Útskýrt hvernig hringferill, eins og sítrónusýruhringurinn, er í grundvallaratriðum frábrugðinn línulegum lífefnafræðilegum ferli, eins og glýkólýsu
Lýst hvernig pýrúvat, afurð glýkólýsu, er undirbúið fyrir inngöngu í sítrónusýruhringinn
Ef súrefni er til staðar heldur loftháð öndun áfram. Í heilkjörnungafrumum eru pýrúvatsameindirnar sem myndast í lok glýkólýsu fluttar inn í hvatbera, þar sem frumuöndun fer fram. Þar er pýrúvati breytt í asetýlhóp sem ferjusameindin hjálparensím A (CoA) tekur upp og virkjar. Efnasambandið sem myndast kallast asetýl-CoA. CoA er komið úr B5-vítamíni, pantótensýru. Fruman getur notað asetýl-CoA á ýmsa vegu, en meginhlutverk þess er að flytja asetýlhópinn sem er kominn úr pýrúvati yfir á næsta stig niðurbrots glúkósa.
Niðurbrot pýrúvats
Til að pýrúvat, afurð glýkólýsu, geti farið inn í næsta feril þarf það að gangast undir nokkrar breytingar. Umbreytingin er þriggja skrefa ferli (mynd 7.10).
Karboxýlhópur er fjarlægður af pýrúvati og sameind af koltvíoxíði losnar út í umhverfið. Þetta hvarf myndar tveggja kolefna hýdroxýetýlhóp sem er bundinn við ensímið pýrúvatdehýdrógenasa. Þetta er fyrsta kolefnið af sex í upprunalegu glúkósasameindinni sem er fjarlægt. Skrefið gerist tvisvar, því tvær pýrúvatsameindir myndast í lok glýkólýsu fyrir hverja glúkósasameind sem er brotin niður loftfirrt; þannig hafa tvö af sex kolefnum verið fjarlægð þegar báðum skrefum er lokið.
Hýdroxýetýlhópurinn oxast í asetýlhóp og rafeindirnar eru teknar upp af NAD+, sem myndar NADH. Orkuríku rafeindirnar frá NADH verða síðar notaðar til að mynda ATP.
Ensímbundni asetýlhópurinn er fluttur yfir á CoA og myndar asetýl-CoA.
Mynd 7.10. Þegar pýrúvat kemur inn í hvatberamerg breytir fjölensímflóki því í asetýl-CoA. Í ferlinu losnar koltvíoxíð og ein NADH-sameind myndast. Heimild: Rao, A., Ryan, K. og Tag, A., líffræðideild Texas A&M-háskóla.
Athugaðu að á öðru stigi glúkósaefnaskipta myndast koltvíoxíð þegar kolefnisatóm er fjarlægt og binst tveimur súrefnisatómum. Koltvíoxíð er ein helsta lokaafurð frumuöndunar.
Asetýl-CoA í CO2
Í viðurvist súrefnis flytur asetýl-CoA asetýlhóp sinn (2C) til fjögurra kolefna sameindarinnar oxalóasetats og myndar sítrat, sex kolefna sameind með þremur karboxýlhópum. Þessi ferill vinnur afganginn af þeirri orku sem hægt er að ná úr upprunalegu glúkósasameindinni og losar þær fjórar CO2-sameindir sem eftir eru. Þessi eini ferill gengur undir nokkrum heitum: sítrónusýruhringurinn, eftir fyrsta milliefninu sem myndast, sítrónusýru eða sítrati, þegar asetat tengist oxalóasetati; TCA-hringurinn, vegna þess að sítrónusýra eða sítrat og ísósítrat eru þríkarboxýlsýrur; og Krebs-hringurinn, eftir Hans Krebs, sem greindi fyrst skref ferilsins á fjórða áratugnum í flugvöðvum dúfna.
Sítrónusýruhringurinn
Líkt og umbreyting pýrúvats í asetýl-CoA fer sítrónusýruhringurinn fram í hvatberamerg. Næstum öll ensím sítrónusýruhringsins eru leysanleg, með þeirri einu undantekningu að ensímið súkkínatdehýdrógenasi er innfellt í innri himnu hvatberans. Ólíkt glýkólýsu er sítrónusýruhringurinn lokaður hringferill: síðasti hluti ferilsins endurmyndar efnasambandið sem notað var í fyrsta skrefinu. Átta skref hringsins eru röð redox-, afvötnunar-, vötnunar- og afkarboxýlerunarhvarfa sem mynda tvær koltvíoxíðsameindir, eitt GTP eða ATP og afoxuðu ferjurnar NADH og FADH2 (mynd 7.11). Þetta telst loftháður ferill vegna þess að NADH og FADH2 sem myndast verða að flytja rafeindir sínar yfir í næsta feril kerfisins, sem notar súrefni. Ef þessi flutningur á sér ekki stað stöðvast einnig oxunarskref sítrónusýruhringsins. Athugaðu að sítrónusýruhringurinn myndar mjög lítið ATP beint og eyðir ekki súrefni beint.
Mynd 7.11. Í sítrónusýruhringnum tengist asetýlhópurinn frá asetýl-CoA fjögurra kolefna oxalóasetatsameind og myndar sex kolefna sítratsameind. Í röð skrefa oxast sítrat og losar tvær koltvíoxíðsameindir fyrir hvern asetýlhóp sem fer inn í hringinn. Í ferlinu afoxast þrjár NAD⁺-sameindir í NADH, ein FAD-sameind afoxast í FADH2 og eitt ATP eða GTP, eftir frumugerð, myndast með hvarfefnisfosfórun. Þar sem lokaafurð sítrónusýruhringsins er einnig fyrsta hvarfefnið getur hringurinn haldið áfram ef næg hvarfefni eru til staðar. Heimild: Rao, A., Ryan, K., Tag, A. og Fletcher, S., líffræðideild Texas A&M-háskóla.
Skref í sítrónusýruhringnum
Áður en fyrsta skrefið hefst á sér stað umbreytingarfasi þar sem pýrúvatsýru er breytt í asetýl-CoA. Síðan hefst fyrsta skref hringsins: þéttihvarf sem sameinar tveggja kolefna asetýlhópinn við fjögurra kolefna oxalóasetatsameind og myndar sex kolefna sítratsameind. CoA er bundið við súlfhýdrýlhóp (-SH) og dreifist burt til að geta síðar sameinast öðrum asetýlhópi. Þetta skref er óafturkræft vegna þess að það er mjög orkulosandi. Hraði hvarfsins stjórnast af neikvæðri afturverkun og því magni ATP sem er til staðar. Ef ATP magn eykst lækkar hraði hvarfsins. Ef ATP skortir eykst hraðinn.
Í öðru skrefi tapar sítrat einni vatnssameind og fær aðra þegar sítrat breytist í hverfu sína, ísósítrat.
Í þriðja skrefi oxast ísósítrat og myndar fimm kolefna sameindina α-ketóglútarat ásamt CO2-sameind og tveimur rafeindum sem afoxa NAD+ í NADH. Þessu skrefi er einnig stjórnað með neikvæðri afturverkun frá ATP og NADH og jákvæðum áhrifum ADP.
Skref þrjú og fjögur eru bæði oxunar- og afkarboxýlerunarskref. Eins og áður losna rafeindir sem afoxa NAD+ í NADH og karboxýlhópar losna og mynda CO2-sameindir. α-ketóglútarat er afurð þriðja skrefsins og súkkínýlhópur er afurð fjórða skrefsins. CoA binst súkkínýlhópnum og myndar súkkínýl-CoA. Ensímið sem hvatar fjórða skrefið er stjórnað með afturvirkri hömlun frá ATP, súkkínýl-CoA og NADH.
Í fimmta skrefi kemur karboxýlhópur í stað hjálparensíms A og orkuríkt tengi myndast. Þessi orka er notuð í hvarfefnisfosfórun, við umbreytingu súkkínýlhópsins í súkkínat, til að mynda annaðhvort gúanósínþrífosfat (GTP) eða ATP. Tvær gerðir ensímsins, svokölluð ísóensím, koma fyrir í þessu skrefi eftir því í hvaða dýravef þær finnast. Önnur gerðin finnst í vefjum sem nota mikið ATP, svo sem hjarta- og beinagrindarvöðvum, og myndar ATP. Hin gerðin finnst í vefjum með mörgum uppbyggingarferlum, svo sem lifur, og myndar GTP. GTP er orkulega jafngilt ATP, en notkun þess er takmarkaðri; sérstaklega notar próteinmyndun fyrst og fremst GTP.
Sjötta skrefið er afvetnunarferli sem breytir súkkínati í fúmarat. Tvö vetnisatóm eru flutt yfir á FAD og afoxa það í FADH2. Athugaðu að orkan í rafeindum þessara vetnisatóma nægir ekki til að afoxa NAD+ en nægir til að afoxa FAD. Ólíkt NADH helst þessi ferja föst við ensímið og flytur rafeindirnar beint til rafeindaflutningskeðjunnar. Þetta er mögulegt vegna staðsetningar ensímsins sem hvatar skrefið í innri himnu hvatberans.
Í sjöunda skrefi er vatni bætt við fúmarat með vötnun og malat myndast. Síðasta skref sítrónusýruhringsins endurmyndar oxalóasetat með því að oxa malat. Önnur NADH-sameind myndast í ferlinu.
Tvö kolefnisatóm koma inn í sítrónusýruhringinn úr hverjum asetýlhópi, sem samsvarar fjórum af sex kolefnum einnar glúkósasameindar. Tvær koltvíoxíðsameindir losna í hverjum snúningi hringsins, en þær innihalda ekki endilega þau kolefnisatóm sem síðast bættust við. Asetýlkolefnin tvö losna að lokum í síðari snúningum hringsins; þannig eru öll sex kolefnisatóm upprunalegu glúkósasameindarinnar að lokum felld inn í koltvíoxíð. Hver snúningur hringsins myndar þrjár NADH-sameindir og eina FADH2-sameind. Þessar ferjur tengjast síðasta hluta loftháðrar öndunar, rafeindaflutningskeðjunni, til að framleiða ATP-sameindir. Eitt GTP eða ATP myndast einnig í hverjum hring. Nokkur milliefni sítrónusýruhringsins má nota við nýmyndun ónauðsynlegra amínósýra; því er hringurinn tvíþættur, bæði niðurbrots- og uppbyggingarferill.
