Fiziologie, ciclul Krebs

Introducere

Ciclul acidului tricarboxilic (TCA), cunoscut și sub denumirea de ciclul Krebs sau ciclul acidului citric, este centrul metabolic al unei celule importante. Este compus din opt enzime, toate aflate în matricea mitocondrială, cu excepția succinat dehidrogenazei anterioare, care este legată de lanțul respirator de pe membrana mitocondrială internă. Ciclul servește ca o poartă de acces pentru metabolismul aerob pentru moleculele care se pot transforma într-o grupă acetil sau acid dicarboxilic. Reglarea ciclului TCA are loc în trei puncte distincte care includ următoarele trei enzime: citrat sintază, izocitrat dehidrogenază și alfa-cetoglutarat dehidrogenază. Ciclul joacă, de asemenea, un rol în completarea precursorilor pentru forma de stocare a combustibililor, cum ar fi aminoacizii și colesterolul. [1]

articolul

Probleme de îngrijorare

Ciclul Krebs, în sine, nu necesită prezența oxigenului; acest element este necesar pentru ultima etapă a respirației celulare aerobe, adică fosforilarea oxidativă.

Moleculele organice dotate cu energie (carbohidrați, lipide, proteine) sunt împărțite în reacțiile anterioare. Înainte de a intra în ciclul Krebs, acestea se transformă în acetil-CoA, o moleculă formată dintr-o grupare acetil (CH3CO-) și de un transportor de acil, numit coenzima A.

Cu toate acestea, sursa preferată de acetil-CoA rămâne glicoliza. Gruparea acetil este apoi oxidată, iar energia obținută este utilizată pentru sinteza ATP, în cooperare cu fosforilarea oxidativă. În eucariote, reacțiile ciclului Krebs au loc în matricea mitocondrială, o soluție densă care înconjoară crestele mitocondriilor: pe lângă apă, matricea conține toate enzimele necesare reacțiilor biochimice ale ciclului, coenzimele și fosfații.
Ciclul Krebs este controlat și reglementat de disponibilitatea substraturilor NAD + și FAD, în timp ce concentrațiile ridicate de NADH îl inhibă.

Celular

Metabolizarea glucozei are loc în citosol fără a fi nevoie de oxigen printr-un proces de glicoliză denumită. Produce o cantitate mică de ATP și piruvatul compus din trei carbon. După transportul piruvatului în mitocondrii, complexul piruvat dehidrogenazei (PDC) facilitează conversia piruvatului în acetil-CoA și CO2. Fiecare moleculă de acetil-CoA care intră în ciclul TCA produce 12 molecule de ATP. (PDC) are trei subunități proteice și necesită cinci cofactori pentru funcția sa enzimatică. Cerința cofactorilor asigură capacitatea complexului de a fi reglementată. La niveluri ridicate de zahăr din sânge, cea mai mare parte a acetil-CoA va fi derivată din glucoză, mai precis, piruvat. Cu toate acestea, în stare de foame sau de post, beta-oxidarea contribuie la producerea de acetil-CoA. Acetil-CoA suferă oxidare la CO2 în opt etape, iar energia produsă din aceste reacții este stocată în NADH + H +, FADH2 și GTP. NADH + H + și FADH2 se oxidează apoi în lanțul de transport al electronilor (lanț respirator mitocondrial), terminând în sinteza ATP. [2]

Intermediați din ciclul TCA sunt precursori atât pentru procesele catabolice, cât și pentru cele anabolice. Conectează mai multe procese metabolice (de exemplu, glicoliză, gluconeogeneză, ketogeneză, lipogeneză). [3]

Aceste trei mecanisme reglează activitatea complexului piruvat dehidrogenazei (PDC): modificarea covalentă fiind forma primară de reglare, reglarea alosterică, reglarea transcripțională. Modificarea covalentă are loc atunci când prima subunitate a PDC, piruvatul decarboxilază, este fosforilată. Această fosforilare are ca rezultat scăderea activității PDC și o creștere a ADP sau piruvat (semnalând cerința pentru mai mult acetil-CoA în ciclul TCA, care reglează în jos PDC). Ionii de calciu reglează în sus activitatea fosfatazei, fosfataza, la rândul său, defosforilează PDC, făcându-l activ. Reglarea alosterică a PDC implică mecanismul direct de activare a substratului sau de inhibare a produsului. De exemplu, atunci când există o eliberare în exces de acetil-CoA din E2 sau NADH din E3, aceste produse acționează pentru a inhiba direct PDC. În schimb, o creștere a nivelurilor de CoASH (precursor al acetil-CoA) sau NAD + va activa direct PDC. Ultimul tip de reglare a activității PDC este reglarea transcripțională, care este dependentă de numărul de enzime produse în condiții de post și hrănire. În starea de hrănire, producția de enzime crește datorită efectului insulinei, dar se reduce în starea de post. [4]

Dezvoltare

Ciclul Krebs este, de asemenea, crucial în timpul dezvoltării. Pentru a face un exemplu, energia obținută din această cale metabolică este esențială pentru o creștere adecvată a sistemului endotelial, care va ghida formarea vaselor de sânge și limfatice.

Dacă diferitele faze ale ciclului Krebs nu sunt prezente în perioada fetală, inima bebelușului poate avea probleme la naștere. Modificarea ciclului determină o creștere a cortizolului, care alterează metabolismul placentei și al dezvoltării fetale, inclusiv o funcție corectă a inimii viitorului copil. Aceste modificări pot duce la moarte.

Sisteme de organe implicate

Ciclul Krebs este prezent în fiecare celulă care folosește oxigenul pentru a produce energie. Această cale metabolică este utilizată ca principiu celular anabolic, dar și în prezența catabolismului.

Funcţie

Sinteza citratului

Enzima citrat sintază catalizează formarea citratului din acetil CoA și oxaloacetat, adesea considerat ca primul pas al ciclului TCA. Această reacție este practic ireversibilă și are un delta-G-prim de -7,7 Kcal/M care favorizează puternic formarea citratului. Disponibilitatea de substraturi și produse reglementează activitatea citratului sintază. De exemplu, citratul însuși acționează ca un inhibitor al citratului sintază, în timp ce legarea oxaloacetatului la acesta își mărește afinitatea pentru acetil-CoA. Se menționează că fosfofructokinaza-1 în glicoliză este inhibată de citrat, în timp ce activează acetil-CoA carboxilaza pentru sinteza acizilor grași. Acest punct ilustrează interconectivitatea ciclurilor noastre metabolice. [5]

Izomerizarea citratului

Conversia reversibilă a citratului în izocitrat este catalizată de enzima aconitază, care conține un centru fier-sulf care facilitează migrarea grupării hidroxil. Cis-aconitatul este produsul intermediar al acestei reacții. [6]

Fosforilarea oxidativă a izocitratului

Decarboxilarea oxidativă a izocitratului în alfa-cetoglutarat devine catalizată de izocitrat dehidrogenază dependentă de NAD + producând CO2, NADH și un proton; acesta este pasul de limitare a ratei ciclului TCA. Producerea primei coenzime reduse din ciclu are loc la această reacție. Tendința acestei reacții de a produce gaze îl face ireversibil. ADP și ionii de calciu reglează alosteric izocitratul dehidrogenază activând-o în timp ce ATP și NADH îi inhibă activitatea. [7]

Decarboxilarea oxidativă a alfa-cetoglutaratului

Conversia alfa-cetoglutaratului în succinil-CoA este catalizată de complexul alfa-cetoglutarat dehidrogenază producând NADH, CO2 și H +. Funcția complexului alfa-cetoglutarat dehidrogenazei este analogă PDC. Alfa-cetoglutaratul devine decarboxilat de E1 al acestui complex, transferând cei patru carboni rămași în tiamina pirofosfat. Pirofosfatul de tiamină este primul cofactor. Apoi grupul succinil se transferă către CoASH de către E2 cu ajutorul FAD. Pasul final implică resinteza FAD împreună cu NADH din NAD + de către E3. Acest ultim pas asigură întreținerea substraturilor și cofactorilor necesari pentru continuarea activității complexului dehidrogenază. Cofactorii necesari pentru complexul alfa-cetoglutarat dehidrogenazei includ tiamina pirofosfat, acid lipoic, coenzima A, NAD + și FAD. Succinil-CoA, NADH și ATP inhibă complexul alfa-cetoglutarat dehidrogenazei. [8] [9]

Scindarea Succinil Coenzimei A

Enzima succinat tiokinază catalizează interconversia reversibilă a succinil-CoA în succinat prin scindarea legăturii tioester succinil CoA. Enzima folosește fosfat anorganic și dinucleotidă pentru a produce trinucleotidă și CoA. Această reacție cuplată se numește fosforilare la nivel de substrat, la fel ca ceea ce se întâmplă în glicoliză. [10]

Oxidarea sucinatului

Succinat dehidrogenaza se mai numește complex II datorită rolului său în lanțul de respirație aerobă. Catalizează reducerea ubiquinonei la ubiquinol. Ciclul TCA catalizează oxidarea succinatului în fumarat, producând un FADH2 redus din FAD. [11]

Hidratarea fumaratului

Hidratarea reversibilă a fumaratului în malat este catalizată de fumarază (sau fumarat hidratază). Într-o altă încercare de a ilustra interconectarea căilor metabolice, rețineți că producția de fumarat are loc și în ciclul ureei. [12]

Oxidarea malatului

Malatul dehidrogenază este catalizatorul în oxidarea reversibilă a malatului în oxaloacetat, care este ultima etapă a ciclului TCA. Această enzimă joacă un rol crucial pentru oxidarea NADH în cadrul ciclului TCA. Primul delta-G este pozitiv, ceea ce indică faptul că reacția favorizează malatul. Cu toate acestea, consumul de oxaloacetat de citrat sintază conduce această reacție înainte pentru a produce mai mult oxaloacetat. [13]

Procese cataplerotice

Intermediarii acidului citric pot părăsi ciclul pentru a participa la biosinteza altor compuși. Citratul poate fi îndreptat către acizi grași; succinil-CoA la sinteza hemului; alfa-cetoglutarat la sinteza aminoacizilor, sinteza purinelor și sinteza neurotransmițătorului; oxaloacetat la sinteza aminoacizilor și malat la gluconeogeneză. [14] [4]

Procese anaplerotice

Intermediarii sunt introduși în ciclul TCA pentru a înlocui procesele cataplerotice și pentru a asigura continuarea ciclului. De exemplu, piruvatul poate intra în ciclu în tot corpul prin piruvat carboxilază, care introduce oxaloacetat suplimentar în ciclu. Acest proces face ca reacția să fie împinsă spre citrat sintaza deja exergonică, deoarece există mai mult oxaloacetat pentru a participa la reacție. Ficatul este un alt exemplu, deoarece poate produce alfa-cetoglutarat prin dezaminare oxidativă sau transaminare a glutamatului. [15] [4]

Testare conexă

Evaluarea funcției mitocondriale implică evaluarea ciclului Krebs. De exemplu, în boala hepatică nealcoolică (NAFLD), există o defecțiune mitocondrială și este una dintre pietrele de temelie diagnostice. Unii autori sugerează compararea valorilor plasmatice ale izocitratului și citratului pentru o constatare a alterării mitocondriale.

Căutarea valorilor plasmatice a metaboliților mitocondriali poate fi utilizată pentru a înțelege cum funcționează mitocondriile.

Fiziopatologie

Disfuncția mitocondrială poate rezulta dintr-un exces de calorii introduse prin alimente; ciclul Krebs nu mai poate găsi un echilibru între moleculele de degradat și numărul de molecule disponibile. Obezitatea prezintă o alterare mitocondrială, cu o creștere a stresului oxidativ și producerea de specii reactive de oxigen, inflamație și apoptoză.

Disfuncția mitocondrială poate însemna, de asemenea, suprasolicitare comparativ cu valorile normale. În patologia Duchenne (într-un model animal), o creștere a metaboliților mitocondriali se prezintă în diferite țesuturi, cum ar fi diafragma și mușchii periferici, sistemul nervos central. Motivele sunt probabil legate de stresul oxidativ.

Semnificația clinică

Deficitul complex de piruvat dehidrogenază

Deficitul complexului de piruvat dehidrogenază este o tulburare neurodegenerativă datorată unei subunități anormale de piruvat decarboxilază cauzată de o genă PDHAD mutată legată de X. Această mutație duce la conversia afectată a piruvatului în acetil-CoA. Deoarece există un exces de acumulare de piruvat, lactatul dehidrogenază îl va transforma în lactat ducând la acidoză metabolică potențial fatală. Alte simptome includ letargia cu debut neonatal, hipotonicitatea, spasticitatea musculară, neurodegenerarea și moartea timpurie. [16] [17] [18]

Sindromul Leigh

Encefalomielopatia necrotizantă subacută sau sindromul Leigh este o tulburare neurologică progresivă datorată mutațiilor genetice care codifică proteinele PDC. La majoritatea copiilor, primul semn observat este incapacitatea de a efectua abilități motorii dobândite anterior. Alte simptome includ pierderea controlului capului, alăptarea slabă, vărsăturile recurente și pierderea poftei de mâncare. [19] [20] [21]

Deficitul de tiamină

Deficitul de tiamină este similar cu deficiența complexului de piruvat dehidrogenază în sensul că va duce la manevrarea piruvatului la lactat ducând la acidoză metabolică. Cu toate acestea, vinovatul aici este o deficiență în forma activă a tiaminei (tiamina pirofosfat), mai degrabă decât a PDC. Deficitul acut de tiamină este beriberi uscați, în timp ce deficitul cronic de tiamină este beriberi umezi. Beriberi uscați demonstrează caracteristic reflexele diminuate și neuropatia periferică simetrică cu modificări motorii și senzoriale. Pe de altă parte, beriberi umezi afectează în mod clasic inima, ducând la tahicardie, cardiomiopatie dilatată, insuficiență cardiacă congestivă de mare producție și edem periferic. [22] [23]

Deficitul de fumarază

Deficitul de fumarază este o afecțiune metabolică autosomală recesivă rară a ciclului TCA datorită unei mutații a genei FH. Se caracterizează printr-o deficiență a enzimei fumarază hidrați, ceea ce duce la acumularea de acid fumaric. Este o afecțiune care afectează în principal sistemul nervos. Copiii afectați pot avea întârziere severă în dezvoltare, microcefalie, hipotonie, encefalopatie, convulsii, întârziere psihomotorie și eșecul de a prospera. [24] [25] [26] [27]

Mutații ale izocitratului dehidrogenază

Cercetătorii au descoperit mutații ale izocitratului dehidrogenază în mai multe tipuri de cancer, inclusiv leucemie, glioame și sarcoame. Mutațiile IDH pot fi utile pentru diagnosticul diferențial și subclasificarea glioamelor umane. Funcția normală a IDH este de a cataliza decarboxilarea oxidativă a izocitratului în alfa-cetoglutarat. IDH mutant catalizează formarea 2-hidroxiglutaratului în locul alfa-cetoglutaratului. 2-hidroxiglutaratul este un oncometabolit care determină hipermetilarea ADN-ului și a histonelor, ducând la neoplazie. 2-hidroxiglutaratul poate fi utilizat ca biomarker pentru cancer la pacienții cu erori metabolice înnăscute. [28] [29] [7] [30]