sitronsyresyklus – Store norske leksikon

Sitronsyresyklus er en syklisk prosess som foregår i de fleste celler i kroppen. Nedbrytningsprodukter fra glukose går inn som acetyl-CoA (koenzym A) og gjøres om til energi (ATP, NADH, FADH₂) og CO₂.

Sitronsyresyklus. Laget med BioRender.

Av Store norske leksikon/Biorender.

Lisens: Begrenset gjenbruk

Sitronsyresyklus er en livsviktig prosess som foregår inne i mitokondriene i kroppens celler. Syklusen er en viktig del av stoffskiftet, hvor cellene omdanner næringsstoffer til energi og nye byggesteiner. Den kalles også krebssyklus eller trikarboksylsyresyklus.

Faktaboks

Uttale: sitrˈonsyresyklus
Også kjent som: krebssyklus, tricarboxylic acid cycle, TCA

Reaksjonssyklusen er et knutepunkt i stoffskiftet til cellen. Den fungerer som en forbindelse mellom flere forskjellige reaksjonsveier. Sitronsyresyklus er en forbindelse mellom nedbrytning av sukker (glykolyse) og fett (beta-oksidasjon), fettsyreproduksjon, aminosyrestoffskiftet, nydannelse av sukker (glukoneogenese), og ureasyklus, for å nevne noe.

Sitronsyresyklus foregår i celler med mitokondrier. Dette inkluderer de aller fleste celler i kroppen. Aktiviteten til reaksjonsveien varierer ut ifra de forskjellige cellenes energibehov. Muskelceller og hjerneceller har mange mitokondrier, og spesielt høy aktivitet i sitronsyresyklus. Andre celler, som fettceller, har lavere aktivitet. Røde blodceller har ikke mitokondrier, og er derfor helt avhengige av energiproduksjon fra glykolyse.

Når cellen bruker sitronsyresyklus for å produsere energi er det hovedsakelig acetyl-CoA som mates inn i syklusen. Acetyl-CoA er et stoff som er felles for sukkernedbrytning og fettsyrenedbrytning. Sitronsyresyklus kan også mates med stoffet alfa-ketoglutarat og enkelte andre stoffskifteprodukter fra nedbrytning av aminosyrer. Ved siden av energi produserer også sitronsyresyklus byggesteiner til syntese av nye stoffer, som fettsyrer, glukose, aminosyrer, steroler, puriner og heme-grupper.

I grove trekk består sitronsyresyklus av åtte reaksjoner hvor enzymer omdanner ulike substrater. Tre av reaksjonene i syklusen lader energirike elektronbærere (NADH og FADH₂), som blir gitt energi i form av elektroner. Mitokondriene bruker elektronbærerne til å drive den ATP-produserende prosessen oksidativ fosforylering. Dette skjer ved at elektronbærerne gir elektroner videre til elektrontransportkjeden i mitokondriene, der energien brukes til å drive oksidativ fosforylering. En av reaksjonene i sitronsyresyklus produserer GTP, som tilsvarer ATP som energiforbindelse for cellen.

Sitronsyresyklus reguleres på bakgrunn av cellens energistatus og umiddelbare energiforbruk. Reguleringen foregår gjennom tilbakekoblingssløyfer og produkthemming. Reguleringen av sitronsyresyklus foregår allosterisk, som betyr at enzymene i reaksjonssyklusen har egne reguleringsseter der stoffskifteprodukter og andre allosteriske regulatorer binder til og påvirker enzymets funksjon. De viktigste regulatorene av sitronsyresyklus er kalsiumioner, ATP, ADP og NADH. Samtidig virker sitrat og suksinyl-CoA som produkthemmere av enzymene som katalyserer dannelsen av dem.

Elektronbærere og energiutbytte

Energiutbyttet fra sitronsyresyklusen kommer hovedsakelig fra energien som frigjøres fra nedbrytningen av acetyl-CoA. Formålet med nedbrytningen av acetyl-CoA er å produsere ATP fra ADP, som cellen bruker til nesten alle energikrevende prosesser. ATP-produksjon i mitokondriene involverer et komplekst proteinmaskineri som er drevet av energien som finnes i de ladede elektronbærerne NADH og FADH₂ fra sitronsyresyklus, så vel som NADH fra glykolyse og beta-oksidasjon.

I sitronsyresyklus lades elektronbærerne med elektroner, som de så overfører til elektrontransportkjeden, som er en del av proteinmaskineriet som produserer ATP i mitokondriene. Når elektronbærerne gir fra seg elektroner, blir de utladet og vil deretter lades igjen i sitronsyresyklus. Denne prosessen med ladning og utladning av elektronbærere mellom sitronsyresyklus og elektrontransportkjeden forsikrer at cellen får tilstrekkelig med ATP, og foregår så lenge mitokondriene tilføres tilstrekkelig med næringsstoffer og oksygen.

Gjennom én runde i sitronsyresyklus brytes et acetyl-CoA ned til to CO ₂-molekyler. Underveis får cellen tre NADH, én FADH₂ og én GTP. Hvert NADH-molekyl fra sitronsyresyklus bidrar med energi til å gjendanne to og et halvt ATP-molekyl. Et FADH₂-molekyl bidrar med energi til å gjendanne ett og et halvt ATP-molekyl. Energien fra NADH og FADH₂ blir derfor omdannet til ni ATP-molekyler i mitokondriene gjennom elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering. Totalregnskapet for ett acetyl-CoA som gjennomgår sitronsyresyklus er derfor ni ATP og én GTP.

Reaksjonssteg

Sitronsyresyklus er en reaksjonssyklus som består av åtte reaksjoner. I løpet av disse reaksjonene dannes det tre NADH og én FADH2 gjennom oksidering, én GTP gjennom substratnivåfosforylering, og flere stoffskifteprodukter som kan inngå i andre reaksjonsveier i cellen. Ved to av reaksjonene dannes også karbondioksid som et avfallsprodukt ved oksidativ dekarboksylering.

Den første reaksjonen i sitronsyresyklus er kjent som en «Claisen»-kondensering. I denne reaksjonen dannes seks-karbonforbindelsen sitrat fra to-karbonforbindelsen acetyl og fire-karbonforbindelsen oksaloacetat. «Claisen»-kondensering er en form for kondenseringsreaksjon der det dannes bindinger mellom to karbonatomer fra to forskjellige molekyler. Enzymet sitratsyntase katalyserer reaksjonen. Enzymet blir hemmet av sitrat. Dette er en produkthemming fordi sitrat er sluttproduktet i denne reaksjonen. Vann inngår i kondenseringsreaksjonen, og det dannes fritt koenzym A (CoA) ettersom forbindelsen acetyl-CoA spaltes.
Den andre reaksjonen i sitronsyresyklus er en isomeriseringsreaksjon, der sitrat omdannes til isositrat. Enzymet akonitase flytter en alkoholgruppe fra ett karbon til et annet. Enzymet spalter først av vann ved dehydrering, og tilfører deretter vann ved kondensasjon.
Den tredje reaksjonen i sitronsyresyklus er den første av fire reduksjons-oksidasjonsreaksjoner (redoks-reaksjoner), og den første av to oksidative dekarboksyleringer. Enzymet isositratdehydrogenase omdanner seks-karbonforbindelsen isositrat til fem-karbonforbindelsen alfa-ketoglutarat gjennom oksidativ dekarboksylering. Reaksjonen er også en oksidasjonsreaksjon fordi NAD+ reduseres til NADH. NADH forsyner elektrontransportkjeden med elektroner. Reaksjon tre er et viktig reguleringstrinn, og enzymet isositratdehydrogenase blir regulert av NADH, ATP, ADP og kalsiumioner. Høye konsentrasjoner av NADH og ATP indikerer at cellen har tilstrekkelig med energi, og at videre nedbrytning av næringsstoffer for energiproduksjon er unødvendig. Følgelig hemmer disse isositratdehydrogenase. Høy konsentrasjon av ADP tyder på at cellens energinivå er lavt, og at cellen må bryte ned næringsstoffer for å utvinne energi. Kalsiumioner er ikke en direkte markør for cellens energinivå, men er en sentral del av signalkaskaden som utløser kontraksjoner i muskelvev. Høy konsentrasjon av kalsiumioner tyder derfor på at muskelcellers energiforbruk kommer til å øke, og at det er nødvendig å produsere mer energi.
Reaksjon fire er den andre oksidasjonsreaksjonen og den andre oksidative dekarboksyleringen i sitronsyresyklus. Enzymet alfa-ketoglutaratdehydrogenase omdanner fem-karbonforbindelsen alfa-ketoglutarat til fire-karbonforbindelsen suksinyl-CoA ved å spalte av karbondioksid. I reaksjonen reduseres elektronbæreren NAD+ til NADH, og koenzym A bindes til molekylet på samme plassering som karbondioksid ble spaltet av. Kalsiumioner stimulerer alfa-ketoglutaratdehydrogenase. Høy konsentrasjon av NADH og suksinyl-CoA hemmer enzymet. Enzymet reguleres dermed ut ifra cellens forventede økte behov for energi, cellens energinivå og gjennom produkthemming.
Reaksjon fem er en substratnivåfosforylering der enzymet suksinyl-CoA-syntetase omdanner suksinyl-CoA til suksinat. Enzymet spalter av koenzym A fra suksinyl, og danner suksinat. I spaltningen frigjøres det energi til å drive substratnivåfosforylering, slik at det dannes GTP fra GDP og inorganisk fosfat.
Reaksjon seks er den tredje oksidasjonsreaksjonen. Enzymet suksinatdehydrogenase omdanner suksinat til fumarat. Denne omdannelsen foregår ved at det plasseres en dobbeltbinding mellom det andre og det tredje karbonatomet i suksinatmolekylet, slik at det også taper to hydrogenatomer. Elektronbæreren FAD tar opp disse to hydrogenatomene og blir redusert til FADH2.
Reaksjon syv er en kondensasjonsreaksjon der vann tilføres for å bryte dobbeltbindingen som ble laget i reaksjon seks. Enzymet fumarase omdanner fumarat til malat ved å bryte dobbeltbindingen i molekylet og tilføre en alkoholgruppe og et hydrogenatom til de ledige bindingene.
Reaksjon åtte er den fjerde oksidasjonsreaksjonen og den siste reaksjonen i sitronsyresyklus. Enzymet malatdehydrogenase oksiderer malat til oksaloacetat, samtidig som elektronbæreren NAD+ reduseres til NADH. Etter denne reaksjonen er sitronsyresyklus fullendt. Det nydannede oksaloacetatmolekylet kan igjen inngå i «Claisen»-kondenseringen som sammen med acetyl-CoA danner sitrat, slik at syklusen begynner på nytt.

Regulering

Allosterisk regulering

Sitronsyresyklus reguleres gjennom tilbakekoblingssløyfer og produkthemming. Dette involverer elektronbæreren NADH og enkelte stoffskifteprodukter, samt ATP, ADP og kalsiumioner. At reguleringen er allosterisk betyr at den foregår ved at et regulatormolekyl binder til et bindingssete på et enzym. De allosteriske bindingssetene er spesifikke for ett eller et lite utvalg molekyler. Når et regulatormolekyl binder seg på denne måten, endres strukturen til enzymet. Strukturendringen påvirker hvor lett enzymet kan binde til stoffet som inngår i den kjemiske reaksjonen enzymet katalyserer.

Hastighetsbegrensende reaksjoner

Reguleringen av sitronsyresyklus foregår på tre av de åtte reaksjonene i syklusen. Enzymene som katalyserer reaksjon én, tre og fire blir regulert allosterisk. Aktiviteten til disse enzymene avgjør hastigheten til hele reaksjonssyklusen. De tre reaksjonene kalles derfor «de hastighetsbegrensende reaksjonene». De fungerer som flaskehalser for hele reaksjonssyklusen. Reguleringen av de tre enzymene har likhetstrekk, men de er alle regulert forskjellig.

Regulering etter cellens behov

Reguleringen av sitronsyresyklus tilpasses kontinuerlig cellens energistatus og umiddelbare energiforbruk. Cellens og kroppens behov for byggesteiner til produksjon av nye molekyler er også viktig for regulering av syklusen. En bestemt energistatus for cellen gjenspeiler seg i sammensetningen av de allosteriske regulatorene som påvirker enzymene i reaksjon én, tre og fire. På denne måten vil den katalytiske aktiviteten til flaskehals-enzymene tilpasses behovet til kroppen og cellen. Regulatormolekylene i sitronsyresyklus som gjenspeiler cellens energibehov er NADH, ATP, ADP og kalsiumioner.

NADH

NADH er først og fremst en energibærer, men også en svært sentral regulator av cellens stoffskifte, inkludert energiproduksjon. Høye nivåer av NADH i cellen senker aktiviteten til enzymer som inngår i katabole reaksjonsveier. Sagt på en annen måte så bremser den cellens katabolisme.

I sitronsyresyklus hemmer NADH enzymene i reaksjon tre og fire. Like viktig er det at NADH ikke hemmer enzymet som danner sitrat i reaksjon én, da sitrat spiller en viktig regulerende rolle for cellenes evne til å omdanne glukose til fettsyrer for energilagring i en situasjon med energioverskudd.

Høye konsentrasjoner av NADH i mitokondriene forekommer ved to forskjellige stoffskifteforhold. Det ene er når vi er i energioverskudd og mitokondriene har gjendannet så mye ATP at det ikke er hensiktsmessig å fortsette. NADH og ATP hemmer da enzymene som reduserer NAD+ til NADH, slik at vi ikke oksiderer karbonforbindelser unødvendig.

Det andre stoffskifteforholdet som gir høye konsentrasjoner av NADH er anaerob katabolisme, altså uten oksygen tilgjengelig. Ved anaerob katabolisme kan ikke elektronbærere oksideres i elektrontransportkjeden som følge av mangel på oksygen. NADH hoper seg opp i mitokondriene og hemmer sitronsyresyklus. Cellens ATP-produksjon er da avhengig av anaerob glykolyse og gjendannelse av glukose gjennom glukoneogenese i leveren, i det som kalles Cori-syklusen. Anaerob katabolisme forekommer hovedsakelig i skjelettmuskulatur ved hardt fysisk arbeid.

ATP

ATP er cellens viktigste energivaluta. Konsentrasjonene av ATP i cellen og mitokondriene virker som et direkte mål på cellens energistatus. ATP er derfor en ideell markør for energinivået i cellen. ATP hemmer mange enzymer i katabole reaksjonsveier. Høye konsentrasjoner av ATP forekommer når vi er i energioverskudd, og samtidig ikke i fysisk aktivitet.

ADP

ADP er molekylet som dannes når energien i ATP frigjøres. Det er altså et molekyl med lavere iboende energinivå. Det skiller seg fra ATP ved at det har én fosfatgruppe mindre. Konsentrasjonen av ADP i cellen og mitokondriene stiger når cellen bruker mer ATP enn den lager.

ADP aktiverer enzymer i katabole reaksjonsveier. Høye konsentrasjoner av ADP stimulerer cellens gjendannelse av ATP fra ADP. Dette senker igjen konsentrasjonen av ADP, som gjør at aktiviteten til de katabole enzymene ikke er unødvendig høy.

Kalsiumioner (Ca2+)

Kalsiumioner er i muskelceller en del av signalkaskaden som utløser muskelsammentrekning. Når musklene trekker seg sammen, brukes ATP som energikilde. ATP-forbruket i en arbeidende muskel er veldig høyt. Det er derfor viktig at gjendannelsen av ATP igangsettes samtidig som en muskelsammentrekning begynner. Kalsiumioner fungerer som en god markør for økt energiforbruk og økt behov for gjendannelse av ATP. Kalsiumioner aktiverer enzymene som katalyserer reaksjon tre og fire i sitronsyresyklus.

Tilknytning til andre reaksjonsveier

Katabole og anabole reaksjonsveier

Sitronsyresyklus er et knutepunkt for flere reaksjonsveier i cellens stoffskifte. Syklusen produserer energi fra karbonforbindelser som acetyl-CoA fra glukose- og fettsyrekatabolisme og aminosyrer fra proteinkatabolisme. Av 20 aminosyrer kan 13 omdannes til stoffskifteprodukter i sitronsyresyklus, og dermed mates inn i reaksjonssyklusen ved behov. De forskjellige aminosyrene har fire innganger til sitronsyresyklus:

Alfa-ketoglutarat kan dannes fra aminosyrene glutamin, glutamat, arginin, histidin og prolin.
Suksinyl-CoA kan dannes fra aminosyrene isoleucin, metionin, treonin og valin.
Fumarat kan dannes fra aminosyrene fenylalanin og tyrosin
Oksaloacetat kan dannes fra aminosyrene asparagin og aspartat

Alle aminosyrer må gjennom en deamineringsprosess der aminogruppen fjernes før de kan inngå i sitronsyresyklus. Etter deamineringsprosessen kan de brukes både til energiproduksjon og, for mange av aminosyrene, til gjendannelse av glukose.

Sitronsyresyklus danner også forløpermolekyler for reaksjonsveier som bygger nye molekyler og bruker energi. Disse reaksjonsveiene kalles anabole reaksjonsveier, og er aktive når cellen har et overskudd av energi som kan brukes til syntese av nye stoffer. Fire forskjellige stoffskifteprodukter i sitronsyresyklus inngår som substrater i anabole reaksjonsveier: sitrat, alfa-ketoglutarat, suksinyl-CoA og oksaloacetat.

Sitrat

Sitrat inngår i sitrat-skyttelen, som er en mekanisme som frakter acetyl-CoA ut av mitokondriene og over i cellenes cytosol. Sitrat som dannes i reaksjon én i sitronsyresyklus kan oksideres til oksaloacetat gjennom de neste syv reaksjonene, gitt at de hastighetsbegrensende enzymene som katalyserer reaksjon tre og fire ikke er hemmet. Om disse enzymene hemmes av NADH og ATP som følge av høyt energinivå i cellen, vil sitrat fraktes ut av mitokondriene og over i cytosol, der det igjen spaltes til oksaloacetat og acetyl-CoA. Acetyl-CoA i cytosol kan benyttes som substrat i produksjonen av fettsyrer som kan lagres som triacylglyserol i fettceller, eller til steroler, som kan brukes til å danne kolesterol eller steroidhormoner. Oksaloacetat vil fraktes tilbake inn i mitokondriene i form av malat.

Alfa-ketoglutarat

Alfa-ketoglutarat kan ved hjelp av enzymet alfa-ketoglutaratdehydrogenase omdannes til aminosyren glutamat. Glutamat har mange roller i forskjellige celler. Det er et stoffskifteprodukt som er felles for flere reaksjonsveier, og inngår i reaksjonsveier som både bryter ned og lager nye aminosyrer.

Glutamat er også et signalstoff i hjernen (nevrotransmitter), og er i tillegg et forløpermolekyl i produksjonen av den hemmende nevrotransmitteren GABA.

Ved anabolt stoffskifte kan glutamat omdannes til aminosyrene glutamin, prolin og arginin. Det brukes også i produksjon av puriner, som er byggesteiner i DNA.

Suksinyl-CoA

Suksinyl-CoA inngår i syntesen av porfyriner. Porfyriner er molekyler som binder metallioner som er nødvendige i enzymers aktive seter. Et av de vanligste porfyrinene er hem, som binder et jernatom. Hem er den funksjonelle komponenten i de oksygenbindende proteinene hemoglobin i røde blodceller og myoglobin i muskelceller.

Hem og andre porfyriner er også komponenter i cytokromer, som er enzymer som inngår i blant annet antioksidantforsvaret og elektrontransportkjeden.

Oksaloacetat

Oksaloacetat er det siste stoffskifteproduktet i sitronsyresyklus. I tillegg til å kunne omdannes til sitrat sammen med acetyl-CoA kan det omdannes til fosfoenolpyruvat. Fosfoenolpyruvat kan omdannes til glukose gjennom glukoneogenese, eller inngå i syntesen av aminosyrene serin, glysin, cystein, fenylalanin, tyrosin og tryptofan.

Oksaloacetat er et stoffskifteprodukt som kobler sammen aminosyrenedbrytning og glukoneogenese. Muligheten til å omdanne aminosyrer til glukose er en viktig overlevelsesmekanisme for kroppen i en sult-situasjon. Leveren er det organet som utøver denne funksjonen. Leverceller utmerker seg ved at de kan omdanne en rekke forskjellige aminosyrer fra andre vev til oksaloacetat og videre til glukose. Glukosen vil leveren sende ut igjen til andre vev slik at disse får energi. Dette er spesielt viktig for funksjonen og overlevelsen til blodceller, som er totalt avhengige av en stabil tilgang på glukose.

Sitrat som regulator av andre reaksjonsveier

Sitrat er et stoffskifteprodukt som spiller en nøkkelrolle i regulering og koordinering av flere reaksjonsveier. Kroppen må til enhver tid prioritere hva næringsstoffer skal brukes til. Den kan prioritere å lage energi i form av ATP. Når ATP-lagrene er fulle, vil muskelceller og leverceller prioritere å fylle glykogenlagre, slik at kroppen har rask energi tilgjengelig mellom måltider. Når glykogenlagre er fylt opp, kan kroppen prioritere langtidslagring av energi i form av fett. Dette krever at de aktuelle cellene skifter fra katabolt til anabolt stoffskifte. Sitrat er regulatoren som koordinerer dette skiftet.

Sitrat regulerer andre reaksjonsveier når konsentrasjonen av sitrat i cytosol øker. Dette skjer først når konsentrasjonen av NADH og ATP i mitokondriene øker som følge av høyt energinivå i cellen. Da fraktes sitrat ut av mitokondriene og over i cytosol gjennom sitrat-skyttelen. I cytosol kan sitrat samvirke med enzymer i andre reaksjonsveier, som fosfofruktokinase 1 i glykolysen og acetyl-CoA-karboksylase i fettsyresyntesen.

Sitrat hemmer enzymet fosfofruktokinase 1. Dette enzymet katalyserer reaksjon tre i glykolysen, som er en hastighetsbegrensende reaksjon og det viktigste reguleringspunket i reaksjonsveien. Hemmingen av fosfofruktokinase 1 stanser oksideringen av glukose gjennom glykolysen, og igangsetter reaksjonsveien pentosefosfatreaksjonsveien.

Pentosefosfatreaksjonsveien bruker glukose-6-fosfat som substrat, og kan derfor forsynes fra reaksjon én i glykolysen. Reaksjonsveien har en oksidativ fase som bryter ned glukose, men istedenfor at det dannes ATP og NADH, dannes det et koenzym kjent som NADPH. Dette er et koenzym som brukes i fettsyresyntese i cellen, og må derfor produseres før fettsyresyntesen kan begynne. Når cellen har tilstrekkelig med NADPH settes fettsyresyntesen i gang. Dette gjør at konsentrasjonen av sitrat i cytosol går ned igjen.

Sitrat regulerer også enzymet acetyl-CoA-karboksylase, som driver en hastighetsbegrensende reaksjon i fettsyresyntesen. Enzymet omdanner acetyl-CoA til malonyl-CoA ved å tilføre karbondioksid. Malonyl-CoA hemmer også beta-oksidasjon, og hindrer derfor at fettsyresyntese og fettsyrenedbrytning foregår samtidig.

Historikk

Sitronsyresyklusen ble beskrevet av den tyske biokjemikeren Hans Adolf Krebs (1900–1981) i 1937.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

Fagansvarlig for Metabolisme

Birger Svihus

Professor, NMBU – Norges miljø- og biovitenskapelige universitet