BIOΛ154 ΙΟΧΗΜΙΑ Ι - Τμήμα Βιολογίας · 2019-05-10 · 17.5 o κύκλος του γλυοξυλικού επιτρέπει στα φυτά και στα βακτήρια

BIOΛ154 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ Ι

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ (Lubert Stryer)

ΠΕΡΙΓΡΑΜΜΑ 17.1 Η πυροσταφυλική αφυδρογονάση συνδέει τη γλυκόλυση με τον κύκλο του κιτρικού οξέος 17.2 O κύκλος του κιτρικού οξέος οξειδώνει μονάδες δύο ατόμων Άνθρακα 17.3 H είσοδος στον κύκλο του κιτρικού οξέος και ο μεταβολισμός μέσω αυτού υπόκεινται σε έλεγχο 17.4 O κύκλος του κιτρικού οξέος είναι μια πηγή πρόδρομων μορίων βιοσύνθεσης 17.5 O κύκλος του γλυοξυλικού επιτρέπει στα φυτά και στα βακτήρια να αναπτύσσονται παρουσία οξικού

ακετυλο-συνένζυμο Α.

Ο κύκλος του κιτρικού οξέος είναι η τελική κοινή πορεία για την οξείδωση των καύσιμων οργανικών μορίων – υδατανθράκων, λιπαρών οξέων και αμινοξέων. Τα περισσότερα καύσιμα μόρια εισέρχονται στον κύκλο ως ακετυλο-συνένζυμο Α.

μιτοχόνδρια

Κάτω από αερόβιες συνθήκες, το πυροσταφυλικό που προέκυψε από τη γλυκόζη αποκαρβοξυλιώνεται οξειδωτικά για να σχηματίσει ακετυλο-CoA. Στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, οι αντιδράσεις του κύκλου του κιτρικού οξέος λαμβάνουν χώρα μέσα στα μιτοχόνδρια, σε αντίθεση με εκείνες της γλυκόλυσης οι οποίες λαμβάνουν χώρα στο κυτταρόπλασμα.

Συνοπτικa

Συνοπτική παρουσίαση του κύκλου του κιτρικού οξέος. Ο κύκλος του κιτρικού οξέος οξειδώνει μονάδες δύο ατόμων άνθρακα, παράγοντας δύο μόρια CO2, ένα μόριο ATP και ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας στη μορφή του NADH και του FADH2.

κυτταρική αναπνοή

Ο κύκλος του κιτρικού οξέος αποτελεί το πρώτο στάδιο στην κυτταρική αναπνοή, την αφαίρεση ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας από τις πηγές καύσιμων οργανικών μορίων με τη μορφή NADH και FADH2. Tα ηλεκτρόνια ανάγουν το Ο2 για να δημιουργηθεί μια βαθμίδωση συγκέντρωσης πρωτονίων που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ΑΤΡ (οξειδωτική φωσφορυλίωση).

πυροσταφυλική αφυδρογονάση

17.1 Η πυροσταφυλική αφυδρογονάση συνδέει τη γλυκόλυση με τον κύκλο του κιτρικού οξέος

Σε αερόβιες συνθήκες, το πυροσταφυλικό μεταφέρεται μέσα

στα μιτοχόνδρια από ειδική πρωτεΐνη-φορέα της

μιτοχονδριακής μεμβράνης.

Πυροσταφυλικό + CoA + NAD+ ακετυλο-CoA + CO2 +

NADH + Η+

Στη μιτοχονδριακή μήτρα, το πυροσταφυλικό απο-

καρβοξυλιώνεται οξειδωτικά από το σύμπλεγμα της

πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης για να σχηματίσει

ακετυλο-CoA.

Δομη

Το σύμπλεγμα πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης είναι γιγάντιο, αποτελείται απο τρία ένζυμα και πέντε συνένζυμα Η περίπλοκη δομή της επιτρέπει σε διάφορες χημικές ομάδες, που συνδέονται στον πυρήνα της δομής με εύκαμπτους βραχίονες, να μετακινούνται από το ένα ενεργό κέντρο στο άλλο.

αντιδράσεις

συνολικα

Aκετυλο-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi + 2 H2O

2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + ATP + 2 H+ + CoA

ελεγχος

17.3 Η είσοδος στον κύκλο του κιτρικού οξέος και ο μεταβολισμός μέσω αυτού υπόκεινται σε έλεγχο

Αλλοστερικος ελεγχος

O σχηματισμός του ακετυλο-CoA από το πυροσταφυλικό είναι ένα μη αντιστρεπτό βήμα. Η οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού σε ακετυλο-CoA δεσμεύει τα άτομα άνθρακα της γλυκόζης για δύο κύριους προορισμούς: Είτε για οξείδωση σε CO2 στον κύκλο του κιτρικού οξέος, με ταυτόχρονη παραγωγή ενέργειας, είτε για ενσωμάτωση σε λίπη (βιοσύνθεση).

ATP

Το σύμπλεγμα αναστέλλεται αλλοστερικά από τα άμεσα προϊόντα του, NADH και ακετυλο-CoA, καθώς και από την ΑΤΡ, το τελικό προϊόν της κυτταρικής αναπνοής και ενεργοποιείται από πυροσταφυλικό και ADP.

ADP

Tο σύμπλεγμα της πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης ελέγχεται αλλοστερικά και από αντιστρεπτή φωσφορυλίωση για να αποκρίνεται στο ενεργειακό φορτίο του κυττάρου.

Φωσφορυλιωση

Ρύθμιση του συμπλέγματος της πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης από αντιστρεπτή φωσφορυλίωση. Η κινάση της πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης (PDK) φωσφορυλιώνει και απενεργοποιεί την PDH, ενώ η φωσφατάση της πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης (PDP), ενεργοποιεί την PDH με το να αφαιρεί τη φωσφορική ομάδα.

κινάση της PDH

Υψηλές συγκεντρώσεις NADH, ακετυλο-CoA και ATP ενεργοποιούν την κινάση της PDH και προάγουν τη φωσφορυλίωση και απε-νεργοποίηση της PDH. Δηλ. τα άμεσα (ακετυλο-CoA και NADH) και το τελικό (ΑΤΡ) προϊόν αναστέλλουν τη δραστικότητα της PDH (υψηλό ενεργειακό φορτίο).

Σε χαμηλές συγκεντρώσεις NADH, ακετυλο-CoA και ATP, όπου η ενεργότητα της κινάσης είναι χαμηλή, η φωσφατάση της PDH αποφωσφορυλιώνει και απενργοποιεί την PDH (χαμηλό ενεργειακό φορτίο).

-επινεφρίνη ινσουλινη

Σε μερικούς ιστούς, η φωσφατάση ρυθμίζεται από ορμόνες. Στο ήπαρ, η επινεφρίνη προσδένεται στους α-αδρενεργικούς υποδοχείς (σηματοδοτική πορεία φωσφατιδυλοϊνοσιτόλης), προκαλώντας αύξηση στη συγκέντρωση Ca2+ και ενργοποίηση της φωσφατάση της PDH .

Σε ιστούς που συνθέτουν λιπαρά οξέα πχ λιπώδης ιστός, η ινσουλίνη διεγείρει τη φωσφατάση, αυξάνοντας τη μετατροπή του πυροσταφυλικού σε ακετυλο-CoA (πρόδρομη ένωση για τη σύνθεση των λιπαρών οξέων).

ισοκιτρική αφυδρογ. Κετογλουταρική αφυδρογ.

H ταχύτητα του κύκλου του κιτρικού οξέος ρυθμίζεται επακριβώς ώστε να ανταποκρίνεται στις ανάγκες των ζωικών κυττάρων για ATP. Τα πρωταρχικά σημεία ελέγχου είναι τα αλλοστερικά ένζυμα ισοκιτρική αφυδρογονάση και α-κετογλουταρική αφυδρογονάση, τα πρώτα δύο ένζυμα του κύκλου που παράγουν ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας.

καρκινος

Ενζυμικά ελαττώματα στον κύκλο του κιτρικού οξέος συμβάλλουν στην ανάπτυξη του καρκίνου

Ο καρκίνος είναι επίσης μια μεταβολική ασθένεια – όχι μόνο μια ασθένεια μεταλλαγμένων αυξητικών παραγόντων και πρωτεϊνών ελέγχου του κυτταρικού κύκλου.

Τέσσερα κρίσιμα ένζυμα συμβάλλουν στην ανάπτυξη του καρκίνου: Η ηλεκτρική αφδρογονάση, η φουμαράση, η κινάση της PDH και η ισοκιτρική αφυδρογονάση. Μεταλλάξεις αυξάνουν την αερόβια γλυκόλυση, όπου τα καρκινικά κύτταρα μεταβολίζουν κατά προτίμηση γλυκόζη ακόμη και παρουσία οξυγόνου. Επίσης, ελαττώματα σε αυτά τα ένζυμα έχουν έναν κοινό βιοχημικό κρίκο: τον παράγοντα που επάγεται από την υποξία (hypoxia inducible factor 1, HIF-1), έναν μεταγραφικό παράγοντα.

Ενδιαμεσοι μεταβολιτες

17.4 Ως μείζον κομβικό μεταβολικό σημείο του κυττάρου, ο κύκλος του κιτρικού οξέος επίσης προμηθεύει ενδιάμεσες ενώσεις για τις βιοσυνθέσεις. Πχ Πολλά από τα αμινοξέα παράγονται από το α-κετογλουταρικό και το οξαλοξικό.

Υδραργυρος και αρσενικο

Η διακοπή του μεταβολισμού του πυροσταφυλικού είναι η αιτία της δηλητηρίασης από υδράργυρο και αρσενικώδες (AsO3

3–).

Και τα δύο στοιχεία έχουν μεγάλη συγγένεια για γειτονικά σουλφυδρύλια. Η πρόσδεσή τους αναστέλλει το σύμπλοκο και οδηγεί σε παθολογικές καταστάσεις του κεντρικού νευρικού συστήματος. «Τρελός σαν πιλοποιός» : παράξενη συμπεριφορά των δηλητηριασμένων πιλοποιών που χρησιμοποιούσαν νιτρικό υδράργυρο για να μαλακώνουν τις γούνες των ζώων. Παρόμοια προβλήματα βασάνιζαν τους πρώτους φωτογράφους. Εγκληματικές ενέργειες στο Μεσαίωνα : «Aqua Tofana». Η θεραπεία για τις δηλητηριάσεις αυτές έγκειται στη χορήγηση σουλφυδρυλικών αντιδραστηρίων με παρακείμενες σουλφυδρυλικές ομάδες για να συναγωνίζονται τα διυδρολιποϋλο-κατάλοιπα στην πρόσδεση με ιόντα μετάλλων.