Żaden egzamin z biochemii nie może się obyć bez cyklu kwasu cytrynowego, zwanego też cyklem Krebsa. Najlepiej ze wzorami. Niewielu jednak wykładowcom udaje się dobrze wytłumaczyć, na czym polega znaczenie cyklu Krebsa dla naszego metabolizmu, i dlaczego ten cykl jest tak ważny. Postaram się wypełnić tę lukę.

Po co jest cykl Krebsa?

Nasz organizm wymaga stałego dopływu energii. Jest tylko jeden związek chemiczny, który służy wszystkim komórkom jako źródło energii: adenozynotrójfosforan (według nowej nomenklatury adenozynotrifosforan), czyli ATP. Przeciętny człowiek produkuje go ok. 40 kg na dobę, i tyle samo zużywa na trzy główne cele: ruch (czyli skurcze mięśni), aktywny transport cząsteczek i jonów, oraz syntezę makrocząsteczek z prostych związków. Każda komórka wytwarza ATP na własne potrzeby, i każda musi mieć dostęp do substancji, z których może wytworzyć ten związek.

Skąd czerpiemy energię do produkcji ATP?

Wyłącznie z tego co zjadamy. Są organizmy, jak np. rośliny, które produkują ATP w wyniku pochłaniania energii Słońca. Natomiast zwierzęta, a zwłaszcza ptaki i ssaki jako organizmy stałocieplne, potrzebują o wiele więcej energii, i nawet gdyby miały zdolność do fotosyntezy (a w tym celu musiałyby produkować chlorofil i godzinami przesiadywać na słońcu), to zaspokoiłaby ona najwyżej 5% potrzeb energetycznych. Dlatego musimy zjadać inne organizmy. Albo to, co one wytworzą, na przykład tłuszcz. Pokrywa on 75% naszych potrzeb energetycznych i jest niezbędny do życia (wbrew antytłuszczowej propagandzie). Węglowodany zaspokajają 25% zapotrzebowania, a białka nie odgrywają roli w bilansie energetycznym. Mogą wprawdzie generować pewną ilość ATP, ale zawierają azot, którego musimy się pozbyć w ramach (energochłonnego) cyklu mocznikowego. Ale białka są niezbędne do życia, bo dostarczają nam aminokwasów egzogennych, czyli tych, których sami nie możemy wytworzyć.

W jaki sposób produkujemy ATP?

ATP można produkować na dwa sposoby: beztlenowy i tlenowy. Beztlenowy nazywany jest inaczej fermentacją; stosują go np. drożdże rozkładając glukozę i wytwarzając alkohol, albo bakterie typu Lactobacillus zakwaszając mleko. Zwierzęta, w tym ludzie, też mogą wytwarzać ATP w ten sposób, ale może ona pokryć najwyżej 5% zapotrzebowania (z tym, że nasz organizm nie potrafi produkować alkoholu). Ale większość organizmów eukariotycznych używa do produkcji ATP tlenu, a proces ten nazywamy oddychaniem komórkowym. Zachodzi on wyłącznie w mitochondriach, które są głównym źródłem ATP w komórkach. To tam mają miejsce reakcje cyklu Krebsa.

Co jest głównym produktem cyklu Krebsa?

Cykl Krebsa wytwarza niewiele ATP, ale uwalnia z dwuwęglowych cząsteczek elektrony o wysokiej energii. Te dwuwęglowe jednostki przekształcają się w dwutlenek węgla. Te elektrony, transportowane przez przenośniki elektronów NAD i FAD, trafiają na białka łańcucha oddechowego. Przepływ elektronów przez te białka na tlen generuje gradient jonów H⁺, który z kolei napędza enzym o nazwie syntaza ATP. To właśnie on jest głównym dostarczycielem ATP dla komórek. Tak więc głównym produktem cyklu Krebsa są elektrony o wysokiej energii. Cykl Krebsa można więc porównać do elektrowni, która spalając węgiel wytwarza prąd. Z tym że my nie możemy przesyłać elektronów przewodami; służą nam do tego wspomniane przenośniki elektronów NAD i FAD. Są jeszcze inne przenośniki (koenzym Q i cytochrom C), ale one działają już w łańcuchu oddechowym.

Jak działa cykl Krebsa?

Jest to główny ośrodek metaboliczny komórki. Trafiają do niego związki, które mogą być przetworzone w grupy acetylowe, ale także wiele innych cząsteczek. Grupa acetylowa (-COCH₃)zawiera dwa atomy węgla, i właśnie przekształcenie tych dwuwęglowych cząsteczek w dwutlenek węgla jest podstawą tego cyklu. Nie jest to jednak przekształcenie bezpośrednie, to znaczy reszta acetylowa nie zostaje utleniona do CO₂ w jednej reakcji; proces ten zachodzi w ośmiu reakcjach katalizowanych przez osiem enzymów. Reakcje te pokazałem na Ryc. 1. W skrócie, cykl polega na przyłączeniu grupy acetylowej związanej z przenośnikiem o nazwie koenzym A do czterowęglowej cząsteczki kwasu szczawiooctowego. Tu uwaga nomenklaturowa: ponieważ kwasy organiczne w komórkach występują przeważnie w postaci soli (sodu lub potasu), lepiej jest używać nazwy szczawiooctan, a nie kwas szczawiooctowy (dotyczy to też innych kwasów organicznych).

Powstaje w ten sposób cytrynian, który daje nazwę całemu cyklowi. Cytrynian zostaje następnie przekształcony w izocytrynian. Oba te związki mają trzy grupy karboksylowe, podczas gdy pozostałe sześć kwasów w cyklu Krebsa ma dwie takie grupy. Paradoksalnie, jedna z angielskich nazw cyklu Krebsa to TCA (tricarboxylic acid cycle, cykl kwasów trójkarboksylowych). Powinno być raczej DCA, bo kwasów dwukarboksylowych jest więcej?

Izocytrynian zostaje następnie przekształcony w α-ketoglutaran z uwolnieniem pierwszej cząsteczki CO₂ i przeniesieniem 2 elektronów na NAD⁺ z wytworzeniem NADH (o NADH i FADH₂ jeszcze będzie). α-ketoglutaran ulega dalszej dekarboksylacji (czyli reakcji odłączenia CO₂) do bursztylyno-koenzymu A, i tu powstaje następna cząsteczka CO₂ (a także kolejny NADH). Bursztynylo-koenzym A przekształca się w bursztynian, i tu powstaje pierwsza (i jedyna) cząsteczka ATP lub jego odpowiednika GTP. U roślin i bakterii powstaje ATP, u ssaków raczej GTP, chociaż w niektóre tkanki preferują ATP. Natomiast wszystkie podręczniki podają GTP, chociaż nie jest to wcale wyłączny produkt tej reakcji.

Te pierwsze pięć reakcji (szczawiooctan>cytrynian>izocytrynian>bursztynylo-CoA>bursztynian) skutkuje rozkładem dwuwęglowej cząsteczki do 2 cząsteczek CO­₂ z wytworzeniem dwóch cząsteczek NADH i jednej cząsteczki ATP (lub GTP). Teraz trzeba bursztynian, który jest czterowęglowym kwasem dwukarboksylowym (to znaczy, że ma dwie grupy COOH) przekształcić w szczawiooctan, który też ma cztery atomy węgla i dwie grupy COOH, ale dodatkowo też grupę karbonylową (C=O). Dlaczego ta grupa karbonylowa jest taka ważna? Bo do atomu węgla tej grupy przyłącza się grupa acetylowa i cały cykl może kręcić się w kółko.

Do odtworzenia szczawiooctanu służą trzy reakcje: szczawiooctan>fumaran z wytworzeniem FADH, fumaran>jabłczan i jabłczan>szczawiooctan z wytworzeniem NADH. (Ryc. 1, 2).

Ryc. 2. Cykl Krebsa ze wzorami. Źródło: Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L, Biochemistry. Licencja CC BY 3.0

Acetylo-koenzym A jako prekursor cyklu Krebsa

Podstawową funkcją cyklu Krebsa jest utlenianie grup acetylowych. Nie występują one jednak luzem, ale są związanie z koenzymem A, organiczną cząsteczką, która je przenosi (Ryc. 3). Skąd biorą się grupy acetylowe? Z tego, co zjadamy, a przede wszystkim z glukozy i kwasów tłuszczowych. Kwasy tłuszczowe ulegają rozkładowi do grup acetylowych w procesie zwanym β-oksydacją, który zachodzi wyłącznie w mitochondriach. Dlatego rozkład kwasów tłuszczowych jest możliwy wyłącznie w obecności tlenu, bo mitochondria to miejsce, gdzie zachodzi oddychanie komórkowe.

Glukoza, a także inne cukry, też może przekształcić się w grupy acetylowe. Ten proces nazywa się glikolizą, zachodzi w cytoplazmie i nie wymaga tlenu. Glukoza w wyniku dziesięciu reakcji enzymatycznych rozkłada się do pirogronianu (który zawiera trzy atomy węgla). Jeżeli tlen nie jest dostępny, pirogronian może ulec redukcji do mleczanu (ma to miejsce np. w mięśniach podczas intensywnych skurczów). Jeżeli tlen jest dostępny, pirogronian zostaje przeniesiony do mitochondrium, gdzie po dekarboksylacji i przyłączeniu do koenzymu A powstaje z niego acetylo-koenzym A (Ryc.3).

Ryc. 3. Koenzym A. Do grupy tiolowej (-SH) merkaptoetyloaminy przyłącza się grupa acetylowa, acylowa (w czasie β-oksydacji kwasów tłuszczowych), albo karboksylowy atom węgla w bursztynylo-CoA. Domena publiczna.

NAD i FAD jako główni gracze w cyklu Krebsa

NAD (dinukleotyd niktynamidoadeninowy) i FAD (dinukleotyd flawinoadeninowy) to przenośniki elektronów, niezbyt prawidłowo nazywane nukleotydami, bo nimi nie są, chociaż zawierają adeninę. Odbierają elektrony od enzymów przeprowadzających utlenianie (w chemii utlenianie to odbieranie elektronów) i przekazują je na białka łańcucha oddechowego. Każdy przenosi po parze elektronów: NAD⁺ po przyłączeniu pary elektronów przekształca się się NADH, a FAD – w FADH₂. Obie te formy nazywamy formami zredukowanymi (bo przyłączyły elektrony, czyli się zredukowały).  Energia elektronów przenoszonych przez FADH₂ jest nieco mniejsza niż tych przenoszonych przez NADH. Wszystkie elektrony, po przepłynięciu przez białka łańcucha oddechowego, trafiają w końcu na tlen (pisał o tym Lucas Bergowsky, a końcowym produktem oddychania komórkowego jest woda. Różnica energii między elektronami, które wchodzą do szlaku oddechowego, i tymi, które odbiera tlen, służy (bez wchodzenia w szczegóły, bo to temat na osobny tekst) do wytworzenia ATP.

W skład NAD i FAD wchodzą dwie witaminy: NAD zawiera witaminę B₃, czyli niacynę, a FAD witaminę B₂, czyli ryboflawinę. Niedobór witaminy B₂  zdarza się rzadko, ale brak witaminy B₃ może spowodować pelagrę, chorobę dawniej występującą często w rejonach, gdzie je się dużo kukurydzy. Objawy to zmiany skórne (stąd nazwa: szorstka skóra), biegunka i demencja. Kukurydza zawiera wprawdzie niacynę, ale w formie zablokowanej. Jeżeli niacyna nie zostanie odblokowana w procesie nazywanym nikstamalizacją, jedzenie dużych ilości kukurydzy grozi zachorowaniem na pelagrę. Jest nawet hipoteza, że kultura Majów upadła z powodu konsumpcji nadmiernej ilości kukurydzy (Ryc. 4).

Ryc. 4. NADH i FADH₂. Czerwonymi kółkami zaznaczone atomy wodoru, które zostają przyłączone wraz parami elektronów. Domena publiczna.

Bilans cyklu Krebsa

Każda para elektronów przenoszona przez NADH  po przepłynięciu przez białka łańcucha oddechowego powoduje syntezę 2,5 cząsteczki ATP. Para elektronów przenoszona przez FADH₂ daje 1,5 cząsteczki ATP. Ponieważ w jednym „obrocie” cyklu Krebsa powstają trzy cząsteczki NADH i jedna FADH₂, to łatwo wyliczyć, że jedna grupa acetylowa generuje 2,5 x 3 + 1,5 = 9 cząsteczek ATP. Pamiętamy, że każdy „obrót” cyklu Krebsa wytwarza 1 cząsteczkę ATP (lub GTP), czyli z jednej grupy acetylowej otrzymujemy w sumie 10 cząsteczek ATP. Ponieważ z jednej cząsteczki glukozy powstają dwie grupy acetylowe, to w sumie cząsteczek ATP powstaje 20, a po doliczeniu tych, które powstają w czasie glikolizy i w wyniku redukcji pirogronianu, otrzymujemy 30 cząsteczek ATP. Starsze podręczniki podają 36, ale ta różnica jest związana ze stratami w transporcie ATP z mitochondrium (gdzie ATP powstaje) do cytoplazmy (gdzie jest potrzebny). Bilans przedstawiam na Ryc. 5.

Ryc. 5. Bilans cyklu Krebsa. Opracowanie własne.

A co z tłuszczami? Jedna cząsteczka kwasu palmitynowego generuje 106 cząsteczek ATP. Ponieważ jedna cząsteczka trójglicerydu zawiera trzy takie cząsteczki, to łącznie otrzymujemy 318 cząsteczek ATP, Dodać tu należy 13 cząsteczek ATP, które powstają w wyniku utlenienia glicerolu. Tak więc w sumie jedna cząsteczka trójglicerydu (z kwasem palmitynowym) daje 331 cząsteczek ATP, czyli ponad 10 razy więcej niż cząsteczka glukozy. Dlatego tłuszcz jest tak dobrym źródłem energii, chociaż ma swoje wady. Można go rozłożyć wyłącznie tlenowo, a niektóre komórki (np. neurony) w ogóle nie mogą używać tłuszczu jako źródła energii.

W następnym odcinku napiszę o osobliwościach cyklu Krebsa, jego regulacji i roli cyklu Krebsa w regulacji ekspresji genów. Będzie też o tym, jak głód wpływa na cykl Krebsa, i kilka uwag historycznych.

Literatura

Współczesne spojrzenie na cykl Krebsa

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