Κύκλος Κιτρικού Οξέος Tρούγκος Κ. Εργαστήριο Βιολογικής Χημείας Ιατρική Σχολή Παν/ου Αθηνών Βιολογική Χημεία Ι Ι. Χημικές Αντιδράσεις ΙΙ. Μεταβολικές Λειτουργίες.

Παρουσίαση με θέμα: "Κύκλος Κιτρικού Οξέος Tρούγκος Κ. Εργαστήριο Βιολογικής Χημείας Ιατρική Σχολή Παν/ου Αθηνών Βιολογική Χημεία Ι Ι. Χημικές Αντιδράσεις ΙΙ. Μεταβολικές Λειτουργίες."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Κύκλος Κιτρικού Οξέος Tρούγκος Κ. Εργαστήριο Βιολογικής Χημείας Ιατρική Σχολή Παν/ου Αθηνών Βιολογική Χημεία Ι Ι. Χημικές Αντιδράσεις ΙΙ. Μεταβολικές Λειτουργίες

2 Παραγωγή ενέργειας (ΑΤΡ) από μεταβολικά καύσιμα Όλες οι διεργασίες των ζωντανών κυττάρων είναι διεργασίες μετασχηματισμού ενέργειας Όλες οι διεργασίες των ζωντανών κυττάρων είναι διεργασίες μετασχηματισμού ενέργειας Αυτές διακρίνονται σε τρεις φάσεις: Αυτές διακρίνονται σε τρεις φάσεις: 1) Παραγωγή ενέργειας από την οξείδωση των καυσίμων 2) Μετατροπή αυτής της ενέργειας σε βιολογικά χρήσιμη (δηλ. ΑΤΡ) 3) Χρησιμοποίηση της ενέργειας του ΑΤΡ για να κινηθούν οι διεργασίες που απαιτούν ενέργεια Οι 2 πρώτες φάσεις είναι μέρος των διεργασιών της κυτταρικής αναπνοής, δηλ. της χρησιμοποίησης του Ο 2 για παραγωγή ΑΤΡ από την οξείδωση των καυσίμων σε CΟ 2 Οι 2 πρώτες φάσεις είναι μέρος των διεργασιών της κυτταρικής αναπνοής, δηλ. της χρησιμοποίησης του Ο 2 για παραγωγή ΑΤΡ από την οξείδωση των καυσίμων σε CΟ 2

3 ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΑΝΑΠΝΟΗ Στάδιο 1: Η ενέργεια προέρχεται από την οξείδωση των καυσίμων με ένζυμα που μεταφέρουν ηλεκτρόνια στα συνένζυμα ΝΑD + και FAD, τα οποία ανάγονται σε NADH και FAD(2H) αντιστοίχως - Οι οδοί για την οξείδωση της γλυκόζης, των λιπαρών οξέων, των κετονικών σωμάτων και των αμινοξέων συγκλίνουν στην παραγωγή του δραστικού ακετυλο-CoA Στάδιο 2: Η πλήρης οξείδωση της ακετυλομάδας σε CΟ 2 λαμβάνει χώρα στον Κύκλο του Κιτρικού οξέος, ο οποίος συλλέγει την ενέργεια κυρίως ως NADH και FAD(2H) Στάδιο 3: Η ενέργεια μετατρέπεται στους υψηλούς φωσφορικούς δεσμούς του ΑΤΡ με τη διεργασία της οξειδωτικής φωσφoρυλίωσης - Τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από το NADH και FAD(2H) στο οξυγόνο με τη μιτοχονδριακή αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων

4 Συνένζυμο Α (CoA) -Το συνένζυμο Α φέρει μια δραστική θειολική ομάδα (-SΗ) η οποία συμβάλει στη λειτουργία του CoA ως φορέα ακυλομάδων σε αρκετές μεταβολικές αντιδράσεις -Οι ακυλομάδες συνδέονται ομοιοπολικά με τη θειολική ομάδα, σχηματίζοντας θειολεστέρες -Οι θειολεστέρες είναι ενώσεις με υψηλή πρότυπη ενέργεια υδρόλυσης, μεταφέρουν ακυλομάδες και τις δωρίζουν σε ποικίλα μόρια-δέκτες

5 Κύκλος Κιτρικού Οξέος ή Τρικαρβοξυλικού Οξέος Tricarboxylic Acid Cycle (TCA) Κύκλος του κιτρικού οξέος ή κύκλος του Krebs, από τον Sir Hans Krebs που τον ανακάλυψε το 1937 Λαμβάνει χώρα στη θεμέλια ουσία των μιτοχονδρίων Μεταβολική οδός κατά την οποία κατάλοιπα ακετυλίου ( το Ακετυλο συνένζυμο Α) οξειδώνονται σε 2 CO 2 Η οξείδωση επιτελείται με 4 αντιδράσεις που μεταφέρουν ηλεκτρόνια στα συνένζυμα ΝΑD + ή FAD και από εκεί στην αναπνευστική αλυσίδα ΑκετυλοCoA CO 2

6 Ακετυλο Συνένζυμο Α (Acetyl Coenzyme A, Acetyl CoA) Η ακετυλομάδα είναι το καύσιμο, η πηγή των ηλεκτρονίων για τον κύκλο του κιτρικού οξέος Προέλευση της ακετυλομάδας σε ποικίλα καύσιμα Χημική και μοριακή δομή του Ακετυλο CoA

7 Παραγωγή ακετυλο-CoA Το πυροσταφυλικό οξύ, προϊόν της γλυκόλυσης οξειδώνεται σε ακετυλο-CoA από το σύμπλοκο της δεϋδρογονάσης του πυροσταφυλικού στα μιτοχόνδρια. Η αντίδραση είναι οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση, κατά την οποία η καρβοξυλική ομάδα από το πυροσταφυλικό ελευθερώνεται σε ένα μόριο CO 2 και οι υπόλοιποι άνθρακες σχηματίζουν το ακετυλο-CoA 3 διαφορετικά ένζυμα (Ε1, Ε2, Ε3) καταλύουν την αντίδραση 5 συνένζυμα συμμετέχουν στην αντίδραση, πυροφωσφορική θειαμίνη (ΤΡΡ), FAD, CοΑ, ΝΑD+, λιποϊκό οξύ

8 Λιποϊκό Οξύ -Έχει 2 θειολικές ομάδες που μπορούν να υποστούν αντιστρεπτή οξείδωση σχηματίζοντας -S-S- δεσμούς - Το λιποϊκό λειτουργεί ως φορέας ηλεκτρονίων του υδρογόνου και ακυλομάδων

9 Το σύμπλοκο της δεϋδρογονάσης του πυροσταφυλικού (ΡDΗ) αποτελείται από 3 ένζυμα Δεϋδρογονάση του πυροσταφυλικού (Ε1) Τρανσακετυλάση του διϋδρολιποϊκού (Ε2) Δεϋδρογονάση του διϋδρολιποϊκού (Ε3) Στο Ε1 προσδένει το συνένζυμο ΤΡΡ (πυροφωσφορική θειαμίνη) Στο Ε2 προσδένει ομοιοπολικά το λιποϊκό οξύ Στο Ε3 προσδένουν τα συνένζυμα NAD, FAD

10

11 Κλινικές επιπτώσεις Μεταλλάξεις στα γονίδια των υπομονάδων του συμπλόκου της αφυδρογονάσης του πυροσταφυλικού,ΡDΗ, οδηγούν σε ανεπάρκεια της ΡDΗ, νευρολογικές διαταραχές Ανεπάρκεια θειαμίνης -Ζώα με ανεπάρκεια θειαμίνης αδυνατούν να οξειδώσουν το πυροσταφυλικό –αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία για τον εγκέφαλο που αποκτά ενέργεια αποκλειστικά από την αερόβια οξείδωση της γλυκόζης σε μια οδό που αναγκαστικά περιλαμβάνει οξείδωση του πυροσταφυλικού - η νόσος Beri-beri οφείλεται σε ανεπάρκεια θειαμίνης, χαρακτηρίζεται από δυσλειτουργία του νευρικού συστήματος. Απαντάται σε πληθυσμούς τον οποίων η δίαιτα βασίζεται στο άσπρο αποφλοιωμένο ρύζι που έχει χάσει τα αποθέματα θειαμίνης - Παρουσιάζεται επίσης σε χρόνιους αλκοολικούς λόγω έλλειψης βιταμινών από τη δίαιτα τους

12 Αντιδράσεις του κύκλου του κιτρικού οξέος

13 1. Σχηματισμός κιτρικού Συμπύκνωση του ακετυλο-CoA με το οξαλοξικό για το σχηματισμό κιτρικού - καταλυτικό ένζυμο: συνθάση του κιτρικού

14 2. Σχηματισμός ισοκιτρικού μέσω του cis- ακονικού Καταλυτικό ένζυμο: Ακονιτάση → αντιστρεπτή προσθήκη Η 2 Ο στο διπλό δεσμό του cis- ακονιτικού

15 3. Οξείδωση του ισοκιτρικού σε α- κετογλουταρικό και CO 2 Οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση Καταλυτικό ένζυμο: δεϋδρογονάση ισοκιτρικού (Μn 2+ στο ενεργό κέντρο, χρησιμοποιούν ΝΑD + ) 1. Πρόσδεση του ισοκιτρικού στο ένζυμο →οξείδωση, μεταφορά υδριδίου στο ΝΑD + 2. Αποκαρβοξυλίωση: Αλληλεπίδραση του οξυγόνου της καρβονυλομάδας με ένα ιόν Μn 2+ 3. Αναδιάταξη του ενολικού ενδιαμέσου για την δημιουργία α- κετογλουταρικού

16 4. Οξείδωση του α-κετογλουταρικού σε ηλεκτρυλο-CoA και CO 2 Οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση Καταλυτικό ένζυμο: σύμπλοκο δεϋδρογονάσης α- κετογλουταρικού (παρόμοιας δομής/λειτουργίας με PDH /λιποικό,ΤΡΡ,FAD,NAD+,CoA)

17 5. Μετατροπή ηλεκτρυλο-CoA σε ηλεκτρικό Καταλυτικό ένζυμο: συνθετάση ηλεκτρυλο- CoΑ Αντίδραση διατήρησης ενέργειας υπό μορφή ATP GTP + ADP → GDP + ATP

18 6. Οξείδωση του ηλεκτρικού σε φουμαρικό Καταλυτικό ένζυμο: δεϋδρογονάση ηλεκτρικού - στα ευκαρυωτικά κύτταρα: εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη - στα προκαρυωτικά κύτταρα: κυτταρική μεμβράνη

19 7. Ενυδάτωση του φουμαρικού σε μηλικό Καταλυτικό ένζυμο: φουμαράση (υδρατάση του φουμαρικού)

20 8. Οξείδωση του μηλικού σε οξαλοξικό Καταλυτικό ένζυμο: δεϋδρογονάση μηλικού (συνδεδεμένη με NAD)

21 Προϊόντα ενός γύρου του κύκλου του κιτρικού οξέος 3 NADH 1 FADH 2 1 GTP (ή 1ATP) 2 CO 2

22 Στοιχειομετρία της αναγωγής των συνενζύμων και του σχηματισμού ΑΤΡ

23 Κύκλος Κιτρικού οξέος ΙΙ. Μεταβολικές λειτουργίες Ο κύκλος του κιτρικού οξέος θεωρείται ως ‘ο μοχλός που κινεί το διάμεσο μεταβολισμό’ Είναι ‘αμφιβολικός’, έχει τόσο αναβολικές όσο και καταβολικές λειτουργίες Α. Αναβολικές λειτουργίες - ο κύκλος κιτρικού οξέος παράγει σημαντικές πρόδρομες ενώσεις για αναβολικές οδούς όπως: 1. η βιοσύνθεση της γλυκόζης (Γλυκονεογένεση) 2. η σύνθεση της αίμης και των πορφυρινών 3. η σύνθεση των αμινοξέων 4. η βιοσύνθεση των λιπαρών οξέων

24

25

26 Ο ρόλος του κύκλου του κιτρικού οξέος στον αναβολισμό Στο νευρικό ιστό, το α- κετογλουταρικό μετατρέπεται σε γλουταμικό και γ- αμινοβουτυρικό οξύ (GABA), δυο νευρομεταβιβαστές

27 Κιτρικό οξύ: Βιομηχανικές εφαρμογές Συστατικό των περισσοτέρων αναψυκτικών (προσφέρει πιπεράδα ή φρουτώδη γεύση) Χρησιμοποιείται στην παρασκευή ρητινών Ενισχυτικό χρωμάτων Αντιοξειδωτικό για συντηρητικό της γεύσης των τροφίμων Παράγεται βιομηχανικά με καλλιέργεια του μύκητα Aspergillus niger παρουσία σακχάρου (μελάσας παντζαριού) κάτω από συνθήκες που αναστέλλουν τις αντιδράσεις του κύκλου, συσσωρεύοντας κιτρικό

28 Β. Καταβολικές αντιδράσεις - Για να διαφυλαχθεί η ομαλή ροή του κύκλου, οι ιστοί πρέπει να προμηθεύουν αρκετά τετρανθρακικά ενδιάμεσα για να αντισταθμίσουν την απομάκρυνση τους από άλλες οδούς. - Αντιδράσεις που προμηθεύουν ενδιάμεσα 4-ανθράκων στον κύκλο καλούνται ‘αναπληρωτικές αντιδράσεις’ Η γλουταμίνη μετατρέπεται αντιστρεπτά σε α-κετογλουταρικό από τρανσαμινάσες και γλουταμινική αφυδρογονάση Ο ανθρακικός σκελετός της βαλίνης, ισολευκίνης, θυμίνης κλπ. εισέρχονται στον κύκλο στο επίπεδο του ηλεκτρυλο CoA. Αυτή η οδός ανευρίσκεται σε όλους τους ιστούς Πυροσταφυλική Καρβοξυλάση στο ήπαρ και στους νεφρούς

29 Οι πιο κοινές αναπληρωτικές αντιδράσεις Τα ένζυμα που καταλύουν καρβοξυλιώσεις χρησιμοποιούν βιοτίνη ως συνένζυμο για τη μεταφορά CO 2

30 Ρύθμιση του κιτρικού κύκλου ●Η ταχύτητα της ροής των μεταβολιτών στον κύκλο ρυθμίζεται από 3 παράγοντες: 1. συγκέντρωση υποστρωμάτων 2. αναστολή από τα συσσωρευμένα προϊόντα 3. αλλοστερική ανάδρομη αναστολή των ενζύμων που καταλύουν τα πρώτα βήματα του κύκλου ●Η ροή των ατόμων του άνθρακα στον κύκλο υφίσταται ρύθμιση στα εξής βήματα: 1. Μετατροπή του πυροσταφυλικού σε ακετυλο-CoA (η αφετηρία του κύκλου) μέσω δεϋδρογονάσης του πυροσταφυλικού 2. Eίσοδο του ακετυλο-CoA στον κύκλο, στην αντίδραση της συνθάσης του κιτρικού (εξώθερμη αντίδραση) 3. Μετατροπή ισοκιτρικού σε α-κετογλουταρικό μέσω δεϋδρογονάσης ισοκιτρικού (εξώθερμη αντίδραση) 4. Μετατροπή α-κετογλουταρικού σε ηλεκτρυλο-CoA μέσω δεϋδρογονάσης α-κετογλουταρικού (εξώθερμη αντίδραση)

31 Ρύθμιση κύκλου Krebs Ταχύτητα γλυκόλυσης εναρμονίζεται με αυτή του κύκλου του Krebs. Υπενθύμιση » κιτρικό είναι αναστολέας της φωσφοφρουκτοκινάσης.

32 Κύρια σημεία ρύθμισης του κύκλου 1 2 3 4

33 Δηλητηρίαση από αρσενικό As As τοξικό για οργανισμό στη τρισθενή και πεντασθενή μορφή. Οδηγεί σε μειωμένη παραγωγή ΑΤΡ. Αναστέλλει ένζυμα που απαιτούν λιποικό οξύ ως συνένζυμο. Πχ πυροσταφυλική αφυδρογονάση και α- κετογλουταρική αφυδρογονάση.

34

35 ΑsΑs Χρόνια δηλητηρίαση από αρσενικό με νερό από πηγάδια (λόγω φυτοφαρμάκων). Αν δολοφόνος, το As ανιχνεύεται σε μαλλιά (τρίχες) ή νύχια. (100 φορές υψηλότερη συγκέντρωση).

36

37 Tα φυτά, ορισμένα ασπόνδυλα και μικροοργανισμοί (E. coli, Ζύμες) χρησιμοποιούν το οξικό ως καύσιμο για τη σύνθεση υδατανθράκων και για την παραγωγή 4C ενδιάμεσων (μέσω του γλυοξυλικού κύκλου) Σε έναν κύκλο του γλυοξυλικού, καταναλώνονται 2 μόρια ακετυλο-CoΑ και παράγεται 1 μόριο ηλεκτρικού Το ισοκιτρικό δεν αποδομείται αλλά διασπάται σε ηλεκτρικό και γλυοξυλικό Ο κύκλος του γλυοξυλικού

38 Στον κύκλο εισέρχονται 2 ακετυλομάδες και εξέρχονται 4C υπό μορφή ηλεκτρικού

39 Ηλεκτρονιομικρογραφία γλυοξυσωματίου Στα φυτά, τα ένζυμα του κύκλου βρίσκονται μέσα σε μεμβρανικά οργανίδια, τα γλυοξυσωμάτια Τα ένζυμα που είναι κοινά στον κύκλο του κιτρικού και του γλυοξυλικού έχουν 2 ισοένζυμα, ένα ειδικό για μιτοχόνδρια και ένα άλλο για γλυοξυσωμάτια

40

41

42

43

44  δρουν διαχωρίζοντας τη ηλεκτρονιομεταφορά από την οξειδωτική φωσφορυλίωση  Στην περίπτωση αυτή, η ενέργεια που παράγεται κατά την ηλεκτρονιομεταφορά χάνεται ως θερμότητα  Κοινά χρησιμοποιούμενη αποσυζευκτική ουσία: η λιπόφιλη 2,4 δινιτροφαινόλη Αποσυζευκτικές ουσίες ή αποσυζευκτές  Το σαλικυλικό οξύ (προϊόν αποικοδόμησης της ασπιρίνης) σε υψηλές συγκεντρώσεις είναι ικανό να δράσει ως αποσυζευκτική ουσία (διέγερση αναερόβιας γλυκόλυσης  μεταβολική οξέωση)

45 Aποσύζευξη

46

47

48 Στο φαιό λίπος νεογνών τα αποσυζευγμένα μιτ. παράγουν θερμότητα Φαιό λίπος (ή καστανό – λόγω πολλών μιτ.) ευρίσκεται στα νεογνά θηλαστικών Οξείδωση καυσίμων χρησιμοποιείται για παραγωγή θερμότητας (όχι σύνθεση ΑΤΡ) Μιτ. φαιού λίπους περιέχουν θερμογενίνη, πρωτεΐνη αποσύζευξης για επιστροφή πρωτονίων στο στρώμα χωρίς τη συμμετοχή F 0 /F 1 H ενέργεια της οξείδωσης διασπείρεται υπό μορφή θερμότητας – κρατά νεογνό ζεστό Το ίδιο συμβαίνει στα ζώα υπό χειμερία νάρκη