Krebs Cycle / Citric Acid Cycle (TCA)
Sitrik Asit Döngüsü — Slayt Slayt Çalışma Rehberi (49 slayt)
Kaynak: Prof. Dr. Nilgün Tekkeşin — Üsküdar University, Faculty of Medicine, Dept. of Medical Biochemistry
Krebs Cycle · Citric Acid Cycle · TCA — Medical Biochemistry dersi. Prof. Dr. Nilgün Tekkeşin, Üsküdar University, Faculty of Medicine.
Döngünün üç eş anlamlı ismi vardır: Citric acid cycle = Tricarboxylic acid cycle (TCA) = Krebs cycle.
Sir Hans Adolf Krebs (1900–1981):
- Alman doğumlu İngiliz hekim ve biyokimyacı (German-born British physician and biochemist).
- Hücresel solunum (cellular respiration) çalışmalarının öncüsü.
- Vücuttaki iki önemli kimyasal döngüyü keşfetti: i) urea cycle (üre döngüsü) ve ii) citric acid cycle.
- 1953 yılında Nobel Prize in Physiology or Medicine ödülünü aldı.
TCA döngüsünün üç eş anlamlı ismi nedir?
Hans Krebs hangi iki döngüyü keşfetti ve Nobel'i ne zaman aldı?
- Metabolik sistemin merkezi (hub) olarak adlandırılır.
- Karbonhidrat, yağ asidi ve amino asit oksidasyonunun büyük kısmından sorumludur.
- Aynı zamanda bu bileşiklerin ve diğerlerinin üretiminden de sorumludur.
- Amphibolic (amfibolik): hem katabolik hem de anabolik çalışır.
Net denklem (ezberlenmeli):
Acetyl-CoA + 3 NAD⁺ + FAD + GDP + Pi → 3 NADH + FADH₂ + GTP + CoA + 2 CO₂"Amphibolic" ne demektir?
Bir tur TCA'nın net ürünleri (asetil-CoA başına) nelerdir?
Tüm sitrik asit döngüsünün ara ürünleri ve enzimlerini gösteren büyük "tekerlek" diyagramı. Oxaloacetate → Citrate → Isocitrate → α-Ketoglutarate → Succinyl-CoA → Succinate → Fumarate → Malate → (tekrar) Oxaloacetate. Detaylar Slide 22–31'de tek tek işleniyor.
Bölüm başlığı. Glikolizden gelen pyruvate'ın aerobik koşulda asetil-CoA'ya dönüşümü anlatılmaya başlanır.
Oxidative Decarboxylation of Pyruvate ve Allosteric Regulation (allosterik düzenleme) konularına giriş. Bu, glikoliz ile TCA arasındaki "köprü reaksiyonudur".
Nathan Kaplan ve Fritz Lipmann, Coenzyme A (CoA)'yı keşfetti. Ochoa ve Lynen, acetyl-CoA'nın piruvattan sitrata geçişte bir ara ürün olduğunu gösterdi.
- CoA, asetil gruplarının taşıyıcısıdır (carrier of acetyl groups).
- Acetyl-CoA "yüksek enerjili" bir bileşiktir; thioester bağının hidrolizinin ΔG′ değeri −31.5 kJ/mol'dür — bu, ATP hidrolizinden daha büyüktür.
- Pyruvate dehydrogenase, piruvatı asetil-CoA ve CO₂'ye dönüştürür.
Asetil-CoA'daki yüksek enerji nerededir ve hidroliz ΔG′'si kaçtır?
Piruvatı asetil-CoA + CO₂'ye hangi enzim çevirir?
Multienzyme complex (multienzim kompleksi): bir metabolik yolakta iki veya daha fazla ardışık basamağı katalize eden, kovalent olmayan bağlarla bir araya gelmiş enzim gruplarıdır.
PDH kompleksinin moleküler ağırlığı: 4.600.000 Da (devasa).
Pyruvate dehydrogenase complex (PDH complex) üç enzimin moleküler agregatıdır:
- Pyruvate dehydrogenase (PDH veya E1, "decarboxylase" da denir)
- Dihydrolipoyl transacetylase (E2)
- Dihydrolipoyl dehydrogenase (E3)
PDH kompleksini oluşturan üç enzim nedir?
Yapısal kompozisyon (diyagram): 24 E2 subünitesi, 24 E1 (turuncu, α ve β birlikte) ve 12 E3 (kırmızı).
Enzimler fiziksel olarak birbirine bağlıdır ve birlikte ardışık reaksiyonlar yürütür. Enzimler ayrı ayrı yüzmek yerine "bağlı" olduğundan, bir basamağın ürünü doğrudan bir sonraki enzime aktarılır (substrate channeling).
Anahtar fikir: Tek yapı, bir yolağın birden çok basamağı.
Örnekler: Pyruvate dehydrogenase complex (piruvat → asetil-CoA); Fatty acid synthase (yağ asidi sentezi).
Neden varlar? Reaksiyonları hızlandırır, israfı azaltır, daha iyi kontrol sağlar → speed, efficiency, accuracy, regulation (hız, verim, doğruluk, regülasyon). Özellikle reaktif ara ürünleri olan veya yüksek akışlı (high flux) yolaklarda önemlidir.
Multienzim kompleksleri hangi 4 avantajı sağlar?
PDH dışında ders notunda verilen başka bir multienzim kompleksi örneği nedir?
PDH kompleksi, ara ürünler için taşıyıcı veya oksidan görevi gören 5 koenzim içerir:
- E1 → thiamine pyrophosphate (TPP)
- E2 → lipoic acid ve CoA
- E3 → FAD ve NAD⁺
PDH kompleksinin 5 koenzimi nedir?
TPP hangi vitaminden türer ve eksikliği ne yapar?
Enzim 5 koenzim ve 5 reaksiyon gerektirir; sonuçta 3 karbonlu piruvat, 2 karbonlu asetil grubu olarak CoA'ya bağlanır, bir karbon CO₂ olarak çıkar ve bir NADH üretilir.
Ökaryotik PDH'nin E1 enzimi açılıp kapatılabilir:
- PDH kinase → fosfat ekler (phosphorylates) → E1 inaktif olur.
- PDH phosphatase → fosfatı çıkarır (dephosphorylates) → E1 aktif olur.
Kısaca: Fosfat yokken = aktif; fosfat varken = inaktif (E1 için).
- cAMP'den bağımsız PDH kinase, E1'i fosforiller ve böylece inhibe eder; PDH phosphatase ise defosforile ederek aktive eder.
- Pyruvate, PDH kinase'in güçlü bir inhibitörüdür (substrat birikince kinaz durur → PDH aktif kalır → piruvat tüketilir).
- Kovalent regülasyon ana mekanizma olsa da kompleks ayrıca ürün inhibisyonuna da tabidir: NADH ve acetyl-CoA kompleksi inhibe eder.
PDH kinase ve PDH phosphatase E1'i nasıl etkiler?
PDH kompleksini hangi ürünler (product inhibition) inhibe eder?
Sitrik asit döngüsü enzimleri mitokondri matriksinde (matrix of the mitochondria) bulunur. Substratların mitokondrinin dış ve iç membranlarından geçmesi gerekir.
Sitrik asit döngüsü, Stage 2'deki katabolik yolaklardan gelen ara ürün acetyl-CoA'yı, Stage 3'teki elektron transportu ve ATP sentezi ile birbirine bağlayan bir reaksiyon serisidir.
- Oksidasyonun ortak son yolağı (final common pathway).
- Yalnızca mitokondride (exclusively in mitochondria).
- Başlıca ATP kaynağı.
- Çoğunlukla katabolik, bazı anabolik özelliklerle.
- Sentetik (anabolik) reaksiyonlar: amino asitlerden glukoz, esansiyel olmayan amino asitler (nonessential amino acids), yağ asitleri (fatty acids), heme.
- Aerobik koşullarda çalışır.
- Asetil-CoA'daki 2 karbonlu asetil grubunu CO₂'ye okside eder.
- İndirgenmiş koenzimler NADH ve FADH₂ ile GTP üretir.
- Adını, ilk reaksiyonda oluşan 6 karbonlu citrate iyonundan alır — bir tricarboxylic acid (üç karboksil grubu) olan sitrik asit (C₆H₈O₇).
Karbon sayıları ile döngü: Acetyl-CoA (2C) + Oxaloacetate (4C) → Citrate (6C) → ... → α-Ketoglutarate (5C, ilk CO₂) → Succinyl-CoA (4C, ikinci CO₂) → ... → Oxaloacetate. İki dekarboksilasyon noktası kırmızı renkle vurgulanmıştır.
Enzim: Citrate synthase. Asetil grubunun oksaloasetatla kondensasyonunu (condensation) katalize eder. Sitrat oluşumu için gereken enerji, asetil-CoA'daki yüksek enerjili thioester bağının hidrolizinden gelir. Ürünü olan citrate tarafından inhibe edilir.
İlk TCA reaksiyonunda hangi iki molekül birleşir, ürün ve enzim nedir?
Enzim: Aconitase. Sitrat (bir tertiary alcohol) önce dehidrate olup cis-aconitate'i, sonra hidrate olup isocitrate (bir secondary alcohol) oluşturur.
Aconitase hangi zehirle inhibe olur?
Sitrat ve izositratın alkol tipleri nedir?
Enzim: Isocitrate dehydrogenase. Döngünün ilk NADH'sini ve ilk CO₂'sini üretir. TCA'nın hız kısıtlayıcı (rate-limiting) basamaklarından biridir.
Allosterik regülasyon: ADP (düşük enerji sinyali) ve Ca²⁺ ile aktive olur; ATP ve NADH ile inhibe olur.
TCA'nın hız kısıtlayıcı enzimi hangisidir, neyle aktive/inhibe olur?
Enzim: α-Ketoglutarate dehydrogenase — üç enzimden oluşan bir multimoleküler agregat (PDH'ye çok benzer!). α-KG dekarboksilasyona uğrar; CoA'daki thiol (—SH) grubunun oksidasyonu, NAD⁺'ya aktarılan hidrojeni sağlar → ikinci NADH. Reaksiyon ikinci CO₂'yi açığa çıkarır.
Koenzimleri: thiamine pyrophosphate, lipoic acid, FAD, NAD⁺, CoA (PDH ile aynı 5 koenzim).
Hangi enzim PDH'ye benzer ve aynı 5 koenzimi kullanır?
Döngüde iki CO₂ hangi reaksiyonlarda çıkar?
Enzim: Succinyl-CoA synthetase (= succinate thiokinase). Süksinil-CoA'daki thioester bağının hidrolizi süksinat ve CoA verir; açığa çıkan enerji, GDP + Pi'nin kondensasyonuna aktarılarak ATP'ye benzer yüksek enerjili GTP oluşturur.
TCA'da substrat düzeyinde fosforilasyon hangi reaksiyonda ve hangi enzimle olur?
Hatırlatma diyagramı: Glikolizde (sitozolde) substrat düzeyinde fosforilasyon iki yerde olur — phosphoglycerate kinase ve pyruvate kinase. TCA'daki succinyl-CoA synthetase ile aynı prensip.
Enzim: Succinate dehydrogenase. Süksinat, bir C=C bağı içeren fumarate'a okside olur. Süksinattan kaybedilen 2H, koenzim FAD'ı FADH₂'ye indirger. Malonate ile inhibe edilir (kompetitif inhibisyonun klasik örneği).
TCA'nın iç mitokondri membranındaki tek enzimi hangisidir ve ETC'de ne işlevi vardır?
Succinate dehydrogenase'i hangi madde inhibe eder?
Enzim: Fumarase. Fumaratın çift bağına su eklenir → malate (bir secondary alcohol). Fumarate; ayrıca üre döngüsünde, pürin sentezinde ve fenilalanin & tirozin amino asitlerinin katabolizmasında da üretilir.
Fumarat hangi diğer yolaklarda da üretilir?
Enzim: Malate dehydrogenase. Malattaki hidroksil grubu karbonil grubuna okside olur → oxaloacetate. Döngünün üçüncü ve son NADH'si burada üretilir. Aspartik asidin transaminasyonu da oksaloasetat üretir (anabolik bağlantı).
Döngünün son (3.) NADH'si hangi enzimle üretilir, ürün nedir?
- Bir asetil grubu oksaloasetatla birleşip citrate oluşturur.
- İki dekarboksilasyon iki karbonu 2 CO₂ olarak çıkarır.
- Dört oksidasyon, 3 NADH ve 1 FADH₂ için hidrojen sağlar.
- Bir doğrudan fosforilasyon GTP (ATP) oluşturur.
| Enerji üreten reaksiyon | Üretilen ATP |
|---|---|
| 3 NADH → 3 NAD⁺ | 9 ATP |
| FADH₂ → FAD | 2 ATP |
| GDP + Pi → GTP | 1 ATP |
| Toplam | 12 ATP / asetil-CoA |
(Klasik hesaba göre her NADH ≈ 3 ATP, her FADH₂ ≈ 2 ATP. Modern değerlerde NADH ≈ 2.5, FADH₂ ≈ 1.5 olabilir; bu kaynak klasik 3/2 değerlerini kullanır.)
Bir asetil-CoA, TCA'da toplam kaç ATP üretir (klasik hesap)?
| Basamak | ATP |
|---|---|
| Aerobik glikoliz | 8 ATP |
| Oksidatif dekarboksilasyon (2×3) | 6 ATP |
| Krebs döngüsü (2×12) | 24 ATP |
| NET | 38 ATP |
Her glukoz 2 asetil molekülü ürettiği için, asetil başına değerleri ×2 yaparız.
Enzim: Citrate synthase. ATP ile inhibe olur.
Enzim: Isocitrate dehydrogenase. ATP & NADH ile inhibe, ADP & NAD⁺ ile uyarılır. (Döngünün ana kontrol noktası.)
Enzim: α-Ketoglutarate dehydrogenase. PDH kompleksine benzer şekilde regüle edilir. Succinyl-CoA & NADH ile ve ayrıca yüksek enerji yükü (high-energy charge) ile inhibe olur.
Genel olarak TCA döngüsü YÜKSEK enerji yükü ile İNHİBE, DÜŞÜK enerji yükü ile UYARILIR.
TCA'nın üç regülasyon enzimi ve genel mantık nedir?
Bir tur sitrik asit döngüsünde aşağıdakilerden kaçar tane üretilir? A. ___ CO₂ B. ___ NADH C. ___ FADH₂ D. ___ GTP
A. 2 CO₂ B. 3 NADH C. 1 FADH₂ D. 1 GTP
Bir asetil-CoA molekülü TCA döngüsüne girince kaç NADH oluşturur? A) iki B) üç ✅ C) dört D) beş
Doğru cevap: B) three (üç).
- Our → Oxaloacetate
- City → Citrate
- Is → Isocitrate
- Kept → α-Ketoglutarate
- Safe → Succinyl-CoA
- Secure → Succinate
- From → Fumarate
- Mobsters → Malate
TCA ara ürünlerini sitrattan başlayarak sırala.
Asetil-CoA molekülünün kimyasal yapısı. Asetil grubu, yüksek enerjili thioester bağı ile CoA'nın thiol (—SH) ucuna bağlanır.
Flavin adenine dinucleotide (FAD) yapısı. Riboflavin (B2 vitamini) türevi; succinate dehydrogenase'in koenzimi. FAD + 2H → FADH₂.
Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) yapısı. Niasin (B3 vitamini) türevi; izositrat, α-KG ve malat dehidrogenazların koenzimi. NAD⁺ + 2H → NADH + H⁺.
8 TCA enziminin özet listesi: Citrate synthase, Aconitase, Isocitrate dehydrogenase, α-Ketoglutarate dehydrogenase (multienzim kompleks), Succinyl-CoA synthetase, Succinate dehydrogenase, Fumarase, Malate dehydrogenase.
Sitozol (glikoliz, glikojen, pentoz fosfat yolu) ile mitokondri (piruvat→asetil-CoA→TCA) ilişkisini gösteren büyük harita. TCA, mitokondri içinde kırmızı çerçeveyle vurgulanmıştır.
- TCA, okside edilen her asetil-CoA için 2 CO₂, 3 NADH, 1 FADH₂, 1 GTP üretir.
- Döngü enzimleri mikroorganizmalar arasında yaygın dağılmıştır; tam döngü birçok aerobik bakteride işlevseldir. Fakültatif anaeroblar anaerobik koşulda tam TCA'yı kullanmaz.
- Döngü, hem önemli bir enerji kaynağıdır hem de biyosentez için karbon iskeletleri sağlar.
- Glikoliz + TCA ile 1 glukoz 6 CO₂'ye oksitlendiğinde doğrudan yalnızca 4 ATP sentezlenir; üretilen ATP'nin çoğu, NADH ve FADH₂'nin elektron transport zincirinde oksidasyonundan gelir.
Glukozun tam oksidasyonunda doğrudan substrat düzeyinde kaç ATP üretilir?
Üretilen ATP'nin çoğu nereden gelir?
Kapanış slaytları (özet diyagram / boş). Dersin sonu.
| # | Reaksiyon | Enzim | Ürün/Not |
|---|---|---|---|
| 1 | Acetyl-CoA + OAA → Citrate | Citrate synthase | reg ATP inhibe |
| 2 | Citrate → Isocitrate | Aconitase | fluoroacetate inhibe |
| 3 | Isocitrate → α-KG | Isocitrate DH | hız kısıtl. 1.NADH + 1.CO₂ |
| 4 | α-KG → Succinyl-CoA | α-KG DH | 2.NADH + 2.CO₂ (PDH benzeri) |
| 5 | Succinyl-CoA → Succinate | Succinyl-CoA synthetase | GTP (substrat düzeyi) |
| 6 | Succinate → Fumarate | Succinate DH | FADH₂ · iç membran · Complex II |
| 7 | Fumarate → Malate | Fumarase | +H₂O |
| 8 | Malate → OAA | Malate DH | 3.NADH |