bài giảng chu trình citric

Chu trình acid citric
(Chu trình Kreb)
Bs. Chi Mai
Chu trình acid citric

Ở các sinh vật ái khí, pyruvat (tạo thành từ đường phân) bị oxy hóa thành
CO
2
and acetyl-CoA với sự tham gia của coenzyme A

Sự oxy hóa acetyl –CoA tiếp theo bằng một loạt các phản ứng thuộc chu
trình acid citric

Đặc điểm và ý nghĩa:

Xảy ra trong ty thể, trong điều kiện ái khí

Dị hóa ái khí của carbohydrat, lipid, and acid amin đều kết thúc ở chu trình
acid citric.

Oxy hóa acetyl-CoA tạo thành từ chuyển hóa của cả 3 nhóm chất trên

Cung cấp nhiều năng lượng

Sản phẩm trung gian của chu trình acid citric là điểm bắt đầu cho nhiều con
đường sinh tổng hợp
Chu trình acid citric
Chu trình acid citric

Oxy hóa được kiểm soát


Các chất được oxy hóa ở các bước khác nhau

Điện tử được vận chuyển tới O
2

Tương tự việc đốt cháy các chất hữu cơ, sinh ra CO
2
và H
2
O và
nhiệt

Năng lượng giải phóng ra chủ yếu được giữ lại khi NAD
+
và
ubiquinone (Q) được khử thành NADH và ubiquinol (QH
2
)

Sự oxy hóa các coenzym dạng khủ nói trên sinh ra nhiều ATP qua sự
vận chuyển electron và sự phosphoryl oxy hóa.

Còn gọi là:

Chu trình acid tricarboxylic (TCA) (do các chất trung gian là
tricarboxylat)

Chu trình Krebs (Tên nhà hóa sinh Hans Krebs)
Các phản ứng


Chu trình

Tái tạo oxaloacetat, chất mở đầu chu trình, ở bước cuối của chu trình

Chu trình là các phản ứng enzym, có thể xúc tác sự chuyển hóa của vô tận nhóm acetyl

Carbon đi vào:

2 carbon đi vào chu trình không phải là 2
carbon mất đi dưới dạng CO
2

Gồm 8 phản ứng xúc tác bởi enzym

Vận chuyển 4 đôi điện tử

Sinh ra các phân tử giàu năng lượng:

Phần lớn năng lượng giải phóng ra được giữ dưới dạng coenzym dạng khử NADH và
FADH
2
(hoặc QH
2
)

Oxy hóa các coenzym dạng khử trong chuồi hô hấp sinh ra ATP từ ADP và P
i
qua sự
phosphoryl hóa


9 ATP có thể tạo thành từ 4 đôi e chuyển đến O
2

Phản ứng 5 là phosphoryl hóa ở mức cơ chất sinh ATP hay GTP tùy thuộc loại tế bào

Phản ứng tổng quát:
Acetyl-CoA + 3 NAD
+
+ FAD + GDP + P
i
+ 2 H
2
O →
2 CO
2
+ 3 NADH + FADH
2
+ CoA + GTP + 3 H
+
Tạo acetyl-CoA
H
N
H
CH
2
O
OH
H H
O

N
N
N
NH
2
P
O
OO
OPOPOCH
2
CC
H
C
H
NCH
2
CH
2
C
H
NCH
2
CH
2
HS
O O
OH
CH
3
CH

3
O
O
O
O

Không thuộc chu trình nhưng cần đưa ra trước tiên

Bước 1: pyruvat đi vào trong ty thể

Ở tế bào ái khí, tất cả các enzym của chu trình acid citric nằm ở trong ty
thể

Ty thể được bao bọc bởi một màng kép

Pyruvat qua lớp màng ngoài nhờ các kênh ưa nước-các protein xuyên
màng (porins)

Pyruvate translocase là protein của màng trong ty thể, vận chuyển pyruvat
từ khoang giữa 2 màng vào trong lòng ty thể (mitochondrial matrix)
Chuyển pyruvat thành acetyl-CoA

Khử carboxyl oxy hóa

Một loạt 5 phản ứng

Không thuận nghịch

Cơ chế rất phức tạp


Xúc tác bởi phức hợp đa enzym và cofactor

Phức hợp Pyruvate dehydrogenase

Phức hợp đa enzym ở trong lòng ty thể

Chứa nhiều phân tử của 3
enzym liên kết không đồng hóa trị
và 5 coenzym

E1 và E3 bao quanh lõi chuỗi 24-60 E
2

(số chuỗi phụ thuộc loại tế bào)

Phản ứng tổng quát:
CH
3
C(O)CO
2
-
+ NAD
+
+ CoASH → CH
3
C(O)-SCoA + NADH + CO
2
1. Tạo citrat

Oxaloacetat phản ứng với

acetyl-CoA tạo citrat và
coenzyme A

Không thuận nghịch

Enzym = citrate synthase
CO
2
C
CH
2
CO
2
O
+
S
C
CH
3
CoA
O
H
2
O
H
+
CO
2
CH
2

C
CH
2
CO
2
HO CO
2
+
HS-CoA
Citrate synthase

Dime gồm 2 tiểu đơn vị giống hệt
nhau

Changes in conformation

Binding of oxaloacetate

Domains move closer to form
binding site for acetyl-CoA

Formation of intermediate

Enzyme closes around intermediate

Prevent side reactions by shielding
thiol ester linkage of acetyl-CoA
from hydrolysis by solvent

Intermediate hydrolyzed by bound

water molecule

Enzyme opens and products leave
active site
2. Đồng phân citrat thành isocitrat
H
2
O
CO
2
CH
2
C
CH
2
CO
2
HO CO
2
CO
2
CH
2
C
CH
CO
2
CO
2
CO

2
CH
2
HC
CH
CO
2
CO
2
HO
H
2
O

Citrate có nhóm alcol ở C3

Không thể bị oxy hóa thành acid
cetonic

Isocitrate có nhóm alcol ở C2

Bị oxy hóa dễ dàng

Cơ chế:

Bước 1: loại H
2
O tạo dẫn xuất
trung gian alken (cis-aconitat)


Bước 2: hợp nước tạo isocitr

Enzym = aconitase

Còn gọi aconitat hydratase
3. Khử carboxyl oxy hóa isocitrat
tạo α-ketoglutarat
CO
2
CO
2
CH
2
HC
CH
CO
2
CO
2
HO
NAD
+
NADH + H
+
CO
2
CH
2
HC
C

CO
2
CO
2
O
CO
2
CH
2
CH
2
C
CO
2
O
H
+

Phản ứng oxy hóa đầu tiên trong 4 phản
ứng oxy hóa

NAD
+
là tác nhân oxy hóa

Cơ chế:

Bước 1: alcol bị oxy hóa bởi chuyển H- từ
C2 cho NAD
+


Chất trung gian = oxalosuccinat, acid β-
keto không ổn định

Phân tử NADH thứ nhất được tạo thành

Bước 2: chất trung gian khử carboxyl ở vị
trí β tạo α-keto acid

Phân tử CO
2
đầu tiên được tạo thành

Không thuận nghịch

Là 1 bước hạn chế tốc độ của chu trình

Enzym = isocitrate dehydrogenase
4. Khử carboxyl oxy hóa
α-ketoglutarat tạo succinyl-CoA
NAD
+
CO
2
CH
2
CH
2
C
CO

2
O
NADH
HS-CoA
CO
2
CO
2
CH
2
CH
2
C
S-CoA
O

Được xúc tác bởi phức hợp đa enzym α-ketoglutarat
dehydrogenase

α-ketoglutarat dehydrogenase (E
1
)

Dihydrolipoamide succinyltransferase (E
2
)

Dihyrdolipoamide dehydrogenase (E
3
)


Tương tự phản ứng chuyển pyruvat thành acetyl-CoA
xúc tác bởi phức hợp pyruvate dehydrogenase

Coenzym tương tự

Cơ chế tương tự

Sản phẩm chứa liên kết thioeste giàu năng lượng

Bước điều hòa then chôt của chu trình acid citric

Tạo phân tử NADH thứ hai

Sinh ra phân tử CO
2
thứ hai
5. Chuyển succinyl-CoA thành
succinat
GDP + P
i
CO
2
CH
2
CH
2
CO
2
GTP + HS-CoA

CO
2
CH
2
CH
2
C
S-CoA
O

Phosphoryl hóa ở mức cơ chất

Phá vỡ liên kết thioeste giàu năng lượng

Năng lượng giải phóng được bảo tồn bằng
tổng hợp nucleosid triphosphate

GTP ở động vật có vú

ATP ở thực vật và vi khuẩn

GDP tái tạo lại và ATP sinh ra từ phản ứng
của GTP với ADP

GTP + ADP GDP + ATP

Nucleoside diphosphate kinase

Enzym = succinyl-CoA synthetase


Còn gọi succinat thiokinase
Cơ chế của Succinyl-CoA
synthetase
6. Oxy hóa succinat tạo fumarat

Dehydrogen (mất H
2
; oxy hóa)

Đặc hiệu không gian với dạng trans của liên kết
đôi

Xúc tác bởi phức hợp succinat dehydrogenase

Còn gọi là phức hợp II

Nằm ở màng trong ty thể

Oxy hóa alkan đòi hỏi tác nhân oxy hóa mạnh
hơn NAD
+
(đó là FAD)

FADH
2
tạo ra bị oxy hóa bởi
coenzym ubiquinon (Q) tạo
FAD và ubiquinol (QH
2
)


Chất ức chế cạnh tranh = malonat

-
O
2
C-CH
2
-CO
2
-

Gắn với vị trí hoạt động qua nhóm
carboxylat

Không bị dehydrogen
7. Hydrat hóa fumarat tạo L-malat
H
2
O
CO
2
C
C
O
2
C
H
H
C

CH
2
CO
2
CO
2
HHO

Phản ứng thuận nghịch

Đặc hiệu không gian
1. Hợp nước vào liên kết đôi của
fumarat
2. Chỉ liên kết đôi dạng trans mới
phản ứng

Enzym = fumarase

Còn gọi fumarat hydratase
8. Oxy hóa L-malat tạo oxaloacetat
NAD
+
NADH + H
+
C
CH
2
CO
2
CO

2
HHO
C
CH
2
CO
2
CO
2
O

Tạo phân tử NADH thứ ba

Enzym = malat dehydrogenase
Năng lượng tạo thành trong
chu trình

3NADH (phản ứng 3,4,8): 3x3= 9 ATP

1FADH2 (phản ứng 6): 1x2= 2ATP

1GTP (phản ứng 5):tương đương 1ATP

Cộng: 12 ATP
Điều hòa chu trình acid citric

Được điều hòa bởi các enzym then chốt và cơ chất tham gia vào chu trình

Sự tích lũy citrat làm chậm quá trình đường phân/tạo pyruvat


Còn phụ thuộc sự cung cấp acetyl-CoA (từ pyruvat), NAD
+
, FAD, và ADP

Các enzym được điều hòa trong chu trình acid citric là:

Citrate synthase (phản ứng1)

Bị ức chế dị lập thể bởi nồng độ cao của
citrat, succinyl-CoA, NADH, ATP

Isocitrate dehydrogenase (phản ứng 3)

Được kích thích bởi ADP, NAD
+
, và Ca
2+
(cơ)

Bị ức chế bởi ATP và NADH

α-Ketoglutarate dehydrogenase (phản ứng 4)

Bị ức chế bởi ATP, GTP, NADH và succinyl-CoA

Cả 3 enzym trên xúc tác các phản ứng
ở những điểm rẽ quan trọng trong chuyển hóa