Krebsov cyklus

Krebsov cyklus
 
2.1.1 Základná charakteristika metabolických procesov
V ľudskom tele, tkanivách, orgánoch prebieha neustále rad chemických reakcií, ktoré sú katalyzované účinnými biokatalyzátormi. Súhrn chemických reakcií sprostredkovaných a katalyzovaných enzýmami v bunkách tkanív a orgánov ľudského tela sa nazýva intermediárny metabolizmus (látková premena). Chemické reakcie intermediárneho metabolizmu predstavujú základ fyziologických funkcií tkanív a orgánov.
Procesy látkovej premeny rozdeľujeme do štyroch základných skupín:

- získavanie energie,
- premena organických živín na stavebné jednotky makromolekúl,
- využitie týchto stavebných jednotiek na syntézu zložitejších látok napr. bielkovín, nukleových kyselín a lipidov,
- syntéza a degradácia biomolekúl potrebných na plnenie osobitných funkcií buniek.

Chemické procesy v bunkách prebiehajú za veľmi miernych podmienok pH, teploty a bez tvorby nežiaducich vedľajších produktov. Jednotlivé reakcie látkovej premeny sú v bunkách často súčasťou metabolických dráh, v ktorých je produkt jednej reakcie substrátom nasledujúcej. Metabolické dráhy môžu mať lineárny, cyklický alebo špirálovitý tvar. Metabolické reakcie v bunkách rozdeľujeme na rozkladné (katabolické) a syntetické (anabolické) procesy.
 
2.1.2 Citrátový cyklus
Citrátový (Krebsov) cyklus je cyklická metabolická dráha prebiehajúca v matrixe mitochondrie, v ktorej sa aktívny zvyšok kyseliny octovej (acetyl-CoA) oxiduje na oxid uhličitý (CO2 ) za súčasného vzniku redukovaných koenzýmov dehydrogenáz (obrázky 1 a 3). Má rozhodujúcu úlohu v energetickom metabolizme živočíšnej bunky. Redukované koenzýmy tvoriace sa pri oxidačných reakciách odovzdávajú vodíky do dýchacieho reťazca, pričom pri ich prenose na kyslík sa uvoľní energia, ktorá sa využíva na syntézu ATP.
 
2.1.3 Vznik Acetyl-CoA
Acetyl-CoA je dôležitý medziprodukt metabolizmu, ktorý sa môže tvoriť z týchto hlavných typov látok:

- počas metabolizmu tukov (β-oxidácia vyšších karboxylových kyselín),
- počas metabolizmu cukrov (oxidačná dekarboxylácia kyseliny pyrohroznovej),
- počas metabolizmu aminokyselín (glukogénne prostredníctvom tvorby glukózy, alebo ketogénne priamo ich odbúravaním).

Podiel tvorby acetyl-CoA z jednotlivých živín závisí od ich zastúpenia v potrave a od námahy organizmu.

2.1.4 Reakcie citrátového cyklu
Reakcie citrátového cyklu prebiehajú v matrixe mitochondrie. Cyklus začína kondenzáciou acetyl–CoA a kyseliny oxáloctovej za vzniku kyseliny citrónovej. V citrátovom cykle sa uskutočňujú štyri oxidačné reakcie. Dehydrogenázy katalyzujúce tieto oxidačné reakcie využívajú koenzým NAD, (len kyselina jantárová využíva FAD). Pri oxidácii jednej molekuly acetyl-CoA vznikajú tri molekuly NADH2 a jedna molekula
FADH2.
 
2.1.5 Cyklus kyseliny citrónovej
Produktom glykolýzy je pyruvát (kyselina pyrohroznová. V molekule pyruvátuje však uskladnené značné množstvo energie (spalné teplo mólu glukózy je približne 1700kJ). Túto energiu však môže bunka uvoľniť len oxidáciou kyslíkom. Pyruvát prechádza z cytoplazmy do mitochondrií. Tam sa každá molekula pyruvátu prevedie na CO2 a dvojuholníkovú acetylovú skupinu, z ktorej po spojení s koenzýmom A (CoA) vznikne acetylkoenzým A (acetyl-CoA).

Acetylová skupina v acetyl-CoA je s koenzýmom A spojená väzbou s vysokým obsahom energie. Acetyl-CoA vstupuje do zložitého chemického reťazca nazývaného cyklus kyseliny citrónovej. V týchto reakciách sa acetylová skupina oxiduje na CO2 za súčasnej tvorby veľkého množstva prenášačov elektrónov NADH. Nakoniec elektróny s vysokým obsahom energie prechádzajú z NADH reťazcom prenosu elektrónov vo vnútornej mitochondriovej membráne. Tu sa energia, ktorá sa pri tomto procese uvoľňuje, používa na tvorbu ATP (za spotreby molekulárneho kyslíka). Práve v týchto posledných krokoch sa uvoľňuje veľké množstvo energie, a tým sa aj vytvára väčšina ATP. Tvorba ATP prebiehajúca v mitochondriách sa označuje ako oxidatívna fosforylácia. Úplným rozložením mólu glukózy bunky získa 38 ATP a časť energie sa uvoľní vo forme tepla.

2.1.6 Krebsov cyklus
Spomenúť treba aj premenu sukcinyl-CoA na kyselinu jantárovú za tvorby jednej molekuly GTP (guanozíntrifosfát). Pri tejto reakcii sa energia makroergickej tioesterovej väzby sukcinyl-CoA prenáša na GDP za vzniku GTP, ide teda o fosforyláciu na substrátovej úrovni. Makroergická disfosfátová väzba sa z GTP môže preniesť na ADP, pričom vzniká ATP, ktorý má charakter univerzálneho zdroja energie. V reakciách citrátového cyklu sa tak „spáli“ molekula acetyl-CoA za vzniku dvoch molekúl CO2 štyroch molekúl redukovaných koenzýmov (trikrát NADH2 a jedenkrát FADH2) a jednej molekuly GTP (energetický ekvivalent ATP). Vzniknutá energia sa zo 60 % spotrebováva pri endergonických reakciách, 40% z nej sa ukladá do ATP dýchacom reťazci sa FAD a NAD oxidujú. Citrátový cyklus sa uskutočňuje v matrixe mitochondrie, takže vodíky z redukovaných koenzýmov môžu bez problémov vstupovať do dýchacieho reťazca, kde ich prenáša systém prenášačov až na kyslík za vzniku vody a uvoľnenia energie, ktorá sa využije na syntézu ATP. Na priebeh citrátovéko cyklu pôsobí aktivačne NAD a ADP, inhibične ATP a NADH2.

2.2 Význam Citrátového cyklu
Produkcia energeticky bohatých zlúčenín ATP, NADH a FADH2 v Krebsovom cykle sa využíva pri biosyntéze mnohých organických látok. V prípade živočíchov je to hlavný zdroj chemickej energie, v prípade rastlín je Krebsov cyklus hlavným zdrojom energie najmä v koreňoch, kým nadzemné orgány získavajú energiu hlavne z fotosyntézy. Krebsov cyklus však nemusí prebehnúť celý, ale jeho ktorýkoľvek medziprodukt môže byť východiskovou látkou (uhlíkovou kostrou, substrátom) pre syntézu mnohých organických zlúčenín, z ktorých snáď najdôležitejšia je tvorba aminokyselín.

2.3 História Krebsovho cyklu
Názov Citrátový cyklus je odvodený od kyseliny Citrónovej (anglicky citrate). Pomenovanie Krebsov cyklus bolo vytvorené na počesť Hansa Adolfa Krebsa (1900-1981), ktorý v roku 1937 navrhol kľúčové reakcie cyklu za čo získal v roku 1953 Nobelovu cenu za medicínu a fyziológiu. Názov Cyklus trikarboxylových kyselín sa v slovenčine používa len zriedka, skôr vyskytuje v niektorých iných jazykoch. Bol odvodený od toho, že kyselina citrónová, izocitrónová ... obsahujú tri karboxylové skupiny (-COOH).