چرخه اسید سیتریک از دیدگاه بیوشیمی

معرفی

چرخه اسید سیتریک به عنوان مرکز میتوکندری برای مراحل نهایی کاتابولیسم اکسیداتیو اسکلت کربن برای کربوهیدرات ها، اسیدهای آمینه و اسیدهای چرب عمل می کند. هر مرحله اکسیداتیو به نوبه خود کوآنزیمی مانند نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید (NADH) یا فلاوین آدنین دی نوکلئوتید (FADH2) را کاهش می دهد. این کوآنزیم‌های کاهش‌یافته مستقیماً به زنجیره انتقال الکترون و در نتیجه به اکثریت تولید ATP در بدن انسان کمک می‌کنند.

مبانی

استیل کوآ، ورودی کربن قابل توجهی به چرخه اسید سیتریک، می تواند از گلوکز یا اسیدهای چرب مشتق شود. با این حال، بخش قابل توجهی از استیل کوآ از گلوکز یا به طور خاص تر، پیروات می آید. کمپلکس پیروات دهیدروژناز (PDC) تبدیل آنزیمی پیرووات به استیل کوآ را تسهیل می کند. این مجموعه دارای سه زیرواحد پروتئینی است که در مجموع به پنج کوفاکتور نیاز دارد و هر کدام دارای فعالیت آنزیمی منحصر به فرد خود هستند.نیاز به کوفاکتورها و نقش‌های جداگانه هر زیر واحد به مجموعه اجازه می‌دهد تا به شدت تنظیم شود – در واقع، کمپلکس پیروات دهیدروژناز یک تنظیم‌کننده ضروری متابولیسم گلوکز است.

سلولی

سه مکانیسم جداگانه مجموعه پیروات دهیدروژناز را تنظیم می کنند: اصلاح کووالانسی (شکل اولیه تنظیم)، تنظیم آلوستریک و تنظیم رونویسی. اصلاح کووالانسی به صورت فسفوریلاسیون در اولین زیرواحد PDC، پیروات دکربوکسیلاز رخ می دهد. فسفوریلاسیون توسط PDC کیناز منجر به کاهش فعالیت PDC می شود و بیش از حد ADP یا پیروات (که نشان دهنده نیاز به استیل-CoA بیشتر در چرخه اسید سیتریک است) باعث کاهش PDC می شود. توجه داشته باشید که ایزوفرم های PDC کیناز مختص بافت هستند.

دفسفوریلاسیون توسط فسفاتاز بنابراین PDC را فعال می کند. وجود یون های کلسیم فعالیت فسفاتاز را تنظیم می کند. تنظیم آلوستریک PDC شامل مکانیسم مستقیم مهار محصول یا فعال شدن سوبسترا است. برای مثال، اگر E2 مقدار اضافی استیل کوآ یا E3 مقدار اضافی NADH آزاد کند، این محصولات مستقیماً PDC را مهار می کنند. از سوی دیگر، بیش از حد CoASH (پیش ساز استیل-CoA) یا NAD+، این بسترها به عنوان فعال کننده مستقیم PDC عمل می کنند. در نهایت، تنظیم رونویسی به مقدار آنزیم تولید شده در شرایط ناشتا و تغذیه بستگی دارد. تولید آنزیم در حالت ناشتا کاهش می یابد و در پاسخ به انسولین در حالت تغذیه افزایش می یابد.[1]

پس از اینکه PDC استیل-CoA را سنتز کرد، وارد فرآیند متابولیک به نام چرخه اسید سیتریک (یا چرخه اسید تری کربوکسیلیک) می شود. این چرخه دارای هشت مرحله است که هفت مرحله آن در ماتریکس میتوکندری است و سوکسینات دهیدروژناز خارج از آن با زنجیره انتقال الکترون در غشای داخلی میتوکندری مرتبط است. همانطور که در بالا گفته شد، این چرخه منجر به مراحل اکسیداتیو نهایی گروه های استیل و در نتیجه آزاد شدن دو مولکول گاز دی اکسید کربن می شود. چرخه اسید سیتریک با هر مرحله اکسیداتیو کوآنزیم های کاهش می یابد. این کوآنزیم ها عبارتند از NADH، GTP و FADH2. جزئیات این واکنش های ردوکس در بخش فرعی مولکولی است، زیرا برای درک بهتر، بحث این واکنش ها باید در سطح مولکولی انجام شود.

مولکولی

واکنش های کمپلکس پیروات دهیدروژناز:

پیرووات دکربوکسیلاز که از 20 یا 30 زنجیره پروتئینی تشکیل شده است، اولین کمپلکس آنزیمی (E1) در PDC است. نقش آن آزاد کردن یک مولکول دی اکسید کربن از پیروات است و متعاقباً کربن های باقیمانده را به تیامین پیروفسفات که اولین کوفاکتور ما است متصل می کند. آنزیم دوم (و گسترده تر، با 60 زنجیره پروتئینی) (E2) دی هیدرولیپویل ترانس استیلاز است. این آنزیم انتقال دو کربن (از کربن هایی که زمانی بخشی از پیرووات بودند) را تسهیل می کند. اولین انتقال شامل انتقال این کربن ها از تیامین پیروفسفات به اسید لیپوئیک است که کوفاکتور دوم درون زا است. دومین انتقال کربن، همین کربن ها را به کوآنزیم A که سومین کوفاکتور است، می برد.

بنابراین، آنزیم نهایی، دی هیدرولیپویل دهیدروژناز (E3) در انتقال کربن شرکت نمی کند. در عوض، لیپوئیک اسید را به شکل دی سولفیدی خود برمی گرداند تا بتواند در انتقال کربن بعدی E2 بپیوندد. E3 این کار را با باقی ماندن به یک فلاوین آدنین دی نوکلئوتید که اسید لیپوئیک مذکور را اکسید می کند، انجام می دهد. فلاوین آدنین دی نوکلئوتید چهارمین کوفاکتور است. مرحله نهایی مسیر PDC نیازمند انتقال پروتون‌ها و الکترون‌ها از FADH2 به NAD+ است و NADH و H+ را از مجموعه آزاد می‌کند. این واکنش نهایی FAD را تولید می کند که سپس می تواند در اکسیداسیون اسید لیپوئیک شرکت کند.

مراحل چرخه اسید سیتریک:

سنتز سیترات

سیترات سنتاز واکنش تراکم استیل کوآ و اگزالواستات (محصول نهایی چرخه) را کاتالیز می کند و سیترات را تشکیل می دهد و چرخه اسید سیتریک را آغاز می کند. توجه داشته باشید که این واکنش با دلتا-جی-پرایم 7/7- کیلوکالری بر مولار عملاً برگشت ناپذیر است (در نتیجه به شدت به تشکیل سیترات کمک می کند). در دسترس بودن سوبسترا و محصول سیترات سنتاز را تنظیم می کند در حالی که سیترات اتصال آنزیم اگزالواستات به آنزیم را مهار می کند و میل ترکیبی آن را برای استیل کوآ افزایش می دهد. باید توجه داشت که سیترات به عنوان یک بستر بازدارنده برای فسفوفروکتوکیناز-1 در گلیکولیز و یک بستر فعال کننده برای استیل کوآ کربوکسیلاز در سنتز اسیدهای چرب عمل می کند. این نکته ارتباط متقابل چرخه های متابولیک ما را برجسته می کند – به طور خلاصه، هیچ مسیری در خلاء رخ نمی دهد

ایزومریزاسیون سیترات

آکونیتاز، آنزیمی با مرکز آهن-گوگرد، مهاجرت گروه هیدروکسیل را تسهیل می کند که ایزوسیترات را از سیترات می سازد.

دکربوکسیلاسیون اکسیداتیو ایزوسیترات

این اولین مرحله از چرخه اسید سیتریک است که کوآنزیم کاهش یافته تولید می کند. در اینجا ایزوسیترات دهیدروژناز ایزوسیترات را اکسید می کند و یک مولکول دی اکسید کربن آزاد می کند و NAD+ را به NADH و یک پروتون کاهش می دهد. ماهیت واکنش (آزاد شدن گاز) آن را غیر قابل برگشت می کند. ایزوسیترات دهیدروژناز به صورت آلوستریک تنظیم می شود: ADP و یون های کلسیم آن را فعال می کنند در حالی که ATP و NADH فعالیت آن را مهار می کنند.

دکربوکسیلاسیون اکسیداتیو آلفا کتوگلوتارات توسط کمپلکس آلفا کتوگلوتارات دهیدروژناز

کمپلکس آلفا کتوگلوتارات دهیدروژناز به طور مشابه با PDC عمل می کند. E1 این کمپلکس آلفا کتوگلوتارات را دکربوکسیله می کند و چهار کربن باقیمانده را به تیامین پیروفسفات که اولین کوفاکتور آن است منتقل می کند. سپس E2 با کمک FAD گروه سوکسینیل را به CoASH منتقل می کند. در نهایت، E3 FAD را به همراه NADH از NAD+ سنتز می‌کند تا کمپلکس دهیدروژناز، بسترها و کوفاکتورهای لازم برای ادامه واکنش‌ها را حفظ کند. کوفاکتورهای مورد نیاز در این مجموعه عبارتند از تیامین پیروفسفات، لیپوئیک اسید، کوآنزیم A، FAD و NAD+.[5]

جداسازی سوکسینیل کوآنزیم A

سوکسینات تیوکیناز برش پیوند تیواستر سوکسینیل کوآ را کاتالیز می کند. تقسیم این پیوند پرانرژی با فسفوریلاسیون گوانوزین دی فسفات (GDP) همراه است و بنابراین علاوه بر سوکسینات، GTP نیز تولید می کند. این واکنش جفت شده نمونه ای از فسفوریلاسیون در سطح بستر است، همانطور که در گلیکولیز دیده می شود.

اکسیداسیون سوکسینات

سوکسینات دهیدروژناز سوکسینات را به فومارات اکسید می کند و یک FADH2 کاهش یافته (از FAD) تولید می کند. توجه داشته باشید که سوکسینات دهیدروژناز یک مرحله در این مسیر است که با غشای داخلی میتوکندری مرتبط است و بنابراین مستقیماً بخشی از زنجیره انتقال الکترون است، جایی که کمپلکس II است.

هیدراتاسیون فومارات

فوماراز کاتالیزور هیدراتاسیون فومارات به مالات است.[8] این واکنش برگشت پذیر است. در تلاش دیگری برای برجسته کردن پیوستگی مسیرهای متابولیک، توجه داشته باشید که چرخه اوره فومارات نیز تولید می کند.

اکسیداسیون مالات

مالات دهیدروژناز اکسیداسیون مالات را به اگزالواستات کاتالیز می کند و NAD+ را به NADH کاهش می دهد و NADH نهایی را تولید می کند. دلتا-G-پرایم مثبت است، که در غیر این صورت نشان دهنده واکنش طرفدار مالات است. با این حال، واکنش سیترات سنتاز که سوبسترای آن اگزالواستات است، واکنش را به جلو می راند. منبع

اسید سیتریک خشک