CYKL KWASU

CYTRYNOWEGO

Cykl kwasu cytrynowego jest głównym ośrodkiem metabolicznym komórki.
Wprowadza do metabolizmu tlenowego wszystkie cząsteczki, które mogą zostać
przekształcone w grupy acetylowe lub kwasy dikarboksylowe.
Cykl obejmuje szereg reakcji utleniania i redukcji, w wyniku których grupa
acetylowa zostaje utleniona do 2 cząsteczek dwutlenku węgla.

„

Paliwem” w cyklu jest cząsteczka acetylo-CoA

POWSTAWANIE ACETYLO-CoA Z

PIROGRONIANU

W warunkach tlenowych pirogronian zostaje przetransportowany do

mitochondriów.

W matriks mitochondrialnej pirogronian ulega oksydacyjnej

dekarboksylacji.

Jest to „pomost” pomiędzy glikolizą a cyklem kwasu cytrynowego.

pirogronian + CoA + NAD

+

 acetylo-CoA + CO

2

+ NADH

TA REAKCJA JEST NIEODWRACALNA !!!!!

Enzym katalizujący –

KOMPLEKS DEHYDROGENAZY PIROGRONIANOWEJ

Jest to wielki kompleks trzech enzymów ściśle współpracujących ze

sobą.

Enzym

Liczba
łańcuchó

w

Grupa
prostetycz

na

Katalizowana
reakcja

Symbo

l

•Składnik o
aktywności
dehydrogenazy
pirogronianowej
Acetylotransferaza
dihydroliponianowa
•Dehydrogenaza
dihydroliponianowa

24

24

12

TPP

Lipoamid

FAD

Oksydacyjna
dekarboksylacja
pirogronianu

Przeniesienie grupy
acetylowej

Regeneracja utlenionej
formy lipoamidu

E

1

E2

E3

Przekształcanie pirogronianu w acetylo-CoA zachodzi w trzech etapach:
1. dekarboksylacja,
2. utlenianie,
3. przeniesienie grupy acetylowej na koenzym A.

I ETAP

W tym etapie pirogronian łączy się z pirofosforanem tiaminy i ulega dekarboksylacji

pierścień tiazolowy

Atom węgla w pierścieniu tiazolowym TPP,
znajdujący się pomiędzy atomami azotu
i siarki, jest bardziej kwaśny od większości
grup =CH- .
Wartość pK

a

wynosi ok. 10.

To centrum ulega JONIZACJI tworząc
KARBOANION, który szybko łączy się z
grupą karbonylową pirogronianu.

związek addycyjny

struktury rezonansowe hydroksyetylo-TPP

hydroksyetylo-TPP

pirogronian

1. Karboanion łączy się z grupą karbonylową pirogronianu i powstaje związek addycyjny.

Dodatnio naładowany pierścień TPP odciąga elektrony i stabilizuje ujemny ładunek
przenoszony na ten pierścień.

2. Dochodzi do dekarboksylacji pirogronianu.

3. Protonacja prowadzi do powstania pirofosforanu hydroksyetylotiaminy
(hydroksyetyleno-TPP).

hydroksyetylo-TPP

acetylolipoamid

W tym etapie grupa hydroksyetylenowa przyłączona do TPP jest utleniana do grupy
acetylowej i jednocześnie przenoszona na lipoamid.

LIPOAMID

– pochodna kwasu liponowego związana z łańcuchem bocznym reszty

lizyny wiązaniem amidowym.

Utleniaczem w tej reakcji jest
wiązanie disiarczkowe lipoamidu,
które ulega redukcji do formy
dihydrosulfidowej.

Tworzy się

ACETYLOLIPOAMID

.

Ten etap jest także katalizowany przez
komponent E1 kompleksu dehydro-
genazy pirogronianowej.

Trzeci etap polega na przeniesieniu grupy acetylowej z acetylolipoamidu na CoA
i utworzeniu acetylo-CoA.

Reakcję tę katalizuje

ACETYLOTRANSFERAZA DIHYDROLIPONIANOWA (E2).

Bogate energetycznie wiązanie tioestrowe zostaje zachowane w acetylo-CoA po przeniesie-
niu grupy acetylowej na CoA.

III ETAP

IV ETAP

Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej nie może rozpocząć kolejnego cyklu katalitycz-
nego, dopóki dihydrolipoamid nie zostanie utleniony do lipoamidu.

Utleniona forma lipoamidu jest regenerowana przez

DEHYDROGENAZĘ

DIHYDROLIPONIANOWĄ (E3).

Dwa elektrony zostają przeniesione na grupę prostetyczna tego enzymu – FAD, a następnie
na NAD

+

.

Normalnie FAD przyjmuje elektrony od NADH. W tym przypadku jest owrotnie.
Jest to możliwe dzięki zmianie potencjału przenoszenia elektronów FAD, na skutek związania się
z enzymem.

Białka związane ściśle z FAD lub FMN nazywają się FLAWOPROTEINAMI.

8 trimerów
acetylotransferazy

6 dimerów
dehydrogenazy
dihydroliponianowej

12 dimerów składnika o aktywności
dehydrogenazy pirogronianowej

STRUKTURA RDZENIA
TWORZONEGO PRZEZ
ACETYLOTRANSFERAZĘ

Acetylotransferaza zawiera
8 katalitycznych trimerów
ułożonych w kształcie pustego
sześcianu.

Każda kulka przedstawia
trimer – 3 podjednostki E2

Każda podjednostka zawiera
trzy domeny.

W JAKI SPOSÓB MIEJSCA AKTYWNE ZA SOBĄ

WSPÓŁPRACUJĄ ?

1. Miejsce aktywne E1 znajduje się wewnątrz cząsteczki i jest połączone z

powierzchnią

enzymu hydrofobowym kanałem o długości 2 nm. Po dekarboksylacji pirogronianu
powstaje hydroksyetylo-TPP.

2. E2 wprowadza ramię lipoamido-lizynowe do kanału E1.

3. Grupa acetylowa jest przenoszona na lipoamid, a następnie acetylolipoamidowe
ramię opuszcza E1 i przez okienko o wymiarze 3 nm wchodzi do wnętrza

sześcianu, aby

połączyć się z miejscem aktywnym E2.

4. Grupa acetylowa zostaje przeniesiona na CoA, acetylo-CoA opuszcza sześcian,
natomiast zredukowane ramię przemieszcza się ruchem wahadłowym do centrum

E3.

5. W miejscu aktywnym E3 dihydrolipoamid zostaje utleniony.

6. Zregenerowany utleniony lipoamid szybko wchodzi do kolejnego cyklu reakcji.

REGULACJA AKTYWNOŚCI

DEHYDROGENAZY PIROGRONIANOWEJ

ZWIERZĘTA NIE POTRAFIĄ PRZEKSZTAŁCAĆ ACETYLO-CoA W GLUKOZĘ,

DLATEGO

TWORZENIE ACETYLO-CoA Z PIROGRONIANU JEST U NICH NIEODWRACALNE.
Aktywność Dehydrogenazy pirogronianowej jest ściśle regulowana na kilka

sposobów:

1. Hamowanie przez duże stężenie produktów reakcji

Acetylo-CoA hamuje aktywność acetylotransferazy (E2)
NADH hamuje aktywność dehydrogenazy dihydroliponianowej (E3).

2. Głównym mechanizmem regulacji jest

kowalencyjna modyfikacja składnika o

aktywności dehydrogenazy pirogronianowej (E1

).

A. Fosforylacja dehydrogenazy pirogronianowej (E1) przez specyficzną
kinazę hamuje aktywność kompleksu. Działanie specyficznej fosfatazy
przywraca tę aktywność.
B. Miejscem fosforylacji jest także transacetylaza (E2).

Zwiększenie stosunku NADH/NAD

+

, acetylo-CoA/CoA lub ATP/ADP wywołuje

fosforylację kompleksu  aktywność zahamowana.

Pirogronian i ADP (mały ładunek energetyczny) HAMUJĄ kinazę 

AKTYWUJĄ

dehydrogenazę.

Dehydrogenaza
pirogronianowa
NIEAKTYWNA

Dehydrogenaza
pirogronianowa
AKTYWNA

Wazopresyna i agoniści receptorów α-adrenergicznych stymulują dehydrogenazę
pirogronianową, wpływając na stężenie wapnia.
Insulina stymuluje defosforylację kompleksu.

Pirogronian

Położenie grupy hydroksylowej przy węglu 3 w cząsteczce cytrynianu uniemożliwia
przeprowadzenie dekarboksylacji oksydacyjnej. Może ona nastąpić dopiero po izomeryzacji
cytrynianu do izocytrynianu.

SYNTAZA CYTRYNIANOWA

Cykl kwasu cytrynowego zaczyna się od kondensacji związku czterowęglowego
(szczawiooctanu) z dwuwęglowym fragmentem acetylo-CoA.
Syntaza cytrynianowa u ssaków jest dimerem.

Każde z miejsc aktywnych jest umieszczone w szczelinie, znajdującej się między dużą
(niebieski) i małą (żółty) domeną każdej podjednostki.
Enzym ten podczas katalizy ulega znacznym zmianom konformacyjnym.

Syntaza najpierw wiąże szczawiooctan.

Szczawiooctan

indukuje w syntazie dużą zmianę konformacyjną, prowadzącą
do utworzenia miejsca wiązania dla acetylo-CoA

. forma zamknięta.

Syntaza cytrynianowa katalizuje reakcję kondensacji przez bliskie
zestawienie substratów,
odpowiednie ich zorientowanie przestrzenne i polaryzację określonych
wiązań.
Kluczową rolę odgrywają tu dwie reszty histydyny i reszta asparaginianu.

intermediat enediolowy

kompleks z cytrynylo-CoA

kompleks z substratem

His 274 oddaje proton na tlen grupy
karbonylowej Acetylo-CoA,co ułatwia
usunięcie protonu z grupy metylowej
przez Asp375.

Przeniesienie protonu z
His 320 na atom węgla gr.
karbonylowej szczawiooctanu
aktywuje go. Nastepnie w wyni-
ku oddziaływania enolu
acetylo-CoA z węglem grupy
karbonylowej zaktywowanego
szczawiooctanu powstaje
wiązanie węgiel-węgiel.

Utworzony cytrynylo-CoA indu-
kuje w enzymie dalsze zmiany
konformacyjne.
Miejsce aktywne całkowicie się
zamyka. His 274 bierze udział w
hydrolizie tioestru, ponownie
jako donor protonu.

ZNACZENIE INDUKOWANEGO

DOPASOWANIA

• Funkcją syntazy cytrynianowej jest hydroliza cytrynylo-CoA , a

nie acetylo-CoA.

• Acetylo-CoA nie połączy się z enzymem, dopóki szczawiooctan

nie zostanie związany, czyli będzie gotowy do kondensacji.

• Katalityczne reszty, decydujące o hydrolizie wiązania

tioestrowego, nie są ustawione w odpowiedniej pozycji, zanim
nie zostanie wytworzony cytrynylo-CoA.

INDUKOWANE DOPASOWANIE ZAPOBIEGA NIEPOŻĄDANEJ REAKCJI
UBOCZNEJ.

Kompleks dehydrogenazy

α-ketoglutaranowej wykazuje homologię z k. dehydrogenazy pirogronianowej

Szybkość tworzenia α-ketoglutaranu decyduje o szybkości działania całego cyklu.

1. Reakcja rozpoczyna się od wymiany CoA na ortofosforan`  powstaje inny związek

wysokoenergetyczny – BURSZTYNYLOFOSFORAN.
2. Reszta His syntetazy bursztynylo-CoA przyłącza grupę fosforanową  powstaje

BURSZTYNIAN I FOSFOHISTYDYNA.
3. Ufosforylowana reszta histydyny obraca się w kierunku difosforanu nukleozydu i
przenosi na niego grupę fosforanową  tworzy się trifosforan nukleozydu.

Syntetaza bursztynylo-CoA współdziała specyficznie z GDP lub ADP (zależnie od organizmu).

Jest to jedyny etap cyklu kwasu cytrynowego, na którym bezpośrednio, w rezultacie
FOSFORYLACJI SUBSTRATOWEJ, powstaje związek o wysokim potencjale przenoszenia
grup fosforanowych

.

Akceptorem elektronow jest FAD, ponieważ zmiana energii swobodnej tej reakcji jest niewystarczająca do
zredukowania NAD

+

.

REGULACJA CYKLU KWASU

CYTRYNOWEGO

Jabłczan

Bursztynian

Szczawio
octan

Bursztynylo
CoA

Pirogronian

1. Dehydrogenazę izocytrynianową stymuluje
allosterycznie ADP  większe powinowactwo do

substratów.
Wiązanie izocytrynianu, NAD

+

, Mg

2+

i ADP jest

wzajemnie kooperatywne.
NADH hamuje enzym przez bezpośrednie
wypieranie NAD

+

.

2. Regulacja dehydrogenazy α-ketoglutaranowej.
Hamowana przez produkty katalizowanej przez nią
reakcji – bursztynylo-CoA i NADH;
hamowana przez duży ładunek energetyczny
komórki.

1.

2.

szczawiooctan

bursztynylo-CoA

α-ketoglutaran

pirogronian