Millises etapis toimub trikarboksüülhappe tsükkel? Trikarboksüülhappe tsükkel (Krebsi tsükkel). TCA tsükli metaboliitide kogumi täiendamine aminohapetest

4. Trikarboksüülhappe tsükkel

Üldise kataboolse raja teine ​​komponent on TCA tsükkel. Selle tsükli avastasid 1937. aastal Krebs ja Johnson. 1948. aastal tõestasid Kennedy ja Lehninger, et TCA tsükli ensüümid paiknevad mitokondriaalses maatriksis.

4.1. Trikarboksüülhappe tsükli keemia. Vaba äädikhapet ei saa dehüdrogeenimise teel oksüdeerida. Seetõttu on see aktiivsel kujul (atsetüül-CoA) eelnevalt seotud oksaloatsetaadiga (OA, oksaloäädikhape), mille tulemusena moodustub tsitraat.

1. Atsetüül-CoA ühineb oksaloatsetaadiga aldooli kondensatsioonireaktsioonis, mida katalüüsib tsitraadi süntaas. Moodustub tsitriil-CoA. Tsitriil-CoA hüdrolüüsitakse vee osalusel tsitraadiks ja HS-CoA-ks.

2. Akonitaathüdrataas (A conitasis) katalüüsib tsitraadi muundumist isotsitraadiks cis-akoniithappe etapi kaudu. Akonitaasi toimemehhanism on nii hüdrataas kui ka isomeraas.

3. Isotsitraatdehüdrogenaas katalüüsib isotsitrhappe dehüdrogeenimist oksalosuktsinaadiks (oksalosuktsiinhape), mis seejärel dekarboksüleeritakse 2-oksoglutaraadiks (α-ketoglutaraadiks). Koensüümiks on NAD+ (mitokondrites) ja NADP+ (tsütosoolis ja mitokondrites).

4. 2-oksoglutaraadi dehüdrogenaasi kompleks (α-ketoglutaraadi dehüdrogenaasi kompleks) katalüüsib 2-oksoglutaraadi oksüdatiivset dekarboksüülimist suktsinüül-CoA-ks. Multiensüüm 2-oksoglutaraadi dehüdrogenaas kompleks on sarnane püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksiga ja protsess kulgeb sarnaselt püruvaadi oksüdatiivse dekarboksüülimisega.

5. Suktsinüültiokinaas katalüüsib suktsinüül-CoA lõhustumist merevaikhappeks ja koensüümiks A. Suktsinüül-CoA lõhustumisest saadav energia talletatakse guanosiintrifosfaadi (GTP) kujul. Seotud refosforüülimise reaktsioonis fosforüülitakse ADP ATP-ks ja vabanenud GDP molekule saab uuesti fosforüülida ( substraadi fosforüülimine). Taimedes on ensüüm spetsiifiline ADP ja ATP suhtes.

6. Suktsinaatdehüdrogenaas katalüüsib suktsinaadi muutumist fumaarhappeks. Ensüüm on stereospetsiifiline, on lahutamatu valk, kuna see on integreeritud mitokondrite sisemembraani ja sisaldab proteesrühmadena FAD-i ja raud-väävlivalke. FADN 2 ei eraldata ensüümist ja kaks elektroni kantakse seejärel sisemise mitokondriaalse membraani elektronide transpordiahela koensüümi Q.

7.Fumaraathüdraas (fumaraas) katalüüsib vee osalusel fumaarhappe muutumist õunhappeks (malaadiks). Ensüüm on stereospetsiifiline, toodab ainult L-malaati.

8.Malaadi dehüdrogenaas katalüüsib õunhappe oksüdeerumist oksaloatsetaadiks. Malaatdehüdrogenaasi koensüüm - NAD +. Seejärel kondenseerub oksaloatsetaat uuesti atsetüül-CoA-ga ja tsükkel kordub.

4.2. Trikarboksüülhappe tsükli bioloogiline tähtsus ja reguleerimine. Trikarboksüülhappe tsükkel on osa üldisest kataboolsest rajast, mille käigus toimub süsivesikute, rasvhapete ja aminohapete kütusemolekulide oksüdatsioon. Enamik kütusemolekule siseneb TCA tsüklisse atsetüül-CoA kujul (joonis 1). Kõik TCA tsükli reaktsioonid kulgevad järjekindlalt ühes suunas. D G 0 ¢ koguväärtus = -40 kJ/mol.

Arstide seas on pikka aega olnud kõnelause: "Rasvad põlevad süsivesikute leekides." Selle all tuleb mõista atsetüül-CoA oksüdatsiooni, mille peamiseks allikaks on rasvhapete β-oksüdatsioon pärast kondenseerumist oksaloatsetaadiga, mis moodustub peamiselt süsivesikutest (püruvaadi karboksüülimise käigus). Süsivesikute ainevahetuse häirete või nälgimise korral tekib oksaloatsetaadi defitsiit, mis viib atsetüül-CoA oksüdatsiooni vähenemiseni TCA tsüklis.

Joonis 1. TCA tsükli roll rakulises hingamises. 1. etapp (TCA tsükkel) 8 elektroni eraldamine atsetüül-CoA molekulist; 2. etapp (elektronide transpordiahel) kahe hapnikumolekuli redutseerimine ja prootoni gradiendi moodustumine (~36 H +); 3. etapp (ATP süntaas) kasutab ATP (~9 ATP) moodustamiseks prootoni gradiendi energiat (Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L. Biochemistry. N-Y: W.H. Freeman and Company, 2002).

TCA tsükli peamist metaboolset rolli saab esitada kahe protsessi kujul: 1) redoksreaktsioonide jada, mille tulemusena atsetüülrühm oksüdeerub kaheks CO 2 molekuliks; 2) neljakordne dehüdrogeenimine, mis viib 3 molekuli NADH + H + ja 1 molekuli FADH 2 moodustumiseni. Hapnik on vajalik TCA tsükli toimimiseks kaudselt elektronide aktseptorina elektronide transpordiahelate lõpus ning NAD + ja FAD regenereerimiseks.

ATP süntees ja hüdrolüüs on TCA tsükli reguleerimisel esmatähtis.

1. ADP aktiveerib isotsitraatdehüdrogenaasi allosteeriliselt, suurendades ensüümi afiinsust substraadi suhtes. NADH inhibeerib seda ensüümi, asendades NAD+. ATP inhibeerib ka isotsitraadi dehüdrogenaasi. On oluline, et metaboliitide muundumine TCA tsüklisse nõuab mitmes etapis NAD + ja FAD, mille kogus on piisav ainult madala energialaengu tingimustes.

2. 2-oksoglutaraatdehüdrogenaasi (α-ketoglutaraatdehüdrogenaasi) kompleksi aktiivsust reguleeritakse sarnaselt püruvaatdehüdrogenaasi kompleksi regulatsiooniga. . Seda kompleksi inhibeerivad suktsinüül-CoA ja NADH (2-oksoglutaraadi dehüdrogenaasi kompleksi poolt katalüüsitavate transformatsioonide lõpp-produktid). Lisaks pärsib 2-oksoglutaraadi dehüdrogenaasi kompleksi raku kõrge energialaeng. Seega väheneb TCA-tsükliks transformeerumise kiirus, kui rakku on piisavalt ATP-d (joonis 11.2). Paljudes bakterites inhibeerib ATP allosteeriliselt tsitraadi süntaasi, suurendades atsetüül-CoA Km.

Üldise kataboolse raja reguleerimisskeem on toodud joonisel 2.

Riis. 2. Katabolismi üldise raja reguleerimine. Peamised molekulid, mis reguleerivad TCA tsükli toimimist, on ATP ja NADH. Põhilised reguleerimispunktid on isotsitraatdehüdrogenaas ja 2-oksoglutaraatdehüdrogenaasi kompleks.

4.3. Ühise kataboolse raja energeetiline roll

Katabolismi üldisel teel moodustub 1 püroviinamarihappe molekulist 3 molekuli CO 2 järgmistes reaktsioonides: püroviinamarihappe oksüdatiivsel dekarboksüleerimisel, isotsitrhappe dekarboksüleerimisel ja 2-oksoglutaarhappe dekarboksüleerimisel. Kokku eemaldatakse 1 püroviinamarihappe molekuli oksüdeerimise ajal viis paari vesinikuaatomeid, millest üks paar on suktsinaadist ja läheb FAD-i koos FADH 2 moodustumisega ning neli paari võetakse 4 NAD + molekuli. 4 NADH + H + molekuli moodustumisega püroviinamarihappe, 2-oksoglutaarhapete oksüdatiivse dekarboksüülimise, isotsitraadi ja malaadi dehüdrogeenimise käigus. Lõppkokkuvõttes viiakse vesinikuaatomid üle hapnikku, moodustades 5 H2O molekuli ja vabanenud energia akumuleerub oksüdatiivsetes fosforüülimisreaktsioonides ATP molekulide kujul.

Kogusumma:

1. Püruvaadi ~ 2,5 ATP oksüdatiivne dekarboksüülimine.

2. TCA tsüklis ja sellega seotud hingamisahelates on ~9 ATP-d.

3. TCA tsükli substraadi fosforüülimise reaktsioonis ~ 1 ATP.

TCA tsüklis ja sellega seotud oksüdatiivse fosforüülimise reaktsioonides moodustub ühe atsetüül-CoA molekuli atsetüülrühma oksüdatsiooni käigus ligikaudu 10 ATP-d.

Kokku vabaneb katabolismi üldisel teel 1 püroviinamarihappe molekuli muundamise tulemusena ligikaudu 12,5 molekuli ATP-d.

Rääkisin sellest, mis see tegelikult on, miks Krebsi tsüklit vaja on ja mis koha see ainevahetuses hõivab. Läheme nüüd selle tsükli reaktsioonide juurde.

Teen kohe broneeringu – minu jaoks isiklikult oli reaktsioonide päheõppimine täiesti mõttetu tegevus, kuni ma ülaltoodud küsimused ära sorteerisin. Aga kui olete teooriast juba aru saanud, soovitan liikuda edasi praktika juurde.

Krebsi tsükli kirjutamiseks näete palju võimalusi. Kõige tavalisemad valikud on midagi sellist:

Kuid mulle tundus kõige mugavam viis, kuidas kirjutada reaktsioone autorite T. T. Berezovi vanast heast biokeemia õpikust. ja Korovkina B.V.

Esimene reaktsioon

Juba tuttavad atsetüül-CoA ja oksaloatsetaat ühinevad ja muutuvad tsitraadiks, st sidrunhape.

Teine reaktsioon

Nüüd võtame sidrunhappe ja keerame seda isotsitrhape. Selle aine teine ​​nimi on isotsitraat.

Tegelikult on see reaktsioon mõnevõrra keerulisem, läbi vahepealse etapi - cis-akoniithappe moodustumise. Kuid otsustasin seda lihtsustada, et see teile paremini meelde jääks. Vajadusel saate siia lisada puuduva sammu, kui kõik muu meelde tuleb.

Sisuliselt vahetasid kaks funktsionaalrühma lihtsalt kohad.

Kolmas reaktsioon

Niisiis, meil on isotsitrhape. Nüüd tuleb see dekarboksüülida (see tähendab, et COOH eemaldatakse) ja dehüdrogeenida (see tähendab, et H eemaldatakse). Saadud aine on a-ketoglutaraat.

See reaktsioon on märkimisväärne HADH 2 kompleksi moodustumisel. See tähendab, et NAD transporter kogub hingamisahela käivitamiseks vesinikku.

Mulle meeldib Berezovi ja Korovkini õpikus toodud versioon Krebsi tsükli reaktsioonidest just seetõttu, et reaktsioonides osalevad aatomid ja funktsionaalrühmad on kohe selgelt nähtavad.

Neljas reaktsioon

Jällegi, nikotiini amiid-adeniini dinukleotiid töötab nagu kellavärk, see tähendab ÜLAL. See kena kandja tuleb siia, nagu ka viimases etapis, haarama vesinikku ja kandma seda hingamisahelasse.

Muide, saadud aine on suktsinüül-CoA, ei tohiks teid hirmutada. Suktsinaat on merevaikhappe teine ​​nimetus, mis on teile tuttav bioorgaanilise keemia päevilt. Succinyl-Coa on merevaikhappe ja koensüüm-A ühend. Võime öelda, et see on merevaikhappe ester.

Viies reaktsioon

Eelmises etapis ütlesime, et suktsinüül-CoA on merevaikhappe ester. Ja nüüd saame sama merevaikhape st suktsinaat, suktsinüül-CoA-st. Äärmiselt oluline punkt: see on selles reaktsioonis substraadi fosforüülimine.

Fosforüülimine üldiselt (see võib olla oksüdatiivne ja substraat) on fosforirühma PO 3 lisamine GDP-le või ATP-le, et saada täielikku GTF või vastavalt ATP. Substraat erineb selle poolest, et see sama fosforirühm rebitakse ära igast seda sisaldavast ainest. Lihtsamalt öeldes kantakse see SUBSTRATE'ilt HDF-i või ADP-sse. Sellepärast nimetatakse seda "substraadi fosforüülimiseks".

Veel kord: substraadi fosforüülimise alguses on meil difosfaadi molekul - guanosiindifosfaat või adenosiindifosfaat. Fosforüülimine seisneb selles, et kahe fosforhappejäägiga molekul – HDP või ADP – „lõpetatakse” kolme fosforhappejäägiga molekuliks, et saada guanosiin-trifosfaat või adenosiin-TRIfosfaat. See protsess toimub suktsinüül-CoA muundamisel suktsinaadiks (st merevaikhappeks).

Diagrammil näete tähti F (n). See tähendab "anorgaanilist fosfaati". Anorgaaniline fosfaat kantakse substraadist HDP-sse, nii et reaktsioonisaadused sisaldavad head, täielikku GTP-d. Vaatame nüüd reaktsiooni ennast:

Kuues reaktsioon

Järgmine transformatsioon. Seekord muutub merevaikhape, mille saime viimases etapis fumaraat, pange tähele uut kaksiksidet.

Diagramm näitab selgelt, kuidas see reaktsioonis osaleb FAD: See väsimatu prootonite ja elektronide kandja kogub vesinikku ja tõmbab selle otse hingamisahelasse.

Seitsmes reaktsioon

Oleme juba lõpusirgel. Krebsi tsükli eelviimane etapp on reaktsioon, mis muudab fumaraadi L-malaadiks. L-malaat on teine ​​nimi L-õunhape, tuttav bioorgaanilise keemia kursuselt.

Kui vaatate reaktsiooni ennast, näete, et esiteks on see mõlemas suunas ja teiseks on selle olemus hüdratsioon. See tähendab, et fumaraat lihtsalt seob enda külge veemolekuli, mille tulemuseks on L-õunhape.

Kaheksas reaktsioon

Krebsi tsükli viimane reaktsioon on L-õunhappe oksüdeerimine oksaloatsetaadiks, st. oksaloäädikhape. Nagu te mõistate, on "oksaloatsetaat" ja "oksaloäädikhape" sünonüümid. Tõenäoliselt mäletate, et oksaloäädikhape on Krebsi tsükli esimese reaktsiooni komponent.

Siinkohal märgime reaktsiooni eripära: NADH 2 moodustumine, mis viib elektronid hingamisahelasse. Ärge unustage ka reaktsioone 3,4 ja 6, seal tekivad ka hingamisahela elektronide ja prootonite kandjad.

Nagu näete, tõstsin punasega konkreetselt esile reaktsioonid, mille käigus moodustuvad NADH ja FADH2. Need on hingamisahela jaoks väga olulised ained. Tõstasin rohelisega esile reaktsiooni, milles toimub substraadi fosforüülimine ja GTP tootmine.

Kuidas seda kõike meeles pidada?

Tegelikult pole see nii raske. Pärast minu kahe artikli, samuti õpiku ja loengute täielikku lugemist peate lihtsalt harjutama nende reaktsioonide kirjutamist. Soovitan meeles pidada Krebsi tsüklit 4 reaktsiooni plokkidena. Kirjutage need 4 reaktsiooni mitu korda, valides igaühe jaoks oma mälule sobiva seose.

Näiteks jäi mulle kohe väga kergesti meelde teine ​​reaktsioon, kus sidrunhappest tekib isotsitrhape (mis on vist kõigile tuttav lapsepõlvest).

Võite kasutada ka mnemoonikaid, näiteks: " Terve ananass ja tükk sufleet on tegelikult minu tänane lõunasöök, mis vastab seeriale - tsitraat, cis-akonitaat, isotsitraat, alfa-ketoglutaraat, suktsinüül-CoA, suktsinaat, fumaraat, malaat, oksaloatsetaat." Selliseid on hunnik veel.

Aga ausalt öeldes ei meeldinud mulle sellised luuletused peaaegu kunagi. Minu arvates on reaktsioonide jada ise lihtsam meeles pidada. Mind aitas palju Krebsi tsükli jagamine kaheks osaks, millest kummaski harjutasin kirjutamist mitu korda tunnis. Reeglina juhtus see sellistes tundides nagu psühholoogia või bioeetika. See on väga mugav – ilma, et teid loengust segataks, võite kulutada sõna otseses mõttes minuti, et kirjutada reaktsioone nii, nagu need teile meenub, ja seejärel kontrollida neid õige valikuga.

Muide, mõnes ülikoolis ei nõua õpetajad biokeemia testide ja eksamite ajal reaktsioonide endi tundmist. Peate lihtsalt teadma, mis on Krebsi tsükkel, kus see toimub, millised on selle omadused ja tähendus ning loomulikult ka transformatsioonide ahel ise. Ainult ahelat saab nimetada ilma valemiteta, kasutades ainult ainete nimetusi. See lähenemine ei ole minu arvates mõttetu.

Loodan, et minu TCA tsükli juhend on teile abiks olnud. Ja ma tahan teile meelde tuletada, et need kaks artiklit ei asenda täielikult teie loenguid ja õpikuid. Kirjutasin need ainult selleks, et saaksite umbkaudu aru, mis Krebsi tsükkel on. Kui näete minu juhendis äkki mõnda viga, kirjutage sellest kommentaarides. Täname tähelepanu eest!

Trikarboksüülhappe tsükli avastas 1937. aastal G. Krebs. Sellega seoses nimetati seda "Krebsi tsükliks". See protsess on ainevahetuse keskne rada. See esineb organismide rakkudes evolutsioonilise arengu erinevatel etappidel (mikroorganismid, taimed, loomad).

Trikarboksüülhappe tsükli esialgne substraat on atsetüülkoensüüm A. See metaboliit on äädikhappe aktiivne vorm. Äädikhape toimib peaaegu kõigi elusorganismide rakkudes sisalduvate orgaaniliste ainete tavalise vaheproduktina. Seda seetõttu, et orgaanilised molekulid on süsinikuühendid, mis võivad looduslikult laguneda kahe süsiniku äädikhappe ühikuteks.

Vabal äädikhappel on suhteliselt nõrk reaktsioonivõime. Selle transformatsioonid toimuvad üsna karmides tingimustes, mis on elusrakus ebareaalsed. Seetõttu aktiveeritakse äädikhape rakkudes, ühendades selle koensüümiga A. Selle tulemusena moodustub äädikhappe metaboolselt aktiivne vorm - atsetüül-koensüüm A.

Koensüüm A on madala molekulmassiga ühend, mis koosneb fosfoadenosiinist, pantoteenhappe jäägist (vitamiin B3) ja tioetanoolamiinist. Äädikhappe jääk lisatakse tioetanoolamiini sulfhüdrüülrühmale. Sel juhul moodustub tioeeter - atsetüül-koensüüm A, mis on Krebsi tsükli esialgne substraat.

Atsetüülkoensüüm A

Vahesaaduste muundamise diagramm Krebsi tsüklis on näidatud joonisel fig. 67. Protsess algab atsetüülkoensüümi A kondenseerumisega oksaloatsetaadiga (oksaloäädikhape, OCA), mille tulemusena moodustub sidrunhape (tsitraat). Reaktsiooni katalüüsib ensüüm tsitraadi süntaas.

Joonis 67 – Vahesaaduste muundumise skeem tsüklis

trikarboksüülhapped

Lisaks muudetakse sidrunhape ensüümi akonitaas toimel isotsitrhappeks. Isotsiinhape läbib oksüdatsiooni- ja dekarboksüülimisprotsesse. Selles reaktsioonis, mida katalüüsib ensüüm NAD-sõltuv isotsitraatdehüdrogenaas, on saadusteks süsinikdioksiid, redutseeritud NAD ja a-ketoglutaarhape, mis seejärel osaleb oksüdatiivse dekarboksüülimise protsessis (joonis 68).

Joonis 68 – a-ketoglutaarhappe moodustumine Krebsi tsüklis

A-ketoglutaraadi oksüdatiivse dekarboksüülimise protsessi katalüüsivad a-ketoglutaraadi dehüdrogenaasi multiensüümikompleksi ensüümid. See kompleks koosneb kolmest erinevast ensüümist, mis vajab toimimiseks koensüüme. A-keto-glutaraadi dehüdrogenaasi kompleksi koensüümid hõlmavad järgmisi vees lahustuvaid vitamiine:

· vitamiin B 1 (tiamiin) – tiamiinpürofosfaat;

· vitamiin B 2 (riboflaviin) – FAD;

· vitamiin B 3 (pantoteenhape) – koensüüm A;

· vitamiin B 5 (nikotiinamiid) – NAD;

· vitamiinitaoline aine – lipoehape.

Skemaatiliselt võib a-keto-glutaarhappe oksüdatiivse dekarboksüülimise protsessi kujutada järgmise tasakaalureaktsiooni võrrandina:

Selle protsessi saadus on merevaikhappe jäägi (suktsinaadi) tioester koensüüm A-suktsinüül-koensüüm A-ga. Suktsinüül-koensüümi A tioesterside on makroergiline.

Krebsi tsükli järgmine reaktsioon on substraadi fosforüülimise protsess. Selles hüdrolüüsitakse suktsinüül-koensüümi A tioesterside ensüümi suktsinüül-CoA süntetaasi toimel, moodustades merevaikhappe (suktsinaadi) ja vaba koensüümi A. Selle protsessiga kaasneb energia vabanemine, mis koheselt vabaneb. kasutatakse HDP fosforüülimiseks, mille tulemusena moodustub kõrge energiaga molekul GTP fosfaat. Substraadi fosforüülimine Krebsi tsüklis:

kus Fn on ortofosforhape.

Oksüdatiivse fosforüülimise käigus tekkivat GTP-d saab kasutada energiaallikana erinevates energiasõltuvates reaktsioonides (valkude biosünteesi protsessis, rasvhapete aktivatsioonis jne). Lisaks saab GTP-d kasutada ATP genereerimiseks nukleosiiddifosfaatkinaasi reaktsioonis

Suktsinüül-CoA süntetaasi reaktsiooni produkt suktsinaat oksüdeeritakse edasi ensüümi suktsinaatdehüdrogenaasi osalusel. See ensüüm on flaviindehüdrogenaas, mis sisaldab koensüümina (proteesirühma) FAD-molekuli. Reaktsiooni tulemusena oksüdeeritakse merevaikhape fumaarhappeks. Samal ajal taastatakse FAD.

kus E on ensüümi polüpeptiidahelaga seotud FAD proteesrühm.

Suktsinaadi dehüdrogenaasi reaktsioonis moodustunud fumaarhape kinnitub ensüümi fumaraas (joonis 69) toimel veemolekuli ja muundatakse õunhappeks, mis seejärel oksüdeerub malaadi dehüdrogenaasi reaktsioonis oksaloäädikhappeks (oksaloatsetaadiks). Viimast saab uuesti kasutada tsitraadi süntaasi reaktsioonis sidrunhappe sünteesiks (joonis 67). Tänu sellele on Krebsi tsükli transformatsioonid olemuselt tsüklilised.

Joonis 69 – õunhappe metabolism Krebsi tsüklis

Krebsi tsükli tasakaaluvõrrandit saab esitada järgmiselt:

See näitab, et tsüklis toimub atsetüülkoensüümi A jäägi atsetüülradikaali täielik oksüdatsioon kaheks CO 2 molekuliks. Selle protsessiga kaasneb kolme redutseeritud NAD molekuli, ühe redutseeritud FAD molekuli ja ühe suure energiaga fosfaadi molekuli - GTP moodustumine.

Krebsi tsükkel toimub mitokondriaalses maatriksis. See on tingitud asjaolust, et siin asub enamik selle ensüüme. Ja ainult üks ensüüm, suktsinaatdehüdrogenaas, on ehitatud mitokondriaalsesse membraani. Trikarboksüülhappe tsükli üksikud ensüümid ühendatakse funktsionaalseks multiensüümikompleksiks (metabolon), mis on seotud sisemise mitokondriaalse membraani sisepinnaga. Ensüümide kombineerimisel metabolooniks suureneb oluliselt selle metaboolse raja toimimise efektiivsus ja tekivad täiendavad võimalused selle peenreguleerimiseks.

Trikarboksüülhappe tsükli reguleerimise tunnused on suuresti määratud selle olulisusega. See protsess täidab järgmisi funktsioone:

1) energiat. Krebsi tsükkel on kudede hingamise jaoks kõige võimsam substraatide (vähendatud koensüümide – NAD ja FAD) allikas. Lisaks talletatakse selles energiat kõrge energiasisaldusega fosfaadi - GTP kujul;

2) plastist. Krebsi tsükli vaheproduktid on erinevate orgaaniliste ainete klasside - aminohapete, monosahhariidide, rasvhapete jne - sünteesi lähteained.

Seega täidab Krebsi tsükkel kahekordset funktsiooni: ühelt poolt on see üldine katabolismi rada, mis mängib keskset rolli raku energiavarustuses, ja teiselt poolt varustab see substraatidega biosünteetilisi protsesse. Selliseid ainevahetusprotsesse nimetatakse amfiboolseteks. Krebsi tsükkel on tüüpiline amfiboolne tsükkel.

Metaboolsete protsesside reguleerimine rakus on tihedalt seotud "võtme" ensüümide olemasoluga. Protsessi võtmeensüümid on need, mis määravad selle kiiruse. Tavaliselt on protsessi üks "võtme" ensüüme ensüüm, mis katalüüsib selle esialgset reaktsiooni.

Võtmeensüüme iseloomustavad järgmised omadused. Need ensüümid

· katalüüsida pöördumatuid reaktsioone;

· on kõige väiksema aktiivsusega võrreldes teiste protsessis osalevate ensüümidega;

· on allosteerilised ensüümid.

Krebsi tsükli peamised ensüümid on tsitraadi süntaas ja isotsitraatdehüdrogenaas. Nagu ka teiste metaboolsete radade võtmeensüüme, reguleerib nende aktiivsust negatiivne tagasiside: see väheneb, kui Krebsi tsükli vaheühendite kontsentratsioon mitokondrites suureneb. Seega toimivad sidrunhape ja suktsinüülkoensüüm A tsitraadi süntaasi inhibiitoritena ja redutseeritud NAD isotsitraadi dehüdrogenaasina.

ADP on isotsitraatdehüdrogenaasi aktivaator. Rakkude suurenenud vajaduse korral ATP kui energiaallika järele, kui lagunemissaaduste (ADP) sisaldus selles suureneb, tekivad eeldused Krebsi tsükli redokstransformatsioonide kiiruse suurendamiseks ja sellest tulenevalt selle energiavarustuse taseme tõstmiseks. .

TRIKARBOKSÜÜLHAPETE TÜKKL

TRIKARBOKSÜLhapete tsükkel - sidrunhappe tsükkel ehk Krebsi tsükkel on loomade, taimede ja mikroobide organismides laialdaselt esindatud rada valkude, rasvade ja valkude, rasvade ja sünteesi käigus vaheproduktidena moodustuvate di- ja trikarboksüülhapete oksüdatiivseks muundamiseks. süsivesikuid. Avastasid H. Krebs ja W. Johnson (1937). See tsükkel on ainevahetuse aluseks ja täidab kahte olulist funktsiooni – varustab keha energiaga ja integreerib kõik peamised ainevahetusvood, nii kataboolsed (biolagunemine) kui ka anaboolsed (biosüntees).

Krebsi tsükkel koosneb 8 etapist (diagrammil on vaheproduktid esile tõstetud kahes etapis), mille jooksul toimub järgmine:

1) atsetüüljäägi täielik oksüdeerumine kaheks CO2 molekuliks,

2) moodustub kolm molekuli redutseeritud n(NADH) ja üks redutseeritud flaviinadeniindinukleotiidi (FADH2), mis on peamine tsüklis toodetud energiaallikas ja

3) nn substraadi oksüdatsiooni tulemusena tekib üks guanosiintrifosfaadi (GTP) molekul.

Üldiselt on tee energeetiliselt soodne (DG0" = –14,8 kcal.)

Krebsi tsükkel, mis paikneb mitokondrites, algab sidrunhappega (tsitraat) ja lõpeb oksaloäädikhappe (oksaloatsetaat - OA) moodustumisega. Tsükli substraatide hulka kuuluvad trikarboksüülhapped - sidrun-, cis-akoniit-, isotsitr-, oksalosuktsinaat (oksalosuktsinaat) ja dikarboksüülhapped - 2-ketoglutaarhape (KG), merevaik-, fumaar-, õun- (malaat) ja oksaloäädikhape. Krebsi tsükli substraatide hulka kuulub ka äädikhape, mis oma aktiivsel kujul (st atsetüülkoensüümi A, atsetüül-SCoA kujul) osaleb kondenseerumisel oksaloäädikhappega, mis viib sidrunhappe moodustumiseni. See on sidrunhappe struktuuris sisalduv atsetüüljääk, mis oksüdeerub; süsinikuaatomid oksüdeeritakse CO2-ks, vesinikuaatomid võtavad osaliselt vastu dehüdrogenaaside koensüümid ja lähevad osaliselt lahusesse, st protoneeritud kujul keskkonda.

Püruviinhape (püruvaat), mis tekib glükolüüsi käigus ja on ristuvates metaboolsetes radades üks kesksemaid kohti, on tavaliselt näidatud atsetüül-CoA moodustumise lähteühendina. Keerulise struktuuriga ensüümi – püruvaatdehüdrogenaasi (CP1.2.4.1 – PDHaase) mõjul püruvaat oksüdeerub, moodustades CO2 (esmane dekarboksüleerimine), atsetüül-CoA ja redutseerub NAD-ga (vt diagrammi). Püruvaadi oksüdeerimine pole aga kaugeltki ainus viis atsetüül-CoA moodustamiseks, mis on ka rasvhapete (ensüümi tiolaasi või rasvhappe süntetaasi) oksüdatsiooni ja muude süsivesikute ja aminohapete lagunemisreaktsioonide iseloomulik produkt. Kõik Krebsi tsükli reaktsioonides osalevad ensüümid paiknevad mitokondrites, enamik neist on lahustuvad ja suktsinaatdehüdrogenaas (KF1.3.99.1) on tihedalt seotud membraanistruktuuridega.

Sidrunhappe moodustumine, mille süntees algab tsitraadi süntaasi (EC4.1.3.7 - diagrammil kondenseeruv ensüüm) abil, on endergooniline reaktsioon (energia neeldumisega) ja selle teostus. on võimalik tänu atsetüüljäägi energiarikkale sidemele KoA-ga [CH3CO~SKoA]. See on kogu tsükli reguleerimise peamine etapp. Sellele järgneb tsis-akoniithappe moodustumise vahefaasi kaudu sidrunhappe isomerisatsioon isotsitrhappeks (ensüüm akonitaas KF4.2.1.3, omab absoluutset stereospetsiifilisust – tundlikkust vesiniku asukoha suhtes). Isotsitrhappe edasise muundamise produkt vastava dehüdrogenaasi (isotsitraatdehüdrogenaas KF1.1.1.41) mõjul on ilmselt oksalosuvaikhape, mille dekarboksüleerimine (teine ​​CO2 molekul) viib CG-ni. See etapp on samuti rangelt reguleeritud. Mitmete omaduste poolest (kõrge molekulmass, keeruline mitmekomponentne struktuur, astmelised reaktsioonid, osaliselt samad koensüümid jne) sarnaneb KH-dehüdrogenaas (EC1.2.4.2) PDHaasiga. Reaktsiooniproduktideks on CO2 (kolmas dekarboksüülimine), H+ ja suktsinüül-CoA. Selles etapis aktiveerub suktsinüül-CoA süntetaas, mida muidu nimetatakse suktsinaattiokinaasiks (EC6.2.1.4), mis katalüüsib vaba suktsinaadi moodustumise pöörduvat reaktsiooni: suktsinüül-CoA + Pneorg + GDP = suktsinaat + KoA + GTP. Selle reaktsiooni käigus toimub nn substraadi fosforüülimine, st. energiarikka guanosiintrifosfaadi (GTP) moodustumine guanosiindifosfaadi (SKT) ja mineraalfosfaadi (Pneorg) arvelt, kasutades suktsinüül-CoA energiat. Pärast suktsinaadi moodustumist hakkab toimima suktsinaatdehüdrogenaas (KF1.3.99.1), flavoproteiin, mille tulemuseks on fumaarhape. FAD on seotud ensüümi valguosaga ja on riboflaviini (vitamiin B2) metaboolselt aktiivne vorm. Seda ensüümi iseloomustab ka absoluutne stereospetsiifilisus vesiniku elimineerimisel. Fumaraas (EC4.2.1.2) tagab tasakaalu fumaarhappe ja õunhappe vahel (samuti stereospetsiifiline) ja õunhappe dehüdrogenaas (malaatdehüdrogenaas EC1.1.1.37, mis nõuab koensüümi NAD +, on samuti stereospetsiifiline) viib lõpule. Krebsi tsüklist, st oksaloäädikhappe moodustumiseni. Pärast seda korratakse oksaloäädikhappe kondenseerumisreaktsiooni atsetüül-CoA-ga, mille tulemusena moodustub sidrunhape ja tsükkel jätkub.

Suktsinaatdehüdrogenaas on osa hingamisahela keerukamast suktsinaatdehüdrogenaasi kompleksist (kompleks II), varustades reaktsiooni käigus tekkinud redutseerivaid ekvivalente (NAD-H2) hingamisahelasse.

PDHaasi näitel saate tutvuda metaboolse aktiivsuse kaskaadregulatsiooni põhimõttega, mis on tingitud vastava ensüümi fosforüülimisest-defosforüülimisest spetsiaalse kinaasi ja fosfataasi PDHaasi toimel. Mõlemad on ühendatud PDGase-ga.

TRIKARBOKSÜÜLHAPETE TÜKKL

Eeldatakse, et üksikute ensümaatiliste reaktsioonide katalüüs viiakse läbi osana supramolekulaarsest "superkompleksist", nn "metabolonist". Ensüümide sellise korralduse eelised on, et puudub kofaktorite (koensüümide ja metalliioonide) ja substraatide difusioon ning see aitab kaasa tsükli tõhusamale toimimisele.

Vaadeldavate protsesside energiatõhusus on madal, kuid 3 mooli NADH ja 1 mooli FADH2, mis tekkisid püruvaadi oksüdatsiooni ja sellele järgnevate Krebsi tsükli reaktsioonide käigus, on olulised oksüdatiivsete transformatsioonide produktid. Nende edasist oksüdatsiooni viivad läbi hingamisahela ensüümid ka mitokondrites ja see on seotud fosforüülimisega, s.o. ATP moodustumine mineraalfosfaadi esterdamise (fosfororgaaniliste estrite moodustumise) tõttu. Glükolüüs, PDHaasi ensümaatiline toime ja Krebsi tsükkel – kokku 19 reaktsiooni – määravad ühe glükoosi molekuli täieliku oksüdeerumise 6 molekuliks CO2 koos 38 ATP molekuli moodustumisega – see raku "energiavaluuta". NADH ja FADH2 oksüdatsiooniprotsess hingamisahela ensüümide poolt on energeetiliselt väga tõhus, toimub atmosfäärihapniku abil, viib vee moodustumiseni ja on raku peamise energiaallikana (üle 90%). Kuid Krebsi tsükli ensüümid ei osale selle otseses rakendamises. Igas inimese rakus on 100 kuni 1000 mitokondrit, mis annavad elutähtsat energiat.

Krebsi tsükli metabolismi integreeriva funktsiooni aluseks on see, et valkude süsivesikuid, rasvu ja aminohappeid saab lõpuks muuta selle tsükli vaheühenditeks (vaheühenditeks) või neist sünteesida. Vaheühendite eemaldamine tsüklist anabolismi ajal tuleb kombineerida tsükli kataboolse aktiivsuse jätkamisega biosünteesiks vajaliku ATP pidevaks moodustamiseks. Seega peab silmus täitma korraga kahte funktsiooni. Samal ajal võib vaheühendite (eriti OA) kontsentratsioon väheneda, mis võib kaasa tuua ohtliku energiatootmise vähenemise. Selle vältimiseks on olemas "kaitseklapid", mida nimetatakse anaplerootilisteks reaktsioonideks (kreeka keelest "täitma"). Kõige olulisem reaktsioon on OA süntees püruvaadist, mille viib läbi püruvaadi karboksülaas (EC6.4.1.1), mis paikneb samuti mitokondrites. Selle tulemusena koguneb suur kogus OA-d, mis tagab tsitraadi ja teiste vaheühendite sünteesi, mis võimaldab Krebsi tsüklil normaalselt toimida ja samal ajal tagab vaheühendite eemaldamise tsütoplasmasse järgnevaks biosünteesiks. Seega toimub Krebsi tsükli tasandil anabolismi ja katabolismi protsesside tõhusalt koordineeritud integreerimine arvukate ja peente reguleerimismehhanismide, sealhulgas hormonaalsete mehhanismide mõjul.

Anaeroobsetes tingimustes toimib Krebsi tsükli asemel selle oksüdatiivne haru KG-ks (reaktsioonid 1, 2, 3) ja redutseeriv haru OA-st suktsinaadini (reaktsioonid 8®7®6). Sel juhul ei salvestata palju energiat ja tsükkel varustab ainult rakusünteesi vaheühendeid.

Kui keha läheb üle puhkeolekust tegevusele, tekib vajadus mobiliseerida energia ja ainevahetusprotsesse. Eelkõige saavutatakse see loomadel kõige aeglasemate reaktsioonide (1–3) manööverdamisega ja suktsinaadi valdava oksüdatsiooniga. Sel juhul moodustub KG, lühendatud Krebsi tsükli esialgne substraat kiires transamiinimisreaktsioonis (amiinirühma ülekandmine)

Glutamaat + OA = CG + aspartaat

Teine Krebsi tsükli modifikatsioon (nn 4-aminobutüraadi šunt) on KG muundamine suktsinaadiks glutamaadi, 4-aminobutüraadi ja merevaikhappe semialdehüüdi (3-formüülpropioonhappe) kaudu. See modifikatsioon on oluline ajukoes, kus umbes 10% glükoosist laguneb selle raja kaudu.

Krebsi tsükli tihe seos hingamisahelaga, eriti loomade mitokondrites, samuti enamiku tsükli ensüümide pärssimine ATP mõjul määravad tsükli aktiivsuse vähenemise kõrge fosforüülipotentsiaali korral. rakk, st. kõrge ATP/ADP kontsentratsiooni suhtega. Enamikus taimedes, bakterites ja paljudes seentes ületab tiheda sideme sidumata alternatiivsete oksüdatsiooniradade väljatöötamise, mis võimaldavad samaaegset hingamist ja tsükli aktiivsust säilitada kõrgel tasemel isegi kõrge fosforüülipotentsiaali korral.

Igor Rapanovitš

TRIKARBOKSÜÜLHAPETE TÜKKL

eelmine

← 1 2 3 järgmine

Kirjandus

Strayer L. Biokeemia. Per. inglise keelest M., Mir, 1985

Bohinski R. Kaasaegsed vaated biokeemias. Inglise keelest tõlgitud, M., Mir, 1987

Knorre DG, Myzina S.D. Bioloogiline keemia. M., Kõrgkool, 2003

Kolman J., Rem K.-G. Visuaalne biokeemia. M., Mir, 2004

Lühike ajalooline teave

Meie lemmiktsükkel on TCA tsükkel ehk trikarboksüülhappe tsükkel - elu Maal ja Maa all ja Maal... Lõpetage, üldiselt on see kõige hämmastavam mehhanism - see on universaalne, see on viis oksüdeerida süsivesikute, rasvade, valkude laguproduktid elusorganismide rakkudes, mille tulemusena saame energiat oma keha tegevusteks.

Selle protsessi avastas Hans Krebs ise, mille eest ta sai Nobeli preemia!

Ta sündis 25. augustil - 1900 Saksamaa linnas Hildesheimis. Meditsiinihariduse omandas ta Hamburgi ülikoolist ja jätkas biokeemilisi uuringuid Otto Warburgi juhtimisel Berliinis.

1930. aastal avastas ta koos õpilasega organismis ammoniaagi neutraliseerimise protsessi, mis esines paljudel elumaailma esindajatel, sealhulgas inimestel. See tsükkel on uureatsükkel, mida tuntakse ka Krebsi tsüklina nr 1.

Kui Hitler võimule tuli, emigreerus Hans Suurbritanniasse, kus jätkab Cambridge'i ja Sheffieldi ülikoolides loodusteaduste õppimist. Arendades Ungari biokeemiku Albert Szent-Györgyi uurimistööd, sai ta ülevaate ja tegi kuulsaima Krebsi tsükli nr 2 ehk teisisõnu “Szent-Györgyö – Krebsi tsükli” – 1937. aastal.

Uurimistulemused saadetakse ajakirjale Nature, kes keeldub artiklit avaldamast. Seejärel lendab tekst Hollandi ajakirja "Enzymologia". Krebs sai 1953. aastal Nobeli füsioloogia või meditsiini preemia.

Avastus oli üllatav: 1935. aastal leidis Szent-Györgyi, et merevaik-, oksaloäädik-, fumaar- ja õunhape (kõik 4 hapet on loomarakkude looduslikud keemilised komponendid) võimendavad tuvi rinnalihases oksüdatsiooniprotsessi. Mis purustati.

Just selles toimuvad ainevahetusprotsessid suurima kiirusega.

F. Knoop ja K. Martius leidsid 1937. aastal, et sidrunhape muudetakse isotsitrhappeks vaheprodukti, cis - akoniithappe kaudu. Lisaks saab isotsitrhapet muuta a-ketoglutaarhappeks ja selle merevaikhappeks.

Krebs märkas hapete mõju O2 imendumisele tuvi rinnalihases ning tuvastas aktiveeriva toime PVC oksüdatsioonile ja atsetüülkoensüüm A moodustumisele. Lisaks pärssis maloonhape lihastes toimuvaid protsesse. , mis on sarnane merevaikhappega ja võib konkureerivalt inhibeerida ensüüme, mille substraadiks on merevaikhape.

Kui Krebs lisas reaktsioonisegule maloonhapet, algas a-ketoglutaar-, sidrun- ja merevaikhappe kuhjumine. Seega on selge, et a-ketoglutaar- ja sidrunhappe koosmõjul tekib merevaikhape.

Hans uuris rohkem kui 20 muud ainet, kuid need ei mõjutanud oksüdatsiooni. Saadud andmeid võrreldes sai Krebs tsükli. Alguses ei osanud teadlane kindlalt öelda, kas protsess algas sidrun- või isotsitrhappega, mistõttu nimetas ta seda "trikarboksüülhappe tsükliks".

Nüüd teame, et esimene on sidrunhape, nii et õige nimi on tsitraaditsükkel või sidrunhappe tsükkel.

Eukarüootides toimuvad TCA tsükli reaktsioonid mitokondrites, samal ajal kui kõik katalüüsi ensüümid, välja arvatud 1, sisalduvad mitokondriaalses maatriksis vabas olekus; erand on suktsinaatdehüdrogenaas, mis paikneb mitokondrite sisemembraanil ja on sisseehitatud lipiidide kaksikkiht. Prokarüootides toimuvad tsükli reaktsioonid tsütoplasmas.

Kohtume tsüklis osalejatega:

2) PIKE – oksaloatsetaat – oksaloäädikhape:
näib koosnevat kahest osast: oksaal- ja äädikhappest.

3-4) Sidrun- ja isotsitrhape:

5) a-ketoglutaarhape:

6) suktsinüül-koensüüm A:

7) Merevaikhape:

8) fumaarhape:

9) õunhape:

Kuidas reaktsioonid tekivad? Üldiselt oleme me kõik harjunud sõrmuse välimusega, mis on näha alloleval pildil. Allpool kirjeldatakse kõike samm-sammult:

1. Atsetüülkoensüümi A ja oksaloäädikhappe ➙ sidrunhappe kondensatsioon.

Atsetüülkoensüümi A muundumine algab kondenseerumisega oksaloäädikhappega, mille tulemusena moodustub sidrunhape.

Reaktsioon ei nõua ATP tarbimist, kuna energia selle protsessi jaoks saadakse tioeetri sideme hüdrolüüsi tulemusena atsetüülkoensüümiga A, mis on kõrge energiaga:

2. Sidrunhape läheb läbi cis-akoniithappe isotsitrhappeks.

Toimub sidrunhappe isomerisatsioon isotsitrhappeks. Konversiooniensüüm - akonitaas - dehüdreerib esmalt sidrunhapet, moodustades cis-akoniithappe, seejärel ühendab vee metaboliidi kaksiksidemega, moodustades isotsitrhappe:

3. Isotsitrhapet dehüdrogeenitakse, moodustades α-ketoglutaarhapet ja CO2.

Isotsitrhapet oksüdeerib spetsiifiline dehüdrogenaas, mille koensüümiks on NAD.

Samaaegselt oksüdatsiooniga toimub isotsitrhappe dekarboksüülimine. Transformatsioonide tulemusena tekib α-ketoglutaarhape.

4. Alfa-ketoglutaarhapet dehüdrogeenivad ➙ suktsinüülkoensüüm A ja CO2.

Järgmine etapp on α-ketoglutaarhappe oksüdatiivne dekarboksüülimine.

Katalüüsib α-ketoglutaraadi dehüdrogenaasi kompleks, mis on mehhanismi, struktuuri ja toime poolest sarnane püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksiga. Selle tulemusena moodustub suktsinüül-CoA.

5. Suktsinüülkoensüüm A ➙ merevaikhape.

Suktsinüül-CoA hüdrolüüsitakse vabaks merevaikhappeks, vabanev energia salvestatakse guanosiintrifosfaadi moodustumisel. See etapp on tsüklis ainuke, kus energiat otseselt vabaneb.

6. Merevaikhape on dehüdrogeenitud ➙ fumaarhape.

Merevaikhappe dehüdrogeenimist kiirendab suktsinaatdehüdrogenaas, selle koensüümiks on FAD.

7. Fumaarhape on hüdraatunud ➙ õunhape.

Merevaikhappe dehüdrogeenimisel tekkiv fumaarhape hüdraatub ja moodustub õunhape.

8. Õunhape on dehüdrogeenitud ➙ Oksaal-äädikhape – tsükkel sulgub.

Lõplik protsess on õunhappe dehüdrogeenimine, mida katalüüsib malaatdehüdrogenaas;

Etapi tulemuseks on metaboliit, millega trikarboksüülhappe tsükkel algab – oksaal-äädikhape.

Järgmise tsükli reaktsioonis 1 siseneb veel üks kogus atsetüülkoensüümi A.

Kuidas seda tsüklit meeles pidada? Lihtsalt!

2) Veel üks pikk luuletus:

PIKE sõi atsetaati, selgus, et tsitraat,
Tsisakonitaadi kaudu muutub see isotsitraadiks.
Pärast vesiniku loovutamist NAD-ile kaotab see CO2,
Alfa-ketoglutaraat on selle üle ülimalt õnnelik.
Oksüdatsioon on tulemas – NAD varastas vesiniku,
TDP, koensüüm A võtab CO2.
Ja vaevu ilmus suktsinüülis energia,
Kohe sündis ATP ja allesjäänud oli suktsinaat.
Nüüd jõudis ta FAD-i - ta vajab vesinikku,
Fumaraat jõi veest ja muutus malaadiks.
Siis jõudis NAD malaadini, omandas vesiniku,
HAUGI ilmus uuesti ja peitis end vaikselt.

3) Algne luuletus – lühidalt:

HAUGI ATSETÜLLIMONIL,
Kuid hobune kartis nartsissi,
Ta on temast üle ISOLIMON
ALFA – KETOGLUTARASED.
KOENSÜÜMIGA SUKKINALISEERITUD,
AMBER FUMAROVO,
Varusin talveks mõned õunad,
Muutus jälle HAUGIKS.