Ciclul acidului citric

Ciclul acidului citric - cunoscut și sub numele de ciclul acizilor tricarboxilici (ciclul TCA), ciclul Krebbs, sau ciclul Szent-Györgyi-Krebs ^[1]^[2] - este un ciclu de reacții chimice, care este folosit de către toate organismele aerobe pentru a genera energie prin oxidarea acetatului provenit din carbohidrați, grăsimi și proteine în dioxid de carbon și electroni. În plus, ciclul furnizează precursori pentru biosinteză, incluzând aici anumiți aminoacizi, precum și agentul de reducere NADH, care este implicat în numeroase reacții biochimice. Importanța acestuia din urmă, pentru mai multe căi metabolice, sugerează că a fost unul dintre cele mai timpurii componente ale metabolismului celular și poate avea origine abiogenică.^[3]

Numele acestei căi metabolice este derivat de la acidul citric (un acid tricarboxilic) care este mai întâi consumat și apoi regenerat prin această secvență de reacții pentru a complete ciclul. În plus, în ciclu se consumă acetat (sub formă de acetil-CoA) și apă, se reduce NAD⁺ la NADH, și se produce dioxid de carbon. NADH-ul generat prin ciclul acizilor tricarboxilici este utilizat ulterior în procesele de fosforilare oxidativă. Rezultatul net al acestor două căi strâns legate este oxidarea de substanțe nutritive pentru a produce energie sub formă de ATP.

În celulele eucariote, ciclul acidului citric are loc în matricea mitocondriei. Bacteriile utilizează, de asemenea, ciclul TCA de generare a energiei dar, în lipsa mitocondriilor, secvența de reacție se efectuează în citosol.

Componentele și reacțiile ciclului acidului citric au fost stabilite în 1930 de către laureații Premiului Nobel Albert Szent-Györgyi^[4] și Hans Adolf Krebs.^[5]

Evoluție

Componenții ciclului TCA derivă de la bacterii anaerobe și se presupune că însăși această cale metabolică ar fi putut evolua în mai multe rânduri.^[6] Teoretic există mai multe alternative ale ciclului TCA, dar acesta pare a fi cel mai eficient.^[7] Dacă multiplele alternative ar fi evoluat în mod independent, el ar fi convers fără îndoială la ciclul acidului citric.

Descrierea ciclului

Ciclul acidului citric este un component cheie al metabolismului, prin care toate organismele aerobe produc energie. Prin catabolismul zaharurilor, a grăsimilor și a proteinelor se produce acetat sub formă de acetil-CoA. Acetil-CoA împreună cu doi echivalenți de apă (H₂O) sunt consumați în ciclul acidului carboxilic cu producerea a doi echivalenți de dioxid de carbon (CO₂) și a unui echivalent de HS-CoA. Pe lângă aceștia, un ciclu complet reduce trei echivalenți de NAD⁺ la NADH, un echivalent de ubichinonă (Q) la (QH₂), și convertește un echivalent de GDP și fosfat anorganic (P_i) în GTP. NADH și QH₂ obținuți în ciclul acidului citric este utilizat ulterior în procesele de fosforilare oxidativă pentru a produce ATP.

Una dintre sursele primare de acetil-CoA sunt carbohidrații, care sunt degradați în procesul de glicoliză pentru a produce piruvat. Acesta este decarboxilat cu ajutorul enzimei piruvat dehidrogenaza și generează acetil-CoA după următoarea schemă de reacție:

CH₃C(=O)C(=O)O^– (piruvat) + HSCoA + NAD⁺ → CH₃C(=O)SCoA (acetil-CoA) + NADH + H⁺ + CO₂

Produsul de reacție, acetil-CoA, este punctul de plecare în ciclul acidului citric.

Ciclul acidului citric începe cu transferul grupării acetil de la acetil-CoA la compusul acceptor cu patru atomi de carbon (oxaloacetat) cu formarea compusului cu șase atomi de carbon (citrat).
Citratul suferă ulterior o serie de transformări chimice, pierzând două grupări carboxil sub formă de CO₂. Acest CO₂ este originar din oxaloacetat, și nu din acetil-CoA. Atomii de carbon din acetil-CoA devin parte a scheletului de oxaloacetat după primul ciclu complet. Pierderea atomilor de carbon donați de acetil-CoA necesită mai multe cicluri complete. Cu toate acestea, datorită rolului ciclului TCA în anabolism, acești atomi de carbon pot să nu fie pierduți sub formă de CO₂, deoarece mulți dintre intermediarii ciclului TCA sunt precursori pentru biosinteza altor molecule.^[8]
Majoritatea energiei eliberată în etapele oxidative ale ciclului este transferată sub forma compusului redus NADH. Pentru fiecare grupare acetil care intră în ciclu se produc trei molecule de NADH.
Electronii sunt de asemenea transferați și la ubichinona Q, generând forma redusă QH₂.
La sfârșitul ciclului este generat oxaloacetatul și ciclul continuă.

Etape

Doi atomi de carbon sunt oxidați la CO₂, energia acestei reacții fiind transferată altor procese metabolice prin intermediul GTP (sau ATP), și sub formă de electroni în NADH și QH₂. NADH generat în ciclul TCA poate ulterior dona electronii în procesele de fosforilare oxidativă pentru a sintetiza ATP; FADH₂ se atașează covalent la succinat dehidrogenază, o enzimă care funcționează atât în ciclul TCA cât și în lanțul transportor de electroni din mitocondrie în fosforilarea oxidativă. De aceea, FADH₂ facilitează transferul de electroni la coenzima Q, care este acceptorul final al reacției catalizate de complexul succinat:ubichinona oxidoreductaza, acționând ca intermediar în lanțul transportor de electroni.^[9]

Ciclul acidului citric acid este aprovizionat continuu cu carbon sub formă de acetil-CoA, care intră în etapa 1.^[10]

Doi atomi de carbon sunt oxidați la dioxid de carbon, energia oxidării este cuplată cu sinteza GTP sau ATP, a căror disociere va transfera ulterior energie altor procese metabolice care o necesită.

	Substrat	Produși	Enzima	Tip reacție	Comentariu
1	Oxalilcetat + Acetil CoA + H₂O	Citrat + CoA-SH	Citrat sintază	Condensare aldolică	stadiu limitant de viteză (ireversibil), extinde oxalilacetat 4C la o moleculă 6C
2	Citrat	cis-Aconitat + H₂O	Aconitază	Deshidratare	isomerizare reversibilă
3	cis-Aconitat + H₂O	Izocitrat	Aconitază	Hidratare	isomerizare reversibilă
4	Izocitrat + NAD⁺	Oxalilsuccinat + NADH + H ⁺	Izocitrat dehidrogenază	Oxidare	generează NADH (echivalent a 2,5 ATP)
5	Oxalilsuccinat	α-cetoglutarat + CO₂	Izocitrat dehidrogenază	Decarboxilare	stadiu ireversibil, generează o moleculă 5C
6	α-Cetoglutarat + NAD⁺ + CoA-SH	Succinil-CoA + NADH + H⁺ + CO₂	α-cetoglutarat dehidrogenază	decarboxilare oxidativă	stadiu ireversibil, generează NADH (echivalent a 2,5 ATP), regenerează lanțul 4C (CoA exclusă)
7	Succinil-CoA + GDP + P_i	Succinat + CoA-SH + GTP	Succinil-CoA sintetază	fosforilare la nivel substrat	sau ADP→ATP in loc de GDP→GTP, generează 1 ATP sau echivalent
8	Succinat + ubichinonă (Q)	Fumarat + ubichinol (QH₂)	Succinat dehidrogenază	Oxidare	folosește FAD ca grupare prostetică (FAD→FADH₂ in prima etapă a reacției) in enzimă, generează echivalentul a 1,5 ATP
9	Fumarat + H₂O	L-Malat	Fumarază	Adiție de H₂O (hidratare)
10	L-Malat + NAD⁺	Oxalilacetat + NADH + H⁺	Malat dehidrogenază	Oxidare	generează NADH (echivalent a 2,5 ATP)

La animale (inclusive la om), mitocondria posedă două succinil-CoA sintetaze: una care produce GTP din GDP, și alta care produce ATP din ADP.^[11] Plantele au numai enzima care produce ATP.^[10] Unele dintre enzimele din ciclu pot fi slab-asociate într-un complex proteic multienzimatic din matricea mitocondrială.^[12]

GTP-ul format poate fi utilizat de nucleozid-difosfat kinază pentru a forma ATP (GTP + ADP → GDP + ATP).

Ritmul ciclului Krebs este reglat de necesarul de ATP solicitat consumului celular^[13].

Vezi și

Note

^ Lowenstein JM (1969). Methods in Enzymology, Volume 13: Citric Acid Cycle. Boston: Academic Press. ISBN 0-12-181870-5.
^ Krebs HA, Weitzman PDJ (1987). Krebs' citric acid cycle: half a century and still turning. London: Biochemical Society. ISBN 0-904498-22-0.
^ Lane, Nick (2009). Life Ascending: The Ten Great Inventions of Evolution. New York: W.W. Norton & Co. ISBN 0-393-06596-0.
^ „The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1937”. The Nobel Foundation. Accesat în 26 octombrie 2011.
^ „The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1953”. The Nobel Foundation. Accesat în 26 octombrie 2011.
^ Gest H (1987). „Evolutionary roots of the citric acid cycle in prokaryotes”. Biochem. Soc. Symp. 54: 3–16. PMID 3332996.
^ Meléndez-Hevia E, Waddell TG, Cascante M (1996). „The puzzle of the Krebs citric acid cycle: assembling the pieces of chemically feasible reactions, and opportunism in the design of metabolic pathways during evolution”. J. Mol. Evol. 43 (3): 293–303. doi:10.1007/BF02338838. PMID 8703096.
^ Wolfe RR, Jahoor F (1990). „Recovery of labeled CO2 during the infusion of C-1- vs C-2-labeled acetate: implications for tracer studies of substrate oxidation”. Am. J. Clin. Nutr. 51 (2): 248–52. PMID 2106256.
^ Stryer L, Berg J, Tymoczko JL (2002). Biochemistry. San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 0-7167-4684-0.
^ ^a ^b Jones RC, Buchanan BB, Gruissem W (2000). Biochemistry & molecular biology of plants (ed. 1st). Rockville, Md: American Society of Plant Physiologists. ISBN 0-943088-39-9.
^ Johnson JD, Mehus JG, Tews K, Milavetz BI, Lambeth DO (1998). „Genetic evidence for the expression of ATP- and GTP-specific succinyl-CoA synthetases in multicellular eucaryotes”. J. Biol. Chem. 273 (42): 27580–6. doi:10.1074/jbc.273.42.27580. PMID 9765291.
^ Barnes SJ, Weitzman PD (1986). „Organization of citric acid cycle enzymes into a multienzyme cluster”. FEBS Lett. 201 (2): 267–70. doi:10.1016/0014-5793(86)80621-4. PMID 3086126.
^ Biochimie medicală, 1977, p. 250

Bibliografie

Nestor Lupei, Biosfera, Editura Albatros, București, 1977, p. 237

Legături externe

Citric acid cycle Animation Arhivat în 1 mai 2009, la Wayback Machine.(flash required)
An animation of the citric acid cycle at Smith College
Notes on citric acid cycle Arhivat în 22 mai 2008, la Wayback Machine. at rahulgladwin.com
Citric acid cycle variants MetaCyc
Pathways connected to the citric acid cycle Arhivat în 26 octombrie 2008, la Wayback Machine. Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes
A more detailed tutorial animation Arhivat în 25 iunie 2005, la Wayback Machine. johnkyrk.com
A citric-acid cycle self quiz flash applet Arhivat în 6 iulie 2008, la Wayback Machine. University of Pittsburgh
The chemical logic behind the citric acid cycle Arhivat în 22 mai 2011, la Wayback Machine.
The Krebs cycle song by Lynda Jones.

[isbn0-12-181870-5-1] Lowenstein JM (1969). Methods in Enzymology, Volume 13: Citric Acid Cycle. Boston: Academic Press. ISBN 0-12-181870-5.

[isbn0-904498-22-0-2] Krebs HA, Weitzman PDJ (1987). Krebs' citric acid cycle: half a century and still turning. London: Biochemical Society. ISBN 0-904498-22-0.

[isbn0-393-06596-0-3] Lane, Nick (2009). Life Ascending: The Ten Great Inventions of Evolution. New York: W.W. Norton & Co. ISBN 0-393-06596-0.

[Nobel_Prize_1937-4] „The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1937”. The Nobel Foundation. Accesat în 26 octombrie 2011.

[Nobel_Prize_1953-5] „The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1953”. The Nobel Foundation. Accesat în 26 octombrie 2011.

[pmid3332996-6] Gest H (1987). „Evolutionary roots of the citric acid cycle in prokaryotes”. Biochem. Soc. Symp. 54: 3–16. PMID 3332996.

[pmid8703096-7] Meléndez-Hevia E, Waddell TG, Cascante M (1996). „The puzzle of the Krebs citric acid cycle: assembling the pieces of chemically feasible reactions, and opportunism in the design of metabolic pathways during evolution”. J. Mol. Evol. 43 (3): 293–303. doi:10.1007/BF02338838. PMID 8703096.

[pmid2106256-8] Wolfe RR, Jahoor F (1990). „Recovery of labeled CO2 during the infusion of C-1- vs C-2-labeled acetate: implications for tracer studies of substrate oxidation”. Am. J. Clin. Nutr. 51 (2): 248–52. PMID 2106256.

[Stryer-9] Stryer L, Berg J, Tymoczko JL (2002). Biochemistry. San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 0-7167-4684-0.

[Biochemistryofplants-10] Jones RC, Buchanan BB, Gruissem W (2000). Biochemistry & molecular biology of plants (ed. 1st). Rockville, Md: American Society of Plant Physiologists. ISBN 0-943088-39-9.

[pmid9765291-11] Johnson JD, Mehus JG, Tews K, Milavetz BI, Lambeth DO (1998). „Genetic evidence for the expression of ATP- and GTP-specific succinyl-CoA synthetases in multicellular eucaryotes”. J. Biol. Chem. 273 (42): 27580–6. doi:10.1074/jbc.273.42.27580. PMID 9765291.

[pmid3086126-12] Barnes SJ, Weitzman PD (1986). „Organization of citric acid cycle enzymes into a multienzyme cluster”. FEBS Lett. 201 (2): 267–70. doi:10.1016/0014-5793(86)80621-4. PMID 3086126.

[13] Biochimie medicală, 1977, p. 250

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]