Conţinutul principal

Curs: Biblioteca de biologie > Unitatea 12

Lecția 4: Oxidarea acidului piruvic și ciclul acidului citric

Ciclul acidului citric

Prezentare generală și etapele ciclului acidului citric, cunoscut și sub numele de ciclul Krebs sau ciclul acizilor tricarboxilici (TCA).

Introducere

Cât de important este ciclul acidului citric? Atât de important încât nu are doar o singură denumire, nici două, ci trei denumiri diferite în utilizarea comună din ziua de azi!

Numele pe care îl vom folosi frecvent aici, ciclul acidului citric, face referire la prima moleculă care se formează în timpul reacțiilor ciclului- citrat sau, în forma sa protonată, acid citric. Totuși, această serie de reacții se poate denumi și ciclul acizilor tricarboxilici (TCA), pentru cele trei grupări de carboxil la primii doi intermediari, sau ciclul Krebs, după numele lui Hans Krebs, cel care a descoperit acest ciclu.

Orice denumire preferi, ciclul citric este un motor central al respirației celulare. Primește acetil

CoA

—produs prin oxidarea piruvatului și derivat inițial din glucoză – ca materie primă și, într-o serie de reacții redox, își colectează o mare parte din energia legăturii sub formă de molecule de

NADH

, de

{FADH}_{2}

și de

ATP

. Electronii de transport reduși —

NADH

și

{FADH}_{2}

—generați în ciclul TCA vor trece electronii lor în lanțul de transport electronic și, prin fosforilarea oxidativă, se va genera cea mai mare parte a ATP produsă în respirația celulară.

Mai jos, vom analiza mai în detaliu modul în care funcționează acest ciclu remarcabil.

Prezentarea generală a ciclului acidului citric

În cazul eucariotelor, ciclul acidului citric are loc în matricea mitocondriei, la fel ca transformarea piruvatului în acetil

CoA

. La procariote, ambii pași au loc în citoplasmă. Ciclul acidului citric este o buclă închisă; ultima parte a căii reformează molecula utilizată în primul pas. Ciclul cuprinde opt etape majore.

În primul pas al ciclului, acetil-

CoA

se combină cu o moleculă primitoare formată din patru atomi de carbon, oxaloacetat, care formează o moleculă de șase atomi de carbon, numită citrat. După o rearanjare rapidă, această moleculă de șase atomi de carbon eliberează doi dintre carbonii săi sub formă de molecule de dioxid de carbon, într-o pereche de reacții similare, producând câte o moleculă de

NADH

de fiecare dată

^{1}

. Enzimele care catalizează aceste reacții sunt principalele regulatoare ale ciclului acidului citric, accelerându-l sau încetinindu-l, pe baza necesarului de energie al celulei

^{2}

Restul moleculei, formată din patru atomi de carbon suferă o serie de reacții suplimentare, pentru prima dată formând o moleculă de

A T P

- sau, în unele celule, o moleculă similară numită

G T P

—apoi reducând transportorul electronic

F A D

{F A D H}_{2}

, și, în sfârșit, generând un alt

N A D H

. Acest set de reacții regenerează molecula inițială, oxaloacetatul, astfel încât ciclul să se poată repeta.

Per total, o transformare a ciclului acidului citric eliberează două molecule de dioxid de carbon și produce trei

N A D H

, un

{F A D H}_{2}

și un

A T P

G T P

. Ciclul acidului citric se realizează de aproximativ două ori pentru fiecare moleculă de glucoză care intră în respirația celulară, pentru că există două piruvate - și astfel, două acetil

CoA

s— per glucoză.

Etapele ciclului acidului citric

Deja ai avut o previzualizare a moleculelor produse în timpul ciclului acidului citric. Dar cum se produc, mai exact, aceste molecule? Vom trece pas cu pas prin ciclu, uitându-ne cum sunt produse

NADH

{FADH}_{2}

și

ATP

GTP

și unde sunt eliberate moleculele de dioxid de carbon.

Pasul 1. În primul pas al ciclului acidului citric, acetil-

CoA

se alătură unei molecule formate din patru atomi de carbon, oxaloacetat, eliberând gruparea

CoA

și formând o moleculă formată din șase atomi de carbon, numită citrat.

Pasul 2. În a doua etapă, citratul este transformat în izomerul său, izocitrat. Acesta este, de fapt, un proces format din două etape, implicând mai întâi îndepărtarea și apoi adăugarea unei molecule de apă; de aceea, ciclul acidului citric este descris uneori ca având nouă pași — mai degrabă decât cei opt enumerați aici

^{3}

Pasul 3. În a treia etapă, izocitratul este oxidat și eliberează o moleculă de dioxid de carbon, lăsând în urmă o moleculă formată din cinci atomi de carbon- α-ketoglutarat. În timpul acestui pas,

{NAD}^{+}

este redus la

NADH

. Enzima care catalizează acest pas, izocitrat dehidrogenaza, este importantă pentru reglarea vitezei ciclului acidului citric.

Pasul 4. Pasul 4 este similar cu al treilea. În acest caz, este α-ketoglutarat oxidat, reducând

{NAD}^{+}

NADH

și eliberând o moleculă de dioxid de carbon în acest proces. Molecula formată din patru atomi de carbon rămasă preia Coenzima A, formând compusul instabil succinil

CoA

. Enzima care catalizează acest pas, α-ketoglutarat dehidrogenaza, este, de asemenea, importantă în reglarea ciclului acidului citric.

Credit imagine: modificată din "Oxidation of pyruvate and citric acid cycle: Figure 2" by OpenStax College, Biology, CC BY 3.0

Pasul 5. În al cincilea pas,

CoA

de succinil

CoA

este înlocuit de o grupare fosfat, care este apoi transferat la

ADP

, pentru a produce

ATP

. În unele celule,

GDP

—guanozină difosfat—este folosită în loc de

ADP

, formând

GTP

—guanozină trifosfat—ca produs. Molecula formată din patru atomi de carbon produsă în acest pas se numește succinat.

Pasul 6. În etapa a șasea, succinatul este oxidat, formând o altă moleculă din patru atomi de carbon, numită fumarat. În această reactie, doi atomi de hidrogen - cu electronii lor - sunt transferati către

FAD

, producând

{FADH}_{2}

. Enzima care realizează această etapă este încorporată în membrana interioară a mitocondriei, astfel încât

{FADH}_{2}

își poate transfera electronii direct în lanțul de transport al electronilor.

FAD

este un primitor de electroni mai bun decât

{NAD}^{+}

, însemnând că are o afinitate superioară sau „foame” pentru electroni. Succinatul nu este un mare donator de electroni, însemnând că are o afinitate destul de mare pentru electroni și nu este dornică să renunțe la ei.

{NAD}^{+}

nu este suficient de „flămândă de-electroni” pentru a-i lua electronii succinatului, dar

FAD

este

^{4, 5}

Pasul 7. În pasul 7, se adaugă apă la molecula formată din patru atomi de carbon fumarat, transformând-o într-o altă moleculă din patru atomi de carbon, numită malat.

Pasul 8. În ultima etapă a ciclului acidului citric, oxaloacetatul – compusul care începe cu patru atomi de carbon – este regenerat prin oxidarea malatului. O altă moleculă de

{NAD}^{+}

este redusă la

NADH

în acest proces.

Produsele ciclului acidului citric

Haide să facem un pas înapoi și să dăm niște explicații, evidențiind soarta atomilor de carbon care intră în ciclul acidului citric și numărând transportorii de electronici reduși -

NADH

și

{FADH}_{2}

—și

ATP

produși.

Într-o singură transformare a ciclului,

doi atomi de carbon intră din acetil- $CoA$ ‍ și sunt eliberate două molecule de dioxid de carbon;
se formează trei molecule de $NADH$ ‍ și o moleculă de ${FADH}_{2}$ ‍ și
este produsă o moleculă de $ATP$ ‍ sau $GTP$ ‍.

Aceste cifre sunt pentru o tranformare a ciclului, corespunzând unei molecule de acetil

C o A

. Fiecare glucoză produce două molecule de acetil

C o A

, așa că trebuie să înmulțim aceste numere cu

2

, dacă vrem randamentul per-glucoză.

Doi atomi de carbon—de la acetil-

C o A

—intră în ciclul acidului citric la fiecare rotație și două molecule de dioxid de carbon sunt eliberate. Cu toate acestea, moleculele de dioxid de carbon nu conțin atomi de carbon din acetil

C o A

care tocmai au intrat în ciclu. În schimb, atomii de carbon din acetil

C o A

sunt inițial încorporați în intermediarii ciclului și sunt eliberați sub formă de dioxid de carbon, doar în transformări ulterioare. După suficiente transformări, toți atomii de carbon din gruparea acetil a acetilului

C o A

vor fi eliberați sub formă de dioxid de carbon.

Unde este tot $ATP$ ‍-ul?

S-ar putea să crezi că rezultatul

ATP

al ciclului acidului citric nu este destul de impresionant. Toată munca doar pentru un singur

ATP

GTP

Este adevărat că ciclul acidului citric nu produce prea mult

ATP

direct. Cu toate acestea, poate produce o grămadă de

ATP

indirect, cu ajutorul

NADH

și

{FADH}_{2}

pe care le generează. Acești purtători de electroni se vor conecta la ultima porțiune a respirației celulare, depunând electronii în lanțul de transport al electronilor pentru a conduce sinteza moleculelor ATP prin fosforilare oxidativă.

Surse:

Acest articol este adaptat din Oxidation of pyruvate and the citric acid cycle” de OpenStax Biology, CC BY 3.0.

Descarcă gratuit articolul orginal, de pe http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:36/Oxidation-of-Pyruvate-and-the-.

Articolul modificat este licențiat sub o licență CC-BY-NC-SA 4.0.

Berg, J. M., J. A. Tymoczko, and L. Stryer. "The Citric Acid Cycle." In Biochemistry. 6th ed. (New York, NY: W.H. Freeman and Company, 2007), 485.
Berg, J. M., J. A. Tymoczko, and L. Stryer. "The Citric Acid Cycle." In Biochemistry. 6th ed. (New York, NY: W.H. Freeman and Company, 2007), 492.
Raven, P. H., G. B. Johnson, K. A. Mason, J. B. Losos, and S. R. Singer. "How Cells Harvest Energy." In Biology. 10th AP ed. (New York, NY: McGraw-Hill, 2014), 132-133.
Pasani, S. "Why Is FADH2 Made Instead of NADH in One of the Reaction of Krebs Cycle? [answer]." Biology Stack Exchange. September 7, 2013. http://biology.stackexchange.com/questions/10313/why-is-fadh2-made-instead-of-nadh-in-one-of-the-reaction-of-krebs-cycle.
Berg, J. M., J. A. Tymoczko, and L. Stryer. "The Citric Acid Cycle." In Biochemistry. 6th ed. (New York, NY: W.H. Freeman and Company, 2007), 487-488.

Referințe suplimentare

Berg, J. M., J. A. Tymoczko, and L. Stryer. "The Citric Acid Cycle." In Biochemistry, 475-501. 6th ed. New York, NY: W.H. Freeman and Company, 2007.

Caprette, D. R. "Hans Krebs (1900-1981)." Experimental Biosciences: Resources for Introductory & Intermediate Level Lab Courses. May 26, 2005. http://www.ruf.rice.edu/~bioslabs/studies/mitochondria/krebs.html.

"Citric Acid Cycle." Wikipedia. August 23, 2015. Accessed September 10, 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Citric_acid_cycle.

"Hans Adolf Krebs." Wikipedia. August 15, 2015. Accessed September 10, 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Hans_Adolf_Krebs.

Karp, Gerald. "The Role of Mitochondria in the Formation of ATP." In Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments, 182-91. 6th ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2010.

Krantz, B. "Citric Acid Cycle." 2008. https://mcb.berkeley.edu/labs/krantz/mcb102/lect_S2008/MCB102-SPRING2008-LECTURE8-CITRIC_ACID_CYCLE.pdf.

Krebs, Hans Adolf, and Leonard Victor Eggleston. "The Oxidation of Pyruvate in Pigeon Breast Muscle." Biochem. J. Biochemical Journal 34, no. 3 (1940): 442-59. doi:10.1042/bj0340442.

Lehninger, A., D. Nelson, and M. Cox. "Regulation of the Citric Acid Cycle." In Principles of Biochemistry. 2nd ed. New York, NY: Worth Publishers, 1992.

Pasani, S. "Why Is FADH2 Made Instead of NADH in One of the Reaction of Krebs Cycle? [answer]." Biology Stack Exchange. September 7, 2013. http://biology.stackexchange.com/questions/10313/why-is-fadh2-made-instead-of-nadh-in-one-of-the-reaction-of-krebs-cycle.

Raven, P. H., G. B. Johnson, K. A. Mason, J. B. Losos, and S. R. Singer. "How Cells Harvest Energy." In Biology, 122-46. 10th AP ed. New York, NY: McGraw-Hill, 2014.

"Redox Reactions." Essential Biochemistry. 2004. http://www.wiley.com/college/pratt/0471393878/student/review/redox/4_reduction_potential.html.

Reece, J. B., L. A. Urry, M. L. Cain, S. A. Wasserman, P. V. Minorsky și R. B. Jackson. „Cellular Respiration and Fermentation”. În Campbell Biology, 162-84. ed. 10. San Francisco, CA: Pearson, 2011.

Vrei să te alături conversației?

Conectare

Ordonare după:

Nici o postare încă.

Înțelegi engleza? Dă clic aici pentru a vedea mai multe discuții care au loc pe site-ul în limba engleză al Khan Academy.

Biblioteca de biologie