Bilans i regulacja Cyklu Krebsa PDF

Preview

Summary

Opracowanie bilansu i regulacji CK pod prezentację....

Description

sobota, 13 marca 2021

Regulacja i bilans cyklu Krebsa Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu

- Żeby móc zacząć omawiać cykl Krebsa, musimy wiedzieć, że jego bezpośredni substrat, acetylo-CoA nie bierze się znikąd, a z przemiany pirogronianu zwanej oksydacyjną dekarboksylacją. Metaboliczne losy pirogronianu są różne, jednak to właśnie ta reakcja jest „pomostem” łączącym glikolizę z cyklem kwasu cytrynowego. (

- Proces zachodzi w macierzy mitochondrialnej i przeprowadzany jest przy udziale enzymów kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej w kilku etapach: 1. dekarboksylacja - dekarboksylaza pirogronianowa wiąże pirogronian z pirofosforanem tiaminy (TPP), przez co grupa karboksylowa pirogronianu staje się bardziej mobilna i odłącza w postaci CO2( 2. pozostały fragment dwuwęglowy odpowiadający strukturą aldehydowi octowemu reaguje z kwasem liponowym - grupą prostetyczną acetylotransferazy dihydroliponianowej i utlenia się do reszty acetylowej (a mostek disiarczkowy w kwasie - redukuje).( 3. grupa acetylowa powstałego kwasu acetyloliponowego przenoszona jest na atom siarki CoA - powstaje acetylo-CoA, natomiast zredukowana forma kwasu liponowego przy udziale zależnej od FAD dehydrogenazy dihydroliponianowej jest utleniana, odtwarzając jego disiarczkową formę. aby ten proces zaszedł, FADH2 musi zostać utleniony do FAD, a NAD+ zredukowany do NADH+H+(

- Koenzymy: E1: piroforforan tiaminy, E2: kwas liponowy i CoA (grupy prostetyczne), E3: FAD i NAD+ (

- Zatrucie arsenem powoduje inaktywację dehydrogenazy pirogronianowej, na skutek przyłączenia się go do kwasu liponowego. ( • Hamowana jest przez produkty swojej reakcji - acetyloCoA i NADH+H+, a także przez dużą ilość ATP w komórce.(

1

sobota, 13 marca 2021

Cykl Krebsa

- Cykl Krebsa jest wspólnym końcowym szlakiem utleniania nie tylko węglowodanów, ale też lipidów i białek (do acetylo-CoA metabolizowane są glukoza, kwasy tłuszczowe i aminokwasy).(

- Cykl zapoczątkowany jest połączeniem grupy acetylowej z acetylo-CoA oraz szczawiooctanu - w wyniku tego powstaje 6C cytrynian. W kolejnych reakcjach uwalniają się 2 cząsteczki CO2 i odtwarzany jest szczawiooctan.(

- Cykl Krebsa jest głównym szlakiem syntezy ATP w organizmie. W wyniku utleniania acetylo-CoA, redukowane są kofaktory, które następnie w łańcuchu oddechowym zostaną utlenione, czemu towarzyszyć będzie wytworzenie ATP. (

- Zachodzi w matrix mitochondrialnym z uwagi na to, że to tam głównie znajdują się jego enzymy, na których zaraz się skupimy.(

Synteza cytrynianu

- Cykl zaczyna się kondensacją 4C szczawiooctanu z 2C acetylo-CoA i wytworzeniem bogatego energetycznie cytrynylo-CoA posiadającego wiązanie tioestrowe. (

- Dopiero po tej reakcji, enzym - syntaza cytrynianowa łączy się z tym związkiem i przeprowadza hydrolizę wiązania tioestrowego do cytrynianu i CoA.(

- Szybkość działania cyklu Krebsa jest precyzyjnie regulowana odpowiednio do zapotrzebowania komórek na ATP. Możemy wyróżnić trzy etapy, gdzie występują tzw „punkty kontrolne” i etap syntezy cytrynianu jest właśnie pierwszym z nich. Tutaj ATP działa na syntazę cytrynianową jako inhibitor allosteryczny. Im wyższy jest poziom ATP, tym enzym jest mniej nasycony przez acetylo-CoA i przez to tworzą się mniejsze ilości cytrynianu. (

Izomeryzacja do cytrynianu

- Następnie powstały cytrynian z udziałem akonitazy ulega przekształceniu w izocytrynian, a reakcja ta zachodzi w dwóch etapach:(

• najpierw zachodzi dehydratacja cytrynianu, który w połączeniu z enzymem przekształca się w cis-akonitan(

• później zachodzi rehydratacja do izocytrynianu( - Rezultatem tych reakcji jest zmiana położenia wodoru i grupy hydroksylowej. Musi zajść, ponieważ wcześniejsze położenie w cząsteczce cytrynianu uniemożliwia przeprowadzenie kolejnej reakcji - oksydacyjnej dekarboksylacji.(

2

sobota, 13 marca 2021

- Elementem regulacji na tym etapie i związkiem trującym może być fluorooctan występujący w niektórych roślinach (kiedy stosowane są pestycydy). Fluorooctan kondensuje z koenzymem A, tworząc fluoroacetylo-CoA. Ten następnie zastępuje acetylo-CoA i wiąże się ze szczawiooctanem, tworząc fluorocytrynian łączący się akonitazą i blokujący cały cykl.(

- W przypadku kiedy izocytrynian nagromadzi się w mitochondrium, akonitaza jest hamowana, a cytrynian (z uwagi na to, że proces izomeryzacji jest odwracalny) transportowany jest do cytozolu, gdzie może stanowić źródło acetylo-CoA dla syntezy kwasów tłuszczowych i cholesterolu czy pobudzać szybkość glikolizy (hamując aktywność fosfofruktokinazy-1 ograniczającej ją).(

Dekarboksylacja oksydacyjna izocytrynianu • Po otrzymaniu izocytrynianu, zachodzi pierwsza z czterech reakcji oksydoredukcyjnych cyklu kwasu cytrynowego, którą katalizuje dehydrogenaza izocytrynianowa.( • W tej reakcji utlenieniu ulega izocytrynian, a redukcji pierwsza cząsteczka NAD+. Powstaje NADH+H+ oraz niestabilny szczawiobursztynian (beta-ketoglutaran) który szybko dekarboksyluje, w wyniku czego uwalniana jest pierwsza cząsteczka CO2. Dekarboksylacja wymaga dodatkowo obecności jonów Mg lub Manganu. ( • Jest to drugi z trzech punktów kontrolnych, które mogą ograniczyć szybkość całego cyklu. Enzym jest aktywowany allosterycznie przez ADP - sygnał niskiego poziomu energii w komórkach, a hamowany przez ATP i NADH, których stężenia są zwiększone, kiedy zapotrzebowanie energetyczne jest spełnione. (

Dekarboksylacja oksydacyjna 𝛂-ketoglutaranu • Reakcja oksydacyjnej dekarboksylacji 𝛂-ketoglutaranu jest przeprowadzana analogicznie do dekarboksylacji oksydacyjnej pirogronianu przez kompleks trzech enzymów - dehydrogenazy 𝛂-ketoglutaranowej, wymagający nawet tych samych kofaktorów. ( • Najpierw zachodzi dekarboksylacja, w której udział bierze difosfotiamina( • Następnie utlenienie przy udziale kwasu liponowego( • Powstaje bursztynylo-CoA, a zredukowany kwas liponowy jest utleniany przy udziale FAD i NAD+.( • Dehydrogenaza 𝛂-ketoglutaranowa jest trzecim punktem kontroli działania cyklu. Ze względu na jej podobieństwo do dehydrogenazy pirogronianowej, można wywnioskować, że podlega podobnej kontroli. Hamowana jest przez produkty swojej reakcji - bursztynyloCoA i NADH, a także przez dużą ilość ATP w komórce, która hamuje dopływ acetylo-CoA do cyklu. (

3

sobota, 13 marca 2021 • W tej sytuacji, gromadzący się 𝛂-ketoglutaran może zostać użyty do syntezy aminokwasów i zasad purynowych.( • Ponadto, enzym hamowany jest przez duże stężenia amoniaku i arsenin (arsenian III)(

Rozpad bursztynylo-CoA

- W bursztynylo-CoA występuje wysokoenergetyczne wiązanie tioestrowe, które w reakcji katalizowanej przez tiokinazę bursztynianową zostaje rozerwane, powstaje bursztynian.(

- Reakcja ta sprzężona jest z fosforylacją disfosforanu nukleozydu purynowego, którym może być ADP lub GDP. W zależności od tkanki, w jakiej zachodzi reakcja występuje jedna lub dwie izoformy tego enzymu - specyficzna dla GDP (występująca tylko w tkankach, w których zachodzi glukoneogeneza - wątrobie i nerkach) oraz dla ATP. (

- Jest to przykład fosforylacji substratowej, gdzie produkcja ATP jest skojarzona z rozpadem bogatego energetycznie substratu w produkt ubogi w energię.(

Utlenienie bursztynianu

- Po powstaniu bursztynianu następują trzy końcowe reakcje związków

czterowęglowych mające na celu przywrócenie szczawiooctanu, potrzebnego do kolejnego obrotu cyklu. (

- Pierwszą z tych reakcji jest reakcja utlenienia bursztynianu do fumaranu zachodząca z udziałem dehydrogenazy bursztynianowej. (

- Wyjątkowo, akceptorem wodorów jest FAD, ponieważ zmiana energii swobodnej jest niewystarczająca, aby zredukować NAD+. (

- Także dehydrogenaza bursztynianowa jest wyjątkowym enzymem cyklu, bo jako

jedyna jest integralną częścią wewnętrznej błony mitochondrium, dzięki czemu od razu transportuje powstałe FADH2 do łańcucha oddechowego. (

Hydratacja fumaranu

- Następną reakcją jest reakcja fumarazy, która przyłącza cząsteczkę wody do fumaranu w taki sposób, że rozerwane zostaje wiązanie podwójne, a grupa hydroksylowa jest przyłączana tylko z jednej jego strony, powodując powstanie wyłącznie izomeru L-jabłczanu

Utlenienie jabłczanu

- Ostatnim elementem cyklu Krebsa jest regeneracja szczawiooctanu z jabłczanu poprzez utlenienie. Reakcja ta katalizowana jest przez 4

sobota, 13 marca 2021 dehydrogenazę jabłczanową, a akceptorem wodorów w tym przypadku jest NAD+, co generuje trzecią, ostatnią cząsteczkę NADH w cyklu. (

Bilans cyklu

- Przechodząc do bilansu cyklu:( - Podczas kondensacji grupy acetylowej z acetylo-CoA ze szczawiooctanem, do cyklu wprowadzone zostają 2 atomy węgla. Dwa atomy węgla opuszczają także cykl w reakcjach dekarboksylacji oksydacyjnej izocytrynianu oraz alfaketoglutaranu(

- Podczas czterech reakcji utleniania, cykl opuszczają 4 pary atomów wodoru., Oksydacyjne dekarboksylacje izocytrynianu i alfa-ketoglutaranu powodują redukcję dwóch cząsteczek NAD+, jedna FAD zostaje zredukowana przy utlenieniu bursztynianu oraz jedna NAD+ podczas utlenienia jabłczanu.(

- Te kofaktory są przenoszone do łańcucha oddechowego, gdzie są ponownie utleniane. Utlenienie każdej cząsteczki NADH generuje około 2,5 cz. ATP, a FADH2 - 1,5. Łącznie daje to 9 cząsteczek ATP.(

- Nie możemy zapomnieć też o tym, że przy rozpadzie bursztynylo-CoA, kosztem jego wysokoenergetycznego wiązania tioestrowego powstaje wiązanie fosforanowe w formie jednej cząsteczki ATP lub równoważnego z nim GTP.(

- Sumarycznie, w wyniku jednego obrotu cyklu powstaje 10 cząsteczek ATP. Wiemy jednak, że z jednej cząsteczki glukozy, powstają 2 cz. pirogronianu, a co za tym idzie - acetylo-CoA, który jest zużywany w cyklu Krebsa. Dlatego z jednej cząsteczki glukozy, może powstać aż 20 cząsteczek ATP.(

- Poza tym, zużywane są 2 cząsteczki wody - jedna podczas syntezy cytrynianu, a druga przy uwodnieniu fumaranu. (

- Tlen cząsteczkowy nie bierze bezpośrednio udziału w cyklu Krebsa, jednak NAD+ i FAD mogą być zregenerowane tylko poprzez transport elektronów do tlenu cząsteczkowego.(

Regulacja

- Podsumowując wszystkie elementy regulacji cyklu Krebsa o których wcześniej wspomniałam, jak i to co mi umknęło chciałabym jeszcze raz przypomnieć te mechanizmy:(

- efektory allosteryczne (dodatnie i ujemne) - działają wobec trzech enzymów, które nazywałam wcześniej punktami kontrolnymi. Są nimi efektory sygnalizujące niedobór lub dostatek energii w komórce.(

- dostępność ADP i fosforanów - wiemy, że głównymi konsumentami energii są skurcze mięśni, reakcje biosyntezy oraz transport przezbłonowy. Tym reakcjom

5

sobota, 13 marca 2021 towarzyszy rozpad ATP do ADP i Pi, a wzrost ich stężenia przyspiesza przebieg reakcji tworzących ATP (przede wszystkim fosforylacji oksydacyjnej). Jeżeli zawartość ADP jest obniżona, tworzenie ATP maleje z powodu braku substratów do jego syntezy oraz hamuje utlenianie NADH i FADH2, co jest sprzężone z zachodzeniem CK.(

- Stosunek… Jeśli dojdzie do akumulacji NADH i FADH2, odpowiednio maleją ilości NAD+ i FAD, powodując zahamowanie cyklu z powodu braku koenzymów(

- dostępność szczawiooctanu - pojemność cyklu Krebsa, czyli zdolność do wiązania i utleniania reszt acetylowych zależy w dużym stopniu od dostępności szczawiooctanu. teoretycznie ta pojemność powinna być stała, ponieważ odtwarza się on przy każdym obrocie cyklu. W praktyce, pewne metabolity pośrednie wypadają z cyklu i włączają się w inne przemiany, przez co nie uczestniczą w odtwarzaniu szczawiooctanu. Jest on później uzupełniany. (

Witaminy

- Wszystkie kofaktory cyklu Krebsa i dehydrogenazy pirogronianowej są tworzone z witamin:(

- TPP - tiamina (b1) - kofaktor dehydrogenazy alfa-ketoglutaranowej i pirogronianowej(

- FAD - ryboflawina (b2) - kofaktor dehydrogenazy bursztynianowej( - NAD - niacyna - kofaktor dehydrogenazy izocytrynianowej, alfaketoglutaranowej, jabłczanowej(

- CoA - kwas pantotenowy - składnik acetylo-CoA i bursztynylo-CoA( - dlatego ich niedobory mogą powodować ich dezaktywację, a co za tym idzie niewystarczającą dalej ilość ATP i poważne problemy ze strony OUN. (

- np. niedobór tiaminy (spowodowany brakiem witaminy B1 w diecie lub skrajny alkoholizm) - choroba beri-beri - objawia się bólem nóg i rąk, osłabieniem mięśni i zmianami wrażliwości skóry, a także może powodować powiększenie mięśnia sercowego i objawy niewydolności krążenia. W przypadku zachorowania na beriberi poziom pirogronianu i alfa-ketoglutaranu we krwi jest podwyższony. (

- z niedoboru tiaminy może tez wynikać np. psychoza korsakowa-wernickiego u alkoholików(

Proces amfiboliczny

- Cykl Krebsa jest procesem amfibolicznym. Co to znaczy? To znaczy, że bierze udział zarówno w procesach katabolicznych, jak i anabolicznych.(

6

sobota, 13 marca 2021

- Jego działanie kataboliczne objawia się w kolejnych procesach utleniania i

redukcji, w których wyniku powstają zredukowane przekaźniki, dzięki którym następnie wytwarzane są cząsteczki ATP. (

- Jednak także cykl ten jest elementem syntezy związków, dostarczając do ich szlaków substratów:(

• większość atomów węgla porfiryny pochodzi z bursztynylo-CoA, ( • wiele aminokwasów powstaje w wyniku przemiany alfa-ketoglutaranu i szczawiooctanu(

• mogą też brać udział w syntezie kwasów tłuszczowych oraz glukoneogenezie( - Co ważne, te intermediaty, które zostają zużyte do biosyntez, muszą być

uzupełnione. Chociaż szczawiooctan jest używany głównie jako katalizator, czyli się nie zużywa - przekształcony w aminokwasy będzie występował w niedoborze. Reakcje uzupełniające te elementy nazywane są reakcjami anaplerotycznymi.

7...