Citromsavciklus: Anyagcsere-folyamat

Ezekben az aerob organizmusokban a citromsavciklus annak az anyagcsere-útvonalnak a része, amelyben a szénhidrátok, zsírok és fehérjék CO₂-dá és vízzé alakulnak, miközben energia termelődik.

A szénhidrátlebontás és ATP-termelés folyamatában végbemenő négy anyagcsere-útvonalból ez a harmadik. A megelőző kettő a glikolízis és a piruvátoxidáció, a következő pedig a légzési lánc.

A citromsavciklusban előanyagok (prekurzorok) is termelődnek (például aminosavak), és néhány reakciója fontos olyan sejtekben is, melyek fermentációt végeznek.

A Szent-Györgyi–Krebs-ciklus felfedezőiről, Szent-Györgyi Albertről és Hans Adolf Krebsről kapta a nevét. Szent-Györgyit 1937-ben a citrátkör egyes reakcióinak kutatásáért (és a C-vitamin vizsgálatáért), Krebst pedig 1953-ban a citrátkör felfedezéséért Nobel-díjjal jutalmazták.

A folyamatban két szénatom CO₂-dá oxidálódik, az elektronok NAD-ra és ubikinonra kerülnek, tiszta nyereségnek a GTP tekinthető.

 

• A citromsavciklus elején az acetil-CoA átadja a két szénatomos acetilcsoportját a négy szénatomból álló oxálacetát molekulának és így citrát (citromsav) keletkezik (6 szénatomos).
• A citrát ezután több átalakuláson megy keresztül, először az egyik, majd a másik karboxilcsoportját is elveszti CO₂ formájában.
• A folyamat oxidatív lépései során felszabaduló energia nagyenergiájú elektronok formájában a NAD⁺-hoz jut és NADH képződik belőlük. Minden citromsavciklusba került acetilcsoportból három molekula NADH képződik.
• Az elektronfelvételre képes FAD-ra kerülő elektronokat ubikinonnak adja, redukálva ubikinollá.
• A 4 szénatomos oxálecetsav-molekula minden ciklus végén újraképződik és a ciklus folytatódik.

Egy ciklus alatt egy GTP, három NADH, egy ubikinol és két CO₂ keletkezik.

Mivel minden glükózmolekulából két acetil-CoA keletkezik, glükózmolekulánként két ciklusra van szükség. Ebből kifolyólag mindenből a duplája képződik: kettő GTP, hat NADH, kettő ubikinol és négy CO₂.

A fenti reakciók akkor vezetnek egyensúlyra, ha a P_i a H₂PO₄^- iont, az ADP és a GDP rendre az ADP^2- és a GDP^2- iont, az ATP és a GTP rendre az ATP^3- és a GTP^3- ionokat jelölik).

Ha számításba vesszük, hogy a GTP később ATP-vé alakul és a maximum 28 ATP-t, ami a 10 NADH-ből és a 2 ubikinolból keletkezik az oxidatív foszforiláció során, azt kapjuk, hogy egy glükózmolekulából maximálisan 30-32 ATP-molekula képződhet.

1. reakció: citrát-szintáz

A ciklus első reakciójában citrát képződik. Az acetil-CoA oxálacetáttal citrátot képez kondenzációs, majd hidrolitikus reakció során. Az irreverzibilis reakciót (ΔG'°=-31,4 kJ/mol) a citrát-szintáz enzim katalizálja. Az enzim először a mitokondriumban alacsony koncentrációban jelen levő oxálacetátot köti, majd egy konformációváltozás után az acetil-CoA is kötődni tud. Köztitermékként citril-CoA képződik, ebből H2O belépésével CoA szabadul fel. A magas magas csoportátviteli potenciájú tioészterkötés hidrolízise a reakciót erősen exergonikussá teszi, ami azért fontos, mert az oxálacetát koncentrációja alacsony. A szubsztrátok kötődési sorrendje azért fontos, mert így az enzim nem tudja az acetil-CoA-t hidrolizálni. A tioészterkötés hidrolízisének feltétele a citril-CoA létrejöttéhez kötődő konformációváltozás. A reakció terméke, a citrát tovább alakulhat a mitokondriumban, vagy a transzportrendszeren keresztül a citoszolba kerülhet. A citrát citoszolba történő transzportja a mitokondriumban képződő acetil-CoA citoszolba jutását szolgálja, ahol főleg zsírsavak és koleszterin szintézisére használódik fel valamint a NADPH termelését is lehetővé teszi.

2. reakció: akonitáz

A mitokondriumban maradó citrát reverzibilis izomerizáció során átalakulhat izocitráttá. A folyamat kétlépéses és átmeneti dehidratálással jár. A reakciót az akonitáz enzim katalizálja, amely egy FeS-központot tartalmaz. A központ a szubsztrátkötésben, a vízaddícióban és a dehidrációban is szerepet játszik. A cisz-akonitát, mely köztitermékként jön létre, az enzimhez kötődik. Egyensúlyi állapotban csak 6-7%-ban izomerizálódik a citrát, de a folyamat az aktuális koncentrációktól függ, ami folyamatosan változik a sejt energiaállapota szerint. Az izocitrát fogyásának sebessége az izocitrát-dehidrogenáz enzim aktivitásától függ.

3. reakció: izocitrát-dehidrogenáz

Az izocitrát-dehidrogenáz enzim az első dehidrogenálást katalizálja. A reakció során α-ketoglutarát és CO2 keletkezik, egy NAD+-molekula pedig redukálódik. Az irreverzibilis reakció oxidatív dekarboxilálás. Az α-ketoglutarát a mitokondriumban különböző folyamatokban vehet részt.

4. reakció: α-ketoglutarát-dehidrogenáz

Az α-ketoglutarát-dehidrogenáz enzimkomplex működése a piruvát-dehidrogenáz enzimkomplexhez hasonló. Ez az enzim az α-ketoglutarát szukcinil-koenzim-A-vá való átalakulását katalizálja. A reakció irreverzibilis oxidatív dekarboxilezés, melynek során az alfa-ketosav oxidációjából származó energia segítségével magas csoportátviteli potenciálú tioészterkötés jön létre. A komplex három enzimből épül fel: α-ketoglutarát-dehidrogenáz, dihidrolipoil-transzszukciniláz és dihidrolipoil-reduktáz. Ugyanazok a kofaktorok szükségesek a működéshez itt, mint a piruvát-dehidrogenáz-komplex esetében. A folyamatban szukcinil-CoA és CO2 képződik, valamint egy NAD+-molekula redukálódik. A piruvát-dehidrogenázzal ellentétben ez a komplex nem tartalmaz kinázt és foszfatázt. A szukcinil-CoA a porfirinszintézis előanyaga, ezért távozhat a körfolyamatból.

5. reakció: szukcinil-CoA-szintetáz

A szukcinil-CoA-szintetáz enzim a szukcinil-CoA hidrolízisét katalizálja, melynek során CoA és szukcinát keletkezik. A magas csoportátviteli potenciálú reakcióhoz kapcsolt reakció a foszforiltranszfer. Első lépésként a reakcióban átmenetileg maga az enzim, majd GDP foszforilálódik GTP-vé – mely energetikailag ekvivalens az ATP-vel. A reakció szubsztrátszintű foszforiláció, melyben nagy energiájú kötés alakul ki a légzési lánctól függetlenül.

6. reakció: szukcinát-dehidrogenáz

A szukcinát-dehidrogenáz enzim a szukcinát fumaráttá való oxidációját katalizálja. Ebben a lépésben kapcsolódik a citromsavciklus a légzési lánchoz. Az enzim több FeS központot tartalmazó flavoprotein. A reverzibilis reakció sztereospecifikus, kizárólag fumarát képződik. Az enzim a többitől eltérően a mitokondrium belső membránjában helyezkedik el és a terminális oxidációs légzési lánc II. komplexének része. Az enzimhez kovalensen kötött FAD redukálódik és a keletkező FADH2 hidrogénjei redukálják az ubikinont.

7. reakció: fumaráz

A fumaráz enzim által katalizált reakcióban egy proton (H+) és egy OH- csoport kapcsolódik a fumaráthoz transz helyzetben, melyek egy vízmolekulából származnak. Az addíció sztereospecifikus, kizárólag a malát L-izomerje képződik, ellenkező irányban is csak fumarát képződhet. (A maleát, a fumarát cisz-izomerje és a D-malát nem szubsztrátja az enzimnek.)

8. reakció: malát-dehidrogenáz

A ciklus utolsó enzime, a malát-dehidrogenáz a malát oxálacetáttá való átalakulását katalizálja. Az enzim a NAD+ koenzimmel működik. A reakció ΔG'°=+29,7 kJ/mol ellenére reverzibilis. Az egyensúlyi koncentrációviszonyok szerint a reakció a malátképződés irányába lenne eltolva. Az aktuális oxálacetát-koncentráció azonban igen alacsony (10−6 M), illetve a reakció NADH/NAD+ arány szerint tolódhat az oxálacetát irányába.

Bár a piruvát-dehidrogenáz gyakorlatilag nem része a citromsavciklusnak, mégis fontos szerepet játszik benne.

A citromsavciklus több enzimét negatív feedback-ként szabályozza az ATP, ha nagy a sejt energiatöltete (energy charge). Ide tartozik a piruvát-dehidrogenáz, a citrát-szintáz, az izocitrát dehidrogenáz és az alfa-ketoglutarát dehidrogenáz is. Ezek az enzimek, melyek a citromsavciklus első három lépését szabályozzák, gátlódnak, ha megnő az ATP koncentrációja. Ez a szabályzás biztosítja, hogy a citromsavciklus ne oxidáljon piruvátot és acetil-CoA-t, ha elegendő ATP van a sejtben. A negatív feedback alloszterikus mechanizmus által megy végbe.

Több enzim negatívan szabályozódik, mikor a redukáló ekvivalensek szintje magas a sejtben (magas NADH/NAD⁺ arány). Ez a szabályzómechanizmus NADH szubsztrát-inhibíciója (gátlás) során valósul meg, azokon az enzimeken, melyeknek a NAD⁺ a szubsztátja. Ide tartozik a piruvát-dehidrogenáz, a citrát-szintáz, az izocitrát-dehidrogenáz és az alfa-ketoglutarát-dehidrogenáz.

A kalcium regulátor szerepet játszik. Aktiválja a piruvát-dehidrogenázt, az izocitrát-dehidrogenázt és az oxoglutarát-dehidrogenázt. Ez megnöveli a reakciósebességet a ciklus több lépésében és növeli a fluxust a metabolikus útvonal egészében.

A citrát feedback gátlást végez, mivel gátolja a foszfofruktokináz enzimet, ami a glikolízisben fruktóz-1,6-bifoszfátot állít elő, ami a piruvát prekurzora (előanyaga).

Ez meggátolja az állandó magas fluxust, ha felgyülemlik a citrát és csökken a enzim számára szükséges szubsztrát mennyisége.

A legtöbb katabolikus (lebontó) anyagcsere-útvonal a citromsavciklusban egyesül. Azokat a reakciókat, amelyek a citromsavciklus köztitermékeit hozzák létre, (azért, hogy feltöltsék azt, ha kevés van belőlük) anaplerotikus reakcióknak nevezzük.

A citromsavciklus a szénhidrát-lebontás (cukorbontás) harmadik lépése. A glikolízis során a glükóz (6 C atom) piruvátra (3 C atom) bomlik. Az eukariótákban a piruvát a mitokondriumba jut és itt acetil-CoA-vá alakul a piruvát dekarboxiláció során, majd belép a citromsavciklusba.

A fehérjebontásban a fehérjéket proteáz enzimek aminosavakra bontják. Ezek az aminosavak bejutnak a sejtbe és ott energiává alakulhatnak a citromsavciklusban.

A zsírbontásban a trigliceridek hidrolizálnak, melynek eredményeképp zsírsavak és glicerin keletkezik.

A májban a glicerin glükózzá alakul dihidroxiaceton-foszfáton és glicerilaldehid-3-foszfáton keresztül a glükoneogenezis folyamatában.

Sok szövetben – különösképpen a szívizomszövetben – a zsírsavak a béta-oxidáció folyamatában bomlanak tovább, melynek eredményeképpen acetil-CoA keletkezik és ez beléphet a citromsavciklusba. Néha a béta-oxidáció során propionil-CoA jön létre, ami további glükóz képződéséhez használódik fel a májban.

A citromsavciklust minden esetben oxidatív foszforiláció követi.

A folyamat energiát von el (elektronok formájában) a NADH-tól és a ubikinoltól ezeket NAD⁺-dá és ubikinonná oxidálva, a körfolyamat tehát folytatódhat. A citromsavciklus maga nem használ fel oxigént, de az oxidatív foszforiláció igen.

Egy glükózmolekula teljes lebontásakor tehát (a glikolízis, a citromsavciklus és az oxidatív foszforiláció során) 36 ATP-molekula képződik.

A citromsavciklust amfibolikus anyacsere-útvonalnak nevezik, mert anabolikus és katabolikus folyamatokban is szerepet játszik.

• Neil A. Campbell, Jane B. Reece. Biology, 7th ed., Benjamin Cummings (2005. Dec). ISBN 978-0805371468 
• Solomon, E.P., Berg, L.R., Martin, D.W.. Biology. Brooks Cole (2005. Mar). ISBN 978-0534495480 
• Dr. Ádám Veronika, Dux L., Faragó A., Fésüs L., Machovich R., Mandl J., Sümegi B.. Orvosi biokémia, 2. kiadás, Medicina (2001. Mar). ISBN 963-2426916 

• Animáció a citromsavciklusról – Smith College
• Citromsavciklus. YouTube
• Megjegyzések a citromsavciklussal kapcsolatban Archiválva 2008. május 22-i dátummal a Wayback Machine-ben – rahulgladwin.com
• Részletes animáció Archiválva 2005. június 25-i dátummal a Wayback Machine-ben – johnkyrk.com
• citromsavciklus-teszt Archiválva 2008. július 6-i dátummal a Wayback Machine-ben – Pittsburghi Egyetem
• A citromsavciklus logikája – ufp.pt

A citromsavciklus anyagcsere-útvonala
oxálacetát malát fumarát szukcinát szukcinil-CoA                   NADH+ H+ NAD+ H2O ubikinol ubikinon CoA +ATP (GTP) Pi + ADP (GDP) acetil-CoA   + H2O     NADH + H+ + CO2 CoA NAD+   H2O   H2O   NAD(P)+ NAD(P)H + H+   CO2           citrát cisz-akonitát izocitrát oxálszukcinát α-ketoglutarát