Κύκλος του Κρεμπς

Ο κύκλος του κιτρικού οξέος ή κύκλος του Krebs, προς τιμή του επιστήμονα που τον ανακάλυψε, είναι το τελικό στάδιο αποδόμησης των υδατανθράκων, των λιπών και των αμινοξέων που προσλαμβάνονται με τη διατροφή. Αποτελεί σημαντικό μέρος της αερόβιας αναπνοής. Στα περισσότερα κύτταρα ο κύκλος του κιτρικού οξέος διεκπεραιώνει τα 2/3 του συνόλου των οξειδώσεων των ενώσεων του άνθρακα. Ο κύκλος του κιτρικού οξέος αποκαλύφθηκε ύστερα από χρόνια προσπάθεια για την κατανόηση των βιολογικών οδών της αερόβιας αναπνοής το 1937 από τον Χανς Άντολφ Κρεμπς.

Τα ένζυμα που απαιτούνται για τον κύκλο του κιτρικού οξέος βρίσκονται στα μιτοχόνδρια. Το πρώτο από αυτά τα ένζυμα καταλύει την αντίδραση που ενώνει την ακετυλομάδα του ακέτυλο-CoA με ένα μόριο οξαλοξικού οξέος για το σχηματισμό κιτρικού οξέος. Το κιτρικό οξύ οξειδώνεται σταδιακά και η ενέργεια οξείδωσης χρησιμοποιείται για να φτιαχτούν μόρια υψηλής ενέργειας. Τα τελικά μόρια αυτού του κύκλου είναι δύο μόρια διοξειδίου του άνθρακα και οξαλικό, το οποίο χρησιμοποιείται ξανά σε ένα νέο κύκλο. Σε αρκετά βήματα, ηλεκτρόνια μεταφέρονται από το υπόστρωμα σε άλλα μόρια, όπως το NADH και το FADH₂. Στη συνέχεια αυτά τα δύο μόρια μεταφέρουν τα υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνιά τους στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων ώστε να πραγματοποιηθεί η οξειδωτική φωσφορυλίωση. Αυτά τα ηλεκτρόνια στο τέλος αντιδρούν με το οξυγόνο και παράγουν νερό.

Ο κύκλος του κιτρικού οξέος λειτουργεί επίσης ως αφετηρία για άλλες αντιδράσεις βιοσύνθεσης επειδή παράγει σημαντικά ενδιάμεσα, όπως το οξαλοξικό και το α-κετογλουταρικό οξύ. Οι ενώσεις αυτές παράγονται από τον καταβολισμό μεταφέρονται από τα μιτοχόνδρια στο κυτταρόπλασμα, όπου συμμετέχουν σε αντιδράσεις ως πρόδρομες ενώσεις για τη σύνθεση διάφορων μορίων, όπως για παράδειγμα τα αμινοξέα.

Βήματα

Ο κύκλος χωρίζεται σε οχτώ βήματα στα οποία συμμετέχουν διαφορετικά ένζυμα και μόρια.

1. Αρχικά, με τη δράση του ενζύμου συνθεάση του κιτρικού η ακετυλομάδα του ακέτυλο-CoA μεταφέρεται στο οξαλοξικό. Το ένζυμο αφαιρεί ένα πρωτόνιο από τη μεθυλική ομάδα του ακέτυλο-CoA. Το φορτισμένο αρνητικό CH2- που δημιουργήθηκε, συνδέεται με ένα άνθρακα της καρβονυλικής ομάδας του οξαλοξικού και το συνένζυμο Α απελευθερώνεται με υδρόλυση. Με την υδρόλυση απελευθερώνεται σημαντική ποσότητα ελεύθερης ενέργειας που προωθεί την αντίδραση.
2. Σε μία αντίδραση ισομερίωσης, το ένζυμο ακοτινάση καταλύει την αφυδάτωση του κιτρικού παράγοντας cis-ακοτινικό. Το ίδιο ένζυμο έπειτα καταλύει την υδρόλυση του cis-ακοτινικού για τη δημιουργία ισοκιτρικού, δηλαδή έγινε ισομερίωση του κιτρικού σε ισοκιτρικό.
3. Αυτό είναι το πρώτο βήμα οξείδωσης του κύκλου. Σε αυτό το βήμα, το ισοκιτρικό μετατρέπεται σε α-κετογλουταρικό σε μια αντίδραση οξειδωτικής αποκαρβοξυλίωσης. Πρόκειται για μια πολύπλοκη αντίδραση που καταλύεται από την ισοκιτρική αφυδρογονάση και λαμβάνει χώρα σε τρία στάδια. Η υδροξυλομάδα του ισοκιτρικού οξειδώνεται σε κετόνη. Αυτή η αντίδραση παράγει ένα ασταθές προϊόν που απελευθερώνει διοξείδιο του άνθρακα, ενώ το NAD+ ανάγεται NADH.
4. Σε αυτό το στάδιο το συνένζυμο Α εισέρχεται ξανά στον κύκλο. Σε αυτό το βήμα, το ενζυμικό σύμπλοκο αφυδρογονάση του α-κετογλουταρικού, το οποίο μοιάζει πολύ με αυτό της πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης που καταλύει τη μετατροπή του πυροσταφυλικού σε ακέτυλο-CoA, καταλύει μια σειρά αντιδράσεων. Και πάλι γίνονται τρεις διεργασίες. Το α-κετογλουταρικό χάνει μια καρβοξυλική ομάδα ως CO2, ενώ NAD+ ανάγεται σε NADH. Το συνένζυμο Α συνδέεται με το προϊόν, το ηλεκτρικό και σχηματίζει το ηλεκτρυλο-CoA. Ο δεσμός μεταξύ του ηλεκτρικού του συνενζύμου Α είναι θειοεστερικός δεσμός υψηλής ενέργειας.
5. Στο πέμπτο βήμα, το ηλεκτρυλο-CoA μετατρέπεται σε ηλεκτρικό. Το ένζυμο ηλεκτρυλο-CoA συνθάση καταλύει μια συζευγμένη αντίδραση στην οποία διασπάται ο θειοεστερικός δεσμός υψηλής ενέργειας και προστίθεται μια φωσφορική ομάδα στο GDP για σχηματισμό GTP. Στα βακτήρια και τα φυτά αντί GTP σχηματίζεται ATP.
6. Στο τρίτο βήμα οξείδωσης του κύκλου, η ηλεκτρική αφυδρογονάση καταλύει την οξείδωση του ηλεκτρικού σε φουμαρικό οξύ και ανάγει τον παράγοντα FAD σε FADH₂.
7. Η προσθήκη νερού στο διπλό δεσμό του φουμαρικού δίνει μηλικό. Η αντίδραση καταλύεται από το ένζυμο φουμαράση.
8. Στο τελικό βήμα του κύκλου, και το τελευταίο από τα τέσσερα βήματα οξείδωσης, η μηλική αφυδρογονάση καταλύει την αναγωγή NAD+ σε NADH και την οξείδωση του μηλικού σε οξαλοξικού, με τη μετατροπή της υδροξυλομάδας σε μια ομάδα καρβονυλίου. Με αυτό τον τρόπο αναγεννάται το οξαλοξικό που χρησιμοποιήθηκε στο πρώτο βήμα του κύκλου.

Ενεργειακή απόδοση

Μια πλήρης περιστροφή του κύκλου καταλήγει στην παραγωγή δύο μορίων διοξειδίου του άνθρακα, τριών μορίων NADH, ενός μορίου FADH2 και ενός μορίου GTP, το οποίο ενζυμικά μπορεί να μετατραπεί σε ΑΤΡ. Η οξειδωτική φωσφορυλίωση αποδίδει τρία μόρια ΑΤΡ ανά μόριο NADH και δύο μόρια ΑΤΡ ανά μόριο FADH. Όμως, το κυτταροπλασματικό NADH που παράγεται κατά τη γλυκόλυση αποδίδει δύο μόρια ΑΤΡ στην οξειδωτική φωσφορυλίωση διότι πρέπει να μεταβιβάσει τα ηλεκτρόνια στο FADH2 του μιτοχονδρίου. Άρα από τα παραπάνω και έχοντας υπόψη ότι απαιτούνται δύο κύκλοι προκύπτει ότι από την πλήρη οξείδωση της γλυκόζης παράγονται 36 μόρια ΑΤΡ, που αντιπροσωπεύει το 40% της δυνητικής ενέργειας της γλυκόζης.

Δείτε επίσης

• κύκλος του Κάλβιν
• Αναερόβια αναπνοή

Πηγές

• Caret L. Robert· Denniston J. Katherine· Topping J. Joseph (2000). Αρχές & Εφαρμογές της Ανοργάνου, Οργανικής & Βιολογικής Χημείας ΙΙ. Π.Χ. Πασχαλίδης. ISBN 960-8122-43-0. 
• Alberts Bray· Hopkin Johnson (2006). Βασικές αρχές κυτταρικής βιολογίας. Π.Χ. Πασχαλίδης. ISBN 960-399-390-5.