Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Энергияны бөліп шығаратын өзара байланысты биохимиялық реакциялар
Interconnected biochemical reactions releasing energy
Цитрин қышқылы циклі (Кребс циклі, Szent–Györgyi–Кребс циклі немесе ТСА циклі (трикарбоксил қышқылы циклі) деп те аталады) – көмірсулар, майлар және ақуыздан алынған ацетил-КоА-ның тотығуы арқылы тағамдық заттарда сақталған энергияны бөліп шығаратын биохимиялық реакциялар тізбегі. Бөлінетін химиялық энергия АТФ түрінде қолжетімді. Кребс циклі тыныс алатын (ферментация жасайтын организмдерден өзгеше) организмдер энергия өндіру үшін, анаэробты тыныс алу немесе аэробты тыныс алу арқылы пайдаланады. Бұдан өзге, цикл кейбір аминқышқылдарының алғашқы заттарын, сондай-ақ көптеген басқа реакцияларда қолданылатын NADH тотықтырғыш агентін қамтамасыз етеді. Оның көптеген биохимиялық жолдарға маңыздылығы метаболизмнің ең алғашқы құрамдас бөліктерінің бірі болғанын көрсетеді. «Цикл» деп аталғанымен, метаболиттер міндетті түрде тек бір белгілі жолмен өтуі қажет емес; цитрин қышқылы циклінің кем дегенде үш баламалы сегменті анықталған. Бұл метаболикалық жолдың атауы цитрин қышқылынан (трикарбоксил қышқылы, көбінесе цитрат деп аталады, себебі биологиялық pH деңгейінде иондалған түрі басым) шыққан.
The citric acid cycle—also known as the Krebs cycle, Szent–Györgyi–Krebs cycle or the TCA cycle (tricarboxylic acid cycle)—is a series of biochemical reactions to release the energy stored in nutrients through the oxidation of acetyl CoA derived from carbohydrates, fats, and proteins. The chemical energy released is available under the form of ATP. The Krebs cycle is used by organisms that respire (as opposed to organisms that ferment) to generate energy, either by anaerobic respiration or aerobic respiration. In addition, the cycle provides precursors of certain amino acids, as well as the reducing agent NADH, that are used in numerous other reactions. Its central importance to many biochemical pathways suggests that it was one of the earliest components of metabolism. Even though it is branded as a "cycle", it is not necessary for metabolites to follow only one specific route; at least three alternative segments of the citric acid cycle have been recognized. The name of this metabolic pathway is derived from the citric acid (a tricarboxylic acid, often called citrate, as the ionized form predominates at biological pH
Ашылу
Лимон қышқылы циклының бірнеше компоненттері мен реакциялары 1930 жылдары Альберт Сент-Дьёргидің зерттеулері арқылы анықталды. Ол 1937 жылы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығын цикл құрамына кіретін фумариялық қышқылға қатысты жаңалықтары үшін алды. Ол осы жаңалықты көгершіннің кеуде бұлшық етін зерттеу барысында жасады. Латапий диірменінде ыдырағаннан кейін және сулы ерітінділерге өткеннен кейін де бұл тіндер тотығу қабілетін жақсы сақтайтындықтан, көгершіннің кеуде бұлшық еті тотығу реакцияларын зерттеуге өте қолайлы болды. Лимон қышқылы циклы 1937 жылы Ханс Адольф Кребс және Уильям Артур Джонсон Шеффилд университетінде жұмыс істеген кезде толық анықталды. Осы еңбегі үшін бұрынғысы 1953 жылы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығын алды, ал цикл кейде "Кребс циклы" деп аталады.
Several of the components and reactions of the citric acid cycle were established in the 1930s by the research of Albert Szent Györgyi, who received the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1937 specifically for his discoveries pertaining to fumaric acid, a component of the cycle. He made this discovery by studying pigeon breast muscle. Because this tissue maintains its oxidative capacity well after breaking down in the Latapie mill and releasing in aqueous solutions, breast muscle of the pigeon was very well qualified for the study of oxidative reactions. The citric acid cycle itself was finally identified in 1937 by Hans Adolf Krebs and William Arthur Johnson while at the University of Sheffield, for which the former received the Nobel Prize for Physiology or Medicine in 1953, and for whom the cycle is sometimes named the "Krebs cycle".
Түрлілігі
Лимон қышқылы циклы көбінесе жоғары сақталған, бірақ әртүрлі таксономдық топтардағы ферменттерде айтарлықтай айырмашылықтар бар (назарда ұстаңыз, осы беттегі схемалар сүтқоректілерге тән нұсқаға қатысты). Эукариоттар мен прокариоттар арасында да кейбір ерекшеліктер бар. D-треоизоцитраттың 2-оксиглутаратқа айналуын эукариоттарда NAD+ тәуелді EC 1.1.1.41 катализдейді, ал прокариоттар NADP+ тәуелді EC 1.1.1.42 қолданады. Сол сияқты, (S)-малаттың оксалоацетатқа айналуын эукариоттарда NAD+ тәуелді EC 1.1.1.37 катализдейді, ал көптеген прокариоттар хинонға тәуелді фермент EC 1.1.5.4 пайдаланады. Сукцинил-КоА-ның сукцинатқа айналуы айтарлықтай өзгеріске ұшырайтын кезең. Көптеген организмдер EC 6.2.1.5, сукцинат-КоА лигазасын (ADP түзетін) пайдаланады (атауына қарамастан, фермент АТФ түзетін бағытта жұмыс істейді). Сүтқоректілерде GTP түзетін фермент – сукцинат-КоА лигазасы (GDP түзетін) (EC 6.2.1.4) да жұмыс істейді. Әрбір изоформаның қолданылу деңгейі тіндік ерекшеліктерге байланысты. Мысалы, Acetobacter aceti сияқты ацетат түзетін кейбір бактерияларда, бұл түрлендіруді мүлдем басқа фермент катализдейді – EC 2.8.3.18, сукцинил-КоА:ацетат-КоА трансферазасы. Бұл арнайы фермент ТСА циклін осы организмдердегі ацетат метаболизмімен байланыстырады. Helicobacter pylori сияқты кейбір бактериялар бұл түрлендіру үшін тағы бір ферментті қолданады – сукцинил-КоА:ацетоацетат-КоА трансферазасы (EC 2.8.3.5). 2-оксиглутараттың сукцинил-КоА-ға айналуындағы бұрынғы сатыда да өзгерістер бар. Көптеген организмдер кең таралған NAD+ тәуелді 2-оксиглутарат дегидрогеназасын пайдаланса, кейбір бактериялар ферредоксинге тәуелді 2-оксиглутарат синтезасын (EC 1.2.7.3) қолданады. Басқа организмдер, міндетті автотрофты және метанотрофты бактериялар мен археялар, сукцинил-КоА-ны толығымен айналып өтеді және 2-оксиглутаратты сукцинат жартылай альдегиді арқылы сукцинатқа түрлендіреді, EC 4.1.1.71, 2-оксиглутарат декарбоксилазасы және EC 1.2.1.79, сукцинат жартылай альдегид дегидрогеназасын пайдаланады. Қатерлі ісіктерде ісік жасушаларының көбеюін қамтамасыз ету үшін маңызды метаболикалық өзгерістер болады, нәтижесінде ісік пайда болуына көмектесетін метаболиттер жинақталады, олар онкометаболиттер деп аталады. Жақсы сипатталған онкометаболиттердің бірі – 2-гидроксиглутарат, ол изоцитрат дегидрогеназаның (IDH) гетерозиготалық функциялық мутациясы (әсіресе неоморфты) арқылы өндіріледі (қалыпты жағдайда изоцитратты оксалосукцинатқа окистендіреді, содан кейін жоғарыда айтылғандай альфа-кетоглутаратқа спонтанты түрде декарбоксиляцияланады; бұл жағдайда альфа-кетоглутараттың NADPH арқылы 2-гидроксиглутаратқа айналуынан кейін қосымша редукция кезеңі пайда болады), сондықтан IDH онкоген болып саналады. Физиологиялық жағдайларда 2-гидроксиглутарат бірнеше метаболикалық жолдардың шағын өнімі болып табылады, бірақ гидроксиглутарат дегидрогеназа ферменттері (L2HGDH және D2HGDH) арқылы альфа-кетоглутаратқа жылдам түрлендіріледі, бірақ сүтқоректілер жасушаларында белгілі физиологиялық рөлі жоқ; ерекшелік ретінде, қатерлі ісіктерде 2-гидроксиглутарат терминалды метаболит болып табылады, өйткені колоректальді қатерлі ісік жасушаларының изотоптық таңбалау эксперименттері оның альфа-кетоглутаратқа қайта айналуы өлшеуге тым төмен екенін көрсетеді. Қатерлі ісіктерде 2-гидроксиглутарат альфа-кетоглутаратқа тәуелді диоксигеназдардағы альфа-кетоглутарат арқылы реакцияларды жеңілдететін бірқатар ферменттердің бәсекелестік тежегіші ретінде әрекет етеді. Бұл мутация жасуша метаболизміне бірнеше маңызды өзгерістер әкеледі. Біріншіден, NADPH-ның катализделген қосымша азаюы бар, бұл жасушалық NADPH қорының азаюына және жасушадағы альфа-кетоглутарат деңгейінің төмендеуіне әкелуі мүмкін. NADPH-ның азаюы проблемалы, өйткені NADPH жоғары бөлінген және жасушадағы органеллалар арасында еркін тарала алмайды. Ол көбінесе цитоплазмадағы пентоза фосфат жолы арқылы түзіледі. NADPH-ның азаюы жасушадағы тотығу стресінің күшеюіне әкеледі, өйткені ол GSH өндірісінде қажетті кофактор болып табылады, ал бұл тотығу стресі ДНК зақымдануына әкелуі мүмкін. Гистон лизин деметилазаларының (KDM) және он бір транслокация ферменттерінің (TET) функциясы арқылы генетикалық және эпигенетикалық деңгейде де өзгерістер болады; әдетте TET 5-метилцитозинді гидроксилейді, оларды деметилдендіруге дайындайды. Алайда, альфа-кетоглутарат болмаған жағдайда бұл мүмкін емес, сондықтан жасуша ДНК-сының гиперметилденуі болады, бұл эпителий-мезенхималық өтуді (EMT) ынталандырады және жасуша дифференциациясын тежейді. Jumonji C тұқымдастығының KDM-дері үшін де ұқсас құбылыс байқалады, олар деметилдендіруді орындау үшін гидроксилденуді қажет етеді. Сонымен қатар, пролил гидроксилазалардың реакцияларды катализдеуге қабілетсіздігі гипоксияға бейімделген фактор альфаның тұрақтандырылуына әкеледі, бұл соңғысының ыдырауына қажет (өйткені төмен оттегі жағдайында гидроксилдену үшін жеткілікті субстрат болмайды). Бұл қатерлі жасушада псевдогипоксиялық фенотипіне әкеледі, бұл ангиогенезді, метаболикалық қайта бағдарламалауды, жасуша өсуін және миграцияны ынталандырады.
While the citric acid cycle is in general highly conserved, there is significant variability in the enzymes found in different taxa (note that the diagrams on this page are specific to the mammalian pathway variant). Some differences exist between eukaryotes and prokaryotes. The conversion of D threo isocitrate to 2 oxoglutarate is catalyzed in eukaryotes by the NAD+ dependent EC 1.1.1.41, while prokaryotes employ the NADP+ dependent EC 1.1.1.42. Similarly, the conversion of (S) malate to oxaloacetate is catalyzed in eukaryotes by the NAD+ dependent EC 1.1.1.37, while most prokaryotes utilize a quinone dependent enzyme, EC 1.1.5.4. A step with significant variability is the conversion of succinyl CoA to succinate. Most organisms utilize EC 6.2.1.5, succinate–CoA ligase (ADP forming) (despite its name, the enzyme operates in the pathway in the direction of ATP formation). In mammals a GTP forming enzyme, succinate–CoA ligase (GDP forming) (EC 6.2.1.4) also operates. The level of utilization of each isoform is tissue dependent. In some acetate producing bacteria, such as Acetobacter aceti, an entirely different enzyme catalyzes this conversion – EC 2.8.3.18, succinyl CoA:acetate CoA transferase. This specialized enzyme links the TCA cycle with acetate metabolism in these organisms. Some bacteria, such as Helicobacter pylori, employ yet another enzyme for this conversion – succinyl CoA:acetoacetate CoA transferase (EC 2.8.3.5). Some variability also exists at the previous step – the conversion of 2 oxoglutarate to succinyl CoA. While most organisms utilize the ubiquitous NAD+ dependent 2 oxoglutarate dehydrogenase, some bacteria utilize a ferredoxin dependent 2 oxoglutarate synthase (EC 1.2.7.3). Other organisms, including obligately autotrophic and methanotrophic bacteria and archaea, bypass succinyl CoA entirely, and convert 2 oxoglutarate to succinate via succinate semialdehyde, using EC 4.1.1.71, 2 oxoglutarate decarboxylase, and EC 1.2.1.79, succinate semialdehyde dehydrogenase. In cancer, there are substantial metabolic derangements that occur to ensure the proliferation of tumor cells, and consequently metabolites can accumulate which serve to facilitate tumorigenesis, dubbed oncometabolites. Among the best characterized oncometabolites is 2 hydroxyglutarate which is produced through a heterozygous gain of function mutation (specifically a neomorphic one) in isocitrate dehydrogenase (IDH) (which under normal circumstances catalyzes the oxidation of isocitrate to oxalosuccinate, which then spontaneously decarboxylates to alpha ketoglutarate, as discussed above; in this case an additional reduction step occurs after the formation of alpha ketoglutarate via NADPH to yield 2 hydroxyglutarate), and hence IDH is considered an oncogene. Under physiological conditions, 2 hydroxyglutarate is a minor product of several metabolic pathways as an error but readily converted to alpha ketoglutarate via hydroxyglutarate dehydrogenase enzymes (L2HGDH and D2HGDH) but does not have a known physiologic role in mammalian cells; of note, in cancer, 2 hydroxyglutarate is likely a terminal metabolite as isotope labelling experiments of colorectal cancer cell lines show that its conversion back to alpha ketoglutarate is too low to measure. In cancer, 2 hydroxyglutarate serves as a competitive inhibitor for a number of enzymes that facilitate reactions via alpha ketoglutarate in alpha ketoglutarate dependent dioxygenases. This mutation results in several important changes to the metabolism of the cell. For one thing, because there is an extra NADPH catalyzed reduction, this can contribute to depletion of cellular stores of NADPH and also reduce levels of alpha ketoglutarate available to the cell. In particular, the depletion of NADPH is problematic because NADPH is highly compartmentalized and cannot freely diffuse between the organelles in the cell. It is produced largely via the pentose phosphate pathway in the cytoplasm. The depletion of NADPH results in increased oxidative stress within the cell as it is a required cofactor in the production of GSH, and this oxidative stress can result in DNA damage. There are also changes on the genetic and epigenetic level through the function of histone lysine demethylases (KDMs) and ten eleven translocation (TET) enzymes; ordinarily TETs hydroxylate 5 methylcytosines to prime them for demethylation. However, in the absence of alpha ketoglutarate this cannot be done and there is hence hypermethylation of the cell's DNA, serving to promote epithelial mesenchymal transition (EMT) and inhibit cellular differentiation. A similar phenomenon is observed for the Jumonji C family of KDMs which require a hydroxylation to perform demethylation at the epsilon amino methyl group. Additionally, the inability of prolyl hydroxylases to catalyze reactions results in stabilization of hypoxia inducible factor alpha, which is necessary to promote degradation of the latter (as under conditions of low oxygen there will not be adequate substrate for hydroxylation). This results in a pseudohypoxic phenotype in the cancer cell that promotes angiogenesis, metabolic reprogramming, cell growth, and migration.
Реттеу
Метаболиттер арқылы аллостериялық реттеу. Лимон қышқылы циклының реттелуі негізінен өнімдік тежеу және субстраттың қолжетімділігімен анықталады. Егер циклдің бақылаусыз жүруіне рұқсат берілсе, NADH және ATP сияқты тотығуға төмендеген коферменттердің артық өндірісінде метаболикалық энергияның көп бөлігі ысырап болуы мүмкін. Циклдің негізгі соңғы субстраты – АДФ, ол АТФ-қа айналады. АДФ мөлшерінің төмендеуі NADH прекурсорының жиналуына себеп болады, ол өз кезегінде бірқатар ферменттерді тежеуі мүмкін. NADH, сукцинат дегидрогеназадан басқа, лимон қышқылы циклындағы барлық дегидрогеназалардың өнімі, пируват дегидрогеназасын, изоцитрат дегидрогеназасын, α-кетоглутарат дегидрогеназасын және цитрат синтазасын тежейді. Ацетил-КоА пируват дегидрогеназасын тежейді, ал сукцинил-КоА α-кетоглутарат дегидрогеназасы мен цитрат синтазасын тежейді. ТСА ферменттерімен *in vitro* сынағанда, АТФ цитрат синтазасы мен α-кетоглутарат дегидрогеназасын тежейді; алайда, АТФ деңгейі тынығу мен қарқынды жаттығулар арасында *in vivo* 10%-дан артық өзгере қоймайды. Концентрациясы 10%-дан аз өзгеретін аллостериялық эффекттің үлкен өзгерістерін түсіндіретін аллостериялық механизм белгілі емес. Цитрат кері байланыс тежеушісі ретінде қолданылады, себебі ол пируваттың прекурсоры – фруктоза-1,6-бисфосфаттың түзілуін катализдейтін гликолиздегі фермент – фосфофруктокиназаны тежейді. Бұл цитрат жиналғанда және фермент үшін субстраттың азаюы кезінде тұрақты жоғары ағынды жылдамдықтың пайда болуын болдырмайды. Кальций арқылы реттеу. Кальций лимон қышқылы циклында реттеуші ретінде де қолданылады. Митохондриялық матрицадағы кальций деңгейі жасушалық белсенділік кезінде ондаған микромолярлық деңгейге жете алады. Ол пируват дегидрогеназа фосфатазасын белсендіреді, ол өз кезегінде пируват дегидрогеназа кешенін белсендіреді. Кальций сондай-ақ изоцитрат дегидрогеназасын және α-кетоглутарат дегидрогеназасын белсендіреді. Бұл циклдің көптеген сатыларының реакция жылдамдығын арттырады, демек, жол бойындағы ағынды арттырады. Транскрипциялық реттеу. Лимон қышқылы циклының аралық өнімдері мен гипоксияға бейімделген факторлардың (HIF) реттелуі арасында байланыс бар. HIF оттегінің гомеостазын реттеуде маңызды рөл атқарады және ангиогенезді, тамырлардың қайта құрылуын, глюкозаны пайдалануды, темір тасымалын және апоптозды бақылайтын транскрипциялық фактор болып табылады. HIF конститутивті түрде синтезделеді, ал кем дегенде екі маңызды пролин қалдығының біреуінің гидроксилденуі олардың фон Гиппель-Линдау E3 убиквитин лигаза кешенімен өзара әрекеттесуіне мүмкіндік береді, бұл оларды жылдам деградацияға түсіреді. Бұл реакцияны пролил-4 гидроксилазалар катализдейді. Фумарат пен сукцинаттың пролил гидроксилазалардың қуатты тежеушілері екені анықталды, осылайша HIF-тің тұрақтанауына әкеледі.
Allosteric regulation by metabolites. The regulation of the citric acid cycle is largely determined by product inhibition and substrate availability. If the cycle were permitted to run unchecked, large amounts of metabolic energy could be wasted in overproduction of reduced coenzyme such as NADH and ATP. The major eventual substrate of the cycle is ADP which gets converted to ATP. A reduced amount of ADP causes accumulation of precursor NADH which in turn can inhibit a number of enzymes. NADH, a product of all dehydrogenases in the citric acid cycle with the exception of succinate dehydrogenase, inhibits pyruvate dehydrogenase, isocitrate dehydrogenase, α ketoglutarate dehydrogenase, and also citrate synthase. Acetyl coA inhibits pyruvate dehydrogenase, while succinyl CoA inhibits alpha ketoglutarate dehydrogenase and citrate synthase. When tested in vitro with TCA enzymes, ATP inhibits citrate synthase and α ketoglutarate dehydrogenase; however, ATP levels do not change more than 10% in vivo between rest and vigorous exercise. There is no known allosteric mechanism that can account for large changes in reaction rate from an allosteric effector whose concentration changes less than 10%. Citrate is used for feedback inhibition, as it inhibits phosphofructokinase, an enzyme involved in glycolysis that catalyses formation of fructose 1,6 bisphosphate, a precursor of pyruvate. This prevents a constant high rate of flux when there is an accumulation of citrate and a decrease in substrate for the enzyme. Regulation by calcium. Calcium is also used as a regulator in the citric acid cycle. Calcium levels in the mitochondrial matrix can reach up to the tens of micromolar levels during cellular activation. It activates pyruvate dehydrogenase phosphatase which in turn activates the pyruvate dehydrogenase complex. Calcium also activates isocitrate dehydrogenase and α ketoglutarate dehydrogenase. This increases the reaction rate of many of the steps in the cycle, and therefore increases flux throughout the pathway. Transcriptional regulation. There is a link between intermediates of the citric acid cycle and the regulation of hypoxia inducible factors (HIF). HIF plays a role in the regulation of oxygen homeostasis, and is a transcription factor that targets angiogenesis, vascular remodeling, glucose utilization, iron transport and apoptosis. HIF is synthesized constitutively, and hydroxylation of at least one of two critical proline residues mediates their interaction with the von Hippel Lindau E3 ubiquitin ligase complex, which targets them for rapid degradation. This reaction is catalysed by prolyl 4 hydroxylases. Fumarate and succinate have been identified as potent inhibitors of prolyl hydroxylases, thus leading to the stabilisation of HIF.
Лимон қышқылы циклының аралықтары биосинтетикалық процестерде субстрат ретінде қызмет етеді
Осы тақырыпшада, бұрынғы тақырыпшадағыдай, ТСА аралықтары курсивпен белгіленеді. Лимон қышқылы циклының бірнеше аралықтары маңызды қосылыстарды синтездеуге пайдаланылады, бұл циклге айқын катаплеротикалық әсер етеді. Цитозольдік ацетил-КоА май қышқылдарын синтездеу және холестерин өндірісі үшін қолданылады. Холестерин өз кезегінде стероидтық гормондарды, өт қышқылдарын және D витаминін синтездеуге пайдаланылуы мүмкін.
In this subheading, as in the previous one, the TCA intermediates are identified by italics. Several of the citric acid cycle intermediates are used for the synthesis of important compounds, which will have significant cataplerotic effects on the cycle. The cytosolic acetyl CoA is used for fatty acid synthesis and the production of cholesterol. Cholesterol can, in turn, be used to synthesize the steroid hormones, bile salts, and vitamin D.
Эволюция
Лимон қышқылы циклының компоненттері анаэробты бактериялардан пайда болған деп саналады, ал ТСА циклының өзі бірнеше рет дамыған болуы мүмкін. Ол тіпті биогенезден бұрын пайда болған болуы мүмкін: субстраттар персульфат радикалдарының қатысуымен көптеген реакцияларды өздігінен жүзеге асырады. Теориялық тұрғыдан алғанда, ТСА циклына бірнеше баламалар бар; алайда, ТСА циклы ең тиімді болып көрінеді. Егер ТСА циклының бірнеше баламасы тәуелсіз түрде дамыған болса, олардың барлығы ТСА циклына ұқсас эволюциялық жолдан өткен сияқты.
It is believed that components of the citric acid cycle were derived from anaerobic bacteria, and that the TCA cycle itself may have evolved more than once. It may even predate biosis: the substrates appear to undergo most of the reactions spontaneously in the presence of persulfate radicals. Theoretically, several alternatives to the TCA cycle exist; however, the TCA cycle appears to be the most efficient. If several TCA alternatives had evolved independently, they all appear to have converged to the TCA cycle.