1

CIKLUS LIMUNSKE KISELINE

i

OKSIDATIVNA FOSFORILACIJA

CIKLUS LIMUNSKE KISELINE

Ciklus limunske kiseline (citratni ciklus) ili ciklus trikarbonskih kiselina (TCA) ili Krebsov ciklus

• ciklus limunske kiseline je zajednički finalni put oksidacije molekula goriva-aminokiselina, masnih kiselina i ugljikohidrata

• odvija se unutar mitohondrija

Većina molekula ulazi u ciklus limunske kiseline kao acetil koenzim A

Pantotenska kiselina(vitamin B5)

Aktivirana acetatna skupina

Ciklus limunske kiseline oksidira C-2 jedinicu stvarajući dva CO2, 1 GTP i 8 elektrona bogatih

energijom u obliku 3 NADH i 1 FADH2

Stanična respiracija: Ciklus limunske kiseline je njezina prva faza u kojoj energijom bogati elektroni se izdvajaju iz molekulagoriva. Ti elektroni oksidiraju kisik postupno otpuštajući energiju koja se koristi za stvaranje protonskog gradijenta koji se zatim koristi za sintezu ATP-a. Redukcija kisika i sinteza ATP čine oksidativnu fosforilaciju.

2

Piruvat-dehidrogenazapovezuje glikolizu i

ciklus limunske kiseline

piruvat + CoA + NAD+ �

acetil-CoA + CO2 + NADH

Ova ireverzibilna reakcija je veza između glikolize i ciklusa limunske kiseline.

Kompleks piruvat dehidrogenaze

U aerobnim uvjetima piruvat se prenosi u mitohondrij antiportom u zamjenu za OH-

ion.

Piruvat iz glikolize pretvara se u acetil-CoA, gorivo za ciklus limunske kiseline.

Piruvat-dehidrogenazni kompleks

transacetilaznajezgra

dihidrolipoil-dehidrogenaznakomponenta piruvat

dehidrogenaznakomponenta

Piruvat-dehidrogenaza Katalitički mehanizam kompleksa piruvat-dehidrogenaze

Fleksibilna lipoamidna domena omogućava lipoamidu da se prelazi iz aktivnog mjesta dehidrogenaze u aktivno mjesto transacetilaze i zatim u aktivno mjesto dihidrolipoil-dehidrogenaze

Citrat-sintaza iz oksaloacetata i acetil-koenzima A stvara citrat

Katalitički mehanizam citrat-sintaze

Zašto citrat-sintaza hidrolizira citril-CoA, a ne hidrolizira acetil-CoA?

3

Vezanje oksaloacetata na citrat-sintazu uzrokuje veliku konformacijsku promjenu koja

stvara vezno mjesto za acetil-CoA

Utvrđeni redoslijed vezanja substrata (prvo oksaloacetat, a zatim acetil-CoA) i velika konformacijska promjena nakon vezanja oksaloacetata onemogućuje neželjenu hidrolizu acetil-CoA

Ciklus limunske kiseline

Ulazak u ciklus limunske kiseline i njegov tijek pomno su regulirani

Sinteza acetil-CoA iz piruvata ključni je ireverzibilni korak u metabolizmu glukoze

Aktivnost piruvat-dehidrogenaze regulirana je energijskim stanjem stanice

Aktivnost piruvat-dehidrogenaze regulirana je specifičnom kinazom i fosfatazom

Ciklus limunske kiseline

reguliran je u više točaka

4

Ciklus limunske kiseline izvor je važnih preteča u biosintezi raznih molekula OKSIDATIVNA FOSFORILACIJA

Oksidativna fosforilacija kod eukariota odvija se u mitohondriju

• elektroni s NADH i FADH2 prenose se na molekularni kisik• odvija se preko niza reakcija prijenosa elektrona pomoću niza

membranskih proteina koji čine transportni lanac elektrona

Redoks potencijal i promjena slobodne energije

∆G°’= - n F ∆E0’

• Oksidativnom fosforilacijom potencijal prijenosa elektrona iz NADH i FADH2 (mjera je redukcijski potencijal Eo

’) pretvara se u potencijal prijenosa fosfatne skupine ATP (mjera je ∆G°’, slobodna Gibbsova energija)

• jaki reducens NADH donor je elektrona i ima negativan redoks potencijal, dok je kisik jaki oksidans i akceptor elektrona i ima pozitivan redokspotencijal

Četiri kompleksa respiracijskoglanca čine 3 protonske crpke i

sukcinat-Q reduktaza koja je dio ciklusa limunske kiseline

• kompleksi se redom označavaju i kao I, II, III i IV

• jedino kompleks II ne pumpa protone iz matriksa mitohondrija

• ubikinon (koenzim Q) i citokrom c su mobilni prijenosnici elektrona među kompleksima

5

Jedna molekula koenzima Q prenosi dva elektrona

Elektroni visokog potencijala na kompleksu I, NADH-Q-oksidoreduktazi, prenose se s NADH

na koenzim Q uz prijenos 4 protona u međumembranski prostor

Ubikinon je ulazna točka elektrona sa FADH2

• sukcinat dehidrogenaza, enzim ciklusa limunske kiseline, dio je kompleksa II, sukcinat-Q-reduktaznog kompleksa

• integralni membranski protein unutrašnje mitohondrijske membrane

• kompleks II i drugi enzimi koji prenose elektrone sa FADH2 ne crpe protone u međumembranski prostor, te stoga FADH2 daje manje ATP od NADH

S koenzima Q elektroni prelaze na citokrom c djelovanjem Q-citokrom c-oksidoreduktaze (kompleks III)

Prelazak dva elektrona s koenzima Q na citokrom c omogućava prijenos 2 protona u međumembranski prostor

Citokrom c-oksidaza (kompleks IV) reducira molekularni kisik na vodu uz prijenos 4

protona u međumembranski prostor

6

Transport protona kroz citokrom c-oksidazu

4 protona iz matriksa (kemijski protoni) reduciraju kisik u vodu, dok se 4 protona iz matriksa prenose u međumembranski prostor

4cit cred + 8H+matriks + O2 ���� 4cit coksid + 4H+

citosol + 2H2O

Respiratorni lanac elektrona

Nepotpuna redukcija stvara toksične derivate

molekularnoga kisika

O2 + e- ���� O2- (superoksidni ion)

O2 + e- ���� O22- (peroksid)

Superoksid-dismutaza pretvara superoksidne ione u molekularni kisik i vodikov peroksid

Katalaza pretvara dvije molekule vodikova peroksida u molekularni kisik i vodu

Konformacija citokroma c praktično se nije promijenila tijekom više od milijardu godina

21 od 104 aminokiseline potpuno su očuvane više od 1,5 milijardi godina

Gradijent protona daje energiju za sintezu ATP

7

ATP-sintaza (kompleks V)γγγγ-podjedinica prolazi kroz središte α3ββββ3

heksamera i čini vezna mjesta za nukleotide u tim podjedinicama različitim

Svaki od tri αβαβαβαβ kompleksa nalazi se u jednoj od tri moguće konformacije:

T – čvrsto (tight) veže ligande, katalitički aktivnaL – slabo (loose) veže ligande, katalitički neaktivnaO – vrlo slabo veže ligande (openconformation), katalitički neaktivna

Energija potrebna za promjenu konformacije katalitičke αααα3ββββ3 podjedinice potječe iz potencijalne energije protonskog gradijenta na unutarnjoj membrani mitohondrija a prenosi se putem γδεγδεγδεγδε kompleksa

Prolaz približno 3 protona kroz ATPazu omogućava fosforilaciju jedne molekule ADP

Rotacija γγγγ-podjedinice potiče promjenu konformacije preostalih podjedinica

Rotaciju ATP-sintaze moguće je vidjeti pod mikroskopom

Energija za rotaciju γγγγ-podjedinice dolazi iz gradijenta protona

Respiratorni lanac moguće je razdvojiti od oksidativne fosforilacije

• respiratorni lanac elektrona stvara gradijent protona na unutarnjoj membrani mitohondrija

• određene kemikalije (npr. 2,4 dinitrofenol) omogućavaju prijenos protona kroz unutarnju membranu mitohondrija koji nije vezan za F0F1−−−−ATPazu– dolazi do rasipanja gradijenta protona uz oslobađanje

topline• razdvajanje respiratornog lanca i oksidativne

fosforilacije važan je metabolički proces u smeđem masnom tkivu dojenčadi i životinja koje hiberniraju– hormonalno regulirani protonski kanal omogućava

kontrolirano oslobađanje topline

8

Regulacija razdvajanja respiratornog lanca i

oksidativne fosforilacije u smeđem masnom tkivu

U srcu i jetri NADH iz citoplazme u mitohondrij ulazi tzv. “malat-aspartatnim

shuttlom”

U većini tkiva NADH iz citoplazme u mitohondrij ulazi putem glicerol-3-fosfata

Na ovaj se način gubi mogućnost sinteze 1 ATP

Potpunom oksidacijom glukoze dobije se oko 30 ATP