The Citric Acid Cycle - Al-Mustansiriya University › media › lectures › 6 › 6... · The citric acid cycle is the final common pathway for the oxidation of fuel molecules:

The Citric Acid Cycle

Asst. Prof. Dr. Mustafa Taha Mohammed

Introduction

✓ Also called citric acid cycle or the Krebs cycle

(after its discoverer, Hans Krebs).

✓ TCA cycle is a series of reactions catalyzed by differentenzymes in which acetyl CoA is oxidized into CO2, H2Oand energy.

✓ It occurs in the mitochondrial matrix aerobically.

✓ The enzymes involved in the TCA cycle are present in themitochondrial matrix either free or attached to the innersurface of the mitochondrial membrane.

✓ The citric acid cycle is the final common pathway for theoxidation of fuel molecules:amino acids, fatty acids and carbohydrates.

✓ Most fuel molecules enter the cycle as acetyl coenzyme A.

✓ The function of the citric acid cycle is the harvesting of high-energy electrons from carbon fuels.

Continue..

Continue..

✓ The citric acid cycle itself neither generates a large amountof ATP nor includes oxygen as a reactant.

✓ Instead, the citric acid cycle removes electrons from acetylCoA and uses these electrons to form NADH and FADH2.

✓ The citric acid cycle includes a series of oxidation-reductionreactions that result in the oxidation of an acetyl group totwo molecules of carbon dioxide.

The citric acid cycle oxidizes two-carbon units, producing

two molecules of CO2, one molecule of GTP, and high-

energy electrons in the form of NADH and FADH2.

The amphibolic nature of TCA cycle

✓ The citric acid cycle is the gateway to the aerobic metabolism ofany molecule that can be transformed into an acetyl group.

✓ The cycle is also an important source of precursors, not only forthe storage forms of fuels, but also for the building blocks of manyother molecules such as amino acids, nucleotide bases, cholesterol,and porphyrin.

This pathway is utilized for both catabolicreactions to generate energy & anabolicreactions to generate metabolicintermediates for biosynthesis.

Metabolic pathway

▪ In oxidative phosphorylation, electrons released in thereoxidation of NADH and FADH2 flow through a series ofmembrane proteins to generate a proton gradient across themembrane.

▪ The citric acid cycle, in conjunction with oxidativephosphorylation, provides the vast majority of energy usedby aerobic cells in human beings, greater than 95%.

✓ In TCA, the removal of high-energy

electrons from carbon fuels.

✓These electrons reduce O2 to generate a

proton gradient .

✓Which is used to synthesize ATP .

The TCA Cycle Has Eight Steps

Reactions of Citric Acid Cycle

1. Citrate synthase: Formation of Citroyl CoA intermediate.

2. Binding of Oxaloacetate to the enzyme results in conformational

change which facilitates the binding of the next substrate, the acetyl

Coenzyme A. There is a further conformational change which leads to

formation of products. This mechanism of reaction is referred as

induced fit model.

2. Aconitase: This enzyme catalyses the isomerization reaction by

removing and then adding back the water ( H and OH ) to cis-

aconitate in at different positions. Isocitrate is consumed rapidly

by the next step thus deriving the reaction in forward direction.

3. Isocitrate dehydrogenase: There are two isoforms of this

enzyme, one uses NAD+ and other uses NADP+ as electron

acceptor.


4. a-Ketoglutarate dehydrogenase: This is a complex of different

enzymatic activities similar to the pyruvate dyhdogenase complex.

It has the same mechanism of reaction with E1, E2 and E3 enzyme

units. NAD+ is an electron acceptor.

5. Succinyl CoA synthatse: Sccinyl CoA, like Acetyl CoA has a

thioester bond with very negative free energy of hydrolysis. In this

reaction, the hydrolysis of the thioester bond leads to the

formation of phosphoester bond with inorganic phosphate. This

phosphate is transferred to Histidine residue of the enzyme and

this high energy, unstable phosphate is finally transferred to GDP

resulting in the generation of GTP.


6. Succinate Dehydrogenase: Oxidation of succinate to fumarate.

This is the only citric acid cycle enzyme that is tightly bound to the

inner mitochondrial membrane. It is an FAD dependent enzyme.

Malonate has similar structure to Succinate, and it competitively

inhibits SDH.


7. Fumarase: Hydration of Fumarate to malate: It is a highly

stereospecific enzyme. Cis-Maleate (the cis form of fumarate is not

recognized by this enzyme.


8. L-Malate dehydrogenase: Oxidation of malate to oxaloacetate: It is

an NAD+dependent enzyme. Reaction is pulled in forward direction

by the next reaction (citrate synthase reaction) as the oxaloacetate

is depleted at a very fast rate.


Products of Kreb’s Cycle

▪ 2 CO2

▪ 3 NADH

▪ 1 ATP Per 1 Acetyl CoA (double for 1 glucose)

▪ 1 FADH2

▪ ATP Yield:

• Each NADH yields 3 ATP

• Each FADH2 yields 2 ATP


Summary of total energy yield of complete oxidation of 1 glucose molecule

Step Coenzyme

Yield

ATP

Yield

Source of ATP

Glycolysis –Stage 1 - 2 Phosphorylation of glucose and

fructose uses 2 ATP

Glycolysis –Stage 2 4 Substrate level phosphorylation

2 NADH 6 Oxidative phosphorylation

Pyruvate metabolism 2 NADH 6 Oxidative phosphorylation

TCA cycle 2 Substrate level phosphorylation


2 FADH2 4 Oxidative phosphorylation

Total Yield 38 ATP


Citric Acid Cycle

ATP from glucose


ATP

ATP


ATP


ATP


Citric Acid Cycle


148


149


Respiratory chain السلسلة التنفسية

تفاعالت األكسدةتعتمد السلسلة التنفسية على مجموعة من إنزيمات األكسدة واالختزال التي تحفز تفاعالت خاصة تدعى

وعلى هذا األساس فان . وتعمل في أزواج حيث يكون أحد المركبات معطي لاللكترونات واآلخر مستقبل لهاواالختزال

.يقصد بها فقد االلكترونات من المركب وانتقالها إلى مركب آخر يتم اختزالهاألكسدة

المؤكسدة FAD+ و NAD+ فمركبات . يتم فيها نقل االلكترونات عبر ذرات الهيدروجينفاألكسدة الحيويةوبصفة عامة

oxidized form وبنقلها إلى السلسلة التنفسية لتعاد أكسدتها FADH2 و NADH يتم اختزالها في دورة كربس إلى

.( وتعود مرة أخرى لتحمل بااللكترونات( H+( (أي أنها تفقد الكتروناتها المكتسبة من دورة كربس على هيئة بروتون

Respiratory chain complexes معقدات السلسلة التنفسية

يوجد أربع مجموعات من اإلنزيمات المعقدة والداخلة في تركيب الغشاء الداخلي للميتوكوندريا وتعمل هذه المجموعات

:على هيئة سلسلة متتابعة لنقل االلكترونات من مادة الوقود إلى األكسجين وهي كما يلي

Complex (1) المعقد األول -أ

الناتج NADH وينحصر دوره في نقل االلكترونات من NADH-Co-enzyme-Q-oxidoreducatase يدعى

في مرحلة تحلل الجلوكوز في الخاليا الهوائية عن طريق إدخال مكافئ له إلى الميتوكوندريا أو الناتج من بوابة التنفس

.الموجود كأحد عناصر السلسلة التنفسية Co-enzyme- Q أو من دورة كربس إلى Aerobic gateway

Complex (2) المعقد الثاني-ب

إلى Succinate وهذا المعقد اإلنزيمي يؤكسد ال Succinate-Coenzyme-Q-oxidoreducatase يدعى

.Co-enzyme- Q وتنقل االلكترونات إلىFumarate

Complex (3) المعقد الثالث-ج

وهذا المعقد اإلنزيمي يستخدم مركب Reduced Coenzyme-Q-Cytochrome C-oxidoreductase يدعى

.Cytochrome C المختزل كمادة تفاعل وتنقل االلكترونات منه إلى Co-enzyme- Q

Complex (4) المعقد الرابع-د

ويعتبر آخر اإلنزيمات المؤكسدة ويعمل على نقل االلكترونات من السيتوكروم Cytochrome oxidase يدعى

المختزل إلى األكسجين ويعتبر إيقاف نشاط هذا اإلنزيم السبب األساسي للتسمم بالسيانيد الن السيانيد يمنعه من القيام

.وبالتالي يتوقف إنتاج الطاقة وتحدث الوفاة كنتيجة نهائية O2 بدوره في نقل االلكترونات إلى

Oxidative phosphorylation األكسدة الفسفورية

األكسدة الفسفورية هي عملية حيوية للحصول على أكبر قدر من الطاقة االيضية وجعلها متاحة في صورة مركب الطاقة

.الذي يستخدم النجاز عمليات فسيولوجية في الخلية الحية ATP

في الحاالت الطبيعية تتزامن األكسدة مع الفسفرة وهذا يعني أن الحاجة إلنتاج كمية من الطاقة يتطلب زيادة األكسدة

لمواد الوقود المتاحة وهذه ترتبط بزيادة معدل استهالك األكسجين


أكسدة

اختزال

ADP +Pi

ATP

2H + O = H2O

ATP

ATP

ADP +Pi

ADP +Pi

NADH

dehydrogenase

FAD

Cyt.b

Cyt.c1

Cyt.c

Cyt.a

Cyt.a3

Coenzyme Q

FADH2

2e-

2e-

2H+

أكسدة

أكسدة

أكسدة

أكسدة

أكسدة

أكسدة

اختزال

اختزال

اختزال

اختزال

اختزال

اختزال

2H

NAD+NADH + H+

2H+

2H+

2e-

2H

Electron transport chainالسلسلة التنفسية

التى ( نواتج دورة كربس NADH or FADH2 (من( فى ازواج)هى عملية نزع ذرات الهيدروجين•

مركبات )يصاحبها انتقال لاللكترونات المحملة عليها عبر سلسلة خطية من مركبات ناقلة لاللكترونات

تحول من رات الحديد وإثناء مرور االلكترونات تذالسيتوكرومات التى هى عبارة عن جزيئات تحتوى على

وبانتقال االلكترونات تفقد طاقتها على مراحل ( -Fe++ ➔Fe+++ , eالحديدوز الى الحديديك

ومجموعة الفوسفات ADPعن طريق الجمع بين ATPوتستخدم الطاقة المنطلقة فى تكوين مركب الطاقة

Piالغير عضوية

فى المرحلة االخيرة يتم نقل االلكترونات الى االكسجين ويتكون الماء•

Oxidative phosphorylationباالكسدة الفسفورية ATPتسمى عملية تكوين •

•Acetyl-Coenzyme Aعربة نقل الدخال ذرتين من الكربون الى دورة كربس

تعمل كعربة نقل لاللكترونات من دورة كربس الى السلسلة NADH or FADH2المرفقات االنزيمية •

التنفسية

Oxidativeفى هذة السلسلة يتم الربط بين انتقال االلكترونات وتكوين مركبات الطاقة بواسطة •

phosphorylation


ATP Electron Transport




Bypassing the proton pumps leads

to production of heat instead of ATP



Functionally, transport of OH- out is the same as

transport of H+ in.Asst. Prof. Dr. Mustafa Taha Mohammed


Liver, kidney,

and heart

Results in

NADH in the

matrix

Complicated, but free!


Complicated, but free!

Liver, kidney,

and heart

Results in

NADH in the

matrix


Electrons enter at Q.

Skeletal muscle and

brain

Easier, but costly!


Regulation

Coordinated Control

Summary of total energy yield of complete oxidation of 1 glucose molecule

Step Coenzyme

Yield

ATP

Yield

Source of ATP

Glycolysis –Stage 1 - 2 Phosphorylation of glucose and

fructose uses 2 ATP

Glycolysis –Stage 2 4 Substrate level phosphorylation


Pyruvate metabolism 2 NADH 6 Oxidative phosphorylation

TCA cycle 2 Substrate level phosphorylation


2 FADH2 4 Oxidative phosphorylation

Total Yield 38 ATP



Citric Acid Cycle

Documents

The Citric Acid Cycle - Al-Mustansiriya University › media › lectures › 6 › 6... · The citric acid cycle is the final common pathway for the oxidation of fuel molecules: