Фізіологія, цикл Кребса

Вступ

Цикл трикарбонової кислоти (ТСА), також відомий як цикл Кребса або цикл лимонної кислоти, є важливим метаболічним центром клітини. Він складається з восьми ферментів, всі вони знаходяться в мітохондріальному матриксі, за винятком сукцинатдегідрогенази, яка має відношення до дихального ланцюга на внутрішній мітохондріальній мембрані. Цикл служить шлюзом для аеробного метаболізму для молекул, які можуть перетворитися на ацетильну групу або дикарбонову кислоту. Регуляція циклу ТСА відбувається в трьох різних точках, які включають три наступні ферменти: цитратсинтазу, ізоцитратдегідрогеназу та альфа-кетоглутаратдегідрогеназу. Цикл також відіграє певну роль у поповненні попередників для форми зберігання палива, такого як амінокислоти та холестерин. [1]

Проблеми, що викликають занепокоєння

Цикл Кребса сам по собі не вимагає присутності кисню; цей елемент необхідний для останньої стадії аеробного клітинного дихання, тобто окисного фосфорилювання.

Органічні молекули, наділені енергією (вуглеводи, ліпіди, білки), розщеплюються в попередніх реакціях. Перш ніж увійти в цикл Кребса, вони перетворюються на ацетил-КоА, молекулу, утворену ацетильною групою (СН3СО-) та ацильним транспортером, званим коферментом.

Однак кращим джерелом ацетил-КоА залишається гліколіз. Потім ацетильна група окислюється, і отримана енергія використовується для синтезу АТФ у співпраці з окислювальним фосфорилюванням. У еукаріотів реакції циклу Кребса відбуваються в матриксі мітохондрій, щільному розчині, який оточує гребені мітохондрій: крім води, матриця містить всі ферменти, необхідні для біохімічних реакцій циклу, коферменти та фосфати.
Цикл Кребса контролюється і регулюється наявністю субстратів NAD + і FAD, тоді як високі концентрації NADH інгібують його.

Стільниковий

Метаболізм глюкози відбувається в цитозолі без необхідності в кисні шляхом процесу, який називають гліколізом. Він утворює невелику кількість АТФ та тривуглецеву сполуку піруват. Після транспортування пірувату в мітохондрії комплекс піруватдегідрогенази (PDC) сприяє перетворенню пірувату в ацетил-КоА та СО2. Кожна молекула ацетил-КоА, яка надходить у цикл ТСА, дає 12 молекул АТФ. (PDC) має три білкові субодиниці та потребує п’яти кофакторів для своєї ферментативної функції. Вимога кофакторів забезпечує здатність комплексу регулюватися. При високому рівні цукру в крові більшість ацетил-КоА отримують із глюкози, точніше, пірувату. Однак у голодному або голодному станах бета-окислення сприяє виробленню ацетил-КоА. Ацетил-КоА окислюється до СО2 за вісім етапів, і енергія, вироблена в результаті цих реакцій, зберігається в NADH + H +, FADH2 та GTP. Потім NADH + H + і FADH2 окислюються в електронно-транспортному ланцюзі (мітохондріальний дихальний ланцюг), закінчуючись синтезом АТФ. [2]

Посередниками циклу ТСА є попередники як катаболічного, так і анаболічного процесів. Він пов’язує кілька обмінних процесів (наприклад, гліколіз, глюконеогенез, кетогенез, ліпогенез). [3]

Ці три механізми регулюють активність піруватдегідрогеназного комплексу (PDC): ковалентна модифікація є основною формою регуляції, алостерична регуляція, транскрипційна регуляція. Ковалентна модифікація має місце, коли перша субодиниця PDC, піруватдекарбоксилаза, фосфорилюється. Це фосфорилювання призводить до зниження активності PDC та збільшення АДФ або пірувату (сигналізуючи про потребу в більшій кількості ацетил-КоА в циклі TCA, що зменшує PDC). Іони кальцію підвищують активність фосфатази, фосфатаза, в свою чергу, дефосфорилює PDC, роблячи її активною. Алостерична регуляція PDC передбачає прямий механізм активації субстрату або гальмування продукту. Наприклад, коли спостерігається надмірне вивільнення ацетил-КоА з Е2 або НАДН з Е3, ці продукти діють безпосередньо на інгібування PDC. На відміну від цього, збільшення рівнів CoASH (попередника ацетил-CoA) або NAD + безпосередньо активує PDC. Останній тип регуляції активності PDC - це транскрипційна регуляція, яка залежить від кількості ферментів, що виробляються натощак та в режимі годування. У згодованому стані вироблення ферментів зростає за рахунок дії інсуліну, але в умовах голодування воно зменшується. [4]

Розвиток

Цикл Кребса також має вирішальне значення під час розвитку. Для прикладу, енергія, отримана за допомогою цього метаболічного шляху, необхідна для адекватного росту ендотеліальної системи, яка буде направляти формування крові та лімфатичних судин.

Якщо різні фази циклу Кребса відсутні у внутрішньоутробному періоді, серце дитини може мати проблеми при народженні. Зміна циклу спричинює збільшення кортизолу, який змінює метаболізм плаценти та розвиток плода, включаючи правильну функцію серця майбутньої дитини. Ці зміни можуть призвести до смерті.

Залучені системи органів

Цикл Кребса присутній у кожній клітині, яка використовує кисень для виробництва енергії. Цей метаболічний шлях використовується як анаболічний клітинний принцип, але також за наявності катаболізму.

Функція

Синтез цитратів

Фермент цитратсинтаза каталізує утворення цитрату з ацетил КоА та оксалоацетату, що часто розглядається як перший етап циклу ТСА. Ця реакція практично незворотна і має дельта-G-прем'єр -7,7 Ккал/м, що сильно сприяє утворенню цитратів. Наявність субстратів та продуктів регулює активність цитратсинтази. Наприклад, сам цитрат діє як інгібітор цитрат-синтази, тоді як зв’язування з ним оксалоацетату збільшує його спорідненість до ацетил-КоА. Слід зазначити, що фосфофруктокіназа-1 при гліколізі пригнічується цитратом, тоді як вона активує ацетил-КоА карбоксилазу для синтезу жирних кислот. Цей пункт ілюструє взаємозв’язок наших метаболічних циклів. [5]

Ізомеризація цитрату

Оборотне перетворення цитрату в ізоцитрат каталізується ферментом аконітаза, який містить залізо-сірчаний центр, що полегшує міграцію гідроксильної групи. Цис-аконітат є проміжним продуктом цієї реакції. [6]

Окисне фосфорилювання ізоцитрату

Окислювальне декарбоксилювання ізоцитрату до альфа-кетоглутарата стає каталізується НАД + -залежною ізоцитратдегідрогеназою, утворюючи СО2, НАДН та протон; це крок обмеження швидкості циклу TCA. Продукція першого відновленого коферменту в циклі відбувається за цієї реакції. Тенденція цієї реакції до утворення газу робить її незворотною. АДФ та іони кальцію алостерично регулюють ізоцитратдегідрогеназу, активуючи її, тоді як АТФ і НАДН пригнічують її активність. [7]

Окислювальне декарбоксилювання альфа-кетоглутарата

Перетворення альфа-кетоглутарата в сукциніл-КоА каталізується комплексом альфа-кетоглутаратдегідрогенази, що продукує НАДН, СО2 та Н +. Функція комплексу альфа-кетоглутаратдегідрогенази аналогічна PDC. Альфа-кетоглутарат стає декарбоксильованим Е1 цього комплексу, переносячи чотири залишки вуглецю в тіамінпірофосфат. Першим кофактором є тіамінпірофосфат. Потім сукцинільна група переходить до CoASH за допомогою E2 за допомогою FAD. Останній етап включає ресинтез FAD разом з NADH з NAD + за допомогою E3. Цей останній етап забезпечує підтримку субстратів та кофакторів, необхідних для продовження активності дегідрогеназного комплексу. Кофактори, необхідні для альфа-кетоглутаратдегідрогеназного комплексу, включають тіамінпірофосфат, ліпоєву кислоту, кофермент A, NAD + та FAD. Сукциніл-КоА, НАДН та АТФ інгібують комплекс альфа-кетоглутаратдегідрогенази. [8] [9]

Розщеплення сукцинілового коферменту А

Фермент сукцинат тиокіназа каталізує оборотне взаємоперетворення сукциніл-КоА в сукцинат, розщеплюючи тіоефірний зв'язок сукцинілу КоА. Фермент використовує неорганічний фосфат та динуклеотид для отримання тринуклеотиду та CoA. Ця сполучена реакція називається фосфорилюванням на рівні субстрату, як і те, що відбувається при гліколізі. [10]

Окислення сукцинату

Сукцинатдегідрогеназу також називають комплексом II завдяки її ролі в аеробному ланцюгу дихання. Він каталізує відновлення убихинона до убихинола. Цикл TCA каталізує окислення сукцинату до фумарату, виробляючи відновлений FADH2 із FAD. [11]

Гідратація фумарату

Оборотна гідратація фумарату до малату каталізується фумаразою (або фумаратгідратазою). В іншій спробі проілюструвати взаємозв’язок метаболічних шляхів зауважте, що вироблення фумарату також відбувається в циклі сечовини [12].

Окислення малату

Малатдегідрогеназа є каталізатором оборотного окислення малату до оксалоацетату, що є останнім етапом циклу ТСА. Цей фермент відіграє вирішальну роль для окислення NADH у циклі TCA. Дельта-G-прем’єр є позитивним, що вказує на те, що реакція сприяє малату. Однак споживання оксалоацетату цитратсинтазою рухає цю реакцію вперед, виробляючи більше оксалоацетату. [13]

Катаплеротичні процеси

Проміжні продукти лимонної кислоти можуть виходити з циклу, щоб брати участь у біосинтезі інших сполук. Цитрат може бути спрямований до жирних кислот; синтез сукциніл-КоА до гему; альфа-кетоглутарат до синтезу амінокислот, синтезу пуринів та синтезу нейромедіаторів; оксалоацетат до синтезу амінокислот і малат до глюконеогенезу. [14] [4]

Анаплеротичні процеси

Проміжні продукти вставляються в цикл ТСА, щоб замінити катаплеротичні процеси та забезпечити продовження циклу. Наприклад, піруват може потрапляти в цикл по всьому тілу через піруват-карбоксилазу, яка вводить додатковий оксалоацетат у цикл. Цей процес призводить до просування реакції до вже експрегонічної цитратсинтази, оскільки в реакції бере участь більше оксалоацетату. Ще одним прикладом є печінка, оскільки вона може виробляти альфа-кетоглутарат шляхом окисного дезамінування або трансамінування глутамату. [15] [4]

Пов’язане тестування

Оцінка функції мітохондрій включає оцінку циклу Кребса. Наприклад, при неалкогольній хворобі печінки (НАЖХП) спостерігається порушення роботи мітохондрій, і це є одним із діагностичних наріжних каменів. Деякі автори пропонують порівняти плазмові значення ізоцитрату та цитрату для виявлення мітохондріальних змін.

Пошук плазмових значень метаболітів мітохондрій може бути використаний для розуміння того, як діють мітохондрії.

Патофізіологія

Дисфункція мітохондрій може бути наслідком надлишку калорій, що вводяться з їжею; цикл Кребса вже не може знайти балансу між молекулами, що піддаються деградації, і кількістю доступних молекул. Ожиріння демонструє мітохондріальні зміни, із збільшенням окисного стресу та утворенням активних форм кисню, запалення та апоптозу.

Дисфункція мітохондрій також може означати перевтому в порівнянні з нормальними показниками. При патології Дюшенна (на тваринній моделі) збільшення метаболітів мітохондрій спостерігається в різних тканинах, таких як діафрагма та периферичні м’язи, центральна нервова система. Причини, ймовірно, пов’язані з окислювальним стресом.

Клінічне значення

Дефіцит піруватдегідрогенази

Дефіцит піруватдегідрогеназного комплексу є нейродегенеративним розладом внаслідок аномальної субодиниці піруватдекарбоксилази, спричиненої мутованим Х-зчепленим геном PDHAD. Ця мутація призводить до порушення перетворення пірувату в ацетил-КоА. Оскільки відбувається надмірне накопичення пірувату, лактатдегідрогеназа перетворить його в лактат, що призведе до потенційно летального метаболічного ацидозу. Інші симптоми включають млявість у новонароджених, гіпотонічність, спастичність м’язів, нейродегенерацію та ранню смерть. [16] [17] [18]

Синдром Лі

Підгостра некротизуюча енцефаломієлопатія або синдром Лі - прогресуючий неврологічний розлад, обумовлений генними мутаціями, що кодують білки PDC. У більшості дітей першим спостерігається ознакою є нездатність виконувати рухові навички, набуті раніше. Інші симптоми включають втрату контролю над головою, погане вигодовування, періодичну блювоту та втрату апетиту. [19] [20] [21]

Дефіцит тіаміну

Дефіцит тіаміну подібний до дефіциту комплексу піруватдегідрогенази тим, що він призведе до шунтування пірувату до лактату, що призведе до метаболічного ацидозу. Однак виною в цьому є дефіцит активної форми тіаміну (тіаміну пірофосфату), а не PDC. Гострий дефіцит тіаміну - це сухий авітаміноз, тоді як хронічний дефіцит тіаміну - вологий авітаміноз. Сухий авітаміноз характеризується зниженими рефлексами та симетричною периферичною нейропатією з руховими та сенсорними змінами. З іншого боку, вологий авітаміноз класично впливає на серце, що призводить до тахікардії, розширеної кардіоміопатії, застійної серцевої недостатності з високим ступенем ефективності та периферичних набряків. [22] [23]

Дефіцит фумарази

Дефіцит фумарази є рідкісним аутосомно-рецесивним метаболічним розладом циклу TCA через мутацію гена FH. Характеризується дефіцитом ферменту фумарази гідратів, що призводить до накопичення фумарової кислоти. Це стан, який в основному вражає нервову систему. У постраждалих дітей можуть спостерігатися серйозні затримки розвитку, мікроцефалія, гіпотонія, енцефалопатія, судоми, відставання в психомоторному розвитку та відмова у процвітанні. [24] [25] [26] [27]

Мутації ізоцитратдегідрогенази

Дослідники виявили мутації ізоцитратдегідрогенази при декількох видах раку, включаючи лейкемію, гліоми та саркоми. Мутації IDH можуть бути корисними для диференціальної діагностики та підкласифікації гліом людини. Нормальною функцією IDH є каталізатор окисного декарбоксилювання ізоцитрату до альфа-кетоглутарата. Мутант IDH каталізує утворення 2-гідроксиглутарата замість альфа-кетоглутарата. 2-гідроксиглутарат - онкометаболіт, який викликає гіперметилювання ДНК та гістонів, що призводить до новоутворення. 2-гідроксиглутарат може бути використаний як біомаркер для раку у пацієнтів з вродженими помилками метаболізму. [28] [29] [7] [30]