Citronsyracykel och elektron

Citronsyracykeln är knutpunkten där kolhydrater, fetter och proteiner oxideras. Oavsett om bränslet kommer från glukos, en fettsyra eller en aminosyra konvergerar det till Acetyl-CoA, som matas in i cykeln. Reaktionerna sker i mitokondriens matrix. Per varv oxideras ett Acetyl-CoA fullständigt till CO₂, samtidigt som elektronbärare laddas upp inför elektrontransportkedjan.

Cykelns egentliga produkt är inte GTP utan de reducerade elektronbärarna. Varje varv laddar 3 NADH och 1 FADH₂, som sedan matar elektrontransportkedjan där den stora ATP-utvinningen sker. Citronsyracykeln genererar i sig knappt något ATP; uppgiften är att skörda elektroner och leverera dem vidare.

Nyckelsteg och enzymer

Cykeln har åtta steg. Fyra är värda att kunna utantill: de som binder ihop bränsle och slutmolekyl, de som genererar elektronbärare, och det steg där cykeln sitter ihop med elektrontransportkedjan.

Steg 6 är specialfallet. Succinatdehydrogenas är samma enzym som komplex II i elektrontransportkedjan och sitter inbäddat i det inre membranet, så här går citronsyracykeln och elektrontransporten bokstavligen i varandra. Reaktionen ger dessutom cykelns enda FADH₂, vilket förklarar varför just de elektronerna matas in senare i kedjan än NADH-elektronerna.

Här omsätts elektronbärarnas laddning till ATP. Fem proteinkomplex i mitokondriens inre membran tar emot elektroner från NADH och FADH₂ och låter dem vandra nedför en energitrappa mot syre. Energin som frigörs på vägen pumpar protoner (H⁺) från matrix ut i intermembranrummet och bygger upp en elektrokemisk gradient. Det är gradienten, inte elektronerna själva, som till slut driver ATP-syntesen.

Det inre membranet är veckat till cristae. Vecken mångdubblar ytan och därmed antalet komplex som får plats per mitokondrie.

Två rörliga bärare knyter ihop komplexen. Ubiquinon (CoQ) rör sig fritt inne i membranet och fraktar elektroner från komplex I och II vidare till komplex III. Cytokrom c sitter på membranets utsida och lämnar elektroner mellan komplex III och IV. Vid komplex IV tas elektronerna slutligen emot av syre, som reduceras till vatten. Utan syre i slutet stockar sig hela kedjan och pumpningen upphör.

Principen kallas kemiosmotisk teori (Peter Mitchell): elektrontransport och ATP-syntes är kopplade enbart via protongradienten. När protonerna strömmar tillbaka in i matrix genom ATP-syntas (komplex V) snurrar enzymets rotor och fosforylerar ADP till ATP, ungefär som en turbin driven av ett vattenfall. Kopplingen mellan elektronflöde och ATP-syntes förutsätter att membranet hålls tätt, och det är just den kopplingen som Sofias fall sätter ur spel.

Fullständig oxidation av en glukosmolekyl ger energi i flera etapper: glykolys i cytoplasman, pyruvatoxidation och citronsyracykel i matrix, och den stora utdelningen i elektrontransportkedjan. Siffrorna nedan är teoretiska maxvärden och bygger på tumreglerna ovan (NADH ≈ 2,5 ATP, FADH₂ ≈ 1,5 ATP).

Den största delen av utdelningen kommer indirekt. Glykolys och citronsyracykel bidrar bara med en handfull ATP/GTP direkt via substratnivåfosforylering; lejonparten skapas när NADH och FADH₂ töms i elektrontransportkedjan. Därför är syre och en intakt protongradient avgörande. Utan dem rasar avkastningen från ~32 till de få ATP glykolysen ger på egen hand.

Här löser sig Sofias gåta. Uncoupling innebär att protongradienten kortsluts utan att ATP-syntasen utnyttjar den: protonerna hittar en genväg tillbaka in i matrix vid sidan av komplex V. Eftersom gradienten hela tiden kollapsar måste elektrontransporten gå på högvarv för att återuppbygga den, och syre förbrukas i hög takt. Men energin frigörs som värme i stället för att fångas i ATP. Det är precis Sofias mönster: hög syrekonsumtion, låg ATP-produktion och en kropp som ständigt är varm.

Uncoupling proteins (UCP)

UCP är kroppens egna, reglerade läckage-kanaler. De sitter i det inre membranet och släpper tillbaka protoner förbi ATP-syntasen. Det är en fysiologisk mekanism, inte en defekt, och används normalt för att generera värme och finjustera energibalansen.

För Sofia är UCP1 i brunt fett mest relevant. Hos spädbarn och i kyla aktiveras systemet för att hålla kroppen varm; hos henne tycks det vara konstant påslaget.

2,4-dinitrofenol (DNP)

DNP är det klassiska farmakologiska exemplet på samma princip i okontrollerad form, och visar varför uncoupling blir livsfarligt utan reglering.

Mekanism

Lipofil svag syra som binder en proton på membranets utsida och bär den tvärs över membranet in i matrix.

Effekt

Kollapsar protongradienten utan ATP-syntes, all energi går till värme.

Sista pusselbiten gäller var elektronerna kommer ifrån. NADH som bildas i cytoplasman under glykolysen kan inte passera det inre mitokondriemembranet, som är ogenomträngligt för NADH. I stället förs elektronerna in via två shuttlesystem medan själva NADH-molekylen stannar utanför. Valet av shuttle avgör om de cytosoliska elektronerna kommer in som NADH eller FADH₂, och därmed hur mycket ATP de ger.

Skillnaden förklarar varför ATP-utdelningen per glukos ibland anges som ~30 i stället för ~32. I vävnader som använder glycerol-fosfat-shuttlen kostar transporten av de cytosoliska elektronerna ett par ATP, eftersom de då går in via komplex II i stället för komplex I.

Nu går fallet att knyta ihop. Hög syrekonsumtion men låg ATP-produktion, konstant värmeproduktion, extremt förhöjda UCP-nivåer och ingen påvisbar DNP pekar entydigt mot en endogen orsak snarare än en toxisk. Kroppen kortsluter sin egen protongradient, hela tiden.

Rekommenderat arbetssätt

1. 1TCA-cykeln först, lär dig stegen och regleringen innan du går vidare till ETC.
2. 2ETC-komplexen, förstå elektronflöde och protonpumpning.
3. 3ATP-syntes, kemiosmotisk teori och ATP-syntasens mekanism.
4. 4Uncoupling, koppla UCP-funktion till Sofias symtom.
5. 5Shuttlar, förstå NADH-transport över mitokondriemembranet.