Intermedier anyagcsere folyamatok (Jáger Katalin)Katalin)

Minden út a Szent-Györgyi – Krebs ciklushoz vezet

A különböző tápanyagok – mint a szénhidrátok, zsírok, fehérjék - bontási és hasznosítási folyamatainak számos, egymástól eltérő anyagcsereútja jöhet számításba. Ugyanakkor szinte valamennyi tápanyag oxidációjának végső lépései a Szent-Györgyi – Krebs ciklusba, más néven trikarbonsav- vagy citrát (citromsav) ciklusba torkollanak.

Az7.3/1. ábrán látható, hogy a biopolimerek (I.) katabolikus irányban először építő elemeikre (II.) bomlanak, majd intermedierekké (III.) alakulnak. Ilyen intermedier az acetil-koenzimA, ami egyaránt keletkezhet szénhidrátok, fehérjék, valamint a lipidek zsírsav és glicerin frakciójának bontásából. De kiindulásként is szolgálhat a felépítésükhöz.

A különböző tápanyagok a citrát ciklusba (IV.) már acetil-koenzimA-vá, illetve az aminósavak ezen túlmenően még α-keto-glutársavvá, szukcinil-koenzimA-vá, fumaráttá, vagy oxálecetsavvá oxidálódva kapcsolódhatnak be.

A citromsav-ciklus - a közös IV. szint - jelenti az amfibiotikus szakaszt, ahonnan a folyamatok - az igényeknek megfelelően – akár katabolikus, akár anabolikus irányban haladhatnak.

Az V. szint irreverzibilis. Ez a végtermékek (mint pl. CO₂, NH₃stb.) keletkezésének útja.

7.3/1. ábra. Az anyagáramlás útvonalai

A kék színű vonalak a katabolikus, a pirosak az anabolikus irányt jelölik.

7.3.1. A Szent-Györgyi – Krebs ciklus (citromsav ciklus)

A legtöbb anyagcsereút a citrát-ciklusban (7.3/2. ábra) egyesül, aminek a szerepe és fontossága igen sokrétű.

7.3/2. ábra. A Szent-Györgyi – Krebs ciklus folyamata

A ciklus első lépésében az acetil-koenzimA két szénatomos acetil csoportjának és a négy szénatomos oxálacetát kondenzációjának révén citromsavat kapunk. A folyamatot a citrát szintáz katalizálja, amihez előbb az oxálacetát, majd az ennek hatására történő konformációváltozást követően, az acetil-koenzimA kapcsolódik. Végezetül a koenzimA lehasad. A kondenzáció folyamatosságát ennek a tioészter-kötésnek a bontási energiája biztosítja.

Az ezt követő izomerizációs folyamatban a citromsavból egy vízmolekula kilépésével előbb cisz- akonitsav, majd egy sztrereospecifikus vízaddícióval izocitromsav képződik. Az akonitáz aktivitásához Fe²⁺ionok kellenek, amelyek az enzim centrumában lévő vas-kén magban találhatók.

Az izocitromsav oxidációja során egy NADPH⁺redukálódik, és előbb egy instabil oxálborostyánkősav, majd ennek dekarboxilációjával α-ketoglutársav keletkezik. A NADP⁺-t egyes esetekben, - mint pl. az Escherichia colinál – NAD⁺helyettesíti.

Az α-ketoglutársav → szukcinil-koenzimA átalakulás oxidatív dekarboxilációja NADH +H⁺képződéssel jár. A reakciót katalizáló α-ketoglutársav dehidrogenáz enzimkomplexet három enzim (α-ketoglutársav dehidrogenáz, dihidrolipoil-transzszukciniláz, dihidrolipoil-reduktáz) és öt koenzim (TPP, lipoamid, KoASH, FAD, NAD⁺) alkotja. A ΔG^o′= -33,5 kJ/mol értékű nagy szabadenergia csökkenés miatt ez a lépés gyakorlatilag megfordíthatatlan.

A citrát-körben eddigre két szénatom eloxidálódott, és ezzel két CO₂eltávozott. Ebből adódóan a ciklus kiindulási molekuláját, az oxálecetsavat, a következő lépésekben már négy szénatomos termékből lehet regenerálni.

A C4 szakaszban a nagyenergiájú szukcinil-koenzimA tioészter kötésének hasításakor szubsztrátszintű foszforilációval egy molekula ATP szintetizálódik, miközben a koenzimA felszabadul és borostyánkősav képződik.

Ezt a reverzibilis reakciót a szukcinil-koenzimA szintetáz katalizálja.

A borostyánkősav azután telítetlen fumársavvá oxidálódik a szukcinát dehidrogenáz és koenzime, a FAD⁺hatására.

Elektron akceptorként itt FAD⁺szerepel, mivel a reakció szabadenergia változása nem lenne elegendő egy NAD⁺ redukálásához.

A fumársav azután egy víz molekula sztereospecifikus addíciójával előbb L-almasavvá, majd az almasav dehidrogenáz katalízise mellett egy NAD⁺redukciójával oxálecetsavvá alakul. Az utóbbi reakció a ΔG^0′= +29,7 kJ/mol szabadenergia változás ellenére is reverzibilis. És ezáltal bezáródott a kör, mivel a ciklus első lépésében felhasznált oxálacetát újratermelődött.

7.3/1. táblázat. A citromsav ciklus enzimei, a folyamat során keletkezett ATP és redukált koenzimek mennyisége, valamint az egyes reakciók szabadenergia változás értéke (ΔG^0′) (Voet, 2004)

ΔG0′ (kJ/mol)

A citrát körben tehát az acetil-koenzimA acetil csoportjából 2 molekula CO₂, 2 NADH +H⁺, 1 NADPH+H⁺, 1 FADH₂, és 1 molekula ATP keletkezett.

A citromsav ciklus oxidatív reakciói révén energia a szubsztrátszintű foszforiláció mellett, elektrontranszport-foszforiláció útján is képződhet. A folyamat során képződött redukált koenzimek visszaoxidálása ugyanis az elektrontranszport láncon keresztül történhet. Aerob folyamatok esetén az oxidatív foszforiláció során itt minden egyes NAD(P)H + H⁺3, míg a FADH₂2 ATP szintézisét jelenti. Ciklusonként tehát a citromsavtól számítva 12 ATP, míg a piroszőlősavból kiindulva 15 ATP keletkezik. Ha pedig mindezt egy molekula glükóz oxidatív bontására vonatkoztatjuk, akkor a glikolízisben 8 + a citromsav ciklusban 30, azaz összesen 38 ATP konzerválja a felszabaduló energia nagy részét.

A NADPH +H⁺ pedig a fentieken túlmenően még a bioszintetikus folyamatoknak (pl. zsírsav szintézisnek) is fontos koenzime.

A Szent-Györgyi - Krebs ciklus intenzitása és ennek megfelelően a metabolitok belépése mindig a sejt energia szükséglete – az ATP - ADP rendszer „feltöltöttsége” - alapján szabályozott. A citrátkör feltöltése a foszfoenol-piruvátból vagy piroszőlősavból kiinduló anaplerotikus reakciókon keresztül történik.

De mivel ez a folyamat megfordítható, az oxálacetát is foszfo-enolpiruváttá alakulhat. A foszfo-enolpiruvát pedig a glükóz membrántranszportjának és az aromás vegyületek előállításának fontos intermediere.

Másrészt a különböző biopolimerek – mint fehérjék és zsírok - degradációs termékei, a citrát-cikluson, illetve az oxálacetáton át foszfo-enolpiruváttá alakulva, beléphetnek az Embden-Meyerhof-Parnas-útba, ahol a glükoneogenezis útján glükóz, vagy glikogén szintézishez használódhatnak fel.

A ciklust a katabolikus és anabolikus anyagcsere áramlások folyamatossága tartja állandó mozgásban. Ennek során pedig megakadályozza a sejt anyagcsere-intermedierek felhalmozódását azáltal, hogy azok a ciklusba belépve eloxidálódnak. Ugyanakkor a ciklus saját intermedierjeinek mennyiségét az azokból kiinduló szintézisek csökkenthetik.

A citrátkör a legfontosabb forrása több esszenciális anyagcsere-prekurzornak. Ilyen például az α-keto-glutársav, ami az ammónia akceptoraként glutaminsavvá, vagy oxálaecetsav ami szintén az ammónia akceptoraként aszparaginsavvá alakulhat, és ezzel mindkettő kulcspoziciót tölt be az a nitrogén szerves kötésbe vitelében.