szerző: Dr. Bratek Zoltán
4.3 A szénhidrátok lebontásának aerob szakaszaszakasza
A sejtlégzés további reakciói a mitokondriumon belül zajlanak. Egy membrán kötött komponens kivételével, a trikarbonsavciklus (Krebs-ciklusnak és citrátkörnek szintén nevezik) enzimei oldott formában találhatók a mitokondriális mátrixban, míg az elektrontranszport és az oxidatív foszforiláció teljes mértékben a belső mitokondriális membránon történik. E reakciók szubsztrátjainak, így a piruvátnak, a NADH-nak, az ADP-nek, és a Pi-nak át kell lépniük mind a külső, mind a belső mitokondriális membránon. A külső mitokondriális membrán permeábilis bizonyos kisebb molekulákra (1kDa molekulatömegig), de sok más molekulát a porin transzportál, mely egy transzport csatornaként működő fehérje. A belső mitokondriális membránon történő átjutás szubsztrátspecifikus transzportert igényel. Kiemelkedőek ezek közül a piruvát-, ADP/ATP-, Pi-, citrát- és malát-transzporterek.
4.3.1. A piruvát trikarbonsavciklusba történő belépésének előkészítése
A sejtlégzés második szakaszában a glikolízisből származó piruvát széndioxiddá oxidálódik a mitokondriális mátrixban, elektronjai az elektronhordozó NAD+és FAD molekulákra kerülnek át. Az első lépése ennek a szakasznak egyelőkészítő reakció, mely a piruvátot olyan formába konvertálja, mellyel be tud lépni a trikarbonsavciklusba.
Ezt a reakciót a bonyolult felépítésűpiruvát-dehidrogenáz enzimkomplexkatalizálja, mely alegységei 3 enzimet is tartalmaznak, s rajta flavin-adenin- dinukleotid (FAD), tiamin-pirofoszfát és liponsavamid koenzimek kötődnek.
E reakció szubsztrátjai a piruvát, a NAD+és a koenzim-A (CoA). A piruvát dekarboxileződik, CO2szabadul fel, majd oxidálódik NAD+redukálódása mellett. A képződő C2egység, az acetát hozzákapcsolódik a CoA-SH-hoz, így acetil-CoA képződik.
A piruvát-dehidrogenáz enzimkomplex katalizálta reakciót összegző egyenlet:
Piruvát + CoA + NAD+→ acetil-CoA + NADH + CO2
Az acetát és a CoA közötti kötés nem stabil, reakcióképes, konzerválja az eredeti piruvát molekula energiájának egy részét. Az acetil-Coa molekula már kész a trikarbonsavciklusba történő belépésre, melynek enzimjeit és köztes termékeit a 4.2 ábra ismerteti.
4.3.2 A trikarbonsavciklus
A trikarbonsavciklus azzal kezdődik, hogy az acetil-Coa és az oxálecetsav, egy négyszénatomos szerves dikarbonsav, kondenzációjukkal egy C6-os szerves savat, citrátot és szabad Coa-SH-t képeznek (4.2 ábra). Majd a citrátból izomerizációval izocitrát képződik. A ciklus következő két lépése során oxidatív dekarboxileződések törénnek, mindkét lépésnél CO2képződik és elektronok kerülnek fel (transzportálódnak) a NAD+-ra. Először az izocitrát dekorboxileződik CO2-t, NADH-t és egy öt szénatomos szerves savat, oxoglutársavat képezve. Majd a 2-oxoglutársav termék azα-ketoglutarát-dehidrogenáz enzimkomplexáltal oxidálódik, így szukcinil-Coa, CO2 és NADH képződik. A jelentős szabadenergia-csökkenés miatt, a reakció gyakorlatilag megfordíthatatlan. Az enzimkomplex a szerkezete hasonló a piruvát-dehidrogenáz enzimkomplexéhez, mely a piruvátot acetil-Coa-vá alakítja. A két komplex által katalizált reakciók kémiailag analógok és mindkettőnek van tiamin-pirofoszfát és liponsavamid koenzimje. Bár a reakciómechanizmusai ennek a két enzimkomplexnek nagyon hasonlóak, a piruvát-dehidrogenáz aktivitását reverzibilis foszforiláció szabályozza, addig az α-ketoglutársav-piruvát-dehidrogenáz aktivitását nem.
A szukcinil-Coa szukcináttá alakul, mellyel együtt jár az ADP foszforilációja ATP-vé; ez az egyetlen trikarbonsavciklus reakció, mely direkten ATP-t produkál szubsztrátszintű foszforilációval. A szukcinát oxidációját fumaráttá a trikarbonsavciklus egyetlen membránkötött enzime, a szukcinát(borostyánkősav)-dehidrogenáz katalizálja. Ez elektronokat visz át a szukcinátról a kovalensen kötött FAD-ra. Az enzim egyben tagja a légzési elektrontranszportlánc II. komplexének, amelyben vas-kén centrumok is kapcsolódnak az enzimhez.
A továbbiakban a fumarát reverzibilisen hidratálódik malátot képezve. A reakciót afumaráz enzimkatalizálja, mely csak a mitokondriumban található meg és így megfelelő márker a mitokondriális mátrixra. A trikarbonsavciklus utolsó lépése, a malát oxidációja oxálecetsavvá, NADH-t produkál. Ez a reakció reverzibilis,in vitroaz equilibriuma erősen kedvez az oxálacetát maláttá redukálásának.In vivoazonban az equilibrium az oxálacetát képződése felé van eltolódva, mert az oxidatív reakció termékei hamar felhasználódnak.
4.2. ábraA trikarbonsavciklus. A bevezető reakcióban képződő acetil-Coa a citrát-szintáz katalizálta reakcióban az oxálecetsavval egy trikarboxil C6vegyületet, citrátot képez. Az acetil-Coa acetil feléből származó C-atomokat
piros szín jelöli.
Összegezve, a trikarbonsavciklus előkészítő reakciója és egy azutáni komplett fordulata alatt, a piruvát 3 szénatomja széndioxidként felszabadul, egy ATP direkten képződik, és még 4 NADH és 1 FADH2molekula képződik. Az ATP, NADH, és a FADH2képzik a sejt fő energia forrásait (4.3. ábra).
4.3. ábraA trikarbonsavciklusban képződött termékek. (Jones et al., 2012 után)
Habár a trikarbonsavciklus legtöbb enzime elektronakceptorként NAD+-ot használ, NADP-specifikus izoformái az izocitrát-dehidrogenáznak és a malát-dehidrogenáznak a sejt más részeiben jelen vannak. Például a peroxiszómák NADP-izocitrát-dehidrogenázt tartalmaznak. Az ilyen enzimek által képzett NADPH-nak sokféle lehetséges sorsa lehet. Ez azonnal oxidálódhat a növényi mitokondrium elektrontranszportláncában. Emellett, a NADPH egy elektrondonor számos mitokondriális reakció számára, beleértve a dihidrofolát tetrahidrofoláttá redukálását, mely egy szubsztrátja a C2 fotorespirációs ciklusnak; az oxidált glutation redukcióját, mely véd a mitokondrilis elektrontranszport során képződő oxigén reaktív gyökök ellen; a mitokondriális tioredoxinok redukcióját, melyek aktiválják az alternatív oxidázt (4.4.2 fejezet). A citoszolban található NADP-specifikus izocitrát-dehidrogenáz bőségesen található a levél sejtekben, de ha kiütjük az ezt kódoló gén aktivitását, csak kis változást találunk a növekedésben és a szén- és nitrogén metabolitok profiljában. Úgy gondolják, hogy ennek az enzimnek az aminosavak metabolizmusában és a patogénekre adott válaszreakciók redox szignalizációs folyamataiban van szerepe.
A legtöbb trikarbonsavciklus enzimnek vannak tehát izoenzim formái, melyek nem a mitokondriumban, hanem más sejtkompartmentekben találhatók. A fumaráz enzim kivétel, ami kizárólagosan a mitokondriumban található és gyakran használják e sejtszervecske specifikus markereként.
4.3.3 Aminosavak és zsírok oxidálódnak a glikolízisben és a trikarbonsavciklusban
A glikolízisnek a glükóz az elsődleges szubsztrátja, de a lipidek és az aminosavak bontási temékei szintén betáplálhatók ezen anyagcsereútba. A lipidek katabolizmusa és egyes aminosavak lebontása, beleértve a glutamátot, acetil-Coa-t vagy olyan intermediereket termel, melyeket a trikarbonsavciklus felhasznál (4.4 ábra). Azokban a magokban, melyekben nagy mennyiségű tartalékfehérje van (például a pillangós növények magjai), az aminosavak jelentik a fő energiaforrást. Az aminosavak lebontása azokban a szövetekben, ahol a nitrogén a tartalékfehérjékből remobilizálódik (például magok, vagy öregedő levelek) gyakran összekapcsolt amidok (glutamin és aszparagin) szintézisével. Elsődlegesen ezek azok a szerves molekulák, melyekben a nitrogén nagy távolságokra transzlokálódik a növényen belül. A glikolízis és a trikarbonsavciklus által lebontott szubsztrátok összegzése a 4.4 ábrán található.
4.4. ábraA glikolízis és a trikarbonsavciklus felépítő és lebontó folyamatai.
4.3.4 A trikarbonsavciklus és a glikolízis szénvázakat biztosít a bioszintézisekhez
A növényekben a trikarbonsavciklus mind az energiát biztosító katabolikus folyamatokban, mind a bioszintézisek anabolikus folyamataiban részt vesz. A ciklus számos bioszintetikus út számára biztosít prekurzorokat (4.4. ábra).
Ezek közül kiemelendők a zsírsavak szintézisére felhasználódó acetil-Coa, valamint az oxálecetsav és az α-ketoglutársav, melyek az aszpartát és glutamát aminosavak megfelelő prekurzorait szolgáltatják. Azon kívül, hogy a glutamát fehérjék alkotó része, egyben aminosavak prekurzora is. A szukcinil-Coa a porfirin bioszintézishez használódik fel. A glikolitikus intermedierek szintén szolgáltatnak prekurzorokat a bioszintézisekhez: a glicerinsav-3-foszfát a szerin számára, a foszfoenolpiruvát az aromás aminosavak, a piruvát pedig az alanin számára. Mind a glikolízisre, mind pedig a trikarbonsavciklusra elmondható tehát, hogy nem csupán energiát biztosítanak, de a sejt bioszintetikus szükségleteihez kiindulási anyagokat is nyújtanak.
Mivel a bioszintézis folyamatok szükségleteihez intermedierek kerülnek kivételre a trikarbonsavciklusból, a kieső trikarbonsavciklus komponenseket anapleurotikus reakciók töltik újra, melyek során CO2 adódik hozzá a glikolitikus intermedierekhez. Afoszfoenolpiruvát-karboxilázés azalmasav-enzimazok a CO2-fixáló enzimek, melyek ezt a funkciót, vagyis a ciklus metabolitjainak pótlását, újratöltését a növényekben elsődlegesen ellátják.
A PEP-karboxiláz katalizálta reakció egyenlete: Foszfoenolpiruvát + HCO3-→ oxálacetát + Pi Az almasav-enzim katalizálta reakció egyenlete: piruvát + NADPH + CO2→ malát + NADP+