Melyik szakaszban megy végbe a trikarbonsav ciklus? Trikarbonsav ciklus (Krebs-ciklus). A TCA-ciklus metabolitkészletének pótlása aminosavakból

4. Trikarbonsav ciklus

Az általános katabolikus folyamat második összetevője a TCA ciklus. Ezt a ciklust 1937-ben fedezte fel Krebs és Johnson. 1948-ban Kennedy és Lehninger bebizonyította, hogy a TCA ciklusú enzimek a mitokondriális mátrixban lokalizálódnak.

4.1. A trikarbonsavciklus kémiája. A szabad ecetsav nem oxidálható dehidrogénezéssel. Ezért aktív formájában (acetil-CoA) előzetesen oxál-acetáthoz (OA, oxálecetsav) kötődik, így citrát képződik.

1. Az acetil-CoA oxál-acetáttal egyesül egy aldolkondenzációs reakcióban, amelyet citrát szintáz. Citril-CoA képződik. A Citril-CoA víz részvételével citráttá és HS-CoA-vá hidrolizálódik.

2. Akonitát hidratáz (A conitasis) katalizálja a citrát izocitráttá történő átalakulását egy cisz-akonitsav lépésen keresztül. Az akonitáz hatásmechanizmusa egyszerre hidratáz és izomeráz.

3. Izocitrát-dehidrogenáz katalizálja az izocitrinsav oxáloszukcináttá (oxál-borostyánkősavvá) való dehidrogénezését, amely azután 2-oxoglutaráttá (α-ketoglutarát) dekarboxileződik. A koenzim a NAD+ (a mitokondriumokban) és a NADP+ (citoszolban és mitokondriumokban).

4. 2-Oxoglutarát-dehidrogenáz komplex (α-ketoglutarát-dehidrogenáz komplex) katalizálja a 2-oxoglutarát oxidatív dekarboxilezését szukcinil-CoA-vá. Multienzim 2-oxoglutarát dehidrogenáz a komplex hasonló a piruvát-dehidrogenáz komplexhez, és a folyamat a piruvát oxidatív dekarboxilációjához hasonlóan megy végbe.

5. Szukcinil-tiokináz katalizálja a szukcinil-CoA borostyánkősavvá és koenzim-A-vá történő hasadását. A szukcinil-CoA hasításából származó energia guanozin-trifoszfát (GTP) formájában raktározódik. A kapcsolt refoszforilációs reakcióban az ADP ATP-vé foszforilálódik, és a felszabaduló GDP molekulák újra foszforilálódhatnak ( szubsztrát foszforiláció). A növényekben az enzim specifikus az ADP-re és az ATP-re.

6. Szukcinát-dehidrogenáz katalizálja a szukcinát fumársavvá történő átalakulását. Az enzim sztereospecifikus, integrált fehérje, mivel a mitokondriumok belső membránjába ágyazva FAD és vas-kén fehérjéket tartalmaz protetikus csoportként. A FADN 2 nem válik el az enzimtől, majd két elektron átkerül a belső mitokondriális membrán elektrontranszport láncának Q koenzimébe.

7.Fumarát hidratáz (fumaráz) katalizálja a fumársav átalakulását almasavvá (malát) víz részvételével. Az enzim sztereospecifikus, csak L-malátot termel.

8.Malát-dehidrogenáz katalizálja az almasav oxál-acetáttá történő oxidációját. Malát-dehidrogenáz koenzim - NAD +. Ezután az oxál-acetát ismét acetil-CoA-val kondenzálódik, és a ciklus megismétlődik.

4.2. A trikarbonsavciklus biológiai jelentősége és szabályozása. A trikarbonsavciklus az általános katabolikus folyamat összetevője, amelyben a szénhidrátok, zsírsavak és aminosavak üzemanyag-molekuláinak oxidációja megy végbe. A legtöbb üzemanyag-molekula acetil-CoA formájában lép be a TCA-ciklusba (1. ábra). A TCA ciklus minden reakciója következetesen egy irányba megy. A D G 0 ¢ összértéke -40 kJ/mol.

Az orvosok között már régóta hallatszik egy mondás: „A zsírok a szénhidrátok lángjában égnek”. Az acetil-CoA oxidációját kell érteni, melynek fő forrása a zsírsavak β-oxidációja, főként szénhidrátokból (piruvát karboxilezése során) képződő oxálacetáttal történő kondenzáció után. Szénhidrát-anyagcsere-zavarok vagy éhezés esetén oxálacetát-hiány jön létre, ami az acetil-CoA oxidációjának csökkenéséhez vezet a TCA-ciklusban.

1. ábra. A TCA ciklus szerepe a sejtlégzésben. 1. szakasz (TCA ciklus) 8 elektron extrakciója az acetil-CoA molekulából; 2. szakasz (elektrontranszport lánc) két oxigénmolekula redukciója és proton gradiens kialakulása (~36 H +); A 3. szakasz (ATP-szintáz) a proton gradiens energiáját használja fel az ATP (~9 ATP) képzésére (Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L. Biochemistry. N-Y: W.H. Freeman and Company, 2002).

A TCA-ciklus fő metabolikus szerepe két folyamat formájában ábrázolható: 1) redox reakciók sorozata, melynek eredményeként az acetilcsoport két CO 2 molekulává oxidálódik; 2) négyszeres dehidrogénezés, amely 3 molekula NADH + H + és 1 molekula FADH 2 képződéséhez vezet. Az oxigén szükséges a TCA ciklus közvetett működéséhez, mint elektronakceptor az elektrontranszport láncok végén, valamint a NAD + és FAD regenerációjához.

Az ATP szintézise és hidrolízise elsődleges fontosságú a TCA ciklus szabályozásában.

1. Az izocitrát-dehidrogenázt az ADP alloszterikusan aktiválja, növelve az enzim szubsztrát iránti affinitását. A NADH gátolja ezt az enzimet a NAD+ helyettesítésével. Az ATP az izocitrát-dehidrogenázt is gátolja. Fontos, hogy a metabolitok TCA-ciklussá történő átalakulásához több szakaszban NAD + és FAD szükséges, amelyek mennyisége csak alacsony energiatöltés mellett elegendő.

2. A 2-oxoglutarát dehidrogenáz (α-ketoglutarát dehidrogenáz) komplex aktivitása a piruvát dehidrogenáz komplex szabályozásához hasonlóan szabályozott. . Ezt a komplexet gátolja a szukcinil-CoA és a NADH (a 2-oxoglutarát-dehidrogenáz komplex által katalizált átalakulások végtermékei). Ezenkívül a 2-oxoglutarát-dehidrogenáz komplexet gátolja a sejt nagy energiatöltése. Tehát a TCA-ciklusba való átalakulás sebessége csökken, ha a sejt megfelelő ATP-vel van ellátva (11.2. ábra). Számos baktériumban a citrát-szintázt allosztérikusan gátolja az ATP az acetil-CoA Km-értékének növelésével.

Az általános katabolikus útvonal szabályozási sémáját a 2. ábra mutatja be.

Rizs. 2. A katabolizmus általános útjának szabályozása. A TCA ciklus működését szabályozó fő molekulák az ATP és a NADH. A szabályozás fő pontjai az izocitrát-dehidrogenáz és a 2-oxoglutarát-dehidrogenáz komplex.

4.3. A közös katabolikus út energetikai szerepe

A katabolizmus általános útjában 1 molekula piroszőlősavból 3 molekula CO 2 képződik a következő reakciókban: piroszőlősav oxidatív dekarboxilezése, izocitromsav dekarboxilezése és 2-oxoglutársav dekarboxilezése során. Összességében 1 molekula piroszőlősav oxidációja során öt pár hidrogénatomot távolítanak el, amelyek közül egy pár szukcinátból származik, és FADH 2 képződésével FAD-ba kerül, négy pár pedig 4 NAD + molekulába kerül. 4 molekula NADH + H + képződésével a piroszőlősav, a 2-oxoglutársav oxidatív dekarboxilezése, az izocitrát és a malát dehidrogénezése során. Végül a hidrogénatomok oxigénbe kerülnek, így 5 H2O-molekula keletkezik, és a felszabaduló energia oxidatív foszforilációs reakciókban halmozódik fel ATP-molekulák formájában.

Teljes összeg:

1. Piruvát ~ 2,5 ATP oxidatív dekarboxilezése.

2. A TCA ciklusban és a kapcsolódó légzőláncokban ~9 ATP található.

3. A TCA ciklus szubsztrát foszforilációjának reakciójában ~ 1 ATP.

Az oxidatív foszforiláció TCA-ciklusában és a kapcsolódó reakciókban körülbelül 10 ATP képződik egy acetil-CoA molekula acetilcsoportjának oxidációja során.

Összességében a katabolizmus általános útjában, 1 molekula piroszőlősav átalakulása következtében körülbelül 12,5 molekula ATP szabadul fel.

Beszéltem arról, hogy mi is ez valójában, miért van szükség a Krebs-ciklusra, és milyen helyet foglal el az anyagcserében. Most térjünk rá magukra ennek a ciklusnak a reakcióira.

Azonnal lefoglalom - személy szerint számomra a reakciók memorizálása teljesen értelmetlen tevékenység volt, amíg a fenti kérdéseket nem rendeztem. De ha már megértette az elméletet, javaslom, hogy térjen át a gyakorlatra.

A Krebs-ciklus megírásának számos módja látható. A leggyakoribb lehetőségek a következők:

De számomra az tűnt a legkényelmesebbnek, hogy reakciókat írtam le T. T. Berezov szerző biokémia jó öreg tankönyvéből. és Korovkina B.V.

Első reakció

A már jól ismert acetil-CoA és oxálacetát egyesül és citráttá alakul, azaz citromsav.

Második reakció

Most citromsavat veszünk, és megforgatjuk izocitrinsav. Ennek az anyagnak egy másik neve izocitrát.

Valójában ez a reakció valamivel bonyolultabb, egy köztes szakaszon keresztül - a cisz-akonitsav képződésén keresztül. De úgy döntöttem, hogy leegyszerűsítem, hogy jobban emlékezzen rá. Ha szükséges, ide beírhatja a hiányzó lépést, ha minden másra emlékszik.

Lényegében a két funkcionális csoport egyszerűen helyet cserélt.

Harmadik reakció

Tehát van izocitránsavunk. Most dekarboxilezni (vagyis a COOH-t eltávolítani) és dehidrogénezni (vagyis a H-t eltávolítani) kell. A kapott anyag az a-ketoglutarát.

Ez a reakció figyelemre méltó a HADH 2 komplex képződése miatt. Ez azt jelenti, hogy a NAD transzporter felveszi a hidrogént, hogy elindítsa a légzési láncot.

A Krebs-ciklus reakcióinak Berezov és Korovkin tankönyvében szereplő változata éppen azért tetszik, mert a reakciókban résztvevő atomok és funkciós csoportok azonnal jól láthatóak.

Negyedik reakció

A nikotin-amid-adenin-dinukleotid ismét óraműként működik, vagyis FELETT. Ez a szép hordozó idejön, akárcsak az utolsó lépésben, hogy megragadja a hidrogént és bevigye a légzőláncba.

A kapott anyag egyébként az szukcinil-CoA, nem szabad megijesztenie. A szukcinát a borostyánkősav másik neve, amely a bioszerves kémia idejéből ismerős. A szukcinil-Coa borostyánkősav és koenzim-A vegyülete. Azt mondhatjuk, hogy ez a borostyánkősav észtere.

Ötödik reakció

Az előző lépésben azt mondtuk, hogy a szukcinil-CoA a borostyánkősav észtere. És most megkapjuk a samat borostyánkősav, azaz szukcinát, szukcinil-CoA-ból. Egy rendkívül fontos pont: ebben a reakcióban az szubsztrát foszforiláció.

A foszforiláció általában (lehet oxidatív és szubsztrát) egy PO 3 foszforcsoport hozzáadása a GDP-hez vagy az ATP-hez, hogy teljes egységet kapjunk. GTF, illetve ATP. A szubsztrát abban különbözik, hogy ugyanez a foszforcsoport elszakad minden azt tartalmazó anyagtól. Nos, egyszerűen fogalmazva, az SUBSTRATE-ről HDF-re vagy ADP-re kerül át. Ezért hívják „szubsztrát-foszforilációnak”.

Még egyszer: a szubsztrát foszforilációjának kezdetén van egy difoszfát molekulánk - guanozin-difoszfát vagy adenozin-difoszfát. A foszforiláció abból áll, hogy a két foszforsav-maradékot - HDP-t vagy ADP-t - tartalmazó molekulát három foszforsav-maradékot tartalmazó molekulává „teljesítenek”, és így guanozin-TRIfoszfátot vagy adenozin-TRIfoszfátot állítanak elő. Ez a folyamat a szukcinil-CoA szukcináttá (azaz borostyánkősavvá) történő átalakulása során megy végbe.

Az ábrán az F (n) betűk láthatók. Azt jelenti, hogy "szervetlen foszfát". A szervetlen foszfát a szubsztrátumról a HDP-re kerül, így a reakciótermékek jó, teljes GTP-t tartalmaznak. Most pedig nézzük magát a reakciót:

Hatodik reakció

Következő átalakulás. Ezúttal a borostyánkősav, amelyet az utolsó lépésben kaptunk, átalakul fumarát, vegye figyelembe az új kettős kötést.

A diagramon jól látható, hogyan vesz részt a reakcióban HÓBORT: Ez a fáradhatatlan proton- és elektronhordozó felveszi a hidrogént, és közvetlenül a légzési láncba vonzza.

Hetedik reakció

Már a célban vagyunk. A Krebs-ciklus utolsó előtti szakasza az a reakció, amely a fumarátot L-maláttá alakítja. Az L-malát egy másik név L-almasav, a bioszerves kémia tanfolyamról ismerős.

Ha megnézi magát a reakciót, látni fogja, hogy egyrészt mindkét irányban megy, másrészt a lényege a hidratálás. Vagyis a fumarát egyszerűen magához köt egy vízmolekulát, ami L-almasavat eredményez.

Nyolcadik reakció

A Krebs-ciklus utolsó reakciója az L-almasav oxál-acetáttá történő oxidációja, azaz oxálecetsav. Mint érti, az „oxál-acetát” és az „oxálecetsav” szinonimák. Valószínűleg emlékszel arra, hogy az oxálecetsav a Krebs-ciklus első reakciójának összetevője.

Itt megjegyezzük a reakció sajátosságait: NADH 2 képződése, amely elektronokat visz a légzési láncba. Ne feledkezzünk meg a 3-as, 4-es és 6-os reakcióról sem, ahol a légzési lánc elektron- és protonhordozói is képződnek.

Mint látható, külön kiemeltem pirossal azokat a reakciókat, amelyek során NADH és FADH2 képződik. Ezek nagyon fontos anyagok a légzőlánc számára. Zölddel kiemeltem azt a reakciót, amelyben a szubsztrát foszforilációja és GTP termelődik.

Hogyan kell mindezt emlékezni?

Valójában nem is olyan nehéz. Miután teljesen elolvasta a két cikkemet, valamint a tankönyvét és az előadásait, csak gyakorolnia kell ezeknek a reakcióknak az írását. Azt javaslom, hogy emlékezzen a Krebs-ciklusra 4 reakcióblokkban. Írd le többször ezt a 4 reakciót, mindegyikhez válassza ki a memóriájának megfelelő asszociációt.

Például azonnal nagyon könnyen emlékeztem a második reakcióra, amelyben az izocitsav citromsavból képződik (ami, azt hiszem, mindenki számára ismerős gyermekkora óta).

Használhat emlékeztetőt is, például: " Valójában egy egész ananász és egy darab szufla az ebédem ma, amely megfelel a sorozatnak - citrát, cis-akonitát, izocitrát, alfa-ketoglutarát, szukcinil-CoA, szukcinát, fumarát, malát, oxálacetát." Van még egy csomó ilyen.

De őszintén szólva szinte soha nem szerettem az ilyen verseket. Véleményem szerint magát a reakciósorozatot könnyebb megjegyezni. Sokat segített, hogy a Krebs-ciklust két részre osztottam, amelyek mindegyikében óránként többször is gyakoroltam az írást. Általában ez olyan órákon történt, mint a pszichológia vagy a bioetika. Ez nagyon kényelmes - anélkül, hogy elterelné a figyelmét az előadásról, szó szerint egy percet tölthet azzal, hogy megírja a reakciókat, ahogy emlékszik rájuk, majd ellenőrizze őket a megfelelő opcióval.

Mellesleg, egyes egyetemeken a biokémia tesztjei és vizsgái során a tanároknak nem szükséges ismerniük magukat a reakciókat. Csak azt kell tudni, hogy mi a Krebs-ciklus, hol fordul elő, mik a jellemzői és jelentősége, és természetesen magát az átalakulások láncát. Csak a lánc nevezhető képletek nélkül, csak az anyagok neveivel. Ez a megközelítés véleményem szerint nem értelmetlen.

Remélem, hogy a TCA ciklusról szóló útmutatóm hasznos volt az Ön számára. És szeretném emlékeztetni, hogy ez a két cikk nem helyettesíti teljesen az előadásait és a tankönyveit. Csak azért írtam őket, hogy nagyjából megértsétek, mi a Krebs-ciklus. Ha hirtelen hibát lát az útmutatómban, kérjük, írja meg a megjegyzésekben. Köszönöm a figyelmet!

A trikarbonsav ciklust 1937-ben fedezte fel G. Krebs. Ebben a tekintetben „Krebs-ciklusnak” nevezték. Ez a folyamat az anyagcsere központi útja. Az evolúciós fejlődés különböző szakaszaiban lévő élőlények sejtjeiben fordul elő (mikroorganizmusok, növények, állatok).

A trikarbonsavciklus kezdeti szubsztrátja az acetil-koenzim A. Ez a metabolit az ecetsav aktív formája. Az ecetsav az élő szervezetek sejtjeiben található szinte összes szerves anyag közös közbenső bomlástermékeként működik. Ennek az az oka, hogy a szerves molekulák szénvegyületek, amelyek természetesen kétszéntartalmú ecetsavegységekre bomlanak le.

A szabad ecetsav viszonylag gyenge reakcióképességű. Átalakulásai meglehetősen zord körülmények között mennek végbe, ami élő sejtben irreális. Ezért az ecetsav aktiválódik a sejtekben a koenzim A-val kombinálva. Ennek eredményeként az ecetsav metabolikusan aktív formája képződik - acetil-koenzim A.

Az A koenzim egy kis molekulatömegű vegyület, amely foszfoadenozinból, egy pantoténsav-maradékból (B3-vitamin) és tioetanol-aminból áll. Az ecetsavmaradékot a tioetanol-amin szulfhidril-csoportjához adjuk. Ebben az esetben tioéter képződik - acetil-koenzim A, amely a Krebs-ciklus kezdeti szubsztrátja.

Acetil-koenzim A

ábrán látható a Krebs-ciklusban a köztes termékek átalakulásának diagramja. 67. A folyamat az acetil-koenzim A oxálacetáttal (oxálecetsav, OCA) való kondenzációjával kezdődik, melynek eredményeként citromsav (citrát) képződik. A reakciót a citrát-szintáz enzim katalizálja.

67. ábra – A köztes termékek körfolyamatbeli átalakulásának sémája

trikarbonsavak

Továbbá az akonitáz enzim hatására a citromsav izocitromsavvá alakul. Az izocitromsav oxidációs és dekarboxilezési folyamatokon megy keresztül. Ebben a reakcióban, amelyet a NAD-függő izocitrát-dehidrogenáz enzim katalizál, a termék szén-dioxid, redukált NAD és a-ketoglutársav, amely azután részt vesz az oxidatív dekarboxilezés folyamatában (68. ábra).

68. ábra – A-ketoglutársav képződése a Krebs-ciklusban

Az a-ketoglutarát oxidatív dekarboxilezési folyamatát az a-ketoglutarát dehidrogenáz multienzim komplex enzimei katalizálják. Ez a komplex három különböző enzimből áll, működéséhez koenzimekre van szükség. Az a-keto-glutarát-dehidrogenáz komplex koenzimei a következő vízoldható vitaminokat tartalmazzák:

· B 1-vitamin (tiamin) – tiamin-pirofoszfát;

· B 2-vitamin (riboflavin) – FAD;

· B3-vitamin (pantoténsav) – koenzim A;

· B5-vitamin (nikotinamid) – NAD;

· vitaminszerű anyag – liponsav.

Sematikusan az a-keto-glutársav oxidatív dekarboxilezési folyamata a következő egyensúlyi reakcióegyenletként ábrázolható:

Ennek az eljárásnak a terméke a borostyánkősav-maradék (szukcinát) koenzimmel A - szukcinil-koenzim A-val alkotott tioésztere. A szukcinil-koenzim A tioészter kötése makroerg.

A Krebs-ciklus következő reakciója a szubsztrát foszforilációja. Ebben a szukcinil-koenzim A tioészter kötése hidrolizálódik a szukcinil-CoA szintetáz enzim hatására, borostyánkősav (szukcinát) és szabad koenzim A képződésével. Ezt a folyamatot energiafelszabadulás kíséri, amely azonnal HDP foszforilálására használják, ami egy nagy energiájú molekula, a GTP-foszfát képződését eredményezi. Szubsztrát foszforiláció a Krebs-ciklusban:

ahol Fn ortofoszforsav.

Az oxidatív foszforiláció során keletkező GTP energiaforrásként hasznosítható különféle energiafüggő reakciókban (fehérje bioszintézis folyamatában, zsírsavak aktiválásában stb.). Ezenkívül a GTP felhasználható ATP előállítására a nukleozid-difoszfát kináz reakcióban

A szukcinil-CoA szintetáz reakció terméke, a szukcinát a szukcinát-dehidrogenáz enzim részvételével tovább oxidálódik. Ez az enzim egy flavin-dehidrogenáz, amely koenzimként (protézis csoport) tartalmazza a FAD molekulát. A reakció eredményeként a borostyánkősav fumársavvá oxidálódik. Ezzel egyidejűleg a FAD visszaáll.

ahol E az enzim polipeptidláncához kapcsolódó FAD protéziscsoport.

A szukcinát-dehidrogenáz reakcióban képződő fumársav a fumaráz enzim hatására (69. ábra) vízmolekulát köt és almasavvá alakul, amely a malát-dehidrogenáz reakcióban oxálecetsavvá (oxaloacetát) oxidálódik. Ez utóbbi ismét felhasználható a citrát-szintáz reakcióban a citromsav szintézisére (67. ábra). Emiatt a Krebs-ciklus átalakulásai ciklikus jellegűek.

69. ábra – Az almasav metabolizmusa a Krebs-ciklusban

A Krebs-ciklus egyensúlyegyenlete a következőképpen ábrázolható:

Ez azt mutatja, hogy a ciklus során az acetil-koenzim A maradék acetilcsoportja két CO 2 molekulává oxidálódik. Ezt a folyamatot három redukált NAD molekula, egy redukált FAD molekula és egy nagy energiájú foszfát - GTP molekula képződése kíséri.

A Krebs-ciklus a mitokondriális mátrixban megy végbe. Ez annak köszönhető, hogy itt található a legtöbb enzim. És csak egyetlen enzim, a szukcinát-dehidrogenáz épül be a belső mitokondriális membránba. A trikarbonsavciklus egyes enzimei a belső mitokondriális membrán belső felületéhez kapcsolódó funkcionális multienzim komplexummá (metabolon) egyesülnek. Az enzimek metabolonná történő kombinálásával ennek az anyagcsereútnak a működési hatékonysága jelentősen megnő, és további lehetőségek nyílnak meg finom szabályozására.

A trikarbonsavciklus szabályozásának jellemzőit nagyban meghatározza annak jelentősége. Ez a folyamat a következő funkciókat látja el:

1) energia. A Krebs-ciklus a szubsztrátok (csökkentett koenzimek – NAD és FAD) legerősebb forrása a szöveti légzéshez. Ezenkívül az energiát nagy energiájú foszfát - GTP - formájában tárolják;

2) műanyag. A Krebs-ciklus közbenső termékei a szerves anyagok különböző osztályainak - aminosavak, monoszacharidok, zsírsavak stb. - szintézisének prekurzorai.

A Krebs-ciklus tehát kettős funkciót tölt be: egyrészt a katabolizmus általános útja, központi szerepet tölt be a sejt energiaellátásában, másrészt a bioszintetikus folyamatokat biztosítja szubsztrátokkal. Az ilyen anyagcsere-folyamatokat amfibolikusnak nevezik. A Krebs-ciklus egy tipikus amfibolikus ciklus.

A sejt metabolikus folyamatainak szabályozása szorosan összefügg a „kulcsfontosságú” enzimek létezésével. A folyamat kulcsfontosságú enzimei azok, amelyek meghatározzák a folyamat sebességét. Jellemzően a folyamat egyik „kulcsenzime” az az enzim, amely katalizálja a kezdeti reakciót.

A „kulcs” enzimeket a következő tulajdonságok jellemzik. Ezek az enzimek

· visszafordíthatatlan reakciókat katalizál;

· a folyamatban részt vevő többi enzimhez képest a legkisebb aktivitású;

· alloszterikus enzimek.

A Krebs-ciklus legfontosabb enzimei a citrát-szintáz és az izocitrát-dehidrogenáz. A többi anyagcsereút kulcsenziméhez hasonlóan ezek aktivitását is negatív visszacsatolás szabályozza: ez csökken, ahogy a Krebs-ciklus intermediereinek koncentrációja a mitokondriumokban növekszik. Így a citromsav és a szukcinil-koenzim A citrát-szintáz inhibitorként, a redukált NAD pedig izocitrát-dehidrogenázként működik.

Az ADP az izocitrát-dehidrogenáz aktivátora. A növekvő sejtek ATP-re, mint energiaforrásra vonatkozó igényének körülményei között, amikor a bomlástermékek (ADP) tartalma megnövekszik benne, előfeltételek merülnek fel a Krebs-ciklusban a redox átalakulások sebességének növelésére, és ennek következtében az energiaellátás szintjének növelésére. .

TRIKARBOLSAVAK CIKLUS

TRIKARBOXISAVAK CIKLUS - a citromsav-ciklus vagy a Krebs-ciklus az állatok, növények és mikrobák szervezeteiben széles körben képviselt útvonal a fehérjék, zsírok és fehérjék lebontása és szintézise során köztes termékként képződő di- és trikarbonsavak oxidatív átalakulására. szénhidrátokat. Felfedezte H. Krebs és W. Johnson (1937). Ez a ciklus az anyagcsere alapja, és két fontos funkciót lát el: ellátja a szervezetet energiával és integrálja az összes fő anyagcserefolyamatot, mind a katabolikus (biodegradáció), mind az anabolikus (bioszintézis) folyamatokat.

A Krebs-ciklus 8 szakaszból áll (a közbenső termékek két szakaszban vannak kiemelve az ábrán), amelyek során a következők fordulnak elő:

1) az acetil-maradék teljes oxidációja két CO2 molekulává,

2) három molekula redukált nikotinamid-adenin-dinukleotid (NADH) és egy redukált flavin-adenin-dinukleotid (FADH2) képződik, amely a ciklus során keletkező fő energiaforrás.

3) egy molekula guanozin-trifoszfát (GTP) képződik az úgynevezett szubsztrát oxidáció eredményeként.

Általában véve energetikailag kedvező az út (DG0" = –14,8 kcal.)

A mitokondriumokban lokalizált Krebs-ciklus citromsavval (citráttal) kezdődik és oxálecetsav (oxaloacetát - OA) képződésével ér véget. A ciklus szubsztrátjai közé tartoznak a trikarbonsavak - citromsav, cisz-akonit, izocitrinsav, oxalo-szukcinát (oxaloszukcinát) és dikarbonsavak - 2-ketoglutársav (KG), borostyánkősav, fumársav, almasav (malát) és oxálecetsav. A Krebs-ciklus szubsztrátjai közé tartozik az ecetsav is, amely aktív formájában (azaz acetil-koenzim A, acetil-SCoA formájában) részt vesz az oxálecetsavval való kondenzációban, ami citromsav képződéséhez vezet. A citromsav szerkezetében lévő acetilmaradék oxidálódik; A szénatomok CO2-vé oxidálódnak, a hidrogénatomokat részben a dehidrogenázok koenzimei veszik fel, és részben oldatba, azaz protonált formában jutnak a környezetbe.

Az acetil-CoA képződésének kiindulási vegyületeként általában a glikolízis során képződő piruvátot (piruvát), amely az egymást metsző anyagcsereutak egyik központi helyét foglalja el. Egy összetett szerkezetű enzim – piruvát-dehidrogenáz (CP1.2.4.1 – PDHase) – hatására a piruvát oxidálódik CO2-vé (első dekarboxilezés), acetil-CoA-vá, és NAD-dal redukálódik (lásd az ábrát). A piruvát oxidációja azonban korántsem az egyetlen módja annak, hogy acetil-CoA képződjön, amely a zsírsavak (tioláz enzim vagy zsírsav-szintetáz) oxidációjának, valamint a szénhidrátok és aminosavak lebomlásának egyéb reakcióinak jellegzetes terméke. A Krebs-ciklus reakcióiban részt vevő összes enzim a mitokondriumokban lokalizálódik, többségük oldható, és a szukcinát-dehidrogenáz (KF1.3.99.1) szorosan kapcsolódik a membránszerkezetekhez.

A citromsav képződése, amelynek szintézisével a tulajdonképpeni ciklus megindul, citrát-szintáz (EC4.1.3.7 - a diagramon kondenzáló enzim) segítségével endergon reakció (energiaelnyeléssel), és ennek megvalósítása az acetilmaradék KoA-val [CH3CO~SKoA] való energiagazdag kötésének alkalmazása miatt lehetséges. Ez a teljes ciklus szabályozásának fő szakasza. Ezt követi a citromsav izomerizációja izocitrinsavvá a cisz-akonitsav képződésének közbenső szakaszán keresztül (a KF4.2.1.3 akonitáz enzim abszolút sztereospecifitása - érzékeny a hidrogén helyére). Az izocitromsav további átalakulásának terméke a megfelelő dehidrogenáz (izocitrát-dehidrogenáz KF1.1.1.41) hatására nyilvánvalóan oxál-borostyánkősav, amelynek dekarboxilezése (a második CO2 molekula) CG-hez vezet. Ez a szakasz is szigorúan szabályozott. Számos jellemzőben (nagy molekulatömeg, összetett többkomponensű szerkezet, lépcsőzetes reakciók, részben azonos koenzimek stb.) a KH-dehidrogenáz (EC1.2.4.2) hasonlít a PDHázra. A reakciótermékek a CO2 (harmadik dekarboxilezés), H+ és szukcinil-CoA. Ebben a szakaszban aktiválódik a szukcinil-CoA szintetáz, más néven szukcinát-tiokináz (EC6.2.1.4), amely katalizálja a szabad szukcinát képződésének reverzibilis reakcióját: Succinyl-CoA + Pneorg + GDP = szukcinát + KoA + GTP. E reakció során úgynevezett szubsztrát foszforiláció megy végbe, azaz. energiában gazdag guanozin-trifoszfát (GTP) képzése a guanozin-difoszfát (GDP) és az ásványi foszfát (Pneorg) rovására a szukcinil-CoA energiájának felhasználásával. A szukcinát képződése után a szukcinát-dehidrogenáz (KF1.3.99.1), egy flavoprotein lép működésbe, ami fumársavhoz vezet. A FAD az enzim fehérje részéhez kapcsolódik, és a riboflavin (B2-vitamin) metabolikusan aktív formája. Ezt az enzimet abszolút sztereospecificitás is jellemzi a hidrogén eliminációjában. A fumaráz (EC4.2.1.2) biztosítja az egyensúlyt a fumársav és az almasav között (szintén sztereospecifikus), az almasav-dehidrogenáz (a NAD + koenzimet is igénylő malát-dehidrogenáz EC1.1.1.37 szintén sztereospecifikus) pedig a kiteljesedéshez vezet a Krebs-ciklus, azaz az oxálecetsav képződéséig. Ezt követően az oxálecetsav és az acetil-CoA kondenzációs reakciója megismétlődik, ami citromsav képződéséhez vezet, és a ciklus folytatódik.

A szukcinát-dehidrogenáz a légzési lánc összetettebb szukcinát-dehidrogenáz komplexének (II. komplexum) része, amely a reakció során képződő redukáló ekvivalenseket (NAD-H2) szállítja a légzési láncnak.

A PDHaase példáján megismerkedhet a metabolikus aktivitás kaszkádszabályozásának elvével, amely a megfelelő enzim speciális kináz és foszfatáz PDHáz által történő foszforilációja-defoszforilációja következtében történik. Mindkettő kapcsolódik a PDGase-hoz.

TRIKARBOLSAVAK CIKLUS

Feltételezhető, hogy az egyes enzimatikus reakciók katalízisét egy szupramolekuláris „szuperkomplex”, az úgynevezett „metabolon” ​​részeként hajtják végre. Az enzimek ilyen szerveződésének előnye, hogy nincs kofaktorok (koenzimek és fémionok) és szubsztrátok diffúziója, ami hozzájárul a ciklus hatékonyabb működéséhez.

A vizsgált folyamatok energiahatékonysága alacsony, azonban a piruvát oxidációja és a Krebs-ciklus későbbi reakciói során képződő 3 mol NADH és 1 mol FADH2 az oxidatív átalakulások fontos termékei. További oxidációjukat a légzési lánc enzimei végzik a mitokondriumokban is, és foszforilációval, azaz foszforilációval járnak együtt. ATP képződése az ásványi foszfát észterezése (organofoszfor-észterek képződése) következtében. A glikolízis, a PDHaáz enzimatikus hatása és a Krebs-ciklus - összesen 19 reakció - meghatározza egy glükózmolekula teljes oxidációját 6 molekula CO2-vé, 38 ATP molekula képződésével - ez a sejt "energia-valuta". A NADH és FADH2 oxidációja a légzőlánc enzimei által energetikailag nagyon hatékony, légköri oxigén felhasználásával történik, vízképződéshez vezet, és a sejt energiaforrásainak fő forrásaként szolgál (több mint 90%). A Krebs-ciklus enzimei azonban nem vesznek részt a közvetlen megvalósításban. Minden emberi sejt 100-1000 mitokondriummal rendelkezik, amelyek létfontosságú energiát biztosítanak.

A Krebs-ciklus metabolizmusba integráló funkciójának alapja, hogy a fehérjékből származó szénhidrátok, zsírok és aminosavak végső soron ennek a ciklusnak a köztitermékeivé (intermedierekké) alakulhatnak vagy szintetizálódhatnak belőlük. Az anabolizmus során a ciklusból az intermedierek eltávolítását a ciklus katabolikus aktivitásának folytatásával kell kombinálni a bioszintézishez szükséges ATP állandó képződése érdekében. Így a huroknak egyszerre két funkciót kell ellátnia. Ugyanakkor az intermedierek (különösen az OA) koncentrációja csökkenhet, ami az energiatermelés veszélyes csökkenéséhez vezethet. Ennek megakadályozására „biztonsági szelepek” vannak, amelyeket anaplerotikus reakcióknak neveznek (a görög „megtölteni”). A legfontosabb reakció az OA piruvátból történő szintézise, ​​amelyet a szintén mitokondriumokban lokalizált piruvát-karboxiláz (EC6.4.1.1) hajt végre. Ennek eredményeként nagy mennyiségű OA halmozódik fel, amely biztosítja a citrát és más intermedierek szintézisét, ami lehetővé teszi a Krebs-ciklus normális működését, és egyúttal biztosítja az intermedierek eltávolítását a citoplazmából a későbbi bioszintézishez. Így a Krebs-ciklus szintjén az anabolizmus és a katabolizmus folyamatainak hatékonyan összehangolt integrációja számos és finom szabályozási mechanizmus, köztük a hormonális mechanizmusok hatására megy végbe.

Anaerob körülmények között a Krebs-ciklus helyett oxidatív ága KG-ra (1., 2., 3. reakció), reduktív ága pedig OA-tól szukcinátig (8®7®6 reakciók) működik. Ebben az esetben sok energia nem raktározódik el, és a ciklus csak intermediereket szolgáltat a sejtszintézishez.

Amikor a test nyugalmi állapotból tevékenységbe áll át, felmerül az energia és az anyagcsere folyamatok mozgósításának igénye. Ez különösen az állatoknál a leglassabb reakciók (1–3) tolatásával és a szukcinát túlnyomó oxidációjával érhető el. Ebben az esetben a KG, a lerövidült Krebs-ciklus kezdeti szubsztrátja a gyors transzaminációs reakcióban (amincsoport átvitel) képződik.

Glutamát + OA = CG + aszpartát

A Krebs-ciklus másik módosítása (az úgynevezett 4-amino-butirát sönt) a KG szukcináttá történő átalakítása glutamát, 4-amino-butirát és borostyánkősav szemialdehid (3-formil-propionsav) révén. Ez a módosulás fontos az agyszövetben, ahol a glükóz körülbelül 10%-a bomlik le ezen az úton.

A Krebs-ciklus szoros kapcsolódása a légzőlánchoz, különösen az állati mitokondriumokban, valamint a ciklus legtöbb enzimjének gátlása az ATP hatására, meghatározza a ciklus aktivitásának csökkenését a magas foszforil-potenciál mellett. sejt, azaz magas ATP/ADP koncentráció arány mellett. A legtöbb növényben, baktériumban és sok gombában a szoros kapcsolódást a nem csatolt alternatív oxidációs utak kifejlesztése küszöböli ki, amelyek lehetővé teszik az egyidejű légzés és ciklusaktivitás magas szinten tartását még magas foszforilpotenciál mellett is.

Igor Rapanovics

TRIKARBOLSAVAK CIKLUS

előző

← 1 2 3 következő

Irodalom

Strayer L. Biokémia. Per. angolról M., Mir, 1985

Bohinski R. Modern nézetek a biokémiában. Angolból fordítva, M., Mir, 1987

Knorre DG, Myzina S.D. Biológiai kémia. M., Felsőiskola, 2003

Kolman J., Rem K.-G. Vizuális biokémia. M., Mir, 2004

Rövid történelmi információk

Kedvenc ciklusunk a TCA-ciklus, vagy a trikarbonsav-ciklus - élet a Földön és a Föld alatt és a Földben... Állj meg, általában ez a legcsodálatosabb mechanizmus - univerzális, ez egy módja annak, hogy oxidálja a szénhidrátok, zsírok, fehérjék bomlástermékei az élő szervezetek sejtjeiben, ennek eredményeként energiát kapunk szervezetünk tevékenységéhez.

Ezt a folyamatot maga Hans Krebs fedezte fel, amiért Nobel-díjat kapott!

1900. augusztus 25-én született a németországi Hildesheim városában. Orvosi végzettséget a Hamburgi Egyetemen szerzett, majd Berlinben Otto Warburg vezetésével folytatta a biokémiai kutatásokat.

1930-ban tanítványával együtt felfedezte az ammónia semlegesítésének folyamatát a szervezetben, amely az élővilág számos képviselőjében, így az emberben is jelen volt. Ez a ciklus a karbamid-ciklus, amelyet Krebs-ciklusnak is neveznek #1.

Amikor Hitler hatalomra került, Hans Nagy-Britanniába emigrált, ahol a Cambridge-i és Sheffieldi Egyetemen folytatja természettudományos tanulmányait. Szent-Györgyi Albert magyar biokémikus kutatásait fejlesztve betekintést nyert és elkészítette a leghíresebb 2. számú Krebs-ciklust, vagyis a „Szent-Györgyö – Krebs-ciklust” - 1937.

A kutatási eredményeket elküldik a Nature folyóiratnak, amely megtagadja a cikk közzétételét. Ezután a szöveg a hollandiai "Enzymologia" magazinba repül. Krebs 1953-ban fiziológiai és orvosi Nobel-díjat kapott.

A felfedezés meglepő volt: Szent-Györgyi 1935-ben megállapította, hogy a borostyánkősav, oxálecetsav, fumársav és almasav (mind a 4 sav az állati sejtek természetes kémiai összetevője) fokozza az oxidációs folyamatot a galamb mellizomjában. Ami fel volt aprítva.

Ebben fordulnak elő a legnagyobb sebességgel az anyagcsere folyamatok.

F. Knoop és K. Martius 1937-ben azt találta, hogy a citromsav egy köztes termék, a cisz-akonitsav révén alakul izocitrinsavvá. Ezen túlmenően az izocitrinsav a-ketoglutársavvá, az pedig borostyánkősavvá alakítható.

Krebs észrevette a savak hatását a galamb mellizomzatában az O2 felszívódására, és megállapította, hogy aktiválják a PVC oxidációját és az acetil-koenzim A képződését. Ezenkívül az izomban zajló folyamatokat a malonsav gátolta. , amely hasonló a borostyánkősavhoz, és kompetitív módon gátolja azokat az enzimeket, amelyek szubsztrátja a borostyánkősav.

Amikor Krebs malonsavat adott a reakcióközeghez, megindult az a-ketoglutársav, citromsav és borostyánkősav felhalmozódása. Így egyértelmű, hogy az a-ketoglutársav és a citromsav együttes hatása borostyánkősav képződéséhez vezet.

Hans több mint 20 másik anyagot vizsgált meg, de ezek nem befolyásolták az oxidációt. A kapott adatokat összehasonlítva Krebs ciklust kapott. A kutató kezdetben nem tudta biztosan megmondani, hogy a folyamat citromsavval vagy izocitromsavval indult-e ki, ezért „trikarbonsav-ciklusnak” nevezte el.

Most már tudjuk, hogy az első a citromsav, így a helyes név a citrát ciklus vagy a citromsav ciklus.

Az eukariótákban a TCA-ciklusreakciók a mitokondriumokban mennek végbe, míg az 1-es kivételével minden katalizáló enzim szabad állapotban van a mitokondriális mátrixban; kivétel a szukcinát-dehidrogenáz, amely a mitokondrium belső membránján lokalizálódik és beágyazódik a mitokondriumba. a lipid kettősréteg. A prokariótákban a ciklus reakciói a citoplazmában mennek végbe.

Találkozzunk a ciklus résztvevőivel:

2) PIKE – Oxaloacetát – Oxaloecetsav:
két részből áll: oxálsavból és ecetsavból.

3-4) Citromsav és izocitromsav:

5) a-ketoglutársav:

6) szukcinil-koenzim A:

7) Borostyánkősav:

8) Fumársav:

9) Almasav:

Hogyan jönnek létre a reakciók? Általában mindannyian hozzászoktunk a gyűrű megjelenéséhez, ami az alábbi képen látható. Az alábbiakban minden lépésről lépésre le van írva:

1. Az acetil-koenzim A és az oxálecetsav ➙ citromsav kondenzációja.

Az acetil-koenzim A átalakulása oxálecetsavval történő kondenzációval kezdődik, ami citromsav képződését eredményezi.

A reakcióhoz nincs szükség ATP felhasználására, mivel ehhez a folyamathoz az energiát a tioéterkötés hidrolízise biztosítja az acetil-koenzim A-val, amely nagy energiájú:

2. A citromsav a cisz-akonitsavon keresztül izocitromsavvá alakul.

Megtörténik a citromsav izomerizációja izocitromsavvá. A konverziós enzim - az akonitáz - először dehidratálja a citromsavat cisz-akonitsavvá, majd a vizet a metabolit kettős kötéséhez köti, izocitricsavat képezve:

3. Az izocitromsavat dehidrogénezve α-ketoglutársav és CO2 keletkezik.

Az izocitromsavat egy specifikus dehidrogenáz oxidálja, melynek koenzimje a NAD.

Az oxidációval egyidejűleg az izocitromsav dekarboxilezése megy végbe. Az átalakulások eredményeként α-ketoglutársav képződik.

4. Az alfa-ketoglutársavat ➙ szukcinil-koenzim A és CO2 dehidrogénezi.

A következő lépés az α-ketoglutársav oxidatív dekarboxilezése.

Az α-ketoglutarát-dehidrogenáz komplex katalizálja, amely mechanizmusában, szerkezetében és hatásában hasonló a piruvát-dehidrogenáz komplexhez. Ennek eredményeként szukcinil-CoA képződik.

5. Succinil koenzim A ➙ borostyánkősav.

A szukcinil-CoA szabad borostyánkősavvá hidrolizálódik, a felszabaduló energiát guanozin-trifoszfát képződése tárolja. Ez az egyetlen szakasz a ciklusban, amelyben az energia közvetlenül szabadul fel.

6. A borostyánkősavat dehidrogénezzük ➙ fumársav.

A borostyánkősav dehidrogénezését a szukcinát-dehidrogenáz gyorsítja, koenzime a FAD.

7. A fumársav hidratált ➙ almasav.

A borostyánkősav dehidrogénezésével képződő fumársav hidratálódik és almasav képződik.

8. Az almasavat dehidrogénezzük ➙ Oxál-ecetsav - a ciklus bezárul.

A végső folyamat az almasav dehidrogénezése, amelyet a malát-dehidrogenáz katalizál;

A szakasz eredménye az a metabolit, amellyel a trikarbonsav ciklus megindul - az oxál-ecetsav.

A következő ciklus 1. reakciójában újabb mennyiségű acetil-koenzim A lép be.

Hogyan emlékezzünk erre a ciklusra? Éppen!

2) Még egy hosszú vers:

A PIKE acetátot evett, kiderült, citrát,
A cisakonitán keresztül izocitráttá válik.
A hidrogént a NAD-nak feladva CO2-t veszít,
Az alfa-ketoglutarát ennek rendkívül örül.
Jön az oxidáció – a NAD ellopta a hidrogént,
A TDP, a koenzim A CO2-t vesz fel.
És az energia alig jelent meg a szukcinilben,
Azonnal megszületett az ATP, és ami megmaradt, az a szukcinát volt.
Most eljutott a FAD-hoz – hidrogénre van szüksége,
A fumarát ivott a vízből, és maláttá változott.
Aztán a NAD maláthoz jutott, hidrogént szerzett,
A Csuka ismét felbukkant, és csendesen elbújt.

3) Az eredeti vers – röviden:

CSUKA ACETYL LIMONIL,
De a ló félt a nárcisztól,
Fölötte áll ISOLIMON
ALFA – KETOGLUTARÁZ.
KOENZIMVEL SUCCINALIZÁLT,
ABER FUMAROVO,
Tárolt néhány almát télre,
Ismét CSÜKÉ lett.