Η σημασία του κύκλου του κιτρικού οξέος ή κύκλος του Krebs
Kατά τη γλυκολυτική πορεία η γλυκόζη μετατρέπεται σε πυροσταφυλικό οξύ. Κάτω από αερόβιες συνθήκες το επόμενο βήμα στην πορεία της πλήρους διάσπασης της γλυκόζης είναι η οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού σε ακετυλο-συνένζυμο Α (ακετυλο-CoA). Αυτή η ενεργοποιημένη ακετυλο-ομάδα οξειδώνεται πλήρως σε CO2 μέσω μίας σειράς αντιδράσεων, που είναι γνωστή με το όνομα κύκλος του κιτρικού οξέος ή κύκλος του Krebs. Εκτός από τα τελικά προϊόντα της διάσπασης των υδατανθράκων (πυροσταφυλικό) και τα προϊόντα του μεταβολισμού των λιπών και των αμινοξέων οξειδώνονται, στον κύκλο του κιτρικού οξέος, σε CO2. Έτσι, ο κιτρικός κύκλος είναι ο κοινός τελικός δρόμος για την αποικοδόμηση όλων των θρεπτικών ουσιών.
Τα τελικά προϊόντα του αερόβιου μεταβολισμού είναι, όπως ξέρουμε, CO2 και H2O Πρόκειται για τα ίδια προϊόντα που παράγονται και κατά τη χημική καύση. Το H2O παράγεται στην αναπνευστική αλυσίδα από φορτωμένα με υδρογόνο συνένζυμα NADH και FADH2, τα οποία επανοξειδώνονται παρέχοντας μέρος της ενέργειας που περιέχουν για τη σύνθεση του ΑΤΡ. Με τις αντιδράσεις αυτής της πορείας θα ασχοληθούμε στη συνέχεια. Εδώ, θα εξετάσουμε αρχικά τις αντιδράσεις διάσπασης του ακετυλο-CοΑ για την παραγωγή CO2.
Η σημασία του κύκλου του κιτρικού οξέος δεν εξαντλείται με την παραγωγή CO2 και τη δημιουργία ανηγμένων συνενζύμων, τα οποία τροφοδοτούν την αναπνευστική αλυσίδα για την παραγωγή ενέργειας. Οι μεταβολίτες του κιτρικού κύκλου αποτελούν συγχρόνως μία μεγάλη δεξαμενή ενδιάμεσων προϊόντων, τα οποία χρησιμεύουν για τη σύνθεση νέου κυτταρικού υλικού, όπως αμινοξέα, αίμη της αιμοσφαιρίνης κ.ά.
Στα ευκαρυωτικά κύτταρα οι αντιδράσεις του κύκλου του κιτρικού οξέος πραγματοποιούνται μέσα στα μιτοχόνδρια, σε αντίθεση με τις αντιδράσεις της γλυκόλυσης, οι οποίες επιτελούνται στο κυτταρόπλασμα.
Αντιδράσεις του κύκλου του κιτρικού οξέος
- Ο κύκλος αρχίζει με την συνένωση μίας μονάδας τεσσάρων ατόμων άνθρακα του οξαλοξικόυ και μίας μονάδας δύο ατόμων άνθρακα της ακετυλομάδας του ακετυλο CoA , οπότε δημιουργείται το κιτρικό και απελευθερώνεται το συνένζυμο Α. Επειδή η πρώτη αυτή αντίδραση οδηγεί στη σύνθεση του κιτρικού οξέος, η πορεία των αντιδράσεων που εξετάζουμε ονομάζεται κύκλος του κιτρικού οξέος.
- Στη συνέχεια, σχηματίζεται το ισοκιτρικό , το οποίο αποκαρβοξυλιώνεται οξειδωτικά. Απομακρύνεται δηλαδή ένα μόριο CO2
- Παράγεται μία ένωση με πέντε άτομα άνθρακα, το α-κετογλουταρικό και ένα μόριο NAD+ ανάγεται σε NADH .
- Ακολουθεί μία δεύτερη αντίδραση οξειδωτικής αποκαρβοξυλίωσης, οπότε δημιουργείται μια ένωση με τέσσερα άτομα άνθρακα, το ηλέκτρυλο-CοΑ, και παράγεται ένα δεύτερο μόριο NADH. Με τις δύο αυτές αντιδράσεις αποκαρβοξυλίωσης, ουσιαστικά η ακετυλομάδα που τροφοδότησε την πρώτη αντίδραση του κύκλου του κιτρικού οξέος απομακρύνεται ως CO2, οπότε προκύπτει και πάλι μία ένωση με τέσσερα άτομα άνθρακα. Οι αντιδράσεις που ακολουθούν έχουν σκοπό να αναγεννήσουν το οξαλοξικό που χρησιμοποιήθηκε στην πρώτη αντίδραση και να σχηματιστεί έτσι μια κυκλική πορεία αντιδράσεων
- Το ηλεκτρυλο-CoA περιέχει ένα δεσμό υψηλής ενέργειας. ‘Ετσι, όταν το ηλεκτρυλο-CοΑ μετατρέπεται σε ηλεκτρικό ο δεσμός υψηλής ενέργειας διασπάται και η ενέργεια αυτή χρησιμοποιείται για το σχηματισμό ενός μορίου GTP (τριφωσφορική γονανοσίνη) από GDP (διφωσφορική γονανοσίνη) και ανόργανο φωσφορικό οξύ (ένα μόριο GTP ισοδυναμεί ενεργειακά με ένα μόριο ΑΤΡ).
- Στη συνέχεια το ηλεκτρικό οξειδώνεται σε φουμαρικό με ταυτόχρονη αναγωγή ενός μορίου FAD σε FADH2
- Tο φουμαρικό μετατρέπεται σε μηλικό
- Και τέλος από το μηλικό αναγεννάται το οξαλοξικό με ταυτόχρονη δημιουργία ενός επιπλέον μορίου NADH .
Ενεργειακή απόδοση του κύκλου του κιτρικού οξέος
Ο κύκλος του κιτρικού οξέος εντοπίζεται στα μιτοχόνδρια και είναι στενά συνδεδεμένος με την αναπνευστική αλυσίδα, σκοπός της οποίας είναι η επανοξείδωση των ανηγμένων συνενζύμων NADH και FADH2. Καθώς τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από τα συνένζυμα αυτά στον τελικό αποδέκτη, που είναι το Ο2, παράγεται ΑΤΡ. Όπως θα δούμε παρακάτω, η οξείδωση του μιτοχονδρικού NADH μέσω της αναπνευστικής αλυσίδας αποδίδει 3 ΑΤΡ, ενώ η οξείδωση του FADH2 αποδίδει 2 ΑΤΡ. Έτσι η συνολική απόδοση σε ΑΤΡ κατά την οξείδωση ενός μορίου ακετυλο-CoA μέσω του κύκλου του κιτρικού οξέος, είναι:
Τι είναι η Οξειδωτική φωσφορυλίωση
Κατά την οξείδωση της ακετυλομάδας του ακετυλο-CοΑ σε CΟ2, μέσω των αντιδράσεων του κύκλου του κιτρικού οξέος, σχηματίζονται τρία μόρια NADH και ένα μόριο FADH2. Τα ανηγμένα αυτά συνένζυμα πρέπει να επανοξειδωθούν, προκειμένου να εξασφαλιστεί η συνεχής λειτουργία του κιτρικού κύκλου. Αυτό επιτυγχάνεται με τη μεταφορά των ηλεκτρονίων τους στο μοριακό οξυγόνο μέσω της αναπνευστικής αλυσίδας. Η διεργασία αυτή απελευθερώνει ταυτόχρονα ένα μεγάλο ποσό ενέργειας, που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ΑΤΡ. Έτσι, οξειδωτική φωσφορυλίωση είναι η διεργασία στην οποία παράγεται ΑΤΡ κατά τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το NADH ή το FADH2 προς το O2, διαμέσου μίας σειράς φορέων ηλεκτρονίων. Η μεταβολική αυτή πορεία αποτελεί την κυριότερη πηγή δημιουργίας ΑΤΡ στους αερόβιους οργανισμούς. Μερικά χαρακτηριστικά αυτής της διεργασίας είναι:
- Η οξειδωτική φωσφορυλίωση γίνεται από αναπνευστικά συγκροτήματα που βρίσκονται μέσα στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων. Ο κύκλος του κιτρικού οξέος και η πορεία της οξείδωσης των λιπαρών οξέων, που δίνουν και τη μεγαλύτερη ποσότητα NADH και FADH2 γίνονται στο εσωτερικό του μιτοχονδρίου (μήτρα) (σχήμα 10.2). Εδώ βλέπουμε ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα της τοπολογίας διαφορετικών μεταβολικών δρόμων. Πορείες που συνδέονται μεταξύ τους επιτελούνται σε γειτονικά διαμερίσματα του κυττάρου, έτσι ώστε να ελέγχονται άμεσα και αποτελεσματικά.
- Η οξείδωση του NADH αποδίδει 3 ΑΤΡ, ενώ η οξείδωση του FADH2 αποδίδει 2 ΑΤΡ.
- Η μεταφορά ηλεκτρονίων από τα ανηγμένα συνένζυμα προς το O2 (αναπνευστική αλυσίδα) και η φωσφορυλίωση του ADP για τη δημιουργία του ΑΤΡ είναι πορείες συζευγμένες.
Ενεργειακή απόδοση από την πλήρη οξείδωση της γλυκόζης
Τώρα είμαστε σε θέση να υπολογίσουμε πόσα μόρια ΑΤΡ σχηματίζονται κατά την ολική οξείδωση της γλυκόζης. Η γλυκόζη, προκειμένου να διασπαστεί πλήρως σε CO2 και H2O, ακολουθεί την εξής πορεία:
Βήμα 1. Γλυκόλυση (κυτταρόπλασμα)
γλυκόζη → 2 πυροσταφυλικό + 2 ΑΤΡ + 2 NADH (κυτταρόπλασμα)
Επειδή η μιτοχονδριακή μεμβράνη δεν είναι διαπερατή για το NADH που σχηματίστηκε στο κυτταρόπλασμα, τα υδρογόνα εισέρχονται στα μιτοχόνδρια διαμέσου μεταφορικών μεταβολιτών και εκεί μεταπηδούν σε FAD σχηματίζοντας FADH2 Για το λόγο αυτό το NADH που σχηματίζεται στο κυτταρόπλασμα παράγει 2 μόρια ΑΤΡ και όχι 3 ΑΤΡ, που παράγει το NADH που σχηματίζεται στο μιτοχόνδριο.
Βήμα 2. Οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση πυροσταφυλικού (μιτοχόνδριο)
2 πυροσταφυλικό + 2 NAD+ +2 H-CoA → 2 ακετυλο-CoA +2 CO2 + 2 NAD (μιτοχόνδριο)
Βήμα 3. Κύκλος κιτρικού οξέος (μιτοχόνδριο)
Από τον κύκλο του κιτρικού οξέος είδαμε ότι για κάθε μόριο ακετυλο-CοΑ παράγονται 12 μόρια ΑΤΡ. Επομένως για 2 μόρια θα έχουμε 24 μόρια ΑΤΡ.
Βήμα 4. Οξειδωτική φωσφορυλίωση (μιτοχόνδριο)
NADH → 3 ATP & FADH2 → 2 ATP
Επομένως η συνολική απόδοση σε ΑΤΡ κατά την πλήρη οξείδωση ενός μορίου γλυκόζης είναι:
• Από το βήμα 1 παράγονται 2 κυτ. NADH επομένως 4 ATP & 2 ΑΤΡ = 8 ΑΤΡ
• Από το βήμα 2 παράγονται 2 μιτ. NADH επομένως 6 ATP
• Από το βήμα 3 παράγονται 24 ATP
Συνολικά 36 ATP
Αν συγκρίνουμε την ενεργειακή απόδοση του αερόβιου και του αναερόβιου μεταβολισμού της γλυκόζης, παρατηρούμε μία μεγάλη διαφορά. Στην πρώτη περίπτωση παράγονται 36 μόρια ΑΤΡ, ενώ στη δεύτερη μόνο 2 μόρια ΑΤΡ.
Βιβλιογραφία
- http://ebooks.edu.gr/modules/ebook/show.php/DSGL-C120/480/3166,12754/
- http://www.aklectures.com/subject/biochemistryΣύγχρονη διατροφή & Διαιτολόγια
- Σύγχρονη Διατροφή & Διαιτολόγια
- Βιταμίνες ιχνοστοιχεία συμπληρώματα Διατροφής Α&Β τόμος
- https://en.wikipedia.org
