De citroenzuurcyclus

Kreb's cycle / TriCarboxylic Acid Cycle / TCA Cycle

welkom op de homepage van Benno Beukema

Inleiding:

De citroenzuurcyclus bestaat uit een serie chemische reacties die essentieel zijn voor de oxidatieve stofwisseling van glucose en andere eenvoudige suikers. Het doel van de citroenzuurcyclus is de vorming van NADH en FADH₂  voor de ademhalingsketen.  De afbraak van glucose tot kooldioxide en water wordt koolhydraat katabolisme genoemd en de citroenzuurcyclus is de derde stap in een proces dat uit vier stappen bestaat.

De eerste stap is de glycolyse; de tweede stap is de oxidatieve decarboxylering ( Het Pyruvate Dehydrogenase Complex zet pyrodruivenzuur om in acetyl coënzym A ) de derde stap is de citroenzuurcyclus en de vierde stap is de oxidatieve fosforylering.

De enzymen van de citroenzuurcyclus zijn gelokaliseerd in het mitochondrion evenals de enzymen van het pyruvaat dehydrogenase complex en de enzymen die de bèta oxidatie van de vetzuren uitvoeren. De citroenzuurcyclus vindt plaats in het vloeibaar gedeelte van het mitochondrion ( Matrix).

In de glycolyse wordt glucose omgezet in pyrodruivenzuur ( pyruvic acid ). In de eerste stap van de citroenzuurcyclus wordt het acetyl gedeelte ( CH₃CO ) van acetyl CoA verkregen van pyrodruivenzuur. Omdat tijdens de glycolyse per molecuul glucose twee moleculen pyrodruivenzuur vrijkomen, moet de citroenzuurcyclus twee maal worden doorlopen om een molecuul glucose af te breken.

De naam citroenzuurcyclus is afgeleid van het eerste product dat ontstaat uit de serie omzettingen in deze cyclus; namelijk citroenzuur.

Als erkenning voor het feit dat Hans Adolf Krebs de citroenzuurcyclus heeft ontdekt,
wordt deze cyclus ook wel de Krebs cyclus genoemd.

Sir Hans Adolf Krebs     ( geboren op 25 augustus 1900;    overleden op 22 november 1981 )

Omdat citroenzuur drie carboxylgroepen ( COOH ) bevat , wordt de citroenzuurcyclus ook wel de Tricarboxylic acid cycle ( TCA cycle ) genoemd.

De citroenzuurcyclus is een oxidatiecyclus  ( oxidatie is het proces waarbij elektronen worden afgestaan ) waarin brandstofmoleculen afkomstig uit vetten ( Acetyl CoA ), suikers   ( acetyl CoA ) en aminozuren
( acetyl CoA , alpha-ketoglutaarzuur , barnsteenzuur en ketobarnsteenzuur ) geoxideerd worden tot kooldioxide.
Hoewel zuurstof geen rol speelt in de citroenzuurcyclus zelf, kan de cyclus alleen verlopen ander aërobe omstandigheden. Dit komt omdat de gereduceerde coënzymen (NADH en FADH₂) vrijwel uitsluitend geoxideerd kunnen worden door elektronen overdracht (oxidatieve fosforylering) via een carriersysteem waarbij moleculaire zuurstof de uiteindelijke elektronen acceptor is.

De aërobe ademhalingsketen kan niet plaatsvinden in de erytrocyt, omdat de erytrocyt geen mitochondriën heeft. Erytrocyten  moeten voor hun energie winning  gebruik maken van de anaërobe afbraak van voedingsstoffen . De glycolyse is dan het belangrijkste proces waarbij ATP-vorming plaatsvindt.

De citroenzuurcyclus begint en eindigt met een verbinding van acetyl-coënzym A en oxaalazijnzuur die samen citroenzuur vormen. Deze zuursamenstelling bevat 6 koolstofatomen. Door een reeks van chemische reacties met enzymen tijdens de cyclus worden echter twee koolstofatomen afgesplitst. De cyclus zorgt er ook voor dat het molecule weer wordt opgebouwd , waardoor dit aan het eind van de cyclus weer is omgezet in oxaalazijnzuur. Het proces begint overnieuw wanneer het oxaalazijnzuur opnieuw een verbinding aangaat met acetyl-coënzym A. Een zo'n cyclus levert een energierijke molecule ATP ( gevormd bij het vrijkomen van vier elektronen ) en een molecule GTP op.

De in de cyclus voorkomende tussenproducten dienen als grondstof voor de biosynthese van nieuw celmateriaal.

Enzymen in de citroenzuurcyclus:

De cyclus is enzym gekatalyseerd, waarbij de volgende enzymen een rol spelen:
 

1. Citrate (Si)-synthase
   
   Enzym synoniemen: (R)-citric synthase, Condensing enzyme, Citrogenase, Oxaloacetate transacetase, Oxalacetic transacetase, Citrate condensing enzyme, Citrate oxaloacetate-lyase [(pro-3S)-CH(2)COO(-)->acetyl-CoA], Citrate oxaloacetate-lyase, CoA-acetylating, Citrate synthase, Citrate synthetase, Citric synthase, Citric-condensing enzyme.
   
   ExPASy: EC 2.3.3.1
   
   acetyl-CoA +  H₂O +  oxaloacetate <=> Citrate +  CoA

   acetyl-CoA + H₂O + oxaalazijnzuur   <=>  citroenzuur + CoA
   
   C₂₃H₃₈N₇O₁₇P₃S + H₂O +  C₄H₄O₅ <=>  C₆H₈O₇ +  C₂₁H₃₆N₇O₁₆P₃S 
   
   
   
   
    

2. Aconitase Hydratase
   
   Enzym synoniemen: Citrate hydro-lyase; Aconitase
   
   ExPASy: EC 4.2.1.3
   
   Citrate <=> cis-aconitate +  H₂O

   Citroenzuur <=> cis-aconietzuur + H₂O
   
   C₆H₈O₇ <=>  C₆H₆O₆ + H₂O  
   
   
   
   
   
    

3. Aconitase Hydratase
   
   Enzym synoniemen: Citrate hydro-lyase; Aconitase
   
   ExPASy: EC 4.2.1.3
   
   cis-aconitate + H₂O <=> isocitrate

   cis-aconietzuur + H₂O <=> isocitroenzuur
   
   C₆H₆O₆ + H₂O <=>  C₆H₈O₇ 
   
   
   
   
    

4. isocitrate dehydrogenase ( NAD⁺ )
   
   Enzym synoniemen: Isocitric dehydrogenase; Beta-ketoglutaric-isocitric carboxylase
   
   ExPASy: EC 1.1.141
   
   Isocitrate +  NAD⁺ <=>  2-oxoglutarate +  CO₂ +  NADH

   Isocitroenzuur +  NAD⁺  <=> a-ketoglutaarzuur  + NADH + CO₂  

   ( isocitroenzuur + NAD⁺ <=> oxaalbarnsteenzuur + NADH )

   ( oxaalbarnsteenzuur <=>  a-ketoglutaarzuur + CO₂ )
   
   C₆H₈O₇  +  C₂₁H₂₈N₇O₁₄P₂ <=>  C₅H₆O₅ + CO₂ + C₂₁H₂₉N₇O₁₄P₂  + H⁺
   
   
   
   
   
    

5. α-ketoglutarate dehydrogenase complex
   
   ( De oxidatieve decarboxylering van alpha-ketoglutaarzuur  tot barnsteenzuur CoA )
   
   Het a-ketoglutarate dehydrogenase complex is een multi-enzymcomplex die bestaat uit 3 proteïne subeenheden:
   
   • Oxoglutarate dehydrogenase (lipoamide) ( E1k )
   
   Enzym synoniemen: Oxoglutarate decarboxylase; Alpha-ketoglutaric dehydrogenase
   
   ExPASy: EC 1.2.4.2
   
   • dihydrolipoamide s-succinyltransferase; DLST   ( E2k )
   
   OMIM: 126063  
   
   • dihydrolipoyl dehydrogenase ( E3 )
   
   Enzym synoniemen: Lipoamide reductase (NADH); E3 component of alpha-ketoacid dehydrogenase complexes; Lipoyl dehydrogenase; Dihydrolipoyl dehydrogenase; Diaphorase.
   
   ExPASy:   EC 1.8.1.4

    

   12x alpha-ketoglutarate dehydrogenase E1 homodimer [mitochondrial matrix] 2x alpha-ketoglutarate dehydrogenase E1 holoenzyme [mitochondrial matrix] alpha-ketoglutarate dehydrogenase E1 apoenzyme Thiamin diphosphate [mitochondrial inner membrane]   24x alpha-ketoglutarate dehydrogenase E2 holoenzyme [mitochondrial inner membrane] alpha-ketoglutarate dehydrogenase E2 apoenzyme Lipoamide [mitochondrial inner membrane]   6x alpha-keto acid dehydrogenase E3 homodimer [mitochondrial matrix] 2x alpha-keto acid dehydrogenase E3 holoenzyme [mitochondrial matrix] dihydrolipoamide dehydrogenase apoenzyme (E3 component of pyruvate dehydrogenase complex, 2-oxo-glutarate complex, branched chain keto acid dehydrogenase complex) FAD [mitochondrial matrix]

   
   
   a ketoglutarate + HS CoA + NAD⁺ <=> Succinyl CoA  + NADH + H⁺  + CO₂ 

   a-ketoglutaarzuur + HS CoA + NAD⁺  <=> barnsteenzuur Coënzym A + NADH + H⁺ + CO₂
   
   C₅H₆O₅ + C₂₁H₃₆N₇O₁₆P₃S + C₂₁H₂₈N₇O₁₄P₂  <=>  C₂₅H₄₀N₇O₁₉P₃S + C₂₁H₂₉N₇O₁₄P₂ + H⁺ + CO₂
   
   1-  alpha-ketoglutarate + TPP => 3-carboxy-1-hydroxypropyl-TPP + CO2
   
   2-  3-carboxy-1-hydroxypropyl-TPP + lipoamide => S-succinyldihydrolipoamide + TPP
   
   3-  S-succinyldihydrolipoamide + CoA => succinyl-CoA + dihydrolipoamide
   
   4-  dihydrolipoamide + FAD => lipoamide + FADH2 [alpha-ketoglutarate dehydrogenase]
   
   5-  FADH2 + NAD+ => FAD + NADH + H+ [alpha-ketoglutarate dehydrogenase]
   
   
   
   
    

6. Succinate--CoA ligase (GDP-forming)
   
   Enzym synoniemen: Succinyl-CoA synthetase (GDP-forming).
   
   ExPASy:  EC 6.2.1.4
   
   GDP +  succinyl-CoA +  phosphate   <=>    GTP +  succinate +  CoA

   GDP + barnsteenzuur Coënzym A + fosfaat    <=>   GTP + barnsteenzuur + CoA

   ( GTP: guanosine triphosphate,  GDP: guanosine diphosphate )
   
   C₁₀H₁₅N₅O₁₁P₂ +  C₂₅H₄₀N₇O₁₉P₃S + H₃O₄P <=> C₁₀H₁₆N₅O₁₄P₃ + C₄H₆O₄ + C₂₁H₃₆N₇O₁₆P₃S
   
   
   
   
   
    

7. Succinate dehydrogenase
   
   Enzym synoniemen: Succinic dehydrogenase, Fumarate reductase, Fumarate dehydrogenase, Fumaric hydrogenase.
   
   ExPASy: EC 1.3.99.1
   
   Succinate +  FAD <=>  fumarate +  FADH₂

   barnsteenzuur + FAD <=> fumaarzuur + FADH₂
   
   C₄H₆O₄ +  C₂₇H₃₃N₉O₁₅P₂  <=> C₄H₄O₄ + C₂₇H₃₅N₉O₁₅P₂ 
   
   
   
    

8. Fumarase Hydratase
   
   Enzym synoniemen: Fumarase
   
   ExPASy: EC 4.2.1.2   
   
   fumarate  +  H₂O  <=>     (S)-malate

   fumaarzuur + H₂O   <=>    appelzuur
   
   C₄H₄O₄ + H₂O <=> C₄H₆O₅    
   
   
   
   
   
   
    

9. Malate Dehydrogenase
   
   Enzym synoniemen: Malic dehydrogenase
   
   ExPASy: EC 1.1.1.37
   
   (S)-malate +  NAD⁺ <=> oxaloacetate +  NADH

   appelzuur + NAD⁺ <=> oxaalazijnzuur + NADH
   
   C₄H₆O₅   + C₂₁H₂₈N₇O₁₄P₂  <=> C₄H₄O₅ + C₂₁H₂₉N₇O₁₄P₂ + H⁺  
   
   

Overall reactie:

2 pyruvate + 2 GDP + 2 H₃PO₄ + 4 H₂O + 2 FAD + 8 NAD⁺  →  6 CO₂ + 2 GTP + 2 FADH₂ + 8 NADH

Aangeboren stoornissen in de citroenzuurcyclus:
 

1. Fumarase Deficiency  ( fumarase deficiëntie )
   
   Synoniemen: fumaricaciduria ( fumaarzuur acidurie )
   
   ExPASy: EC 4.2.1.2   
   
   fumarate  +  H₂O  <=>     (S)-malate

   OMIM: 606812
   
   OMIM: Clinical Synopsis
   
   OMIM: Fumarase Hydratase
   
   
   
    

2. Dihydrolipoyl dehydrogenase deficiëntie
   
   ExPASy: Dihydrolipoamide dehydrogenase   EC 1.8.1.4
   
   Enzym synoniemen: Lipoamide reductase (NADH); E3 component of alpha-ketoacid dehydrogenase complexesLipoyl dehydrogenase; Dihydrolipoyl dehydrogenase; Diaphorase.
   
   Dihydrolipoamide +  NAD⁺  <=>  lipoamide +  NADH
   
   OMIM: 246900   ( Dihydrolipoamide dehydrogenase ; DLD )
   
   OMIM: 248600   ( Maple Syrup Urine Disease Type III )
   
   OMIM: Clinical Synopsis
   
   
   
    

3. α-ketoglutarate dehydrogenase deficiency
   
   Synoniemen: Alpha-KGD Deficiency, 2-@Ketoglutarate Dehydrogenase Deficiency,
   Oxoglutaricaciduria

   OMIM: 203740

   OMIM: Clinical Synopsis
   
   ExPASy:   EC 1.8.1.4
   
   a ketoglutarate + HS CoA + NAD⁺ <=> Succinyl CoA  + NADH + H⁺  + CO₂ 
   
   
   
    

4. Gecombineerd defect van succinate dehydrogenase en aconitase
   
   
    

Overzicht citroenzuurcyclus:

Overall energiebalans:

De overall energiebalans per glucose molecuul is :

Soms wordt een totaal van 36 ATP aangehouden, omdat bekend is dat in eukaryote cellen het gereduceerde NAD, dat gevormd is door de glycolyse in het cytoplasma, actief getransporteerd moet worden over de mitochondriële membraan om beschikbaar te komen voor de elektronentransportketen.

Het actieve transport over het membraan kost 1 ATP voor elk NADH dat getransporteerd wordt.
Wanneer men zo wil redeneren , moet men ook het actieve transport van andere moleculen in ogenschouw nemen. ( pyruvaat ? , fosfaat ? , Mg⁺  etc ). 

Het juiste netto resultaat van ATP is onbekend , maar moet worden beschouwd als minder dan 36.
 

Zuurstof in de citroenzuurcyclus:

De citroenzuurcyclus in de cel kan alleen plaatsvinden bij aanwezigheid van zuurstof. Zuurstof is nodig als een elektronenacceptor na de oxidatie van NADH en FADH. Wanneer er geen zuurstof aanwezig is kunnen deze moleculen niet oxideren. Dit houd in dat er geen energie meer wordt geproduceerd  en NAD⁺ en FAD niet worden geregenereerd. Wanneer de voorraad NAD⁺ en FAD uitgeput is zullen de reacties in de citroenzuurcyclus stoppen omdat deze moleculen essentieel zijn voor de cyclus.

Het effect van een tijdelijk tekort aan zuurstof kan worden waargenomen tijdens perioden van intensieve inspanning. Wanneer er geen zuurstof voorhanden is, kan de citroenzuurcyclus niet plaatsvinden, zodat de cellen in de spieren gebruik moeten maken van de energie die vrijkomt bij de afbraak van glucose tot pyruvaat. Wanneer een overmaat aan pyruvaat begint op te bouwen , wordt pyruvaat omgezet in melkzuur die een acidose van het bloed veroorzaakt. Dit wordt ervaren als spierkramp. Tijdens een meer aanhoudende inspanning kan het spierweefsel op een niveau opereren waarbij de citroenzuurcyclus kan blijven bestaan en waarbij het melkzuur snel genoeg kan worden afgebroken. In deze situatie zijn de longen en het bloed in staat  de cellen in de spieren van voldoende zuurstof te voorzien, zodat NADH en FADH kunnen worden geoxideerd.

 

Hoofdmenu