Hoofdstuk 17, citroenzuurcyclus
Inleiding
Aerobe glucoseverwerking, levert het meeste ATP op vergeleken met de anaerobe verwerking
(glycolyse & fermentatie). Bij de aerobe verwerking worden afgeleiden van glucose compleet
geoxideerd tot CO2. Deze oxidatie vindt plaats in een reeks aan reacties genaamd de
citroenzuurcyclus.
Tricarboxylic acid (TCA) cycle, is een andere benaming voor de citroenzuurcyclus (CZ cyclus). De
CZ cyclus is de final common pathway voor de oxidatie van brandstofmoleculen – koolhydraten,
vetzuren en aminozuren. De meeste moleculen treden de cyclus binnen als acetyl co-enzym A (CoA).
In eukaryoten vinden de reacties v/d CZ cyclus plaats in de matrix van de mitochondriën i.t.t.
glycolyse wat plaatsvindt in het cytoplasma.
Acetyl CoA, onder aerobe omstandigheden wordt het pyruvaat dat afkomstig is van glycolyse
oxidatief gedecarboxyleerd om acetyl CoA te vormen.
Precursors, de CZ cyclus is niet alleen de poort voor aeroob metabolisme om ATP te genereren, maar
is ook een belangrijke bron van precursors voor veel moleculen, zoals aminozuren, nucleotide basen
en porphyrin (component van heem). Daarnaast is oxaloacetaat een belangrijke precursor voor
glucose.
Brandstofmoleculen, zijn koolstof samenstellingen die geoxideerd kunnen worden en dus elektronen
af kunnen staan.
Oxidatie-reductie, de CZ cyclus omvat een reeks oxidatie-reductie reacties die resulteren in de
oxidatie van een acetyl groep tot twee moleculen CO2. Dit levert high-energy electrons die gebruikt
zullen worden voor ATP synthese.
De functie van de CZ-cyclus is dus het oogsten van hoge-energie elektronen vanuit C brandstoffen.
Verloop CZ-cyclus, rechts is een schematisch weergave van CZ-cyclus te zien. Het
begint allemaal met condensatie van een 4C samenstelling (oxaloacetate) en een 2C
acetyl unit. Hieruit volgt een 6C tricarboxylic acid. Deze 6C samenstelling laat 2 keer
CO2 vrij in twee opeenvolgende oxidatieve decarboxylaties die hoge-energie
elektronen opleveren. Er blijft een 4C samenstelling over die verder verwerkt wordt
om oxaloacetaat de regenereren wat weer aan een nieuwe cyclus kan beginnen. De
CZ-cyclus genereert zelf niet veel ATP of gebruikt O2 als reactant, maar levert wel
veel electron carriers:
- NADH, 3 hydride ionen (6 elektronen) worden overgedragen aan 3 moleculen NAD+.
- FADH2, 1 paar waterstofatomen (2 elektronen) wordt overgedragen aan 1 molecuul FAD.
Elektronentransportketen, elektronen die vrijkomen bij oxidatie van NADH en FADH2 stromen door
een serie membraan eiwitten (electron-transport chain) om een proton gradiënt te genereren over
het binnenste mitochondriale membraan.
ATP synthase, protonen van het proton gradiënt
stromen door ATP synthase om ATP te genereren vanuit
ADP en anorganisch fosfaat.
Oxidatieve fosforilering, de electron carriers van de CZ
cyclus leveren 9 moleculen ATP als ze geoxideerd
worden door O2 in de oxidatieve fosforilatie.
Energieopbrengst, maar liefst meer dan 90% van de
energie die door aerobe cellen gebruikt wordt is afkomstig van de CZ cyclus met daaropvolgende
oxidatieve fosforilering (in mensen). Het is heel efficiënt omdat de oxidatie van een gelimiteerd
aantal CZ cyclus moleculen een grote hoeveelheid NADH en FADH2 kan genereren.
AK lecture, er is een introductie over de CZ cyclus te vinden op Youtube op het kanaal van AK lecture.
,17.1 Het pyruvaat dehydrogenase complex linkt glycolyse aan de CZ cyclus
Glycolyse, verwerkt koolhydraten, met name glucose, tot pyruvaat. Onder anaerobe
omstandigheden vindt dan vervolgens fermentatie plaats. Onder aerobe
omstandigheden wordt het pyruvaat naar de mitochondriën getransporteerd door een
specifiek carrier eiwit dat in het mitochondriaal membraan verwerkt is.
Pyruvaat dehydrogenase complex, als pyruvaat eenmaal in de mitochondriale matrix
beland is, word het oxidatief gedecarboxyleerd tot acetyl CoA. Dit wordt gekatalyseerd
door het pyruvaat dehydrogenase complex:
Deze irreversibele reactie is de link tussen glycolyse en de CZ cyclus. Het complex
produceert CO2 en vangt hoge-energie elektronen in de vorm van NADH. Dit complex
heeft dus bepaalde eigenschappen die ook terug te zien zijn in de CZ cyclus.
Familie pyruvaat dehydrogenase complex, het is een groot complex dat bestaat uit 3
enzymen. Het complex is onderdeel van een familie van homologe complexen waartoe
o.a. het CZ cyclus enzym α-ketoglutarate dehydrogenase complex behoort. Deze complexen zijn nog
groter dan ribosomen en hebben een moleculaire massa tussen 4 en 10 miljoen kDa. Hun uitgebreide
structuren maken het mogelijk dat een groep van de ene active site naar een andere kan ‘reizen’.
Mechanisme pyruvaat dehydrogenase complex, is erg complex. Zo zijn er maar liefst 3 enzymen en
5 co-enzymen bij betrokken. De co-enzymen thiamine pyrophosphate (TPP), lipoic acid en FAD dienen
als katalytische cofactoren, terwijl CoA en NAD+ als stoichiometric cofactoren dienen (dat wil zeggen
dat ze al substraat functioneren). De omzetting van pyruvaat tot acetyl CoA bestaat uit 3 stappen:
decarboxylatie, oxidatie en overdracht van de resulterende acetyl groep naar CoA. Tot slot is een 4e
stap nodig om het actieve enzym te regenereren:
1. Decarboxylatie, pyruvaat combineert met TPP en wordt vervolgens gedecarboxyleerd wat
hydroxyethyl-TPP oplevert:
Deze reactie is de snelheidslimiterende stap in acetyl CoA synthese en wordt gekatalyseerd
door het pyruvate dehydrogenase component (E1) van het multi-enzym complex. TPP is de
prothetische groep van het pyruvaat dehydrogenase component (E1).
2. Oxidatie, de hydroxyethyl groep die aan TPP bevestigd is, wordt geoxideerd om een acetyl
groep te vormen, terwijl die gelijktijdig overgedragen wordt aan lipoamide. Lipoamide is een
afgeleide van lipoic acid en is gelinkt aan de zijgroep van een lysine residu via een
amidebinding. Deze transfer resulteert in de vorming van een energie-rijke thioester binding.
De oxidant in deze reactie is de disulfide groep van lipoamide die gereduceerd wordt tot zijn
disulfhydryl vorm. Deze reactie wordt ook door pyruvaat dehydrogenase component E1
gekatalyseerd en levert acetyllipoamide:
3. Vorming acetyl CoA, de acetyl groep wordt overgedragen van acetyllipoamide naar CoA om
acetyl CoA te vormen. Deze reactie wordt gekatalyseerd door dihydrolipoyl transacetylase
(E2). Acetyl CoA, de brandstof van de CZ cyclus is nu vanuit pyruvaat gegenereerd. De
energierijke thioester binding blijft bewaard bij de overdracht:
, 4. Regeneratie geoxideerd lipoamide, het pyruvaat dehydrogenase complex kan niet een
nieuwe katalystische cyclus uivoeren totdat het dihydrolipoamide geoxideerd wordt tot
lipoamide. De geoxideerde vorm van lipoamide wordt geregenereerd door dihydrolipoyl
dehydrogenase (E3). Twee elektronen worden aan de FAD prothetische groep afgegeven van
het enzym en vervolgens aan NAD+
De eerste 3 stappen worden aan elkaar gekoppeld om de vrije energie te behouden die afkomstig is
van de decarboxylatie stap om de vorming van NADH en acetyl CoA aan te drijven.
CoA, dient als carrier van veel geactiveerde acyl groepen, waarvan acetyl de simpelste is.
FADH2→NAD+, de elektronentransfer van FADH2 naar NAD+ in het pyruvaat dehydrogenase complex
is heel ongewoon, aangezien het normaal de rol van FAD is om elektronen van NADH te ontvangen.
Het elektron-transfer potentiaal van FAD wordt verhoogd door zijn omgeving in het enzym, waardoor
het in staat is elektronen af te geven aan NAD+.
Flavoproteïnen, eiwitten die strak geassocieerd zijn met FAD of flaving mononucleotide (FMN)
worden flavoproteins genoemd.
Atomisch model pyruvaat dehydrogease complex, in de afbeelding is het model van het complex
weergegeven. De kern wordt gevormd door het transacetylase component E2. Transacetylase bestaat
uit 8 katalytische trimeren die samen een holle
kubus vormen. Elke trimeer bevat flexibele
lipoamide cofactor aan een lysine residu
bevestigd is. Dit domein is homoloog aan het
biotine-bindings domein van pyruvaat
carboxylase (hfst 16). Het lipoamide domein
wordt gevolgd door een klein domein dat
interacteert met E3 uit het complex. De trimeer
eindigt in een groot transacetylase domein. E1 is
een α2β2 tetrameer en E3 een αβ dimeer.
Meerdere kopieën van E1 en E3 omringen de E2
kern. In zoogdieren bevat de kern ook een ander
eiwit: E3-bindings eiwit (E3-BP). Deze faciliteert
de interactie tussen E2 en E3. Als E3-BP mist
heeft het complex flink gereduceerde activiteit.
Samenwerking active sites, de 3 aparte active
sites werken met elkaar samen en om dat
