CICLUL KREBS Ciclul Krebs (numit şi ciclul acidului citric sau ciclul acizilor tricarboxilici, descris de către Hans Hans Krebs) Krebs) reprez reprezint intăă calea calea de degra degradar daree oxida oxidativ tivăă a acetilacetil-CoA CoA rezultat rezultatăă din catabo catabolis lismul mul glucozei, al acizilor graşi şi al unor aminoacizi; deci acest proces metabolic reprezintă o cale inală comună pentru degradarea aerobă a celor trei categorii de combustibili metabolici! "eac "eac#i #iil ilee cicl ciclul ului ui Kreb Krebss au loc loc $n mitocondrie, enzime enzimele le iind iind locali localiza zate te $n ma matric tricea ea mitocondrială, libere sau ataşate de membrana mitocondrială internă!
1. Condensarea acetil -CoA cu oxalacetatul, oxalacetatul, cu formare f ormare de citrat. %rocesul debutează cu o condensare aldolică $ntre acetil-CoA şi oxalacetat& carbonul metilic al acetil-CoA este legat la carbonul carbonilic al oxalacetatului; intermediar se ormează citril-CoA, care este 'idrolizat rapid la citrat şi coenzima A! "eac#ia este catalizată de citrat sintază!
Hidroliza intermediarului tioesteric macroergic (citril-CoA) ace ca reac#ia să ie puternic exerg exergoni onică, că, deci deci ec'il ec'ilibr ibrul ul său este este net $n avoar avoarea ea citrat citratulu ului; i; acest acest apt apt este este esen# esen#ial ial pentru pentru unc#ionarea ciclului Krebs, $ntruct concentra#ia oxalacetatului $n celulă este redusă!
2. Transformarea Transformarea citratului n i!ocitrat. Aconitaza catalizează un proces reversibil de des'idratare a citratului la cis-aconitat, urmat de adi#ia apei la dubla legătură $n aşa el $nct se ormează izocitratul! eşi citratul are o moleculă simetrică, aconitaza reac#ionează cu acesta $ntr-o manieră asimetrică (are un situs activ asimetric), astel $nct cei * C care vor i pierdu#i $n etapele ulterioare nu derivă din acetil-CoA, ci din oxalacetat (abia $n rundele ulterioare ale ciclului Krebs se vor elimina cei * C ai acetil-CoA)!
". Con#ersia i!ocitratului n -ceto$lutarat. Izocitrat dehidrogenaza (+CH) catalizează oxidarea izocitratului $n prezen#ă de A , cu ormarea unui intermediar numit oxalo-succinat, oxalo-succinat, care apoi se decarboxilează la α-cetoglutarat!
./
0xistă două izoenzime ale +CH& - +CH - A dependentă, care se găseşte $n mitocondrii şi ac#ionează $n ciclul Krebs; - +CH - A% dependentă, care are localizare dublă (mitocondrială şi citosolică) şi care are rol $n generarea A%H (ce va servi ca agent reducător $n reac#ii anabolice reductive)!
%. &ecar'oxilarea oxidati#( a -ceto$lutaratului la succinil-CoA. Acest proces este catalizat de -cetoglutarat dehidrogenază (αK1-H), care este un complex enzimatic asemănător, din punct de vedere structural şi unc#ional, cu piruvat de'idrogenaza (este alcătuit din / enzime şi 2 coenzime& 3%%, acid lipoic, coenzima A, 4A şi A)! 5n această reac#ie, energia liberă dega6ată $n procesul de oxidare este conservată sub orma legăturii tioesterice din succinil-CoA (legătură de tip macroergic& ∆17 pentru 'idroliza succinilCoA este 89,: cal
). Transformarea succinil-CoA n succinat. 5n această reac#ie, energia eliberată prin scindarea legăturii tioesterice din succinil-CoA este utilizată pentru sinteza legăturii osat-macroergice din 13% sau A3%! "eac#ia este catalizată de succinat tiokinaza (succinil-CoA sintetaza), care are două izoenzime& - una speciică pentru A% (distribuită $n toate #esuturile); - o alta speciică pentru 1% (localizată $n #esuturile implicate $n procesul gluconeogenezei, care utilizează 13% $n una din reac#iile sale& icat şi rinic'i)!
Acesta reprezintă un *roces de fosforilare la ni#el de su'strat & energia eliberată prin decarboxilarea oxidativă a α-cetoglutaratului este conservată $n legătura tioesterică a succinil-CoA, iind apoi utilizată pentru sinteza A3% din A% şi %i! 13% ormat $n această reac#ie (sub ac#iunea succinat tioinazei speciice pentru 1%) poate ceda un osat A%-ului, pentru a genera A3%, $ntr-o reac#ie reversibilă catalizată de nucleozid difosfat kinaza& 13% A% 1% A3%!
+. &eidro$enarea succinatului la fumarat. =uccinatul se de'idrogenează $n prezen#a coenzimei 4A, sub ac#iunea succinat dehidrogenazei , cu ormarea acidului umaric (izomerul trans)! Această enzimă este legată de membrana mitocondrială internă şi reprezintă complexul ++ din lan#ul transportorilor de electroni!
.>
-. idratarea fumaratului la malat. Fumaraza (umarat 'idrataza) catalizează o reac#ie de 'idratare a umaratului; enzima are o stereospeciicitate ridicată& ac#ionează numai asupra izomerului trans (acidul umaric), nu ac#ionează asupra izomerului cis (acidul maleic)!
/. &eidro$enarea malatului la oxalacetat. Malat dehidrogenaza catalizează reac#ia de de'idrogenare, $n prezen#ă de A , a malatului, cu regenerarea oxalacetatului! 5n condi#ii standard, ec'ilibrul reac#iei este net spre ormarea malatului (∆17 ? @,. cal
Re!ultatul net *entru o rund( a ciclului Kre's & - o moleculă de acetil-CoA intră $n ciclu şi * molecule de C * sunt eliberate; - o moleculă de oxalacetat este utilizată pentru a orma citrat ($n prima reac#ie a ciclului) şi o moleculă de oxalacetat este regenerată ($n ultima reac#ie) B aceasta poate $ncepe o nouă rundă de reac#ii; - $n consecin#ă, o moleculă de oxalacetat poate asigura oxidarea unui număr considerabil de molecule de acetil-CoA, $ntruct se regenerează la inalul iecărei runde a ciclului (s-ar putea considera că oxalacetatul are un rol cataliticD $n cadrul ciclului Krebs); $ntr-adevăr, oxalacetatul se găseşte $n celulă $n concentra#ii mici, dar aceste cantită#i mici de oxalacetat pot asigura degradarea unor cantită#i mari de acetil-CoA!
Rolurile ciclului Kre's Ciclul Krebs are un rol central $n cadrul metabolismului, care nu se limitează doar la oxidarea acetil-CoA; el este un proces amfi'olic, avnd caracter dublu& catabolic şi anabolic! 1. Latura cata'olic( a ciclului Krebs constă $n degradarea acetil-CoA, cu generare de A3%! • 0xistă > reac#ii de oxidare $n ciclul Krebs (/ A -dependente şi una 4A-dependentă); energia liberă dega6ată $n aceste reac#ii este conservată sub orma a / molecule de AH şi a unei .2
molecule de 4AH*; aceste coenzime reduse vor transera ec'ivalen#ii reducători $n lan#ul respirator, cuplat cu osorilarea A% ?E sinteză de A3% (/ molecule pentru iecare moleculă de AH şi * molecule pentru 4AH*, deci $n total .. molecule de A3% sintetizate $n procesul fosforilării oxidative)! • 5n reac#ia succinat tioinazei se sintetizează . moleculă de A3% prin fosforilare la nivel de substrat ! • Filan#ul energetic global al ciclului Krebs este, deci, de 12 molecule de AT0 !
2. Latura ana'olic( a ciclului Krebs constă $n aptul că unii intermediari ai săi servesc ca precursori pentru o varietate largă de produşi, $n cadrul unor procese de biosinteză! • "ol $n $luconeo$ene!(& to#i intermediarii ciclului Krebs pot i olosi#i la sinteza de glucoză; după transormarea $n oxalacetat, ei se pot anga6a $n procesul gluconeogenezei! =c'eletele de C ale multor aminoacizi pot i utilizate pentru sinteza de glucoză după transormare $n diverşi intermediari ai ciclului Krebs!
.:
$lutamat şi as*artat; aceşti aminoacizi vor servi ulterior la sinteza altor aminoacizi, precum şi la sinteza nucleotidelor purinice şi pirimidinice! • Succinil-CoA este utilizată la sinteza emului, gruparea prostetică a 'emoproteinelor ('emoglobină, mioglobină, citocromi)! • Citratul 6oacă rol de trans*ortor al radicalului acetil (din componen#a acetil-CoA provenită din degradarea glucozei) din mitocondrie $n citoplasmă, $n vederea participării la biosinteza acizilor graşi! •
-cetoglutaratul şi oxalacetatul se transormă, prin reac#ii de transaminare, $n
α
Eta*ele de$rad(rii totale a $luco!ei G 5n anaerobioză, molecula de glucoză este degradată par#ial (pnă la lactat), cu generarea a * molecule de A3%! G 5n aerobioză, glucoza este degradată total, la C * şi H*, cu implicarea mai multor procese& +! 1licoliza pnă la piruvat, urmată de decarboxilarea oxidativă a piruvatului la acetil-CoA! ++! xidarea acetil-CoA la C * $n ciclul Krebs, cu conservarea energiei eliberate sub orma coenzimelor reduse AH şi 4AH*! +++! xidarea coenzimelor reduse $n lan#ul respirator, cuplat cu sinteza de A3% (procesul osorilării oxidative)!
.@
Bilanul
ener$etic al de$rad(rii totale, aero'e, a moleculei de $luco!( &
.! 1lucoză B piruvat ( glicoliza)& - reac#iile de osorilare la nivel de substrat B * A3% - reac#ia gliceralde'id-/-% de'idrogenazei& * x AH B * x / A3% ? : A3% $n procesul osorilării oxidative ?E bilan# al glicolizei desăşurate $n condi#ii aerobe& * : ? 9 A3%! *! %iruvat B acetil-CoA (reacţia piruvat dehidrogenazei)& - * x AH B * x / A3% ? : A3% $n procesul osorilării oxidative! /! Acetil-CoA B * C * (ciclul Krebs)& - * x .* A3% ? *> A3%! Total& 9 : *> ? "/ AT0! "ealiznd o compara#ie $ntre bilan#ul energetic al degradării anaerobe a glucozei, prin glicoliză la lactat (* A3%) şi bilan#ul degradării totale aerobe (/9 A3%), se observă că degradarea aerobă permite eliberarea $ntregii cantită#i de energie liberă con#inută $n molecula de glucoză şi conservarea acesteia sub ormă de A3%, deci are o eicien#ă energetică mult mai mare $n compara#ie cu degradarea anaerobă, care eliberează doar aproximativ 2 din energia moleculei de glucoză! concluzie, $n celule există dou( c(i de sinte!( a AT0 -ului& 5n condi#ii aerobe, cea mai mare parte a A3%-ului se produce $n procesul fosforil(rii oxidati#e& aceasta este calea ma6oră, dpdv cantitativ, de sinteză a A3%-ului $n celulă; 5n condi#ii anaerobe, osorilarea oxidativă nu poate avea loc B singura posibilitate de generare a A3%-ului este fosforilarea la ni#el de su'strat (deci această cale, minoră dpdv cantitativ, devine oarte importantă $n condi#ii de anaerobioză)! 5n • •
.9
Reacii ana*lerotice =unt reac#ii care au rolul de a aproviziona ciclul Krebs cu intermediari care au ost $ndepărta#i din acest proces pentru reac#ii biosintetice ($n limba greacă anaD $nseamnă din nouD, iar pliroD $nseamnă a umple, a completaD)! 5n condi#ii normale, $ntre procesele care $ndepărtează unii compuşi din ciclul Krebs şi cele care reintroduc aceşti compuşi $napoi $n ciclu există un ec'ilibru, astel $nct concentra#iile intermediarilor din această cale metabolică rămn relativ constante! eple#ia unora din intermediarii ciclului Krebs nu ar mai permite unc#ionarea sa optimă!
1. 0iru#at car'oxila!a catalizează principala reac#ie anaplerotică, ce duce la generarea de oxalacetat necesar pentru anga6area acetil-CoA spre degradare $n ciclul Krebs!
"eac#ia de carboxilare a piruvatului se realizează cu participarea 'iotinei (o vitamină 'idrosolubilă) $n calitate de coenzimă! %iruvat carboxilaza este activată alosteric de acetil-CoA (enzima are o activitate oarte redusă $n absen#a acestui modulator); astel, pe măsură ce acetil-CoA se ormează din piruvat (deci din glucoză), ea asigură automat propria sa degradare $n ciclul Krebs prin ormarea de oxalacetat! =căderea concentra#iei oricărui intermediar al ciclului Krebs va duce la acumularea de acetil-CoA B aceasta va activa piruvat carboxilaza B va creşte produc#ia de oxalacetat, ceea ce va permite anga6area unor cantită#i sporite de acetil-CoA $n ciclul Krebs!
2. alic en!ima catalizează carboxilarea reductivă a piruvatului, $n prezen#ă de A%H, cu ormare de malat !
Atunci cnd se desăşoară de la malat spre piruvat, reac#ia generează A%H, care este donor de ec'ivalen#i reducători pentru reac#ii de biosinteză reductivă!
". xidarea glutamatului sub ac#iunea $lutamat deidro$ena!ei duce la ormarea de α cetoglutarat ! 1lutamat A H* B α-cetoglutarat AHH H/ RE3LAREA CICLULUI KREBS Iiteza de desăşurare a ciclului acizilor tricarboxilici depinde de următorii actori&
1. &is*oni'ilitatea de su'strate & acetil-CoA şi oxalacetat! .J
Atunci cnd, $n urma degradării glucozei (sau a altor substrate energogene), se ormează cantită#i mari de acetil-CoA, activitatea ciclului Krebs va i crescută!
2. &is*oni'ilitatea de 4A&5 ($n orma oxidată); aceasta, la rndul său, depinde de reoxidarea AH (ormat $n cele trei reac#ii de de'idrogenare) $n lan#ul respirator; viteza de desăşurare a lan#ului respirator depinde de disponibilitatea de A%, deci de starea energetică a celulei& - stare energetică 6oasă (tradusă prin A3%L M şi A%L N) B disponibilitatea mare de A% va duce la creşterea vitezei osorilării oxidative B accelerarea oxidării AH $n lan#ul respirator ?E creşterea cantită#ii de A $n orma oxidată B aceasta va permite creşterea vitezei ciclului Krebs; - stare energetică ridicată (tradusă prin A3%L N şi A%L M) B scăderea disponibilită#ii A% va duce la scăderea vitezei osorilării oxidative B $ncetinirea oxidării AH $n lan#ul respirator ?E M disponibilită#ii de A $n orma oxidată B scăderea vitezei ciclului Krebs! ". Acti#itatea celor trei en!ime care catalizează reac#iile exergonice din cadrul ciclului Krebs& citrat sintaza, izocitrat de'idrogenaza, α-cetoglutarat de'idrogenaza! En!ima
odulatori *o!iti#i
Citrat sintaza
A%
+zocitrat de'idrogenaza
A%
α-cetoglutarat
odulatori ne$ati#i A3% AH Citrat A3% AH =uccinil-CoA AH
de'idrogenaza
a) Citrat sintaza - este modulată alosteric& - pozitiv de către A%; - negativ de către A3%, AH şi citrat! b) Izocitrat dehidrogenaza - este cel mai important punct de control al ciclului acizilor tricarboxilici (etapa limitantă de viteză)! Această enzimă este modulată alosteric& - pozitiv de către A%; - negativ de către A3% şi AH! c) -cetoglutarat dehidrogenaza - este in'ibată alosteric de către succinil-CoA şi AH (produşi de reac#ie)! 0xisten#a unor cantită#i mari de AT0 $n celulă semniică satisacerea necesită#ilor energetice ale celulei B A3% determină scăderea vitezei de desăşurare a ciclului Krebs prin in'ibarea alosterică a două dintre enzimele supuse controlului metabolic! • Concentra#ii mari de A&0 $n celulă semniică deple#ia rezervelor de A3% B A% determină accelerarea ciclului Krebs prin activarea a două dintre enzime, $n elul acesta generndu-se noi cantită#i de A3%! • Acumularea de 4A& (produs al reac#iilor catalizate de izocitrat de'idrogenaza şi αcetoglutarat de'idrogenaza) duce la in'ibarea activită#ii acestor două enzime, precum şi a citrat sintazei! • Acumularea de citrat (produs de reac#ie al citrat sintazei) şi de succinil6CoA (produs de reac#ie al α-cetoglutarat de'idrogenazei) determină in'ibi#ia eed-bac a celor două enzime! •
*O
SISTEE &E TRA4S07RT AL ECI8ALE49IL7R RE&UC:T7RI &I4 CIT7S7L ;4 IT7C74&RIE 5n condi#ii aerobe, AH-ul ormat $n reac#ia gliceralde'id-/-% de'idrogenazei din glicoliză (proces citosolic) este reoxidat $n lan#ul respirator mitocondrial! 5n acest scop, AH trebuie să treacă din citoplasmă $n mitocondrie, $nsă membrana mitocondrială internă este impermeabilă pentru AH! in acest motiv, sunt necesare sisteme de transport al ec'ivalen#ilor reducători din AH citosolic spre matricea mitocondrială pe o cale indirectă, cu a6utorul aşa-numitelor naveteD! 4unc#ionarea acestor sisteme de transer se bazează pe existen#a unor de'idrogenaze cu localizare dublă, citosolică şi mitocondrială! .! 4a#eta malatului (unc#ionează $n ficat şi miocard )&
- AH reduce oxalacetatul la malat sub ac#iunea malat de'idrogenazei (PH) citosolice; - malatul este transportat $n mitocondrie cu a6utorul transportorului malat<α-cetoglutarat; - $n matrice, malatul este oxidat la oxalacetat, ec'ivalen#ii reducători iind transera#i pe A sub ac#iunea PH mitocondriale B AH ormat va i oxidat $n lan#ul respirator B generarea a / molecule de A3%; - oxalacetatul se $ntoarce $n citosol sub ormă de aspartat (ormat printr-o reac#ie de transaminare)! *! 4a#eta $licerol-fosfatului (unc#ionează $n muşchiul scheletic şi creier )& - AH reduce di'idroxiaceton-osatul la glicerol-/-% sub ac#iunea glicerol-/-% de'idrogenazei citosolice (A-dependentă); - o glicerol-/-% de'idrogenază (4A-dependentă) legată de a#a externă a membranei mitocondriale interne transeră ec'ivalen#ii reducători de pe glicerol-/-% pe 4A, cu ormare de 4AH*; ulterior aceştia sunt transera#i pe coenzima Q din lan#ul respirator, $n inal generndu-se * molecule de A3%!
*.
**
