Ciclul acidului citric sau ciclul Krebs: o prezentare generală

Ciclul acidului citric sau ciclul Krebs⁚ o prezentare generală

Ciclul acidului citric‚ cunoscut și sub numele de ciclul Krebs‚ este o cale metabolică centrală în respirația celulară‚ care are loc în mitocondriile celulelor eucariote. Această cale este esențială pentru producerea energiei celulare sub formă de ATP.

Introducere

Ciclul acidului citric‚ denumit și ciclul Krebs‚ este o cale metabolică centrală în respirația celulară‚ care are loc în matricea mitocondriilor celulelor eucariote. Această cale este esențială pentru producerea energiei celulare sub formă de ATP‚ moneda energetică a celulei. Ciclul acidului citric este o serie de reacții enzimatice care degradează acetil-CoA‚ un compus cu două atomi de carbon‚ în dioxid de carbon ($CO_2$)‚ generând în același timp electroni cu energie ridicată‚ care sunt utilizați în fosforilarea oxidativă pentru a produce ATP.

Ciclul acidului citric este o cale metabolică complexă‚ care implică o serie de intermediari metabolici și enzime specifice. Fiecare reacție din ciclu este catalizată de o enzimă specifică‚ iar procesul este reglat cu precizie pentru a asigura o producție eficientă de energie. Deși ciclul acidului citric este o cale catabolică‚ care degradează moleculele organice‚ este și o cale anabolică‚ furnizând intermediari metabolici pentru biosinteza altor molecule.

Rolul ciclului acidului citric în respirația celulară

Ciclul acidului citric joacă un rol crucial în respirația celulară‚ procesul prin care celulele extrag energia din moleculele organice‚ cum ar fi glucoza‚ pentru a produce ATP. Această cale metabolică este o parte integrantă a metabolismului energetic‚ conectând metabolismul carbohidraților‚ lipidelor și proteinelor.

Ciclul acidului citric este legat de glicoliză‚ o cale metabolică care descompune glucoza în piruvat. Piruvatul este apoi transportat în mitocondrii‚ unde este transformat în acetil-CoA‚ substratul principal al ciclului acidului citric. Acetil-CoA intră în ciclu și este oxidat în mod progresiv‚ producând electroni cu energie ridicată‚ care sunt capturați de coenzimele NAD+ și FAD‚ formând NADH și FADH2. Aceste coenzime reducate joacă un rol esențial în fosforilarea oxidativă‚ procesul principal de producție a ATP în mitocondrii.

Etapele ciclului acidului citric

Ciclul acidului citric este o cale metabolică complexă‚ care implică o serie de reacții catalizate enzimatic‚ care au loc în matricea mitocondrială. Aceste reacții pot fi împărțite în opt etape distincte⁚

1. Formarea acetil-CoA⁚ Această etapă nu face parte din ciclul propriu-zis‚ dar este esențială pentru a furniza substratul pentru ciclu. Piruvatul‚ produsul glicolizei‚ este convertit în acetil-CoA prin decarboxilarea oxidativă‚ catalizată de complexul piruvat dehidrogenază.
2. Reacția 1⁚ Condensarea cu oxaloacetat⁚ Acetil-CoA se combină cu oxaloacetat‚ o moleculă cu patru atomi de carbon‚ pentru a forma citrat‚ o moleculă cu șase atomi de carbon‚ catalizată de citrat sintază.
3. Reacția 2⁚ Izomerizarea citratului⁚ Citratul este izomerizat în izocitrat‚ catalizată de aconitază.
4. Reacția 3⁚ Oxidarea izocitratului⁚ Izocitratul este oxidat și decarboxilat în α-cetoglutarat‚ o moleculă cu cinci atomi de carbon‚ catalizată de izocitrat dehidrogenază.
5. Reacția 4⁚ Decarboxilarea α-cetoglutaratului⁚ α-cetoglutaratul este decarboxilat și oxidat în succinil-CoA‚ o moleculă cu patru atomi de carbon‚ catalizată de α-cetoglutarat dehidrogenază.
6. Reacția 5⁚ Oxidarea succinil-CoA⁚ Succinil-CoA este convertit în succinat‚ o moleculă cu patru atomi de carbon‚ catalizată de succinil-CoA sintetaza.
7. Reacția 6⁚ Conversia succinatului la fumarat⁚ Succinatul este oxidat în fumarat‚ o moleculă cu patru atomi de carbon‚ catalizată de succinat dehidrogenază.
8. Reacția 7⁚ Hidratarea fumaratului⁚ Fumaratul este hidratat în malat‚ o moleculă cu patru atomi de carbon‚ catalizată de fumarază.
9. Reacția 8⁚ Oxidarea malatului⁚ Malatul este oxidat în oxaloacetat‚ o moleculă cu patru atomi de carbon‚ catalizată de malat dehidrogenază.

Ciclul se încheie cu regenerarea oxaloacetatului‚ care poate intra din nou în ciclu pentru a se combina cu o nouă moleculă de acetil-CoA.

Formarea acetil-CoA

Formarea acetil-CoA este o etapă crucială care precede ciclul acidului citric și asigură substratul necesar pentru funcționarea acestuia. Această reacție are loc în matricea mitocondrială și este catalizată de complexul piruvat dehidrogenază‚ o enzimă multimerică complexă.

Piruvatul‚ produsul final al glicolizei‚ este transportat din citoplasmă în matricea mitocondrială. Aici‚ complexul piruvat dehidrogenază catalizează o reacție complexă în trei etape‚ care implică decarboxilarea oxidativă a piruvatului.

În prima etapă‚ piruvatul este decarboxilat‚ eliminând un atom de carbon sub formă de $CO_2$. În a doua etapă‚ grupul acetil rămas este oxidat‚ formând o legătură tioesterică cu coenzima A‚ rezultând acetil-CoA. În a treia etapă‚ NAD+ este redus la NADH‚ captând electroni de la piruvat.

Reacția de formare a acetil-CoA este o reacție ireversibilă‚ care captează energia liberă din piruvat și o stochează în legătura tioesterică a acetil-CoA. Această energie va fi ulterior utilizată în ciclul acidului citric pentru a produce ATP.

Reacția 1⁚ Condensarea cu oxaloacetat

Prima reacție a ciclului acidului citric implică condensarea acetil-CoA cu oxaloacetat‚ o moleculă cu patru atomi de carbon. Această reacție este catalizată de citrat sintază‚ o enzimă care utilizează o moleculă de apă pentru a facilita formarea unei legături carbon-carbon între cele două molecule.

Condensarea acetil-CoA cu oxaloacetat are ca rezultat formarea citratului‚ o moleculă cu șase atomi de carbon. Reacția este exergonică‚ cu o variație a energiei libere standard (ΔG°) de aproximativ -32‚2 kJ/mol‚ ceea ce indică o reacție favorabilă din punct de vedere termodinamic.

Această reacție este o etapă crucială în ciclul acidului citric‚ deoarece introduce grupul acetil cu doi atomi de carbon în ciclu. De asemenea‚ această reacție este un punct de reglare important al ciclului‚ deoarece citrat sintază este inhibată de ATP‚ NADH și citrat‚ molecule care indică un nivel ridicat de energie celulară.

Formarea citratului marchează începutul ciclului acidului citric și este urmată de o serie de reacții de oxidare și decarboxilare‚ care vor elibera treptat energia stocată în legăturile moleculare ale citratului.

Reacția 2⁚ Izomerizarea citratului

După formarea citratului‚ are loc o izomerizare‚ catalizată de aconitaza‚ o enzimă care utilizează o moleculă de apă. Aconitaza catalizează o reacție reversibilă de deshidratare urmată de o hidratare‚ transformând citratul în izocitrat. Citratul are o grupare carboxil (COOH) legată de un atom de carbon terțiar‚ ceea ce îl face o moleculă rigidă și nepotrivită pentru următoarele etape ale ciclului.

Aconitaza elimină o moleculă de apă din citrat‚ formând cis-aconitat‚ o moleculă nesaturată cu o dublă legătură carbon-carbon. Apoi‚ aconitaza adaugă o moleculă de apă la cis-aconitat‚ dar la un atom de carbon diferit‚ rezultând izocitrat. Izocitratul are o grupare carboxil legată de un atom de carbon secundar‚ făcându-l mai flexibil și mai reactiv pentru următoarele reacții de oxidare.

Această reacție de izomerizare este importantă deoarece transformă citratul‚ o moleculă cu o structură rigidă‚ în izocitrat‚ o moleculă mai flexibilă‚ pregătită pentru oxidare în etapa următoare. Izomerizarea este o reacție reversibilă și echilibrul este deplasat spre formarea izocitratului‚ deoarece izocitratul este consumat rapid în etapa următoare a ciclului.

Reacția 3⁚ Oxidarea izocitratului

Oxidarea izocitratului este o etapă crucială în ciclul acidului citric‚ deoarece produce prima moleculă de NADH și prima moleculă de CO₂. Reacția este catalizată de izocitrat dehidrogenaza‚ o enzimă care necesită prezența ionilor de mangan (Mn²⁺) pentru activitatea sa. Izocitrat dehidrogenaza catalizează o reacție de decarboxilare oxidativă‚ în care izocitratul este oxidat la α-cetoglutarat‚ cu eliberarea unei molecule de CO₂.

În această reacție‚ izocitratul este oxidat‚ pierzând doi atomi de hidrogen‚ care sunt preluați de NAD⁺‚ reducându-l la NADH. Un atom de carbon din izocitrat este îndepărtat sub formă de CO₂‚ iar restul moleculei este convertit la α-cetoglutarat‚ un compus cu cinci atomi de carbon. NADH este un coenzimă importantă în respirația celulară‚ transportând electroni către lanțul de transport al electronilor pentru a genera ATP.

Oxidarea izocitratului este o reacție ireversibilă și este o etapă importantă de reglare a ciclului acidului citric. Activitatea izocitrat dehidrogenazei este stimulată de NAD⁺ și de ADP‚ iar este inhibată de NADH și de ATP. Această reglare asigură că ciclul acidului citric este activat atunci când există o cerere ridicată de energie și este inhibat atunci când există o sursă suficientă de ATP.

Reacția 4⁚ Decarboxilarea α-cetoglutaratului

Decarboxilarea α-cetoglutaratului este o etapă crucială în ciclul acidului citric‚ deoarece produce a doua moleculă de NADH și a doua moleculă de CO₂. Reacția este catalizată de α-cetoglutarat dehidrogenaza‚ un complex enzimatic care necesită prezența coenzimelor NAD⁺‚ CoA și TPP (tiamin pirofosfat) pentru activitatea sa. α-cetoglutarat dehidrogenaza catalizează o reacție de decarboxilare oxidativă‚ în care α-cetoglutaratul este oxidat la succinil-CoA‚ cu eliberarea unei molecule de CO₂.

În această reacție‚ α-cetoglutaratul este oxidat‚ pierzând doi atomi de hidrogen‚ care sunt preluați de NAD⁺‚ reducându-l la NADH. Un atom de carbon din α-cetoglutarat este îndepărtat sub formă de CO₂‚ iar restul moleculei este convertit la succinil-CoA‚ un compus cu patru atomi de carbon. Succinil-CoA este o moleculă cu energie ridicată‚ care va fi utilizată în următoarea etapă a ciclului acidului citric.

Decarboxilarea α-cetoglutaratului este o reacție ireversibilă și este o etapă importantă de reglare a ciclului acidului citric. Activitatea α-cetoglutarat dehidrogenazei este stimulată de NAD⁺ și de ADP‚ iar este inhibată de NADH și de ATP. Această reglare asigură că ciclul acidului citric este activat atunci când există o cerere ridicată de energie și este inhibat atunci când există o sursă suficientă de ATP.

Reacția 5⁚ Oxidarea succinil-CoA

Oxidarea succinil-CoA este o etapă crucială în ciclul acidului citric‚ deoarece produce prima moleculă de GTP (guanozin trifosfat)‚ o moleculă cu energie ridicată similară cu ATP. Reacția este catalizată de succinil-CoA sintetaza‚ o enzimă care utilizează energia eliberată din legătura tioesterică a succinil-CoA pentru a sintetiza GTP. În această reacție‚ succinil-CoA este convertit la succinat‚ un compus cu patru atomi de carbon‚ cu eliberarea unei molecule de CoA și formarea unei molecule de GTP.

Mecanismul acestei reacții implică o serie de etape. În primul rând‚ succinil-CoA este legat de succinil-CoA sintetaza. Apoi‚ un grup fosfat este transferat de la o moleculă de fosfat anorganic la o moleculă de GDP‚ formând GTP. În final‚ succinil-CoA este hidrolizat la succinat și CoA‚ eliberând energia necesară pentru sinteza GTP. GTP poate fi apoi convertit la ATP prin reacția catalizată de nucleotid difosfat kinaza.

Oxidarea succinil-CoA este o reacție reversibilă‚ dar în condițiile normale din celulele vii‚ reacția este favorizată în direcția formării succinatului și GTP. Această etapă a ciclului acidului citric este importantă pentru producerea de energie celulară‚ deoarece GTP poate fi utilizat pentru a alimenta alte reacții metabolice.

Reacția 6⁚ Conversia succinatului la fumarat

Conversia succinatului la fumarat este a șasea etapă a ciclului acidului citric și este o reacție de oxidare care implică transferul de electroni de la succinat la FAD (flavin adenin dinucleotidă). Această reacție este catalizată de succinat dehidrogenază‚ o enzimă legată de membrana mitocondrială internă. Această enzimă este unica enzimă a ciclului acidului citric care nu se află în matricea mitocondrială‚ ci este integrată în membrana mitocondrială internă.

Succinat dehidrogenaza este o enzimă complexă care conține atât un centru de fier-sulf‚ cât și un grup prostetic FAD. În timpul reacției‚ succinatul este oxidat la fumarat‚ iar FAD este redus la FADH₂. FADH₂ este apoi oxidat de către lanțul de transport electronic‚ producând ATP prin fosforilarea oxidativă. Această reacție este o reacție de oxidare-reducere‚ unde succinatul este donorul de electroni‚ iar FAD este acceptorul de electroni.

Conversia succinatului la fumarat este o reacție importantă în ciclul acidului citric‚ deoarece produce FADH₂‚ un coenzimă important pentru fosforilarea oxidativă. Această reacție este‚ de asemenea‚ importantă pentru menținerea echilibrului redox în mitocondrii.

Reacția 7⁚ Hidratarea fumaratului

Hidratarea fumaratului este a șaptea etapă a ciclului acidului citric‚ o reacție de adăugare a apei la dubla legătură a fumaratului‚ formând malat. Această reacție este catalizată de fumarază‚ o enzimă stereospecifică care adaugă o moleculă de apă la fumarat‚ producând doar izomerul L-malat. Fumarază este o enzimă solubilă care se află în matricea mitocondrială.

Reacția de hidratare a fumaratului este o reacție reversibilă‚ dar în condițiile normale din mitocondrii‚ echilibrul este deplasat spre formarea malatului. Această reacție este importantă pentru ciclul acidului citric‚ deoarece transformă fumaratul‚ un compus cu dublă legătură‚ în malat‚ un compus cu o grupă hidroxil. Această transformare este esențială pentru a permite următoarea etapă a ciclului‚ oxidarea malatului.

Hidratarea fumaratului este o reacție importantă în metabolismul celular‚ deoarece este implicată în mai multe căi metabolice‚ inclusiv ciclul acidului citric‚ metabolismul aminoacizilor și metabolismul gluconeogenezei. Această reacție este‚ de asemenea‚ importantă pentru menținerea echilibrului redox în mitocondrii.

Reacția 8⁚ Oxidarea malatului

Oxidarea malatului este ultima etapă a ciclului acidului citric‚ o reacție de oxidare a malatului la oxaloacetat‚ catalizată de enzimă malat dehidrogenază. Această reacție este o reacție reversibilă‚ dar în condițiile normale din mitocondrii‚ echilibrul este deplasat spre formarea oxaloacetatului. Oxaloacetatul este un intermediar esențial în ciclul acidului citric‚ deoarece este necesar pentru a începe o nouă rundă a ciclului.

Reacția de oxidare a malatului este o reacție de oxidare-reducere‚ în care malatul este oxidat la oxaloacetat‚ iar NAD+ este redus la NADH. Această reacție este importantă pentru ciclul acidului citric‚ deoarece generează NADH‚ un coenzimă importantă pentru fosforilarea oxidativă‚ procesul care produce cea mai mare parte a ATP-ului în celule.

Reacția de oxidare a malatului este‚ de asemenea‚ importantă pentru metabolismul celular‚ deoarece este implicată în mai multe căi metabolice‚ inclusiv ciclul acidului citric‚ metabolismul aminoacizilor și metabolismul gluconeogenezei. Această reacție este esențială pentru menținerea echilibrului redox în mitocondrii și pentru producerea energiei celulare.

Producția de ATP în ciclul acidului citric

Deși ciclul acidului citric produce direct doar o moleculă de ATP pe rundă‚ rolul său principal este de a genera electroni de înaltă energie sub formă de NADH și FADH2‚ care vor alimenta ulterior lanțul de transport al electronilor. Ciclul acidului citric generează 3 molecule de NADH și o moleculă de FADH2 pe rundă‚ iar aceste molecule joacă un rol crucial în fosforilarea oxidativă‚ procesul major de producere a ATP în mitocondrii.

Fosforilarea oxidativă este o cale metabolică complexă‚ care implică o serie de proteine ​​de transport de electroni și un gradient de protoni transmembranar. NADH și FADH2‚ generate în ciclul acidului citric‚ cedează electroni la lanțul de transport al electronilor‚ eliberând energie care este folosită pentru a pompa protonii din matricea mitocondrială în spațiul intermembranar. Gradientul de protoni rezultat este apoi utilizat de ATP sintaza pentru a sintetiza ATP din ADP și fosfat anorganic. Fiecare moleculă de NADH produce aproximativ 2‚5 molecule de ATP‚ iar fiecare moleculă de FADH2 produce aproximativ 1‚5 molecule de ATP. Astfel‚ ciclul acidului citric‚ prin intermediul NADH și FADH2‚ este responsabil indirect pentru producerea majorității ATP-ului în respirația celulară.

Rolul NADH și FADH2 în fosforilarea oxidativă

NADH și FADH2‚ produși în ciclul acidului citric‚ joacă un rol esențial în fosforilarea oxidativă‚ procesul major de producere a ATP în mitocondrii. Aceste molecule acționează ca purtători de electroni de înaltă energie‚ transferând electroni de la ciclul acidului citric la lanțul de transport al electronilor‚ care este localizat în membrana mitocondrială internă.

Lanțul de transport al electronilor este o serie de proteine ​​membranare care acceptă și cedează electroni într-o succesiune specifică. NADH și FADH2 cedează electroni la diferite puncte din lanțul de transport al electronilor‚ eliberând energie. Această energie este folosită pentru a pompa protonii din matricea mitocondrială în spațiul intermembranar‚ creând un gradient de protoni transmembranar. Gradientul de protoni este apoi utilizat de ATP sintaza pentru a sintetiza ATP din ADP și fosfat anorganic. Astfel‚ NADH și FADH2‚ generate în ciclul acidului citric‚ sunt esențiale pentru producerea majorității ATP-ului în respirația celulară.