Chu trình Citric

Chu trình acid citric
(Chu trình Kreb)
Bs. Chi Mai
Chu trình acid citric
Ở các sinh vật ái khí, pyruvat (tạo thành từ đường phân) bị oxy hóa thành CO2 and acetyl-CoA với sự tham gia của coenzyme A
Sự oxy hóa acetyl –CoA tiếp theo bằng một loạt các phản ứng thuộc chu trình acid citric
Đặc điểm và ý nghĩa:
Xảy ra trong ty thể, trong điều kiện ái khí
Dị hóa ái khí của carbohydrat, lipid, and acid amin đều kết thúc ở chu trình acid citric.
Oxy hóa acetyl-CoA tạo thành từ chuyển hóa của cả 3 nhóm chất trên
Cung cấp nhiều năng lượng
Sản phẩm trung gian của chu trình acid citric là điểm bắt đầu cho nhiều con đường sinh tổng hợp
Chu trình acid citric
Chu trình acid citric
Oxy hóa được kiểm soát
Các chất được oxy hóa ở các bước khác nhau
Điện tử được vận chuyển tới O2

Tương tự việc đốt cháy các chất hữu cơ, sinh ra CO2 và H2O và nhiệt
Năng lượng giải phóng ra chủ yếu được giữ lại khi NAD+ và ubiquinone (Q) được khử thành NADH và ubiquinol (QH2)
Sự oxy hóa các coenzym dạng khủ nói trên sinh ra nhiều ATP qua sự vận chuyển electron và sự phosphoryl oxy hóa.

Còn gọi là:
Chu trình acid tricarboxylic (TCA) (do các chất trung gian là tricarboxylat)
Chu trình Krebs (Tên nhà hóa sinh Hans Krebs)
Các phản ứng
Chu trình
Tái tạo oxaloacetat, chất mở đầu chu trình, ở bước cuối của chu trình
Chu trình là các phản ứng enzym, có thể xúc tác sự chuyển hóa của vô tận nhóm acetyl
Carbon đi vào:
2 carbon đi vào chu trình không phải là 2
carbon mất đi dưới dạng CO2
Gồm 8 phản ứng xúc tác bởi enzym
Vận chuyển 4 đôi điện tử
Sinh ra các phân tử giàu năng lượng:
Phần lớn năng lượng giải phóng ra được giữ dưới dạng coenzym dạng khử NADH và FADH2 (hoặc QH2)
Oxy hóa các coenzym dạng khử trong chuồi hô hấp sinh ra ATP từ ADP và Pi qua sự phosphoryl hóa
9 ATP có thể tạo thành từ 4 đôi e chuyển đến O2
Phản ứng 5 là phosphoryl hóa ở mức cơ chất sinh ATP hay GTP tùy thuộc loại tế bào
Phản ứng tổng quát:
Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O →
2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + CoA + GTP + 3 H+
Tạo acetyl-CoA
Không thuộc chu trình nhưng cần đưa ra trước tiên
Bước 1: pyruvat đi vào trong ty thể
Ở tế bào ái khí, tất cả các enzym của chu trình acid citric nằm ở trong ty thể
Ty thể được bao bọc bởi một màng kép
Pyruvat qua lớp màng ngoài nhờ các kênh ưa nước-các protein xuyên màng (porins)
Pyruvate translocase là protein của màng trong ty thể, vận chuyển pyruvat từ khoang giữa 2 màng vào trong lòng ty thể (mitochondrial matrix)
Chuyển pyruvat thành acetyl-CoA
Khử carboxyl oxy hóa
Một loạt 5 phản ứng
Không thuận nghịch
Cơ chế rất phức tạp
Xúc tác bởi phức hợp đa enzym và cofactor
Phức hợp Pyruvate dehydrogenase
Phức hợp đa enzym ở trong lòng ty thể
Chứa nhiều phân tử của 3
enzym liên kết không đồng hóa trị
và 5 coenzym
E1 và E3 bao quanh lõi chuỗi 24-60 E2
(số chuỗi phụ thuộc loại tế bào)
Phản ứng tổng quát:
CH3C(O)CO2- + NAD+ + CoASH → CH3C(O)-SCoA + NADH + CO2
1. Tạo citrat
Oxaloacetat phản ứng với acetyl-CoA tạo citrat và coenzyme A
Không thuận nghịch
Enzym = citrate synthase
Citrate synthase
Dime gồm 2 tiểu đơn vị giống hệt nhau
Changes in conformation
Binding of oxaloacetate
Domains move closer to form binding site for acetyl-CoA
Formation of intermediate
Enzyme closes around intermediate
Prevent side reactions by shielding thiol ester linkage of acetyl-CoA from hydrolysis by solvent
Intermediate hydrolyzed by bound water molecule
Enzyme opens and products leave active site
2. Đồng phân citrat thành isocitrat
Citrate có nhóm alcol ở C3
Không thể bị oxy hóa thành acid cetonic
Isocitrate có nhóm alcol ở C2
Bị oxy hóa dễ dàng
Cơ chế:
Bước 1: loại H2O tạo dẫn xuất trung gian alken (cis-aconitat)
Bước 2: hợp nước tạo isocitr
Enzym = aconitase
Còn gọi aconitat hydratase
3. Khử carboxyl oxy hóa isocitrat tạo a-ketoglutarat
Phản ứng oxy hóa đầu tiên trong 4 phản ứng oxy hóa
NAD+ là tác nhân oxy hóa
Cơ chế:
Bước 1: alcol bị oxy hóa bởi chuyển H- từ C2 cho NAD+
Chất trung gian = oxalosuccinat, acid b-keto không ổn định
Phân tử NADH thứ nhất được tạo thành
Bước 2: chất trung gian khử carboxyl ở vị trí b tạo a-keto acid
Phân tử CO2 đầu tiên được tạo thành
Không thuận nghịch
Là 1 bước hạn chế tốc độ của chu trình
Enzym = isocitrate dehydrogenase
4. Khử carboxyl oxy hóa
a-ketoglutarat tạo succinyl-CoA
Được xúc tác bởi phức hợp đa enzym a-ketoglutarat dehydrogenase
a-ketoglutarat dehydrogenase (E1)
Dihydrolipoamide succinyltransferase (E2)
Dihyrdolipoamide dehydrogenase (E3)
Tương tự phản ứng chuyển pyruvat thành acetyl-CoA xúc tác bởi phức hợp pyruvate dehydrogenase
Coenzym tương tự
Cơ chế tương tự
Sản phẩm chứa liên kết thioeste giàu năng lượng
Bước điều hòa then chôt của chu trình acid citric
Tạo phân tử NADH thứ hai
Sinh ra phân tử CO2 thứ hai
5. Chuyển succinyl-CoA thành succinat
Phosphoryl hóa ở mức cơ chất
Phá vỡ liên kết thioeste giàu năng lượng
Năng lượng giải phóng được bảo tồn bằng tổng hợp nucleosid triphosphate
GTP ở động vật có vú
ATP ở thực vật và vi khuẩn
GDP tái tạo lại và ATP sinh ra từ phản ứng của GTP với ADP
GTP + ADP GDP + ATP
Nucleoside diphosphate kinase
Enzym = succinyl-CoA synthetase
Còn gọi succinat thiokinase
Cơ chế của Succinyl-CoA synthetase
6. Oxy hóa succinat tạo fumarat
Dehydrogen (mất H2; oxy hóa)
Đặc hiệu không gian với dạng trans của liên kết đôi
Xúc tác bởi phức hợp succinat dehydrogenase
Còn gọi là phức hợp II
Nằm ở màng trong ty thể
Oxy hóa alkan đòi hỏi tác nhân oxy hóa mạnh hơn NAD+ (đó là FAD)
FADH2 tạo ra bị oxy hóa bởi
coenzym ubiquinon (Q) tạo
FAD và ubiquinol (QH2)
Chất ức chế cạnh tranh = malonat
-O2C-CH2-CO2-
Gắn với vị trí hoạt động qua nhóm
carboxylat
Không bị dehydrogen
7. Hydrat hóa fumarat tạo L-malat
Phản ứng thuận nghịch
Đặc hiệu không gian
Hợp nước vào liên kết đôi của fumarat
Chỉ liên kết đôi dạng trans mới phản ứng
Enzym = fumarase
Còn gọi fumarat hydratase
8. Oxy hóa L-malat tạo oxaloacetat
Tạo phân tử NADH thứ ba
Enzym = malat dehydrogenase
Năng lượng tạo thành trong
chu trình
3NADH (phản ứng 3,4,8): 3x3= 9 ATP
1FADH2 (phản ứng 6): 1x2= 2ATP
1GTP (phản ứng 5):tương đương 1ATP
Cộng: 12 ATP
Điều hòa chu trình acid citric
Được điều hòa bởi các enzym then chốt và cơ chất tham gia vào chu trình
Sự tích lũy citrat làm chậm quá trình đường phân/tạo pyruvat
Còn phụ thuộc sự cung cấp acetyl-CoA (từ pyruvat), NAD+, FAD, và ADP
Các enzym được điều hòa trong chu trình acid citric là:
Citrate synthase (phản ứng1)
Bị ức chế dị lập thể bởi nồng độ cao của
citrat, succinyl-CoA, NADH, ATP
Isocitrate dehydrogenase (phản ứng 3)
Được kích thích bởi ADP, NAD+, và Ca2+ (cơ)
Bị ức chế bởi ATP và NADH
a-Ketoglutarate dehydrogenase (phản ứng 4)
Bị ức chế bởi ATP, GTP, NADH và succinyl-CoA
Cả 3 enzym trên xúc tác các phản ứng
ở những điểm rẽ quan trọng trong chuyển hóa