Krebsův cyklus , nazývaný také cyklus kyseliny citronové podle Anglicism je metabolická cesta přítomna ve všech organismech aerobní a jehož primární funkcí je oxidovat na skupiny acetyl , zejména z degradace ze sacharidů , z tuků a bílkovin , za účelem získání energie v forma vysokého potenciálu osmi elektronů a přenosu molekuly GTP nebo ATP ; elektrony s vysokým přenosovým potenciálem, získané z NADH a ubichinolu (CoQ 10 H 2nebo koenzym Q 10 redukovaný ), pak může cirkulovat dýchacím řetězcem a tím zase umožnit tvorbu dalších molekul ATP oxidační fosforylací .
Tento cyklus byl objeven v několika etapách v 1930 , některé jeho prvky, které byly identifikovány podle maďarského molekulární biolog Albert Szent-Györgyi , zatímco její cyklické fungování bylo svědčí německý biochemik Hans Adolf Krebs v roce 1937. To se odehrává v cytoplazmě všech prokaryot a v mitochondriích z eukaryot . Jde o cyklus, protože do první reakce je také zapojen poslední metabolit , oxaloacetát . Prvním krokem je přenos acetylové skupiny z acetyl-CoA na oxaloacetát za vzniku citrátu , který pojmenoval kruh v anglickém a germánském jazyce. Následující kroky tvoří sled reakcí, každý katalyzovaný specifickým enzymem , který vede k postupné oxidaci acetylové skupiny na dvě molekuly oxidu uhličitého (CO 2). Přitom tento cyklus také produkuje prekurzory pro biosyntézu určitých proteinogenních aminokyselin , zatímco NADH lze použít při velkém počtu biochemických reakcí .
Krebsův cyklus je běžným koncovým bodem degradace polyholosidů ( glykolýza , fosfátová cesta pentózy ), lipidů ( β-oxidace ) a aminokyselin , které vedou k tvorbě acetyl-CoA; druhá je forma transportu acetylových skupin z pyruvátu . V cyklu existují také únikové reakce, které umožňují různé biosyntézy; glyoxylátu cyklus , chybí u zvířat , ale přítomen zejména v rostlinách , je jedním z příkladů mj těchto metabolických drah pomocí Krebsova cyklu.
Skutečnost, že Krebsův cyklus je nezbytný pro mnoho metabolických cest, anabolických i katabolických , naznačuje, že to byl pravděpodobně jeden z prvních stavebních kamenů buněčného metabolismu, který probíhá během evoluce. , Pravděpodobně abiogenezí . Souvisí to s reakcemi vyskytujícími se v anaerobních bakteriích a říká se, že se vyvíjely v několika fázích; Existuje teoreticky několik alternativ ke Krebsovu cyklu, ale ta druhá se jeví jako nejúčinnější: pokud se několik alternativ vyvinulo nezávisle, všechny musely konvergovat ke Krebsovu cyklu.
Níže uvedená tabulka shrnuje deset fází Krebsova cyklu, katalyzovaných osmi různými enzymy . Tyto kroky jsou pozoruhodně zachovány v závislosti na druhu , ale enzymy se na druhé straně mohou mezi jednotlivými organismy značně lišit. Reakce a enzymy uvedené v této tabulce jsou ty, které převládají u savců .
Substráty | produkty | Enzym | Typ reakce | Poznámky | |
---|---|---|---|---|---|
1 |
Oxalacetát + acetyl-CoA + H 2 O |
Citrát + CoA-SH |
Citrát syntáza ( EC ) |
Krotonizace | Nevratné, rozšiřuje oxalacetátu (4c) v molekule až šest atomů z uhlí |
2 | Citrát |
cis -Aconitate + H 2 O |
Akonitáza ( EC ) |
Dehydratace | Reverzibilní izomerizace |
3 |
cis -Aconitate + H 2 O |
Isocitrate | Hydratace | ||
4 |
Isocitrate + NAD + |
Oxalosukcinát + NADH + H + |
Isocitrate dehydrogenase ( EC ) |
Oxidace | Produkt NADH (ekvivalent 2,5 ATP ) |
5 | Oxalosukcinát |
α-ketoglutarát + CO 2 |
Dekarboxylace | Omezující reakce, nevratný krok, produkující molekulu s pěti atomy uhlíku. |
|
6 |
α-ketoglutarát + NAD + + CoA-SH |
Sukcinyl-CoA + NADH + H + + CO 2 |
Komplex Α-ketoglutarát dehydrogenázy ( EC ) |
Oxidační dekarboxylace |
Nevratný krok, produkující NADH (ekvivalent 2,5 ATP ), vedoucí k molekule se čtyřmi atomy uhlíku (kromě koenzymu A ) |
7 |
Succinyl-CoA + GDP + P i |
Succinate + CoA-SH + GTP |
Sukcinyl-CoA syntetáza ( EC ) |
Fosforylace | nebo ADP → ATP místo GDP → GTP, produkuje molekulu ATP nebo ekvivalentu Kondenzační reakce z HDP s P i a hydrolýze z sukcinyl-CoA zahrnuje molekulu H 2 O potřebné pro rovnováhu reakce. |
8 |
Sukcinát + CoQ 10 |
Fumarát + CoQ 10 H 2 (ubichinol) |
Sukcinát dehydrogenáza ( EC ) |
Oxidace | Používá FAD jako protetickou skupinu (FAD → FADH 2v první fázi reakce), což odpovídá 1,5 ATP |
9 |
Fumarát + H 2 O |
L- malát |
Fumaráza ( EC ) |
Hydratace | |
10 |
L- Malát + NAD + |
Oxaloacetát + NADH + H + |
Malát dehydrogenáza ( EC ) |
Oxidace | Reverzibilní (ve skutečnosti rovnováha podporuje tvorbu L- malátu ), produkt NADH (ekvivalent 2,5 ATP ) |
Citrát syntázy kondenzuje oxalacetátu a acetyl-CoA v citrátu se osvobození CoA . Vznikne přechodný meziprodukt, citroyl-CoA . Thioester vazba z acetyl-CoA je vazba s vysokým hydrolýzy potenciálem . Spojení aktivit hydrolázy a syntázy umožňuje termodynamickou syntézu . Tato reakce je regulačním krokem cyklu, přičemž sukcinyl-CoA , NADH , acetyl-CoA , citrát a ATP jako negativní efektor na rychlost reakce .
![]() |
+ Acetyl-CoA + H 2 O → CoA + |
![]() |
Oxaloacetát | Citrát | |
Citrát syntáza - EC |
Akonitázy , je lyáza , katalyzuje dehydrataci z citrátu v cis -aconitate . Ačkoli se citrátová molekula jeví jako symetrická, ukázalo se, že k odchodu vody dochází mezi atomy uhlíku odvozenými od oxaloacetátu :
![]() |
H 2 O + |
![]() |
Citrát | cis- acetát | |
Akonitáza - EC |
Akonitázy také katalyzuje hydrataci cis -aconitate v izocitrát :
![]() |
+ H 2 O |
![]() |
cis- acetát | Isocitrate | |
Akonitáza - EC |
Dvě předchozí kroky, katalyzované akonitázy vést k izomerizaci z citrátu do izocitrát :
![]() |
H 2 O + |
![]() |
![]() |
|
Citrát | cis- acetát | Isocitrate | ||
Akonitáza - EC |
Isocitrátdehydrogenáza , An oxidoreduktázy , katalyzuje oxidaci a isocitrát v oxalosuccinate :
![]() |
+ NAD + NADH + H + + |
![]() |
Isocitrate | Oxalosukcinát | |
Isocitrate dehydrogenase - EC |
Eukaryontní Použít isocitrátdehydrogenáza NAD + -dependentní ( ES ), která vyžaduje jako kofaktor ionty Mn 2+ nebo Mg 2+ . Tyto prokaryotes sami používat isocitrátdehydrogenáza NADP + -dependentní ( EC ).
Isocitrátdehydrogenáza katalyzuje také dekarboxylace v oxalosuccinate , těkavé, a-ketoglutarát za vývoje CO 2v nevratné reakci:
![]() |
→ CO 2 + |
![]() |
Oxalosukcinát | α-ketoglutarát | |
Isocitrate dehydrogenase - EC |
Je to také regulační krok v cyklu, přičemž NADH a ATP jsou negativními efektory . Přítomnost ADP naopak podporuje aktivitu isocitrát dehydrogenázy, a tím i rychlost této reakce.
Α-ketoglutarát dehydrogenázy katalyzuje oxidativní dekarboxylace z alfa-ketoglutarátu na sukcinyl-CoA s výrobou NADH + H + a uvolnění CO 2. Jedná se o reakci podobnou té, která převádí pyruvát na acetyl-CoA , katalyzovanou komplexem pyruvát dehydrogenázy . Tento enzymový komplex postupně zahrnuje tři enzymy - α-ketoglutarát dehydrogenázu , dihydrolipoamid S-sukcinyltransferázu a dihydrolipoyl dehydrogenázu - a pět kofaktorů : TPP , lipoamid , koenzym A , FAD a NAD + . Tato reakce je nevratná.
![]() |
+ CoA-SH + NAD + → NADH + H + + CO 2 + |
![]() |
α-ketoglutarát | Succinyl-CoA | |
Komplex Α-ketoglutarát dehydrogenázy - EC |
NADH se GTP a sukcinyl-CoA jsou negativní efektory na aktivitu enzymatického komplexu.
Syntetázy sukcinyl CoA nebo sukcinát thiokináza , převádí sukcinyl-CoA na sukcinát a koenzymu A , které tvoří molekulu GTP v zvířete nebo ATP v rostlinách a bakteriích . Tato reakce je reverzibilní.
![]() |
+ GDP / ADP + Pi GTP / ATP + CoA + |
![]() |
Succinyl-CoA | Succinate | |
sukcinyl-CoA syntetáza (tvořící GTP / ATP) - EC / EC |
Sukcinát dehydrogenázy , An oxidoreduktázy , katalyzuje oxidaci z sukcinátu na fumarát se současným snížením ubichinonu ( koenzym Q 10) v ubichinolu (CoQ 10 H 2). Tento enzym flavoprotéique do ADF je komplex II z dýchacího řetězce . Je inhibován malonátem . Protože FAD je protetická skupina kovalentně spojená s enzymem, přenáší pouze elektrony a protony na „skutečný“ substrát CoQ 10 ..
![]() |
+ FAD FADH 2 + |
![]() |
Succinate | Fumarát | |
Sukcinát dehydrogenáza - EC |
Tato reakce je čtvrtou a poslední regulační reakcí v cyklu. Malonát je zde kompetitivní inhibitor.
Fumaráza , je lyáza katalyzuje hydrataci fumarátu k L -malátová .
![]() |
+ H 2 O |
![]() |
Fumarát | L- malát | |
Fumaráza - EC |
Malát dehydrogenáza , An oxidoreduktázy , převádí L -malátová v oxalacetátu s tvorbou NADH + H + .
![]() |
+ NAD + NADH + H + + |
![]() |
L- malát | Oxaloacetát | |
Malát dehydrogenáza - EC |
Tato reakce je katalyzována NAD + závislou malátdehydrogenázou ( EC ) u eukaryot a na chinonu ( EC ) u prokaryot .
Krebsův cyklus se skládá z 10 kroků katalyzovaných osmi různými enzymy . Během cyklu jsou vyrobeny z jednoho molu z acetátu a až do CO 2 stupněa H 2 O :
Je vidět, že Krebsův cyklus produkuje pouze jeden ekvivalent ATP (jeden GTP ), to znamená méně než glykolýzu (čtyři molekuly ATP pro jednu molekulu glukózy , z nichž dvě se používají během „aktivační“ fáze glykolýzy. - kroky 1 a 3, které odpovídají fosforylacím ). Většina potenciální chemické energie se vyrábí ve formě redukční energie ( NADH + H + a CoQ 10 H 2). Toto snížení výkonu se následně použije v dýchacím řetězci z mitochondrií k výrobě dalších 11 ATP molekul pomocí protonového gradientu a ATP syntázy , která je někdy mylně připisované Krebsova cyklu.
Popis | Substráty | produkty |
Součet všech oxidačních reakcí acetyl-CoA podle Krebsova cyklu (kromě dýchacího řetězce ) odpovídá: | Acetyl-CoA + 3 NAD + + CoQ 10 + GDP + P i + 2 H 2 O | → CoA-SH + 3 (NADH + H + ) + CoQ 10 H 2 + GTP + 2 CO 2 |
Vrátíme-li se k dekarboxylaci pyruvátu , výsledky se stanou: | Pyruvát + 4 NAD + + CoQ 10 + GDP + P i + 2 H 2 O | → 4 (NADH + H + ) + CoQ 10 H 2 + GTP + 3 CO 2 |
Vrátíme-li se oxidace glukózy u glykolýzy , že výsledky se: | Glukóza + 10 NAD + + 2 CoQ 10+ 2 ADP + 2 GDP + 4 P i + 2 H 2 O | → 10 (NADH + H + ) + 2 CoQ 10 H 2 + 2 ATP + 2 GTP + 6 CO 2 |
To odpovídá celkově pro celé aerobní dýchání ( glykolýza , Krebsův cyklus, redukce NAD + a CoQ 10 koenzymů podle dýchacího řetězce ) mezi 30 a 38 ATP pro odhadovanou molekuly glukózy, v závislosti částečně na ATP-dependentní mitochondriální raketoplánu používané k přepravě NAD + z glykolýzy.
Využití glukózy prostřednictvím aerobního dýchání je energetičtější než fermentace .
V přítomnosti velkého množství acetyl-CoA může být Krebsův cyklus ohromen, zejména u diabetiků se závažným nedostatkem inzulínu nebo po dlouhodobém hladovění ( další podrobnosti viz diabetická ketoacidóza ).
Ačkoli je Krebsův cyklus mezi druhy obecně velmi konzervativní, existují významné rozdíly v enzymech přítomných v různých taxonomech . Zejména existují rozdíly mezi prokaryoty a eukaryoty . Konverze D - threo- isocitrátu na a-ketoglutarát je tedy katalyzována NAD + závislou isocitrát dehydrogenázou ( EC ) u eukaryot, ale NADP + ( EC ) u prokaryot. Totéž platí pro konverzi L -malátová na oxalacetát , katalyzované pomocí NAD + dependentní malátové dehydrogenázy ( ES ) v eukaryotech a chinonu dependentní ( EC ) v prokaryotes.
Konverze sukcinyl-CoA na sukcinát podle sukcinyl-CoA-syntetázy exponáty významná variabilita. Většina živých tvorů používá enzym závislý na ADP ( EC ), zatímco savci také používají isoformu tohoto enzymu závislou na GDP ( EC ). Rychlost použití každé z těchto dvou forem enzymu závisí na uvažovaných tkáních . U určitých bakterií produkujících acetát, jako je Acetobacter aceti (en) , je to úplně jiný enzym, který katalyzuje tuto reakci, v tomto případě sukcinyl-CoA: acetát CoA-transferáza ( EC ): tento enzym provádí spojení octové kyselý metabolismus s Krebsovým cyklem v těchto organismech. Některé bakterie, jako je Helicobacter pylori, používají pro tuto reakci ještě jiný enzym, v tomto případě 3-oxokyselinu CoA-transferázu ( EC ).
Existuje také určitá variabilita v předchozím kroku, to znamená v přeměně a-ketoglutarátu na sukcinativně-CoA . Většina živých tvorů používá komplex α-ketoglutarát dehydrogenázy , ale některé bakterie používají α-ketoglutarát syntázu ( EC ). Jiné organismy, včetně bakterií a archaea autotrofní a povinné methanotrofní zcela obcházejí sukcinyl-CoA a konverzi a-ketoglutarátu na sukcinát přes na sukcinát semialdehyd působením postupně na α-ketoglutarát dekarboxylázy ( ES ) a sukcinát-semialdehyd-dehydrogenázy ( EC ).
Lze regulovat ireverzibilní stádia Krebsova cyklu: stádium komplexu citrát syntáza , isocitrát dehydrogenáza a α-ketoglutarát dehydrogenáza :
Regulace Krebsova cyklu závisí především na dostupnosti substrátu a inhibici reakčními produkty. Pokud by tyto reakce nebyly regulovány, Krebsův cyklus by plýtval velkým množstvím metabolické energie produkcí přebytečného ATP a redukovaných koenzymů , jako je NADH .
Práce publikované v roce 2007 ukázaly důležitou souvislost mezi meziprodukty Krebsova cyklu a regulací faktorů indukovaných hypoxií ( HIF ). Hrají roli v homeostáze z kyslíku jako transkripčních faktorů se podílejí na angiogenezi , vaskulární remodelace, mobilizaci glukózy , transportu iontů a apoptózy . HIF jsou syntetizovány konstitutivně a hydroxylace alespoň jedné ze dvou zbytků z prolinu se podílí na jejich interakci s komplexním ubiquitin ligázy , který je jmenuje jako cíl pro rychlé degradaci. Tato reakce je katalyzována prokolagen-prolin dioxygenázami . Fumarát a sukcinát jsou účinnými inhibitory těchto enzymů, které by mohly stabilizují HIF.
Několik metabolických drah konverguje v Krebsově cyklu. Většina z těchto reakcí produkuje metabolity účastnící se cyklu, a jsou tedy anaplerotickými reakcemi ; procesy, které na druhé straně konzumují metabolity Krebsova cyklu, jsou považovány za kataplerotické.
Všechny meziprodukty Krebsova cyklu - jako je citrát , isocitrát , α-ketoglutarát , sukcinát , fumarát , L- malát a oxaloacetát - se regenerují s každým otočením cyklu. Zvýšení dostupného množství jednoho z těchto metabolitů zvyšuje celkové množství všech metabolitů v cyklu, protože každý meziprodukt se postupně převádí na všechny ostatní meziprodukty v cyklu. To je důvod, proč produkce kteréhokoli z metabolitů Krebsova cyklu má obecný anaplerotický účinek na tento cyklus, zatímco konzumace kteréhokoli z metabolitů má kataplerotický účinek také na celý cyklus.
Pyruvát molekuly vzniklé glykolýzy jsou aktivně transportovány z cytosolu do mitochondriální matrix přes vnitřní mitochondriální membránu . Poté, co v matrici, mohou být oxidovány a reagují s koenzymem A, za vzniku CO 2, Acetyl-CoA a NADH , nebo mohou být karboxylované podle pyruvátkarboxyláza za vzniku oxalacetátu . Jedná se o anaplerotickou reakci, která zvyšuje tok, a tudíž tok Krebsovým cyklem, když buňka čelí zvýšené potřebě metabolické energie, například v myocytech .
Acetyl-CoA , nicméně, odvozený z oxidace z pyruvátu nebo z beta-oxidace z mastných kyselin , se nikdy regeneruje Krebsovým cyklem: naopak, každé kolo z spotřebovává cyklu jedna molekula acetyl-CoA na oxalacetát molekula v mitochondriální matrix, zatímco acetyl zbytek z acetyl-CoA je plně oxiduje na CO 2a H 2 Oprostřednictvím dýchacího řetězce , což umožňuje metabolická energie se získá ve formě ATP u oxidativní fosforylace .
Metabolické dráhy, které produkují nebo konzumují acetyl-CoA, proto nejsou pro Krebsův cyklus anaplerotické ani kataplerotické.
V játrech je karboxylace cytosolického pyruvátu na mitochondriální oxaloacetát pokročilým krokem v glukoneogenezi , která přeměňuje laktát a deaminovaný alanin na glukózu účinkem zvýšené hladiny glukagonu a / nebo adrenalinu v krvi . Za těchto podmínek tvorba oxaloacetátu v mitochondriích nevykazuje anaplerotický účinek, protože mitochondriální L- malát se spotřebovává za vzniku cytosolického oxaloacetátu, který se převádí na glukózu.
V procesu degradace z proteinů , jsou polypeptidové řetězce jsou štěpeny pomocí peptidáz v aminokyselinách , které je tvoří. Jejich uhlíkový řetězec pak může:
V procesu lipolýzy , triglyceridy jsou hydrolyzovány na glycerol a mastné kyseliny . V játrech , glycerol může být převedena na glukózu pomocí na fosfátové dihydroxyacetonem a glyceraldehyd-3-fosfát v kontextu glukoneogenezi . V mnoha tkáních , včetně srdce a kosterních svalů , se mastné kyseliny odbourávají pomocí β-oxidace , která produkuje mitochondriální acetyl-CoA schopný připojit se ke Krebsovu cyklu. Mastné kyseliny s lichým počtem atomů z uhlíku a potravinářský propionyl-CoA , který je přeměněn na sukcinyl-CoA , a vstoupí do Krebsova cyklu meziproduktu jako anaplerotická.
Na biosyntéze důležitých sloučenin se podílí několik metabolitů Krebsova cyklu , což vykazuje významný kataplerotický účinek na cyklus.
Jak je acetyl-CoA nemůže opustit mitochondrie, jak to je , že je citrát , který je transportován přes vnitřní mitochondriální membrány z mitochondriální matrix do cytosolu , kde je štěpen na acetyl-CoA a oxalacetátu od ATP citrát lyázy . Oxalacetát může být použit pro glukoneogenezi v játrech , nebo může být převeden na L -malátová a vstoupit do mitochondrie. Cytosolický acetyl-CoA se používá k biosyntéze mastných kyselin a cholesterolu . Ten může být dále použit k výrobě steroidní hormony , na žlučové kyseliny a vitamin D .
Během glukoneogenezi , mitochondriální oxalacetát je snížena na malát , který je následně transportován ven z mitochondrií, které mají být oxidovány znovu do oxalacetátu v cytosolu . Ten se potom dekarboxyluje na fosfoenolpyruvát podle fosfoenolpyruvát karboxykinázy , který je kineticky určující krok v přepočtu na glukózu z prakticky všech glucoforming prekurzorů - například glucoforming aminokyseliny a laktátu - u jater a ledvin .
Uhlíkový řetězec z mnoha neesenciální aminokyseliny pochází z metabolitů Krebsova cyklu. Aspartát a asparagin a jsou odvozeny od oxalacetátu , zatímco glutaminu , na prolin a arginin jsou odvozeny od a-ketoglutarát . Aminová skupina pochází z glutamátu podle transaminací na a-ketokyseliny s použitím enzymů pomocí pyridoxal fosfát jako kofaktor ; během těchto reakcí se glutamát převádí na α-ketoglutarát, který je metabolitem Krebsova cyklu.
Aspartát a glutamin jsou zapojeny i v biosyntéze z nukleobází purinových vstupu do složení nukleové kyseliny - DNA a RNA - stejně jako nukleotidy , jako je ATP , je cyklický AMP , na NAD , v ADF a CoA . Pyrimidinové nukleové báze jsou odvozeny od aspartátu , který je sám odvozen od oxaloacetátu .
Většina atomů uhlíku v porfyrinech pochází ze sukcinyl-CoA , metabolitu Krebsova cyklu. Porfyriny jsou prostetické skupiny z hemoproteiny , jako je hemoglobin , myoglobin, a cytochromů .