Citrátový cyklus
Oxidace proteinů, tuků a cukrů jako zdroj energie v živých organismech 1. stupeň: OXIDACE cukrů, tuků a některých aminokyselin – tvorba Acetyl-CoA a akumulace elektronů v NADH a FADH2 2. stupeň: OXIDACE acetátu v citrátovém cyklu a akumulace elektronů v NADH a FADH2 3. stupeň: elektrony z NADH a FADH2 vstupují do elektrontransportního řetězce a jejich postupný tok až k O2 vede k akumulaci energie a tvorbě ATP
Částečná a celková oxidace glukózy
Glykolýza G’° = -146 kJ/mol
2
GLUCOSE
Plná oxidace (+ 6 O2)
G’° = -2,840 kJ/mol
6 CO2 + 6 H2O
Buněčné dýchání • proces oxidace organických látek kyslíkem a vznik CO2
• oxidace cukrů, tuků, aminokyselim a některých meziproduktů metabolismu • akumulace energie ve formě ATP
• objevuje se asi před 2.5 miliardou let • stejný princip u zvířat, rostlin a řady mikroorganismů • tři stupně: 1. produkce Acetyl-CoA 2. oxidace Acetyl-CoA
3. přenos eletronů, tvorba gradientu pH a následně ATP
1. stupeň - buněčné dýchání
2. stupeň - buněčné dýchání
3. stupeň - buněčné dýchání
U eukaryot je citrátový cyklus lokalizován v mitochondriích • Glykolýza v cytoplasmatu • Citrátový cyklus v mitochondriální matrix† • Oxidativní fosforylace na vnitřní mitochondriální membráně
†
S výjimkou sukcinát dehydrogenázy ve vnitřní mitochondriální membráně
Oxidace acetyl-CoA v Citrátovém cyklu
Citrátový cyklus Krebsův cyklus Cyklus trikarboxylových kyselin TCA cyklus
Citrátový cyklus
Sekvence dějů v Citrátovém cyklu • Krok1: tvorba C-C vazby, vznik citrátu • Krok 2: Izomerizace citrátu • Krok 3-4: Oxidativní dekarboxylace, vznik 2 NADH • Krok 5: Fosforylace na substrátové úrovni, vznik GTP • Krok 6: Dehydrogenace, vznik FADH2 • Krok 7: Hydratace • Krok 8: Dehydrogenace, vznik NADH
1) Syntéza citrátu
1) Syntéza citrátu • Jediná reakce cyklu ve které se tvoří C-C vazba • V podstatě ireverzibilní proces
2) Izomerizace citrátu
2) Izomerizace citrátu • Terciální alkohol je špatný substrát pro oxidaci • Eliminace H2O z citrátu, vznik cis C=C vazby • Adice H2O na cis-akonitát je stereospecifická • Izocitrát, sekundární alkohol, je dobrý substrát pro oxidaci
2) Izomerizace citrátu • Termodynamicky nevýhodná reakce • Rovnovážná konstanta – jen méně než 10% izocitrátu • Izocitrát je rychle spotřebováván následnými reakcemi
3) Dehydrogence izocitrátu
3) Dehydrogence izocitrátu •
Oxidace alkoholu na keton - přenos 2e- současně s protonem a hydridovým aniontem na NAD+
•
Vznik jedné molekuly NADH
•
Odštěpení jedné molekuly CO2
4) Oxidace -ketoglutarátu
4) Oxidace -ketoglutarátu • -ketoglutarátdehydrogenáza • Vznik jedné molekuly NADH • Odštěpení jedné molekuly CO2
5) Substrátová fosforylace
5) Substrátová fosforylace • Sukcinyl-CoA – vysokoenergetická thioesterová vazba • Energie rezonanční stabilizace produktu • Vznik GTP, které se může konvertovat na ATP
6) Dehydrogenace Sukcinátu
6) Dehydrogenace Sukcinátu • Dehydrogenace sukcinátu na fumarát • Tvorba dvojné vazby • Stereospecifická reakce • Tvorba FADH2
Sukcinátdehydrogenáza • Komplex II dýchacího řetězce • Enzym vnitřní mitochondriální membrány • Kovalentně vázané FAD se redukuje na FADH2 • Obsahuje tři Fe-S klastry • FADH2 předává elektrony přes Fe-S klastry na koenzym Q součást elektrontransportního řetězce
7) Hydratace fumarátu na malát
7) Hydratace fumarátu na malát • Fumaráza vysoce stereospecifická • Hydratace trans dvojné vazby (žádná cis specificita) • Adice OH- na fumarát karbanion intermediát • Adice H+ na karbanion • Reversibilní reakce (pouze L-malate)
8) Oxidace malátu na oxalacetát
8) Oxidace malátu na oxalacetát • Termodynamicky nevýhodná reakce • Oxidace probíhá jen díky velmi nízké koncentraci oxalacetátu • Ta je zajištěna kontinuální tvorbou citrátu
Produkty jednoho cykly
Produkty jednoho cykly Acetyl-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O 2CO2 +3NADH + FADH2 + GTP + CoA + 3H+ • Vstupuje jeden acetyl ve formě Acetyl-CoA • uhlík je oxidován na dvě molekuly CO2 • elektrony z oxidace jsou zachyceny na 3 NADH a 1 FADH2
• produkce jednoho GTP (ATP) • Jedna molekula oxalacetátu reaguje na citrát
• Jedna molekula oxalacetátu se regeneruje • Oxalacetát se může točit donekonečna
Výtěžek ATP z citrátového cyklu
Citrátový cyklus – centrum metabolismu • Není pouhým místem oxidace a konverze energie • Prekurzory různých produktů • Anaplerotické reakce – doplnění citrátového cyklu substráty
Role citrátového cyklu v anabolických reakcích
Anaplerotické reakce - Reakce doplňující metabolity do cyklu - Čtyřuhlíkaté intermediáty jsou tvořeny karboxylací tříuhlíkatých prekurzorů
Biosyntetické prekurzory produkované nekompletním citrátovým cyklem u baktérií
Role citrátového cyklu v anabolických reakcích
Regulace citrátového cyklu
Glyoxylátový cyklus • Centrální molekuly metabolismu pyruvát a acetyl-CoA • Obratlovci neumí metabolizovat acetyl-CoA na cukry
• Obratlovci mohou tvořit cukry z pyruvátu • Oxidace mastných kyslein vede ke vzniku acetyl-CoA • Obratlovci tedy neumí přeměnit tuky na cukry
Glyoxylátový cyklus • Glukoneogenese – pyruvát se konvertuje na oxalacetát ten dál na fosfoenolpyruvát a ten dál na cukry
• Reakce citrátového cyklu neprodukují oxalacetát z acetyl-CoA • Oxalacetát + acetyl-CoA
2CO2 + oxalacetát
• Glyoxylátový cyklus dělá sukcinát z acetyl-CoA • Sukcinát poté vstupuje do citrátoveého cyklu a tak vzniká molekula oxalacetátu navíc
Glyoxylátový cyklus
Vztah mezi glyoxylátovým a citrátovým cyklem • Glyoxylátový cyklus probíhá současně s citrátovým cyklem • Meziprodukty se mohou přesouvat mezi jednotlivými cykly (kompartmentace) • Konverze sukcinátu na malát v citrátovém cyklu a malátu na oxalacetát v cytosolu
Co musím znát • Role acetyl-CoA • Reakce citátového cyklu
• Produkty oxidace acetylu v citrátovém cyklu • Role citrátového cyklu v katabolismu • Role citrátového cyklu v anabolismu • Co jsou anaplerotické reakce • Glyoxylátový cyklus • Konverze acetátu na prekurzory biosyntézy cukrů
