Krebs Cyclus Handouts PDF

De Krebs Cyclus Baynes’ medical biochemistry 6th ed hfdstk 7, 8 en 10 Dr. Apr. Biol Matthias Cuykx december 2024 De Krebs-cyclus staat centraal in het metabolisme Het mitochondrion Meer dan de energiecentrale Organel(len) in de cel Dubbel fosfolipide membraan met intermembranaire ruimte...

De Krebs Cyclus Baynes’ medical biochemistry 6th ed hfdstk 7, 8 en 10 Dr. Apr. Biol Matthias Cuykx december 2024 De Krebs-cyclus staat centraal in het metabolisme Het mitochondrion Meer dan de energiecentrale Organel(len) in de cel Dubbel fosfolipide membraan met intermembranaire ruimte “Cristae” instulpingen voor maximale interne oppervlakte (oxfos) Eigen (mitochondrieel) DNA Participatie in kritische processen Compartimentalisatie van reacties Oxidatieve fosforylatie Krebs cyclus Ureum cyclus Heemsynthese Aminozuur opbouw en afbraak Vetzuur opbouw en afbraak Ketogenese Apoptose  De Krebs cyclus Een amfibole pathway Acetyl CoA, afkomstig van katabole pathway van alle energiestoffen Biosynthese vanuit verschillende tussenproducten Baynes medical biochemistry Acetyl Coenzyme A De kleinste bouwsteen in het metabolisme en een grote chaperon Afkomstig uit katabolisme Glycolyse: Glucose → pyruvaat → acetyl CoA Lipolyse/beta-oxidatie: Vetten → vetzuren → acetyl CoA Proteolyse: aminozuren → acetyl CoA en Krebs-intermediairen Ketolyse en alcohol: directe conversie naar acetyl CoA Acetyl CoA als injectiepoort voor energie Zeer energierijke molecule met reactieve binding Baynes medical biochemistry Pyruvaat is een kruispunt in het metabolisme Anabolisme Anaërobe glycolyse En gluconeogenese Krebs cyclus en Gluconeogenese oxidatieve fosforylatie Baynes medical biochemistry Pyruvaat dehydrogenase complex Een voorbeeld voor α-ketozuur dehydrogenases Ketozuur Dehydrogenases vormen een irreversibele link Complex met meerdere sequentiële reacties met eigen coenzyme 1. Koppeling acetyl aan TPP coenzyme 2. Transfer acetyl op dihydrolipoyl coenzyme 3. Transfer acetyl op CoA 1 4. Oxidatie gereduceerde (elektronrijke vorm) 5. Elektrontransfer naar NADH,H+ 2 Koppeling verbetert de katalytische efficiëntie Geregeld via kinases en fosfatases Coenzymes ~ voeding: 4 Thiamine 3 5 Panthoteenzuur Riboflavine Nicotinamide Baynes medical biochemistry Klinische relevantie Thiamine deficiëntie Thiamine (vitamine B1) is een coenzyme van PDH Essentieel voor aanvoer Krebs cyclus Activatie tot thiamine pyrofosfaat (TPP) Aanwezig in een gebalanceerd dieet volkoren producten Aardappelen en groenten Vlees en zuivel Beriberi (“Ik kan het niet”) Endemisch in 18de-19de eeuw Sri Lanka en Azië 1890: C Eijkman legt link met volkoren producten Zijn kippen vertoonden dezelfde ziekte Volkoren producten verhielpen de symptomen ~ monotoon (rijst)dieet bij de bevolking 1912: C. Funk publiceert “Vita –amine” 1930: structuur vitamine B1 gekend Runge internal medicine Klinische relevantie (2) Thiamine deficiëntie Wernicke-Korsakoff syndroom Alcoholici zijn ondervoed Alcoholrijke (gedestilleerde) dranken zijn arm in vitamines (en dus ook B1) Monotoon dieet biedt geen alternatieve bronnen Insidieus verloop Verminderde eetlust, misselijkheid, constipatie Depressie, neuropathie, ataxie en slechte oogcoördinatie Vitamine B1 deficiëntie Beperkte reserve: na 14 dagen kan deficiëntie optreden Relatief hogere nood bij carbohydraat-rijke voeding Diagnose: Anamnese Lactaatacidose Directe meting via HPLC; vertakte keten aminozuren / oxozuren met LC/GC-MS Therapie: suppletie en dieetaanpassing Een kort overzicht Van acetylCoA naar CO2 Oxaloacetaat + Acetaat → citroenzuur Verschillende stappen met 2 x Verlies CO2 3 x NADH,H+ 1 x FADH2 1 x GTP (→ ATP) Kleine hoeveelheid oxaloacetaat is voldoende Géén O2 consumptie ondanks CO2 productie! Beperkte productie van GTP NADH,H+ en FADH2 voor oxidatieve fosforylatie Tussenstappen vertakken naar andere pathways Baynes medical biochemistry Citraat synthase Incorporatie van acetyl CoA Reductie keto-groep Aanhechting methylgroep Hydrolyse thioester drijft reactie Acetylgroep wordt níet afgesplitst in deze cyclus Bestemming citroenzuur ~ productiehoeveelheid Verderzetting Krebs-cyclus via aconitase Inhibitie glycolyse Gluconeogenese Enkel tijdens inhibitie aconitase door overmaat intermediairen: voorkomt depletie Enkel bij aanwezigheid GTP (uit Krebs-cyclus): voorkomt depletie Vetzuur-synthese Enkel tijdens inhibitie aconitase door overmaat intermediairen: voorkomt depletie Netto transfer van acetyl CoA van mitochondriële matrix naar cytosol Harpers illustrated biochemistry Aconitase Controle op de flux in de cyclus Tweestaps reactie voor omzetting naar isomere vorm Directe koppeling vanuit citraat synthase → selectieve hydroxylatie Lipogenese zorgt voor aanmaak oxaloacetaat via pyruvaat carboxylase → Vertstropping omzetting citraat naar isocitraat → Opstapeling citroenzuur →Transfer naar cytosol → Verhoogde transfer acetyl CoA voor lipogenese “Doorstromende” isocitraat houdt Krebs-cyclus in stand voor energie Baynes medical and Harpers illustrated biochemistry Isocitraat en α-ketoglutaarzuur dehydrogenase Vorming van NADH en een pasmunt voor aminozuren Isocitraat Dehydrogenase Oxideert de hydroxylvorm → α-ketozuur Oxidatie stelt twee elektronen vrij voor NADH,H+ Een tweede stap splitst CO2 af → α-ketoglutaarzuur α-ketoglutaarzuur dehydrogenase is een complex ~ pyruvaat DH Irreversiebele oxidatieve decarboxylatie Koppeling aan thio-ester Twee elektronen vrij voor NADH,H+ Succinyl CoA is precursor in heemsynthese NB: 2 x Loss of CO2 en geen ATP Harpers illustrated biochemistry Succinyl coA synthetase/thiokinase De enige fosforylatie in de Krebs-cyclus Hydrolyse van energierijk thioester Vrijgekomen energie wordt gecapteerd …in guanosine trifosfaat (GTP) In lever en nier voor gluconeogenese via PEP-carboxykinase Conversie naar ATP GTP komt ook voor bij o.a. Proteïne-synthese Cel-signalisatie Conversie naar ATP …in adenosine trifosfaat (ATP) In alle weefsels Energie voor metabole processen Harpers illustrated biochemistry Van Succinaat/barnsteenzuur tot oxaloacetaat Hoe een enzymcomplex een ketogroep introduceert 1. Succinate dehydrogenase introduceert onverzadigde binding 3 Elektrontransfer naar FADH2 Directe energie in oxfos via Complex II 2. Fumarase introduceert water 2 Introductie hydroxylgroep via pi-systeem Voorbereiding voor volgende oxidatie 3. Malaat dehydrogenase Oxidatie hydroxylgroep tot ketogroep Elektrontransfer naar NADH,H+ 1 En de Krebs-cyclus is rond Dit complex systeem wordt ook toegepast via beta-oxidatie → trapsgewijze afsplitsing van acetylCoA → vorming van NADH,H+ Harpers illustrated biochemistry De rekening Pyruvaat: 1x NADH,H+ Krebs cyclus 3 x NADH,H+ 1 x FADH,H2 1 x ATP/GTP Oxidatieve fosforylatie: 2,5 + 3 x 2,5 + 1,5 X 2 pyruvaten / glucose = 25 ATP-molecules + 2 NADH,H+ uit glycolyse = 3-5 extra ATP molecules Het mitochondrion is de energiecentrale van de cel! Vitamines zijn essentieel in de Krebs-cyclus Een vitamine is een micronutriënt Organisch Afkomstig uit voeding Kleine dagelijkse behoefte Essentieel voor biologische functies De Krebs-cyclus steunt op 4 (5) vitamines als coenzymes Niacine (Vitamine B1) Riboflavine (vitamine B2) Niacine Pantotheenzuur (Biotine) Vitamine B1 en B2 Een korte herhaling Vitamine B1 is essentieel voor Dehydrogenases Transketolase (pentose P shunt) Zenuw-geleiding Aanwezig in vele voedingsproducten (zie boven) Vitamine B2 is essentieel voor Elektrontransport voor oxidatieve fosforylatie Krebs cyclus Beta-oxidatie lipiden (aminozuren) Aanwezig in melk en zuivelproducten Specifieke gele kleur: voedseladditief Tekort veroorzaakt Seborrheische dermatitis Kleine laesies Inflammatie van de tong Niacine Niet strikt een vitamine… maar een product uit tryptofaan (ratio 1/60) Aanwezig in volkorenproducten, vlees, zuivel Incorporatie in NAD(P); een belangrijke elektroncarrier Glycolyse Krebs cyclus Aminozuren Lipiden Cholesterolsynthese Hexose metabolisme Nucleïnezuren metabolisme Biotransformatie xenobiotica Niacinedeficiëntie: Pellagra Tekort aan niacine en/of tryptofaan Primair Secundair tgv riboflavine/niacinedeficiëntie Vrouwen: inhibitie metabolisme door estrogenen Hartnup: transporterdefect in renale tubuli Carcinoïd syndroom: consumptie Trp Weerslag op sneldelend weefsel Fotosensitieve dermatitis → huiduitslag in gezicht, handen & voeten Psychosis Diarrhee Onbehandeld: fatale afloop Behandeling: niacine en/of tryptofaan Cave: overmaat niacine >500 mg/dag is hepatotoxisch Florin’s Pediatrics Pantotheenzuur Pantotheenzuur is, samen met cysteïne een onderdeel van acylcarrriers zoals CoA Krebs cyclus Beto-oxidatie Acetylaties Cholesterol synthese Vetzuursynthese Deficiëntie is zeer zeldzaam Alomtegenwoordig in de voeding Perifere zenuwschade (burning foot syndrome) Biotine Biotine is een coenzym van carboxylases Onderdeel van celcyclus regulering Aanwezig in de voeding Meestal lage concentraties Bakkersgist Lever, nieren, eigeel Darmflora Biotine-afhankelijke ziekten Biotine wordt gerecycleerd Biotinidasedeficiëntie en Holocarboxylase synthetase deficiëntie Beide ziektes verhinderen aanmaak carboxylases Gluconeogenese Afbraak aminozuren Vetzuursynthese → levensbedreigend Acidurie en metabole acidose Neurologisch: hypotonie, epilepsie, retardatie Huid rash, alopecia Therapie: suppletie 5-10 mg Ziekte opgenomen in de neonatale screening Biotine in het labo Biotine bindt aan avidine en streptavidine Koppeling van antilichamen en enzymes laat brugvorming toe → Enzyme Linked Immuno Assays (ELISA) Meetmethode in het labo voor Hormonen (vb. TSH voor thyroïdstatus) Structurele eiwitten (vb. troponine I ~hartinfarct) Serologie (infectieziekten e.g. HIV) Immunologie (e.g. auto-immuniteit) Interferentie door biotine-supplementen Moderne immuno-assays bieden oplossing Versterkte koppeling Alternatieve koppeling Li 2019 Nano-Inspired Biosensors for Protein Assay with Clinical Applications Afregeling van de Krebs-cyclus Het gebruik van Acetyl CoA In het mitochondrion Omzetting tot CO2, NADH,H+ en FADH2 → Oxidatieve fosforylatie van ADP naar ATP Export naar cytosol → omzetting naar citroenzuur Transport doorheen membraan Recuperatie uit citroenzuur → anabolisme (e.g. lipogenese) Betrokken enzymes Pyruvaat dehydrogenase complex Isocitraat dehydrogenase Cellulaire genexpressie en proteolyse spelen ook een rol Productie door endoplasmatisch reticulum Transport cytosol naar mitochondrion Regelmechanismes voor de Krebs-cyclus Thv pyruvaat dehydrogenase NAD+ en NADH,H+ : Krebs cyclus vs. Lactaat Indirect gekoppeld aan ATP synthese Indirect gekoppeld aan energienood → brandstof verbranden wanneer er nood aan is Acetyl CoA: signaal voor meer oxaloacetaat Lipolyse gekoppeld aan gluconeogenese via pyruvaat carboxylase Allostere regeling Pyruvaat dehydrogenase Insuline en vetweefsel: activeert voor vorming AcCoA en lipogenese Feedback-mechanismes op PDH De gastoevoer naar de Krebs-cyclus is nauw gereguleerd 1. Acetyl CoA, NADH en ATP: resultaat van actieve cyclus 2. Inhibitie door fosforylatie via PDH kinase Afkomstig van ATP en NADH,H+ 1 Energie-rijke periode (in de cel) Hepatocyt: pyruvaat voor gluconeogenese 3. Activatie door PDH fosfatase Insuline → glucoseafbraak en lipogenese Ca2+ ~ energienood voor activiteit Inhibitie → omzetting pyruvaat naar oxaloacetaat 3 2 Via pyruvaat carboxylase → gluconeogenese → verhoogde activiteit cyclus Acetyl CoA: signaal voor meer oxaloacetaat Lipolyse gekoppeld aan gluconeogenese Baynes medical biochemistry Isocitraat dehydrogenase Allostere inhibitie: intermediairen , NADH,H+ en ATP Activatie in energiearme condities: NAD+ en ADP Inhibitie door insuline en rust: minder nood aan ATP geeft ruimte voor anabolisme Verhoogde pyruvaat dehydrogenase → veel AcCoA Verlaagde consumptie citraat → shift naar cytosol voor e.g. lipogenese Vetzuurproductie hepatocyten worden opgeslagen in het vetweefsel Stapeling citroenzuur voor gluconeogenese en lipogenese Inhibitie door overmaat intermediairen, NADH,H+ en ATP : voorkomt depletie Netto transfer van acetyl CoA van mitochondriële matrix naar cytosol Harpers illustrated biochemistry Citroenzuur De link tussen glycolyse/beta-oxidatie, de Krebs cyclus en vetsynthese/gluconeogenese Regeling thv aconitase 8 1. Synthese citraat via citraat synthase “Cataplerosis” 3 4 2. Export in cytosol via tricarboxylaat transporter 5 3. Citraatlyase: Ac CoA + oxaloacetaat 6 4. Oxaloacetaat wordt gereduceerd tot malaat 2 5. Malaat wordt geoxideerd naar pyruvaat: NADPH 6. Import pyruvaat in mitochondrion 7 7. Pyruvaat carboxylase: oxaloacetaat “Anaplerosis” B: phosphorylatie tot PEP voor gluconeogenese 1 Oxaloacetaat en malaat Oxaloacetaat is nodig voor continuïteit cyclus Koppeling met acetyl CoA Aanvulling vanuit pyruvaat carboxylase Balans met malaat op basis van NAD+ en NADH,H+ Vb. Tijdens vasten komt ATP en NADH van acetyl CoA uit lipolyse → verhoogde malaataanwezigheid → export voor gluconeogenese Acetyl CoA wordt eveneens omgezet naar ketolichamen → recuperatie CoA voor lipolyse & een alternatieve brandstof voor niet-hepatisch weefsel De Krebscyclus is amfibool Katabool Anabool Alles is energie Elke vorm van koolstof bevat energie Macromoleculen worden afgebroken Koolhydraten → hexoses (glucose) Vetten → vetzuren en glycerol Eiwitten → aminozuren Omvorming naar universele ingang: acetyl CoA Hexoses → pyruvaat Vetzuren → acetyl CoA Aminozuren Pyruvaat Acetyl CoA Krebs intermediairen en ammoniak Harpers illustrated biochemistry De lever als wisselkantoor Glucose is de universele energiebron Glucose is essentieel voor Centraal zenuwstelsel (voornaamste bron) Erythrocyten (glycolyse only) Ketolichamen voor perifere organen Postprandiaal (feasting) Overmaat van energie Stockage in glycogeen (glycogenese) Conversie naar vetten (lipogenese) Voornaamste bron: glucose Vereist energie Nuchter (fasting) Initiële drop in glucose → glucosenood Glycogenolyse Lipolyse en ketogenese Alanine, lactaat, ketozuren voor gluconeogenese  Gluconeogenese uit de aminozuren Via de Krebs cyclus natuurlijk Transaminatie converteert aminozuur naar ketozuur Koolstofketen wordt omgevormd naar Acetyl CoA Pyruvaat Krebs cyclus intermediairen Ook “complexere” koolstofketens Consumptie is vaak irreversiebel → conversie naar energie, glucose of lipiden Glucogeen Ketogeen Gluco- en ketogeen Ala Arg Asp Leu Ile Cys Glu Gly Lys Phe His Hyp Met Trp Met Pro Ser Tyr Thr Val Harpers illustrated biochemistry Voorbeeld van “complexe” pathways Harpers illustrated biochemistry Ziektes in de Krebs cyclus Pyruvaat dehydrogenase deficiëntie Zeer heterogene presentatie afhankelijk van subunit X-linked α-subunit E1 X-linked: maternele overerving Jongens: Leigh syndroom, lactaatacidose, ataxie Jonge presentatie Respiratoire problemen: apneoa, SIDS Dystonie Mentale retardatie Meisjes: retardatie, microcefalie, dysmorfie PDH-deficiëntie Klinische presentatie Geen hypoglycemie Lactaat en pyruvaat: normale ratio (NADH uit glycolyse gaat in oxfos) Belangrijke informatie over redoxstatus patiënt Cave préanalytische fase (instabiele molecules) Aanvullend: gestegen alanine (transaminatie) Rechstreekse bepaling Enzymatisch Immunoblotting Moleculaire diagnostiek Therapeutische opties zijn beperkt: ketogeen dieet Lipiden als bron acetyl CoA Thiamine: enkel bij subgroep DCA: inhibitie E1 kinase garandeert restactiviteit Dihydrolipoamide dehydrogenase deficiëntie Of de E3 deficiëntie Weerslag op meerdere keto-zuur dehydrogenases Pyruvaat Vertakte keten aminozuren (leucine, isoleucine, valine) Vroege en ernstige onset Ernstige failure to thrive Metabole decompensatie Hypotonie, psychomotore retardatie Leigh-like syndroom Reye syndroom (Ashkenazi Joodse variant) Differentiaaldiagnose: organische zuren in urine Organische zuren: ketozuren van leucine/isoleucine/valine katabolisme Aminozuren: glutamine, vertakte keten aminozuren Beperkte therapeutische opties: riboflavine en/of gelimiteerde inname BCAA Metabole aandoeningen uit Krebs cyclus Lijkt hard op oxidatieve fosforylatie Frequente weerslag op energie-vragende organen Klinische presentatie in “mitochondriële syndromen” Complexe en ernstige multisystemische problemen Doofheid Mentale retardatie Dysmorfieën Metabole acidose en SIDS Lactaatacidose (met verhoogde L/P ratio) Organische zuren in urine: sterk gestegen intermediairen Klassieke vorm: 2-ketoglutaarzuur of fumaarzuur Zeldzame vormen: SUCLA en SUCLG Complex 2 van oxidatieve fosforylatie Wisselend metabool profiel bemoeilijkt diagnose Kliniek cfr. Oxfos deficiënties Analyse organische zuren Urine > plasma Metabole intermediaire en afbraakproducten Excretie via urine → accumulatie van stapelingsproducten Organische zuren zijn frequente intermediaire producten Transaminatie van aminozuren in oxo-zuren: e.g. hydroxyisovaleriaanzuur en MSUD Afbraak van aminozuren: homogentisinezuur en alkaptonurie Dicarboxylzuren bij vetzuuroxidatie Krebs-cyclus intermediairen: Krebs-cyclus intermediairen en mitochondriële stoornis Ketolichamen: indicatie katabolisme, mitochondriële functie,… ➔ meer dan 70 ziektepatronen! Analyse met gaschromatografie en massaspectrometrie: profiel met interpretatie NB: arbeidsintensief + interpretatie: vergt tijd Gaschromatografie Chromatografie = continue scheiding OZ: normaal patroon OZ: mitochondriële dysfunctie