Informatie

PDH, TCA-cyclus - Biologie


PDH, TCA-cyclus

Mitochondriale TCA-cyclusmetabolieten controleren fysiologie en ziekte

Mitochondriën zijn signalerende organellen die een breed scala aan cellulaire functies reguleren en het lot van de cel kunnen dicteren. Meerdere mechanismen dragen bij aan het communiceren van mitochondriale fitheid aan de rest van de cel. Recent bewijs kent een nieuwe rol toe aan tussenproducten van de TCA-cyclus, waarvan algemeen wordt aangenomen dat ze belangrijk zijn voor biosynthetische doeleinden, als signaalmoleculen met functies die chromatine-modificaties, DNA-methylatie, de hypoxische respons en immuniteit regelen. Deze review vat de mechanismen samen waarmee de overvloed aan verschillende TCA-cyclusmetabolieten de cellulaire functie en het lot in verschillende contexten regelt. We zullen ons concentreren op hoe deze metabolieten gemedieerde signalering de fysiologie en ziekte kan beïnvloeden.


Vasthouden aan de TCA-cyclus

Loslating van epitheelcellen van de extracellulaire matrix (ECM) kan ingrijpende veranderingen in het cellulaire metabolisme veroorzaken, waaronder verminderde glucoseopname en ATP-productie. Het mechanisme waarmee ECM-loslating het metabolisme beïnvloedt, is echter minder goed gedefinieerd. Brugge en collega's geven nu nieuw inzicht in hoe ECM-detachement de ATP-productie vermindert en suggereren een mechanisme waarmee kankercellen deze metabolische veranderingen vermijden (Genen Dev. 25, 1716–1733 2011).

Acetyl-CoA wordt verbruikt door de tricarbonzuur (TCA) cyclus om ATP en andere biosynthetische verbindingen te produceren. Pyruvaatdehydrogenasekinasen (PDK's) remmen de omzetting van pyruvaat in acetyl-CoA door fosforylering en inactivering van de verantwoordelijke katalysator - pyruvaatdehydrogenase (PDH). De auteurs ontdekten dat de flux door de TCA-cyclus en de ATP-productie was verslechterd in losgemaakte normale borstepitheelcellen, maar niet in cellen die de groeifactorreceptor ErbB2 tot overexpressie brengen. Verminderde PDH-flux werd toegeschreven aan door loslating geïnduceerde opregulatie van PDK4 in normale cellen. Overexpressie van ErbB4 blokkeerde echter de opregulatie van PDK4 en herstelde de PDH-flux via Mek-Erk-activatie. Inderdaad, Mek-remming verminderde de PDH-flux zelfs in aangehechte cellen.

De auteurs toonden verder aan dat overexpressie van PDK4 de PDH-flux in aangehechte cellen onafhankelijk van ErbB2-expressie blokkeerde en cellulaire proliferatie remde. Deze gegevens tonen aan dat TCA-flux buitengewoon gevoelig is voor ECM-aanhechting en suggereren dat hyperactieve Mek-Erk-signalering kankercellen zou kunnen beschermen tegen door loslating geïnduceerde veranderingen in cellulair metabolisme en proliferatie.


PDH, TCA-cyclus - Biologie

De tricarbonzuurcyclus ([TCA-cyclus] ook wel de citroenzuurcyclus of de Krebs-cyclus genoemd) speelt verschillende rollen in de stofwisseling. Het is de laatste route waar het oxidatieve katabolisme van koolhydraten, aminozuren en vetzuren samenkomt, waarbij hun koolstofskeletten worden omgezet in CO2 (Afbeelding 9.1). Deze oxidatie levert energie voor de productie van het grootste deel van adenosinetrifosfaat (ATP) bij de meeste dieren, inclusief mensen. De TCA-cyclus vindt volledig plaats in de mitochondriën en bevindt zich daarom dicht bij de reacties van elektronentransport (zie p. 73), die de gereduceerde co-enzymen (NADH en FADH) oxideren.2) geproduceerd door de cyclus. De TCA-cyclus is een aerobe route, omdat O2 is vereist als de uiteindelijke elektronenacceptor. Reacties zoals het katabolisme van sommige aminozuren genereren tussenproducten van de cyclus en worden anaplerotische (“opvullende”) reacties genoemd. De TCA-cyclus levert ook tussenproducten voor een aantal belangrijke synthesereacties. De cyclus functioneert bijvoorbeeld bij de vorming van glucose uit de koolstofskeletten van sommige aminozuren en levert bouwstenen voor de synthese van sommige aminozuren (zie p. 267) en heem (zie p. 278). Daarom moet deze cyclus niet worden gezien als een gesloten cirkel, maar als een rotonde met verbindingen die naar behoefte in- en uitgaan.

Afbeelding 9.1 De tricarbonzuurcyclus wordt getoond als onderdeel van de essentiële routes van het energiemetabolisme. (Zien Afbeelding 8.2, P. 92 voor een meer gedetailleerde weergave van de metabole kaart.) CoA = co-enzym A.

II. REACTIES VAN DE CYCLUS

In de TCA-cyclus wordt oxaalacetaat eerst gecondenseerd met een acetylgroep van acetyl-co-enzym A (CoA) en vervolgens geregenereerd als de cyclus is voltooid (Afbeelding 9.1). Daarom leidt de intrede van één acetyl-CoA in één ronde van de TCA-cyclus niet tot de netto productie of consumptie van tussenproducten. [Opmerking: twee koolstoffen die de cyclus binnenkomen als acetyl CoA worden gecompenseerd door twee CO2 verlaten.]

A. Oxidatieve decarboxylatie van pyruvaat

De belangrijkste bron van acetyl CoA, het twee-koolstofsubstraat voor de TCA-cyclus, is de oxidatieve decarboxylering van pyruvaat. Pyruvaat, het eindproduct van aerobe glycolyse, moet van het cytosol naar het mitochondrion worden getransporteerd. Dit wordt bereikt door een specifieke transporter die de beweging van pyruvaat over het binnenste mitochondriale membraan vergemakkelijkt. Eenmaal in de mitochondriale matrix wordt pyruvaat omgezet in acetyl CoA door de pyruvaatdehydrogenasecomplex (PDH-complex), wat een multi-enzymcomplex is. [Opmerking: Strikt genomen is de PDH-complex maakt geen deel uit van de TCA-cyclus, maar levert wel substraat voor de cyclus.]

1. Component enzymen: De PDH-complex is een eiwitaggregaat van meerdere kopieën van drie enzymen, pyruvaat carboxylase (E1, soms genoemd pyruvaatdehydrogenase), dihydrolipoyltransacetylase (E2), en dihydrolipoyldehydrogenase (E3). Elk katalyseert een deel van de totale reactie (Afbeelding 9.2). Hun fysieke associatie verbindt de reacties in de juiste volgorde zonder dat er tussenproducten vrijkomen. Naast de enzymen die deelnemen aan de omzetting van pyruvaat in acetyl CoA, bevat het complex ook twee nauw gebonden regulerende enzymen, pyruvaat dehydrogenase kinase (PDH-kinase) en pyruvaat dehydrogenase fosfatase (PDH-fosfatase).

2. Co-enzymen: De PDH-complex bevat vijf co-enzymen die fungeren als dragers of oxidanten voor de tussenproducten van de reacties die worden weergegeven in Afbeelding 9.2. E1 vereist thiaminepyrofosfaat (TPP), E2 vereist liponzuur en CoA, en E3 vereist flavine adenine dinucleotide (FAD) en nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+). [Opmerking: TPP, liponzuur en FAD zijn stevig aan de enzymen gebonden en functioneren als co-enzymen-prothetische groepen (zie p. 54).]

Tekorten aan thiamine of niacine kunnen ernstige problemen met het centrale zenuwstelsel veroorzaken. Dit komt omdat hersencellen niet in staat zijn om voldoende ATP te produceren (via de TCA-cyclus) als de PDH-complex is inactief. Wernicke-Korsakoff, een encefalopathie-psychosesyndroom als gevolg van thiaminedeficiëntie, kan worden gezien bij alcoholmisbruik.

Afbeelding 9.2 Werkingsmechanisme van de pyruvaatdehydrogenasecomplex. [Opmerking: alle co-enzymen van het complex, behalve liponzuur, zijn afgeleid van vitamines. TPP is van thiamine, FAD van riboflavine, NAD van niacine en CoA van pantotheenzuur.] TPP = thiaminepyrofosfaat L = liponzuur CoA = co-enzym A FAD(H2) = flavine-adenine-dinucleotide NAD(H) = nicotinamide-adenine-dinucleotide.

3. Regulering van het pyruvaatdehydrogenasecomplex: Covalente modificaties door de twee regulerende enzymen die deel uitmaken van het complex, activeren en deactiveren afwisselend E1. De cyclische AMP-onafhankelijke PDH-kinasefosforyleert en inactiveert daardoor E1, terwijl PDH-fosfatase defosforyleert en activeert E1 (Afbeelding 9.3). De kinase zelf wordt allosterisch geactiveerd door ATP, acetyl CoA en NADH. Daarom, in aanwezigheid van deze hoogenergetische signalen, PDH-complex is uitgeschakeld. [Opmerking: het is eigenlijk de stijging van de ATP/ADP-, NADH/NAD+- of acetyl-CoA/CoA-verhoudingen die de enzymatische activiteit beïnvloedt.] Pyruvaat is een krachtige remmer van PDH-kinase. Dus als de pyruvaatconcentraties verhoogd zijn, E1 maximaal actief zal zijn. Calcium (Ca 2+ ) is een sterke activator van PDH-fosfatase, stimulerend E1 werkzaamheid. Dit is vooral belangrijk in skeletspieren, waar de afgifte van Ca2+ tijdens contractie de PDH-complex en daarmee de productie van energie. [Opmerking: hoewel covalente regulering door de kinase en fosfatase primair is, is het complex ook onderhevig aan productremming (NADH en acetyl CoA).]

Afbeelding 9.3 Regulering van pyruvaatdehydrogenase (PDH) -complex. [ duidt productremming aan.]

4. Pyruvaatdehydrogenasecomplexdeficiëntie: Een tekort aan de activiteit van de &alfa-subeenheid van het dimere E1 onderdeel van de PDH-complex, hoewel zeldzaam, is de meest voorkomende biochemische oorzaak van congenitale lactaatacidose. Deze enzymdeficiëntie resulteert in een onvermogen om pyruvaat om te zetten in acetyl-CoA, waardoor pyruvaat wordt omgeleid naar lactaat via lactaatdehydrogenase (zie p. 103). Dit zorgt voor specifieke problemen voor de hersenen, die voor het grootste deel van hun energie afhankelijk zijn van de TCA-cyclus en bijzonder gevoelig zijn voor acidose. Symptomen zijn variabel en omvatten neurodegeneratieve spierspasticiteit en, in de neonatale vorm, vroege dood. Het gen voor de &alpha-subeenheid is X-gebonden en omdat zowel mannen als vrouwen kunnen worden aangetast, wordt de deficiëntie geclassificeerd als X-gebonden dominant. Hoewel er geen bewezen behandeling is voor PDH-complex deficiëntie, dieetbeperking van koolhydraten en suppletie met thiamine kunnen de symptomen bij geselecteerde patiënten verminderen.

Leigh-syndroom (subacute necrotiserende encefalomyelopathie) is een zeldzame, progressieve, neurodegeneratieve aandoening die wordt veroorzaakt door defecten in de mitochondriale ATP-productie, voornamelijk als gevolg van mutaties in genen die coderen voor eiwitten van de PDH-complex, de elektronentransportketen, of ATP-synthase. Zowel nucleair als mitochondriaal DNA kan worden aangetast.

5. Mechanisme van arseenvergiftiging: Zoals eerder beschreven (zie p. 101), kan pentavalent arseen (arsenaat) de glycolyse aan de glyceraldehyde 3-fosfaat stap, waardoor de ATP-productie afneemt. "Arseenvergiftiging" is echter voornamelijk te wijten aan remming van enzymen die liponzuur als co-enzym nodig hebben, waaronder E2 van de PDH-complex, &alfa-ketoglutaraat dehydrogenase (zie hieronder), en vertakte keten &alfa-ketozuurdehydrogenase (zie p. 266). Arseniet (de driewaardige vorm van arseen) vormt een stabiel complex met de thiol (-SH) groepen van liponzuur, waardoor die verbinding niet meer als co-enzym kan dienen. Wanneer het zich bindt aan liponzuur in de PDH-complexpyruvaat (en bijgevolg lactaat) hoopt zich op. zoals bij PDH-complex tekort heeft dit vooral invloed op de hersenen, wat neurologische stoornissen en de dood tot gevolg heeft.

Afbeelding 9.4 Vorming van &alpha-ketoglutaraat uit acetyl co-enzym A (CoA) en oxaalacetaat. NAD(H) = nicotinamide-adenine-dinucleotide

B. Synthese van citraat uit acetyl-co-enzym A en oxaalacetaat

De condensatie van acetyl CoA en oxaalacetaat (OAA) om citraat (een tricarbonzuur) te vormen, wordt gekatalyseerd door citraatsynthase (Afbeelding 9.4). Deze aldolcondensatie heeft een evenwicht ver in de richting van citraatsynthese. In mensen, citraatsynthase is geen allosterisch enzym. Het wordt geremd door zijn product, citraat. Substraatbeschikbaarheid is een ander reguleringsmiddel voor citraatsynthase. De binding van OAA veroorzaakt een conformationele verandering in het enzym dat een bindingsplaats voor acetyl CoA genereert. [Opmerking: Citraat is niet alleen een tussenproduct in de TCA-cyclus, maar biedt ook een bron van acetyl-CoA voor de cytosolische synthese van vetzuren (zie p. 183). Citraat remt ook fosfofructokinase-1 (PFK-1), het snelheidsbeperkende enzym van glycolyse (zie p. 99), en activeert acetyl CoA-carboxylase (het snelheidsbeperkende enzym van vetzuursynthese zie p. 183).]

C. Isomerisatie van citraat

Citraat wordt geïsomeriseerd tot isocitraat door aconitase (aconitate hydratase), een Fe-S-eiwit (zie Afbeelding 9.4). [Opmerking: aconitase wordt geremd door fluoracetaat, een plantentoxine dat als pesticide wordt gebruikt. Fluoracetaat wordt omgezet in fluoracetyl-CoA, dat condenseert met OAA om fluorcitraat te vormen (een krachtige remmer van aconitase), resulterend in citraataccumulatie.]

D. Oxidatieve decarboxylatie van isocitraat

Isocitraatdehydrogenase katalyseert de onomkeerbare oxidatieve decarboxylering van isocitraat, wat de eerste van drie NADH-moleculen oplevert die door de cyclus worden geproduceerd en de eerste afgifte van CO2 (zien Afbeelding 9.4). Dit is een van de snelheidsbeperkende stappen van de TCA-cyclus. Het enzym wordt allosterisch geactiveerd door ADP (een laag-energetisch signaal) en Ca2+ en wordt geremd door ATP en NADH, waarvan de niveaus verhoogd zijn wanneer de cel overvloedige energievoorraden heeft.

E. Oxidatieve decarboxylering van &alfa-ketoglutaraat

De omzetting van &alpha-ketoglutaraat in succinyl CoA wordt gekatalyseerd door de &alfa-ketoglutaraat dehydrogenase complex, een eiwitaggregaat van meerdere kopieën van drie enzymen (Afbeelding 9.5). Het mechanisme van deze oxidatieve decarboxylering lijkt sterk op het mechanisme dat wordt gebruikt voor de omzetting van pyruvaat in acetyl CoA door de PDH-complex. Bij de reactie komt de tweede CO . vrij2 en produceert de tweede NADH van de cyclus. De benodigde co-enzymen zijn TPP, liponzuur, FAD, NAD+ en CoA. Elk functioneert als onderdeel van het katalytische mechanisme op een manier die analoog is aan die beschreven voor de PDH-complex (zie p. 110). Het evenwicht van de reactie is ver in de richting van succinyl CoA, een hoogenergetische thioester vergelijkbaar met acetyl CoA. &alfa-ketoglutaraatdehydrogenasecomplex wordt geremd door zijn producten, NADH en succinyl CoA, en geactiveerd door Ca2+. Het wordt echter niet gereguleerd door fosforylerings-/defosforyleringsreacties zoals beschreven voor PDH-complex. [Opmerking: &alpha-ketoglutaraat wordt ook geproduceerd door de oxidatieve deaminering (zie p. 252) en transaminering van het aminozuur glutamaat (zie p. 250).]

Afbeelding 9.5 Vorming van malaat uit &alpha-ketoglutaraat. NAD(H) = nicotinamide-adenine-dinucleotide GDP = guanosinedifosfaat P = fosfaat CoA = co-enzym A FAD(H2) = flavine-adenine-dinucleotide.

F. Splitsing van succinyl-co-enzym A

Succinaat thiokinase (ook wel genoemd succinyl CoA-synthetase, genoemd naar de omgekeerde reactie) splitst de hoogenergetische thioesterbinding van succinyl CoA (zie Afbeelding 9.5). Deze reactie is gekoppeld aan de fosforylering van guanosinedifosfaat (GDP) tot guanosinetrifosfaat (GTP). GTP en ATP zijn energetisch onderling converteerbaar door de nucleoside difosfaat kinase reactie:

GTP + ADP&emsp BBP + ATP

Het genereren van GTP door succinaat thiokinase is een ander voorbeeld van fosforylering op substraatniveau (zie p. 102). [Opmerking: Succinyl-CoA wordt ook geproduceerd uit propionyl-CoA dat is afgeleid van het metabolisme van vetzuren met een oneven aantal koolstofatomen (zie p. 193) en van het metabolisme van verschillende aminozuren (zie pp. 265–266).]

Afbeelding 9.6 Vorming (regeneratie) van oxaalacetaat uit malaat. NAD(H) = nicotinamide-adenine-dinucleotide.

G. Oxidatie van succinaat

Succinaat wordt geoxideerd tot fumaraat door succinaat dehydrogenase, omdat FAD (zijn co-enzym) wordt gereduceerd tot FADH2 (zien Afbeelding 9.5). Succinaat dehydrogenase is het enige enzym van de TCA-cyclus dat is ingebed in het binnenste mitochondriale membraan. Als zodanig functioneert het als Complex II van de elektronentransportketen (zie p. 75). [Opmerking: FAD, in plaats van NAD + , is de elektronenacceptor omdat het reducerende vermogen van succinaat niet voldoende is om NAD + te verminderen.]

H. Hydratatie van fumaraat

Fumaraat wordt gehydrateerd tot malaat in een vrij omkeerbare reactie gekatalyseerd door fumarase (fumaraathydratase zien Afbeelding 9.5). [Opmerking: fumaraat wordt ook geproduceerd door de ureumcyclus (zie p. 255), bij de purinesynthese (zie p. 294) en tijdens katabolisme van de aminozuren fenylalanine en tyrosine (zie p. 263).]

I. Oxidatie van malaat

Malaat wordt geoxideerd tot oxaalacetaat door malaatdehydrogenase (Afbeelding 9.6). Deze reactie produceert de derde en laatste NADH van de cyclus. De standaard vrije energieverandering (∆G 0 zie p. 70) van de reactie is positief, maar de reactie wordt in de richting van OAA gedreven door de sterk exergonische citraatsynthase reactie. [Opmerking: OAA wordt ook geproduceerd door de transaminering van het aminozuur asparaginezuur (zie p. 250).]

III. ENERGIE GEPRODUCEERD DOOR DE CYCLUS

Twee koolstofatomen komen de cyclus binnen als acetyl-CoA en vertrekken als CO2. De cyclus omvat geen netto consumptie of productie van OAA of enig ander tussenproduct. Vier elektronenparen worden tijdens één omwenteling van de cyclus overgedragen: drie elektronenparen reduceren drie NAD+ tot NADH en één paar reduceert FAD tot FADH2. Oxidatie van één NADH door de elektronentransportketen leidt tot de vorming van ongeveer drie ATP, terwijl oxidatie van FADH2levert ongeveer twee ATP op (zie p. 77). De totale opbrengst aan ATP van de oxidatie van één acetyl CoA wordt getoond in Afbeelding 9.7. Afbeelding 9.8 vat de reacties van de TCA-cyclus samen.

Afbeelding 9.7 Aantal ATP-moleculen geproduceerd door de oxidatie van één molecuul acetyl-co-enzym A (CoA) met behulp van zowel substraatniveau als oxidatieve fosforylering.

NS. REGELING VAN DE CYCLUS

In tegenstelling tot glycolyse, die voornamelijk wordt gereguleerd door PFK-1, wordt de TCA-cyclus gecontroleerd door de regulatie van verschillende enzymen (zie Afbeelding 9.8). De belangrijkste van deze gereguleerde enzymen zijn die die reacties katalyseren met zeer negatieve ∆G 0 : citraatsynthase, isocitraat dehydrogenase, en &alfa-ketoglutaraat dehydrogenase complex. Reductie-equivalenten die nodig zijn voor oxidatieve fosforylering worden gegenereerd door de PDH complex en de TCA-cyclus, en beide processen worden opgereguleerd als reactie op een afname van de verhouding van ATP tot ADP.

Afbeelding 9.8 A. [Opmerking: GTP en ATP worden onderling geconverteerd door nucleoside difosfaat kinase.] Productie van gereduceerde co-enzymen, ATP en CO2 in de citroenzuurcyclus. B. Remmers en activatoren van de cyclus.

V. HOOFDSTUK SAMENVATTING

Pyruvaat is oxidatief gedecarboxyleerd door pyruvaatdehydrogenase (PDH) complex, producerend acetyl co-enzym A (CoA), de belangrijkste brandstof voor de tricarbonzuurcyclus ([TCA-cyclus] Afbeelding 9.9). Dit multi-enzymcomplex vereist vijf co-enzymen: thiaminepyrofosfaat, liponzuur, flavine adenine dinucleotide (DIK), nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ), en CoA. PDH-complex wordt gereguleerd door covalente modificatie van E1(pyruvaatdecarboxylase) door PDH-kinase en PDH-fosfatase: fosforylering remt E1. PDH-kinase wordt allosterisch geactiveerd door ATP, acetyl CoA en NADH en geremd door pyruvaat. De fosfatase wordt geactiveerd door Ca2+. PDH-complex tekort is de meest voorkomende biochemische oorzaak van aangeboren lactaatacidose. Vooral het centrale zenuwstelsel wordt hierbij aangetast X-gebonden dominant wanorde. Arseenvergiftiging veroorzaakt inactivering van de PDH-complex door binding aan liponzuur. Citraat wordt gesynthetiseerd uit oxaalacetaat en acetyl COA door citraatsynthase. Dit enzym is onderhevig aan productremming door citraat. Citraat wordt geïsomeriseerd om isocitraat door aconitase (aconitate hydratase). isocitraat wordt oxidatief gedecarboxyleerd door isocitraat dehydrogenase tot &alfa-ketoglutaraat, producerend CO2 en NADH. Het enzym wordt geremd door ATP en NADH en geactiveerd door ADP en Ca2+. &alfa-ketoglutaraat wordt oxidatief gedecarboxyleerd tot succinyl CoA Door de &alfa-ketoglutaraat dehydrogenase complex, producerend CO2 en NADH. Het enzym lijkt erg op het PDH-complex en gebruikt dezelfde co-enzymen. &alfa-ketoglutaraatdehydrogenasecomplex wordt geactiveerd door Ca+2 en geremd door NADH en succinyl CoA, maar wordt niet covalent gereguleerd. Succinyl CoA wordt gesplitst door succinaat thiokinase (ook wel genoemd succinyl CoA-synthetase), producerend succinaat en GTP. Dit is een voorbeeld van fosforylering op substraatniveau. succinaat wordt geoxideerd tot fumaraat door succinaat dehydrogenase, producerend FADH2. fumaraat is gehydrateerd tot malaatdoor fumarase (fumaraathydratase), en malaat wordt geoxideerd tot oxaalacetaat door malaatdehydrogenase, producerend NADH. Drie NADH, een FADH2, en een GTP (waarvan het eindfosfaat kan worden overgedragen aan ADP door nucleoside difosfaat kinase, die ATP produceren) worden geproduceerd door één ronde van de TCA-cyclus. De vorming van acetyl CoA door de oxidatie van pyruvaat via de PDH-complex produceert ook een NADH. Oxidatie van de NADH en FADH2 door de elektronentransportketen levert 14 ATP op. Een extra ATP (GTP) komt van fosforylering op substraatniveau in de TCA-cyclus. Daarom worden in totaal 15 ATP geproduceerd uit de volledige mitochondriale oxidatie van pyruvaat tot CO2.

Afbeelding 9.9 Key concept map voor de tricarbonzuur (TCA) cyclus. CoA = co-enzym A NAD(H) = nicotinamide-adenine-dinucleotide FAD(H2) = flavine adenine dinucleotide GDP = guanosine difosfaat GTP = guanosine trifosfaat ADP = adenosine difosfaat Pl = anorganisch fosfaat.

Studievragen

Kies het EEN beste antwoord.

9.1 De omzetting van pyruvaat naar acetyl co-enzym A en CO2:

A. omvat de deelname van liponzuur.

B. wordt geactiveerd wanneer pyruvaatdecarboxylase van het pyruvaatdehydrogenase (PDH) -complex wordt gefosforyleerd door PDH-kinase in aanwezigheid van ATP.

E. heeft het co-enzym biotine nodig.

Correct antwoord = A. Liponzuur is een intermediaire acceptor van de acetylgroep die bij de reactie wordt gevormd. Pyruvaatdehydrogenasecomplex katalyseert een onomkeerbare reactie die wordt geremd wanneer de decarboxylasecomponent wordt gefosforyleerd. Het enzymcomplex bevindt zich in de mitochondriale matrix. Biotine wordt gebruikt door carboxylasen, niet door decarboxylasen.

9.2 Welke van de volgende omstandigheden vermindert de oxidatie van acetyl-co-enzym A door de citroenzuurcyclus?

A. Een hoge beschikbaarheid van calcium

B. Een hoge acetyl CoA/CoA-verhouding

Correct antwoord = D. Een lage NAD + /NADH-verhouding beperkt de snelheden van de NAD + -vereisende dehydrogenasen. Hoge beschikbaarheid van calcium en substraat (acetyl CoA), en een lage ATP/ADP verhouding stimuleert de cyclus.

9.3 Het volgende is de som van drie stappen in de citroenzuurcyclus.

A + B + FAD + H2O &rarr C + FADH2 + NADH

Kies het antwoord met letters dat overeenkomt met de ontbrekende "A", "B" en "C" in de vergelijking.

Correct antwoord = B. Succinaat + NAD + + FAD + H2O &rarr oxaalacetaat + NADH + FADH2

9.4 Een 1 maand oude man vertoont neurologische problemen en lactaatacidose. Enzymtest voor pyruvaatdehydrogenase (PDH)-complexactiviteit op extracten van gekweekte huidfibroblasten vertoonde 5% van de normale activiteit met een lage concentratie thiaminepyrofosfaat (TPP), maar 80% van de normale activiteit wanneer de test een duizendvoudig hogere concentratie van TPP. Welke van de volgende uitspraken over deze patiënt is juist?

A. Toediening van thiamine zal naar verwachting zijn serumlactaatspiegel verlagen en zijn klinische symptomen verbeteren.

B. Verwacht wordt dat een koolhydraatrijk dieet gunstig is voor deze patiënt.

C. De productie van citraat door aerobe glycolyse zal naar verwachting toenemen.

D. PDH-kinase, een regulerend enzym van het PDH-complex, is naar verwachting actief.

Correct antwoord = A. De patiënt lijkt een op thiamine reagerende pyruvaatdehydrogenase (PDH)-complexdeficiëntie te hebben. De pyruvaatdecarboxylase (E1) component van het PDH-complex slaagt er niet in om thiaminepyrofosfaat te binden bij een lage concentratie, maar vertoont significante activiteit bij een hoge concentratie van het co-enzym. Deze mutatie, die de K . beïnvloedtm van het enzym voor het co-enzym, is aanwezig in sommige, maar niet alle, gevallen van PDH-complexdeficiëntie. Omdat het PDH-complex een integraal onderdeel is van het koolhydraatmetabolisme, wordt verwacht dat een dieet met weinig koolhydraten de effecten van de enzymdeficiëntie afzwakt. Aerobe glycolyse genereert pyruvaat, het substraat van het PDH-complex. Verminderde activiteit van het complex vermindert de productie van acetyl-co-enzym A, een substraat voor citraatsynthase. PDH-kinase wordt allosterisch geremd door pyruvaat en is daarom inactief.

9.5 Welk co-enzym-cosubstraat wordt gebruikt door de dehydrogenasen van zowel glycolyse als de tricarbonzuurcyclus?

Geoxideerd nicotinamide-adenine-dinucleotide (NAD+) wordt gebruikt door glyceraldehyde 3-fosfaatdehydrogenase van glycolyse en door isocitraatdehydrogenase, &alfa-ketoglutaraatdehydrogenase en malaatdehydrogenase van de tricarbonzuurcyclus.

Als u de auteursrechthebbende bent van materiaal op onze site en van plan bent dit te verwijderen, neem dan contact op met onze sitebeheerder voor goedkeuring.


Krebs (TCA)-cyclus

Al het materiaal is auteursrechtelijk beschermd en eigendom van mehlmanmedical.

Copyright © 2020 mehlmanmedical.

Snijden in de achtervolging. Belangrijkste feiten:

Pyruvaatdehydrogenase (PDH) is thiamine-afhankelijken afwezigheid of disfunctie van dit enzym veroorzaakt ernstige lactaatacidose en verhoogd serum-alanine. Waarom?

Melk geven (pyruvaat + NADH ↔ lactaat + NAD + )

Tx met ↑ ketogene voedingsstoffen in de voeding (bijv. leucine, lysine en gezonde oliën allemaal → acetyl-CoA, geen pyruvaat).

USMLE zegt: een patiënt heeft ernstige acidose en ↑↑serum alanine. Het antwoord is pyruvaatdehydrogenasedeficiëntie.

Arseen remt PDH.

Oorzaken van arseenvergiftiging naar knoflook ruikende adem.

Isocitraatdehydrogenase is het snelheidsbeperkende enzym van de TCA-cyclus.

Van de USMLE is af en toe bekend dat het snelheidsbeperkende enzymen test. Het is een rare/obscure enzymnaam, maar de TCA-cyclus levert zo'n hoog rendement op voor biochemie van de weg dat je dit enzym hoe dan ook zou moeten kennen.

α-ketoglutaraat dehydrogenase, is net als PDH thiamine-afhankelijk.

De vier thiamine-afhankelijke enzymen zijn pyruvaatdehydrogenase, α-ketoglutaraatdehydrogenase, vertakte ketozuurdehydrogenase en transketolase.

Pyruvaat, in plaats van naar acetyl-CoA te gaan via PDH en B1, kan ook naar OAA gaan via pyruvaatcarboxylase en vitamine B7 (biotine).

De ↑ NADH/NAD+-verhouding veroorzaakt door alcohol verhoogt OAA → malaat, waardoor OAA wordt uitgeput om naar PEP te worden getransporteerd voor gluconeogenese.

Nuchtere hypoglykemie bij alcoholisme is gedeeltelijk te wijten aan verminderde gluconeogenese vanwege het rangeren van OAA naar malaat.

Succinyl-CoA (van TCA-cyclus) kan worden geproduceerd uit methylmalonyl-CoA (niet in TCA-cyclus) via vitamine B12. Het is de remming van deze stap in B12-tekort die verantwoordelijk is voor neurologische disfunctie en myelineschedeafwijkingen.

Verminderd methylmalonyl-CoA → succinyl-CoA is verantwoordelijk voor de neurologische disfunctie bij B12-tekort.

Succinyl-CoA → succineren is de stap waar GTP is geproduceerd. succinaat → fumaraat is de stap waar FADH2wordt geproduceerd en vitamine B2 is een cofactor.

Het enige dat u moet weten over vitamine B2 voor de USMLE (en in wezen in het leven) is dat het riboflavine wordt genoemd en bij de bovenstaande reactie wordt gebruikt.

De TCA-cyclus produceert veel NADH en een molecuul FADH 2 , die uiteindelijk worden gebruikt om protonen in de intermembrane ruimte van de mitochondriën te drijven om ATP te genereren. De HY-factoïden voor dit proces (elektronentransportketen) worden besproken hier.


Pyruvaatdehydrogenase (PDH)

​​​​​​ Structuur, regulering en analyse van deze belangrijke regulerende plaats in het cellulaire metabolisme.

Pyruvaatdehydrogenasecomplex (PDH) verbindt de citroenzuurcyclus en de daaropvolgende oxidatieve fosforylering met de glycolyse, gluconeogenese en lipide- en aminozuurmetabolismeroutes.

PDH-functie en structuur

PDH katalyseert de oxidatieve decarboxylatie van pyruvaat om acetyl-co-enzym A (acetyl-CoA), NADH en CO te produceren2. PDH vergemakkelijkt het gebruik van koolhydraten om aan de energiebehoefte te voldoen: wanneer de koolhydraatvoorraden bij zoogdieren zijn uitgeput, wordt de PDH-activiteit naar beneden gereguleerd om het gebruik van glucose te beperken door oxidatieve fosforylering. Vetzuren of ketonlichamen worden dan gebruikt als energiebron in weefsels zoals hart- en skeletspieren.​​​

PDH is een 9,5 MDa-complex dat bestaat uit meerdere kopieën van drie enzymen: pyruvaatdehydrogenase (E1), dihydrolipoamide-transacetylase (E2) en dihydrolipoamidedehydrogenase (E3). Een extra structurele subeenheid, het E2/E3-bindende eiwit, is nodig om de interacties tussen de E2- en E3-subeenheden te ondersteunen.

Regulering van PDH-activiteit

​​​​​​​​​PDH-activiteit wordt geremd door omkeerbare fosforylering van de E1-alfa-subeenheid op Ser232, Ser293 en Ser300. De fosforylering van deze plaatsen wordt gekatalyseerd door isovormen van PDH-kinasen (PDK1 - 4). Defosforylering om PDH-activiteit te herstellen wordt gekatalyseerd door PDH-fosfatasen (PDP1 en PDP2). Zowel kinasen als fosfatasen worden differentieel tot expressie gebracht in weefsels en hun transcriptie wordt gecontroleerd door een verscheidenheid aan cellulaire stressgebeurtenissen zoals uithongering, lage zuurstof of hoge concentraties van NADH, acetyl-CoA of calcium.

Analyse van PDH-activiteit

Ontregeld gebruik van glucose en vetzuren als energiebronnen wordt vaak waargenomen bij metabole syndromen zoals diabetes en obesitas. Bovendien schakelen kankercellen vaak over van oxidatieve fosforylering naar glycolyse voor ATP-productie. De centrale rol van PDH in deze activiteiten heeft geleid tot een hernieuwde interesse in het begrijpen van PDH-activiteit en -regulatie als een potentieel therapeutisch hulpmiddel.

De benadering die u kiest om PDH-activiteit te bestuderen, hangt af van de experimentele omstandigheden en de experimentele vraag die u probeert te beantwoorden.

Kwantificering van endogene en gefosforyleerde PDH-activiteit in cel- en weefselextracten.

De sleutel tot het meten van endogene PDH-activiteit is het handhaven van de in vivo staat van fosforylering. Onze extractie- en immunocapture-buffer zijn geformuleerd om specifieke en niet-specifieke kinasen en fosfatasen te remmen om ongewenste PDH-modificaties tijdens de monstervoorbereiding te voorkomen.

Zodra de monsters zijn bereid, kan het actieve enzym worden immunogevangen en getest op vaste oppervlakken met behulp van een microtiterplaatformaat met 96 putjes of een peilstoktestformaat. Deze benadering is eenvoudiger, sneller en veiliger dan de klassieke methode om [14C]pyruvaat te gebruiken en de door enzymen gekatalyseerde afgifte van [14C]CO te meten2.​​

PDH-activiteit kan ook worden geanalyseerd ex vivo na volgende PDH-immunocapture en verwijdering van endogene kinasen en fosfatasen. Monsters worden vervolgens gefosforyleerd met recombinant PDK of gedefosforyleerd met recombinant PDP om (a) resterende activiteit van het volledig gefosforyleerde PDH, (b) maximale activiteit van het volledig gedefosforyleerde enzym en (c) endogene ongemodificeerde PDH-activiteit te bepalen.

Kwantificering van totaal en gefosforyleerd PDH in levende cellen of cel- en weefselextracten

De belangrijkste regulerende subeenheid van PDH is de E1-alfa-subeenheid (PDH1), gemodificeerd door kinasen op drie serinefosforyleringsplaatsen om de activiteit te verminderen.

​​​Kwantificering van totaal PDH E1-alfa en gemodificeerde fosfoserines (Ser232, Ser293 en Ser300) kan eenvoudig worden geanalyseerd met behulp van sandwich-ELISA-assays. Deze benadering meet de niveaus van eiwit en fosforylering, of ze nu endogeen zijn of als gevolg van medicamenteuze behandeling.

​​​In-Cell ELISA (ICE)-assays kunnen worden gebruikt om eiwitniveaus van post-translationele modificaties in gekweekte levende cellen te meten. Het voordeel van de ICE-methode is dat snelle fixatie van cellen in een 96- of 384-wells plaat ter plaatse stabiliseert enzymfosforylering en elimineert eventuele veranderingen die kunnen optreden tijdens monstervoorbereiding.

Analyse van PDH-subeenheden in levende cellen of cel- en weefselextracten door western blot, flowcytometrie of immunocytochemie

​​Defecten in het PDH-complex zijn een belangrijke oorzaak van lactaatacidose en veroorzaken de ziekte van Leigh bij kinderen. De meeste gevallen van PDH-deficiëntie zijn te wijten aan mutaties in de X-gebonden E1-alfa-subeenheid, ondanks dat er ook mutaties in de andere subeenheden zijn gemeld.

Onze antilichamen zijn getest op doelspecificiteit door een combinatie van immunoprecipitatie, western blot, immunocytochemie (ICC) en ELISA-assays.


PDH, TCA-cyclus - Biologie

Alle door MDPI gepubliceerde artikelen worden direct wereldwijd beschikbaar gesteld onder een open access licentie. Er is geen speciale toestemming nodig om het door MDPI gepubliceerde artikel geheel of gedeeltelijk te hergebruiken, inclusief figuren en tabellen. Voor artikelen die zijn gepubliceerd onder een open access Creative Common CC BY-licentie, mag elk deel van het artikel zonder toestemming worden hergebruikt, op voorwaarde dat het originele artikel duidelijk wordt geciteerd.

Feature Papers vertegenwoordigen het meest geavanceerde onderzoek met een aanzienlijk potentieel voor grote impact in het veld. Feature Papers worden ingediend op individuele uitnodiging of aanbeveling door de wetenschappelijke redacteuren en ondergaan peer review voorafgaand aan publicatie.

De Feature Paper kan ofwel een origineel onderzoeksartikel zijn, een substantiële nieuwe onderzoeksstudie waarbij vaak verschillende technieken of benaderingen betrokken zijn, of een uitgebreid overzichtsdocument met beknopte en nauwkeurige updates over de laatste vooruitgang in het veld dat systematisch de meest opwindende vooruitgang in de wetenschappelijke literatuur. Dit type paper geeft een blik op toekomstige onderzoeksrichtingen of mogelijke toepassingen.

Editor's Choice-artikelen zijn gebaseerd op aanbevelingen van de wetenschappelijke redacteuren van MDPI-tijdschriften van over de hele wereld. Redacteuren selecteren een klein aantal artikelen die recentelijk in het tijdschrift zijn gepubliceerd en waarvan zij denken dat ze bijzonder interessant zijn voor auteurs, of belangrijk zijn op dit gebied. Het doel is om een ​​momentopname te geven van enkele van de meest opwindende werken die in de verschillende onderzoeksgebieden van het tijdschrift zijn gepubliceerd.


PDH, TCA-cyclus - Biologie

mitochondriën: Structuur en functie

1. buitenste mitochondriaal membraan:

(a) een barrière voor moleculen met een MW groter dan 10.000

(a) herbergt enzymen die specifiek zijn voor mitochondriën

3. Innerlijke mitochondriale membraan

(a) laat alleen diffusie toe van kleine (<100 MW) ongeladen moleculen

(b) zorgt voor een zeer specifieke controle van de stroom van biomoleculen in en uit mitochondrian

(c) Cristae- inkepingen die het oppervlak van het membraan vergroten

(d) bevat: de componenten van elektronentransport, enzymen voor de citroenzuurcyclus

(a) pyruvaatdecarboxylering

(b) citroenzuurcyclus

(c) vetzuur b -oxidatie

(d) ketonlichaamsynthese (lever)

(e) ketonenoxidatie (andere weefsels)

(f) wat aminozuurmetabolisme

(g) wat gluconeogenese

Cytosol: Glycolyse en het grootste deel van Gluconeogenese

Metabolische lotgevallen van pyruvaat:

Pyruvaatdehydrogenasecomplex (PDH): een multi-enzymcomplex

Pyruvaat + CoA + NAD + ------------> CO2 + Acetyl-CoA + NADH + H +

STAP 1a: Pyruvaat bindt aan E1.

STAP 1b: Pyruvaat reageert met TDP waardoor CO . vrijkomt2 and formation of TDP- CH(OH)CH3

STEP 2a: Lipoate is acetylated by TDP-CH(OH)CH3 with oxidation of the alcohol to a keto group and reduction of the lipoate disulfide bond . TDP is regenerated .

STEP 2b: Acetylated lipoate reacts with Coenzyme A (CoASH) to form acetyl CoA and reduce lipoate to dihydrolipoate .

STEP 3a: Reduced lipoate is oxidized by FAD , with the production of FADH2 .

STEP 3b: FAD is regenerated by the oxidation of FADH2 by NAD + , yielding NADH .

Feedback Inhibition: - Acetyl CoA and NADH

What goes IN: Pyruvate, CoASH, NAD +

What comes OUT: Acetyl CoA, NADH, CO2

Citric Acid Cycle / Tricarboxylic Acid Cycle ( TCA Cycle ):

[ 1 ] Citrate Synthase : exergonic, spontaneous condenses acetyl CoA and oxaloacetate. The CoA produced is used to produce acetyl CoA via PDH.

[ 2 ] Isocitrate Dehydrogenase : oxidation-reduction reaction, first site for NADH production .

[ 3 ] a -Ketoglutarate Dehydrogenase : oxidation-reduction reaction, second NADH is produced . Feedback inhibited by succinyl CoA.

[ 4 ] Succinyl CoA Synthetase : substrate level phosphorylation. GTP + ADP <---> GDP + ATP

[ 5 ] Succinate Dehydrogenase : oxidation-reduction reaction, FADH2 is produced .

[ 6 ] Malate Dehydrogenase : oxidation-reduction reaction, third NADH is produced.

3 ATP Pyruvate Dehydrogenase (from NADH)

] ATP Isocitrate Dehydrogenase (from NADH)

] ATP a -Ketoglutarate Dehydrogenase (from NADH)

[ ATP Succinyl CoA Synthetase (from GTP)

\ ATP Succinic Dehydrogenase (from FADH2)

] ATP Malate Dehydrogenase (from NADH)

Total: 15 ATP (12 ATP / Turn of TCA Cycle)

Remember we get 2 Acetyl CoA molecules for each Glucose molecule so the Grand Total is: 30 ATP!


Korte inhoud

Metabolic flux dynamics is quantified throughout the cell cycle via isotope tracing and computational modelling. This approach reveals oscillating metabolism of glucose versus glutamine in the Krebs cycle and highlights the importance of glutamine for S phase progression.

  • A temporal-fluxomics approach is used for quantifying metabolic flux dynamics throughout the mammalian cell cycle.
  • TCA cycle fluxes are rewired as cells progress through the cell cycle with complementary oscillations of glucose versus glutamine-derived fluxes.
  • Glucose-derived oxidative-TCA-cycle flux peaks in late G1 phase while oxidative and reductive glutamine metabolism dominates S phase.
  • The shift from glucose to glutamine oxidation in S phase plays an important role in cell cycle progression.

The TCA Cycle

The tricarboxylic acid cycle (TCA cycle) is a series of enzyme-catalyzed chemical reactions that form a key part of aerobic respiration in cells. This cycle is also called the Krebs cycle and the citric acid cycle. The outline below is typical of the metabolism of carbohydrates, which proceeds through glycolysis to form pyruvate and then through acetyl CoA to enter the TCA cycle. The TCA cycle has connections to other parts of metabolism, and other molecules may enter it at different places.


Bekijk de video: TCA. Krebs. Citric Acid Cycle Part 1 of 3 - Introduction and PDH Complex (Januari- 2022).