V jaké fázi probíhá cyklus trikarboxylových kyselin? Cyklus trikarboxylových kyselin (Krebsův cyklus). Doplnění zásoby metabolitů cyklu TCA z aminokyselin

4. Cyklus trikarboxylové kyseliny

Druhou složkou obecné katabolické dráhy je cyklus TCA. Tento cyklus objevili v roce 1937 Krebs a Johnson. V roce 1948 Kennedy a Lehninger prokázali, že enzymy cyklu TCA jsou lokalizovány v mitochondriální matrix.

4.1. Chemie cyklu trikarboxylových kyselin. Volná kyselina octová nemůže být oxidována dehydrogenací. Proto je ve své aktivní formě (acetyl-CoA) předběžně vázán na oxalacetát (OA, kyselina oxaloctová), čímž vzniká citrát.

1. Acetyl-CoA se spojuje s oxaloacetátem v aldolové kondenzační reakci katalyzované citrát syntáza. Vzniká citril-CoA. Citril-CoA je hydrolyzován za účasti vody na citrát a HS-CoA.

2. Akonitátová hydratáza (A konitáza) katalyzuje konverzi citrátu na isocitrát prostřednictvím kroku cis-akonitové kyseliny. Mechanismus účinku akonitázy je jak hydratáza, tak izomeráza.

3. Isocitrátdehydrogenáza katalyzuje dehydrogenaci kyseliny isocitrónové na oxalosukcinát (kyselinu oxalosukcinovou), který je následně dekarboxylován na 2-oxoglutarát (α-ketoglutarát). Koenzym je NAD+ (v mitochondriích) a NADP+ (v cytosolu a mitochondriích).

4. 2-Oxoglutarátdehydrogenázový komplex (α-ketoglutarátdehydrogenázový komplex) katalyzuje oxidační dekarboxylaci 2-oxoglutarátu na sukcinyl-CoA. Multienzym 2-oxoglutarát dehydrogenáza komplex je podobný komplexu pyruvátdehydrogenázy a proces probíhá podobně jako oxidativní dekarboxylace pyruvátu.

5. sukcinylthiokináza katalyzuje štěpení sukcinyl-CoA na kyselinu jantarovou a koenzym A. Energie ze štěpení sukcinyl-CoA je uložena ve formě guanosintrifosfátu (GTP). Při sdružené refosforylační reakci je ADP fosforylován na ATP a uvolněné molekuly GDP mohou být znovu fosforylovány ( fosforylaci substrátu). V rostlinách je enzym specifický pro ADP a ATP.

6. Sukcinátdehydrogenáza katalyzuje přeměnu sukcinátu na kyselinu fumarovou. Enzym je stereospecifický, je integrálním proteinem, protože je zabudován ve vnitřní membráně mitochondrií a obsahuje proteiny FAD a železo-síra jako prostetické skupiny. FADN 2 není oddělen od enzymu a dva elektrony jsou pak přeneseny do koenzymu Q elektronového transportního řetězce vnitřní mitochondriální membrány.

7.Fumarát hydratáza (fumaráza) katalyzuje přeměnu kyseliny fumarové na kyselinu jablečnou (malát) za účasti vody. Enzym je stereospecifický, produkuje pouze L-malát.

8.Malátdehydrogenáza katalyzuje oxidaci kyseliny jablečné na oxaloacetát. Koenzym malátdehydrogenáza - NAD +. Dále oxalacetát znovu kondenzuje s acetyl-CoA a cyklus se opakuje.

4.2. Biologický význam a regulace cyklu trikarboxylových kyselin. Cyklus trikarboxylových kyselin je součástí obecné katabolické dráhy, ve které dochází k oxidaci palivových molekul sacharidů, mastných kyselin a aminokyselin. Většina molekul paliva vstupuje do cyklu TCA ve formě acetyl-CoA (obr. 1). Všechny reakce cyklu TCA probíhají konzistentně jedním směrem. Celková hodnota D G 0 ¢ = -40 kJ/mol.

Mezi lékaři již dlouho koluje fráze: „Tuky hoří v plamenech sacharidů“. Je nutné ji chápat jako oxidaci acetyl-CoA, jejímž hlavním zdrojem je β-oxidace mastných kyselin, po kondenzaci s oxalacetátem, vznikajícím převážně ze sacharidů (při karboxylaci pyruvátu). Při poruchách metabolismu sacharidů nebo hladovění vzniká deficit oxaloacetátu vedoucí ke snížení oxidace acetyl-CoA v cyklu TCA.

Obr. 1. Úloha cyklu TCA v buněčném dýchání. Stupeň 1 (cyklus TCA) extrakce 8 elektronů z molekuly acetyl-CoA; 2. stupeň (elektronový transportní řetězec) redukce dvou molekul kyslíku a tvorba protonového gradientu (~36 H +); Stupeň 3 (ATP syntáza) využívá energii protonového gradientu k vytvoření ATP (~9 ATP) (Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L. Biochemistry. N-Y: W.H. Freeman and Company, 2002).

Hlavní metabolická úloha cyklu TCA může být reprezentována ve formě dvou procesů: 1) série redoxních reakcí, v jejichž důsledku je acetylová skupina oxidována na dvě molekuly CO 2; 2) čtyřnásobná dehydrogenace, vedoucí ke vzniku 3 molekul NADH + H + a 1 molekuly FADH 2 . Kyslík je nutný pro fungování TCA cyklu nepřímo jako akceptor elektronů na konci elektronových transportních řetězců a pro regeneraci NAD + a FAD.

Syntéza a hydrolýza ATP má primární význam pro regulaci cyklu TCA.

1. Isocitrátdehydrogenáza je alostericky aktivována ADP zvýšením afinity enzymu k substrátu. NADH inhibuje tento enzym nahrazením NAD+. ATP také inhibuje isocitrátdehydrogenázu. Je důležité, že transformace metabolitů do cyklu TCA vyžaduje NAD + a FAD v několika fázích, jejichž množství je dostatečné pouze za podmínek nízkého energetického náboje.

2. Aktivita komplexu 2-oxoglutarátdehydrogenázy (α-ketoglutarátdehydrogenázy) je regulována podobně jako regulace komplexu pyruvátdehydrogenázy . Tento komplex je inhibován sukcinyl-CoA a NADH (koncové produkty transformací katalyzovaných komplexem 2-oxoglutarátdehydrogenázy). Kromě toho je komplex 2-oxoglutarátdehydrogenázy inhibován vysokým energetickým nábojem buňky. Takže rychlost transformace do cyklu TCA klesá s dostatečným přísunem ATP do buňky (obr. 11.2). U řady bakterií je citrátsyntáza allostericky inhibována ATP zvýšením Km pro acetyl-CoA.

Schéma regulace obecné dráhy katabolismu je znázorněno na obrázku 2.

Rýže. 2. Regulace obecné dráhy katabolismu. Hlavními molekulami, které regulují fungování cyklu TCA, jsou ATP a NADH. Hlavními body regulace jsou isocitrátdehydrogenáza a komplex 2-oxoglutarátdehydrogenázy.

4.3. Energetická role společné katabolické dráhy

V obecné cestě katabolismu vznikají 3 molekuly CO 2 z 1 molekuly kyseliny pyrohroznové v následujících reakcích: při oxidativní dekarboxylaci kyseliny pyrohroznové, při dekarboxylaci kyseliny isocitrónové a při dekarboxylaci kyseliny 2-oxoglutarové. Celkem se při oxidaci 1 molekuly kyseliny pyrohroznové odstraní pět párů atomů vodíku, z toho jeden pár je z sukcinátu a přejde do FAD za vzniku FADH 2 a čtyři páry se převezmou na 4 molekuly NAD + s tvorbou 4 molekul NADH + H + při oxidační dekarboxylaci kyseliny pyrohroznové, 2-oxoglutarových kyselin, dehydrogenaci isocitrátu a malátu. V konečném důsledku jsou atomy vodíku převedeny na kyslík za vzniku 5 molekul H2O a uvolněná energie je akumulována v oxidativních fosforylačních reakcích ve formě molekul ATP.

Celkový součet:

1. Oxidační dekarboxylace pyruvátu ~ 2,5 ATP.

2. V cyklu TCA a souvisejících dýchacích řetězcích je ~9 ATP.

3. Při reakci fosforylace substrátu cyklu TCA ~ 1 ATP.

V cyklu TCA a souvisejících reakcích oxidativní fosforylace vzniká během oxidace acetylové skupiny jedné molekuly acetyl-CoA přibližně 10 ATP

Celkově se v obecné cestě katabolismu v důsledku přeměn 1 molekuly kyseliny pyrohroznové uvolní přibližně 12,5 molekul ATP.

Mluvil jsem o tom, co to vlastně je, proč je Krebsův cyklus potřeba a jaké místo v metabolismu zaujímá. Nyní pojďme k samotným reakcím tohoto cyklu.

Hned udělám rezervaci – pro mě osobně bylo zapamatování reakcí naprosto zbytečná činnost, dokud jsem si nevyřešil výše uvedené otázky. Ale pokud jste již pochopili teorii, navrhuji přejít k praxi.

Můžete vidět mnoho způsobů, jak napsat Krebsův cyklus. Nejběžnější možnosti jsou něco takového:

Co se mi ale zdálo nejpohodlnější, byl způsob psaní reakcí ze staré dobré učebnice biochemie od autorů T.T.Berezova. a Korovkina B.V.

První reakce

Již známý Acetyl-CoA a Oxaloacetát se spojují a mění v citrát, tedy v kyselina citronová.

Druhá reakce

Nyní vezmeme kyselinu citronovou a otočíme kyselina isocitronová. Dalším názvem této látky je isocitrát.

Ve skutečnosti je tato reakce poněkud komplikovanější, a to prostřednictvím mezistupně - vzniku kyseliny cis-akonitové. Rozhodl jsem se to ale zjednodušit, abyste si to lépe zapamatovali. Pokud je to nutné, můžete sem přidat chybějící krok, pokud si pamatujete vše ostatní.

V podstatě si tyto dvě funkční skupiny jednoduše vyměnily místa.

Třetí reakce

Takže máme kyselinu isocitrónovou. Nyní je třeba jej dekarboxylovat (to znamená odstranit COOH) a dehydrogenovat (tj. odstranit H). Výsledná látka je a-ketoglutarát.

Tato reakce je pozoruhodná tvorbou komplexu HADH2. To znamená, že transportér NAD nabírá vodík, aby nastartoval dýchací řetězec.

Verze reakcí Krebsova cyklu v učebnici od Berezova a Korovkina se mi líbí právě proto, že atomy a funkční skupiny, které se reakcí účastní, jsou okamžitě jasně viditelné.

Čtvrtá reakce

Opět platí, že nikotin amid adenin dinukleotid funguje jako hodinky, to jest VÝŠE. Tento pěkný nosič sem přichází, stejně jako v posledním kroku, aby uchopil vodík a přenesl ho do dýchacího řetězce.

Mimochodem, výsledná látka je sukcinyl-CoA, neměl by vás vyděsit. Sukcinát je jiný název pro kyselinu jantarovou, kterou znáte z dob bioorganické chemie. Sukcinyl-Coa je sloučenina kyseliny jantarové s koenzymem-A. Můžeme říci, že se jedná o ester kyseliny jantarové.

Pátá reakce

V předchozím kroku jsme řekli, že sukcinyl-CoA je ester kyseliny jantarové. A teď dostaneme sama kyselina jantarová, to je sukcinát, ze sukcinyl-CoA. Mimořádně důležitý bod: právě v této reakci fosforylaci substrátu.

Fosforylace obecně (může být oxidační a substrátová) je přidání fosforové skupiny PO 3 k GDP nebo ATP za účelem získání úplného GTF nebo respektive ATP. Substrát se liší tím, že stejná fosforová skupina je odtržena od jakékoli látky, která ji obsahuje. No, jednoduše řečeno, přenáší se ze SUBSTRÁTU do HDF nebo ADP. Proto se tomu říká „fosforylace substrátu“.

Ještě jednou: na začátku fosforylace substrátu máme molekulu difosfátu - guanosindifosfát nebo adenosindifosfát. Fosforylace spočívá v tom, že molekula se dvěma zbytky kyseliny fosforečné – HDP nebo ADP – je „kompletována“ do molekuly se třemi zbytky kyseliny fosforečné za vzniku guanosinTRIfosfátu nebo adenosinTRIfosfátu. K tomuto procesu dochází během konverze sukcinyl-CoA na sukcinát (tj. kyselinu jantarovou).

V diagramu můžete vidět písmena F (n). Znamená to „anorganický fosfát“. Anorganický fosfát se přenáší ze substrátu do HDP, takže reakční produkty obsahují dobrý, kompletní GTP. Nyní se podívejme na samotnou reakci:

Šestá reakce

Další transformace. Tentokrát se promění kyselina jantarová, kterou jsme získali v posledním kroku fumarát, všimněte si nové dvojné vazby.

Diagram jasně ukazuje, jak se účastní reakce FAD: Tento neúnavný přenašeč protonů a elektronů nabírá vodík a vtahuje ho přímo do dýchacího řetězce.

Sedmá reakce

Už jsme v cíli. Předposlední fází Krebsova cyklu je reakce, která přeměňuje fumarát na L-malát. L-malát je jiný název kyselina L-jablečná, známý z kurzu bioorganické chemie.

Když se podíváte na samotnou reakci, uvidíte, že za prvé jde oběma směry a za druhé její podstatou je hydratace. To znamená, že fumarát na sebe jednoduše připojí molekulu vody, což má za následek kyselinu L-jablečnou.

Osmá reakce

Poslední reakcí Krebsova cyklu je oxidace kyseliny L-jablečné na oxalacetát, tj. kyselina oxalooctová. Jak víte, „oxalacetát“ a „kyselina oxalooctová“ jsou synonyma. Pravděpodobně si pamatujete, že kyselina oxaloctová je součástí první reakce Krebsova cyklu.

Zde si všimneme zvláštnosti reakce: tvorba NADH 2, který bude přenášet elektrony do dýchacího řetězce. Nezapomeňte také na reakce 3, 4 a 6, vznikají zde i elektronové a protonové nosiče pro dýchací řetězec.

Jak vidíte, konkrétně jsem červeně zvýraznil reakce, při kterých se tvoří NADH a FADH2. Jedná se o velmi důležité látky pro dýchací řetězec. Zeleně jsem zvýraznil reakci, při které dochází k fosforylaci substrátu a vzniká GTP.

Jak si tohle všechno zapamatovat?

Vlastně to není tak těžké. Po přečtení mých dvou článků v plném rozsahu, stejně jako vaší učebnice a přednášek, si stačí procvičit psaní těchto reakcí. Krebsův cyklus doporučuji pamatovat v blocích po 4 reakcích. Napište tyto 4 reakce několikrát, pro každou vyberte asociaci, která odpovídá vaší paměti.

Například jsem si hned velmi snadno vzpomněl na druhou reakci, při které z kyseliny citronové vzniká kyselina isocitronová (kterou, myslím, zná každý z dětství).

Můžete také použít mnemotechnické pomůcky jako: " Celý ananas a kousek soufflé je vlastně můj dnešní oběd, což odpovídá řadě - citrát, cís-akonitát, isocitrát, alfa-ketoglutarát, sukcinyl-CoA, sukcinát, fumarát, malát, oxaloacetát." Takových je ještě hromada.

Ale abych byl upřímný, takové básně se mi skoro nikdy nelíbily. Dle mého názoru je jednodušší si zapamatovat samotný sled reakcí. Hodně mi pomohlo rozdělit Krebsův cyklus na dvě části, z nichž každou jsem procvičoval psaní několikrát za hodinu. Zpravidla se to stalo v hodinách jako psychologie nebo bioetika. To je velmi pohodlné – aniž byste byli vyrušováni z přednášky, můžete strávit doslova minutu psaním reakcí tak, jak si je pamatujete, a poté je zkontrolovat se správnou možností.

Mimochodem, na některých univerzitách při testech a zkouškách z biochemie učitelé nevyžadují znalost reakcí samotných. Stačí vědět, co je Krebsův cyklus, kde se vyskytuje, jaké jsou jeho rysy a význam, a samozřejmě i samotný řetězec transformací. Pouze řetězec lze pojmenovat bez vzorců, pouze pomocí názvů látek. Tento přístup není podle mého názoru bezvýznamný.

Doufám, že vám můj průvodce cyklem TCA byl užitečný. A chci vám připomenout, že tyto dva články nejsou úplnou náhradou vašich přednášek a učebnic. Napsal jsem je jen proto, abyste zhruba pochopili, co je Krebsův cyklus. Pokud najednou v mém návodu uvidíte nějakou chybu, napište o ní do komentářů. Děkuji za pozornost!

Cyklus trikarboxylové kyseliny objevil v roce 1937 G. Krebs. V tomto ohledu se tomu říkalo „Krebsův cyklus“. Tento proces je centrální cestou metabolismu. Vyskytuje se v buňkách organismů v různých fázích evolučního vývoje (mikroorganismy, rostliny, živočichové).

Počátečním substrátem cyklu trikarboxylových kyselin je acetylkoenzym A. Tento metabolit je aktivní formou kyseliny octové. Kyselina octová působí jako běžný meziprodukt rozkladu téměř všech organických látek obsažených v buňkách živých organismů. Organické molekuly jsou totiž uhlíkaté sloučeniny, které se mohou přirozeně rozložit na dvouuhlíkové jednotky kyseliny octové.

Volná kyselina octová má relativně slabou reaktivitu. K jeho přeměnám dochází za poměrně drsných podmínek, které jsou v živé buňce nereálné. Proto se kyselina octová v buňkách aktivuje spojením s koenzymem A. V důsledku toho vzniká metabolicky aktivní forma kyseliny octové - acetyl-koenzym A.

Koenzym A je nízkomolekulární sloučenina, která se skládá z fosfoadenosinu, zbytku kyseliny pantotenové (vitamin B3) a thioethanolaminu. Zbytek kyseliny octové se přidá k sulfhydrylové skupině thioethanolaminu. V tomto případě vzniká thioether – acetyl-koenzym A, který je výchozím substrátem Krebsova cyklu.

Acetyl koenzym A

Schéma přeměny meziproduktů v Krebsově cyklu je na Obr. 67. Proces začíná kondenzací acetylkoenzymu A s oxaloacetátem (kyselina oxaloctová, OCA), což vede ke vzniku kyseliny citrónové (citrátu). Reakce je katalyzována enzymem citrátsyntáza.

Obrázek 67 – Schéma přeměny meziproduktů v cyklu

trikarboxylové kyseliny

Dále se působením enzymu akonitázy kyselina citronová přeměňuje na kyselinu isocitrónovou. Kyselina isocitronová prochází oxidačním a dekarboxylačním procesem. Při této reakci, katalyzované enzymem NAD-dependentní isocitrátdehydrogenázou, jsou produkty oxid uhličitý, redukovaný NAD a kyselina a-ketoglutarová, která se pak účastní procesu oxidativní dekarboxylace (obr. 68).

Obrázek 68 – Tvorba kyseliny a-ketoglutarové v Krebsově cyklu

Proces oxidativní dekarboxylace a-ketoglutarátu je katalyzován enzymy multienzymového komplexu a-ketoglutarátdehydrogenázy. Tento komplex se skládá ze tří různých enzymů, ke svému fungování potřebuje koenzymy. Koenzymy komplexu a-keto-glutarátdehydrogenázy zahrnují následující vitamíny rozpustné ve vodě:

· vitamin B 1 (thiamin) – thiaminpyrofosfát;

· vitamin B 2 (riboflavin) – FAD;

· vitamin B 3 (kyselina pantotenová) – koenzym A;

· vitamin B 5 (nikotinamid) – NAD;

· látka podobná vitaminu – kyselina lipoová.

Schematicky lze proces oxidativní dekarboxylace kyseliny a-keto-glutarové znázornit jako následující rovnice bilanční reakce:

Produktem tohoto procesu je thioester zbytku kyseliny jantarové (sukcinát) s koenzymem A - sukcinyl-koenzym A. Thioesterová vazba sukcinyl-koenzymu A je makroergní.

Další reakcí Krebsova cyklu je proces fosforylace substrátu. V něm dochází k hydrolýze thioesterové vazby sukcinyl-koenzymu A působením enzymu sukcinyl-CoA syntetázy za vzniku kyseliny jantarové (sukcinátu) a volného koenzymu A. Tento proces je doprovázen uvolňováním energie, která je okamžitě používá se pro fosforylaci HDP, která má za následek tvorbu vysokoenergetické molekuly GTP fosfátu. Fosforylace substrátu v Krebsově cyklu:

kde Fn je kyselina ortofosforečná.

GTP vzniklý při oxidativní fosforylaci lze využít jako zdroj energie při různých energeticky závislých reakcích (v procesu biosyntézy bílkovin, aktivace mastných kyselin atd.). Kromě toho lze GTP použít k vytvoření ATP v reakci nukleosid difosfátkinázy

Produkt reakce sukcinyl-CoA syntetázy, sukcinát, je dále oxidován za účasti enzymu sukcinátdehydrogenázy. Tento enzym je flavindehydrogenáza, která obsahuje molekulu FAD jako koenzym (prostetickou skupinu). V důsledku reakce se kyselina jantarová oxiduje na kyselinu fumarovou. Současně se obnoví FAD.

kde E je prostetická skupina FAD spojená s polypeptidovým řetězcem enzymu.

Kyselina fumarová vzniklá při reakci sukcinátdehydrogenázy působením enzymu fumarázy (obr. 69) připojí molekulu vody a přemění se na kyselinu jablečnou, která se následně oxiduje v reakci malátdehydrogenázy na kyselinu oxaloctovou (oxalacetát). Posledně jmenovaný může být znovu použit v reakci citrátsyntázy pro syntézu kyseliny citrónové (obr. 67). Díky tomu jsou transformace v Krebsově cyklu cyklické povahy.

Obrázek 69 – Metabolismus kyseliny jablečné v Krebsově cyklu

Bilanční rovnice Krebsova cyklu může být prezentována jako:

Ukazuje, že v cyklu dochází k úplné oxidaci acetylového radikálu zbytku z acetyl-koenzymu A na dvě molekuly CO2. Tento proces je doprovázen tvorbou tří molekul redukovaného NAD, jedné molekuly redukovaného FAD a jedné molekuly vysokoenergetického fosfátu - GTP.

Krebsův cyklus se vyskytuje v mitochondriální matrix. Je to dáno tím, že právě zde se nachází většina jeho enzymů. A pouze jediný enzym, sukcinátdehydrogenáza, je zabudován do vnitřní mitochondriální membrány. Jednotlivé enzymy cyklu trikarboxylových kyselin jsou spojeny do funkčního multienzymového komplexu (metabolonu) spojeného s vnitřním povrchem vnitřní mitochondriální membrány. Spojením enzymů do metabolonu se výrazně zvyšuje účinnost fungování této metabolické dráhy a objevují se další možnosti její jemné regulace.

Vlastnosti regulace cyklu trikarboxylových kyselin jsou do značné míry určeny jeho významem. Tento proces provádí následující funkce:

1) energie. Krebsův cyklus je nejvýkonnějším zdrojem substrátů (redukovaných koenzymů - NAD a FAD) pro tkáňové dýchání. Navíc se v něm ukládá energie ve formě vysokoenergetického fosfátu – GTP;

2) plastický. Meziprodukty Krebsova cyklu jsou prekurzory pro syntézu různých tříd organických látek - aminokyselin, monosacharidů, mastných kyselin atd.

Krebsův cyklus tedy plní dvojí funkci: na jedné straně je to obecná cesta katabolismu, která hraje ústřední roli v zásobování buňky energií, a na druhé straně zajišťuje biosyntetické procesy se substráty. Takové metabolické procesy se nazývají amfibolické. Krebsův cyklus je typickým amfibolickým cyklem.

Regulace metabolických procesů v buňce úzce souvisí s existencí „klíčových“ enzymů. Klíčové enzymy v procesu jsou ty, které určují jeho rychlost. Typicky je jedním z „klíčových“ enzymů v procesu enzym, který katalyzuje jeho počáteční reakci.

„Klíčové“ enzymy se vyznačují následujícími vlastnostmi. Tyto enzymy

· katalyzovat nevratné reakce;

· mají nejnižší aktivitu ve srovnání s jinými enzymy zapojenými do procesu;

· jsou alosterické enzymy.

Klíčovými enzymy Krebsova cyklu jsou citrátsyntáza a isocitrátdehydrogenáza. Stejně jako klíčové enzymy v jiných metabolických drahách je jejich aktivita regulována negativní zpětnou vazbou: snižuje se s rostoucí koncentrací meziproduktů Krebsova cyklu v mitochondriích. Kyselina citronová a sukcinyl-koenzym A tedy působí jako inhibitory citrátsyntázy a redukovaný NAD působí jako isocitrátdehydrogenáza.

ADP je aktivátor isocitrátdehydrogenázy. V podmínkách zvyšující se buněčné potřeby ATP jako zdroje energie, kdy se v ní zvyšuje obsah produktů rozpadu (ADP), vznikají předpoklady pro zvýšení rychlosti redoxních přeměn v Krebsově cyklu a následně i pro zvýšení úrovně jeho energetického zásobení. .

CYKLUS TRIKARBOXYLOVÝCH KYSELIN

CYKLUS TRIKARBOXYLOVÝCH KYSELIN - cyklus kyseliny citronové neboli Krebsův cyklus je široce zastoupenou cestou v organismech zvířat, rostlin a mikrobů pro oxidační přeměny di- a trikarboxylových kyselin vznikajících jako meziprodukty při štěpení a syntéze bílkovin, tuků a sacharidy. Objevili H. Krebs a W. Johnson (1937). Tento cyklus je základem metabolismu a plní dvě důležité funkce – dodává tělu energii a integruje všechny hlavní metabolické toky, jak katabolické (biodegradace), tak anabolické (biosyntéza).

Krebsův cyklus se skládá z 8 fází (meziprodukty jsou v diagramu zvýrazněny ve dvou fázích), během kterých dochází k následujícímu:

1) úplná oxidace acetylového zbytku na dvě molekuly CO2,

2) vznikají tři molekuly redukovaného nikotinamidadenindinukleotidu (NADH) a jeden redukovaný flavinadenindinukleotid (FADH2), který je hlavním zdrojem energie produkované v cyklu a

3) jedna molekula guanosintrifosfátu (GTP) vzniká jako výsledek tzv. oxidace substrátu.

Obecně je cesta energeticky příznivá (DG0" = –14,8 kcal.)

Krebsův cyklus, lokalizovaný v mitochondriích, začíná kyselinou citrónovou (citrátem) a končí tvorbou kyseliny oxaloctové (oxalacetát - OA). Mezi substráty cyklu patří trikarboxylové kyseliny - citrónová, cis-akonitová, isocitrónová, oxalosukcinát (oxalosukcinát) a dikarboxylové kyseliny - 2-ketoglutarová (KG), jantarová, fumarová, jablečná (jablečná) a oxalooctová. Mezi substráty Krebsova cyklu patří také kyselina octová, která se ve své aktivní formě (tj. ve formě acetylkoenzymu A, acetyl-SCoA) podílí na kondenzaci s kyselinou oxaloctovou, vedoucí ke vzniku kyseliny citrónové. Je to acetylový zbytek obsažený ve struktuře kyseliny citrónové, který je oxidován; atomy uhlíku jsou oxidovány na CO2, atomy vodíku jsou částečně přijímány koenzymy dehydrogenáz a částečně přecházejí do roztoku, tedy do okolí v protonované formě.

Jako výchozí látka pro tvorbu acetyl-CoA je obvykle indikována kyselina pyrohroznová (pyruvát), která vzniká při glykolýze a zaujímá jedno z centrálních míst v křížících se metabolických drahách. Pod vlivem enzymu s komplexní strukturou - pyruvátdehydrogenázy (CP1.2.4.1 - PDHáza) je pyruvát oxidován za vzniku CO2 (první dekarboxylace), acetyl-CoA a redukován NAD (viz schéma). Oxidace pyruvátu však není zdaleka jedinou možností vzniku acetyl-CoA, který je rovněž charakteristickým produktem oxidace mastných kyselin (enzym thioláza nebo syntetáza mastných kyselin) a dalších reakcí rozkladu sacharidů a aminokyselin. Všechny enzymy účastnící se reakcí Krebsova cyklu jsou lokalizovány v mitochondriích, většina z nich je rozpustná a sukcinátdehydrogenáza (KF1.3.99.1) je těsně spojena s membránovými strukturami.

Tvorba kyseliny citrónové, jejíž syntézou začíná vlastní cyklus, pomocí citrátsyntázy (EC4.1.3.7 - kondenzační enzym v diagramu), je endergonická reakce (s absorpcí energie) a její realizace je možné díky použití energeticky bohaté vazby acetylového zbytku s KoA [CH3CO~SKoA]. Toto je hlavní fáze regulace celého cyklu. Následuje izomerizace kyseliny citrónové na kyselinu isocitronovou přes mezistupeň vzniku kyseliny cis-akonitové (enzym akonitáza KF4.2.1.3, má absolutní stereospecifitu - citlivost na umístění vodíku). Produktem další přeměny kyseliny isocitrónové pod vlivem odpovídající dehydrogenázy (isocitrátdehydrogenáza KF1.1.1.41) je zřejmě kyselina oxalosukcinová, jejíž dekarboxylace (druhá molekula CO2) vede k CG. Tato fáze je také přísně regulována. V řadě charakteristik (vysoká molekulová hmotnost, složitá vícesložková struktura, postupné reakce, částečně stejné koenzymy atd.) se KH dehydrogenáza (EC1.2.4.2) podobá PDHáze. Produkty reakce jsou CO2 (třetí dekarboxylace), H+ a sukcinyl-CoA. V této fázi se aktivuje sukcinyl-CoA syntetáza, jinak nazývaná sukcinátthiokináza (EC6.2.1.4), katalyzující reverzibilní reakci tvorby volného sukcinátu: sukcinyl-CoA + Pneorg + GDP = sukcinát + KoA + GTP. Při této reakci dochází k tzv. fosforylaci substrátu, tzn. tvorba energeticky bohatého guanosintrifosfátu (GTP) na úkor guanosindifosfátu (GDP) a minerálního fosfátu (Pneorg) s využitím energie sukcinyl-CoA. Po vytvoření sukcinátu vstupuje do účinku sukcinátdehydrogenáza (KF1.3.99.1), flavoprotein, vedoucí ke kyselině fumarové. FAD je spojen s proteinovou částí enzymu a je metabolicky aktivní formou riboflavinu (vitamín B2). Tento enzym se také vyznačuje absolutní stereospecifitou při eliminaci vodíku. Fumaráza (EC4.2.1.2) zajišťuje rovnováhu mezi kyselinou fumarovou a kyselinou jablečnou (také stereospecifická) a dehydrogenáza kyseliny jablečné (malátdehydrogenáza EC1.1.1.37, která vyžaduje koenzym NAD +, je také stereospecifická) vede k dokončení Krebsova cyklu, to znamená k tvorbě kyseliny oxalooctové. Poté se opakuje kondenzační reakce kyseliny oxaloctové s acetyl-CoA, což vede ke vzniku kyseliny citrónové, a cyklus se obnoví.

Sukcinátdehydrogenáza je součástí komplexnějšího sukcinátdehydrogenázového komplexu (komplex II) dýchacího řetězce, který dodává redukční ekvivalenty (NAD-H2) vznikající během reakce do dýchacího řetězce.

Na příkladu PDHázy se můžete seznámit s principem kaskádové regulace metabolické aktivity v důsledku fosforylace-defosforylace odpovídajícího enzymu speciální kinázou a fosfatázou PDHázou. Oba jsou připojeny k PDGase.

CYKLUS TRIKARBOXYLOVÝCH KYSELIN

Předpokládá se, že katalýza jednotlivých enzymatických reakcí probíhá jako součást supramolekulárního „superkomplexu“, tzv. „metabolonu“. Výhodou takové organizace enzymů je, že nedochází k difúzi kofaktorů (koenzymů a kovových iontů) a substrátů, což přispívá k efektivnějšímu fungování cyklu.

Energetická účinnost uvažovaných procesů je nízká, nicméně 3 moly NADH a 1 mol FADH2 vzniklé při oxidaci pyruvátu a následných reakcích Krebsova cyklu jsou důležitými produkty oxidačních přeměn. Jejich další oxidace je prováděna enzymy dýchacího řetězce také v mitochondriích a je spojena s fosforylací, tzn. tvorba ATP v důsledku esterifikace (tvorba organofosforových esterů) minerálního fosfátu. Glykolýza, enzymatické působení PDHázy a Krebsův cyklus – celkem 19 reakcí – určují úplnou oxidaci jedné molekuly glukózy na 6 molekul CO2 za vzniku 38 molekul ATP – této „energetické měny“ buňky. Proces oxidace NADH a FADH2 enzymy dýchacího řetězce je energeticky velmi účinný, probíhá pomocí vzdušného kyslíku, vede k tvorbě vody a slouží jako hlavní zdroj energetických zdrojů buňky (více než 90 %). Enzymy Krebsova cyklu se však na jeho přímé realizaci nepodílejí. Každá lidská buňka má 100 až 1000 mitochondrií, které poskytují životně důležitou energii.

Základem integrační funkce Krebsova cyklu v metabolismu je, že sacharidy, tuky a aminokyseliny z bílkovin mohou být nakonec přeměněny na meziprodukty (meziprodukty) tohoto cyklu nebo z nich syntetizovány. Odstranění meziproduktů z cyklu během anabolismu musí být spojeno s pokračováním katabolické aktivity cyklu pro neustálou tvorbu ATP nezbytného pro biosyntézu. Smyčka tedy musí vykonávat dvě funkce současně. Současně se může snížit koncentrace meziproduktů (zejména OA), což může vést k nebezpečnému poklesu produkce energie. Aby se tomu zabránilo, existují „bezpečnostní ventily“ nazývané anaplerotické reakce (z řeckého „naplnit“). Nejdůležitější reakcí je syntéza OA z pyruvátu, prováděná pyruvátkarboxylázou (EC6.4.1.1), lokalizovanou rovněž v mitochondriích. V důsledku toho se hromadí velké množství OA, které zajišťuje syntézu citrátu a dalších meziproduktů, což umožňuje normální fungování Krebsova cyklu a zároveň zajišťuje odstranění meziproduktů do cytoplazmy pro následnou biosyntézu. Na úrovni Krebsova cyklu tak dochází pod vlivem četných a jemných regulačních mechanismů, včetně hormonálních, k efektivně koordinované integraci procesů anabolismu a katabolismu.

Za anaerobních podmínek místo Krebsova cyklu funguje její oxidační větev na KG (reakce 1, 2, 3) a její redukční větev funguje od OA po sukcinát (reakce 8®7®6). V tomto případě se mnoho energie neukládá a cyklus dodává pouze meziprodukty pro buněčnou syntézu.

Když tělo přechází z klidu do aktivity, vzniká potřeba mobilizovat energii a metabolické procesy. Toho je zejména u zvířat dosaženo shuntováním nejpomalejších reakcí (1–3) a převládající oxidací sukcinátu. V tomto případě se KG, počáteční substrát zkráceného Krebsova cyklu, tvoří v rychlé transaminační reakci (přenos aminoskupin)

Glutamát + OA = CG + aspartát

Další modifikací Krebsova cyklu (tzv. 4-aminobutyrátový zkrat) je konverze KG na sukcinát prostřednictvím glutamátu, 4-aminobutyrátu a jantarového semialdehydu (kyseliny 3-formylpropionové). Tato modifikace je důležitá v mozkové tkáni, kde se touto cestou odbourává asi 10 % glukózy.

Úzká vazba Krebsova cyklu s dýchacím řetězcem, zejména ve zvířecích mitochondriích, stejně jako inhibice většiny enzymů cyklu pod vlivem ATP, určují pokles aktivity cyklu při vysokém fosforylovém potenciálu buňka, tzn. při vysokém poměru koncentrace ATP/ADP. U většiny rostlin, bakterií a mnoha hub je těsná vazba překonána vývojem nespojených alternativních oxidačních drah, které umožňují udržení současného dýchání a aktivity cyklu na vysoké úrovni i při vysokém fosforylovém potenciálu.

Igor Rapanovič

CYKLUS TRIKARBOXYLOVÝCH KYSELIN

předchozí

← 1 2 3 další

Literatura

Strayer L. Biochemie. Za. z angličtiny M., Mir, 1985

Bohinski R. Moderní názory v biochemii. Přeloženo z angličtiny, M., Mir, 1987

Knorre D.G., Myzina S.D. Biologická chemie. M., Vyšší škola, 2003

Kolman J., Rem K.-G. Vizuální biochemie. M., Mir, 2004

Stručné historické informace

Náš oblíbený cyklus je cyklus TCA, neboli cyklus trikarboxylových kyselin - život na Zemi a pod Zemí a na Zemi... Stop, obecně je to ten nejúžasnější mechanismus - je univerzální, je to způsob oxidace produkty rozkladu sacharidů, tuků, bílkovin v buňkách živých organismů, v důsledku toho získáváme energii pro činnost našeho těla.

Tento proces objevil sám Hans Krebs, za což dostal Nobelovu cenu!

Narodil se 25. srpna - 1900 v německém městě Hildesheim. Získal lékařské vzdělání na univerzitě v Hamburku a pokračoval v biochemickém výzkumu pod vedením Otto Warburga v Berlíně.

V roce 1930 spolu se svým studentem objevil proces neutralizace amoniaku v těle, který byl přítomen u mnoha zástupců živého světa, včetně lidí. Tento cyklus je cyklus močoviny, který je také známý jako Krebsův cyklus #1.

Když se Hitler dostal k moci, Hans emigroval do Velké Británie, kde pokračuje ve studiu přírodních věd na univerzitách v Cambridge a Sheffieldu. Při rozvíjení výzkumu maďarského biochemika Alberta Szent-Györgyiho získal vhled a vytvořil nejznámější Krebsův cyklus č. 2, nebo jinak řečeno „Szent-Györgyö – Krebsův cyklus“ - 1937.

Výsledky výzkumu jsou zasílány do časopisu Nature, který odmítá článek publikovat. Poté text letí do časopisu "Enzymologia" v Holandsku. Krebs obdržel Nobelovu cenu v roce 1953 za fyziologii nebo medicínu.

Objev byl překvapivý: v roce 1935 Szent-Györgyi zjistil, že kyselina jantarová, oxalooctová, fumarová a jablečná (všechny 4 kyseliny jsou přirozené chemické složky živočišných buněk) zesilují oxidační proces v prsním svalu holuba. Která byla skartována.

Právě v něm probíhají metabolické procesy nejvyšší rychlostí.

F. Knoop a K. Martius v roce 1937 zjistili, že kyselina citrónová se přeměňuje na kyselinu isocitronovou prostřednictvím meziproduktu, kyseliny cis - akonitové. Kromě toho může být kyselina isocitronová přeměněna na kyselinu a-ketoglutarovou a ta na kyselinu jantarovou.

Krebs zaznamenal účinek kyselin na absorpci O2 prsním svalem holuba a identifikoval aktivační účinek na oxidaci PVC a tvorbu acetyl-koenzymu A. Kromě toho byly procesy ve svalu inhibovány kyselinou malonovou , který je podobný kyselině jantarové a mohl by kompetitivně inhibovat enzymy , jejichž substrátem je kyselina jantarová .

Když Krebs přidal do reakčního média kyselinu malonovou, začala akumulace kyseliny a-ketoglutarové, citrónové a jantarové. Je tedy zřejmé, že kombinované působení kyseliny a-ketoglutarové a citrónové vede ke vzniku kyseliny jantarové.

Hans zkoumal více než 20 dalších látek, které však oxidaci neovlivnily. Porovnáním získaných dat Krebs obdržel cyklus. Na samém začátku výzkumník nemohl s jistotou říci, zda proces začal kyselinou citrónovou nebo isocitrónovou, a tak jej nazval „cyklus trikarboxylové kyseliny“.

Nyní víme, že první je kyselina citrónová, takže správný název je citrátový cyklus nebo cyklus kyseliny citrónové.

U eukaryot probíhají reakce cyklu TCA v mitochondriích, zatímco všechny enzymy pro katalýzu, kromě 1, jsou obsaženy ve volném stavu v matrici mitochondrií; výjimkou je sukcinátdehydrogenáza, která je lokalizována na vnitřní membráně mitochondrie a je zabudována v mitochondriích. lipidová dvojvrstva. U prokaryot probíhají reakce cyklu v cytoplazmě.

Seznamte se s účastníky cyklu:

2) Štika – oxaloacetát – kyselina oxalooctová:
Zdá se, že se skládá ze dvou částí: kyseliny šťavelové a kyseliny octové.

3-4) Kyselina citronová a izocitrónová:

5) kyselina a-ketoglutarová:

6) Sukcinyl-koenzym A:

7) Kyselina jantarová:

8) Kyselina fumarová:

9) Kyselina jablečná:

Jak k reakcím dochází? Obecně jsme všichni zvyklí na vzhled prstenu, který je zobrazen níže na obrázku. Níže je vše popsáno krok za krokem:

1. Kondenzace acetylkoenzymu A a kyseliny oxalooctové ➙ kyseliny citrónové.

Transformace acetylkoenzymu A začíná kondenzací s kyselinou oxalooctovou, což vede ke vzniku kyseliny citrónové.

Reakce nevyžaduje spotřebu ATP, protože energie pro tento proces je poskytnuta jako výsledek hydrolýzy thioetherové vazby s acetylkoenzymem A, který je vysoce energetický:

2. Kyselina citronová přechází přes kyselinu cis-akonitovou na kyselinu isocitronovou.

Dochází k izomeraci kyseliny citrónové na kyselinu isocitronovou. Konverzní enzym – akonitáza – nejprve dehydratuje kyselinu citrónovou za vzniku kyseliny cis-akonitové, poté napojí vodu na dvojnou vazbu metabolitu za vzniku kyseliny isocitrónové:

3. Kyselina isocitronová se dehydrogenuje za vzniku kyseliny α-ketoglutarové a CO2.

Kyselina isocitronová je oxidována specifickou dehydrogenázou, jejímž koenzymem je NAD.

Současně s oxidací dochází k dekarboxylaci kyseliny isocitronové. V důsledku přeměn vzniká kyselina α-ketoglutarová.

4. Kyselina alfa-ketoglutarová je dehydrogenována ➙ sukcinyl-koenzymem A a CO2.

Dalším stupněm je oxidativní dekarboxylace kyseliny α-ketoglutarové.

Katalyzován komplexem α-ketoglutarátdehydrogenázy, který je mechanismem, strukturou a působením podobný komplexu pyruvátdehydrogenázy. V důsledku toho se tvoří sukcinyl-CoA.

5. Sukcinylkoenzym A ➙ kyselina jantarová.

Sukcinyl-CoA se hydrolyzuje na volnou kyselinu jantarovou, uvolněná energie se ukládá tvorbou guanosintrifosfátu. Tato fáze je jediná v cyklu, ve které se přímo uvolňuje energie.

6. Kyselina jantarová je dehydrogenována ➙ kyselina fumarová.

Dehydrogenaci kyseliny jantarové urychluje sukcinátdehydrogenáza, jejím koenzymem je FAD.

7. Kyselina fumarová je hydratovaná ➙ kyselina jablečná.

Kyselina fumarová, která vzniká dehydrogenací kyseliny jantarové, se hydratuje a vzniká kyselina jablečná.

8. Kyselina jablečná se dehydrogenuje ➙ Kyselina šťavelová-octová - cyklus se uzavírá.

Konečným procesem je dehydrogenace kyseliny jablečné, katalyzovaná malátdehydrogenázou;

Výsledkem stadia je metabolit, kterým začíná cyklus trikarboxylové kyseliny – kyselina šťavelová-octová.

V reakci 1 dalšího cyklu vstoupí další množství acetylkoenzymu A.

Jak si tento cyklus zapamatovat? Prostě!

2) Další dlouhá báseň:

PIKE snědl acetát, ukázalo se, že citrát,
Prostřednictvím cisakonitátu se stane isocitrátem.
Tím, že odevzdá vodík NAD, ztrácí CO2,
Alfa-ketoglutarát je z toho nesmírně šťastný.
Oxidace se blíží - NAD ukradl vodík,
TDP, koenzym A bere CO2.
A energie se sotva objevila v sukcinylu,
Ihned se zrodilo ATP a to, co zůstalo, byl sukcinát.
Nyní se dostal k FAD - potřebuje vodík,
Fumarát se napil z vody a proměnil se v malát.
Pak NAD přišel k malátu, získal vodík,
Štika se znovu objevila a tiše se schovala.

3) Původní báseň - ve zkratce:

PIKE ACETYL LIMONIL,
Ale kůň se bál narcisu,
Je nad ním ISOLIMON
ALFA - KETOGLUTARÁZOVANÁ.
SUCINALIZOVANÉ S KOENZYMEM,
AMBER FUMAROVO,
Schoval jsem si JABLKA na zimu,
Znovu se proměnil ve ŠTIKU.