1. Obecná charakteristika Krebsova cyklu
Krebsův cyklus (též citrátový cyklus, cyklus kyseliny citronové, cyklus trikarboxylových kyselin) je společnou metabolickou dráhou sacharidů, lipidů a proteinů. Krebsův cyklus je považován za největší zdroj energie v podobě produkce adenosintrifosfátu ATP pro organismus - během jednoho cyklu se sice uvolní pouze jedna molekula GTP (obdoba ATP), nicméně další jsou uvolněny při dějích přímo spjatých s Krebsovým cyklem (v dýchacím řetězci vzniká z 3 molekul NADH 9 molekul ATP a z 1 molekuly FADH2 2 molekuly ATP). Ačkoliv má Krebsův cyklus spíše katabolický (rozkladný) charakter (dochází při něm k odbourávání sloučenin s vyšším počtem atomů uhlíku až na oxid uhličitý, který je z organismu odváděn při dýchání), jsou mnohé jeho meziprodukty použity na syntézu jiných látek (např. aminokyselin).
2. Průběh Krebsova cyklu
Odbouráváním D-glukosy (ze sacharidů), karboxylových kyselin (z lipidů) a mnohých aminokyselin (z proteinů) vzniká acetylkoenzym A (acetyl-CoA, aktivovaná forma kyseliny octové). Z něho se uvolní acetylový zbytek (CH3CO-), jehož kondenzací s kyselinou oxaloctovou vzniká citrát (kyselina citronová). Následnou dehydrogenací (odštěpení vodíku) a dekarboxylací (odštěpení oxidu uhličitého) citrátu vzniká nejprve kyselina 2-oxoglutarová, poté kyselina oxaloctová. Kyselina oxaloctová může kondenzovat s dalším acetylem a celý cyklus se opakuje. Produktem Krebsova cyklu jsou molekuly oxidu uhličitého a vodíkové atomy, které jsou využity při slučování s kyslíkem na vodu.
(1) Acetylkoenzym A se váže na oxalacetát, čímž vznikne citrát a uvolní se koenzym A.
(2) Izomerací citrátu vznikne isocitrát.
(3) Dekarboxylací (odštěpením oxidu uhličitého CO2) isocitrátu za současné redukce nikotinamidadenindinukleotidu NAD+ vznikne α-ketoglutarát.
(4) Navázáním koenzymu A na α-ketoglutarát (též 2-oxoglutarát), jeho dekarboxylací (odštěpením oxidu uhličitého) a redukcí nikotinamidadenindinukleotidu NAD+ vznikne sukcinyl A.
(5) Ze sukcinylu A se odštěpí koenzym A a dojde k přeměně guanosindifosfátu GDP na guanosintrifosfát GTP. Produktem reakce je sukcinát.
(6) Redukcí flavinadenindinukleotidu FAD vznikne ze sukcinátu fumarát.
(7) Hydratací (adicí vody) fumarátu vzniká malát.
(8) Malát se přeměňuje na oxalacetát za redukce nikotinamidadenindinukleotidu NAD+.
3. Dýchací řetězec
Redukované koenzymy (NADH + H+ a FADH2) z Krebsova cyklu vstupují do dýchacího řetězce. Ten probíhá v mitochondriích. Vodík vázaný v redukovaných koenzymech se při dýchání oxiduje, čímž získává organismus značné množství energie (oxidace je katabolický děj). Jako oxidační činidlo používá organismus kyslík, který se do těla dostane při nadechnutí. Zjednodušenná souhrnná rovnice reakce probíhající na mitochondriích při oxidaci redukovaného koenzymu nikotinamidadenindinukleotidu NADH + H+ je:
NADH + H+ + 1/2 O2 + 3 ADP + 3 Pi → NAD+ + H2O + 3 ATP
Celý děj probíhá ve dvou na sebe navazujících fázích. V té první dochází k transportu elektronů z redukovaných koenzymů NADH + H+ a FADH2 na kyslík. Druhou fází je oxidační fosforylace, při které se uvolněná energie ukládá do adenosintrifosfátu ATP. Přenosem elektronů je vytvářen gradient H+ v mezimembránovém prostoru mitochondrie, který pohání ATP-syntasu a umožňuje tak vznik ATP. Oxidací redukovaného koenzymu NADH + H+získáme větší množství energie (konkrétně o 1 molekulu adenosintrifosfátu ATP více) než při oxidaci redukované formy koenzymu FADH2.