The Krebs cyklus , også kaldet cyklus af citronsyre ved anglicisme er en metabolisk pathway til stede i alle organismer aerobe og hvis primære funktion er at oxidere de grupper acetyl , særlig fra nedbrydning af kulhydrater , de fedtstoffer og proteiner , til at genvinde energi i formen af otte elektroner med højt potentiale og overførsel af et molekyle af GTP eller ATP ; elektroner med høj overførselspotentiale, udvundet fra NADH og ubiquinol (CoQ 10 H 2eller coenzym Q 10 reduceret ), kan derefter cirkulere gennem åndedrætskæden for igen at tillade dannelse af yderligere ATP-molekyler ved oxidativ phosphorylering .
Denne cyklus blev opdaget i etaper i 1930'erne , flere af dens elementer er blevet identificeret af den ungarske molekylærbiolog Albert Szent-Györgyi mens dens cykliske funktion blev understreget af tyske biokemiker Hans Adolf Krebs i 1937. Det udfolder i cytoplasmaet af prokaryoter og i mitokondrier af eukaryoter . Det er en cyklus, fordi den sidste metabolit , oxaloacetat , også er involveret i den første reaktion. Det første trin er at overføre acetylgruppen fra acetyl-CoA til oxaloacetat for at danne citrat , hvilket gav ringen sit navn på engelsk og germansk. De følgende trin danner en sekvens af reaktioner, hver katalyseret af et specifikt enzym , hvilket fører til den gradvise oxidation af acetylgruppen i to kuldioxidmolekyler (C02) .). Dermed producerer denne cyklus også forløbere til biosyntese af visse proteinogene aminosyrer , mens NADH kan bruges i et stort antal biokemiske reaktioner .
Krebs-cyklussen er det almindelige slutpunkt for nedbrydning af polyholosider ( glykolyse , pentose-phosphatvej ), lipider ( β-oxidation ) og aminosyrer , hvilket resulterer i dannelsen af acetyl-CoA; sidstnævnte er en form for transport af acetylgrupper fra pyruvat . Der er også flugtreaktioner i cyklussen, der tillader forskellige biosyntese; den glyoxylat cyklus , fraværende i dyr , men til stede navnlig i planter , er et blandt mange eksempler på sådanne metaboliske pathways under anvendelse af Krebs cyklus.
Den omstændighed, at Krebs cyklus er afgørende for mange metaboliske veje, både anabolske og katabolske , tyder på, at det var sandsynligvis en af de første byggesten til cellulære stofskifte til at finde sted i løbet evolutionen. , Eventuelt ved abiogenesis . Det er relateret til reaktioner, der forekommer i anaerobe bakterier, og siges at have udviklet sig i flere faser; Der er teoretisk flere alternativer til Krebs-cyklussen, men sidstnævnte synes at være den mest effektive: hvis flere alternativer har udviklet sig uafhængigt, skal de alle have konvergeret mod Krebs-cyklussen.
Tabellen nedenfor opsummerer de ti trin i Krebs-cyklussen, katalyseret af otte forskellige enzymer . Disse trin er bemærkelsesværdigt konserveret afhængigt af arten , men enzymerne kan på den anden side afvige meget markant fra en organisme til en anden. Reaktionerne og enzymerne vist i denne tabel er de, der er almindelige hos pattedyr .
Underlag | Produkter | Enzym | Type reaktion | Bemærkninger | |
---|---|---|---|---|---|
1 |
Oxaloacetat + acetyl-CoA + H 2 O |
Citrat + CoA-SH |
Citratsyntase ( EC ) |
Krotonisering | Irreversible, strækker oxaloacetat (4C) i et molekyle med seks atomer af carbon |
2 | Citrat |
cis -Aconitate + H 2 O |
Aconitase ( EC ) |
Dehydrering | Reversibel isomerisering |
3 |
cis -Aconitate + H 2 O |
Isocitrat | Hydrering | ||
4 |
Isocitrat + NAD + |
Oxalosuccinat + NADH + H + |
Isocitratdehydrogenase ( EC ) |
Oxidation | Produkt af NADH (svarende til 2,5 ATP ) |
5 | Oxalosuccinat |
α-ketoglutarat + CO 2 |
Decarboxylering | Begrænsende reaktion, irreversibelt trin, der producerer et molekyle med fem carbonatomer. |
|
6 |
α-ketoglutarat + NAD + + CoA-SH |
Succinyl-CoA + NADH + H + + CO 2 |
Α-Ketoglutarat dehydrogenase kompleks ( EC ) |
Oxidativ decarboxylering |
Irreversibelt trin, der producerer NADH (svarende til 2,5 ATP ), hvilket fører til et molekyle med fire carbonatomer (eksklusive coenzym A ) |
7 |
Succinyl-CoA + BNP + P i |
Succinat + CoA-SH + GTP |
Succinyl-CoA-synthetase ( EC ) |
Fosforylering | eller ADP → ATP i stedet for BNP → GTP, producerer et molekyle af ATP eller tilsvarende Den Kondensationsreaktionen af BNP med P i og hydrolyse af succinyl-CoA involverer molekyle H 2 O krævet for ligevægt i reaktionen. |
8 |
Succinat + CoQ 10 |
Fumarat + CoQ 10 H 2 (ubiquinol) |
Succinatdehydrogenase ( EC ) |
Oxidation | Bruger FAD som en protesegruppe (FAD → FADH 2i første reaktionstrin) svarende til 1,5 ATP |
9 |
Fumarat + H 2 O |
L- Mate |
Fumarase ( EC ) |
Hydrering | |
10 |
L -Mate + NAD + |
Oxaloacetat + NADH + H + |
Malatdehydrogenase ( EF ) |
Oxidation | Reversibel (i virkeligheden fremmer balancen dannelsen af L- malat ), produkt af NADH (svarende til 2,5 ATP ) |
Den citratsyntase kondenserer oxaloacetat og acetyl-CoA i citrat med frigørelse af CoA . Der dannes et forbigående mellemprodukt, citroyl-CoA . Den thioester -binding af acetyl-CoA er en binding med høj hydrolyse potentiale . Koblingen af hydrolase- og synthaseaktiviteterne gør syntesereaktionen termodynamisk mulig. Denne reaktion er et regulerende trin i cyklussen med succinyl-CoA , NADH , acetyl-CoA , citrat og ATP som negativ effektor på reaktionshastigheden .
![]() |
+ Acetyl-CoA + H 2 O → CoA + |
![]() |
Oxaloacetat | Citrat | |
Citratsyntase - EC |
Den aconitase , en lyase , katalyserer dehydratisering af citrat i cis -aconitate . Selvom citratmolekylet ser ud til at være symmetrisk, har det vist sig, at vandets afgang finder sted mellem kulstofatomer afledt af oxaloacetat :
![]() |
H 2 O + |
![]() |
Citrat | cis -Aconitate | |
Aconitase - EC |
Den aconitase katalyserer også hydratiseringen af cis -aconitate i isocitrat :
![]() |
+ H 2 O |
![]() |
cis -Aconitate | Isocitrat | |
Aconitase - EC |
De to foregående trin, katalyseret af aconitase , fører til isomerisering af citrat til isocitrat :
![]() |
H 2 O + |
![]() |
![]() |
|
Citrat | cis -Aconitate | Isocitrat | ||
Aconitase - EC |
Den isocitratdehydrogenase , en oxidoreduktase , katalyserer oxidationen af isocitrat i oxalosuccinate :
![]() |
+ NAD + NADH + H + + |
![]() |
Isocitrat | Oxalosuccinat | |
Isocitratdehydrogenase - EC |
Den eukaryote brug en isocitratdehydrogenase NAD + -afhængig ( EF ), som kræver en cofaktor ioner Mn 2+ eller Mg 2+ . De prokaryoter selv bruger en isocitratdehydrogenase NADP + -afhængig ( EF ).
Den isocitratdehydrogenase katalyserer også decarboxylering af oxalosuccinate , flygtige, α-ketoglutarat med udviklingen af CO 2i en irreversibel reaktion:
![]() |
→ CO 2 + |
![]() |
Oxalosuccinat | α-ketoglutarat | |
Isocitratdehydrogenase - EC |
Det er også et regulerende trin i cyklussen med NADH og ATP som negative effektorer . Tilstedeværelsen af ADP tværtimod fremmer aktiviteten af isocitratdehydrogenase og dermed hastigheden af denne reaktion.
Den α-ketoglutarat dehydrogenase komplekse katalyserer oxidativ decarboxylering af α-ketoglutarat til succinyl-CoA med produktion af NADH + H + og frigivelse af CO 2. Det er en reaktion svarende til den omdannelse af pyruvat til acetyl-CoA , katalyseret af pyruvatdehydrogenase-komplekset . Dette enzymkompleks involverer successivt tre enzymer - α-ketoglutarat dehydrogenase , dihydrolipoamid S-succinyltransferase og dihydrolipoyl dehydrogenase - og fem cofaktorer : TPP , lipoamid , coenzym A , FAD og NAD + . Denne reaktion er irreversibel.
![]() |
+ CoA-SH + NAD + → NADH + H + + CO 2 + |
![]() |
α-ketoglutarat | Succinyl-CoA | |
Α-Ketoglutarat-dehydrogenase-kompleks - EC |
Den NADH , den GTP og succinyl-CoA er negative effektorer på aktiviteten af den enzymatiske kompleks.
Den syntetase succinyl CoA eller succinat thiokinase , konverterer succinylgrupper CoA i succinat og coenzym A , der danner et molekyle af GTP i dyr eller ATP i planter og bakterier . Denne reaktion er reversibel.
![]() |
+ BNP / ADP + Pi GTP / ATP + CoA + |
![]() |
Succinyl-CoA | Succinat | |
succinyl-CoA-synthetase (dannende GTP / ATP) - EC / EC |
Den succinatdehydrogenase , en oxidoreduktase , katalyserer oxidationen af succinat i fumarat med ledsagende reduktion af ubiquinon ( coenzym Q 10) I ubiquinol (CoQ 10 H 2). Dette enzym flavoprotéique til ADF er kompleks II i åndedrætskæden . Det hæmmes af malonat . Da FAD er en protesegruppe, der er kovalent bundet til enzymet, transmitterer den kun elektroner og protoner til det "rigtige" CoQ 10- substrat..
![]() |
+ FAD FADH 2 + |
![]() |
Succinat | Fumerat | |
Succinatdehydrogenase - EC |
Denne reaktion er den fjerde og sidste regulatoriske reaktion i cyklussen. Malonate er den konkurrerende hæmmer her.
Den fumarase , en lyase katalyserer hydratiseringen af fumaratet til L -malat .
![]() |
+ H 2 O |
![]() |
Fumerat | L- Mate | |
Fumarase - EC |
Den malatdehydrogenase , en oxidoreduktase , omdanner L -malat i oxaloacetat med dannelse af NADH + H + .
![]() |
+ NAD + NADH + H + + |
![]() |
L- Mate | Oxaloacetat | |
Malatdehydrogenase - EF |
Denne reaktion katalyseres af en NAD + -afhængig malatdehydrogenase ( EF ) i eukaryoter og quinon -afhængig ( EF ) i prokaryoter .
Krebs-cyklussen består af 10 trin katalyseret af otte forskellige enzymer . Under cyklussen fremstilles, fra en mol af acetat og op til den CO 2 trinog H 2 O :
Det kan ses, at Krebs-cyklussen kun producerer en ATP- ækvivalent (en GTP ), det vil sige mindre end glykolyse (fire molekyler af ATP til et molekyle glukose , hvoraf to anvendes under "aktiverings" -fasen af. Glycolyse. - trin 1 og 3, der svarer til fosforyleringer ). Meste af den potentielle kemisk energi produceres i form af reduktionsevne ( NADH + H + og CoQ 10 H 2). Denne reducerende styrke anvendes efterfølgende i mitokondriens åndedrætskæde til at producere 11 andre ATP- molekyler via en protongradient og ATP-syntase, som undertiden fejlagtigt tilskrives Krebs-cyklussen.
Beskrivelse | Underlag | Produkter |
Summen af alle oxidationsreaktioner af acetyl-CoA i Krebs-cyklussen (ekskl. Luftvejskæden ) svarer til: | Acetyl-CoA + 3 NAD + + CoQ 10 + BNP + P i + 2 H 2 O | → CoA-SH + 3 (NADH + H + ) + CoQ 10 H 2 + GTP + 2 CO 2 |
Når vi går tilbage til decarboxylering af pyruvat , bliver resultaterne: | Pyruvat + 4 NAD + + CoQ 10 + BNP + P i + 2 H 2 O | → 4 (NADH + H + ) + CoQ 10 H 2 + GTP + 3 CO 2 |
Når vi går tilbage til oxidationen af glukose ved glykolyse , bliver resultaterne: | Glukose + 10 NAD + + 2 CoQ 10+ 2 ADP + 2 BNP + 4 P i + 2 H 2 O | → 10 (NADH + H + ) + 2 CoQ 10 H 2 + 2 ATP + 2 GTP + 6 CO 2 |
Dette svarer i alt til hele den aerobe respiration ( glykolyse , Krebs-cyklus, reduktion af NAD + og CoQ 10- coenzymer af åndedrætskæden ) mellem 30 og 38 ATP for et estimeret glukosemolekyle, afhængigt delvist af den ATP-afhængige mitokondrie-shuttle, der bruges til at transportere NAD + fra glykolyse.
Anvendelsen af glukose ved aerob respiration er mere energisk end gæring .
I nærværelse af en stor mængde acetyl-CoA kan Krebs-cyklussen blive overvældet, især hos diabetikere med svær insulinmangel eller efter langvarig faste (se diabetisk ketoacidose for yderligere detaljer).
Selvom Krebs-cyklussen generelt er meget konserveret mellem arter, er der signifikante variationer i de enzymer , der er til stede i de forskellige taxaer . Især er der forskelle mellem prokaryoter og eukaryoter . Således katalyseres omdannelsen af D - threo- isocitrat til α-ketoglutarat af en NAD + -afhængig isocitratdehydrogenase ( EC ) i eukaryoter, men NADP + -afhængig ( EC ) i prokaryoter. Det samme gælder for omdannelsen af L -malat til oxaloacetat , katalyseret af en NAD + -afhængig malatdehydrogenase ( EF ) i eukaryoter og quinon -afhængig ( EC ) i prokaryoter.
Omdannelsen af succinyl-CoA til succinat med succinyl-CoA-synthetase udviser signifikant variation. De fleste levende ting bruger et ADP- afhængigt enzym ( EC ), mens pattedyr også bruger den BNP- afhængige isoform ( EC ) af dette enzym. Brugshastigheden for hver af disse to former for enzymet afhænger af det betragtede væv . I visse bakterier, der producerer acetat, såsom Acetobacter aceti (en) , er det et helt andet enzym, der katalyserer denne reaktion, i dette tilfælde succinyl-CoA: acetat CoA-transferase ( EC ): dette enzym udfører forbindelsen mellem eddikesyre syremetabolisme med Krebs-cyklussen i disse organismer. Nogle bakterier såsom Helicobacter pylori bruger et endnu andet enzym til denne reaktion, i dette tilfælde 3-oxosyre CoA-transferase ( EC ).
Der er også en vis variation i det foregående trin, det vil sige i omdannelsen af α-ketoglutarat til succinly-CoA . De fleste levende ting bruger α-ketoglutarat-dehydrogenase-komplekset , men nogle bakterier bruger α-ketoglutarat-syntase ( EC ). Andre organismer, herunder bakterier og arkæer autotrofe og obligatorisk methanotrof fuldstændigt bypass den succinyl-CoA og konvertere α-ketoglutarat til succinat via den succinylsemialdehyd ved virkningen successivt af α-ketoglutarat decarboxylase ( EF ) og succinat-semialdehyd-dehydrogenase ( EC ).
De irreversible trin i Krebs-cyklussen kan reguleres: trin af citratsyntase , isocitratdehydrogenase og a-ketoglutarat-dehydrogenase-kompleks :
Reguleringen af Krebs-cyklussen afhænger primært af tilgængeligheden af substratet og reaktionsprodukternes inhibering . Hvis disse reaktioner ikke blev reguleret, ville Krebs-cyklussen spilde store mængder metabolisk energi ved at producere overskydende ATP og reducerede co-enzymer såsom NADH .
Arbejdet, der blev offentliggjort i 2007, viste en vigtig sammenhæng mellem Krebs-mellemprodukter og reguleringen af hypoxi-inducerede faktorer ( HIF ). De spiller en rolle i homeostase af oxygen som transkriptionsfaktorer involveret i angiogenese , vaskulær omformning, mobilisering af glucose , transport af ioner og apoptose . HIF syntetiseres konstitutivt, og hydroxylering af mindst en af to rester af prolin er involveret i deres interaktion med den komplekse ubiquitinligase , som betegner dem som et mål for hurtig nedbrydning. Denne reaktion katalyseres af procollagen-prolin-dioxygenaser . Både fumarat og succinat er effektive hæmmere af disse enzymer, som kan stabilisere HIF'er.
Flere metaboliske veje konvergerer i Krebs-cyklussen. De fleste af disse reaktioner producerer metabolitter, der deltager i cyklussen, og er derfor anaplerotiske reaktioner ; processer, der på den anden side bruger Krebs-cyklusmetabolitter siges at være kataplerotiske.
Alle mellemprodukter i Krebs-cyklussen - såsom citrat , isocitrat , α-ketoglutarat , succinat , fumarat , L- malat og oxaloacetat - regenereres med hver drejning af cyklussen. Forøgelse af den tilgængelige mængde af en af disse metabolitter øger den samlede mængde af alle metabolitter i cyklussen, da hvert mellemprodukt gradvist omdannes til alle andre mellemprodukter i cyklussen. Dette er grunden til, at fremstilling af en hvilken som helst af metabolitterne i Krebs-cyklussen har en generel anaplerotisk virkning på denne cyklus, mens indtagelse af en hvilken som helst metabolit også har en kataplerotisk virkning.
Pyruvatmolekyler, der stammer fra glykolyse , transporteres aktivt fra cytosolen til den mitokondrielle matrix gennem den indre mitokondrie-membran . Når de er i matrixen, kan de oxideres og reagere med coenzym A for at danne CO 2, acetyl-CoA og NADH , eller de kan carboxyleres med pyruvatcarboxylase til dannelse af oxaloacetat . Dette er en anaplerotisk reaktion, der øger strømmen og derfor strømmen gennem Krebs-cyklussen, når cellen står over for et øget behov for metabolisk energi, for eksempel i myocytter .
Den acetyl-CoA imidlertid afledt af oxidationen af pyruvat eller af β-oxidation af fedtsyrer , er aldrig regenereres ved Krebs cyklus: tværtimod hver vinding af cyklus forbruger ét molekyle af acetyl-CoA pr oxaloacetat molekyle af den mitokondrielle matrix, medens acetyl rest af acetyl-CoA er fuldt oxideret til CO 2og i H 2 Ogennem åndedrætskæden , hvilket tillader metabolisk energi at blive genvundet i form af ATP ved oxidativ phosphorylering .
De metaboliske veje, der producerer eller forbruger acetyl-CoA, er derfor ikke anaplerotiske eller kataplerotiske i Krebs-cyklussen.
I leveren er carboxylering af cytosolisk pyruvat til mitokondrieoxaloacetat et avanceret trin i gluconeogenese , der omdanner lactat og deamineret alanin til glucose under virkningen af et forhøjet niveau af glucagon og / eller adrenalin i blodet . Under disse betingelser viser dannelsen af oxaloacetat i mitokondrierne ikke en anaplerotisk virkning, fordi mitokondrie L- malat forbruges til dannelse af cytosolisk oxaloacetat, der omdannes til glucose.
I processen med nedbrydning af proteiner , de polypeptidkæder er spaltes af peptidaser i aminosyrerne , som udgør dem. Deres kulstofkæde kan derefter:
I processen med lipolyse , triglycerider er hydrolyseret i glycerol og fedtsyrer . I leveren , kan glycerol omdannes til glucose via den phosphat dihydroxyacetone og glyceraldehyd-3-phosphat i forbindelse med glukoneogenese . I mange væv , især hjerte- og skeletmusklerne , nedbrydes fedtsyrer gennem β-oxidation , hvilket producerer mitokondrieacetyl -CoA, der er i stand til at slutte sig til Krebs-cyklussen. Fedtsyrer med et ulige antal atomer af carbon producere propionyl-CoA , som omdannes til succinyl-CoA og slutter sig Krebs cyklus mellemprodukt lignende anaplerotisk.
Flere metabolitter i Krebs-cyklussen er involveret i biosyntese af vigtige forbindelser, der viser en signifikant kataplerotisk virkning på cyklussen.
Da acetyl-CoA ikke kan efterlade mitokondrierne, som det er , er det citratet, der transporteres gennem den indre mitokondrie-membran fra mitokondrie-matrixen til cytosolen , hvor det spaltes i acetyl-CoA og oxaloacetat af ATP-citratlyase . Oxaloacetat kan bruges til glukoneogenese i leveren eller omdannes til L- malat og slutte sig til mitokondrier. Cytosolisk acetyl-CoA anvendes til biosyntese af fedtsyrer og kolesterol . Sidstnævnte kan igen anvendes til at producere steroidhormoner , galdesyrerne og D-vitamin .
Under gluconeogenese , mitokondriel oxaloacetat er reduceret til malat , der efterfølgende transporteres ud af mitokondrierne, der skal oxideres igen til oxaloacetat i cytosolen . Sidstnævnte decarboxyleres derefter til phosphoenolpyruvat af phosphoenolpyruvat-carboxykinase , hvilket er det kinetisk bestemmende trin i omdannelsen til glucose af praktisk talt alle de glukoformende forløbere - såsom de glukoformende aminosyrer og lactat - af leveren og nyrerne .
Den carbonkæde af mange ikke-essentielle aminosyrer stammer fra metabolitter af Krebs cyklus. Den aspartat og asparagin og er afledt af oxaloacetat , mens glutamin , det prolin og arginin stammer fra α-ketoglutarat . Den amin- gruppe stammer fra glutamat ved transaminering på en α-ketosyre ved anvendelse af enzymer under anvendelse af pyridoxalphosphat som cofaktor ; under disse reaktioner omdannes glutamat til α-ketoglutarat, som er en metabolit i Krebs-cyklussen.
Den aspartat og glutamin er også involveret i biosyntesen af nucleobaser purin indgår i sammensætningen af nukleinsyre - DNA og RNA - samt nukleotider , såsom ATP , den cyklisk AMP , det NAD , den ADF og CoA . Pyrimidin- nukleinsbaser er for deres del afledt af aspartat , selv afledt af oxaloacetat .
De fleste af carbonatomer i porphyriner kommer fra succinyl-CoA , en metabolit i Krebs-cyklussen. Porphyriner er de protesegrupper af hæmoproteiner , såsom hæmoglobin , myoglobin og cytokromer .