Respirația celulară (partea a III-a): oxidarea piruvatului și ciclul acidului citric

Dacă oxigenul este disponibil, respirația aerobă va merge înainte. În celulele eucariote, moleculele de piruvat produse la sfârșitul glicolizei sunt transportate în mitocondrii. Acolo, piruvatul va fi transformat într-o grupare acetil care va fi preluată și activată de un compus transportor denumit coenzima A (CoA). Compusul rezultat se numește acetil-CoA. CoA este sintetizată din vitamina B5 (acid pantotenic). Acetil-CoA poate fi utilizată într-o varietate de moduri de către celulă, dar funcția sa principală este de a furniza gruparea acetil derivată din piruvat la următoarea etapă din catabolismul glucozei.

Oxidarea piruvatului

Pentru ca piruvatul, produsul glicolizei, să intre în următoarea cale metabolică, acesta trebuie să sufere mai multe modificări. Conversia sa este un proces în trei etape.

Etapa 1. O grupare carboxil este îndepărtată din piruvat, eliberând o moleculă de dioxid de carbon în mediul înconjurător. Rezultatul acestei etape este o grupare hidroxietil cu doi atomi de carbon legată de o enzimă (piruvat dehidrogenaza). Acesta este primul dintre cei șase atomi de carbon din molecula originală de glucoză, care trebuie îndepărtat. Această etapă se desfășoară de două ori (rețineți: există două molecule de piruvat produse la sfârșitul glicolizei) pentru fiecare moleculă de glucoză metabolizată; astfel, doi dintre cei șase atomi de carbon vor fi îndepărtați la sfârșitul ambelor etape.

Etapa 2. Gruparea hidroxietil este oxidată la o grupare acetil, iar electronii sunt preluați de NAD⁺, formând NADH. Electronii de înaltă energie din NADH vor fi utilizați mai târziu pentru a genera ATP.

Etapa 3. Gruparea acetil legată de enzimă este transferată la CoA, rezultând o moleculă de acetil-CoA.

Este de notat faptul că în timpul celei de-a doua etape a metabolismului glucozei, ori de câte ori un atom de carbon este îndepărtat, acesta este legat de doi atomi de oxigen, producând dioxid de carbon, unul dintre produsele finale principale ale respirației celulare.

De la acetil-CoA la CO₂

În prezența oxigenului, acetil-CoA își livrează gruparea acetil la o moleculă cu patru atomi de carbon – oxaloacetatul – pentru a forma acidul citric, o moleculă cu șase atomi de carbon cu trei grupări carboxil; această reacție va recolta restul de energie din ceea ce a început ca o moleculă de glucoză.

Această cale metabolică unică este numită sub diferite denumiri: ciclul acidului citric (după primul intermediar format – acidul citric sau citratul -, când acetatul se unește cu oxalacetatul), ciclul acizilor tricarboxilici (deoarece acidul citric (citratul) și izocitratul sunt acizi tricarboxilici) sau ciclul Krebs (după Hans Krebs, care a identificat pentru prima dată etapele aceste căi metabolice).

Ciclul acidului citric

La fel ca în cazul conversiei piruvatului în acetil-CoA, ciclul acidului citric are loc în matricea mitocondriilor. Aproape toate enzimele ciclului acidului citric sunt solubile, cu excepția enzimei succinat-dehidrogenază, care este încorporată în membrana interioară a mitocondriei.

Spre deosebire de glicoliză, ciclul acidului citric este o buclă închisă: ultima parte a căii regenerează compusul utilizat în prima etapă. Cele opt etape ale ciclului sunt o serie de reacții redox, de deshidratare, de hidratare și de decarboxilare care produc două molecule de dioxid de carbon, una de GTP/ATP și forme reduse ale NADH și FADH₂ (Figura 6).

Ciclul acidului citric este considerată o cale aerobă, deoarece NADH și FADH₂ produse trebuie să își transfere electronii către următoarea cale din sistem, care va folosi oxigen. Dacă acest transfer nu are loc, nici etapele de oxidare ale ciclului acidului citric nu au loc. Este de reținut că ciclul acidului citric produce foarte puțin ATP direct și nu consumă direct oxigen.

Figura 6 – În ciclul acidului citric, gruparea acetil din acetil CoA este atașată la o moleculă de oxalocetat cu patru atomi de carbon pentru a forma o moleculă de citrat cu șase atomi de carbon. Printr-o serie de etape, citratul este oxidat, eliberând două molecule de dioxid de carbon pentru fiecare grupă acetil introdusă în ciclu. În acest proces, trei molecule NAD⁺ sunt reduse la NADH, o moleculă FAD este redusă la FADH₂ și se produce un ATP sau GTP (în funcție de tipul de celulă) (prin fosforilare la nivel de substrat). Deoarece produsul final al ciclului acidului citric este, de asemenea, primul reactant, ciclul rulează încontinuu în prezența unor cantități suficiente de reactanți. | Ilustrație: WIKIMEDIA COMMONS

Etapele ciclului acidului citric

Etapa 1. Înainte de începerea primei etape, are loc o fază de tranziție în timpul căreia acidul piruvic este transformat în acetil-CoA. Apoi începe prima etapă a ciclului – aceasta este o etapă de condensare, combinând gruparea acetil (cu doi atomi de carbon) cu o moleculă de oxaloacetat( cu patru atomi de carbon) pentru a forma o moleculă de citrat cu șase atomi de carbon. CoA este legată de o grupare sulfhidril (-SH) și difuzează pentru a se combina în cele din urmă cu o altă grupare acetil. Această etapă este ireversibilă, deoarece este extrem de exotermă. Viteza acestei reacții este controlată prin feedback negativ și de cantitatea de ATP disponibilă. Dacă nivelul de ATP crește, viteza acestei reacții scade. Dacă ATP-ul este insuficient, rata crește.

Etapa 2. În etapa a doua, citratul pierde o moleculă de apă și câștigă alta pe măsură ce citratul este transformat în izomerul său, izocitratul.

Etapa 3. În etapa a treia, izocitratul este oxidat, producând o moleculă cu cinci atomi de carbon, α-cetoglutarat, împreună cu o moleculă de CO₂ și doi electroni, care reduc NAD⁺ la NADH. Această etapă este, de asemenea, reglată prin feedback negativ (dat de ATP și NADH) sau pozitiv (dat de ADP).

Etapele 3 și 4. Etapele trei și patru sunt ambele etape de oxidare și de decarboxilare, care eliberează electroni ce reduc NAD⁺ la NADH și eliberează grupări carboxil care formează molecule de CO₂. α-cetoglutaratul este produsul din etapa a treia, iar o grupare succinil este produsul din etapa a patra. CoA leagă gruparea succinil pentru a forma succinil-CoA. Enzima care catalizează etapa a patra este reglată prin inhibiție prin feedback de către ATP, succinil-CoA și NADH.

Etapa 5. În etapa a cincea, o grupare carboxil este înlocuită cu coenzima A și se formează o legătură de înaltă energie. Această energie este utilizată în fosforilarea la nivel de substrat (în timpul conversiei grupării succinil în succinat) pentru a forma fie guanozin trifosfat (GTP), fie adenozin trifosfat ATP. Există două forme de enzimă, numite izoenzime, pentru această etapă, în funcție de tipul de țesut animal în care se găsesc. O formă se găsește în țesuturile care folosesc cantități mari de ATP, cum ar fi inima și mușchiul scheletic. Această formă produce ATP. A doua formă a enzimei se găsește în țesuturile care au un număr mare de căi anabolice, cum ar fi țesuturile hepatice. Această formă produce GTP. GTP-ul este echivalentul energetic al ATP-ului; cu toate acestea, utilizarea sa este mai restrânsă. Sinteza proteinelor folosește în principal GTP.

Etapa 6. Etapa a șasea este un proces de dehidrogenare care transformă succinatul în fumarat. Doi atomi de hidrogen sunt transferați în FAD, producând FADH₂. Energia conținută în electronii acestor atomi este insuficientă pentru a reduce NAD⁺, dar suficientă pentru a reduce FAD. Spre deosebire de NADH, acest transportor rămâne atașat de enzimă și transferă electronii direct în lanțul de transport de electroni. Acest proces este posibil prin localizarea enzimei care catalizează această etapă în interiorul membranei interioare a mitocondriei.

Etapa 7. }n aceast[ etapă, la molecula de fumarat este adăugată o moleculă de apă, și se producerea de malat.

Etapa 8.Ultima etapă din ciclul acidului citric regenerează oxalacetatul prin oxidarea malatului. În acest proces este produsă o altă moleculă de NADH.

Produșii ciclului acidului citric

În cilul acidului citric intră doi atomi de carbon din fiecare grupă acetil, reprezentând patru din cei șase atomi de carbon ai unei molecule de glucoză. Două molecule de dioxid de carbon sunt eliberate la fiecare ciclu complet; cu toate acestea, aceste molecule nu conțin neapărat cei mai recent adăugați atomi de carbon. Cei doi atomi de carbon din acetil vor fi eliberați în cele din urmă în rândurile ulterioare ale ciclului; astfel, toți cei șase atomi de carbon din molecula originală de glucoză sunt în cele din urmă încorporați în dioxid de carbon.

Fiecare tură a ciclului formează trei molecule NADH și o moleculă FADH₂. Acești transportori se vor conecta cu ultima porțiune a respirației aerobe pentru a produce molecule de ATP. În fiecare ciclu se produce și o moleculă de GTP sau ATP. Câțiva dintre compușii intermediari din ciclul acidului citric pot fi utilizați în sinteza aminoacizilor neesențiali; prin urmare, ciclul este amfibolic (atât catabolic, cât și anabolic).