Σε ποιο στάδιο λαμβάνει χώρα ο κύκλος του τρικαρβοξυλικού οξέος; Κύκλος τρικαρβοξυλικού οξέος (κύκλος Krebs). Αναπλήρωση της δεξαμενής μεταβολιτών του κύκλου TCA από αμινοξέα

4. Κύκλος τρικαρβοξυλικού οξέος

Το δεύτερο συστατικό της γενικής καταβολικής οδού είναι ο κύκλος TCA. Αυτός ο κύκλος ανακαλύφθηκε το 1937 από τους Krebs και Johnson. Το 1948, οι Kennedy και Lehninger απέδειξαν ότι τα ένζυμα του κύκλου TCA εντοπίζονται στη μιτοχονδριακή μήτρα.

4.1. Χημεία του κύκλου του τρικαρβοξυλικού οξέος.Το ελεύθερο οξικό οξύ δεν μπορεί να οξειδωθεί με αφυδρογόνωση. Ως εκ τούτου, στη δραστική του μορφή (ακετυλο-CoA) συνδέεται προκαταρκτικά με οξαλοξικό (ΟΑ, οξαλοξικό οξύ), με αποτέλεσμα το σχηματισμό κιτρικού.

1. Το ακετυλο-CoA συνδυάζεται με το οξαλοξικό σε μια αντίδραση συμπύκνωσης αλδόλης που καταλύεται από κιτρική συνθετάση. Σχηματίζεται κιτρίλιο-CoA. Το κιτρίλιο-CoA υδρολύεται με τη συμμετοχή νερού σε κιτρικό και HS-CoA.

2. Ακονιτάτη υδρτάση (ΕΝΑ conitasis) καταλύει τη μετατροπή του κιτρικού σε ισοκιτρικό μέσω ενός σταδίου cis-ακονιτικού οξέος. Ο μηχανισμός δράσης της ακονιτάσης είναι τόσο μια υδράση όσο και μια ισομεράση.

3. Ισοσιτρική αφυδρογονάσηκαταλύει την αφυδρογόνωση του ισοκιτρικού οξέος σε οξαλοηλεκτρικό οξύ (οξαλοηλεκτρικό οξύ), το οποίο στη συνέχεια αποκαρβοξυλιώνεται σε 2-οξογλουταρικό (α-κετογλουταρικό). Το συνένζυμο είναι NAD+ (στα μιτοχόνδρια) και NADP+ (σε κυτοσόλια και μιτοχόνδρια).

4. Σύμπλεγμα 2-οξογλουταρικής αφυδρογονάσης (σύμπλεγμα α-κετογλουταρικής αφυδρογονάσης)καταλύει την οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του 2-οξογλουταρικού σε σουκινυλ-CoA. Πολυένζυμο 2-οξογλουταρική αφυδρογονάσητο σύμπλοκο είναι παρόμοιο με το σύμπλοκο πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης και η διαδικασία προχωρά παρόμοια με την οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού.

5. ηλεκτρυλοθειοκινάσηκαταλύει τη διάσπαση του succinyl-CoA σε ηλεκτρικό οξύ και συνένζυμο Α. Η ενέργεια από τη διάσπαση του succinyl-CoA αποθηκεύεται με τη μορφή τριφωσφορικής γουανοσίνης (GTP). Στην αντίδραση συζευγμένης επαναφωσφορυλίωσης, το ADP φωσφορυλιώνεται σε ATP και τα απελευθερωμένα μόρια GDP μπορούν να φωσφορυλιωθούν ξανά. φωσφορυλίωση υποστρώματος). Στα φυτά, το ένζυμο είναι ειδικό για το ADP και το ATP.

6. Ηλεκτρική αφυδρογονάσηκαταλύει τη μετατροπή του ηλεκτρικού σε φουμαρικό οξύ. Το ένζυμο είναι στερεοειδικό, είναι μια αναπόσπαστη πρωτεΐνη, αφού είναι ενσωματωμένη στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων και περιέχει FAD και πρωτεΐνες σιδήρου-θείου ως προσθετικές ομάδες. Το FADN 2 δεν διαχωρίζεται από το ένζυμο και στη συνέχεια δύο ηλεκτρόνια μεταφέρονται στο συνένζυμο Q της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης.

7.Φουμαρική υδράταση (φουμαράση)καταλύει τη μετατροπή του φουμαρικού οξέος σε μηλικό οξύ (μηλικό) με τη συμμετοχή νερού. Το ένζυμο είναι στερεοειδικό, παράγει μόνο L-μηλικό.

8.Μηλική αφυδρογονάσηκαταλύει την οξείδωση του μηλικού οξέος σε οξαλοξικό. Συνένζυμο μηλικής αφυδρογονάσης - NAD +. Στη συνέχεια, το οξαλοξικό συμπυκνώνεται ξανά με ακετυλο-CoA και ο κύκλος επαναλαμβάνεται.

4.2. Βιολογική σημασία και ρύθμιση του κύκλου του τρικαρβοξυλικού οξέος.Ο κύκλος του τρικαρβοξυλικού οξέος είναι ένα συστατικό της γενικής καταβολικής οδού κατά την οποία λαμβάνει χώρα η οξείδωση των μορίων καυσίμου των υδατανθράκων, των λιπαρών οξέων και των αμινοξέων. Τα περισσότερα μόρια καυσίμου εισέρχονται στον κύκλο TCA με τη μορφή ακετυλο-CoA (Εικ. 1). Όλες οι αντιδράσεις του κύκλου TCA προχωρούν σταθερά προς μία κατεύθυνση. Η συνολική τιμή του D G 0 ¢ = -40 kJ/mol.

Υπάρχει εδώ και πολύ καιρό μια συναρπαστική φράση μεταξύ των γιατρών: «Τα λίπη καίγονται στις φλόγες των υδατανθράκων». Πρέπει να εννοηθεί ως η οξείδωση του ακετυλο-CoA, κύρια πηγή της οποίας είναι η β-οξείδωση λιπαρών οξέων, μετά από συμπύκνωση με οξαλοξικό, που σχηματίζεται κυρίως από υδατάνθρακες (κατά την καρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού). Σε περιπτώσεις διαταραχών του μεταβολισμού των υδατανθράκων ή ασιτίας, δημιουργείται ανεπάρκεια οξαλοξικού, που οδηγεί σε μείωση της οξείδωσης του ακετυλο-CoA στον κύκλο TCA.

Εικ.1. Ο ρόλος του κύκλου TCA στην κυτταρική αναπνοή. Στάδιο 1 (κύκλος TCA) εξαγωγή 8 ηλεκτρονίων από το μόριο ακετυλο-CoA. Στάδιο 2 (αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων) μείωση δύο μορίων οξυγόνου και σχηματισμός βαθμίδας πρωτονίου (~36 H +). Το στάδιο 3 (ATP συνθάση) χρησιμοποιεί την ενέργεια της βαθμίδας πρωτονίων για να σχηματίσει ΑΤΡ (~9 ATP) (Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L. Biochemistry. Ν-Υ: W.H. Freeman and Company, 2002).

Ο κύριος μεταβολικός ρόλος του κύκλου TCA μπορεί να αναπαρασταθεί με τη μορφή δύο διεργασιών: 1) μια σειρά από αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, ως αποτέλεσμα των οποίων η ακετυλομάδα οξειδώνεται σε δύο μόρια CO 2. 2) τετραπλή αφυδρογόνωση, που οδηγεί στο σχηματισμό 3 μορίων NADH + H + και 1 μορίου FADH 2 . Το οξυγόνο απαιτείται για τη λειτουργία του κύκλου TCA έμμεσα ως δέκτης ηλεκτρονίων στο τέλος των αλυσίδων μεταφοράς ηλεκτρονίων και για την αναγέννηση των NAD + και FAD.

Η σύνθεση και η υδρόλυση του ATP είναι πρωταρχικής σημασίας για τη ρύθμιση του κύκλου TCA.

1. Η ισοσιτρική αφυδρογονάση ενεργοποιείται αλλοστερικά από την ADP αυξάνοντας τη συγγένεια του ενζύμου για το υπόστρωμα. Το NADH αναστέλλει αυτό το ένζυμο αντικαθιστώντας το NAD+. Το ATP αναστέλλει επίσης την ισοκιτρική αφυδρογονάση. Είναι σημαντικό ο μετασχηματισμός των μεταβολιτών στον κύκλο TCA να απαιτεί NAD + και FAD σε διάφορα στάδια, η ποσότητα των οποίων είναι επαρκής μόνο σε συνθήκες χαμηλής ενεργειακής φόρτισης.

2. Η δραστηριότητα του συμπλόκου 2-οξογλουταρικής αφυδρογονάσης (α-κετογλουταρική αφυδρογονάση) ρυθμίζεται παρόμοια με τη ρύθμιση του συμπλέγματος πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης . Αυτό το σύμπλοκο αναστέλλεται από το σουκινυλο-CoA και το NADH (τα τελικά προϊόντα των μετασχηματισμών που καταλύονται από το σύμπλοκο 2-οξογλουταρικής αφυδρογονάσης). Επιπλέον, το σύμπλοκο 2-οξογλουταρικής αφυδρογονάσης αναστέλλεται από το υψηλό ενεργειακό φορτίο του κυττάρου. Έτσι, ο ρυθμός μετασχηματισμού στον κύκλο TCA μειώνεται με επαρκή παροχή ATP στο κύτταρο (Εικ. 11.2). Σε ορισμένα βακτήρια, η κιτρική συνθάση αναστέλλεται αλλοστερικά από το ATP αυξάνοντας τα Km για το ακετυλο-CoA.

Το σχήμα ρύθμισης της γενικής οδού καταβολισμού παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.

Ρύζι. 2. Ρύθμιση της γενικής οδού του καταβολισμού. Τα κύρια μόρια που ρυθμίζουν τη λειτουργία του κύκλου TCA είναι το ATP και το NADH. Τα κύρια σημεία ρύθμισης είναι η ισοκιτρική αφυδρογονάση και το σύμπλοκο 2-οξογλουταρικής αφυδρογονάσης.

4.3. Ο ενεργειακός ρόλος της κοινής καταβολικής οδού

Στη γενική διαδρομή του καταβολισμού, 3 μόρια CO 2 σχηματίζονται από 1 μόριο πυροσταφυλικού οξέος στις ακόλουθες αντιδράσεις: κατά την οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού οξέος, κατά την αποκαρβοξυλίωση του ισοκιτρικού οξέος και κατά την αποκαρβοξυλίωση του 2-οξογλουταρικού οξέος. Συνολικά, κατά την οξείδωση 1 μορίου πυροσταφυλικού οξέος αφαιρούνται πέντε ζεύγη ατόμων υδρογόνου, εκ των οποίων το ένα ζεύγος είναι από ηλεκτρικό και πηγαίνει στο FAD με το σχηματισμό του FADH 2 και τέσσερα ζεύγη λαμβάνονται σε 4 μόρια NAD + με το σχηματισμό 4 μορίων NADH + H + κατά την οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού οξέος, των 2-οξογλουταρικών οξέων, της αφυδρογόνωσης του ισοκιτρικού και του μηλικού. Τελικά, τα άτομα υδρογόνου μεταφέρονται στο οξυγόνο για να σχηματίσουν 5 μόρια H2O και η απελευθερωμένη ενέργεια συσσωρεύεται σε αντιδράσεις οξειδωτικής φωσφορυλίωσης με τη μορφή μορίων ATP.

Σύνολο:

1. Οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση πυροσταφυλικού ~ 2,5 ATP.

2. Υπάρχουν ~9 ATP στον κύκλο TCA και σχετικές αναπνευστικές αλυσίδες.

3. Στην αντίδραση της φωσφορυλίωσης του υποστρώματος του κύκλου TCA, ~ 1 ATP.

Στον κύκλο TCA και τις σχετικές αντιδράσεις της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης, σχηματίζονται περίπου 10 ATP κατά την οξείδωση της ακετυλομάδας ενός μορίου ακετυλο-CoA

Συνολικά, στη γενική πορεία του καταβολισμού, ως αποτέλεσμα των μετασχηματισμών 1 μορίου πυροσταφυλικού οξέος, απελευθερώνονται περίπου 12,5 μόρια ΑΤΡ.

Μίλησα για το τι είναι στην πραγματικότητα, γιατί χρειάζεται ο κύκλος του Krebs και ποια θέση κατέχει στο μεταβολισμό. Τώρα ας πάμε στις αντιδράσεις αυτού του κύκλου οι ίδιοι.

Θα κάνω μια κράτηση αμέσως - για μένα προσωπικά, η απομνημόνευση αντιδράσεων ήταν μια εντελώς άσκοπη δραστηριότητα μέχρι να διευθετήσω τις παραπάνω ερωτήσεις. Αλλά αν έχετε ήδη καταλάβει τη θεωρία, προτείνω να προχωρήσετε στην πράξη.

Μπορείτε να δείτε πολλούς τρόπους για να γράψετε τον κύκλο του Krebs. Οι πιο συνηθισμένες επιλογές είναι κάπως έτσι:

Αλλά αυτό που μου φάνηκε πιο βολικό ήταν η μέθοδος συγγραφής αντιδράσεων από το παλιό καλό εγχειρίδιο βιοχημείας από τους συγγραφείς T.T. Berezov. και Korovkina B.V.

Πρώτη αντίδραση

Το ήδη γνωστό Acetyl-CoA και Oxaloacetate συνδυάζονται και μετατρέπονται σε κιτρικό, δηλαδή σε κιτρικό οξύ.

Δεύτερη αντίδραση

Τώρα παίρνουμε κιτρικό οξύ και το γυρίζουμε ισοκιτρικό οξύ. Ένα άλλο όνομα αυτής της ουσίας είναι ισοκιτρικό.

Στην πραγματικότητα, αυτή η αντίδραση είναι κάπως πιο περίπλοκη, μέσω ενός ενδιάμεσου σταδίου - του σχηματισμού του cis-aconitic acid. Αλλά αποφάσισα να το απλοποιήσω για να το θυμάστε καλύτερα. Εάν είναι απαραίτητο, μπορείτε να προσθέσετε το βήμα που λείπει εδώ εάν θυμάστε όλα τα άλλα.

Στην ουσία, οι δύο λειτουργικές ομάδες απλώς αντάλλαξαν θέσεις.

Τρίτη αντίδραση

Άρα, έχουμε ισοκιτρικό οξύ. Τώρα πρέπει να αποκαρβοξυλιωθεί (δηλαδή να αφαιρεθεί το COOH) και να αφυδρογονωθεί (δηλαδή να αφαιρεθεί το Η). Η ουσία που προκύπτει είναι α-κετογλουταρικό.

Αυτή η αντίδραση είναι αξιοσημείωτη για το σχηματισμό του συμπλόκου HADH 2. Αυτό σημαίνει ότι ο μεταφορέας NAD συλλαμβάνει υδρογόνο για να ξεκινήσει την αναπνευστική αλυσίδα.

Μου αρέσει η εκδοχή των αντιδράσεων του Κύκλου Krebs στο εγχειρίδιο των Berezov και Korovkin ακριβώς επειδή τα άτομα και οι λειτουργικές ομάδες που συμμετέχουν στις αντιδράσεις είναι αμέσως ορατά.

Τέταρτη αντίδραση

Και πάλι, η νικοτίνη αμίδιο αδενίνης δινουκλεοτίδιο λειτουργεί σαν ρολόι, δηλαδή ΠΑΝΩ ΑΠΟ. Αυτός ο ωραίος φορέας έρχεται εδώ, όπως και στο τελευταίο βήμα, για να αρπάξει το υδρογόνο και να το μεταφέρει στην αναπνευστική αλυσίδα.

Παρεμπιπτόντως, η προκύπτουσα ουσία είναι σουκινυλο-CoA, δεν πρέπει να σας τρομάζει. Το ηλεκτρικό είναι ένα άλλο όνομα για το ηλεκτρικό οξύ, το οποίο σας είναι γνωστό από την εποχή της βιοοργανικής χημείας. Το Succinyl-Coa είναι μια ένωση ηλεκτρικού οξέος με συνένζυμο-Α. Μπορούμε να πούμε ότι αυτός είναι ένας εστέρας ηλεκτρικού οξέος.

Πέμπτη αντίδραση

Στο προηγούμενο βήμα, είπαμε ότι το succinyl-CoA είναι ένας εστέρας του ηλεκτρικού οξέος. Και τώρα θα πάρουμε το sama ηλεκτρικό οξύ, δηλαδή ηλεκτρικό, από σουκινυλο-CoA. Ένα εξαιρετικά σημαντικό σημείο: είναι σε αυτή την αντίδραση που φωσφορυλίωση υποστρώματος.

Η φωσφορυλίωση γενικά (μπορεί να είναι οξειδωτική και υπόστρωμα) είναι η προσθήκη μιας ομάδας φωσφόρου PO 3 στο GDP ή ATP για να ληφθεί ένα πλήρες GTF, ή, αντίστοιχα, ATP. Το υπόστρωμα διαφέρει στο ότι αυτή η ίδια ομάδα φωσφόρου απομακρύνεται από οποιαδήποτε ουσία που το περιέχει. Λοιπόν, με απλά λόγια, μεταφέρεται από το SUBSTRATE σε HDF ή ADP. Γι' αυτό ονομάζεται «φωσφορυλίωση υποστρώματος».

Για άλλη μια φορά: στην αρχή της φωσφορυλίωσης του υποστρώματος, έχουμε ένα μόριο διφωσφορικού - διφωσφορική γουανοσίνη ή διφωσφορική αδενοσίνη. Η φωσφορυλίωση συνίσταται στο γεγονός ότι ένα μόριο με δύο υπολείμματα φωσφορικού οξέος - HDP ή ADP - «ολοκληρώνεται» σε ένα μόριο με τρία υπολείμματα φωσφορικού οξέος για την παραγωγή τριφωσφορικής γουανοσίνης ή τριφωσφορικής αδενοσίνης. Αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα κατά τη μετατροπή του σουκινυλ-CoA σε ηλεκτρικό (δηλ. ηλεκτρικό οξύ).

Στο διάγραμμα μπορείτε να δείτε τα γράμματα F (n). Σημαίνει «ανόργανο φωσφορικό άλας». Ανόργανο φωσφορικό άλας μεταφέρεται από το υπόστρωμα στο HDP έτσι ώστε τα προϊόντα αντίδρασης να περιέχουν καλή, πλήρη GTP. Ας δούμε τώρα την ίδια την αντίδραση:

Έκτη αντίδραση

Επόμενη μεταμόρφωση. Αυτή τη φορά, το ηλεκτρικό οξύ που αποκτήσαμε στο τελευταίο βήμα θα μετατραπεί σε φουμαρικό, σημειώστε τον νέο διπλό δεσμό.

Το διάγραμμα δείχνει ξεκάθαρα πώς συμμετέχει στην αντίδραση ΦΑΝΤΑΣΙΟΠΛΗΞΙΑ: Αυτός ο ακούραστος φορέας πρωτονίων και ηλεκτρονίων συλλαμβάνει υδρογόνο και το σέρνει απευθείας στην αναπνευστική αλυσίδα.

Έβδομη αντίδραση

Είμαστε ήδη στη γραμμή του τερματισμού. Το προτελευταίο στάδιο του Κύκλου Krebs είναι η αντίδραση που μετατρέπει το φουμαρικό σε L-μηλικό. Το L-malate είναι ένα άλλο όνομα L-μηλικό οξύ, οικείο από το μάθημα της βιοοργανικής χημείας.

Αν κοιτάξετε την ίδια την αντίδραση, θα δείτε ότι, πρώτον, πηγαίνει αμφίδρομα, και δεύτερον, η ουσία της είναι η ενυδάτωση. Δηλαδή, το φουμαρικό απλώς προσκολλά ένα μόριο νερού στον εαυτό του, με αποτέλεσμα το L-μηλικό οξύ.

Όγδοη αντίδραση

Η τελευταία αντίδραση του κύκλου του Krebs είναι η οξείδωση του L-μηλικού οξέος σε οξαλοξικό, δηλαδή σε οξαλοξικό οξύ. Όπως καταλαβαίνετε, το «οξαλοξικό» και το «οξαλοξικό οξύ» είναι συνώνυμα. Θυμάστε πιθανώς ότι το οξαλοξικό οξύ είναι συστατικό της πρώτης αντίδρασης του κύκλου του Krebs.

Εδώ σημειώνουμε την ιδιαιτερότητα της αντίδρασης: σχηματισμός NADH 2, που θα μεταφέρει ηλεκτρόνια στην αναπνευστική αλυσίδα. Μην ξεχνάτε επίσης τις αντιδράσεις 3,4 και 6, εκεί σχηματίζονται και φορείς ηλεκτρονίων και πρωτονίων για την αναπνευστική αλυσίδα.

Όπως μπορείτε να δείτε, επεσήμανα συγκεκριμένα με κόκκινο τις αντιδράσεις κατά τις οποίες σχηματίζονται τα NADH και FADH2. Αυτές είναι πολύ σημαντικές ουσίες για την αναπνευστική αλυσίδα. Τόνισα με πράσινο χρώμα την αντίδραση κατά την οποία συμβαίνει φωσφορυλίωση του υποστρώματος και παράγεται GTP.

Πώς να τα θυμάστε όλα αυτά;

Στην πραγματικότητα, δεν είναι τόσο δύσκολο. Αφού διαβάσετε πλήρως τα δύο άρθρα μου, καθώς και το σχολικό βιβλίο και τις διαλέξεις σας, χρειάζεται απλώς να εξασκηθείτε στη συγγραφή αυτών των αντιδράσεων. Συνιστώ να θυμάστε τον κύκλο του Krebs σε μπλοκ 4 αντιδράσεων. Γράψτε αυτές τις 4 αντιδράσεις πολλές φορές, για κάθε μία επιλέγοντας έναν συσχετισμό που ταιριάζει στη μνήμη σας.

Για παράδειγμα, θυμήθηκα αμέσως πολύ εύκολα τη δεύτερη αντίδραση, στην οποία το ισοκιτρικό οξύ σχηματίζεται από κιτρικό οξύ (το οποίο, νομίζω, είναι γνωστό σε όλους από την παιδική ηλικία).

Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε μνημονικά όπως: Ένας ολόκληρος ανανάς και ένα κομμάτι σουφλέ είναι στην πραγματικότητα το γεύμα μου σήμερα, που αντιστοιχεί στη σειρά - κιτρικό, cis-ακονιτικό, ισοκιτρικό, άλφα-κετογλουταρικό, ηλεκτρικό-CoA, ηλεκτρικό, φουμαρικό, μηλικό, οξαλοξικό." Υπάρχουν ένα σωρό ακόμα σαν αυτούς.

Αλλά, για να είμαι ειλικρινής, σχεδόν ποτέ δεν μου άρεσαν τέτοια ποιήματα. Κατά τη γνώμη μου, είναι πιο εύκολο να θυμάστε την ίδια τη σειρά των αντιδράσεων. Με βοήθησε πολύ να χωρίσω τον κύκλο του Krebs σε δύο μέρη, καθένα από τα οποία εξασκούσα στη γραφή αρκετές φορές την ώρα. Κατά κανόνα, αυτό συνέβαινε σε μαθήματα όπως η ψυχολογία ή η βιοηθική. Αυτό είναι πολύ βολικό - χωρίς να αποσπαστείτε από τη διάλεξη, μπορείτε να αφιερώσετε κυριολεκτικά ένα λεπτό γράφοντας τις αντιδράσεις καθώς τις θυμάστε και στη συνέχεια να τις ελέγξετε με τη σωστή επιλογή.

Παρεμπιπτόντως, σε ορισμένα πανεπιστήμια, κατά τη διάρκεια δοκιμών και εξετάσεων στη βιοχημεία, οι δάσκαλοι δεν απαιτούν γνώση των ίδιων των αντιδράσεων. Απλά πρέπει να ξέρετε τι είναι ο κύκλος του Krebs, πού εμφανίζεται, ποια είναι τα χαρακτηριστικά και η σημασία του και, φυσικά, η ίδια η αλυσίδα των μετασχηματισμών. Μόνο η αλυσίδα μπορεί να ονομαστεί χωρίς τύπους, χρησιμοποιώντας μόνο τα ονόματα των ουσιών. Αυτή η προσέγγιση δεν είναι χωρίς νόημα, κατά τη γνώμη μου.

Ελπίζω ο οδηγός μου για τον κύκλο TCA να σας βοήθησε. Και θέλω να σας υπενθυμίσω ότι αυτά τα δύο άρθρα δεν αντικαθιστούν πλήρως τις διαλέξεις και τα σχολικά σας βιβλία. Τα έγραψα μόνο για να καταλάβετε χονδρικά τι είναι ο κύκλος του Krebs. Αν ξαφνικά δείτε κάποιο σφάλμα στον οδηγό μου, γράψτε το στα σχόλια. Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας!

Ο κύκλος του τρικαρβοξυλικού οξέος ανακαλύφθηκε το 1937 από τον G. Krebs. Από αυτή την άποψη, ονομάστηκε «κύκλος του Krebs». Αυτή η διαδικασία είναι η κεντρική οδός του μεταβολισμού. Εμφανίζεται στα κύτταρα των οργανισμών σε διαφορετικά στάδια της εξελικτικής ανάπτυξης (μικροοργανισμοί, φυτά, ζώα).

Το αρχικό υπόστρωμα του κύκλου του τρικαρβοξυλικού οξέος είναι το ακετυλοσυνένζυμο Α. Αυτός ο μεταβολίτης είναι η δραστική μορφή του οξικού οξέος. Το οξικό οξύ δρα ως κοινό ενδιάμεσο προϊόν διάσπασης σχεδόν όλων των οργανικών ουσιών που περιέχονται στα κύτταρα των ζωντανών οργανισμών. Αυτό συμβαίνει επειδή τα οργανικά μόρια είναι ενώσεις άνθρακα που μπορούν φυσικά να διασπαστούν σε μονάδες οξικού οξέος δύο άνθρακα.

Το ελεύθερο οξικό οξύ έχει σχετικά ασθενή αντιδραστικότητα. Οι μετασχηματισμοί του συμβαίνουν κάτω από μάλλον σκληρές συνθήκες, οι οποίες δεν είναι ρεαλιστικές σε ένα ζωντανό κύτταρο. Επομένως, το οξικό οξύ ενεργοποιείται στα κύτταρα συνδυάζοντάς το με το συνένζυμο Α. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται μια μεταβολικά ενεργή μορφή οξικού οξέος - το ακετυλο-συνένζυμο Α.

Το συνένζυμο Α είναι μια ένωση χαμηλού μοριακού βάρους που αποτελείται από φωσφοαδενοσίνη, ένα υπόλειμμα παντοθενικού οξέος (βιταμίνη Β3) και θειοαιθανολαμίνη. Το υπόλειμμα οξικού οξέος προστίθεται στην ομάδα σουλφυδρυλίου της θειοαιθανολαμίνης. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζεται ένας θειοαιθέρας - το ακετυλο-συνένζυμο Α, το οποίο είναι το αρχικό υπόστρωμα του κύκλου Krebs.

Ακετυλοσυνένζυμο Α

Ένα διάγραμμα του μετασχηματισμού των ενδιάμεσων προϊόντων στον κύκλο του Krebs φαίνεται στο Σχήμα. 67. Η διαδικασία ξεκινά με τη συμπύκνωση του ακετυλοσυνενζύμου Α με οξαλοξικό (οξαλοξικό οξύ, OCA), με αποτέλεσμα τον σχηματισμό κιτρικού οξέος (κιτρικό). Η αντίδραση καταλύεται από το ένζυμο κιτρική συνθάση.

Σχήμα 67 – Σχέδιο μετασχηματισμού ενδιάμεσων προϊόντων στον κύκλο

τρικαρβοξυλικά οξέα

Περαιτέρω, υπό τη δράση του ενζύμου ακονιτάση, το κιτρικό οξύ μετατρέπεται σε ισοκιτρικό οξύ. Το ισοσιτρικό οξύ υφίσταται διεργασίες οξείδωσης και αποκαρβοξυλίωσης. Σε αυτή την αντίδραση, που καταλύεται από το ένζυμο NAD-εξαρτώμενη ισοσιτρική αφυδρογονάση, τα προϊόντα είναι διοξείδιο του άνθρακα, ανηγμένο NAD και α-κετογλουταρικό οξύ, το οποίο στη συνέχεια εμπλέκεται στη διαδικασία της οξειδωτικής αποκαρβοξυλίωσης (Εικ. 68).

Εικόνα 68 – Σχηματισμός α-κετογλουταρικού οξέος στον κύκλο του Krebs

Η διαδικασία της οξειδωτικής αποκαρβοξυλίωσης του α-κετογλουταρικού καταλύεται από τα ένζυμα του πολυενζυμικού συμπλέγματος αφυδρογονάσης α-κετογλουταρικής. Αυτό το σύμπλεγμα αποτελείται από τρία διαφορετικά ένζυμα και απαιτεί συνένζυμα για να λειτουργήσει. Τα συνένζυμα του συμπλέγματος α-κετο-γλουταρικής αφυδρογονάσης περιλαμβάνουν τις ακόλουθες υδατοδιαλυτές βιταμίνες:

· βιταμίνη Β 1 (θειαμίνη) – πυροφωσφορική θειαμίνη.

· βιταμίνη Β 2 (ριβοφλαβίνη) – FAD;

· βιταμίνη Β 3 (παντοθενικό οξύ) – συνένζυμο Α;

· βιταμίνη Β 5 (νικοταμίδη) – NAD;

· ουσία που μοιάζει με βιταμίνες – λιποϊκό οξύ.

Σχηματικά, η διαδικασία της οξειδωτικής αποκαρβοξυλίωσης του α-κετο-γλουταρικού οξέος μπορεί να αναπαρασταθεί ως η ακόλουθη εξίσωση αντίδρασης ισορροπίας:

Το προϊόν αυτής της διαδικασίας είναι ένας θειοεστέρας του υπολείμματος ηλεκτρικού οξέος (ηλεκτρικό) με συνένζυμο Α - ηλεκτρυλο-συνένζυμο Α. Ο θειοεστερικός δεσμός του ηλεκτρικού-συνενζύμου Α είναι μακροεργικός.

Η επόμενη αντίδραση του κύκλου Krebs είναι η διαδικασία της φωσφορυλίωσης του υποστρώματος. Σε αυτό, ο θειοεστερικός δεσμός του ηλεκτρυλ-συνενζύμου Α υδρολύεται υπό τη δράση του ενζύμου succinyl-CoA συνθετάση με το σχηματισμό ηλεκτρικού οξέος (ηλεκτρικό) και ελεύθερου συνενζύμου Α. Αυτή η διαδικασία συνοδεύεται από την απελευθέρωση ενέργειας, η οποία είναι αμέσως χρησιμοποιείται για τη φωσφορυλίωση του HDP, η οποία έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός μορίου υψηλής ενέργειας φωσφορικού GTP. Φωσφορυλίωση υποστρώματος στον κύκλο του Krebs:

όπου το Fn είναι ορθοφωσφορικό οξύ.

Το GTP που σχηματίζεται κατά την οξειδωτική φωσφορυλίωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ενέργειας σε διάφορες ενεργειακά εξαρτώμενες αντιδράσεις (στη διαδικασία βιοσύνθεσης πρωτεϊνών, ενεργοποίηση λιπαρών οξέων κ.λπ.). Επιπλέον, το GTP μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ΑΤΡ στην αντίδραση διφωσφορικής κινάσης νουκλεοσιδίου

Το προϊόν της αντίδρασης συνθετάσης σουκινυλ-CoA, ηλεκτρικό, οξειδώνεται περαιτέρω με τη συμμετοχή του ενζύμου ηλεκτρική αφυδρογονάση. Αυτό το ένζυμο είναι μια αφυδρογονάση φλαβίνης, η οποία περιέχει το μόριο FAD ως συνένζυμο (προσθετική ομάδα). Ως αποτέλεσμα της αντίδρασης, το ηλεκτρικό οξύ οξειδώνεται σε φουμαρικό οξύ. Ταυτόχρονα αποκαθίσταται το FAD.

όπου Ε είναι η προσθετική ομάδα FAD που σχετίζεται με την πολυπεπτιδική αλυσίδα του ενζύμου.

Το φουμαρικό οξύ που σχηματίζεται στην αντίδραση ηλεκτρικής αφυδρογονάσης, υπό τη δράση του ενζύμου φουμαράσης (Εικ. 69), συνδέει ένα μόριο νερού και μετατρέπεται σε μηλικό οξύ, το οποίο στη συνέχεια οξειδώνεται στην αντίδραση μηλικής αφυδρογονάσης σε οξαλοξικό οξύ (οξαλοξικό). Το τελευταίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ξανά στην αντίδραση κιτρικής συνθάσης για τη σύνθεση κιτρικού οξέος (Εικ. 67). Εξαιτίας αυτού, οι μετασχηματισμοί στον κύκλο του Krebs είναι κυκλικής φύσης.

Εικόνα 69 – Μεταβολισμός μηλικού οξέος στον κύκλο του Krebs

Η εξίσωση ισορροπίας του κύκλου Krebs μπορεί να παρουσιαστεί ως εξής:

Δείχνει ότι στον κύκλο υπάρχει πλήρης οξείδωση της ρίζας ακετυλίου του υπολείμματος από το ακετυλο-συνένζυμο Α σε δύο μόρια CO 2. Αυτή η διαδικασία συνοδεύεται από το σχηματισμό τριών μορίων ανηγμένης NAD, ενός μορίου ανηγμένης FAD και ενός μορίου φωσφορικού υψηλής ενέργειας - GTP.

Ο κύκλος του Krebs εμφανίζεται στη μιτοχονδριακή μήτρα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι εδώ βρίσκονται τα περισσότερα ένζυμα του. Και μόνο ένα μόνο ένζυμο, η ηλεκτρική αφυδρογονάση, είναι ενσωματωμένο στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη. Τα επιμέρους ένζυμα του κύκλου του τρικαρβοξυλικού οξέος συνδυάζονται σε ένα λειτουργικό πολυενζυμικό σύμπλεγμα (μεταβολών) που σχετίζεται με την εσωτερική επιφάνεια της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης. Με το συνδυασμό ενζύμων σε ένα μεταβολισμό, η αποτελεσματικότητα της λειτουργίας αυτής της μεταβολικής οδού αυξάνεται σημαντικά και εμφανίζονται πρόσθετες ευκαιρίες για τη λεπτή ρύθμισή του.

Τα χαρακτηριστικά της ρύθμισης του κύκλου του τρικαρβοξυλικού οξέος καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από τη σημασία του. Αυτή η διαδικασία εκτελεί τις ακόλουθες λειτουργίες:

1) ενέργεια.Ο κύκλος Krebs είναι η πιο ισχυρή πηγή υποστρωμάτων (μειωμένα συνένζυμα - NAD και FAD) για την αναπνοή των ιστών. Επιπλέον, η ενέργεια αποθηκεύεται σε αυτό με τη μορφή φωσφορικού άλατος υψηλής ενέργειας - GTP.

2) πλαστική ύλη. Τα ενδιάμεσα προϊόντα του κύκλου του Krebs είναι πρόδρομοι για τη σύνθεση διαφόρων κατηγοριών οργανικών ουσιών - αμινοξέων, μονοσακχαριτών, λιπαρών οξέων κ.λπ.

Έτσι, ο κύκλος του Krebs εκτελεί διπλή λειτουργία: αφενός, είναι μια γενική οδός καταβολισμού, που παίζει κεντρικό ρόλο στην ενεργειακή παροχή του κυττάρου, και αφετέρου, παρέχει βιοσυνθετικές διεργασίες με υποστρώματα. Τέτοιες μεταβολικές διεργασίες ονομάζονται αμφιβολικές. Ο κύκλος του Krebs είναι ένας τυπικός αμφιβολικός κύκλος.

Η ρύθμιση των μεταβολικών διεργασιών στο κύτταρο σχετίζεται στενά με την ύπαρξη ενζύμων «κλειδιών». Τα βασικά ένζυμα στη διαδικασία είναι εκείνα που καθορίζουν την ταχύτητά της. Συνήθως, ένα από τα ένζυμα «κλειδιά» σε μια διεργασία είναι το ένζυμο που καταλύει την αρχική της αντίδραση.

Τα ένζυμα «κλειδιά» χαρακτηρίζονται από τα ακόλουθα χαρακτηριστικά. Αυτά τα ένζυμα

· καταλύει μη αναστρέψιμες αντιδράσεις.

· έχουν τη μικρότερη δραστηριότητα σε σύγκριση με άλλα ένζυμα που εμπλέκονται στη διαδικασία.

· είναι αλλοστερικά ένζυμα.

Τα βασικά ένζυμα του κύκλου του Krebs είναι η κιτρική συνθάση και η ισοσιτρική αφυδρογονάση. Όπως τα βασικά ένζυμα σε άλλα μεταβολικά μονοπάτια, η δραστηριότητά τους ρυθμίζεται από αρνητική ανάδραση: μειώνεται καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση των ενδιαμέσων του κύκλου Krebs στα μιτοχόνδρια. Έτσι, το κιτρικό οξύ και το ηλεκτρυλο-συνένζυμο Α δρουν ως αναστολείς της κιτρικής συνθάσης και το ανηγμένο NAD δρα ως ισοκιτρική αφυδρογονάση.

Το ADP είναι ένας ενεργοποιητής της ισοκιτρικής αφυδρογονάσης. Υπό συνθήκες αυξανόμενης ανάγκης των κυττάρων για ΑΤΡ ως πηγή ενέργειας, όταν η περιεκτικότητα σε προϊόντα διάσπασης (ADP) αυξάνεται σε αυτό, προκύπτουν προϋποθέσεις για την αύξηση του ρυθμού οξειδοαναγωγικών μετασχηματισμών στον κύκλο του Krebs και, κατά συνέπεια, για την αύξηση του επιπέδου του ενεργειακού εφοδιασμού του. .

ΚΥΚΛΟΣ ΤΡΙΚΑΡΒΟΞΥΛΙΚΩΝ ΟΞΕΩΝ

ΚΥΚΛΟΣ ΤΡΙΚΑΡΒΟΞΥΛΙΚΩΝ ΟΞΕΩΝ - ο κύκλος του κιτρικού οξέος ή ο κύκλος του Krebs είναι μια ευρέως αντιπροσωπευόμενη οδός στους οργανισμούς των ζώων, των φυτών και των μικροβίων για τους οξειδωτικούς μετασχηματισμούς των δι- και τρικαρβοξυλικών οξέων που σχηματίζονται ως ενδιάμεσα προϊόντα κατά τη διάσπαση και σύνθεση πρωτεϊνών, λιπών και υδατάνθρακες. Ανακαλύφθηκε από τους H. Krebs και W. Johnson (1937). Αυτός ο κύκλος είναι η βάση του μεταβολισμού και εκτελεί δύο σημαντικές λειτουργίες - τροφοδοτεί το σώμα με ενέργεια και ενσωματώνει όλες τις κύριες μεταβολικές ροές, τόσο τις καταβολικές (βιοαποικοδόμηση) όσο και τις αναβολικές (βιοσύνθεση).

Ο κύκλος του Krebs αποτελείται από 8 στάδια (τα ενδιάμεσα προϊόντα επισημαίνονται σε δύο στάδια στο διάγραμμα), κατά τα οποία συμβαίνουν τα εξής:

1) πλήρης οξείδωση του υπολείμματος ακετυλίου σε δύο μόρια CO2,

2) σχηματίζονται τρία μόρια ανηγμένου δινουκλεοτιδίου αδενίνης νικοτιναμιδίου (NADH) και ενός δινουκλεοτιδίου ανηγμένης αδενίνης φλαβίνης (FADH2), που είναι η κύρια πηγή ενέργειας που παράγεται στον κύκλο και

3) ένα μόριο τριφωσφορικής γουανοσίνης (GTP) σχηματίζεται ως αποτέλεσμα της λεγόμενης οξείδωσης του υποστρώματος.

Γενικά, η διαδρομή είναι ενεργειακά ευνοϊκή (DG0" = –14,8 kcal.)

Ο κύκλος του Krebs, που εντοπίζεται στα μιτοχόνδρια, ξεκινά με κιτρικό οξύ (κιτρικό) και τελειώνει με το σχηματισμό οξαλοξικού οξέος (οξαλοξικό - ΟΑ). Τα υποστρώματα του κύκλου περιλαμβάνουν τρικαρβοξυλικά οξέα - κιτρικό, cis-ακονιτικό, ισοκιτρικό, οξαλοηλεκτρικό (οξαλοηλεκτρικό) και δικαρβοξυλικά οξέα - 2-κετογλουταρικό (KG), ηλεκτρικό, φουμαρικό, μηλικό (μηλικό) και οξαλοξικό. Τα υποστρώματα του κύκλου του Krebs περιλαμβάνουν επίσης οξικό οξύ, το οποίο στη δραστική του μορφή (δηλαδή με τη μορφή του ακετυλοσυνενζύμου Α, ακετυλο-SCoA) συμμετέχει στη συμπύκνωση με οξαλοξικό οξύ, οδηγώντας στο σχηματισμό κιτρικού οξέος. Είναι το υπόλειμμα ακετυλίου που περιλαμβάνεται στη δομή του κιτρικού οξέος που οξειδώνεται. Τα άτομα άνθρακα οξειδώνονται σε CO2, τα άτομα υδρογόνου γίνονται μερικώς αποδεκτά από τα συνένζυμα των αφυδρογονασών και εν μέρει περνούν στο διάλυμα, δηλαδή στο περιβάλλον σε πρωτονιωμένη μορφή.

Το πυροσταφυλικό οξύ (πυρουβικό), το οποίο σχηματίζεται κατά τη γλυκόλυση και καταλαμβάνει μια από τις κεντρικές θέσεις στις διασταυρούμενες μεταβολικές οδούς, συνήθως ενδείκνυται ως η αρχική ένωση για το σχηματισμό ακετυλο-CoA. Υπό την επίδραση ενός ενζύμου με σύνθετη δομή - πυροσταφυλική αφυδρογονάση (CP1.2.4.1 - PDHase), το πυροσταφυλικό άλας οξειδώνεται για να σχηματίσει CO2 (πρώτη αποκαρβοξυλίωση), ακετυλο-CoA και ανάγεται με NAD (βλ. διάγραμμα). Ωστόσο, η οξείδωση του πυροσταφυλικού δεν είναι ο μόνος τρόπος σχηματισμού ακετυλο-CoA, το οποίο είναι επίσης χαρακτηριστικό προϊόν της οξείδωσης λιπαρών οξέων (ένζυμο θειολάσης ή συνθετάση λιπαρών οξέων) και άλλων αντιδράσεων αποσύνθεσης υδατανθράκων και αμινοξέων. Όλα τα ένζυμα που εμπλέκονται στις αντιδράσεις του κύκλου του Krebs εντοπίζονται στα μιτοχόνδρια, τα περισσότερα από αυτά είναι διαλυτά και η ηλεκτρική αφυδρογονάση (KF1.3.99.1) συνδέεται στενά με τις δομές της μεμβράνης.

Ο σχηματισμός κιτρικού οξέος, με τη σύνθεση του οποίου ξεκινάει ο ίδιος ο κύκλος, με τη βοήθεια της κιτρικής συνθάσης (EC4.1.3.7 - το συμπυκνωτικό ένζυμο στο διάγραμμα), είναι μια ενεργονική αντίδραση (με απορρόφηση ενέργειας) και η εφαρμογή της είναι δυνατή λόγω της χρήσης του πλούσιου σε ενέργεια δεσμού του ακετυλικού υπολείμματος με KoA [CH3CO~SKoA]. Αυτό είναι το κύριο στάδιο ρύθμισης ολόκληρου του κύκλου. Ακολουθεί ο ισομερισμός του κιτρικού οξέος σε ισοκιτρικό οξύ μέσω του ενδιάμεσου σταδίου του σχηματισμού του cis-ακονιτικού οξέος (το ένζυμο ακονιτάση KF4.2.1.3, έχει απόλυτη στερεοειδικότητα - ευαισθησία στη θέση του υδρογόνου). Το προϊόν περαιτέρω μετασχηματισμού του ισοκιτρικού οξέος υπό την επίδραση της αντίστοιχης αφυδρογονάσης (ισοσιτρική αφυδρογονάση KF1.1.1.41) είναι προφανώς το οξαλοηλεκτρικό οξύ, η αποκαρβοξυλίωση του οποίου (το δεύτερο μόριο CO2) οδηγεί σε CG. Αυτό το στάδιο ρυθμίζεται επίσης αυστηρά. Σε ορισμένα χαρακτηριστικά (υψηλό μοριακό βάρος, σύνθετη πολυσυστατική δομή, σταδιακές αντιδράσεις, εν μέρει τα ίδια συνένζυμα κ.λπ.) η αφυδρογονάση KH (EC1.2.4.2) μοιάζει με την PDHase. Τα προϊόντα της αντίδρασης είναι CO2 (τρίτη αποκαρβοξυλίωση), Η+ και ηλεκτρυλ-CoA. Σε αυτό το στάδιο, ενεργοποιείται η συνθετάση ηλεκτρυλ-CoA, που αλλιώς ονομάζεται ηλεκτρική θειοκινάση (EC6.2.1.4), καταλύοντας την αναστρέψιμη αντίδραση του σχηματισμού ελεύθερου ηλεκτρικού: Succinyl-CoA + Pneorg + GDP = Succinate + KoA + GTP. Κατά τη διάρκεια αυτής της αντίδρασης, συμβαίνει η λεγόμενη φωσφορυλίωση υποστρώματος, δηλ. σχηματισμός πλούσιας σε ενέργεια τριφωσφορικής γουανοσίνης (GTP) εις βάρος της διφωσφορικής γουανοσίνης (GDP) και του ανόργανου φωσφορικού άλατος (Pneorg) χρησιμοποιώντας την ενέργεια του σουκινυλ-CoA. Μετά τον σχηματισμό του ηλεκτρικού, η ηλεκτρική αφυδρογονάση (KF1.3.99.1), μια φλαβοπρωτεΐνη, έρχεται σε δράση, οδηγώντας σε φουμαρικό οξύ. Το FAD συνδέεται με το πρωτεϊνικό τμήμα του ενζύμου και είναι η μεταβολικά ενεργή μορφή της ριβοφλαβίνης (βιταμίνη Β2). Αυτό το ένζυμο χαρακτηρίζεται επίσης από απόλυτη στερεοειδικότητα στην αποβολή υδρογόνου. Η φουμαράση (EC4.2.1.2) διασφαλίζει την ισορροπία μεταξύ φουμαρικού οξέος και μηλικού οξέος (επίσης στερεοειδική), και η αφυδρογονάση μηλικού οξέος (μηλική αφυδρογονάση EC1.1.1.37, η οποία απαιτεί το συνένζυμο NAD +, είναι επίσης στερεοειδική) οδηγεί στην ολοκλήρωση του κύκλου του Krebs, δηλαδή στον σχηματισμό οξαλοξικού οξέος. Μετά από αυτό, η αντίδραση συμπύκνωσης του οξαλοξικού οξέος με το ακετυλο-CoA επαναλαμβάνεται, οδηγώντας στο σχηματισμό κιτρικού οξέος και ο κύκλος ξαναρχίζει.

Η ηλεκτρική αφυδρογονάση είναι μέρος του πιο πολύπλοκου συμπλόκου ηλεκτρικής αφυδρογονάσης (σύμπλεγμα II) της αναπνευστικής αλυσίδας, που παρέχει αναγωγικά ισοδύναμα (NAD-H2) που σχηματίζονται κατά την αντίδραση στην αναπνευστική αλυσίδα.

Χρησιμοποιώντας το παράδειγμα της PDHase, μπορείτε να εξοικειωθείτε με την αρχή της καταρράκτη ρύθμισης της μεταβολικής δραστηριότητας λόγω φωσφορυλίωσης-αποφωσφορυλίωσης του αντίστοιχου ενζύμου από ειδική κινάση και φωσφατάση PDHase. Και τα δύο είναι συνδεδεμένα στο PDGase.

ΚΥΚΛΟΣ ΤΡΙΚΑΡΒΟΞΥΛΙΚΩΝ ΟΞΕΩΝ

Υποτίθεται ότι η κατάλυση μεμονωμένων ενζυματικών αντιδράσεων πραγματοποιείται ως μέρος ενός υπερμοριακού «υπερσυμπλέγματος», του λεγόμενου «μεταβολισμού». Τα πλεονεκτήματα μιας τέτοιας οργάνωσης ενζύμων είναι ότι δεν υπάρχει διάχυση συμπαραγόντων (συνενζύμων και μεταλλικών ιόντων) και υποστρωμάτων, και αυτό συμβάλλει στην αποτελεσματικότερη λειτουργία του κύκλου.

Η ενεργειακή απόδοση των διαδικασιών που εξετάζονται είναι χαμηλή, ωστόσο, 3 mole NADH και 1 mole FADH2 που σχηματίζονται κατά την οξείδωση του πυροσταφυλικού και τις επακόλουθες αντιδράσεις του κύκλου Krebs είναι σημαντικά προϊόντα οξειδωτικών μετασχηματισμών. Η περαιτέρω οξείδωσή τους πραγματοποιείται από ένζυμα της αναπνευστικής αλυσίδας επίσης στα μιτοχόνδρια και σχετίζεται με φωσφορυλίωση, δηλ. ο σχηματισμός ΑΤΡ λόγω εστεροποίησης (σχηματισμός οργανοφωσφορικών εστέρων) ορυκτών φωσφορικών. Η γλυκόλυση, η ενζυματική δράση της PDHase και ο κύκλος του Krebs - συνολικά 19 αντιδράσεις - καθορίζουν την πλήρη οξείδωση ενός μορίου γλυκόζης σε 6 μόρια CO2 με το σχηματισμό 38 μορίων ATP - αυτό το «ενεργειακό νόμισμα» του κυττάρου. Η διαδικασία οξείδωσης του NADH και του FADH2 από ένζυμα της αναπνευστικής αλυσίδας είναι ενεργειακά πολύ αποτελεσματική, λαμβάνει χώρα χρησιμοποιώντας ατμοσφαιρικό οξυγόνο, οδηγεί στο σχηματισμό νερού και χρησιμεύει ως η κύρια πηγή ενεργειακών πόρων του κυττάρου (πάνω από 90%). Ωστόσο, τα ένζυμα του κύκλου του Krebs δεν εμπλέκονται στην άμεση εφαρμογή του. Κάθε ανθρώπινο κύτταρο έχει από 100 έως 1000 μιτοχόνδρια, τα οποία παρέχουν ζωτική ενέργεια.

Η βάση της λειτουργίας ενσωμάτωσης του κύκλου του Krebs στον μεταβολισμό είναι ότι οι υδατάνθρακες, τα λίπη και τα αμινοξέα από τις πρωτεΐνες μπορούν τελικά να μετατραπούν σε ενδιάμεσα (ενδιάμεσα) αυτού του κύκλου ή να συντεθούν από αυτά. Η απομάκρυνση των ενδιάμεσων από τον κύκλο κατά τον αναβολισμό πρέπει να συνδυάζεται με τη συνέχιση της καταβολικής δραστηριότητας του κύκλου για τον σταθερό σχηματισμό της απαραίτητης για τη βιοσύνθεση ΑΤΡ. Έτσι, ο βρόχος πρέπει να εκτελεί δύο λειτουργίες ταυτόχρονα. Ταυτόχρονα, η συγκέντρωση των ενδιάμεσων (ειδικά της ΟΑ) μπορεί να μειωθεί, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε επικίνδυνη μείωση της παραγωγής ενέργειας. Για να αποφευχθεί αυτό, υπάρχουν «βαλβίδες ασφαλείας» που ονομάζονται αναπλερωτικές αντιδράσεις (από το ελληνικό «για να γεμίσω»). Η πιο σημαντική αντίδραση είναι η σύνθεση ΟΑ από πυροσταφυλικό, που πραγματοποιείται από πυροσταφυλική καρβοξυλάση (EC6.4.1.1), επίσης εντοπισμένη στα μιτοχόνδρια. Ως αποτέλεσμα, συσσωρεύεται μεγάλη ποσότητα ΟΑ, η οποία εξασφαλίζει τη σύνθεση κιτρικών και άλλων ενδιάμεσων, η οποία επιτρέπει στον κύκλο του Krebs να λειτουργεί κανονικά και, ταυτόχρονα, εξασφαλίζει την απομάκρυνση των ενδιάμεσων στο κυτταρόπλασμα για επακόλουθη βιοσύνθεση. Έτσι, στο επίπεδο του κύκλου του Krebs, λαμβάνει χώρα μια αποτελεσματικά συντονισμένη ενοποίηση των διαδικασιών του αναβολισμού και του καταβολισμού υπό την επίδραση πολυάριθμων και λεπτών ρυθμιστικών μηχανισμών, συμπεριλαμβανομένων των ορμονικών.

Υπό αναερόβιες συνθήκες, αντί του κύκλου Krebs, ο οξειδωτικός κλάδος του λειτουργεί σε KG (αντιδράσεις 1, 2, 3) και ο αναγωγικός του κλάδος λειτουργεί από την ΟΑ στο ηλεκτρικό (αντιδράσεις 8®7®6). Σε αυτή την περίπτωση, πολλή ενέργεια δεν αποθηκεύεται και ο κύκλος παρέχει μόνο ενδιάμεσα για την κυτταρική σύνθεση.

Όταν το σώμα μεταβαίνει από την ηρεμία στη δραστηριότητα, προκύπτει η ανάγκη κινητοποίησης της ενέργειας και των μεταβολικών διεργασιών. Αυτό, ειδικότερα, επιτυγχάνεται στα ζώα με τη διαφυγή των πιο αργών αντιδράσεων (1–3) και την κυρίαρχη οξείδωση του ηλεκτρικού. Σε αυτή την περίπτωση, το KG, το αρχικό υπόστρωμα του συντομευμένου κύκλου Krebs, σχηματίζεται στην ταχεία αντίδραση τρανσαμίνωσης (μεταφορά ομάδας αμίνης)

Γλουταμινικό + ΟΑ = CG + ασπαρτικό

Μια άλλη τροποποίηση του κύκλου του Krebs (η λεγόμενη 4-αμινοβουτυρική παροχέτευση) είναι η μετατροπή του KG σε ηλεκτρικό μέσω γλουταμινικού, 4-αμινοβουτυρικού και ηλεκτρικού ημιαλδεΰδης (3-φορμυλοπροπιονικό οξύ). Αυτή η τροποποίηση είναι σημαντική στον εγκεφαλικό ιστό, όπου περίπου το 10% της γλυκόζης διασπάται μέσω αυτής της οδού.

Η στενή σύζευξη του κύκλου του Krebs με την αναπνευστική αλυσίδα, ειδικά στα μιτοχόνδρια των ζώων, καθώς και η αναστολή των περισσότερων ενζύμων του κύκλου υπό την επίδραση του ATP, καθορίζουν τη μείωση της δραστηριότητας του κύκλου σε υψηλό δυναμικό φωσφορυλίου του κύτταρο, δηλ. σε υψηλή αναλογία συγκέντρωσης ATP/ADP. Στα περισσότερα φυτά, βακτήρια και πολλούς μύκητες, η στενή σύζευξη ξεπερνιέται με την ανάπτυξη μη συζευγμένων εναλλακτικών οδών οξείδωσης, οι οποίες επιτρέπουν τη διατήρηση της ταυτόχρονης αναπνοής και της δραστηριότητας του κύκλου σε υψηλό επίπεδο ακόμη και σε υψηλό δυναμικό φωσφορυλίου.

Ιγκόρ Ραπάνοβιτς

ΚΥΚΛΟΣ ΤΡΙΚΑΡΒΟΞΥΛΙΚΩΝ ΟΞΕΩΝ

προηγούμενος

← 1 2 3 επόμενο

Βιβλιογραφία

Strayer L. Βιοχημεία. Ανά. από τα Αγγλικά Μ., Μιρ, 1985

Bohinski R. Σύγχρονες απόψεις στη βιοχημεία. Μετάφραση από τα αγγλικά, M., Mir, 1987

Knorre D.G., Myzina S.D. Βιολογική χημεία. Μ., Ανώτατο Σχολείο, 2003

Kolman J., Rem K.-G. Οπτική βιοχημεία. Μ., Μιρ, 2004

Σύντομες ιστορικές πληροφορίες

Ο αγαπημένος μας κύκλος είναι ο κύκλος TCA, ή ο κύκλος του τρικαρβοξυλικού οξέος - ζωή στη Γη και κάτω από τη Γη και στη Γη... Σταματήστε, γενικά αυτός είναι ο πιο εκπληκτικός μηχανισμός - είναι παγκόσμιος, είναι ένας τρόπος οξείδωσης του προϊόντα διάσπασης υδατανθράκων, λιπών, πρωτεϊνών στα κύτταρα των ζωντανών οργανισμών, με αποτέλεσμα να παίρνουμε ενέργεια για τις δραστηριότητες του σώματός μας.

Αυτή τη διαδικασία ανακάλυψε ο ίδιος ο Χανς Κρεμπς, για τον οποίο έλαβε το βραβείο Νόμπελ!

Γεννήθηκε στις 25 Αυγούστου - 1900 στη γερμανική πόλη Χιλντεσχάιμ. Έλαβε ιατρική εκπαίδευση από το Πανεπιστήμιο του Αμβούργου και συνέχισε τη βιοχημική έρευνα υπό την ηγεσία του Otto Warburg στο Βερολίνο.

Το 1930, μαζί με τον μαθητή του, ανακάλυψε τη διαδικασία εξουδετέρωσης της αμμωνίας στο σώμα, η οποία υπήρχε σε πολλούς εκπροσώπους του ζωντανού κόσμου, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Αυτός ο κύκλος είναι ο κύκλος της ουρίας, ο οποίος είναι επίσης γνωστός ως κύκλος Krebs #1.

Όταν ο Χίτλερ ανέβηκε στην εξουσία, ο Χανς μετανάστευσε στη Μεγάλη Βρετανία, όπου συνεχίζει να σπουδάζει επιστήμες στα Πανεπιστήμια του Κέμπριτζ και του Σέφιλντ. Αναπτύσσοντας την έρευνα του Ούγγρου βιοχημικού Albert Szent-Györgyi, έλαβε μια εικόνα και έφτιαξε τον πιο διάσημο κύκλο του Krebs Νο. 2, ή με άλλα λόγια, τον «κύκλο Szent-Györgyö – Krebs» - 1937.

Τα αποτελέσματα της έρευνας αποστέλλονται στο περιοδικό Nature, το οποίο αρνείται να δημοσιεύσει το άρθρο. Στη συνέχεια το κείμενο πετάει στο περιοδικό «Enzymologia» στην Ολλανδία. Ο Κρεμπς έλαβε το βραβείο Νόμπελ το 1953 στη φυσιολογία ή την ιατρική.

Η ανακάλυψη ήταν εκπληκτική: το 1935 ο Szent-Györgyi διαπίστωσε ότι το ηλεκτρικό, το οξαλοξικό, το φουμαρικό και το μηλικό οξύ (και τα 4 οξέα είναι φυσικά χημικά συστατικά των ζωικών κυττάρων) ενισχύουν τη διαδικασία οξείδωσης στον θωρακικό μυ του περιστεριού. Το οποίο τεμαχίστηκε.

Είναι σε αυτό που οι μεταβολικές διεργασίες συμβαίνουν με την υψηλότερη ταχύτητα.

Οι F. Knoop και K. Martius το 1937 διαπίστωσαν ότι το κιτρικό οξύ μετατρέπεται σε ισοκιτρικό οξύ μέσω ενός ενδιάμεσου προϊόντος, του cis - ακονιτικού οξέος. Επιπλέον, το ισοκιτρικό οξύ θα μπορούσε να μετατραπεί σε α-κετογλουταρικό οξύ και αυτό σε ηλεκτρικό οξύ.

Ο Krebs παρατήρησε την επίδραση των οξέων στην απορρόφηση του O2 από τον θωρακικό μυ ενός περιστεριού και εντόπισε μια ενεργοποιητική επίδραση στην οξείδωση του PVC και στο σχηματισμό του ακετυλο-συνενζύμου Α. Επιπλέον, οι διεργασίες στον μυ αναστέλλονταν από το μηλονικό οξύ , το οποίο είναι παρόμοιο με το ηλεκτρικό οξύ και θα μπορούσε να αναστείλει ανταγωνιστικά ένζυμα των οποίων το υπόστρωμα είναι το ηλεκτρικό οξύ.

Όταν ο Krebs πρόσθεσε μηλονικό οξύ στο μέσο αντίδρασης, άρχισε η συσσώρευση α-κετογλουταρικού, κιτρικού και ηλεκτρικού οξέος. Έτσι, είναι σαφές ότι η συνδυασμένη δράση α-κετογλουταρικού και κιτρικού οξέος οδηγεί στον σχηματισμό ηλεκτρικού οξέος.

Ο Χανς εξέτασε περισσότερες από 20 άλλες ουσίες, αλλά δεν επηρέασαν την οξείδωση. Συγκρίνοντας τα δεδομένα που ελήφθησαν, ο Krebs έλαβε έναν κύκλο. Στην αρχή, ο ερευνητής δεν μπορούσε να πει με βεβαιότητα εάν η διαδικασία ξεκίνησε με κιτρικό ή ισοκιτρικό οξύ, γι' αυτό το ονόμασε «κύκλο τρικαρβοξυλικού οξέος».

Τώρα ξέρουμε ότι το πρώτο είναι κιτρικό οξύ, επομένως το σωστό όνομα είναι ο κύκλος κιτρικού οξέος ή ο κύκλος του κιτρικού οξέος.

Στους ευκαρυώτες, οι αντιδράσεις του κύκλου TCA συμβαίνουν στα μιτοχόνδρια, ενώ όλα τα ένζυμα για κατάλυση, εκτός από 1, περιέχονται σε ελεύθερη κατάσταση στη μιτοχονδριακή μήτρα· η εξαίρεση είναι η ηλεκτρική αφυδρογονάση, η οποία εντοπίζεται στην εσωτερική μεμβράνη του μιτοχονδρίου και είναι ενσωματωμένη σε τη λιπιδική διπλοστιβάδα. Στα προκαρυωτικά, οι αντιδράσεις του κύκλου συμβαίνουν στο κυτταρόπλασμα.

Ας γνωρίσουμε τους συμμετέχοντες του κύκλου:

2) PIKE – Οξαλοοξικό – Οξαλοοξικό οξύ:
φαίνεται να αποτελείται από δύο μέρη: οξαλικό και οξικό οξύ.

3-4) Κιτρικό και ισοσιτρικό οξύ:

5) α-κετογλουταρικό οξύ:

6) Ηλεκτρονυλο-συνένζυμο Α:

7) Ηλεκτρικό οξύ:

8) Φουμαρικό οξύ:

9) Μηλικό οξύ:

Πώς συμβαίνουν οι αντιδράσεις; Γενικά όλοι μας έχουμε συνηθίσει στην εμφάνιση του δαχτυλιδιού που φαίνεται παρακάτω στην εικόνα. Παρακάτω περιγράφονται όλα βήμα-βήμα:

1. Συμπύκνωση Ακετυλο Συνενζύμου Α και Οξαλοοξικό οξύ ➙ κιτρικό οξύ.

Ο μετασχηματισμός του ακετυλοσυνενζύμου Α ξεκινά με συμπύκνωση με οξαλοξικό οξύ, με αποτέλεσμα το σχηματισμό κιτρικού οξέος.

Η αντίδραση δεν απαιτεί την κατανάλωση ATP, καθώς η ενέργεια για αυτή τη διαδικασία παρέχεται ως αποτέλεσμα της υδρόλυσης του δεσμού θειοαιθέρα με το ακετυλο συνένζυμο Α, το οποίο είναι υψηλής ενέργειας:

2. Το κιτρικό οξύ περνά μέσω του cis-ακονιτικού οξέος στο ισοκιτρικό οξύ.

Γίνεται ισομερισμός του κιτρικού οξέος σε ισοκιτρικό οξύ. Το ένζυμο μετατροπής - ακονιτάση - αφυδατώνει πρώτα το κιτρικό οξύ για να σχηματίσει cis-ακονιτικό οξύ, στη συνέχεια συνδέει το νερό με τον διπλό δεσμό του μεταβολίτη, σχηματίζοντας ισοκιτρικό οξύ:

3. Το ισοσιτρικό οξύ αφυδρογονώνεται για να σχηματίσει α-κετογλουταρικό οξύ και CO2.

Το ισοσιτρικό οξύ οξειδώνεται από μια ειδική αφυδρογονάση, το συνένζυμο της οποίας είναι το NAD.

Ταυτόχρονα με την οξείδωση, λαμβάνει χώρα αποκαρβοξυλίωση του ισοκιτρικού οξέος. Ως αποτέλεσμα μετασχηματισμών, σχηματίζεται α-κετογλουταρικό οξύ.

4. Το άλφα-κετογλουταρικό οξύ αφυδρογονώνεται από ➙ ηλεκτρυλο-συνένζυμο Α και CO2.

Το επόμενο στάδιο είναι η οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του α-κετογλουταρικού οξέος.

Καταλύεται από το σύμπλεγμα αφυδρογονάσης α-κετογλουταρικής, το οποίο είναι παρόμοιο σε μηχανισμό, δομή και δράση με το σύμπλοκο αφυδρογονάσης πυροσταφυλικού. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται succinyl-CoA.

5. Ηλεκτρικό συνένζυμο Α ➙ ηλεκτρικό οξύ.

Το succinyl-CoA υδρολύεται σε ελεύθερο ηλεκτρικό οξύ, η ενέργεια που απελευθερώνεται αποθηκεύεται με το σχηματισμό τριφωσφορικής γουανοσίνης. Αυτό το στάδιο είναι το μόνο στον κύκλο κατά το οποίο απελευθερώνεται άμεσα ενέργεια.

6. Το ηλεκτρικό οξύ αφυδρογονώνεται ➙ φουμαρικό οξύ.

Η αφυδρογόνωση του ηλεκτρικού οξέος επιταχύνεται από την ηλεκτρική αφυδρογονάση, το συνένζυμο του είναι το FAD.

7. Το φουμαρικό οξύ είναι ενυδατωμένο ➙ μηλικό οξύ.

Το φουμαρικό οξύ, το οποίο σχηματίζεται με αφυδρογόνωση του ηλεκτρικού οξέος, ενυδατώνεται και σχηματίζεται μηλικό οξύ.

8. Το μηλικό οξύ αφυδρογονώνεται ➙ Οξαλικό-οξικό οξύ - ο κύκλος κλείνει.

Η τελική διαδικασία είναι η αφυδρογόνωση του μηλικού οξέος, που καταλύεται από τη μηλική αφυδρογονάση.

Το αποτέλεσμα του σταδίου είναι ο μεταβολίτης με τον οποίο ξεκινά ο κύκλος του τρικαρβοξυλικού οξέος - Οξαλικό-Οξικό οξύ.

Στην αντίδραση 1 του επόμενου κύκλου, θα εισέλθει μια άλλη ποσότητα Ακετυλο Συνενζύμου Α.

Πώς να θυμάστε αυτόν τον κύκλο; Μόλις!

2) Άλλο ένα μεγάλο ποίημα:

Ο PIKE έφαγε οξικό, αποδεικνύεται κιτρικό,
Μέσω του cisaconitate θα γίνει ισοκιτρικό.
Έχοντας δώσει το υδρογόνο στο NAD, χάνει CO2,
Το Alpha-ketoglutarate είναι εξαιρετικά χαρούμενο για αυτό.
Έρχεται οξείδωση - το NAD έκλεψε υδρογόνο,
Το TDP, το συνένζυμο Α παίρνει CO2.
Και η ενέργεια μόλις εμφανίστηκε στο succinyl,
Αμέσως γεννήθηκε το ATP και αυτό που έμεινε ήταν ηλεκτρικό.
Τώρα έφτασε στο FAD - χρειάζεται υδρογόνο,
Το φουμαρικό έπινε από το νερό και μετατράπηκε σε μηλικό.
Στη συνέχεια το NAD έφτασε στο μηλικό, απέκτησε υδρογόνο,
Η ΠΙΚΕ εμφανίστηκε ξανά και κρύφτηκε ήσυχα.

3) Το πρωτότυπο ποίημα - με λίγα λόγια:

PIKE ACETYL LIMONIL,
Αλλά το άλογο φοβόταν τον νάρκισσο,
Είναι από πάνω του ISOLIMON
ΑΛΦΑ - ΚΕΤΟΓΛΟΥΤΑΡΑΣΗ.
ΣΥΚΚΙΝΗΜΕΝΗ ΜΕ ΣΥΝΖΥΜΑ,
AMBER FUMAROVO,
Αποθήκευσα μερικά ΜΗΛΑ για το χειμώνα,
Μετατράπηκε ξανά σε PIKE.