Cykl Krebsa, zwany także cyklem kwasu cytrynowego, jest serią reakcji chemicznych, które mają na celu generowanie energii poprzez utlenianie szczawiooctanu do dwutlenku węgla, a także dostarczanie czynników redukujących.
Cykl Krebsa – co to jest?
Cykl kwasu cytrynowego (ang. citric acid cycle) jest też nazywany cyklem kwasów trójkarboksylowych lub cyklem Krebsa.
Swoją najpopularniejszą nazwę wziął od nazwiska Hansa Adolfa Krebsa, niemieckiego biochemika, który w latach 30. XX wieku w oparciu o dane zgromadzone przez innych badaczy, rozpracował go szczegółowo. Otrzymał za to nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny w 1953 roku.
Cykl Krebsa, a właściwie niektóre jego enzymy uczestniczące w nim, mogą być – według najnowszych badań – zaangażowane w replikację DNA. Niektóre badania wskazują, że centralny metabolizm węgla może mieć częściowo lub ściśle związek z replikacją i naprawą DNA
Gdzie zachodzi cykl Krebsa?
Cykl kwasu cytrynowego jest jednym z punktów w centralnym metabolizmie węgla. Cykl Krebsa przebiega w macierzy (matrix) mitochondrialnej eukariontów (czyli organizmów komórkowych), czyli w tzw. „galarecie”, a dokładniej tam, w której zanurzone są inne składowe komórki mitochondrialnej.
Cykl kwasu cytrynowego przebiega w cyklu oddechowym wszystkich organizmów, które oddychają tlenowo (np. ludzie, zwierzęta) i jest ostatnim ważniejszym cyklem w centralnym metabolizmie węgla. Centralny metabolizm węgla (CCM) to szereg przemian, dzięki którym uzyskiwana jest niezbędna energia do rozwoju i rozmnażania komórek. Dochodzi w nim do utleniania węglowodanów, pochodnych kwasów tłuszczowych i aminokwasów i przekształcenia ich w dwutlenek węgla.
Na czym polega cykl Krebsa?
Każdy organizm musi korzystać z energii zawartej w cząsteczkach związków organicznych, które pobrane zostały z zewnątrz lub powstały w wyniku fotosyntezy. W jaki sposób to robią? Najpierw skomplikowane cząsteczki pokarmu rozkładane są na prostsze, które docierają w takiej postaci do krwi, a następnie krwiobiegiem do wszystkich komórek. W nich, podczas procesów katabolicznych (rozpad złożonych cząsteczek na prostsze i uwalnianie z nich energii), energia ich wiązań chemicznych przekształca się w energię chemiczną zgromadzoną w ATP.
Cztery etapy oddychania tlenowego
Żeby mówić o cyklu kwasu cytrynowego, należy wspomnieć o etapach oddychania tlenowego. Bez tego zjawiska nie istnieje pojęcie cyklu kwasu trikarboksylowego.
Pierwszym etapem jest glikoliza. Nazwa ta pochodzi od greckiego słowa, które oznacza „rozpad cukru”. Nie wymaga ona tlenu, może więc zachodzić zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych. Pierwszą fazę tej reakcji nazywa się fazą inwestowania energii, ponieważ podczas jej trwania zużywane są cząstki ATP. Drugi etap jest momentem, w którym pod wpływem reakcji egzoergicznych powstają ATP i NADH. Produktem glikolizy jest pirogronian, który przechodzi do mitochondriów. Tam następnie zachodzą dalsze etapy oddychania tlenowego.
Kolejną fazą oddychania aerobowego jest przemienienie pirogronianu w acetylo-CoA. W komórkach eukariontów cząsteczki pirogronianu dostają się do mitochondrium i tam tworzą acetylo-koenzym A. W wyniku tej reakcji atomy wodoru przenoszą się na przenośniki i uwalnia się dwutlenek węgla.
Trzecim etapem oddychania tlenowego jest cykl kwasu cytrynowego, czyli cykl Krebsa. Jest to seria reakcji, w których reszta acetylowa z acetylo-CoA rozkłada się do dwutlenku węgla. W rezultacie powstaje także ATP.
Ostatnią z faz oddychania aerobowego jest transport elektronów i chemiosmoza (w mitochondriach). Jest to łańcuch, który składa się z kilkunastu cząsteczek. Ich zadaniem jest przeniesienie elektronów dalej. Energia wytworzona podczas transportu elektronów służy do tworzenia gradientu protonowego (służy do syntezy ATP, a także do transportu niektórych metabolitów przez wewnętrzną błonę mitochondrialną).
Etapy cyklu Krebsa
Cykl kwasów trikarboksylowych (cykl Krebsa) można podzielić na osiem etapów.
1. Synteza cytrynianu (kluczowy enzym: syntaza cytrynianowa)
Syntaza to enzym katalizujący reakcje syntezy, czyli reakcje, w wyniku których powstają bardziej złożone produkty.
Pierwszym etapem jest rozerwanie niestabilnego wiązania łączącego grupę acetylową z koenzymem A. Głównym substratem cyklu kwasu cytrynowego jest acetylo-CoA. Może on pochodzić z różnych źródeł, zwykle jednak powstaje z pirogronianu (produktu glikolizy, czyli procesu przemiany glukozy w dwie cząsteczki pirogronianu). Jednostka dwuwęglowa (acetylo-CoA) łączy się z jednostką czterowęglową, czyli kwasem szczawiooctowym. W wyniku tego powstaje cząsteczka sześciowęglowa, którą jest kwas cytrynowy. Wskutek serii reakcji odwodorowania, dekarboksylacji i kondensacji cytrynian zostaje z powrotem przekształcony w szczawiooctan, który znowu może reagować z następną cząsteczką acetylo-CoA.
2. Izomeryzacja (kluczowy enzym: akonitaza)
W tym etapie atomy cytrynianu przegrupowują się. Kwas cytrynowy nie jest zazwyczaj przekazywany do macierzy mitochondrialnej, ale przechodzi od razu do kolejnego enzymu – akonitazy (hydratazy akonitanowej). Takie skierowanie atomów cytrynianu sprawia, że szybkość reakcji zwiększa się.
Przegrupowanie następuje w dwóch reakcjach. W pierwszej z nich cząsteczka wody odłącza się od cytrynianu. W wyniku dehydracji powstaje kwas cis-akonitowy. Ten metabolit ulega w drugiej reakcji rehydratacji, czyli ponownemu przyłączeniu cząsteczek wody. W wyniku tego procesu cytrynian zostaje przekształcony w izomer – izocytrynian.
3. Pierwsze utlenienie i dekarboksylacja (kluczowy enzym: dehydrogenaza izocytrynianowa)
Przy użyciu NAD+ przez dehydrogenazę izocytrynianową izocytrynian zostaje utleniony. W ten sposób powstają szczawiobursztyniany. Te metabolity cyklu będące beta-kwasem ulegają dekarboksylacji, jeszcze zanim odłączą się od enzymu. Wskutek odwodornienia i dekarboksylacji izocytrynianu powstaje pięciowęglowy związek α-ketoglutaran.
4. Oksydacyjna dekarboksylacja (kluczowy enzym: dehydrogenaza α-ketoglutaranu)
W tej reakcji α-ketoglutaran ulega dekarboksylacji i dehydrogenacji. W wyniku tego zjawiska w ramach cyklu kwasu cytrynowego powstaje czterowęglowy bursztynian, który następnie reaguje z koenzymem A i w ten sposób tworzony jest bursztynylo-CoA. Tę reakcję katalizuje kompleks wieloenzymatyczny podobny do kompleksu katalizującego przekształcenie pirogronianu w acetylo-CoA.
Powstający w tej reakcji metabolit cyklu, jakim jest NADH, zostaje następnie utleniony w reakcjach łańcucha oddechowego.
5. Fosforylacja substratowa (kluczowy enzym: syntetaza bursztynylo-CoA)
Na tym etapie cyklu Krebsa bursztynylo-koenzym A, który zawiera wiązanie wysokoenergetyczne, zostaje wykorzystany do przeprowadzenia fosforylacji substratowej z użyciem fosforanu nieorganicznego. Reakcja rozpoczyna się od zamiany koenzymu A na resztę ortofosforanową. Powstaje w wyniku reakcji trifosforan nukleozydu, a oprócz niego powstają także wolny koenzym A i bursztynian. Rozpad bursztynylo-koenzymu A jest sprzężony z fosforylacją GDP do GTP (związku, który jest podobny do ATP). Grupa fosforanowa z GTP przechodzi na ADP, tworząc tym samym ATP.
6. Utlenienie bursztynianiu (kluczowy enzym: dehydrogenaza bursztynianowa)
W tym stadium bursztynian ulega odwodornieniu. W odróżnieniu od innych enzymów cyklu Krebsa dehydrogenaza bursztynianowa jest nieodłącznym białkiem błony wewnętrznej mitochondrium. Jest także drugim kompleksem przenośników elektronów łańcucha oddechowego.
Na tym etapie cyklu kwasu cytrynowego bursztynian utlenia się do fumaranu (organicznego związku chemicznego, który występuje w mchach i grzybach. Jest on produktem ubocznym metabolizmu węglowodanów). Dzieje się to w następstwie przejścia dwóch wodorów bursztynianu na FAD i powstania FADH2.
7. Przyłączenie cząsteczki wody (kluczowy enzym: fumaraza)
W reakcji kondensacji do fumaranu zostaje dołączona cząsteczka wody, a fumaran jest przekształcany w kwas jabłkowy.
8. Odtworzenie szczawiooctanu (kluczowy enzym: dehydrogenaza jabłczanowa)
Ten etap ma na celu odtworzenie szczawiooctanu. W wyniku odwodornienia jabłczanu powstaje szczawiooctan. W tym etapie odłączane zostają dwa wodory, które następnie przenoszone są na NAD+. Dzięki ponownemu wytworzeniu kwasu szczawiooctowego możliwe jest powtórzenie całego cyklu.
Jak przebiega cykl Krebsa?
Etapy cyklu kwasu cytrynowego zachodzą po sobie cyklicznie. Podczas jednego cyklu kwasów trójkarboksylowych (podczas jego jednego obrotu) uwalniane są dwie cząsteczki dwutlenku węgla, a także odszczepionych zostaje osiem atomów wodoru. W wyniku cyklu tworzy się jedno wysokoenergetyczne wiązanie fosforanowe.
Cykl Krebsa jest ostatnim etapem zwykłego szlaku przemian łańcucha węglowego węglowodanów, kwasów tłuszczowych i aminokwasów. Na przestrzeni trwania całego cyklu zostają one włączone w tym lub innym punkcie. Na przykład można zauważyć, że kwas piroronianowy podlegając różnego rodzaju reakcjom, zostaje przekształcony w acetylo-CoA.
Jaką funkcję w metabolizmie pełni cykl Krebsa?
Metabolizm jest to ogół procesów biochemicznych zachodzących w organizmie. Inaczej nazywane są one po prostu przemianą materii. Wyróżnia się dwa rodzaje metabolizmu.
Katabolizm polega na rozkładaniu substancji złożonych na substancje proste, któremu to procesowi towarzyszy uwolnienie energii. Katabolizm przebiega między innymi w mózgu czy mięśniach.
Anabolizm to synteza złożonych związków organicznych ze związków prostych, która wymaga nakładów energii.
Poprzez reakcje enzymatyczne energia elektronów jest wiązana w postaci użytecznej biologicznie energii wysokoenergetycznych związków, jak np. ATP (adenozynotrifosforan). Wszystkie reakcje metaboliczne, które wymagają dopływu energii, przebiegają dzięki ATP, który jest materiałem energetycznym komórki. Wysokoenergetyczne cząsteczki nie mogą przemieszczać się z komórki do komórki, ale są użytkowane dopiero w miejscu ich stworzenia. Wiązania ATP, które są potrzebne do kurczenia się mięśni, są tworzone wprost w komórkach mięśni właśnie.
W mitochondrium regulowany jest metabolizm komórek, a także wytwarzana jest energia. Gdy mitochondrium działa poprawnie, tym lepiej funkcjonuje nasze ciało. Cykl Krebsa stanowi istotny element w ludzkiej przemianie materii. Wynika to z faktu, że na tym etapie łączony jest metabolizm węglowodanów, tłuszczów i aminokwasów. Sprawne działanie metabolizmu zależy także oczywiście od mikroskładników (np. żelazo, magnez, kobalt itd). Dzięki niezbędnym składnikom odżywczym i dzięki odpowiedniemu funkcjonowaniu cyklu kwasu cytrynowego, w którym następuje produkowanie energii, możliwa jest prawidłowa przemiana materii.
Zaburzenia metaboliczne związane z cyklem Krebsa
Choroba beri-beri jest związana ściśle z aktywnością enzymów w cyklu kwasu cytrynowego. Beri-beri to choroba układu nerwowego, którą wywołuje niedobór witaminy B1. Witamina B1 inaczej nazywana jest tiaminą (TPP) i odgrywa istotną rolę w przemianie węglowodanów. W procesie cyklu Krebsa odgrywa istotną rolę w spalaniu glukozy. Przy niedoborze tej witaminy w ustroju człowieka gromadzą się mleczany i kwas pirogronowy. Jej brak powoduje zaburzenia neurologiczne.
Główne produkty i substraty cyklu Krebsa
Do zajścia reakcji cyklu kwasów trójkarboksylowych potrzebne są konkretne substancje, które na to pozwolą.
Niektórymi z substancji wyjściowych są:
- acetylo-koenzym A,
- woda,
- szczawiooctan,
- NAD+, czyli nukleotyd pełniący istotną rolę w procesie oddychania komórkowego,
- FAD, czyli organiczny związek chemiczny,
- ADP,
- kwas pantotenowy,
- fosforany,
- GDP, czyli rybonukleotyd.
Niektóre produkty końcowe cyklu Krebsa to:
- woda,
- dwutlenek węgla,
- NADH,
- FADH2,
- ATP, czyli cząsteczki przenoszące energię.
Podsumowanie
Biblia opisuje stworzenie człowieka prostymi słowami: „Wtedy PAN Bóg ukształtował człowieka z prochu ziemi i tchnął w jego nozdrza tchnienie życia. I człowiek stał się żywą duszą” (Księga Rodzaju 2,7; Uwspółcześniona Biblia Gdańska). A dzięki współczesnej nauce i postępowi technologicznemu możemy zobaczyć, jak skomplikowanymi „maszynami” jesteśmy. Gdy patrzymy na ludzkie ciało i coraz więcej wiemy o jego złożoności i funkcjonowaniu, na usta ciśnie się okrzyk zachwytu nad tym, jak cudownie stworzył nas Bóg!
Źródła
- E.P. Solomon, L.R. Berg, D.W. Martin, Biologia, wyd. IX, Warszawa 2014.
- C.A. Villee, Biologia, Warszawa 1990.
- A. Wieczorek, Korelacje pomiędzy ekspresją genów kodujących enzymy cyklu Krebsa a kontrolą replikacji DNA w komórkach ludzkich, Gdańsk 2018.
© Źródło zdjęcia głównego: Canva.
