bélyegkép|jobbra|400px|A citrátkör áttekintése
A citromsavciklus (más néven Szent-Györgyi–Krebs-ciklus, Krebs-ciklus, trikarbonsavciklus, citrátkör) alapvető fontosságú anyagcsere-folyamat minden olyan élő sejtben, amely oxigént használ a sejtlégzés folyamatában.
Ezekben az aerob organizmusokban a citromsavciklus annak az anyagcsere-útvonalnak a része, amelyben a szénhidrátok, zsírok és fehérjék -dá és vízzé alakulnak, miközben energia termelődik.
A szénhidrátlebontás és -termelés folyamatában végbemenő négy anyagcsere-útvonalból ez a harmadik. A megelőző kettő a glikolízis és a piruvátoxidáció, a következő pedig a légzési lánc.
A citromsavciklusban előanyagok (prekurzorok) is termelődnek (például aminosavak), és néhány reakciója fontos olyan sejtekben is, melyek fermentációt végeznek.
A Szent-Györgyi–Krebs-ciklus felfedezőiről, Szent-Györgyi Albertről és Hans Adolf Krebsről kapta a nevét. Szent-Györgyit 1937-ben a citrátkör egyes reakcióinak kutatásáért (és a C-vitamin vizsgálatáért),http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1937/ Krebst pedig 1953-ban a citrátkör felfedezéséért Nobel-díjjal jutalmazták.http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1953/
Áttekintés
A folyamatban két szénatom -dá oxidálódik, az elektronok -ra és ubikinonra kerülnek, tiszta nyereségnek a tekinthető.
szubsztrát koenzim enzim reakciótípus inibitor aktivátor reakciótermék 1 oxálecetsav acetil-CoA, H2O citrát-szintáz kondenzáció citrát, , szukcinil-CoA – citrát 2a citrát – akonitáz dehidráció – – cisz-akonitát, H2O 2b cisz-akonitát H2O hidratáció izocitrát 3a izocitrát NAD+ izocitrát-dehidrogenáz oxidáció , Ca2+, oxálszukcinát, 3b oxálszukcinát H+ dekarboxiláció α-ketoglutarát, 4 α-ketoglutarát NAD+, CoA-SH α-ketoglutarát-dehidrogenáz oxidatív dekarboxiláció , szukcinil-CoA Ca2+ szukcinil-CoA, NADH, CO2 5 szukcinil-CoA , foszfát szukcinil-CoA-szintetáz foszforilálás – – szukcinát, , CoA-SH 6 szukcinát szukcinát-dehidrogenáz oxidáció – – fumarát, ubikinolBánhegyi Gábor, Sipeki Szabolcs - Biokémia, molekuláris és sejtbiológia 7 fumarát H2O fumaráz hidratáció – – L-malát 8 L-malát malát-dehidrogenáz oxidáció – – oxálecetsav,
A folyamatok egyszerűsített áttekintése thumb|400px A citromsavciklus elején az acetil-CoA átadja a két szénatomos acetilcsoportját a négy szénatomból álló oxálacetát molekulának és így citrát (citromsav) keletkezik (6 szénatomos). A citrát ezután több átalakuláson megy keresztül, először az egyik, majd a másik karboxilcsoportját is elveszti CO2 formájában. A folyamat oxidatív lépései során felszabaduló energia nagyenergiájú elektronok formájában a NAD+-hoz jut és NADH képződik belőlük. Minden citromsavciklusba került acetilcsoportból három molekula NADH képződik. Az elektronfelvételre képes FAD-ra kerülő elektronokat ubikinonnak adja, redukálva ubikinollá. A 4 szénatomos oxálecetsav-molekula minden ciklus végén újraképződik és a ciklus folytatódik.
Reakciótermékek
Egy ciklus alatt egy , három , egy ubikinol és két keletkezik.
Mivel minden glükózmolekulából két acetil-CoA keletkezik, glükózmolekulánként két ciklusra van szükség. Ebből kifolyólag mindenből a duplája képződik: kettő GTP, hat NADH, kettő ubikinol és négy CO2.
leírás reaktáns termékek A citromsavciklus reakcióinak összesített egyenlete: acetil-CoA + 3 NAD+ + ubikinon + GDP + Pi + 2 H2O → CoA-SH + 3 NADH + 3 H+ + ubikinol + GTP + 2 CO2 Ha összegezzük a piruvát dekarboxiláció és a citromsavciklus során fellépő reakciókat, a következő összesített egyenletet kapjuk (piruvát oxidáció a légzési lánc előtt): piruvát + 4 NAD+ + ubikinon + + Pi + 2 H2O → 4 NADH + 4 H+ + ubikinol + + 3 CO2 Ha ezekhez hozzátesszük még a glikolízis reakciót is, a következő összesített egyenletet kapjuk a teljes glükózoxidációról a légzési lánc előtt: glükóz + 10 NAD+ + 2 ubikinon + 2 ADP + 2 GDP + 4 Pi + 2 H2O → 10 NADH + 10 H+ + 2 ubikinol + 2 ATP + 2 GTP + 6 CO2
A fenti reakciók akkor vezetnek egyensúlyra, ha a Pi a H2PO4- iont, az ADP és a GDP rendre az ADP2- és a GDP2- iont, az ATP és a GTP rendre az ATP3- és a GTP3- ionokat jelölik).
Ha számításba vesszük, hogy a GTP később ATP-vé alakul és a maximum 28 ATP-t, ami a 10 NADH-ből és a 2 ubikinolból keletkezik az oxidatív foszforiláció során, azt kapjuk, hogy egy glükózmolekulából maximálisan 30-32 ATP-molekula képződhet.
A citromsavciklus lépései 1. reakció: citrát-szintáz
thumb|ΔG'°=-31,4 kJ/molA ciklus első reakciójában citrát képződik. Az acetil-CoA oxálacetáttal citrátot képez kondenzációs, majd hidrolitikus reakció során. Az irreverzibilis reakciót (ΔG'°=-31,4 kJ/mol) a citrát-szintáz enzim katalizálja. Az enzim először a mitokondriumban alacsony koncentrációban jelen levő oxálacetátot köti, majd egy konformációváltozás után az acetil-CoA is kötődni tud. Köztitermékként citril-CoA képződik, ebből H2O belépésével CoA szabadul fel. A magas magas csoportátviteli potenciájú tioészterkötés hidrolízise a reakciót erősen exergonikussá teszi, ami azért fontos, mert az oxálacetát koncentrációja alacsony. A szubsztrátok kötődési sorrendje azért fontos, mert így az enzim nem tudja az acetil-CoA-t hidrolizálni. A tioészterkötés hidrolízisének feltétele a citril-CoA létrejöttéhez kötődő konformációváltozás. A reakció terméke, a citrát tovább alakulhat a mitokondriumban, vagy a transzportrendszeren keresztül a citoszolba kerülhet. A citrát citoszolba történő transzportja a mitokondriumban képződő acetil-CoA citoszolba jutását szolgálja, ahol főleg zsírsavak és koleszterin szintézisére használódik fel valamint a NADPH termelését is lehetővé teszi.thumb|Minden citrát-szintáz monomerhez egy oxálacetát (magenta) és egy acetil-CoA-molekula (fehér) kötődik.
2. reakció: akonitáz
thumb|ΔG'°=+6,3 kJ/molA mitokondriumban maradó citrát reverzibilis izomerizáció során átalakulhat izocitráttá. A folyamat kétlépéses és átmeneti dehidratálással jár. A reakciót az akonitáz enzim katalizálja, amely egy FeS-központot tartalmaz. A központ a szubsztrátkötésben, a vízaddícióban és a dehidrációban is szerepet játszik. A cisz-akonitát, mely köztitermékként jön létre, az enzimhez kötődik. Egyensúlyi állapotban csak 6-7%-ban izomerizálódik a citrát, de a folyamat az aktuális koncentrációktól függ, ami folyamatosan változik a sejt energiaállapota szerint. Az izocitrát fogyásának sebessége az izocitrát-dehidrogenáz enzim aktivitásától függ.right|thumb|Az akonitáz enzim szerkezeteH. Lauble, C. D. Stout: Steric and conformational features of the aconitase mechanism. In: Proteins 22, S. 1-11 , 1995
3. reakció: izocitrát-dehidrogenáz
thumb|ΔG'°=-8,4 kJ/molAz izocitrát-dehidrogenáz enzim az első dehidrogenálást katalizálja. A reakció során α-ketoglutarát és keletkezik, egy -molekula pedig redukálódik. Az irreverzibilis reakció oxidatív dekarboxilálás. Az α-ketoglutarát a mitokondriumban különböző folyamatokban vehet részt.thumb|Az izocitrát-dehidrogenáz enzim szerkezete az Escherichia coli-banMesecar, A.D., Stoddard, B.L., Koshland Jr., D.E. Orbital steering in the catalytic power of enzymes: small structural changes with large catalytic consequences. Science v277 pp.202-206 , 1997
4. reakció: α-ketoglutarát-dehidrogenáz
thumb|ΔG'°=-30,1 kJ/molAz α-ketoglutarát-dehidrogenáz enzimkomplex működése a piruvát-dehidrogenáz enzimkomplexhez hasonló. Ez az enzim az α-ketoglutarát szukcinil-koenzim-A-vá való átalakulását katalizálja. A reakció irreverzibilis oxidatív dekarboxilezés, melynek során az alfa-ketosav oxidációjából származó energia segítségével magas csoportátviteli potenciálú tioészterkötés jön létre. A komplex három enzimből épül fel: α-ketoglutarát-dehidrogenáz, dihidrolipoil-transzszukciniláz és dihidrolipoil-reduktáz. Ugyanazok a kofaktorok szükségesek a működéshez itt, mint a piruvát-dehidrogenáz-komplex esetében. A folyamatban szukcinil-CoA és képződik, valamint egy -molekula redukálódik. A piruvát-dehidrogenázzal ellentétben ez a komplex nem tartalmaz kinázt és foszfatázt. A szukcinil-CoA a porfirinszintézis előanyaga, ezért távozhat a körfolyamatból.thumb|A katalitikus domain a dihidrolipoil- transzszukciniláz enzimen, mely az α-ketoglutarát- dehidrogenáz- enzimkomplex részeKnapp, J.E., Carroll, D., Lawson, J.E., Ernst, S.R., Reed, L.J., Hackert, M.L. Expression, purification, and structural analysis of the trimeric form of the catalytic domain of the Escherichia coli dihydrolipoamide succinyltransferase. Protein Sci. v9 pp.37-48 , 2000
5. reakció: szukcinil-CoA-szintetáz
thumb|ΔG°′ = -3,3 kJ mol-1A szukcinil-CoA-szintetáz enzim a szukcinil-CoA hidrolízisét katalizálja, melynek során CoA és szukcinát keletkezik. A magas csoportátviteli potenciálú reakcióhoz kapcsolt reakció a foszforiltranszfer. Első lépésként a reakcióban átmenetileg maga az enzim, majd foszforilálódik -vé – mely energetikailag ekvivalens az ATP-vel. A reakció szubsztrátszintű foszforiláció, melyben nagy energiájú kötés alakul ki a légzési lánctól függetlenül.thumb| A szukcinil-CoA-szintetáz enzim szerkezete a Sus scrofa-banFraser, M.E., James, M.N., Bridger, W.A., Wolodko, W.T. Phosphorylated and dephosphorylated structures of pig heart, GTP-specific succinyl-CoA synthetase. J.Mol.Biol. v299 pp.1325-1339, 2000
6. reakció: szukcinát-dehidrogenáz
thumb|A szukcinát-dehidrogenáz enzim a szukcinát fumaráttá való oxidációját katalizálja. Ebben a lépésben kapcsolódik a citromsavciklus a légzési lánchoz. Az enzim több FeS központot tartalmazó flavoprotein. A reverzibilis reakció sztereospecifikus, kizárólag fumarát képződik. Az enzim a többitől eltérően a mitokondrium belső membránjában helyezkedik el és a terminális oxidációs légzési lánc II. komplexének része. Az enzimhez kovalensen kötött redukálódik és a keletkező hidrogénjei redukálják az ubikinont.thumb|A szukcinát-dehidrogenáz enzim negyedleges szerkezete (az elektrontranszportlánc II. komplexével) Escherichia coli-banV. Yankovskaya, R. Horsefield, S. Tornroth, C. Luna-Chavez, H. Miyoshi, C. Leger, B. Byrne, G. Cecchini, S. Iwata: Architecture of succinate dehydrogenase and reactive oxygen species generation. In: Science 299, S. 700-704, 2003
7. reakció: fumaráz
thumb|ΔG'°=-3,8 kJ/molA fumaráz enzim által katalizált reakcióban egy proton (H+) és egy OH- csoport kapcsolódik a fumaráthoz transz helyzetben, melyek egy vízmolekulából származnak. Az addíció sztereospecifikus, kizárólag a malát L-izomerje képződik, ellenkező irányban is csak fumarát képződhet. (A maleát, a fumarát cisz-izomerje és a D-malát nem szubsztrátja az enzimnek.)thumb| A fumaráz szerkezete a Saccharomyces cerevisiae-benWeaver, T., Lees, M., Zaitsev, V., Zaitseva, I., Duke, E., Lindley, P., McSweeny, S., Svensson, A., Keruchenko, J., Keruchenko, I., Gladilin, K., Banaszak, L. Crystal structures of native and recombinant yeast fumarase. J.Mol.Biol. v280 pp.431-442, 1998
8. reakció: malát-dehidrogenáz
thumb|ΔG'°=+29,7 kJ/molA ciklus utolsó enzime, a malát-dehidrogenáz a malát oxálacetáttá való átalakulását katalizálja. Az enzim a koenzimmel működik. A reakció ΔG'°=+29,7 kJ/mol ellenére reverzibilis. Az egyensúlyi koncentrációviszonyok szerint a reakció a malátképződés irányába lenne eltolva. Az aktuális oxálacetát-koncentráció azonban igen alacsony (10−6 M), illetve a reakció NADH/NAD+ arány szerint tolódhat az oxálacetát irányába.thumb| A malát-dehidrogenáz enzim szerkezete a Thermus flavus-banTomita, T., Fushinobu, S., Kuzuyama, T., Nishiyama, M.: Structural basis for alteration of cofactor specificity of malate dehydrogenase from Thermus flavus
Szabályzás Bár a piruvát-dehidrogenáz gyakorlatilag nem része a citromsavciklusnak, mégis fontos szerepet játszik benne.