1 H3C C S O CoA Glukosa Mastné kyseliny Aminokyseliny acetyl-CoA C CH2 COOO COO oxalacetát C CH2 COOHO COO CH2 COO citrát isocitrát CO2 CO2 NADH H + + NADH H + + 2-oxoglutarát C CH2 COOO CO SCoA sukcinyl-CoA GTP sukcinát fumarát malát FADH2 NADH H + + Citrátový cyklus Cyklus se skládá ze série enzymově katalyzovaných reakcí v matrix mitochondrií. Probíhá při něm oxidace acetyl-CoA na dvě molekuly CO2. Atomy vodíku odebrané v průběhu reakcí se váží ve formě redukovaných koenzymů NADH a FADH2 a jsou přenášeny do dýchacího řetězce, kde probíhá jejich reoxidace na vodu. Sumárně lze průběh citrátového cyklu vystihnout rovnicí: CH3CO-S-CoA + 3 H2O + GDP + Pi → 2 CO2 + 8 H + CoA-SH + GTP Reakce citrátového cyklu Sled reakcí je zahájen kondenzací acetyl-CoA (2C) s oxalacetátem (4C) za vzniku citrátu (6C). Citrát je přeměněn na isocitrát (změna polohy C-OH). Dehydrogenace (přenos dvou vodíků na NAD+) a odštěpení CO2 za vzniku 2-oxoglutarátu (5C). Další dehydrogenace (přenos dvou vodíků na NAD+) a odštěpení CO2. Vzniká sukcinát aktivovaný vazbou na HSCoA (sukcinyl-CoA, makroergní sloučenina). Štěpení vazby mezi CoA a sukcinátem. Část uvolněné energie se ukládá do molekuly GTP. 2 Postupná oxidace sukcinátu na oxalacetát. Zahrnuje dehydrogenaci na fumarát (vznik FADH2), hydrataci na malát a dehydrogenaci malátu za vzniku oxalacetátu (vznik NADH). Oxalacetát může opět vstoupit do cyklu. Každá acetylová skupina acetyl-CoA je tedy kompletně oxidována na dvě molekuly CO2. Získaných 8 atomů vodíku (tj. 4 molekuly redukovaných kofaktorů, 3 NADH a 1 FADH2) je v dýchacím řetězci reoxidováno za vzniku vody. Energie, která se přitom uvolní, může být využita k syntéze až 11 molekul ATP aerobní fosforylací. Připočteme-li molekulu GTP vznikající v průběhu cyklu, je celkový energetický výtěžek citrátového cyklu 12 ATP. Reakce citrátového cyklu jsou propojeny s řadou katabolických i anabolických procesů probíhajících v buňce a to nejen pouze prostřednictvím acetyl-CoA. Do reakcí citrátového cyklu vstupují např. i produkty odbourávání aminokyselin, pyrimidinu a dalších látek, naopak meziprodukty cyklu slouží jako prekursory pro syntetické reakce (sukcinyl-CoA pro syntézu porfyrinů, oxalacetát pro biosyntézu sacharidů apod.). 3 Dýchací řetězec a aerobní fosforylace Dýchací řetězec spřažený s aerobní fosforylací je konečnou fází přeměny vodíku z odbouraných živin na vodu. Atomy vodíku odebrané substrátům při dehydrogenačních katabolických reakcích ve formě NADH a FADH2 vstupují do dýchacího řetězce. Dýchací řetězec je systém oxidoredukčních enzymů s jejich kofaktory umístěný ve vnitřní mitochondriální membráně. Skládá se ze čtyř membránově vázaných enzymových komplexů I–IV a dvou pohyblivých přenašečů. Mezi kofaktory dýchacího řetězce patří cytochromy, ubichinon (koenzym Q), FMN, FAD a bílkoviny s nehemovým železem a sírou. Redukované kofaktory NADH a FADH2 jsou oxidovány účinkem enzymů komplexu I nebo II. Elektrony vodíkových atomů jsou potom přenášeny dalšími enzymy a kofaktory až na terminální akceptor, jímž je kyslík, který je redukován za vzniku molekuly vody. Tento postupný přenos elektronů z vodíku na kyslík umožňuje účinné využití energie, jejíž uvolnění je s reakcí 2 H + ½ O2 → H2O spojeno. V průběhu transportu elektronů dochází v enzymových komplexech I, III a IV k vypuzení protonů z matrix mitochondrie přes vnitřní mitochondriální membránu. Poněvadž membrána je pro zpětný tok protonů nepropustná, mezi matrix a vnější stranou membrány se vytváří rozdíl v hodnotě pH a elektrickém náboji (protonový gradient). To představuje akumulovanou energii (protomotivní síla), která při dosažení určité hodnoty protonového gradientu může být využita pro syntézu ATP. Syntéza ATP je katalyzována enzymem ATP-synthasou (protonovou adenosintrifosfatasou). Je to enzymový komplex tvořený velkým počtem podjednotek, který se z hlediska funkce skládá ze dvou částí. Část Fo prochází napříč vnitřní mitochondriální membránou. Slouží jako protonový kanál a umožňuje návrat protonů přečerpaných účinkem enzymů dýchacího řetězce zpět do matrix mitochondrie. Energie, která se při zpětném toku protonů uvolní, je využita k syntéze ATP. Reakce ADP + Pi → ATP probíhá v části F1, která má nH+ nH+ nH+ H+ Živiny (redukované formy uhlíku bohaté na H) Oxidoredukční reakce CO2 Redukované kofaktory NADH + H+ NAD+ FADH2 FAD Respirační řetězec 2e½ O2 H2O ADP ATP Vnitřní mitoch. membrána matrix mezimembránový prostor nH+ nH+ nH+ H+ Fo F1 4 sferický tvar a je lokalizována na povrchu mitochondriální membrány směřujícím do matrix. Poněvadž tato reakce je úzce svázána s terminální oxidací redukovaných koenzymů v dýchacím řetězci v přítomnosti kyslíku, označuje se jako oxidační fosforylace. Oxidace NADH prostřednictvím dýchacího řetězce poskytuje energii pro syntézu 3 ATP, oxidace FADH2 je spojena se vznikem pouze 2 ATP. Přestože ATP může být syntetizováno i v jiných pochodech, aerobní fosforylace je jeho hlavním zdrojem.