000. 269 s. s. 103-106. ISBN 978-80-246-1416-8.

• MATOUŠ, Bohuslav, et al. Základy lékařské chemie a biochemie. 1. vydání. Praha : Galén, 2010. 540 s. ISBN 978-80-7262-702-8.