Cykl Krebsa dla opornych: zmora egzaminów z biochemii czy fundament życia? (2)

Osobliwości cyklu Krebsa

W poprzednim odcinku opisałem podstawy cyklu Krebsa, a w szczególności jego najważniejszą zasadę, że jest to rozkład dwuwęglowej cząsteczki z uzyskaniem 8 elektronów o wysokiej energii.  Ale tu pojawia się pytanie: jeżeli cały cykl Krebsa polega na utlenieniu dwuwęglowej cząsteczki do CO2 , to dlaczego nie zrobić tego w dwóch reakcjach, a nie w ośmiu? Z dwóch powodów: utlenienie octanu do CO­2 to większa energia aktywacji, czyli więcej energii trzeba by włożyć, żeby dostać te same produkty. Po drugie, cykl Krebsa jest nie tylko głównym dostarczycielem elektronów o wysokiej energii, ale też ważnym źródłem związków chemicznych potrzebnych do syntezy licznych cząsteczek, takich jak aminokwasy, nukleotydy czy porfiryny (prekursory hemu). Takie zjawisko jest zwane jest kataplerozą (z greckiego kata, czyli w dół i plerosis, czyli odbudowanie zasobów). W pewnym sensie jej odwrotnością jest anapleroza (z greckiego ana, czyli w górę), kiedy do cyklu Krebsa wchodzą inne związki, takie jak aminokwasy czy ciała ketonowe (Ryc. 1).

Ryc. 1. Katapleroza i anapleroza.  Źródło: Arnold PK and Finley LWS, J. Biol. Chem. 2023, 299: 102838. Licencja CC BY 4.0.

Cykl Krebsa i chromatyna

Jedną z mniej znanych funkcji cyklu Krebsa jest modulowanie chromatyny, czyli wpływ na to, które geny na chromosomie będą dostępne dla czynników transkrypcyjnych. Dostępność ta zależy  od acetylacji i metylacji histonów, czyli białek, na które DNA jest nawinięte, oraz od metylacji DNA. Pisałem o tym w rozdziale o genach odpowiadających za rysy twarzy. Zarówno acetylo-koenzym A, jak inne metabolity cyklu Krebsa, jak bursztynian i α-ketoglutaran odgrywają ważną rolę w tym procesie (Ryc. 2).

Ryc. 2. Regulacja chromatyny przez metabolity cyklu Krebsa.  HAT: acetylaza histonowa; HDAC: deacetylaza histonowa; SAM: S-adeonozylometiona; SAH: S-adenozylohomocysteina; KMT: metylotransferaza lizynowa; JHDM: demetylaza histonowa; DNMT: metylotransferaza DNA; TET: demetylaza DNA. Źródło: Arnold PK and Finley LWS, J. Biol. Chem. 2023, 299: 102838. Licencja CC BY 4.0.

Co z tlenem?

Podchwytliwe pytanie (lubiłem je zadawać na egzaminach): jeżeli cykl Krebsa jest elementem oddychania komórkowego (czyli metabolizmu tlenowego), to w której reakcji cyklu potrzebny jest tlen? Popatrzmy na wzory: w żadnej z ośmiu reakcji tlen nie występuje. Ale elektrony, które zostają przeniesione na NAD i FAD, muszą natychmiast trafić na tlen z wytworzeniem wody. W mitochondriach nie ma możliwości, tak jak w cytoplazmie, żeby z ich pomocą wyprodukować mleczan albo alkohol. Dlatego jeżeli zabraknie tlenu, cykl Krebsa natychmiast się zatrzymuje.

Ewolucja i cykl Krebsa

Wszystkie organizmy, które oddychają (czyli używają tlenu do produkcji energii), używają cyklu Krebsa. Kiedy powstał? Jeszcze 2 miliardy lat temu atmosfera Ziemi nie zawierała tlenu, więc dawne organizmy musiały produkować energię bez niego, jednocześnie generując związki chemiczne niezbędne do życia. Uważa się, że wtedy powstał odwrotny cykl Krebsa, w którym CO2 jest włączany w związki organiczne z użyciem ATP jako źródła energii. Odwrotny cykl Krebsa produkował m.in. szczawiooctan, bursztynian czy α-ketoglutaran, które są prekursorami ważnych dla życia związków chemicznych, takich jak aminokwasy lub kwasy nukleinowe. Proces ten wymaga energii, ale nie wymaga tlenu. W miarę jak atmosfera Ziemi stawała się bogatsza w tlen, cykl uległ odwróceniu. Było to możliwe, ponieważ większość enzymów cyklu Krebsa może katalizować reakcję w obu kierunkach.

Uważa się, że pierwsze organizmy na Ziemi, które potrafiły wiązać tlen, były przodkami dzisiejszych bakterii. Około 2 miliardów lat temu te pra-bakterie zostały w ramach procesu nazywanego endocytozą włączone do komórek przodków organizmów eukariotycznych, gdzie stały się mitochondriami. Dzięki temu w komórkach przodków organizmów eukariotycznych produkcja energii mogła zachodzić na drodze tlenowej, co dało tym organizmom znaczną przewagę ewolucyjną. Dziś prawie wszystkie organizmy eukariotyczne mają mitochondria, chociaż są wyjątki: pewne pasożytnicze zwierzęta zaliczane do myksospridiowców (Myxoza) nie mają mitochondriów, bo straciły je pasożytując na rybach, w środowisku o niskiej zawartości tlenu.

Regulacja cyklu Krebsa

Cykl działa tym szybciej, im więcej energii potrzebujemy. Regulacja cyklu Krebsa jest złożona i działa na kilku poziomach, ale dla uproszczenia można powiedzieć, że są dwa główne regulatory cyklu: ATP i NAD. Na stężenie tych metabolitów reagują trzy enzymy: syntaza cytrynianowa, dehydrogenaza izocytrynianiowa oraz dehydrogenaza α-ketoglutaranowa. Jeżeli jest dużo ATP albo NADH, to znaczy, że chwilowo energii jest dosyć, i cykl może zwolnić. Jeżeli ATP albo NADH jest mało (czyli ADP i NAD+ jest dużo, to znaczy że zapotrzebowanie na elektrony (a więc i energię) wzrasta, i cykl musi przyspieszyć (Ryc. 3).

Ryc. 3. Regulacja cyklu Krebsa przez ATP i NAD. Opracowanie własne.

Głód!

A co w sytuacji, kiedy nie mamy ani glukozy, ani tłuszczów, a potrzebujemy energii do życia? Metabolity cyklu Krebsa są wówczas wykorzystywane do syntezy związków niezbędnych do życia (przede wszystkim glukozy). Takie zjawisko ma miejsce w czasie głodu (czyli postu dłuższego niż kilka dni), i  jest to właśnie wspomniana anapleroza. Zapasy tłuszczu, które ma nawet chuda osoba, można przerobić na tzw. ciała ketonowe, które mogą wejść do cyklu Krebsa i ratować produkcję ATP. Ale zwierzęta, w przeciwieństwie do roślin, nie mogą przerabiać tłuszczu na glukozę. Tu ratują nas aminokwasy powstałe w czasie hydrolizy naszych własnych tkanek (np. z białek mięśni). Aminokwasy mogą wejść do cyklu Krebsa w postaci acetylo-koenzymu A (np. izoleucyna, tryptofan), albo w postaci α-ketoglutaranu (glutamina, arginina), bursztynylo-koenzymu A (treonina, metionina) lub fumaranu (kwas asparaginowy, fenyloalanina). Z tych pierwszych możemy uzyskiwać tylko ATP lub ciała ketonowe, więc są nazywane aminokwasami ketogennymi. Pozostałe aminokwasy nazywa się glukogennymi, ponieważ z nich poprzez szczawiooctan jesteśmy w stanie wyprodukować glukozę, bez której nasz mózg w krótkim czasie umiera. Rozkład własnych tkanek stanowi więc jakąś opcję w warunkach głodu, ale jest to rozwiązanie na krótką metę. Prędzej czy później musimy dostarczyć naszemu organizmowi pożywienie.

Trochę historii: kim był Hans Krebs?

Hans Krebs dał nazwisko całemu cyklowi, ale badania nad rozkładem węglowodanów w komórkach zaczął prowadzić w latach 30. ubiegłego wieku także odkrywca witaminy C, węgierski uczony Albert Szent-Györgyi. To on pierwszy w 1935 r. zaobserwował przemiany kwasów dwukarboksylowych (bursztynowego, fumarowego, jabłkowego i szczawiooctowego) w komórkach z piersi gołębia, i zaproponował, że przemiany te mają związek z oddychaniem komórkowym. Kiedy w 1937 r. odbierał Nagrodę Nobla z medycyny i fizjologii, w uzasadnieniu napisano, że otrzymuje ją za „odkrycia związane z biologicznym spalaniem, ze szczególnym uwzględnieniem witaminy C i kwasu fumarowego”. Był więc na pewno prekursorem badań cyklu Krebsa, dlatego na Węgrzech mówi się o cyklu Szent-Györgyego-Krebsa (Ryc. 4).

Ryc. 4. Albert Szent-Györgyi (1893-1986). Domena publiczna.

Badanie nad metabolizmem komórek piersi gołębia prowadził jednocześnie Hans Krebs, który rok później wykazał, że bursztynian powstaje w wyniku utlenienia cytrynianiu, a cytrynian jest stale obecny w żywych komórkach, co sugeruje, że stale się odtwarza. W 1940 r. Krebs i Eggleston wykazali, że dwa atomy węgla, które po dołączeniu do szczawiooctanu tworzą cytrynian, pochodzą z pirogronianu, a przemiany związane z produkcja cytrynianu mają formę cyklu. A jak ma się pirogronian do octanu? To pokazał Fritz Lippman w latach 40. ubiegłego wieku: pirogronian, który powstaje z glukozy w procesie zwanym glikolizą, zostaje przekształcony w grupę acetylową związaną z przenośnikiem w postaci koenzymu A. Jednocześnie powstaje jedna cząsteczka CO2. Za te odkrycia obaj otrzymali Nagrodę Nobla w 1953 r: Hans Krebs „za odkrycie cyklu kwasu cytrynowego”, a Fritz Lippman „za odkrycie koenzymu A i jego roli w metabolizmie” (Ryc. 5).

Ryc. 5. Hans Krebs (1900-1981) i Fritz Lippman (1899-1986). Domena publiczna.

Zarówno Hans Krebs, jak Fritz Lippman byli niemieckimi uczonymi pochodzenia żydowskiego. Kiedy naziści doszli do władzy, obaj musieli opuścić Niemcy. Hans Krebs dostał pracę w Wielkiej Brytanii, Fritz Lippman w USA.

Hans Krebs ma na koncie jeszcze dwa ważne odkrycia: cykl mocznikowy (1932 r., wspólnie z Kurtem Hanseleitem) i cykl glioksalowy (1957 r, wspólnie z Hansem Kornbergiem). Ciekawe jest też, że publikację wyjaśniającą podstawy cyklu kwasu cytrynowego Hans Krebs wysłał do Nature, ale redakcja odmówiła, tłumacząc się licznymi innymi publikacjami w kolejce. Publikacja ukazała się w końcu w czasopiśmie Enzymologia. Morał jest taki, że nie zawsze należy się przejmować odmowami publikacji.

Podsumowanie

Co trzeba zapamiętać z cyklu Krebsa? To zależy od wymagań, ale absolutne podstawy są na Ryc. 7. Cykl polega na rozkładzie dwuwęglowej jednostki do dwóch cząsteczek CO2. Powstaje jedna cząsteczka ATP/GTP, ale naprawdę cenne jest osiem elektronów o wysokiej energii. Te elektrony po przepłynięciu przez białka łańcucha oddechowego służą do wytworzenia poważnych ilości ATP.

Ryc. 7. Skrócony kurs cyklu Krebsa. Opracowanie własne.

Literatura

Współczesne spojrzenie na cykl Krebsa

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021925822012819?via%3Dihub

Ewolucja cyklu Krebsa

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.0404922101

https://portlandpress.com/biochemj/article/475/16/2577/49772/An-appeal-to-magic-The-discovery-of-a-non

Udostępnij wpis

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *