מֵידָע

3.2: מחזור TCA - ביולוגיה

3.2: מחזור TCA - ביולוגיה


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

3.2: מחזור TCA

מחזור TCA הפוך 2-oxoacid:ferredoxin oxidoreductase שיוצר קשרי C-C מCO 2

2-אוקסוגלוטראט: ferredoxin oxidoreductase (OGOR) הוא מחסור תיאמין פירופוספט (TPP) ו- [4Fe-4S] אנזים תלוי אשכול ממחזור החומצה הטריקקרבוקסילית (rTCA) המתקן CO2 ל- succinyl-CoA, היוצר 2-אוקסוגלוטראט ו- CoA. כאן אנו מדווחים על OGOR ממחזור ה- rTCA של Magnetococcus marinus MC-1, יחד עם כל שלושת שותפי החיזור הפוטנציאליים של ferredoxin (Fd). אנחנו מדגימים ממOGOR פועלת דו כיוונית (שניהם CO2-תיקון וחמצון 2-אוקסוגלוטרט), וכי רק Fd אחד (ממFd1) תומך בקטליזה יעילה. מבני הגביש ברזולוציה של 1.94-Å ו- 2.80-Å של צורות מקומיות וכבולות מצע של ממOGOR חושפים את הקובעים של ספציפיות המצע ומחייב CoA ב- OGOR ומאירים את סביבת האשכולות [4Fe-4S] ומתארים את הצינור האלקטרוני המאפשר ממFd1 צריך להיות מחובר ל- TPP כבול. נתונים מבניים וביוכימיים מזהים עוד יותר את Glu45α כשאריות ניידות המשפיעות על הטיה קטליטי כלפי CO2קיבוע למרות שהוא לא יוצר מגע ישיר עם תוצרי ביניים הקשורים ל-TPP, מה שמצביע על כך שניתן לכוון את כיווניות התגובה על ידי אינטראקציות בשכבה השנייה. (מגבלת 149 מתוך 150 מילים).

מילות מפתח: 2-אוקסוגלוטראט: קיבוע CO2 של ferredoxin oxidoreductase CO2 Magnetococcus marinus MC-1 הטיה קטליטית העברת אלקטרונים ferredoxin ברזל גופרית אשכולות רדוקטיביים של חומצה טריקרבוקסילית (rTCA) מחזור תיאומי פירופוספט.

הצהרת ניגוד אינטרסים

הצהרת אינטרסים המחברים אינם מצהירים על ניגוד עניינים.

דמויות

איור 1.. 2-oxoacid:ferredoxin oxidoreductases (OFORs) וה...

איור 1 .. 2-oxoacid: ferredoxin oxidoreductases (OFOR) והסדרי התחום של OFOR המאופיינים מבחינה מבנית.

איור 2 .. תכונות ספקטרוסקופיות של ממ OGOR.

איור 2 .. תכונות ספקטרוסקופיות של ממ OGOR.

(א) ספקטרום UV-vis של 5 מיקרומטר כמטוהר ממ OGOR…

איור 3 .. המבנה של ממ OGOR…

איור 3 .. המבנה של ממ OGOR והשוואת האתרים הפעילים בין OFOR.

איור 4 .. הסביבה של הפרוקסימלי ...

איור 4.. סביבת המקבץ הפרוקסימלי [4Fe-4S] ב-OFORs המאופיינים מבחינה מבנית.

איור 5.. מבנה של ממ OGOR עם…

איור 5 .. מבנה של ממ OGOR עם 2-oxoglutarate ו- succinyl-CoA קשורים.


עבד אל-עלעם, ס, נאדה, מ 'א', סייד-אחמד, מ ', הנדריקסון, ס' ג ', סנט לואיס, ג', וולטל, ה 'פ' ואח '. (1996). ויסות חמצון חומצות שומן על ידי אצטיל-CoA שנוצר מניצול גלוקוז במיוציטים מבודדים. כתב העת לקרדיולוגיה מולקולרית ותאית, 28(5), 825–833.

Akiba, T., Hiraga, K., & Tuboi, S. (1984). הפצה תוך תאית של fumarase בבעלי חיים שונים. כתב עת לביוכימיה (טוקיו), 96, 189–195.

Baldwin, J. E., & Krebs, H. (1981). הערכת המחזור המטבולי. טבע, 292, 291–381.

בוטל, ג'יי ל ', מרווד, ס', ברוס, מ ', קונסטנטין-טודוסיו, ד', וגרינהאף, פ 'ל (2007). מחזור חומצה טריקרבוקסילית גודל בריכה ביניים: חשיבות תפקודית לחילוף חומרים חמצוני בפעילות גופנית של שריר השלד האנושי. רפואת ספורט (אוקלנד, נ.ז.), 37(12), 1071–1088.

Briere, J. J., Favier, J., El Ghouzzi, V., Djouadi, F., Benit, P., Gimenez, A. P., et al. (2005). מחסור בסוצ'ינט דהידרוגנאז באדם. מדעי החיים הסלולריים והמולקולריים, 62, 2317–2324.

Costello, L. C., & Franklin, R. B. (1981). פעילות אקוניטאז, חמצון ציטראט ועיכוב אבץ בערמונית גחון של חולדה. אֶנזִים, 26, 281–287.

Fonnum, F., Johnsen, A., & Hassel, B. (1997). שימוש ב- fluorocitrate ו- fluoroacetate בחקר חילוף החומרים במוח. גליה, 21(1), 106–113.

Hellemond, J. J., Opperdoes, F. R., & Tielens, A. G. (2005). המיטוכונדריה יוצאת הדופן וחומצת לימון יוצאת דופן Trypanosoma brucei ואן. עסקאות החברה הביוכימית, 33(5), 967–971.

Jones, J. G., Shery, A. D., Jeffrey, F. M., Storey, C. J., & Malloy, C. R. (1993). מקורות אצטיל-CoA הנכנסים למחזור החומצה הטריקרבוקסילית כפי שנקבעו על ידי ניתוח של איזוטופומרים מסוג succinate 13C. בִּיוֹכִימִיָה, 32(45), 12240–12244.

Kamzolova, S. V., Shishkanova, N. V., Morgunov, I. G., & Finogenova, T. V. (2003). דרישות חמצן לצמיחה וייצור חומצת לימון של Yarrowia lipolytica. מחקר שמרים FEMS, 3(2), 217–222.

קרבס, ח א (1970). ההיסטוריה של מחזור החומצה הטריקרבוקסילית. פרספקטיבות בביולוגיה ורפואה, 14(1), 154–170.

Melendez, E., Waddell, T., & Cascante, M. (1996). חידת מחזור חומצת הלימון. כתב עת לאבולוציה מולקולרית, 43, 293–303.

Nazaret, C., Heiske, M., Thurley, K., & Mazat, J. P. (2009). מטבוליזם אנרגטי מיטוכונדריאלי: מודל פשוט של מחזור TCA עם ייצור ATP. כתב העת לביולוגיה תיאורטית, 258(3), 455–464.

רידס, פ.ג ', ברטולד, ח' ק ', בוז'ה, ג'יי ג'יי, בוררין, ד' ג ', ג'אהור, פ', ג'קסיץ ', ט' ואחרים. (1997). אינטגרציה של מטבוליזם מתווך של חומצות אמינו ופחמן: מחקרים עם נותבים מסומנים באופן אחיד וניתוח איזוטופומרים מסה. כתב העת האירופי לרפואת ילדים, 156(1), 50–58.

Srere, P. A. (1975). האנזימולוגיה של היווצרות ופירוק ציטראט. אנזימולוגיה מתקדמת, 43, 57.

Wan, B., LaNoue, K. F., Cheung, J. Y., & Scaduto, R. C, Jr. (1989). ויסות מחזור חומצת לימון על ידי סידן. כתב עת לכימיה ביולוגית, 264(23), 13430–13439.

Zatta, P., Lain, E., & Cagnolini, C. (2000). השפעות האלומיניום על פעילותם של אנזימי מחזור קרבס וגלוטמט דיהידרוגנאז במוח חולדות במוח. כתב העת האירופי לביוכימיה, 267(10), 3049–3055.


ליקויי מחזור TCA וסרטן: כאשר חילוף החומרים מכוון את מצב חמצון

פגמים מולדים באנזימי מחזור החומצה הטריקקרבוקסילית (TCA) ידועים כבר יותר מעשרים שנה. עד לא מזמן תוארו רק מוטציות רצסיביות שלמרות שהביאו לתסמונות רב-מערכתיות חמורות, לא היו נטייה להופעת סרטן. בעשר השנים האחרונות, תועד תפקיד סיבתי בקרצינוגנזה לשינויים תורשתיים ונרכשים בשלושה אנזימי מחזור TCA, succinate dehydrogenase (SDH), fumarate hydratase (FH) ו-isocitrate dehydrogenase (IDH), המצביעים על שינויים מטבוליים כמו סימן ההיכר הבסיסי של סרטן. מאמר זה מסכם את השינויים הניאופלסטיים של אנזימי מחזור TCA המתמקדים בדור של פנוטיפ פסאודו-פוקסי ובשינוי ההומאוסטזיס האפיגנטי כאפקטים העיקריים לקידום הגידול של מחזור TCA המשפיע על פגמים. יתר על כן, אנו מתווכחים על יכולתן של מוטציות אלה להשפיע על מצב החמצון התאי ולקידום סרטן על ידי השפעה על הביולוגיה של חמצון.

1. הקדמה

תאים סרטניים שונים מאלה התקינים בשל שפע של שינויים ביוכימיים מונעי אונקוגנים שנועדו לקיים קצב צמיחה והתפשטות גבוה [1]. השינוי הספציפי הראשון לגידול במטבוליזם דווח בתחילת המאה ה-20 על ידי Warburg [2]. התצפיות שלו הוכיחו כי חילוף החומרים של תאים סרטניים מסתמך על שטף גליקוליטי מוגבר שנשמר גם בנוכחות חמצן ("גליקוליזה אירובית" או "אפקט ורבורג"), ללא עלייה קשורה בקצב הזרחון החמצוני. המעבר מהנשימה לגליקוליזה נחשב בדרך כלל לתוצאה, ולא לסיבה, של סרטן. עם זאת, בעשור האחרון, הגילוי ששינויים שירשו ורכשו בחלק מהאנזימים של מחזור החומצה הטריקרבוקסילית (TCA) יש להם תפקיד סיבתי במסרטן, שינה את נקודת המבט הזו, והצביע על שינוי חילוף החומרים כסימן ההיכר הבסיסי של טרנספורמציה ניאופלסטית. שינויים אלה מורכבים מפגמים בקו הנבט בגנים המקודדים ליחידות משנה של SDH ו-FH, כמו גם מוטציות סומטיות ברצף הקידוד של IDH. יחד עם מחקרי מטבוליזם המתעדים את שינוי מסלול האיתות התלוי ב- HIF והדינמיקה האפיגנטית כהשפעות העיקריות לקידום הגידול של מוטציות אלה, גוף עדויות גובר תומך גם כיצד שינויים באנזימי מחזור TCA עשויים להעדיף גידולים על ידי השפעה על מצב החמצון התאי. לכן, במאמר זה, אנו מסכמים את הפגמים הפרונקוגניים באנזימי מחזור ה- TCA הדנים במעורבותם בכוונון סביבת החמצון ובמעורבות של איתות גידולים תלויי חמצון.

2. יסודות מחזור TCA

מחזור ה- TCA הוא מסלול ליבה לחילוף החומרים של סוכרים, שומנים וחומצות אמינו [3]. בדרך כלל הוא מוצג בפרספקטיבה נאיבית של מסלול מיטוכונדריאלי מחזורי המחמצן ללא הרף את קבוצת האצטיל של אצטיל-קואנזים A ל- CO2, יצירת NADH ו- FADH2, שהאלקטרונים שלו מזינים את שרשרת הנשימה המיטוכונדרית ליצירת ATP. מחזור TCA מתחיל בהתעבות של אצטיל-CoA עם אוקסלואצטט ליצירת ציטראט, המזרז על ידי סינתרט סיטראט. ציטראט ניתן לייצא לציטופלזמה, שם הוא משמש כמבשר לביו-סינתזה של שומנים או נשאר במיטוכונדריה, שם הוא הופך לאיזוציטרט על ידי אקוניטאז. בשלב הבא, α-קטוגלוטרט (α-KG), שנוצר על ידי decarboxylation חמצוני של isocitrate מזרז על ידי IDH, מומרת succinyl-CoA על ידי decarboxylation נוסף על ידי αקומפלקס dehydrogenase KG. Succinyl-CoA הופך לאחר מכן ל- succinate על ידי סינתטאז succinyl-CoA. Fumarate, המיוצר על ידי חמצון succinate מזרז על ידי מתחם SDH, הוא hydrated כדי malate על ידי FH. חמצון של מלט, המזורז על ידי מלט דהידרוגנאז, מחולל לבסוף אוקסלואצטט, ובכך מבטיח את השלמת המחזור (איור 1). בנקודת המבט הביוכימית בלבד, מחזור ה-TCA בתאים לא גידוליים חולק לשני שלבים: (i) דה-קרבוקסילציה, שבו ציטראט הופך לסוצ'יניל-CoA המשחרר שני CO.2 מולקולות (ii) רדוקטיביות, הכוללות את החמצון הרצוף של succinate לאוקסואלט. מעניין לציין שממצאים מתבררים מהשנה האחרונה תומכים בהשערה שבכמה מערכות תאים כמו (i) תאים סרטניים המכילים מוטציות בקומפלקס I או קומפלקס III של שרשרת הולכת האלקטרונים (ETC), (ii) תאי קרצינומה של הכליה שמקורם במטופל. עם מוטציות ב- FH, (iii) תאים עם מיטוכונדריה תקינות הנתונות ל- ETC פרמקולוגי חריף, עיכוב, וכן (iv) תאים סרטניים החשופים להיפוקסיה, השלב הראשון של המחזור יכול להתקדם בכיוון ההפוך באמצעות קרבוקסילציה רדוקטיבית של α-KG ליצירת ציטראט. זה מאפשר לתאים לייצר אצטיל-קואנזים A לתמוך דה נובו ליפוגנזה וכדאיותם [4-6]. למרות שבמצבים פיזיולוגיים ומנוחה מיטוכונדריה נחוצות ומספיקות לביצוע המחזור, נמצאו איזופורמים של חלק מהאנזימים שלו גם בציטוזול. זה מבטיח חלוקה כפולה (ציטוזולית ומיטוכונדריאלית) של תגובות ומטבוליטים אשר, היות והם חופשיים להתפזר דרך הממברנות המיטוכונדריאליות החיצוניות והפנימיות על ידי ערוצים ונשאים פעילים, בהתאמה, מאפשרים למחזור להגיב לאותות סביבתיים והתפתחותיים, ובכך לקיים אנבוליים תגובות כמו גם תדלוק המכונות לייצור ATP. מחזור TCA הוא גם מסלול מרכזי להמרה בין מטבוליטים הנובעים מטרנסמינציה ודימינציה של חומצות אמינו ומספק את המצעים לסינתזת חומצות אמינו על ידי טרנסמינציה, כמו גם לגלוקונאוגנזה ולסינתזת חומצות שומן. ויסות מחזור ה- TCA תלוי בעיקר באספקה ​​של קופקטורים מחומצנים: ברקמות שבהן תפקידה העיקרי הוא ייצור אנרגיה, שליטה נשימתית בתיווך שרשרת הנשימה וזירחון חמצוני פועל. פעילות זו מסתמכת על זמינות של NAD + ו-ADP, אשר בתורו תלוי בקצב הניצול של ATP בעבודה כימית ופיזית.


שינויים בחמצון הנגרמים על ידי פגמים במחזור TCA. מוצגים שינויים בחיזור שנגרמו על ידי מוטציות ב-SDH, FH ו-IDH. אובדן תפקוד של SDH מגביר את רמות ה- ROS המובילות למוטציות DNA ו- HIF-1α ייצוב. מוטציות IDH1 ו- IDH2 (לא מוצגות) מפחיתות את רמות ה- GSH וה- NADPH. (ר)-2-HG, המיוצר על ידי מוטציות אונקוגניות ב-IDH1 ו-IDH2, מעורר הצטברות ROS. פגמים ב- FH מעוררים טרנסלוקציה גרעינית של Nrf2 ותעתוק אנזימים נוגדי חמצון באמצעות הספקת Keap1. אנזימים ומטבוליטים המעורבים ביצירת גידול ושינויי חיזור הם בצבע אדום. חיצים כחולים מציינים תגובות מחזור TCA. חיצים מנוקדים מציינים מסלולים המווסתים את מצב החמצון התא.

3. ליקויים גנטיים במחזור TCA

פגמים גנטיים המשפיעים על אנזימי מחזור TCA ידועים כבר יותר משני עשורים. עד לאחרונה תועדו רק מוטציות רצסיביות שהשלכותיהן הקליניות היו דומות לשינויים בשרשרת הובלה של אלקטרונים (ETC) וזרחון חמצוני [7]. ליקויים אלו היו קשורים להפרעות רב-מערכתיות ולנזק נוירולוגי חמור, אך ללא נטייה לסרטן, כתוצאה מפגיעה משמעותית מאוד ביצירת ATP במערכת העצבים המרכזית. בעשר השנים האחרונות תוארו פגמים דומיננטיים הקשורים לאונקוגנזה באיזופורמים ציטופלסמיים ומיטוכונדריאליים של שלושה אנזימים מקודדים גרעיניים, SDH, FH ו- IDH, המאפשרים לחקור את התפקידים החוץ-מטבוליים של מטבוליטים במחזור TCA ואת איתותם להיווצרות גידול.

3.1. סוקסינט דהידרוגנאז

מכלול SDH (הידוע גם בשם succinate: ubiquinone oxidoreductase או מתחם מיטוכונדריאלי II) הוא מדכא גידול הטרוטטרמי שמור מאוד, מורכב משתי יחידות משנה קטליטיות (SDHA ו- SDHB), הבולטות לתוך המטריצה ​​המיטוכונדרית, ושתי יחידות משנה הידרופוביות (SDHC ו- SDHD ), המעגן את המרכיבים הקטליטיים לקרום המיטוכונדריאלי הפנימי ומספק את אתר הקישור לאוביקווינון, גם כן [8]. כל יחידות המשנה מקודדות על ידי גנום גרעיני, ובניגוד לרוב אנזימי מחזור TCA, אין להן עמיתים ציטוזוליים. SDH מזרז את החמצון של succinate ל- fumarate במחזור TCA עם הפחתה בו זמנית של ubiquinone ל- ubiquinol ב- ETC. לפני עשור זוהו מוטציות ביחידות המשנה SDHB, SDHC ו-SDHD בחולים עם פרגנליומות תורשתיות (hPGLs) ופאוכרומוציטומות (PCCs), ניאופלזמה נוירואנדוקרינית נדירה של רקמת הכרומאפין של מדוללת יותרת הכליה או שמקורה ברקמה הפאראסימפטטית של הראש. ופרגנגליומה בצוואר, בהתאמה [9-12]. לאחרונה, מוטציות ב-SDHA וב-SDHAF assembly factor 2 (SDHAF2), הנדרשות ל-flavination של SDH [13, 14], נקשרו לתסמונת hPGL/PCC [15]. הפגמים הגנטיים בגנים ה- SDH הנוטים ל- hPGL כמו גם ל- PCC הם מוטציות חבטות הטרוזיגטיות, המעוררות את אי הפעלת החלבון והטרנספורמציה הניאופלסטית מתפתחת כתוצאה מאובדן הטרוזיגוזיות, הנגרמת כתוצאה מאובדן מוחלט של תפקוד האנזים בשנייה. פגיעה מוטגנית (בדרך כלל מחיקה) [16]. בנוסף ל- hPGL ו- PCC, מספר ניאופלזמות אחרות נקשרו למוטציות בגנים של SDH, כולל גידולים סטרומטיים במערכת העיכול, סרטן תאי הכליה, גידולים בבלוטת התריס, נוירובלסטומות וסמינומה באשכים [8].

3.2. Fumarate Hydratase

FH הוא אנזים מחזור TCA הומוטטרמרי המזרז את ההידרציה הסטריאו-ספציפית וההפיכה של פומארט ל-L-malate. ליקויים ב- FH הומוזיגוטיים גורמים לחומצת חומצה fumaric [17], המאופיינת בהתחלה מוקדמת של אנצפלופתיה חמורה ופיגור פסיכומוטורי להיפך, מוטציות FH הטרוזיגטיות נוטות למספר ליאומיומות עוריות ורחמיות (MCUL), כמו גם ליאומיומטוזיס תורשתי וסרטן תאים כלייתיים ( HLRCC) [18, 19]. בפרט, גידולי הכליות ב- HLRCC, שהספקטרום המורפולוגי שלהם כוללים סוג פפילרי II, טובולופפילר, צינורי, צינור איסוף וקרצינומה של תאים צלולים, הם אגרסיביים במיוחד. עדויות הולכות וגדלות מצביעות על כך FH מוטציות עשויות להיות מעורבות גם בפתוגנזה של שד, שלפוחית ​​השתן, כמו גם גידולים של תאי ליידיג [20, 21]. הסוגים הנפוצים ביותר של פגמים גנטיים בעלי נטייה לגידול הם מוטציות מיסנס (57%), ואחריהן מוטציות של שינוי מסגרת ושטות (27%), כמו גם מחיקות, הוספות ושכפולים בקנה מידה גדול [22]. בדומה ל- SDH, פעילות אנזימטית של FH נעדרת לחלוטין ב- HLRCC כתוצאה מאובדן האלל מסוג הבר בתא שהפך.

3.3. Isocitrate Dehydrogenase

IDH הוא חבר ב- β-Decarboxylating dehydrogenase משפחת אנזימים ומזרז את decarboxylation החמצון של איזוציטרט לייצור 2-oxoglutarate (α-KG) ו-CO2 במחזור TCA. הגנום הגרעיני מקודד לשלוש איזופורמות של IDH: IDH1 ו-IDH2 הם הומודימרים תלויים ב-NADP+, בעוד ש-IDH3 הוא אנזים הטרוטטרמרי תלוי ב-NAD+. בעוד ש-IDH1 נמצא בציטופלזמה ופרוקסיזומים, IDH2 ו-IDH3 ממוקמים באופן בלעדי לתוך המטריצה ​​המיטוכונדריאלית, ולמרות שכל שלושת האיזופורמים מסוגלים לבצע decarboxylate issocitrate, IDH3 היא הצורה העיקרית של תפקוד IDH במחזור TCA בתנאים פיזיולוגיים ואילו IDH1 ו IDH2 מעורבים בעיקר במטבוליזם הרדוקטיבי של גלוטמין, תחת היפוקסיה ושינויים ETC [4, 5, 23]. למרות שהיא ממלאת תפקיד מרכזי בייצור האנרגיה, עד כה לא דווח על מוטציות הקשורות לסרטן באף אחת מיחידות המשנה של IDH3. לעומת זאת, ניתוחי מוטציה גנומית ורצף עמוק בעל תפוקה גבוהה חשפו את נוכחותם של מוטציות ב- IDH1 או במקבילה המיטוכונדריאלי IDH2 ב -70% מהגליאומות בדרגה II-III וגליובלסטומות משניות [24, 25]. מאז דיווחים ראשוניים אלה, זוהו מוטציות ב- IDH1 וב- IDH2 בקרב 16-17% מהחולים עם לוקמיה מיאלואידית חריפה, ב -20% מהלימפומות האנגיואינובלסטיות [26], ונצפו במגוון ממאירות אחרות בתדירות נמוכה יותר [ 27, 28] כגון לוקמיה לימפובלסטית B- חריפה, בלוטת התריס, סרטן המעי הגס וסרטן הערמונית [29, 30]. בניגוד SDH ו FH מוטציות ב-hPGL ו-HLRCC, בהתאמה, מוטציות IDH1 ו-IDH2 הן סומטיות ומונואלליות. יתר על כן, ואילו מוטציות ב- SDH ו FH מתרחשות ברחבי הגן, רוב המוטציות של IDH שזוהו בגליומות ו- AML הן שינויים בשאריות חומצות האמינו R132 ב- IDH1 או R172 או R140 ב- IDH2 [31]. כתוצאה משינויים אלה, IDHs שעבר מוטציה אינם מסוגלים לזרז ביעילות את הדה-קרבוקסילציה החמצונית של איזוציטרט ולרכוש פעילות קטליטית ניאומורפית המאפשרת הפחתה תלוית NADPH של α-KG לתוך oncometabolite (ר)-2-הידרוקסיגלוטרית חומצה ((ר)-2HG) [31, 32].

4. מנגנונים של Tumorigenesis הנגרמת על ידי פגמי מחזור TCA

הממצא שגידולים רבים מתעוררים ממוטציות בשניהם SDH ו FH גנים מאופיינים על ידי תכונות היפוקסיות הצביעו על כך שהפעלת גורם השעתוק-1 הניתן להיפוקסיהα (HIF-1α) יכול לשחק תפקיד תומך בתהליכים הגידוליים הנגרמים כתוצאה מבעיות תפקוד של מחזור TCA. אכן, HIF-1α ידוע כמתאם את התכנות הביוכימי של תאים סרטניים שמטרתם לקיים את צמיחתם והתפשטותם וכן את וסקולריות הגידול [33–35]. הקשר הסיבתי בין תפקוד לקוי של מחזור TCA לבין HIF-1α ההפעלה הוצעה בתחילה על ידי סלק ועמיתיו שהוכיחו כי הצטברות סוקסינט בתאים חסרי SDH גורמת לעיכוב של פרול 4-הידרוקסילאזים (PHD), המווסתים שלילי את יציבות α יחידת משנה של HIF [36]. הדוקטורנטים הם בני משפחת העל של α-הידרוקסילאזים תלויי ק.ג., המחברים בין הידרוקסילציה של המצעים לחמצון של α-KG להיסגר בתגובות התלויות ב- O2 ו- Fe 2+ [37]. בתנאים נורמוקסיים, PHDs hydroxylate שני שאריות פרולין בתחום הפירוק תלוי החמצן של HIF-1α, מה שמאפשר לו להיות polyubiquitination והשפלה באמצעות פרוטוזום. הסוקסינט המצטבר בתאים חסרי SDH או לא פעיל ב- SDH פוגע בפעילות ה- PHD המובילה ל- HIF-1α ייצוב בתנאים נורמוקסיים (פסאודוהיפוקסיה) [36]. בדומה ל succinate, גם fumarate, המצטבר בגידולים הסובלים מאובדן תפקוד FH, הוכח כמעכבים חזקים של PHD [38]. מעניין לציין כי ייצוב בתיווך fumarate של HIF נצפה כגורם לוויסות של כמה גנים היעדים ל- HIF, כולל אלה הממריצים צמיחת תאים ואנגיוגנזה, ומאפשרים לשער תגובה של pseudohypoxia כמנגנון סביר להופעת HLRCC [38]. למרות זאת, ראיות גדולות אלה הראו קשר ישיר בין HIF-1α ביטוי וגידול גידולים, ממצאים אחרונים העלו כמה שאלות לגבי התפקיד הפרוטומוריגני של הסתגלות פסאודו-היפוקסית בכל סוגי הגידולים המתעוררים מפגמים במחזור TCA. השאלה הראשונה עלתה ממחקרם של אדם ועמיתיו. הם הוכיחו כי לא נוכחות HIF ולא היעדר PHDs נדרשים להיווצרות ציסטות כליות היפרפלסטיות (סימן היכר טיפוסי של HLRCC) במחלה ספציפית לכליה. Fh1 (האורתולוג של FH אנושי) עכברי נוקאאוט שמסכמים תכונות רבות של המחלה האנושית [39], מה שמרמז שפעולות אונקוגניות חלופיות של fumarate עשויות להיות אחראיות ליצירת HLRCC (ראו פסקה הבאה). בנוסף למחקר זה, המתאר את ה- HIF כמעין "שחקן צופה" בהופעת גידולים המכילים מוטציות FH, דיווח אחר הצביע על גורם שעתוק זה כחלבון מדכא גידולים בגידולים הנושאים מוטציות IDH1/2. ואכן, כפי שהוכיחו Koivunen ועמיתיו, בניגוד לסוקסינאט ופומראט, (ר) -2HG מעורר פעילות PHDs, נהיגה, בצורה כזו, HIF-1α להשפלה בתיווך פרוטאזום [40]. יתרה מכך, הם ציינו כי HIF-1α הורדת רגולציה משפרת את התפשטות האסטרוציטים האנושיים ומקדמת את הפיכתם, ומספקת הצדקה לחקור את עיכוב ה- PHD כאסטרטגיית טיפול אפשרית בגידולים המחזיקים במוטציות IDH1/2 [40].

כחבר ב αהידרוקסילאזים תלויי KG, PHDs מזרזים את ההידרוקסילציה של מגוון רחב של מצעים, מלבד HIF-1α [37]. לכן, ההידרוקסילציה המופחתת של מטרות PHD עשויה לתרום לגידולים ללא קשר ל- HIF-1α פעילות ורכישת חתימה היפוקסית. לדוגמה, הוצע כי מחסור ב- SDH עלול לפגוע במוות תאים מתוכנת תלוי ב- PHD של נוירונים, ולכן קבע את הבמה לשינוי ניאופלסטי של תאים עצביים. השערה זו מוצאת תמיכה במחקרים האחרונים המדגימים כי הפעילות הפרופופטוטית של הפרוליל הידרוקסילאז EglN3 דורשת SDH פונקציונלי, בהיותו משוב מעוכב על ידי succinate [41, 42]. מכיוון ש-EglN3 נדרש במהלך הפיתוח כדי לאפשר מוות תאי מתוכנת של כמה תאי קודמים עצביים סימפטיים, העיכוב שלו, הנגרם על ידי עלייה ברמות הסוקסינאט, יכול לשחק תפקיד בפתוגנזה של גידולים המתעוררים מאפופטוזיס התפתחותי לקוי, כגון פיאוכרומוציטומות.

הדגשת ה-HIF-1αמנגנונים גידוליים בלתי תלויים, כמות הוכחות הולכת וגדלה מציבה בבירור את השינוי של שטף ה-TCA במעלה הזרם של הדינמיקה האפיגנטית. מתילציה של היסטון היא שינוי אפיגנטי חשוב אשר הוכח כמווסת את ביטוי הגנים על ידי שינוי מבנה הכרומטין, ובכך, כוונון עדין של הקישור של גורמי שעתוק [43, 44]. אחד האנזימים הנחקרים ביותר המסדירים את חתימת המתילציה של היסטון הם משפחת ה-Jumonji C-terminal domain (JmjC) של היסטונים דמתילאזים [45]. כשהם מסירים את קבוצות המתיל על שאריות הארגנין והליזין של היסטונים לאחר ביצוע α-ק"ג והידרוקסילציה תלויה בחמצן, הם נכללו ב α-משפחת הידרוקסילאזים תלויה ב- KG. הוכח כי הצטברות סוקסינים, בתאים חסרי SDH, משפיעה לרעה על פעילותם של חברים רבים ממעמד כזה של היסטון דמתילאז. לדוגמה, עיכוב JMJD3 בתיווך succinate מוביל לשינויים בסימן המתילציה של היסטון H3 בארגינין [46]. יתר על כן, במודל שמרים של פרגנגליומה, נמצא כי האצטון דמתילאז, Jhd1, מעוכב על ידי הצטברות של succinate ב α-ק"ג-אופן תחרותי [47]. באופן דומה, מחקרים עדכניים מראים כי מלבד שינויים ב-SDH, גם פגמים ב-IDH1/2 קשורים לפנוטיפ היפר-מתיל. אכן, בתאים המאכסנים IDH1/2 מוטציות, תוך תאיות (ררמות )-2-HG יכולות להגיע לערך של 10 מ"מ. ריכוזים אלה מקדמים את העיכוב התחרותי של αהיסטון תלוי ב- KG ε -lysine demethylase JMJD2A, ומשפחת עשר-עשרה טרנסלוקציה (TET) של 5-מתילציטוזין (5mC) הידרוקסילאזים, סוג של חלבון המתווך את αהסרה תלויה ב- KG של סימן מתיל מ -5 מתילציטוזינים, וכתוצאה מכך היסטון משופר ומתילציה של DNA, בהתאמה [48, 49]. מעניין לציין כי למרות שהפיומרט מסוגל לעכב PHDs המסדירים HIF בדומה לסוקינט, עד כה לא תועדו עדויות המעידות על יכולתו המשוערת לשקף את המטבוליט המצומצם שלו בהשפעה על מתילציה של היסטון. בנוסף, מכיוון שאנזימי TET חברים ב- αמשפחת הידרוקסילאזים התלויים ב-KG, יכולת משוערת של סוקסינאט וגם פומראט בעיכובם ניתן לטעון באופן סביר. על בסיס יכולתם של השינויים האפיגנטיים להשפיע על התמיינות ספציפית לשושלת ולגרום להפעלה של אונקוגנים או השתקה של מדכאי הגידול [44, 50, 51], העיכוב התחרותי של היסטון ודמטילאזים של DNA שנגרמו על ידי פגמים בשטף. של מטבוליטים של מחזור TCA עשויים להניע גידולים על ידי קידום התמרה של תאים וריבוי בלתי מבוקר.

5. שינויים טומוריגניים תלויים בחמצון הנגרמים על ידי ליקויי מחזור TCA

מלבד נקודת המבט המטבולית בלבד, עדויות משכנעות מצביעות על כך שמיני החמצן הריאקטיביים (ROS), המיוצרים על ידי תפקוד מיטוכונדריאלי לא מוסדר, עשויים לעורר את האות האונקוגני או, לפחות, להשתתף בהתקדמות הגידולים המאופיינים בפגמים באנזימי מחזור TCA. (איור 1). הנחה זו מוצאת תמיכה בתצפית שבהשוואה לעמיתיהם הרגילים, לסוגים רבים של תאים סרטניים יש רמות מוגברות של ROS שנוצרו על ידי שרשרת העברת אלקטרונים מיטוכונדריאלית פגומה [52-54]. על ידי ניצול התגובתיות הכימית שלהם עם ביו-מולקולות, כגון חומצות גרעין, ROS ידוע כגורם למספר סוגים של נזקי DNA, כולל התערבות ודפירימידינציה, שבירות DNA חד-כפולות, DNA ושינויים בסוכר וקישורי DNA. באופן כזה, שינויים קבועים ב- DNA, הנובעים מתנאים מתמשכים של חמצון, מניעים את האירועים המוטגניים העומדים בבסיס הסרטן.

התצפית כי מוטציה SDHC ספציפית (mev-1) של ה C. elegans נמטודות הצליחו ליצור סופר -חמצן

[55, 56] הציע את האפשרות של- ROS יכול להיות תפקיד סיבתי בפתוגנזה של גידולים הנושאים פגמים במחזור ה- TCA. השערה זו התחזקה עוד יותר על ידי העדויות לפיה פיברובלסטים של עכברים הועברו עם מקבילה עכברת של mev-1 מוטציה הופיעה על ידי ייצור ROS מתמשך ותדירות מוטציה גבוהה יותר של DNA מאשר עמיתיהם מסוג wild [57]. למרות שראיות אלה תמכו בתפקידו המוטגני של ROS הנוצר על ידי קומפלקס SDH פגום, לא נצפו נזקי DNA הניתנים לגילוי, למרות ייצור מוגבר של ROS וחמצון חלבונים, S. cerevisiae זן חסר Sdh2 (אורתולוג השמרים של SDHB יונקים) [47]. כדי לקשר בין המצב הפרו-חמצוני שנגרם כתוצאה מבעיות תפקודי SDH לבין גידולים בגידול, הציעו גוזי ועמיתיו כי ה- ROS יכול לשחק תפקיד תומך בתהליך האונקוגני על ידי תרומה להפעלה של HIF-1α [58]. אכן, הסתמכות על תפקיד שאופיין בעבר של ROS הנגזר משרשרת הנשימה כאותות ל- HIF-1α ייצוב תחת היפוקסיה [59, 60], הוכח כי תאים המבטאים SDHB מוטנטי, אך לא מוטנטי SDHA, מאופיינים בייצור ROS מיטוכונדריאלי משמעותי הנדרש, יחד עם סוקסינאט, לביטול מלא של PHDs ו-HIF-1α ייצוב [58]. לכן, תוצאות אלו מחזקות את תפקידו של ROS כמגבר של התגובה הפסאודו -פוקסית, הנצפה בכל התאים הנושאים פגמים ב- SDH, ומספקים רציונל ביוכימי לחומרת מוטציות ה- SDHB הקשורות בדרך כלל ל- PCC אגרסיבי.

היכולות של פגמים במחזור TCA בכוונון מצב החמצון התאי נתמכו על ידי הוכחות לכך שגם מוטציות אונקוגניות בגנים IDH1/2 קשורות לחמצון של סביבה תאיים. בדרך כלל, באורגניזמים אירוביים, השליטה על מצב החיזור התאי מובטחת על ידי האיזון בין המינים הפרו-אוקסידנטים, המיוצרים בעיקר על ידי מיטוכונדריה, NADPH אוקסידאזים או כתוצר לוואי של חילוף החומרים הביניים, וסילוקם באמצעות הפעולה הסינרגטית של האנזימים נוגדי החמצון וה- נוגדי חמצון המכילים תיול. בין האחרונים, הטריפפטיד גלוטתיון (GSH) ממלא תפקיד מרכזי בקביעת ערך המצב היציב של פוטנציאל החיזור התוך תאי. ואכן, השפע התוך-תאי שלו (1-10 מ"מ) מאפשר ל-GSH להשתתף, כתורם אלקטרונים, בהפחתה אנזימטית של מי חמצן וליפידים וביצירת הפיכים. ס-תוספות גלוטתיונילציות עם טיולים חלבונים, המונעות מהם לעבור צורות בלתי הפיכות של חמצון [61]. היכולת של מוטציות IDH לעורר מצבים תוך-תאיים חמצוניים קשורה לירידה ברמות GSH, שנצפתה הן ב-IDH1-R132H - והן ב-IDH2-R172K - המבטאים תאי גליומה ביחס שלהם wt עמיתים [62]. GSH מסונתז בשני שלבים תלויי ATP: (i) סינתזה של γ-גלוטמילציסטאין, מ-L-גלוטמט וציסטאין באמצעות האנזים המגביל את הקצב גלוטמט-ציסטאין ליגאז (GCL) (ii) הוספת גליצין למסוף ה-C של γ-גלוטמילציסטאין באמצעות האנזים גלוטתיון סינתטאז. גלוטמט תוך -תאי, הנדרש לתגובה הראשונה של ביוסינתזה של GSH, מיוצר בעיקר על ידי דימינציה חמצונית של גלוטמין המזרז על ידי האנזים גלוטמינאז [63]. כמו IDH1/2 תאים מוטנטיים מאופיינים ברמות נמוכות יותר של גלוטמט ביחס שלהם wt בהתאמה לחלקים [62], ייתכן כי פגמים אונקוגניים ב- IDH גורמים לפגיעה בסינתזת GSH עקב זמינות נמוכה יותר של גלוטמט, ובכך פנו -קופי תנאי הפרוקוקסידנט הנצפים בתאים חסרי גלוטמינאז [64]. רמות הגלוטמט המופחתות יכולות להיות תוצאה של עלייה αדרישת KG של תאים מוטנטיים IDH1/2 המאפשרים את הביוסינתזה של ה-oncometabolite (ר) -2-HG. הנחה זו נתמכת על ידי העדויות שטיפול בתאי גליומה עם (ר)-2-HG אינו מדלדל לא את רמות הגלוטמט או הגלוטתיון [62], דבר המצביע על כך ששינויים מטבוליים רבים שנצפו בתאים שעברו מוטציה ב-IDH אינם נובעים מהפעולה הישירה של (ר)-2-HG אלא תוצאה של הייצור האונקוגני שלו. המעורבות של מוטציות IDH1/2 ביצירת מצבים של פרואוקסידנטים אינה קשורה רק לשינוי בתכולת GSH תוך תאית. ואכן, הדה-קרבוקסילציה החמצונית של איזוציטרט, הפגועה בכל המוטנטים של חלבוני IDH1 ו-IDH2, קשורה ליכולת מופחתת ליצור NADPH. יתר על כן, הכישלון בשמירה על ייצור NADPH תוך תאי קשור לחמצון NADPH מוגבר, הכרחי כדי לאפשר את הביוסינתזה הרדוקטיבית של (ר) -2-HG [31, 32, 65]. מכיוון ש-GSH והחלבון נוגד החמצון המבוסס על תיול, thioredoxin דורשים NADPH כמקור להפחתת המקבילות להתחדשות שלהם [61], שיווי המשקל המשתנה של NADP + /NADPH הנגרם על ידי מוטציות IDH1/2 יכול לתרום לשינוי של מצב החיזור התוך תאי לקראת תנאים מחמצנים יותר. אמנם, קווי ראיות אלו מביאים ליכולתו של המוטנטי IDH1/2 לעורר תנאים פרואוקסידנטים באופן עצמאי בפעולה ישירה של (ר)-2-HG על מטבולום חיזור אנושי, הוצע כי oncometabolite זה יכול לתרום בעצמו לחמצון הסביבה התוך תאית. אכן, כמה דיווחים מדגימים את יכולתו לגרום לנזק חמצוני בקליפת המוח של חולדות צעירות [66] ולעורר יצירת ROS באמצעות גירוי של קולטן NMDA [67]. Although these findings support prooxidant capability of (ר)-2-HG, to date no striking evidence has been provided attesting its mutagenic role.

Whereas accumulating pieces of evidence support the capability of oncogenic mutations in SDH as well as IDH genes to oxidize intracellular milieu, conflicting findings do not allow for defining a clear role of FH deficiency in cellular redox state modulation. The most convincing evidence showing the capability of FH-deficient cells to promote intracellular ROS accumulation comes from the work of Sudarshan and colleagues [68]. This study demonstrated that inactivating mutations of FH in an HLRCC-derived cell line result in glucose-induced NADPH oxidases-mediated generation of and ROS-dependent HIF-1α stabilization. On the contrary, O’Flaherty and colleagues provided clear evidence that accumulation of fumarate, due to the absence of a functional FH, is the sole mechanism responsible for the inhibition of HIF-1α prolyl hydroxylation, independently on defect in mitochondrial oxidative metabolism [69]. Indeed, the complete correction of HIF-1α pathway activation in Fh1 −/− MEFs by extra-mitochondrial FH expression suggests that, at least in tumors harboring FH defects, neither impaired mitochondrial function nor the consequent dependence of energy metabolism on glycolysis contributes significantly to HIF-1α engagement. The most substantial pieces of evidence, depicting the elevation of fumarate levels as a condition linked to the reduction of intracellular redox state, came from two recent studies demonstrating that FH loss results in the activation of nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2) [39, 70], the pivotal transcription factor responsible for the induction of the antioxidant-responsive-element- (ARE-) driven genes, which codify for phase II detoxification enzymes and antioxidant proteins such as glutathione S-transferases and GCL [71]. Both studies demonstrated that reconstitution of FH-deficient cells with wild-type FH or an extra-mitochondrial FH decreased fumarate levels and restored Nrf2 regulation [39, 70]. In addition, elevation of intracellular fumarate content by a membrane-permeable fumarate ester was found sufficient to induce Nrf2 and its orchestrated antioxidant program [70]. According to the current view, in resting conditions, Nrf2 is retained in the cytoplasm through its interaction with Keap1 which prevents its nuclear translocation and rules its ubiquitin-proteasome-mediated turnover, as well. However, in the presence of electrophiles as well as during redox unbalance, Keap1 is modified at several reactive cysteine residues, resulting in Nrf2 stabilization and the activation of the protective gene expression program [71, 72]. In line with this accepted model, both groups revealed by mass spectroscopy analyses that fumarate was able to succinate several cysteine residues previously shown to be electrophile targets, including Cys 151 and Cys 288 , thereby providing a mechanistic explanation of the fumarate-induced Nrf2 activation [39, 70]. Although ROS can promote carcinogenesis by inducing oxidative damages to DNA, a recent outstanding study demonstrates that oncogene-induced Nrf2 activation promotes tumorigenesis by lowering ROS levels and conferring a more reduced intracellular environment [73]. Therefore, on the basis of these evidence, it is possible to hypothesize that the fumarate-mediated activation of the Nrf2-antioxidant pathway might drive the oncogenic signal for tumors characterized by defects in the FH enzyme. Although this assumption has not been demonstrated yet, the observation that heme oxygenase 1, one of the best defined target genes of Nrf2, is upregulated in FH-deficient cells allowing their survival [74] supports the putative causal role of Keap1 succination in the onset of tumors carrying FH defects. Furthermore, mounting bodies of evidence show that Nrf2 and its downstream genes are overexpressed in many cancer cell lines and human cancer tissues conferring them advantage for survival and growth as well as acquired chemoresistance [75, 76]. Therefore, it is possible to speculate that besides driving renal tumorigenesis, fumarate-induced succination of Nrf2 could contribute to the reduced sensitivity of particularly aggressive and recurrent forms of kidney cancer, such as HLRCC [77], to many chemotherapeutic approaches. The enhanced activation of Nrf2 observed both by Pollard and Furge groups contributes to explain the results obtained by Raimundo and coworkers in nontumor cells [78]. Indeed, they documented that FH-deficient diploid human fibroblasts are characterized by a highly reduced redox state with increased GSH levels, as result of increased expression of the GSH biosynthetic enzyme GCL. As highly reducing environment has been shown to stimulate cell proliferation [79], it is possible to hypothesize that the reduced redox state elicited by FH mutations could favor the doublings of stem-cell-like populations promoting thus the initial event of tumor formation. This assumption finds support in the observation that lower ROS levels have been found in many cancer stem cells with respect to the nontumorigenic counterparts, allowing them to maintain a high proliferative status and to prevent their differentiation [80].

6. Concluding Remarks

The direct involvement of TCA cycle enzymes in tumor formation has been arousing from a decade. In tumors associated with defects of SDH, FH, and IDH enzymes, the underlying mechanisms of tumorigenesis involve the accumulation of metabolites (succinate, fumarate, and (ר)-2-HG) that convey oncogenic signals (oncometabolites). Large amount of evidence points towards the generation of pseudohypoxic phenotype and the alteration of epigenetic homeostasis as the main cancer-promoting effects of the TCA cycle affecting mutations. Besides inhibiting the α-KG-dependent hydroxylases, mounting body of evidence supports the ability of these oncometabolites to alter cellular redox state in precancerous as well as transformed cells. Therefore, alternatively or concomitantly to the generation of pseudohypoxic phenotype and the alteration of epigenetic dynamics, the oncometabolites-induced engagement of redox-dependent signaling pathways could contribute both to the neoplastic transformation of healthy cells as well as to the progression of malignancies characterized by germline mutations in SDH and FH and of somatic defects in IDH. These emerging findings reveal a dynamic interaction between the genetic profile, the metabolic status, and the redox tuning of the cell. Moreover, the different impact of oncogenic mutations of the TCA cycle on cellular redox state could contribute to explain the differences in the clinical phenotype and outcome of their associated tumors, opening new perspectives in the comprehension of the molecular mechanisms of oncogenesis and therapeutic targeting of these neoplastic alterations.

הכרות

This work was partially supported by Grants from AIRC (no. IG 10636) and from Ministero dell’Università e della Ricerca (MIUR).

הפניות

  1. G. Kroemer and J. Pouyssegur, “Tumor cell metabolism: Cancer's Achilles' heel,” תא סרטן, כרך 13, לא. 6, pp. 472–482, 2008. View at: Publisher Site | Google Scholar
  2. O. Warburg, “On the origin of cancer cells,” מַדָע, כרך 123, no. 3191, pp. 309–314, 1956. View at: Google Scholar
  3. I. E. Scheffler, מיטוכונדריה, John Wiley & Sons, 2nd edition, 2008.
  4. D. R. Wise, P. S. Ward, J. E. Shay et al., “Hypoxia promotes isocytrate dehydrogenase-dependent carboxylation of α-ketoglutarate to citrate to support cell growth and viability,” ההליכים של האקדמיה הלאומית למדעים ארה"ב, כרך 108, לא. 49, 19611 pages, 1961. View at: Google Scholar
  5. C. M. Metallo, P. A. Gameiro, E. L. Bell et al., “Reductive glutamine metabolism by IDH1 mediates lipogenesis under hypoxia,” טֶבַע, כרך 481, no. 7381, pp. 380–384, 2011. View at: Google Scholar
  6. A. R. Mullen, W. W. Wheaton, E. S. Jin et al., “Reductive carboxylation supports growth in tumour cells with defective mitochondria,” טֶבַע, כרך 481, no. 7381, pp. 385–388, 2011. View at: Google Scholar
  7. D. C. Wallace, W. Fan, and V. Procaccio, “Mitochondrial energetics and therapeutics,” Annual Review of Pathology, כרך 5, pp. 297–348, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  8. C. Bardella, P. J. Pollard, and I. Tomlinson, “SDH mutations in cancer,” Biochimica et Biophysica Acta, כרך 1807, no. 11, pp. 1432–1443, 2011. View at: Publisher Site | Google Scholar
  9. B. E. Baysal, R. E. Ferrell, J. E. Willett-Brozick et al., “Mutations in SDHD, a mitochondrial complex II gene, in hereditary paraganglioma,” מַדָע, כרך 287, לא. 5454, pp. 848–851, 2000. View at: Publisher Site | Google Scholar
  10. S. Niemann and U. Müller, “Mutations in SDHC cause autosomal dominant paraganglioma, type 3,” טבע גנטיקה, כרך 26, לא. 3, pp. 268–270, 2000. View at: Publisher Site | Google Scholar
  11. D. Astuti, F. Latif, A. Dallol et al., “Gene mutations in the succinate dehydrogenase subunit SDHB cause susceptibility to familial pheochromocytoma and to familial paraganglioma,” כתב העת האמריקאי לגנטיקה אנושית, כרך 69, לא. 1, pp. 49–54, 2001. View at: Publisher Site | Google Scholar
  12. B. E. Baysal, J. E. Willett-Brozick, E. C. Lawrence et al., “Prevalence of SDHB, SDHC, and SDHD germline mutations in clinic patients with head and neck paragangliomas,” כתב העת לגנטיקה רפואית, כרך 39, לא. 3, pp. 178–183, 2002. View at: Google Scholar
  13. H. X. Hao, O. Khalimonchuk, M. Schraders et al., “SDH5, a gene required for flavination of succinate dehydrogenase, is mutated in paraganglioma,” מַדָע, כרך 325, no. 5944, pp. 1139–1142, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  14. J. P. Bayley, H. P. M. Kunst, A. Cascon et al., “SDHAF2 mutations in familial and sporadic paraganglioma and phaeochromocytoma,” האונקולוגיה של Lancet, כרך 11, לא. 4, pp. 366–372, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  15. N. Burnichon, J. J. Brière, R. Libé et al., “SDHA is a tumor suppressor gene causing paraganglioma,” גנטיקה מולקולרית אנושית, כרך 19, לא. 15, pp. 3011–3020, 2010. View at: Google Scholar
  16. E. Gottlieb and I. P. M. Tomlinson, “Mitochondrial tumour suppressors: a genetic and biochemical update,” סקירות טבע סרטן, כרך 5, לא. 11, pp. 857–866, 2005. View at: Publisher Site | Google Scholar
  17. A. B. Zinn, D. S. Kerr, and C. L. Hoppel, “Fumarase deficiency: a new cause of mitochondrial encephalomyopathy,” כתב העת לרפואה של ניו אינגלנד, כרך 315, no. 8, pp. 469–475, 1986. View at: Google Scholar
  18. V. Launonen, O. Vierimaa, M. Kiuru et al., “Inherited susceptibility to uterine leiomyomas and renal cell cancer,” הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית של אמריקה, כרך 98, לא. 6, pp. 3387–3392, 2001. View at: Publisher Site | Google Scholar
  19. I. P. M. Tomlinson, N. A. Alam, A. J. Rowan et al., “Germline mutations in FH predispose to dominantly inherited uterine fibroids, skin leiomyomata and papillary renal cell cancer the multiple leiomyoma consortium,” טבע גנטיקה, כרך 30, לא. 4, pp. 406–410, 2002. View at: Publisher Site | Google Scholar
  20. L. G. Carvajal-Carmona, N. A. Alam, P. J. Pollard et al., “Adult leydig cell tumors of the testis caused by germline fumarate hydratase mutations,” The Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, כרך 91, לא. 8, pp. 3071–3075, 2006. View at: Publisher Site | Google Scholar
  21. H. J. Lehtonen, M. Kiuru, S. K. Ylisaukko-Oja et al., “Increased risk of cancer in patients with fumarate hydratase germline mutation,” כתב העת לגנטיקה רפואית, כרך 43, לא. 6, pp. 523–526, 2006. View at: Publisher Site | Google Scholar
  22. A. King, M. A. Selak, and E. Gottlieb, “Succinate dehydrogenase and fumarate hydratase: linking mitochondrial dysfunction and cancer,” אונקוגן, כרך 25, לא. 34, pp. 4675–4682, 2006. View at: Publisher Site | Google Scholar
  23. L. Dang, S. Jin, and S. M. Su, “IDH mutations in glioma and acute myeloid leukemia,” מגמות ברפואה מולקולרית, כרך 16, לא. 9, pp. 392–397, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  24. D. W. Parsons, S. Jones, X. Zhang et al., “An integrated genomic analysis of human glioblastoma multiforme,” מַדָע, כרך 321, no. 5897, pp. 1807–1812, 2008. View at: Publisher Site | Google Scholar
  25. H. Yan, D. W. Parsons, G. Jin et al., “IDH1 and IDH2 mutations in gliomas,” כתב העת לרפואה של ניו אינגלנד, כרך 360, לא. 8, pp. 765–773, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  26. R. A. Cairns, J. Iqbal, F. Lemonnier et al., “IDH2 mutations are frequent in angioimmunoblastic T-cell lymphoma,” דָם, כרך 119, no. 8, pp. 1901–1903, 2012. View at: Google Scholar
  27. S. Abbas, S. Lugthart, F. G. Kavelaars et al., “Acquired mutations in the genes encoding IDH1 and IDH2 both are recurrent aberrations in acute myeloid leukemia: prevalence and prognostic value,” דָם, כרך 116, no. 12, pp. 2122–2126, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  28. P. Paschka, R. F. Schlenk, V. I. Gaidzik et al., “IDH1 and IDH2 mutations are frequent genetic alterations in acute myeloid leukemia and confer adverse prognosis in cytogenetically normal acute myeloid leukemia with NPM1 mutation without FLT3 internal tandem duplication,” כתב העת לאונקולוגיה קלינית, כרך 28, לא. 22, pp. 3636–3643, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  29. M. R. Kang, M. S. Kim, J. E. Oh et al., “Mutational analysis of IDH1 codon 132 in glioblastomas and other common cancers,” כתב העת הבינלאומי לסרטן, כרך 125, no. 2, pp. 353–355, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  30. K. E. Yen, M. A. Bittinger, S. M. Su, and V. R. Fantin, “Cancer-associated IDH mutations: biomarker and therapeutic opportunities,” אונקוגן, כרך 29, לא. 49, pp. 6409–6417, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  31. L. Dang, D. W. White, S. Gross et al., “Cancer-associated IDH1 mutations produce 2-hydroxyglutarate,” טֶבַע, כרך 462, no. 7274, pp. 739–744, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  32. P. S. Ward, J. Patel, D. R. Wise et al., “The common feature of leukemia-associated IDH1 and IDH2 mutations is a neomorphic enzyme activity converting α-ketoglutarate to 2-hydroxyglutarate,” תא סרטן, כרך 17, לא. 3, pp. 225–234, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  33. A. P. Gimenez-Roqueplo, J. Favier, P. Rustin et al., “The R22X mutation of the SDHD gene in hereditary paraganglioma abolishes the enzymatic activity of complex II in the mitochondrial respiratory chain and activates the hypoxia pathway,” כתב העת האמריקאי לגנטיקה אנושית, כרך 69, לא. 6, pp. 1186–1197, 2001. View at: Publisher Site | Google Scholar
  34. P. L. M. Dahia, K. N. Ross, M. E. Wright et al., “A HIf1α regulatory loop links hypoxia and mitochondrial signals in pheochromocytomas,” PLoS גנטיקה, כרך 1, לא. 1, pp. 72–80, 2005. View at: Publisher Site | Google Scholar
  35. S. Vanharanta, P. J. Pollard, H. J. Lehtonen et al., “Distinct expression profile in fumarate-hydratase-deficient uterine fibroids,” גנטיקה מולקולרית אנושית, כרך 15, לא. 1, pp. 97–103, 2006. View at: Publisher Site | Google Scholar
  36. M. A. Selak, S. M. Armour, E. D. MacKenzie et al., “Succinate links TCA cycle dysfunction to oncogenesis by inhibiting HIF-α prolyl hydroxylase,” תא סרטן, כרך 7, לא. 1, pp. 77–85, 2005. View at: Publisher Site | Google Scholar
  37. A. Ozer and R. K. Bruick, “Non-heme dioxygenases: cellular sensors and regulators jelly rolled into one?” טבע ביולוגיה כימית, כרך 3, לא. 3, pp. 144–153, 2007. View at: Publisher Site | Google Scholar
  38. J. S. Isaacs, J. J. Yun, D. R. Mole et al., “HIF overexpression correlates with biallelic loss of fumarate hydratase in renal cancer: novel role of fumarate in regulation of HIF stability,” תא סרטן, כרך 8, לא. 2, pp. 143–153, 2005. View at: Publisher Site | Google Scholar
  39. J. Adam, E. Hatipoglu, L. O'Flaherty et al., “Renal cyst formation in Fh1-deficient mice is independent of the Hif/Phd pathway: roles for fumarate in KEAP1 succination and Nrf2 signaling,” תא סרטן, כרך 20, לא. 4, pp. 524–537, 2011. View at: Google Scholar
  40. P. Koivunen, S. Lee, C. G. Duncan, C. G. Kaelin Jr. et al., “Transformation by the (R)-enantiomer of 2-hydroxyglutarate linked to EGLN activation,” טֶבַע, כרך 483, pp. 484–488, 2012. View at: Google Scholar
  41. S. Lee, E. Nakamura, H. Yang et al., “Neuronal apoptosis linked to EglN3 prolyl hydroxylase and familial pheochromocytoma genes: developmental culling and cancer,” תא סרטן, כרך 8, לא. 2, pp. 155–167, 2005. View at: Publisher Site | Google Scholar
  42. S. Schlisio, R. S. Kenchappa, L. C. W. Vredeveld et al., “The kinesin KIF1Bβ acts downstream from EglN3 to induce apoptosis and is a potential 1p36 tumor suppressor,” גנים והתפתחות, כרך 22, לא. 7, pp. 884–893, 2008. View at: Publisher Site | Google Scholar
  43. P. Chi, C. D. Allis, and G. G. Wang, “Covalent histone modifications-miswritten, misinterpreted and mis-erased in human cancers,” סקירות טבע סרטן, כרך 10, לא. 7, pp. 457–469, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  44. E. Caffarelli and P. Filetici, “Epigenetic regulation in cancer development,” Frontiers in Bioscience, כרך 1, לא. 17, pp. 2682–2694, 2011. View at: Publisher Site | Google Scholar
  45. H. Hou and H. Yu, “Structural insights into histone lysine demethylation,” דעה נוכחית בביולוגיה מבנית, כרך 20, לא. 6, pp. 739–748, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  46. A. M. Cervera, J. P. Bayley, P. Devilee, and K. J. McCreath, “Inhibition of succinate dehydrogenase dysregulates histone modification in mammalian cells,” Molecular Cancer, כרך 8, article 89, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  47. E. H. Smith, R. Janknecht, and J. L. Maher III, “Succinate inhibition of α-ketoglutarate-dependent enzymes in a yeast model of paraganglioma,” גנטיקה מולקולרית אנושית, כרך 16, לא. 24, pp. 3136–3148, 2007. View at: Publisher Site | Google Scholar
  48. R. Chowdhury, K. K. Yeoh, Y. M. Tian et al., “The oncometabolite 2-hydroxyglutarate inhibits histone lysine demethylases,” דוחות EMBO, כרך 12, לא. 5, pp. 463–469, 2011. View at: Publisher Site | Google Scholar
  49. M. E. Figueroa, O. Abdel-Wahab, C. Lu et al., “Leukemic IDH1 and IDH2 mutations result in a hypermethylation phenotype, disrupt TET2 function, and impair hematopoietic differentiation,” תא סרטן, כרך 18, לא. 6, pp. 553–567, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  50. J. Füllgrabe, E. Kavanagh, and B. Joseph, “Histone onco-modifications,” אונקוגן, כרך 30, לא. 31, pp. 3391–3403, 2011. View at: Publisher Site | Google Scholar
  51. P. Sarkies and J. E. Sale, “Cellular epigenetic stability and cancer,” מגמות בגנטיקה, כרך 28, לא. 3, pp. 118–127, 2012. View at: Google Scholar
  52. T. P. Szatrowski and C. F. Nathan, “Production of large amounts of hydrogen peroxide by human tumor cells,” מחקר הסרטן, כרך 51, no. 3, pp. 794–798, 1991. View at: Google Scholar
  53. S. Toyokuni, “Persistent oxidative stress in cancer,” מכתבי FEBS, כרך 358, no. 1, pp. 1–3, 1995. View at: Publisher Site | Google Scholar
  54. S. Kawanishi, Y. Hiraku, S. Pinlaor, and N. Ma, “Oxidative and nitrative DNA damage in animals and patients with inflammatory diseases in relation to inflammation-related carcinogenesis,” כימיה ביולוגית, כרך 387, מס'. 4, pp. 365–372, 2006. View at: Publisher Site | Google Scholar
  55. N. Ishii, M. Fujii, P. S. Hartman et al., “A mutation in succinate dehydrogenase cytochrome b causes oxidative stress and ageing in nematodes,” טֶבַע, כרך 394, no. 6694, pp. 694–697, 1998. View at: Publisher Site | Google Scholar
  56. N. Senoo-Matsuda, K. Yasuda, M. Tsuda et al., “A defect in the cytochrome b large subunit in complex II causes both superoxide anion overproduction and abnormal energy metabolism in caenorhabditis elegans,” כתב העת לכימיה ביולוגית, כרך 276, no. 45, pp. 41553–41558, 2001. View at: Publisher Site | Google Scholar
  57. T. Ishii, K. Yasuda, A. Akatsuka, O. Hino, P. S. Hartman, and N. Ishii, “A mutation in the SDHC gene of complex II increases oxidative stress, resulting in apoptosis and tumorigenesis,” מחקר הסרטן, כרך 65, לא. 1, pp. 203–209, 2005. View at: Google Scholar
  58. R. D. Guzy, B. Sharma, E. Bell, N. S. Chandel, and P. T. Schumacker, “Loss of the SdhB, but not the SdhA, subunit of complex II triggers reactive oxygen species-dependent hypoxia-inducible factor activation and tumorigenesis,” ביולוגיה מולקולרית ותאית, כרך 28, לא. 2, pp. 718–731, 2008. View at: Publisher Site | Google Scholar
  59. N. S. Chandel, E. Maltepe, E. Goldwasser, C. E. Mathieu, M. C. Simon, and P. T. Schumacker, “Mitochondrial reactive oxygen species trigger hypoxia-induced transcription,” הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית של אמריקה, כרך 95, לא. 20, pp. 11715–11720, 1998. View at: Publisher Site | Google Scholar
  60. N. S. Chandel, D. S. McClintock, C. E. Feliciano et al., “Reactive oxygen species generated at mitochondrial Complex III stabilize hypoxia-inducible factor-1α during hypoxia: a mechanism of O2 sensing,” כתב עת לכימיה ביולוגית, כרך 275, מס'. 33, pp. 25130–25138, 2000. View at: Publisher Site | Google Scholar
  61. G. Filomeni, G. Rotilio, and M. R. Ciriolo, “Disulfide relays and phosphorylative cascades: partners in redox-mediated signaling pathways,” מוות תאים והתמיינות, כרך 12, לא. 12, pp. 1555–1563, 2005. View at: Publisher Site | Google Scholar
  62. Z. J. Reitman, G. Jin, E. D. Karoly et al., “Profiling the effects of isocitrate dehydrogenase 1 and 2 mutations on the cellular metabolome,” הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית של אמריקה, כרך 108, לא. 8, pp. 3270–3275, 2011. View at: Publisher Site | Google Scholar
  63. J. M. Matés, J. A. Segura, J. A. Campos-Sandoval et al., “Glutamine homeostasis and mitochondrial dynamics,” כתב העת הבינלאומי לביוכימיה וביולוגיה של התא, כרך 41, לא. 10, pp. 2051–2061, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  64. W. Hu, C. Zhang, R. Wu, Y. Sun, A. Levine, and Z. Feng, “Glutaminase 2, a novel p53 target gene regulating energy metabolism and antioxidant function,” הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית של אמריקה, כרך 107, לא. 16, pp. 7455–7460, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  65. S. Zhao, Y. Lin, W. Xu et al., “Glioma-derived mutations in IDH1 dominantly inhibit IDH1 catalytic activity and induce HIF-1α,” מַדָע, כרך 324, לא. 5924, pp. 261–265, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  66. A. Latini, K. Scussiato, R. B. Rosa et al., “D-2-hydroxyglutaric acid induces oxidative stress in cerebral cortex of young rats,” כתב העת האירופי למדעי המוח, כרך 17, לא. 10, pp. 2017–2022, 2003. View at: Publisher Site | Google Scholar
  67. S. Kölker, V. Pawlak, B. Ahlemeyer et al., “NMDA receptor activation and respiratory chain complex V inhibition contribute to neurodegeneration in D-2-hydroxyglutaric aciduria,” כתב העת האירופי למדעי המוח, כרך 16, לא. 1, pp. 21–28, 2002. View at: Publisher Site | Google Scholar
  68. S. Sudarshan, C. Sourbier, H. S. Kong et al., “Fumarate hydratase deficiency in renal cancer induces glycolytic addiction and hypoxia-inducible transcription factor 1α stabilization by glucose-dependent generation of reactive oxygen species,” ביולוגיה מולקולרית ותאית, כרך 29, לא. 15, pp. 4080–4090, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  69. L. O'Flaherty, J. Adam, L. C. Heather et al., “Dysregulation of hypoxia pathways in fumarate hydratase-deficient cells is independent of defective mitochondrial metabolism,” גנטיקה מולקולרית אנושית, כרך 19, לא. 19, pp. 3844–3851, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  70. A. Ooi, J. C. Wong, D. Petillo et al., “An antioxidant response phenotype shared between hereditary and sporadic type 2 papillary renal cell carcinoma,” תא סרטן, כרך 20, לא. 4, pp. 511–523, 2011. View at: Google Scholar
  71. N. F. Villeneuve, A. Lau, and D. D. Zhang, “Regulation of the Nrf2-keap1 antioxidant response by the ubiquitin proteasome system: an insight into cullin-ring ubiquitin ligases,” Antioxidants and Redox Signaling, כרך 13, לא. 11, pp. 1699–1712, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  72. J. D. Hayes and M. McMahon, “NRF2 and KEAP1 mutations: permanent activation of an adaptive response in cancer,” מגמות במדעי הביוכימיה, כרך 34, לא. 4, pp. 176–188, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  73. G. M. Denicola, F. A. Karreth, T. J. Humpton et al., “Oncogene-induced Nrf2 transcription promotes ROS detoxification and tumorigenesis,” טֶבַע, כרך 475, לא. 7354, pp. 106–110, 2011. View at: Publisher Site | Google Scholar
  74. C. Frezza, L. Zheng, O. Folger et al., “Haem oxygenase is synthetically lethal with the tumour suppressor fumarate hydratase,” טֶבַע, כרך 477, no. 7363, pp. 225–228, 2011. View at: Google Scholar
  75. A. Lau, N. F. Villeneuve, Z. Sun, P. K. Wong, and D. D. Zhang, “Dual roles of Nrf2 in cancer,” מחקר פרמקולוגי, כרך 58, לא. 5-6, pp. 262–270, 2008. View at: Publisher Site | Google Scholar
  76. Y. Inami, S. Waguri, A. Sakamoto et al., “Persistent activation of Nrf2 through p62 in hepatocellular carcinoma cells,” The Journal of Cell Biology, כרך 193, לא. 2, pp. 275–284, 2011. View at: Publisher Site | Google Scholar
  77. E. C. Pfaffenroth and W. M. Linehan, “Genetic basis for kidney cancer: opportunity for disease-specific approaches to therapy,” Expert Opinion on Biological Therapy, כרך 8, לא. 6, pp. 779–790, 2008. View at: Publisher Site | Google Scholar
  78. N. Raimundo, J. Ahtinen, K. Fumić et al., “Differential metabolic consequences of fumarate hydratase and respiratory chain defects,” Biochimica et Biophysica Acta, כרך 1782, no. 5, pp. 287–294, 2008. View at: Publisher Site | Google Scholar
  79. F. Q. Schafer and G. R. Buettner, “Redox environment of the cell as viewed through the redox state of the glutathione disulfide/glutathione couple,” Free Radical Biology and Medicine, כרך 30, לא. 11, pp. 1191–1212, 2001. View at: Publisher Site | Google Scholar
  80. M. Diehn, R. W. Cho, N. A. Lobo et al., “Association of reactive oxygen species levels and radioresistance in cancer stem cells,” טֶבַע, כרך 458, no. 7239, pp. 780–783, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar

זכויות יוצרים

Copyright © 2012 Simone Cardaci and Maria Rosa Ciriolo. זהו מאמר בגישה פתוחה המופץ תחת רישיון הייחוס של Creative Commons, המאפשר שימוש, הפצה ושכפול ללא הגבלה בכל מדיום, בתנאי שהיצירה המקורית מצוטטת כהלכה.


Tricarboxylic acid cycle

העורכים שלנו יבדקו את מה שהגשת ויחליטו אם לשנות את המאמר.

Tricarboxylic acid cycle, (TCA cycle), also called מחזור קרבס ו מעגל החומצה הציטרית, the second stage of cellular respiration, the three-stage process by which living cells break down organic fuel molecules in the presence of oxygen to harvest the energy they need to grow and divide. This metabolic process occurs in most plants, animals, fungi, and many bacteria. In all organisms except bacteria the TCA cycle is carried out in the matrix of intracellular structures called mitochondria.

The TCA cycle plays a central role in the breakdown, or catabolism, of organic fuel molecules—i.e., glucose and some other sugars, fatty acids, and some amino acids. Before these rather large molecules can enter the TCA cycle they must be degraded into a two-carbon compound called acetyl coenzyme A (acetyl CoA). Once fed into the TCA cycle, acetyl CoA is converted into carbon dioxide and energy.

The TCA cycle consists of eight steps catalyzed by eight different enzymes (see Figure ). The cycle is initiated (1) when acetyl CoA reacts with the compound oxaloacetate to form citrate and to release coenzyme A (CoA-SH). Then, in a succession of reactions, (2) citrate is rearranged to form isocitrate (3) isocitrate loses a molecule of carbon dioxide and then undergoes oxidation to form alpha-ketoglutarate (4) alpha-ketoglutarate loses a molecule of carbon dioxide and is oxidized to form succinyl CoA (5) succinyl CoA is enzymatically converted to succinate (6) succinate is oxidized to fumarate (7) fumarate is hydrated to produce malate and, to end the cycle, (8) malate is oxidized to oxaloacetate. Each complete turn of the cycle results in the regeneration of oxaloacetate and the formation of two molecules of carbon dioxide.

Energy is produced in a number of steps in this cycle of reactions. In step 5, one molecule of adenosine triphosphate (ATP), the molecule that powers most cellular functions, is produced. Most of the energy obtained from the TCA cycle, however, is captured by the compounds nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) and flavin adenine dinucleotide (FAD) and converted later to ATP. Energy transfers occur through the relay of electrons from one substance to another, a process carried out through the chemical reactions known as oxidation and reduction, or redox reactions. (Oxidation involves the loss of electrons from a substance and reduction the addition of electrons.) For each turn of the TCA cycle, three molecules of NAD + are reduced to NADH and one molecule of FAD is reduced to FADH2. These molecules then transfer their energy to the electron transport chain, a pathway that is part of the third stage of cellular respiration. The electron transport chain in turn releases energy so that it can be converted to ATP through the process of oxidative phosphorylation.

The German-born British biochemist Sir Hans Adolf Krebs proposed this cycle, which he called the citric acid cycle, in 1937. For his work he received the 1953 Nobel Prize in Physiology or Medicine. Although Krebs elucidated most of the reactions in this pathway, there were some gaps in his design. The discovery of coenzyme A in 1945 by Fritz Lipmann and Nathan Kaplan allowed researchers to work out the cycle of reactions as it is known today.


1 תשובה 1

Oxygen is actually not needed in the Krebs cycle - it is needed in the electron transport chain that is downstream of the Krebs cycle to regenerate NAD + from NADH. NAD + is a co-enzyme and acts as an electron carrier in oxidizing reactions at various positions in the Krebs cycle. However, note that without O2, NADH accumulates and the cycle cannot continue as it needs NAD + to run.

Krebs cycle - No O2 נָחוּץ:

Electron transport chain - O2 needed to regenerate NAD + essential for the Krebs cycle:


Glycolysis, Pyruvic Oxidation, Krebs cycle, and Respiratory Chain

Out of these stages, the very first happens in the cytosol for which oxygen is not essential, while the other three occur within the mitochondria where the presence of oxygen is necessary.

גליקוליזה

Glycolysis is the breakdown of glucose up to the formation of pyruvic acid. Glycolysis can happen both in the absence of oxygen (anaerobic condition) or in the presence of oxygen (aerobic condition). In both, the completed product of glucose breakdown is pyruvic acid.

The breakdown of glucose occurs in a series of actions, each catalyzed by a specific enzyme. All these enzymes are present dissolved in the cytosol. In addition to the enzymes, ATP and coenzyme NAD (nicotinamide adenine dinucleotide) are also important.

Glycolysis is divided into two phases, a preparatory phase, and an oxidative phase. In the preparatory phase breakdown of glucose occurs and energy is expended. In the oxidative phase, high energy phosphate bonds are formed and energy is stored.

Preparatory phase

The first step in glycolysis is the transfer of a phosphate group from ATP to glucose. As a result, a molecule of glucose-6 -phosphate is formed. An enzyme catalyzes the conversion of glucose-6-phosphate to its isomer, fructose-6 – phosphate.

At this stage, another ATP molecule transfers a second phosphate group. The product is fructose 1,6-bisphosphate. The next step in glycolysis is the enzymatic splitting of fructose 1,6 -bisphosphate into two fragments. Each of these molecules contains 3 carbon atoms. One is called 3 – phospo-glyceraldehyde, 3-PGAL, or Glyceraldehyde 3-phosphate (G3P) while the other is dihydroxyacetone phosphate. These two molecules are isomers and in fact, are readily interconverted by yet another enzyme of glycolysis.

Oxidative (pay off) phase

The next step in glycolysis is important to this procedure. Two electrons or two hydrogen atoms are removed from the molecule of 3- phosphoglyceraldehyde (PGAL) and transferred to a molecule of NAD. This is naturally, an oxidation-reduction reaction, with the PGAL being oxidized and the NAD being reduced.

During this reaction, a 2nd phosphate group is contributed to the molecule from inorganic phosphate present in the cell. The resulting molecule is called 1,3 Bisphosphoglycerate (BPG).

The oxidation of PGAL is an energy yielding procedure. Therefore a “high energy” phosphate bond is created in this molecule. At the very next step in glycolysis, this phosphate group is transferred to a molecule of adenosine diphosphate (ADP) transforming it into ATP.

The end product of this reaction is 3-phosphoglycerate (3-PG). In the next action, 3-PG is transformed into 2-Phosphoglycerate (2PG). From 2PG a particle of water is removed and the product is phosphoenolpyruvate (PEP). PEP then quits its ‘high energy’ phosphate to transform the 2nd molecule of ADP to ATP. The product is pyruvate, pyruvic acid (C3 ח4 או3). It is equivalent to half a glucose molecule that has been oxidized to the extent of losing two electrons (as hydrogen atoms).

Pyruvic oxidation

Pyruvic acid (pyruvate), the completed product of glycolysis, does not go into the Krebs cycle directly. The pyruvate (3- carbon particle) is first become 2-carbon acetic acid molecule. One carbon is released as CO2 (decarboxylation). Acetic acid ongoing into the mitochondrion unites with coenzyme-A (Co A) to form acetyl Co A (active acetate). In addition, more hydrogen atoms are moved to NAD.

Krebs cycle or citric acid cycle
תַגלִית

The citric acid cycle was identified in 1937 by Hans Adolf Krebs and William Arthur Johnson. That is why sometimes it is also known as the מחזור קרבס.

הַגדָרָה

The citric acid cycle (CAC)– also called the TCA cycle (tricarboxylic acid cycle) or the Krebs cycle is a series of chemical reactions utilized by all aerobic organisms to release stored energy through the oxidation of acetyl-CoA stemmed from carbs, fats, and proteins. In addition, the cycle supplies precursors of specific amino acids, along with the reducing representative NADH, that is used in numerous other reactions.

הֶסבֵּר

Acetyl CoA now enters a cyclic series of chemical reactions during which the oxidation procedure is finished. This series of reactions is called the Krebs cycle or the citric acid cycle. The first step in the cycle is the union of acetyl CoA with oxaloacetate to form citrate. In this procedure, a molecule of CoA is regenerated and one molecule of water is utilized. Oxaloacetate is a 4-carbon acid. Citrate thus has 6 carbon atoms.

After two steps that simply result in forming an isomer of citrate, isocitrate another NAD- mediated oxidation happens. This is accompanied by the removal of a molecule of CO2. The outcome is a-ketoglutarate. It, in turn, undergoes further oxidation (NAD + 2H– > NADH2) followed by decarboxylation (CO2) and the addition of a molecule of water.

The product then has one carbon atom and one oxygen atom less. It is succinate. The conversion of α-ketoglutarate into succinate is accompanied by a complimentary energy change which is made use of in the synthesis of an ATP molecule. The next step in the Krebs cycle is the oxidation of succinate to fumarate. Once again, 2 hydrogen atoms are eliminated, however this time the oxidizing agent is a coenzyme called flavin adenine dinucleotide (FAD), which is reduced to FADH2.

With the addition of another molecule of water, fumarate is transformed into malate. Another NAD moderated oxidation of malate produces oxaloacetate, the original 4-carbon molecule. This completes the cycle. The oxaloacetate may now combine with another molecule of acetyl CoA to go into the cycle and the whole procedure is repeated.

Respiratory chain

In the Krebs cycle, NADH and H + are produced from NAD + . NADH then moves the hydrogen atom to the respiratory chain (also called electron transport chain)where electrons are transported in a series of oxidation-reduction steps to react, ultimately, with molecular oxygen.

The oxidation-reduction substances which participate in the respiratory chain are:

  1. A coenzyme called coenzyme Q.
  2. A series of cytochrome enzymes (b, c, a, a3).
  3. Molecular oxygen (O2).

Cytochromes are electron transport intermediates containing haem of associated prosthetic groups, that undergo valency changes of the iron atom. Haem is the same iron consisting of a group that is oxygen-carrying pigment in hemoglobin. The path of electrons in the respiratory chain seems as follows.

NADH is oxidized by coenzyme Q. This oxidation yields enough totally free energy to permit the synthesis of a molecule of ATP from ADP and inorganic phosphate. Coenzyme Q is in turn oxidized by cytochrome b which is then oxidized by cytochrome c. This step likewise yields adequate energy to permit the synthesis of a molecule of ATP.

Cytochrome c then reduces a complex of two enzymes called cytochrome a and a3 (for the benefit the complex is referred to as cytochrome a). Cytochrome is oxidized by an atom of oxygen and the electrons get to the bottom end of the respiratory chain. Oxygen is the most electronegative substance and the final acceptor of the electrons. A molecule of water is produced. In addition, this final oxidation supplies enough energy for the synthesis of the 3rd molecule of ATP.

Oxidative phosphorylation

The synthesis of ATP in the presence of oxygen is called oxidative phosphorylation. Generally, oxidative phosphorylation is combined with the respiratory chain. As currently explained ATP is formed in 3 steps of the respiratory chain. The formula for this procedure can be expressed as follows:

Where Pi is inorganic phosphate.

The molecular system of oxidative phosphorylation occurs in conjunction with the respiratory chain in the inner membrane of the mitochondrion. Here likewise, as in photosynthesis, the system involved is chemiosmosis by which electron transport chain is coupled with the synthesis of ATP.

In this case, nevertheless, the pumping/movement of protons (H + ) is throughout the inner membrane of mitochondrion folded into cristae, in between matrix of mitochondrion and mitochondrion’s intermembrane space. The coupling factors in respiration are also different from those in photosynthesis.

שאלות נפוצות

Q1: What are obligative anaerobic?

תשובות: Obligative anaerobic organisms include certain types of bacteria. These survive only in the complete absence of molecular oxygen.

Q2: Which electron carriers are used in Krebs cycle?

תשובות: Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) and Flavin adenine dinucleotide (FAD).

Q3: What is electron transport chain?

תשובות: The collection of molecules embedded in the inner membrane of the mitochondrion is called electron transport chain.

Q4: How electrons are transported in respiratory chain?

תשובות: NADH or FADH2 brings electron to electron transport system in mitochondria. The electrons are transported from NADH to FMN, cytochrome b, cytochrome c, cytochrome a and cytochrome a3.


אפשרויות גישה

קבל גישה מלאה ליומן לשנה

We are sorry, but there is no personal subscription option available for your country.

קבל גישה למאמר מוגבל בזמן או מלא ב-ReadCube.

כל המחירים הינם מחירי NET.


תגובת המחזור האחרונה של קרבס מחדשת את המולקולה, אוקסלואצטט, שקיבלה אצטיל CoA למחזור בשלב 1. האנזים malate dehydrogenase מזרז את ההסרה של צמד אטומי המימן (כחול) המוצבים על פחמן מס' 1 ו-#2 על ידי מים בתגובה הקודמת. שימו לב שחמצן (ירוק) של קבוצת ההידרוקסיל נשאר מאחור על פחמן מס '1.

NAD + הוא הגורם המחמצן וכרגיל, אחד מאטומי המימן מוסר כיון הידריד (לא מוצג) ליצירת NADH ויון המימן השני הופך לחלק ממאגר יוני המימן.


צפו בסרטון: מחזור חומצה ציטרית. קרבס (נוֹבֶמבֶּר 2022).