Citrátový cyklus

Rozbalit box

Obsah boxu

Citrátový cyklus (také známý jako Krebsův cyklus nebo cyklus trikarboxylových kyselin, zkráceně TCA cyklus) je klíčová metabolická dráha probíhající v buňkách většiny organismů, které využívají kyslík pro buněčné dýchání. Jedná se o sérii chemických reakcí, které slouží k uvolnění energie uložené v acetylkoenzymu A (acetyl-CoA), jenž vzniká rozkladem sacharidů, tuků a bílkovin. Cyklus je centrálním bodem metabolismu, protože nejenže produkuje energii ve formě ATP, ale také poskytuje prekurzory pro syntézu mnoha důležitých biomolekul. U eukaryotických organismů probíhá v mitochondriální matrix.

Jeho název je odvozen od kyseliny citronové (citrátu), která je prvním meziproduktem vznikajícím v cyklu. Alternativní název, Krebsův cyklus, je poctou jeho objeviteli, siru Hansi Adolfu Krebsovi, který za jeho objasnění obdržel v roce 1953 Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu.

📜 Historie

Objasnění citrátového cyklu bylo jedním z milníků moderní biochemie. Ve 30. letech 20. století bylo známo mnoho jednotlivých reakcí probíhajících v buňkách, ale jejich vzájemná souvislost nebyla zřejmá. Maďarský biochemik Albert Szent-Györgyi objevil roli některých dikarboxylových kyselin, jako je sukcinát, fumarát a malát, a zjistil, že katalyticky stimulují buněčné dýchání.

Na jeho práci navázal německo-britský biochemik Hans Adolf Krebs. V roce 1937 na Univerzitě v Sheffieldu Krebs, společně s Williamem Johnsonem, poskládal známé reakce do uceleného cyklického schématu. Klíčovým krokem bylo zjištění, že oxalacetát reaguje s derivátem pyruvátu (později identifikovaným jako acetylkoenzym A) za vzniku citrátu, čímž se cyklus uzavírá. Krebs navrhl, že tento cyklus je hlavní cestou pro oxidaci pyruvátu, a tím i glukózy. Svůj článek původně poslal do časopisu Nature, který jej však odmítl. Publikoval jej proto v nizozemském časopise Enzymologia. Za tento objev mu byla v roce 1953 udělena Nobelova cena.

⚙️ Funkce a význam

Citrátový cyklus je amfibolická dráha, což znamená, že se účastní jak katabolických (rozkladných), tak anabolických (syntetických) procesů.

⚡ Energetický zisk

Hlavní katabolickou funkcí cyklu je oxidace acetyl-CoA na oxid uhličitý (CO₂). Během této oxidace se uvolňuje energie, která není přímo uložena do velkého množství ATP, ale je dočasně zachycena ve formě redukovaných koenzymů: NADH (redukovaný nikotinamidadenindinukleotid) a FADH2 (redukovaný flavinadenindinukleotid).

Tyto molekuly s vysokým energetickým potenciálem následně vstupují do dýchacího řetězce (elektron-transportního řetězce) na vnitřní mitochondriální membráně. Zde odevzdávají své elektrony, což pohání proces zvaný oxidativní fosforylace, při kterém se syntetizuje velké množství ATP – hlavní energetické měny buňky. Přímo v citrátovém cyklu vzniká pouze jedna molekula GTP (nebo ATP) na jednu otáčku cyklu procesem substrátové fosforylace.

🧱 Anabolická role

Kromě produkce energie slouží meziprodukty citrátového cyklu jako výchozí látky (prekurzory) pro syntézu jiných důležitých molekul:

• Oxalacetát a alfa-ketoglutarát mohou být přeměněny na aminokyseliny aspartát a glutamát procesem zvaným transaminace. Z nich pak mohou vznikat další aminokyseliny a nukleotidy.
• Sukcinyl-CoA je základním stavebním kamenem pro syntézu porfyrinů, které jsou součástí hemoglobinu, myoglobinu a cytochromů.
• Citrát může být transportován z mitochondrie do cytosolu, kde je rozštěpen zpět na acetyl-CoA a oxalacetát. Tento acetyl-CoA je pak využit pro syntézu mastných kyselin a cholesterolu.
• Malát se může účastnit glukoneogeneze, procesu tvorby glukózy z necukerných zdrojů.

Protože jsou meziprodukty z cyklu neustále odčerpávány pro biosyntézy, musí být doplňovány tzv. anaplerotickými reakcemi, aby se cyklus nezastavil. Nejvýznamnější takovou reakcí je karboxylace pyruvátu na oxalacetát, katalyzovaná enzymem pyruvátkarboxyláza.

🔄 Průběh cyklu (jednotlivé kroky)

Citrátový cyklus se skládá z osmi po sobě jdoucích enzymatických reakcí. Každá otáčka cyklu začíná kondenzací acetyl-CoA (dvouuhlíkatý zbytek) s oxalacetátem (čtyřuhlíkatá molekula) za vzniku citrátu (šestiuhlíkatá molekula). Během následujících sedmi kroků je citrát postupně přeměňován a oxidován, přičemž se uvolní dva atomy uhlíku ve formě CO₂ a regeneruje se výchozí molekula oxalacetátu.

1. Syntéza citrátu: Acetyl-CoA (C2) se slučuje s oxalacetátem (C4) za vzniku citrátu (C6). Reakce je katalyzována enzymem citrátsyntáza. Jedná se o vysoce exergonickou a prakticky nevratnou reakci, která je klíčovým regulačním bodem cyklu.
2. Izomerace citrátu na isocitrát: Citrát je přeměněn na svůj izomer, isocitrát, přes meziprodukt cis-akonitát. Tuto vratnou reakci katalyzuje enzym akonitáza.
3. První oxidativní dekarboxylace: Isocitrát je oxidován a dekarboxylován (odštěpí se CO₂) na alfa-ketoglutarát (α-ketoglutarát, C5). Během této reakce vzniká první molekula NADH. Reakci katalyzuje isocitrátdehydrogenáza a je to další důležitý, nevratný regulační krok.
4. Druhá oxidativní dekarboxylace: α-ketoglutarát je opět oxidován a dekarboxylován na sukcinyl-CoA (C4). Vzniká druhá molekula NADH a druhá molekula CO₂. Tuto komplexní reakci katalyzuje α-ketoglutarátdehydrogenázový komplex, který je podobný pyruvátdehydrogenázovému komplexu. I tento krok je nevratný a regulační.
5. Substrátová fosforylace: Sukcinyl-CoA je přeměněn na sukcinát (C4). Energie uložená v thioesterové vazbě sukcinyl-CoA je využita k syntéze jedné molekuly GTP (guanosintrifosfát) z GDP (v některých tkáních vzniká přímo ATP z ADP). Reakci katalyzuje sukcinyl-CoA-syntetáza.
6. Oxidace sukcinátu: Sukcinát je oxidován na fumarát (C4). Jako oxidační činidlo zde slouží FAD, který je redukován na FADH2. Reakci katalyzuje sukcinátdehydrogenáza, což je jediný enzym cyklu, který je pevně vázán na vnitřní mitochondriální membránu a je zároveň součástí dýchacího řetězce (Komplex II).
7. Hydratace fumarátu: Na dvojnou vazbu fumarátu se aduje molekula vody, čímž vzniká malát (L-malát, C4). Reakci katalyzuje fumaráza.
8. Oxidace malátu: Malát je oxidován zpět na výchozí oxalacetát (C4), čímž se cyklus uzavírá. Během této reakce vzniká třetí a poslední molekula NADH. Reakci katalyzuje malátdehydrogenáza. Oxalacetát je nyní připraven reagovat s další molekulou acetyl-CoA.

📊 Celková bilance

Souhrnná rovnice pro jednu otáčku citrátového cyklu je:

Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + P_i + 2 H2O → 2 CO₂ + 3 NADH + FADH2 + GTP + CoA-SH + 3 H⁺

Na jednu molekulu acetyl-CoA tedy cyklus vyprodukuje:

• 2 molekuly CO₂
• 3 molekuly NADH
• 1 molekulu FADH2
• 1 molekulu GTP (energeticky ekvivalentní ATP)

Protože z jedné molekuly glukózy vznikají v glykolýze a následné dekarboxylaci pyruvátu dvě molekuly acetyl-CoA, musí cyklus pro kompletní oxidaci jedné molekuly glukózy proběhnout dvakrát. Celkový energetický zisk z jedné molekuly glukózy je tedy dvojnásobný.

⚖️ Regulace cyklu

Rychlost citrátového cyklu je přísně regulována, aby odpovídala aktuálním energetickým potřebám buňky. Regulace probíhá především na třech nevratných krocích, které jsou katalyzovány následujícími enzymy: 1. Citrátsyntáza: Je inhibována vysokou koncentrací ATP (signál dostatku energie), NADH, sukcinyl-CoA a citrátu (produkty cyklu). 2. Isocitrátdehydrogenáza: Je silně aktivována ADP (signál nedostatku energie) a ionty vápníku (Ca²⁺). Naopak je inhibována vysokými hladinami ATP a NADH. 3. α-ketoglutarátdehydrogenázový komplex: Je inhibován svými produkty, sukcinyl-CoA a NADH, a také vysokou hladinou ATP. Je aktivován ionty Ca²⁺.

Obecně platí, že cyklus je zpomalen, když má buňka dostatek energie (vysoký poměr ATP/ADP a NADH/NAD⁺), a je zrychlen, když je energie zapotřebí.

🔗 Napojení na další metabolické dráhy

Citrátový cyklus je skutečným centrem buněčného metabolismu, propojujícím rozklad hlavních živin.

• Metabolismus sacharidů: Glukóza je v glykolýze rozložena na pyruvát. Ten je v mitochondrii přeměněn pyruvátdehydrogenázovým komplexem na acetyl-CoA, který vstupuje do cyklu.
• Metabolismus lipidů: Mastné kyseliny jsou v procesu beta-oxidace rozkládány na molekuly acetyl-CoA, které jsou hlavním palivem pro cyklus, zejména při hladovění nebo dlouhodobé fyzické zátěži.
• Metabolismus proteinů: Aminokyseliny mohou být po odstranění aminoskupiny (deaminace) přeměněny na různé meziprodukty cyklu (např. pyruvát, acetyl-CoA, α-ketoglutarát, sukcinyl-CoA, oxalacetát) a vstoupit tak do něj.

🔬 Pro laiky

Představte si citrátový cyklus jako kruhový objezd v centru velkého města, kterým je buňka. Do tohoto "metabolického objezdu" přijíždějí auta (molekuly paliva) z různých směrů – z dálnice sacharidů, z dálnice tuků i z dálnice bílkovin.

1. Vjezd na objezd: Hlavním vjezdem je molekula zvaná acetyl-CoA, která je jako malé nákladní auto vezoucí dvouuhlíkový náklad. Na objezdu se spojí s "připraveným vozíkem" (molekula oxalacetátu). 2. Jízda po objezdu: Během jedné jízdy po osmi "výjezdech" (chemických reakcích) je náklad postupně rozebrán. Uvolní se z něj "výfukové plyny" (dvě molekuly oxidu uhličitého, které vydechujeme) a hlavně se nabijí "baterie" (molekuly NADH a FADH₂). Tyto nabité baterie jsou nejdůležitějším produktem. 3. Výjezd a regenerace: Na konci jízdy se původní "vozík" (oxalacetát) obnoví a je připraven na další náklad. 4. Využití energie: Nabité "baterie" (NADH a FADH₂) pak putují do hlavní "elektrárny" buňky (dýchacího řetězce), kde odevzdají svou energii a umožní výrobu obrovského množství ATP, což je univerzální palivo pro všechny buněčné procesy.

Citrátový cyklus je tedy motor, který spaluje palivo z potravy, produkuje odpad (CO₂) a nabíjí energetické přenašeče, které pohánějí celou buňku.

Šablona:Aktualizováno