Krebs syklus

Fra glykolyse til mitokondrie

Før vi kaster oss over Krebs-syklusen, er det nyttig med en liten repetisjon av det som kom før. Glykolysen var kroppens første skritt i nedbrytningen av glukose – en prosess som skjer i cytosol og ikke krever oksygen. Vi kaller det en anaerob prosess.

Gjennom ti enzymkatalyserte reaksjoner blir ett molekyl glukose (som har seks karbonatomer) brutt ned til to molekyler pyruvat (som hver har tre karbonatomer). På veien produserer cellen 2 ATP og 2 NADH, etter at det først har blitt investert litt energi i form av ATP. Det viktige å huske, er at glykolysen både gir litt energi direkte og bygger opp energibærere som NADH, som senere skal brukes i mitokondriene for mer effektiv energiproduksjon.

Men pyruvatet vi står igjen med etter glykolysen, kan ikke uten videre gå inn i mitokondriet. For å komme dit, må det først omdannes. Les mer om dette på Glykolysen.

Fra pyruvat til acetyl-CoA

For at pyruvat skal kunne gå videre inn i mitokondriet og inn i Krebs-syklusen, må det først konverteres til et nytt molekyl: acetyl-CoA.

Denne omdannelsen skjer i mitokondriets matrix, og er en slags «portvaktprosess» hvor cellen vurderer om pyruvat skal brukes videre i energiproduksjon eller lagres på andre måter.

Under denne reaksjonen skjer det flere ting samtidig:

• Én karbonforbindelse fra pyruvat fjernes som CO₂ (vi går fra et 3-karbon til et 2-karbon molekyl).
• Det gjenværende tokarbonfragmentet kobles til et koenzym A, som fungerer som en transportør og gjør molekylet reaktivt – klart for videre bruk i Krebs-syklusen.
• Samtidig reduseres NAD⁺ til NADH + H⁺, og dette NADH skal etter hvert brukes i elektrontransportkjeden for å produsere ATP.

Dette trinnet – overgangen fra pyruvat til acetyl-CoA – er aerob, det vil si at det krever oksygen indirekte, ettersom NADH må kunne oksideres videre i elektrontransportkjeden. Denne prosessen skal vi nærmere inn på litt lenger nede på denne siden.

Repeter: Mitokondriet

For å forstå hva som skjer videre med acetyl-CoA etter glykolysen, må vi se nærmere på mitokondriet – en organelle som spiller en helt sentral rolle i cellens energiproduksjon. Det er nemlig her de mest effektive prosessene for produksjon av ATP foregår, og derfor omtales mitokondriet gjerne som cellens kraftverk.

Mitokondriet er omgitt av to membraner, og hver av dem har en bestemt funksjon. Den ytre membranen vender ut mot cytosol og er relativt gjennomtrengelig for små molekyler og ioner. Dette skyldes spesielle kanalproteiner, kalt poriner, som lar stoffer som pyruvat og ATP-forløpere passere fritt.

Mellom den ytre og indre membranen finner vi intermembranrommet. Selv om dette området kan virke smalt og uanselig, har det en avgjørende rolle: Her bygges det opp en protongradient, altså en ulik fordeling av hydrogenioner (H⁺), som driver den energiproduserende prosessen kalt oksidativ fosforylering.

Den indre membranen er derimot svært selektiv. Nesten ingenting slipper inn eller ut uten spesifikke transportproteiner. Denne membranen er også spesielt rik på proteiner som deltar i elektrontransportkjeden, og den inneholder også enzymkomplekset ATP-syntase, som produserer ATP. For å øke effektiviteten, er den indre membranen foldet i mange innbuktninger kalt cristae. Disse foldene øker membranens overflate og gir plass til flere proteinkomplekser – noe som betyr økt produksjonskapasitet for ATP.

Innerst i mitokondriet finner vi matrix, et væskefylt rom som inneholder enzymene som driver Krebs-syklusen (også kalt TCA-syklusen eller sitronsyresyklusen). Her finner vi også mitokondrielt DNA (mtDNA) og egne ribosomer, slik at mitokondriet kan produsere enkelte av proteinene det trenger på egen hånd. Dette gjør mitokondriet delvis uavhengig av cellekjernens DNA.

Mitokondriet spiller altså en nøkkelrolle i celleåndingen, som er prosessen der næringsstoffer brytes ned for å danne ATP. Denne prosessen består av flere trinn: Først skjer glykolyse i cytosol, som danner pyruvat. Pyruvat transporteres inn i mitokondriet og omdannes til acetyl-CoA, som går inn i Krebs-syklusen i matrix. Deretter overføres elektroner fra NADH og FADH₂ til elektrontransportkjeden i den indre membranen, noe som til slutt driver ATP-syntesen.

Slik sørger mitokondriet for å dekke cellens energibehov – ved å produsere store mengder ATP fra ett enkelt glukosemolekyl. Det er dette som gjør mitokondriet så viktig for cellens liv og funksjon.

Hva er egentlig acetyl-CoA?

Acetyl-CoA er et lite, men ekstremt viktig molekyl i cellens stoffskifte.
Det fungerer som et slags knutepunkt mellom kroppens energiproduksjon og oppbyggende prosesser.
Biokjemisk består det av en acetylgruppe (to karbonatomer) koblet til coenzym A, som er et stort molekyl dannet fra vitamin B5 (pantotensyre). Det er viktig å bemerke seg, da du må ha en forståelse av hvor viktige B vitaminer er i energiproduksjon.
Coenzym A fungerer som en slags “arm” som holder og transporterer acetylgruppen dit den trengs. Når cellen trenger energi, fraktes acetyl-CoA inn i Krebs-syklusen i mitokondriene, der det bidrar til å produsere ATP. Men når energibehovet er lavt, brukes det heller som byggestein i syntese av fettsyrer, kolesterol og andre viktige molekyler. På den måten er acetyl-CoA både et resultat av nedbrytning – fra karbohydrater, fettsyrer og noen aminosyrer – og et utgangspunkt for nye oppbyggende prosesser.

Pyruvatdekarboksylering

Når glykolysen er ferdig, sitter cellen igjen med to molekyler pyruvat for hvert glukosemolekyl.
Men pyruvat må videre inn i mitokondriet, der cellens hovedproduksjon av energi foregår. For å kunne brukes videre i energiproduksjonen, må pyruvat først omdannes til acetyl-CoA.
Denne overgangen kalles pyruvatdekarboksylering og skjer inne i mitokondriets matrix.

Omdannelsen fra pyruvat til acetyl-CoA utføres av et enzymkompleks: pyruvat-dehydrogenase-komplekset, ofte kalt PDH-komplekset. Dette enzymkomplekset består av tre ulike enzymer som samarbeider i en koordinert prosess.

1. Fjerning av karbon (dekarboksylering):
   Først kommer enzymet pyruvat-dehydrogenase i aksjon. Det fjerner ett karbonatom fra pyruvat i form av karbondioksid (CO₂). De to gjenværende karbonatomene bindes til en kofaktor som heter tiaminpyrofosfat (TPP), og danner et mellomprodukt kalt hydroksyetyl-TPP.
2. Dannelse av acetyl-CoA:
   Deretter tar dihydrolipoyl transacetylase over. Dette enzymet overfører den tokarbon lange acetylgruppen til Coenzym A, og resultatet er acetyl-CoA – et nøkkelmolekyl for energiproduksjon. I dette trinnet brukes også en spesiell arm laget av lipoamid, som fysisk flytter acetylgruppen dit den skal.
3. Regenerering av systemet:
   For at hele komplekset skal kunne brukes på nytt, må lipoamidet “lades opp igjen”. Det gjør det tredje enzymet, dihydrolipoyl dehydrogenase. Det overfører elektroner fra lipoamid først til FAD, og deretter fra FADH₂ til NAD⁺, som blir til NADH. Dette NADH-molekylet vil senere brukes i elektrontransportkjeden for å generere ATP.

Det viktigste er å huske at det er tre komplekser og hva de i hovedsak gjør. Danner CO2, legger til CoA og produserer NADH som skal inn i elektrontransportkjeden.

Denne prosessen er en slags port mellom anaerob glykolyse (som skjer i cytosol) og aerob metabolisme (som skjer i mitokondriene). Uten pyruvatdekarboksylering kommer ikke karbonatomene fra glukose videre inn i Krebs-syklusen og elektrontransportkjeden, og cellen får ikke maksimalt utbytte av energien i næringsstoffene.

Kofaktorene: B-vitaminer

For at pyruvat-dehydrogenase-komplekset (PDH-komplekset) skal fungere effektivt, er det helt avhengig av flere små hjelpemolekyler som kalles kofaktorer. Uten disse stopper hele prosessen opp.

Faktisk er fire av de fem kofaktorene avledet direkte fra B-vitaminer, noe som viser hvor viktig disse vitaminene er for kroppens energiproduksjon:

• TPP (tiaminpyrofosfat) stammer fra vitamin B₁ (tiamin). Det er avgjørende for å fjerne et karbonatom fra pyruvat.
• Coenzym A (CoA) er laget fra vitamin B₅ (pantotensyre) og bærer acetylgruppen videre.
• FAD (flavin-adenin-dinukleotid) kommer fra vitamin B₂ (riboflavin) og fungerer som elektronbærer.
• NAD⁺ (nikotinamid-adenin-dinukleotid) stammer fra vitamin B₃ (niacin) og mottar elektroner til slutt i prosessen.

Når PDH-komplekset ikke fungerer

Dersom pyruvat-dehydrogenase-komplekset (PDH-komplekset) ikke virker som det skal, får ikke cellen omdannet pyruvat til acetyl-CoA. Da kan ikke pyruvat gå videre inn i sitronsyresyklusen, og må i stedet omdannes til melkesyre gjennom anaerob metabolisme.

Dette skjer ved visse genetiske defekter i PDH-komplekset, eller ved mangel på nødvendige vitaminer, spesielt B₁ (tiamin). Slike mangler ses blant annet ved underernæring eller langvarig alkoholkonsum.

Konsekvensene kan være betydelige: cellen mister tilgang på effektiv aerob energiproduksjon og får redusert dannelse av ATP, noe som særlig rammer hjerne og muskler, som har høyt energibehov. Samtidig fører opphopning av melkesyre til acidose.

Regulering av PDH-komplekset

PDH-komplekset er ikke alltid aktivt. Cellen regulerer aktiviteten ut fra behovet for energi. Når cellen har rikelig med energi – målt som høye nivåer av ATP, acetyl-CoA og NADH – aktiveres et enzym kalt pyruvat-dehydrogenase kinase (PDK, den som er blå på bildet under). Dette enzymet fosforylerer PDH-komplekset og gjør det inaktivt.

Når cellen derimot trenger energi, aktiveres pyruvat-dehydrogenase fosfatase (PDP, den som er grønn på bildet). Dette enzymet fjerner fosfatgruppen, og PDH-komplekset blir aktivt igjen. PDP aktiveres særlig av kalsiumioner (Ca²⁺) – et signal som ofte øker i muskelceller under fysisk aktivitet.

Under fysisk aktivitet øker behovet for ATP i muskelcellene. Samtidig øker mengden Ca²⁺ inne i cellene, som en del av den normale kontraksjonsprosessen. Dette kalsiumet aktiverer PDP, som deretter fjerner fosfatgruppen fra PDH-komplekset og gjør det aktivt.
Resultatet er økt omdanning av pyruvat til acetyl-CoA, slik at TCA-syklusen og elektrontransportkjeden får mer substrat til produksjon av ATP. På denne måten fungerer PDH-komplekset som en metabolsk bryter som slås på ved økt energibehov – som under trening – og slås av når energinivået er tilstrekkelig.

Sitronsyresyklusen

Etter at pyruvat er blitt omdannet til acetyl-CoA, er neste trinn i cellens energiproduksjon den såkalte sitronsyresyklusen – også kalt TCA-syklusen (trikarboksylsyresyklusen) eller Krebs-syklusen. Kjært barn har mange navn.
Denne biokjemiske syklusen foregår i mitokondriets matrix og består av en serie enzymkatalyserte reaksjoner som trinnvis bryter ned acetyl-CoA til CO₂, samtidig som det dannes NADH og FADH₂.
Disse elektronbærerne overfører energi til elektrontransportkjeden, hvor det dannes store mengder ATP.

---

Trinnvis gjennomgang av TCA-syklusen

1. Fra Acetyl-CoA til citrat
Det første trinnet i syklusen er en kondensasjonsreaksjon der acetyl-CoA (to karbonatomer) reagerer med oksaloacetat (fire karbonatomer) og danner citrat (seks karbonatomer).

Reaksjonen katalyseres av enzymet citrat syntase. Det er denne reaksjonen som gir syklusen sitt navn: sitronsyresyklusen.

2. Fra citrat til isocitrat
Citrat omdannes til isocitrat i to trinn.

Først fjernes et vannmolekyl, og det dannes et ustabilt mellomprodukt, cis-aconitat. Deretter legges vann til igjen, men på en ny plass i molekylet, noe som resulterer i isocitrat.

Enzymet som styrer prosessen er akonitase, og det bruker et jern-svovelkompleks for å lette denne omorganiseringen av molekylet.

3. Fra isocitrat til α-ketoglutarat
Isocitrat oksideres og dekarboksyleres av enzymet isocitrat dehydrogenase.

Ett karbonatom fjernes i form av CO₂, og NAD⁺ reduseres til NADH.

Det som gjenstår er α-ketoglutarat – et femkarbonmolekyl.

Dette trinnet er viktig fordi det er det første i syklusen som både genererer energi og avgir CO₂.

4. Fra α-ketoglutarat til succinyl-CoA
I denne reaksjonen fjernes enda et karbonatom som CO₂, og energien fra denne reaksjonen brukes til å feste de gjenværende fire karbonene til Coenzym A, og det dannes succinyl-CoA.

Reaksjonen katalyseres av α-ketoglutarat dehydrogenase-komplekset, som ligner veldig på PDH-komplekset.

Det bruker også de samme fem ko-faktorene: TPP (vitamin B₁), lipoamid, FAD (B₂), NAD⁺ (B₃) og CoA (B₅). (Husk hvor viktig B-vitaminer er!)

5. Fra succinyl-CoA til succinat
Her fjernes CoA fra succinyl-CoA, og energien som frigjøres, brukes til å danne GTP (eller ATP, avhengig av celletype).
Dette er et eksempel på substratnivåfosforylering, som betyr at ATP dannes direkte i selve reaksjonen.

Enzymet som gjør dette, kalles succinyl-CoA syntetase.

→ Dette er det eneste stedet i TCA-syklusen hvor cellen får direkte ATP/GTP uten å gå via elektrontransportkjeden.

6. Fra succinat til fumarat
Succinat oksideres til fumarat, og FAD reduseres til FADH₂.

Dette skjer ved hjelp av enzymet succinat dehydrogenase, som er spesielt fordi det er bundet til den indre mitokondriemembranen – og fungerer også som kompleks II i elektrontransportkjeden.

→ FADH₂ vil senere avgi sine elektroner og bidra til ATP-produksjon.

7. Fra fumarat til malat
Fumarat tilføres et vannmolekyl i en reaksjon katalysert av enzymet fumarase.
Produktet er L-malat, som er et firekarbonmolekyl.

→ Dette trinnet forbereder molekylet på siste oksidasjon.

8. Fra malat til oksaloacetat
Til slutt oksideres malat til oksaloacetat, samtidig som NAD⁺ reduseres til NADH.

Dette fullfører syklusen, og oksaloacetat kan nå reagere med en ny runde acetyl-CoA og starte på nytt.

Enzymet som katalyserer reaksjonen heter malat dehydrogenase.

---

Energiregnskap for ett molekyl Acetyl-CoA

Hver runde i TCA-syklusen gir:

• 3 NADH
• 1 FADH₂
• 1 GTP (eller ATP)
• 2 CO₂

Siden hver glukosemolekyl danner to pyruvat og dermed to acetyl-CoA, gir én glukose dobbelt så mye av disse produktene fra TCA-syklusen alene – og dette før elektrontransportkjeden i det hele tatt har begynt!

Regulering av TCA-syklusen

For at TCA-syklusen skal fungere effektivt, må den til enhver tid tilpasses cellens behov. Det betyr at kroppen må kunne regulere syklusens aktivitet ut fra hvor mye energi cellen har og hvor mye den trenger. Dette skjer gjennom samspill mellom tilgjengelige startstoffer, aktivering og hemming av spesifikke enzymer og signaler om cellens energitilstand.

Når cellen har rikelig med energi – noe vi ser som høye nivåer av ATP og NADH – vil syklusen bremses.
Dette skjer ved at flere av de viktige enzymene i syklusen blir hemmet, slik at produksjonen av nye energibærere går saktere. På den måten unngår cellen å bruke verdifulle ressurser på å produsere mer energi enn nødvendig.

I tillegg til selve energibærerne, spiller også enkelte av mellomproduktene i syklusen en rolle i reguleringen.
Når det er overskudd av slike stoffer – for eksempel acetyl-CoA eller succinyl-CoA – virker de tilbake på tidligere trinn og hemmer aktiviteten. Dette kalles negativ tilbakemelding. Et eksempel er hvordan høye nivåer av succinyl-CoA kan hemme enzymet α-ketoglutarat dehydrogenase, mens citrat kan hemme citrate synthase. Dette bidrar til å holde hele stoffskiftet i balanse og unngå unødvendig produksjon av NADH og FADH₂.

Men når energien begynner å bli brukt opp – altså når ATP synker og nivåene av ADP og NAD⁺ stiger – skjer det motsatte. Disse molekylene fungerer som signaler om at cellen trenger mer energi, og TCA-syklusen skrus opp i tempo for å produsere det som trengs. Dermed blir flere av enzymene aktivert igjen, og produksjonen av NADH og FADH₂ øker, slik at de kan drive elektrontransportkjeden videre og gi mer ATP.

Det er likevel viktig å understreke at TCA-syklusen ikke bare styres av hvor mye energi som er tilgjengelig. Den er også avhengig av at visse byggesteiner finnes i tilstrekkelige mengder – spesielt acetyl-CoA og oksaloacetat. Uten disse stoffene kan ikke syklusen starte i det hele tatt. Det er derfor mange metabolske veier i kroppen samarbeider for å sørge for at disse molekylene er tilgjengelige, slik at TCA-syklusen kan gå sin runde og holde energiproduksjonen i gang.

Enzymregulering – kontrollpunktene i syklusen

Selv om TCA-syklusen er en kontinuerlig prosess, er det ikke slik at alle trinnene går med samme fart hele tiden. Cellen trenger nemlig muligheten til å regulere hvor raskt syklusen går, avhengig av behovet for energi og byggesteiner. Dette gjøres ved hjelp av tre nøkkelenzymer – strategisk plassert på sentrale trinn i syklusen. De fungerer som “fartsdempere” eller “gasspedaler”, avhengig av situasjonen.

1. Citrat syntase

Citrat syntase er enzymet som setter i gang hele TCA-syklusen. Det gjør dette ved å katalysere reaksjonen der acetyl-CoA og oksaloacetat kobles sammen til citrat. Denne reaksjonen er sterkt regulert, fordi det er her cellen bestemmer om syklusen i det hele tatt skal settes i gang.

Når cellen allerede har nok energi – altså når det finnes rikelig med ATP, NADH eller succinyl-CoA – vil citrat syntase hemmes. Disse stoffene fungerer som signaler om at det ikke er behov for mer energiproduksjon, og enzymet bremser ned.

2. Isocitrate dehydrogenase

Neste viktige kontrollpunkt er enzymet isocitrate dehydrogenase. Det er ansvarlig for å omdanne isocitrat til α-ketoglutarat, og det er samtidig første trinn i syklusen der NADH og CO₂ produseres. Dette gjør enzymet svært viktig for både energiproduksjon og utskillelse av karbon.

Det spesielle med dette enzymet er at det aktiveres av ADP. ADP er et tydelig tegn på at cellen har lavt energinivå, og at det trengs mer ATP. Dermed fungerer dette enzymet som en slags “energisensor”: når energien er lav, setter det opp farten. Men hvis det derimot er mye ATP og NADH til stede, hemmer disse enzymet, og syklusen bremser.

3. α-ketoglutarat dehydrogenase

Det siste store kontrollpunktet er enzymet α-ketoglutarat dehydrogenase. Dette enzymet katalyserer omdanningen av α-ketoglutarat til succinyl-CoA, og er på mange måter parallelt med PDH-komplekset som omdanner pyruvat til acetyl-CoA. Ikke bare ligner de i funksjon og struktur, de reguleres også på lignende vis.

α-ketoglutarat dehydrogenase hemmes av NADH og succinyl-CoA – altså produkter som viser at det ikke er behov for mer energiproduksjon eller videre metabolisme. Når disse er til stede i store mengder, reduseres enzymets aktivitet.

Anaplerotiske reaksjoner – påfylling av mellomprodukter

Anaplerotiske reaksjoner er biokjemiske reaksjoner som bidrar til å fylle opp TCA-syklusen med nye mellomprodukter. Dette er avgjørende for at syklusen skal fungere effektivt, spesielt når cellen har stort behov for biosyntese og dermed tapper mellomproduktene.

Noen viktige anaplerotiske reaksjoner inkluderer:

• Pyruvat → Oksaloacetat, katalysert av enzymet pyruvatkarboksylase
  Dette er den mest sentrale påfyllingsreaksjonen. Den sørger for at pyruvat – et sluttprodukt fra glykolysen – kan gå rett inn og danne oksaloacetat, slik at TCA-syklusen kan fortsette.
• Fosfoenolpyruvat (PEP) → Oksaloacetat, via enzymet PEP-karboksylase
  Denne reaksjonen finnes spesielt i planteceller og enkelte mikroorganismer, men prinsippet er det samme: karbonskjelett fra glykolytiske forbindelser gjøres om til oksaloacetat.
• Pyruvat → Malat, katalysert av malatenzymet
  Malat som dannes her, kan importeres inn i mitokondriet og bidra til å øke mengden firekarbonforbindelser i syklusen.

Disse påfyllingsmekanismene gjør det mulig for cellen å både produsere energi og syntetisere nødvendige molekyler, uten at det ene skjer på bekostning av det andre.

Kataplerotiske reaksjoner – tapping av mellomprodukter

Kataplerotiske reaksjoner er prosesser der mellomprodukter i TCA-syklusen tas ut og brukes til andre formål enn energiproduksjon. Dette er helt nødvendig for at cellen skal kunne bygge nye molekyler.

Et eksempel på en kataplerotisk reaksjon:

• Malat → Oksaloacetat → Aspartat
  Her brukes TCA-syklusens mellomprodukter til å lage aminosyren aspartat, som igjen inngår i syntesen av puriner, pyrimidiner og andre aminosyrer.

Selv om kataplerotiske reaksjoner er livsviktige, fører de til at TCA-syklusen mister ressurser. Derfor må disse tapene balanseres med anaplerotiske reaksjoner, slik at syklusen alltid har de komponentene den trenger for å gå rundt.