Hvilket stadium finner trikarboksylsyresyklusen sted? Trikarboksylsyresyklus (Krebs-syklus). Påfyll av TCA-syklusmetabolittbassenget fra aminosyrer

4. Trikarboksylsyresyklus

Den andre komponenten i den generelle katabolske banen er TCA-syklusen. Denne syklusen ble oppdaget i 1937 av Krebs og Johnson. I 1948 beviste Kennedy og Lehninger at TCA-syklusenzymer er lokalisert i mitokondriematrisen.

4.1. Kjemi av trikarboksylsyresyklusen. Fri eddiksyre kan ikke oksideres ved dehydrogenering. Derfor er det i sin aktive form (acetyl-CoA) foreløpig bundet til oksalacetat (OA, oksaleddiksyre), noe som resulterer i dannelse av sitrat.

1. Acetyl-CoA kombineres med oksaloacetat i en aldolkondensasjonsreaksjon katalysert av sitratsyntase. Citril-CoA dannes. Citril-CoA hydrolyseres med deltakelse av vann til sitrat og HS-CoA.

2. Akonitathydratase (EN conitasis) katalyserer omdannelsen av sitrat til isositrat gjennom et cis-akonitsyretrinn. Aconitases virkningsmekanisme er både en hydratase og en isomerase.

3. Isocitrat dehydrogenase katalyserer dehydrogeneringen av isositrinsyre til oksalosuksinat (oksalosuksinsyre), som deretter dekarboksyleres til 2-oksoglutarat (α-ketoglutarat). Koenzymet er NAD+ (i mitokondrier) og NADP+ (i cytosol og mitokondrier).

4. 2-oksoglutarat dehydrogenase kompleks (α-ketoglutarate dehydrogenase kompleks) katalyserer den oksidative dekarboksyleringen av 2-oksoglutarat til succinyl-CoA. Multienzym 2-oksoglutarat dehydrogenase komplekset ligner på pyruvatdehydrogenasekomplekset og prosessen fortsetter på samme måte som den oksidative dekarboksyleringen av pyruvat.

5. Succinyltiokinase katalyserer spaltningen av succinyl-CoA til ravsyre og koenzym A. Energien fra spaltningen av succinyl-CoA lagres i form av guanosintrifosfat (GTP). I den koblede refosforyleringsreaksjonen blir ADP fosforylert til ATP, og de frigjorte GDP-molekylene kan fosforyleres igjen ( substratfosforylering). I planter er enzymet spesifikt for ADP og ATP.

6. Suksinatdehydrogenase katalyserer omdannelsen av succinat til fumarsyre. Enzymet er stereospesifikt, er et integrert protein, siden det er innebygd i den indre membranen av mitokondrier og inneholder FAD og jern-svovelproteiner som protesegrupper. FADN 2 er ikke separert fra enzymet, og to elektroner blir deretter overført til koenzym Q i elektrontransportkjeden til den indre mitokondriemembranen.

7.Fumarathydratase (fumarase) katalyserer omdannelsen av fumarsyre til eplesyre (malat) med deltagelse av vann. Enzymet er stereospesifikt, og produserer kun L-malat.

8.Malat dehydrogenase katalyserer oksidasjonen av eplesyre til oksalacetat. Malat dehydrogenase koenzym - NAD +. Deretter kondenserer oksaloacetat igjen med acetyl-CoA og syklusen gjentas.

4.2. Biologisk betydning og regulering av trikarboksylsyresyklusen. Trikarboksylsyresyklusen er en komponent i den generelle katabolske veien der oksidasjon av drivstoffmolekyler av karbohydrater, fettsyrer og aminosyrer skjer. De fleste brenselmolekyler går inn i TCA-syklusen i form av acetyl-CoA (fig. 1). Alle reaksjoner i TCA-syklusen fortsetter konsekvent i én retning. Den totale verdien av D G 0 ¢ = -40 kJ/mol.

Det har lenge vært et slagord blant leger: "Fett brenner i flammene til karbohydrater." Det må forstås som oksidasjon av acetyl-CoA, hvis hovedkilde er β-oksidasjon av fettsyrer, etter kondensering med oksaloacetat, hovedsakelig dannet fra karbohydrater (under karboksylering av pyruvat). I tilfeller av kareller sult, skapes en mangel på oksaloacetat, noe som fører til en reduksjon i oksidasjonen av acetyl-CoA i TCA-syklusen.

Figur 1. Rollen til TCA-syklusen i cellulær respirasjon. Trinn 1 (TCA-syklus) ekstraksjon av 8 elektroner fra acetyl-CoA-molekylet; Trinn 2 (elektrontransportkjede) reduksjon av to oksygenmolekyler og dannelse av en protongradient (~36 H +); Trinn 3 (ATP-syntase) bruker energien til protongradienten til å danne ATP (~9 ATP) (Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L. Biochemistry. N-Y: W.H. Freeman and Company, 2002).

Den viktigste metabolske rollen til TCA-syklusen kan representeres i form av to prosesser: 1) en rekke redoksreaksjoner, som et resultat av at acetylgruppen oksideres til to CO 2 -molekyler; 2) firedobbel dehydrogenering, som fører til dannelse av 3 molekyler NADH + H + og 1 molekyl FADH 2 . Oksygen er nødvendig for funksjonen av TCA-syklusen indirekte som en elektronakseptor ved enden av elektrontransportkjeder og for regenerering av NAD + og FAD.

Syntesen og hydrolysen av ATP er av primær betydning for reguleringen av TCA-syklusen.

1. Isocitrat dehydrogenase aktiveres allosterisk av ADP ved å øke enzymets affinitet for substratet. NADH hemmer dette enzymet ved å erstatte NAD+. ATP hemmer også isositratdehydrogenase. Det er viktig at transformasjonen av metabolitter til TCA-syklusen krever NAD + og FAD i flere stadier, hvor mengden bare er tilstrekkelig under forhold med lav energiladning.

2. Aktiviteten til 2-oksoglutarat dehydrogenase (α-ketoglutarat dehydrogenase) komplekset reguleres på samme måte som reguleringen av pyruvat dehydrogenase komplekset . Dette komplekset hemmes av succinyl-CoA og NADH (sluttproduktene av transformasjonene katalysert av 2-oksoglutaratdehydrogenasekomplekset). I tillegg hemmes 2-oksav cellens høye energiladning. Så hastigheten for transformasjon til TCA-syklusen avtar med tilstrekkelig tilførsel av ATP til cellen (fig. 11.2). I en rekke bakterier hemmes citratsyntase allosterisk av ATP ved å øke Km for acetyl-CoA.

Reguleringsskjemaet for den generelle katabolismeveien er presentert i figur 2.

Ris. 2. Regulering av den generelle katabolismeveien. Hovedmolekylene som regulerer funksjonen til TCA-syklusen er ATP og NADH. Hovedpunktene for regulering er isositratdehydrogenase og 2-oksoglutaratdehydrogenasekompleks.

4.3. Energirollen til den vanlige katabolske banen

I den generelle katabolismens vei dannes 3 molekyler CO 2 fra 1 molekyl pyrodruesyre i følgende reaksjoner: under den oksidative dekarboksyleringen av pyrodruesyre, under dekarboksyleringen av isositrinsyre og under dekarboksyleringen av 2-oksoglutarsyre. Totalt, under oksidasjonen av 1 molekyl pyrodruesyre, fjernes fem par hydrogenatomer, hvorav ett par er fra succinat og går til FAD med dannelse av FADH 2, og fire par tas inn i 4 molekyler av NAD + med dannelse av 4 molekyler av NADH + H + under oksidativ dekarboksylering av pyrodruesyre, 2-oksoglutarsyrer, dehydrogenering av isocitrat og malat. Til syvende og sist blir hydrogenatomer overført til oksygen for å danne 5 H2O-molekyler, og den frigjorte energien akkumuleres i oksidative fosforyleringsreaksjoner i form av ATP-molekyler.

Totalsum:

1. Oksidativ dekarboksylering av pyruvat ~ 2,5 ATP.

2. Det er ~9 ATP i TCA-syklusen og tilhørende respirasjonskjeder.

3. I reaksjonen av substratfosforylering av TCA-syklusen, ~ 1 ATP.

I TCA-syklusen og tilknyttede reaksjoner av oksidativ fosforylering, dannes omtrent 10 ATP under oksidasjonen av acetylgruppen til ett acetyl-CoA-molekyl

Totalt, i den generelle katabolismens vei, som et resultat av transformasjonene av 1 molekyl pyrodruesyre, frigjøres omtrent 12,5 molekyler ATP.

Jeg snakket om hva det faktisk er, hvorfor Krebs-syklusen er nødvendig og hvilken plass den opptar i stoffskiftet. La oss nå gå ned til selve reaksjonene i denne syklusen.

Jeg tar en reservasjon med en gang - for meg personlig var det å memorere reaksjoner en helt meningsløs aktivitet før jeg ordnet spørsmålene ovenfor. Men hvis du allerede har forstått teorien, foreslår jeg at du går videre til praksis.

Du kan se mange måter å skrive Krebs-syklusen på. De vanligste alternativene er noe som dette:

Men det som virket mest praktisk for meg, var metoden for å skrive reaksjoner fra den gode gamle læreboken om biokjemi fra forfatterne T.T. Berezov. og Korovkina B.V.

Første reaksjon

Det allerede kjente Acetyl-CoA og Oxaloacetate kombineres og blir til sitrat, det vil si til sitronsyre.

Andre reaksjon

Nå tar vi sitronsyre og snur den isositronsyre. Et annet navn for dette stoffet er isocitrat.

Faktisk er denne reaksjonen noe mer komplisert, gjennom et mellomstadium - dannelsen av cis-akonitsyre. Men jeg bestemte meg for å forenkle det slik at du husker det bedre. Om nødvendig kan du legge til det manglende trinnet her hvis du husker alt annet.

I hovedsak byttet de to funksjonelle gruppene rett og slett plass.

Tredje reaksjon

Så vi har isositronsyre. Nå må det dekarboksyleres (det vil si at COOH fjernes) og dehydrogeneres (det vil si at H fjernes). Det resulterende stoffet er a-ketoglutarat.

Denne reaksjonen er kjent for dannelsen av HADH 2-komplekset. Dette betyr at NAD-transportøren henter hydrogen for å starte respirasjonskjeden.

Jeg liker versjonen av Krebs-syklusreaksjonene i læreboken til Berezov og Korovkin nettopp fordi atomene og funksjonelle gruppene som deltar i reaksjonene umiddelbart er godt synlige.

Fjerde reaksjon

Igjen, nikotinamid adenin dinukleotid fungerer som smurt, altså OVENFOR. Denne fine bæreren kommer hit, akkurat som i det siste trinnet, for å gripe hydrogenet og bære det inn i respirasjonskjeden.

Det resulterende stoffet er forresten succinyl-CoA, bør ikke skremme deg. Succinat er et annet navn for ravsyre, som er kjent for deg fra tiden med bioorganisk kjemi. Succinyl-Coa er en forbindelse av ravsyre med koenzym-A. Vi kan si at dette er en ester av ravsyre.

Femte reaksjon

I forrige trinn sa vi at succinyl-CoA er en ester av ravsyre. Og nå skal vi få sama ravsyre, det vil si succinat, fra succinyl-CoA. Et ekstremt viktig poeng: det er i denne reaksjonen substratfosforylering.

Fosforylering generelt (det kan være oksidativt og substrat) er tilsetning av en fosforgruppe PO 3 til BNP eller ATP for å oppnå en fullstendig GTF, eller, henholdsvis, ATP. Substratet er forskjellig ved at denne samme fosforgruppen blir revet bort fra alle stoffer som inneholder den. Vel, enkelt sagt, det overføres fra SUBSTRATE til HDF eller ADP. Det er derfor det kalles "substratfosforylering."

Nok en gang: i begynnelsen av substratfosforylering har vi et difosfatmolekyl - guanosindifosfat eller adenosindifosfat. Fosforylering består i at et molekyl med to fosforsyrerester - HDP eller ADP - "kompletteres" til et molekyl med tre fosforsyrerester for å produsere guanosin TRIfosfat eller adenosin TRIfosfat. Denne prosessen skjer under omdannelsen av succinyl-CoA til succinat (dvs. ravsyre).

I diagrammet kan du se bokstavene F (n). Det betyr "uorganisk fosfat". Uorganisk fosfat overføres fra underlaget til HDP slik at reaksjonsproduktene inneholder god, komplett GTP. La oss nå se på selve reaksjonen:

Sjette reaksjon

Neste transformasjon. Denne gangen vil ravsyren som vi fikk i det siste trinnet bli til fumarat, legg merke til den nye dobbeltbindingen.

Diagrammet viser tydelig hvordan den deltar i reaksjonen FAD: Denne utrettelige bæreren av protoner og elektroner tar opp hydrogen og drar det direkte inn i respirasjonskjeden.

Syvende reaksjon

Vi er allerede i mål. Det nest siste stadiet av Krebs-syklusen er reaksjonen som konverterer fumarat til L-malat. L-malat er et annet navn L-eplesyre, kjent fra kurset i bioorganisk kjemi.

Hvis du ser på selve reaksjonen, vil du se at den for det første går begge veier, og for det andre er essensen hydrering. Det vil si at fumarat ganske enkelt fester et vannmolekyl til seg selv, noe som resulterer i L-eplesyre.

Åttende reaksjon

Den siste reaksjonen i Krebs-syklusen er oksidasjonen av L-eplesyre til oksaloacetat, det vil si til oksaloeddiksyre. Som du forstår, er "oksaloacetat" og "oksaloeddiksyre" synonymer. Du husker sikkert at oksaloeddiksyre er en del av den første reaksjonen i Krebs-syklusen.

Her legger vi merke til det særegne ved reaksjonen: dannelse av NADH 2, som vil frakte elektroner inn i respirasjonskjeden. Ikke glem også reaksjoner 3,4 og 6, elektron- og protonbærere for respirasjonskjeden dannes også der.

Som du kan se, fremhevet jeg spesifikt med rødt reaksjonene der NADH og FADH2 dannes. Dette er svært viktige stoffer for respirasjonskjeden. Jeg fremhevet med grønt reaksjonen der substratfosforylering skjer og GTP produseres.

Hvordan huske alt dette?

Egentlig er det ikke så vanskelig. Etter å ha lest de to artiklene mine i sin helhet, samt læreboken og forelesningene dine, trenger du bare å trene på å skrive disse reaksjonene. Jeg anbefaler å huske Krebs-syklusen i blokker med 4 reaksjoner. Skriv disse 4 reaksjonene flere ganger, for hver og en velg en assosiasjon som passer ditt minne.

For eksempel husket jeg umiddelbart veldig lett den andre reaksjonen, der isositronsyre dannes fra sitronsyre (som jeg tror er kjent for alle fra barndommen).

Du kan også bruke mnemonics som: " En hel ananas og et stykke sufflé er faktisk lunsjen min i dag, som tilsvarer serien - sitrat, cis-akonitat, isositrat, alfa-ketoglutarat, succinyl-CoA, succinat, fumarat, malat, oksaloacetat." Det er en haug flere som dem.

Men for å være ærlig har jeg nesten aldri likt slike dikt. Etter min mening er det lettere å huske selve reaksjonsrekkefølgen. Det hjalp meg mye å dele Krebs-syklusen i to deler som jeg øvde på å skrive flere ganger i timen hver. Som regel skjedde dette i klasser som psykologi eller bioetikk. Dette er veldig praktisk - uten å bli distrahert fra forelesningen, kan du bruke bokstavelig talt et minutt på å skrive reaksjonene slik du husker dem, og deretter sjekke dem med riktig alternativ.

Forresten, på noen universiteter, under tester og eksamener i biokjemi, krever ikke lærere kunnskap om selve reaksjonene. Du trenger bare å vite hva Krebs-syklusen er, hvor den forekommer, hva dens funksjoner og betydning er, og selvfølgelig selve transformasjonskjeden. Bare kjeden kan navngis uten formler, kun ved å bruke navnene på stoffene. Denne tilnærmingen er ikke uten mening, etter min mening.

Jeg håper guiden min til TCA-syklusen har vært nyttig for deg. Og jeg vil minne deg på at disse to artiklene ikke er en fullstendig erstatning for dine forelesninger og lærebøker. Jeg skrev dem bare slik at du omtrent forstår hva Krebs-syklusen er. Hvis du plutselig ser noen feil i guiden min, vennligst skriv om det i kommentarfeltet. Takk for din oppmerksomhet!

Trikarboksylsyresyklusen ble oppdaget i 1937 av G. Krebs. I denne forbindelse ble det kalt "Krebs-syklusen". Denne prosessen er den sentrale metabolismeveien. Det forekommer i cellene til organismer på forskjellige stadier av evolusjonær utvikling (mikroorganismer, planter, dyr).

Det første substratet i trikarboksylsyresyklusen er acetylkoenzym A. Denne metabolitten er den aktive formen av eddiksyre. Eddiksyre fungerer som et vanlig nedbrytningsprodukt av nesten alle organiske stoffer som finnes i cellene til levende organismer. Dette er fordi organiske molekyler er karbonforbindelser som naturlig kan brytes ned til to-karbon eddiksyreenheter.

Fri eddiksyre har en relativt svak reaktivitet. Dens transformasjoner skjer under ganske tøffe forhold, som er urealistiske i en levende celle. Derfor aktiveres eddiksyre i cellene ved å kombinere den med koenzym A. Som et resultat dannes det en metabolsk aktiv form av eddiksyre - acetyl-koenzym A.

Koenzym A er en lavmolekylær forbindelse som består av fosfoadenosin, en pantotensyrerest (vitamin B3) og tioetanolamin. Eddiksyreresten tilsettes til sulfhydrylgruppen i tioetanolamin. I dette tilfellet dannes en tioeter - acetyl-koenzym A, som er det første substratet til Krebs-syklusen.

Acetylkoenzym A

Et diagram over transformasjonen av mellomprodukter i Krebs-syklusen er vist i fig. 67. Prosessen begynner med kondensering av acetylkoenzym A med oksalacetat (oksaloeddiksyre, OCA), noe som resulterer i dannelse av sitronsyre (sitrat). Reaksjonen katalyseres av enzymet citratsyntase.

Figur 67 – Skjema for transformasjon av mellomprodukter i syklusen

trikarboksylsyrer

Videre, under virkningen av enzymet aconitase, omdannes sitronsyre til isositronsyre. Isositronsyre gjennomgår oksidasjons- og dekarboksyleringsprosesser. I denne reaksjonen, katalysert av enzymet NAD-avhengig isocitrat dehydrogenase, er produktene karbondioksid, redusert NAD og a-ketoglutarsyre, som deretter er involvert i prosessen med oksidativ dekarboksylering (fig. 68).

Figur 68 – Dannelse av a-ketoglutarsyre i Krebs-syklusen

Prosessen med oksidativ dekarboksylering av a-ketoglutarat katalyseres av enzymene til a-ketoglutarat dehydrogenase multienzymkomplekset. Dette komplekset består av tre forskjellige enzymer, og det krever koenzymer for å fungere. Koenzymer av a-keto-glutarat dehydrogenase-komplekset inkluderer følgende vannløselige vitaminer:

· vitamin B 1 (tiamin) – tiaminpyrofosfat;

· vitamin B 2 (riboflavin) – FAD;

· vitamin B 3 (pantotensyre) – koenzym A;

· vitamin B 5 (nikotinamid) – NAD;

· vitaminlignende stoff – liposyre.

Skjematisk kan prosessen med oksidativ dekarboksylering av a-keto-glutarsyre representeres som følgende balansereaksjonsligning:

Produktet av denne prosessen er en tioester av ravsyreresten (succinat) med koenzym A - succinyl-koenzym A. Tioesterbindingen til succinyl-koenzym A er makroergisk.

Den neste reaksjonen i Krebs-syklusen er prosessen med substratfosforylering. I den hydrolyseres tioesterbindingen til succinyl-koenzym A under påvirkning av enzymet succinyl-CoA-syntetase med dannelse av ravsyre (succinat) og fritt koenzym A. Denne prosessen er ledsaget av frigjøring av energi, som umiddelbart skjer brukes til fosforylering av HDP, noe som resulterer i dannelsen av et høyenergimolekyl GTP-fosfat. Substratfosforylering i Krebs-syklusen:

hvor Fn er ortofosforsyre.

GTP dannet under oksidativ fosforylering kan brukes som energikilde i ulike energiavhengige reaksjoner (i prosessen med proteinbiosyntese, aktivering av fettsyrer, etc.). I tillegg kan GTP brukes til å generere ATP i nukleosid-difosfatkinasereaksjonen

Produktet av succinyl-CoA-syntetasereaksjonen, succinat, oksideres videre med deltakelse av enzymet succinatdehydrogenase. Dette enzymet er en flavin-dehydrogenase, som inneholder FAD-molekylet som et koenzym (protesegruppe). Som et resultat av reaksjonen oksideres ravsyre til fumarsyre. Samtidig gjenopprettes FAD.

hvor E er FAD-protesegruppen assosiert med polypeptidkjeden til enzymet.

Fumarsyre som dannes i succinatdehydrogenasereaksjonen, under påvirkning av fumaraseenzymet (fig. 69), fester et vannmolekyl og omdannes til eplesyre, som deretter oksideres i malatdehydrogenasereaksjonen til oksaloeddiksyre (oksaloacetat). Sistnevnte kan brukes igjen i sitratsyntasereaksjonen for syntese av sitronsyre (fig. 67). På grunn av dette er transformasjoner i Krebs-syklusen sykliske i naturen.

Figur 69 – Metabolisme av eplesyre i Krebs-syklusen

Balanseligningen til Krebs-syklusen kan presenteres som:

Den viser at i syklusen er det fullstendig oksidasjon av acetylradikalet til resten fra acetyl-koenzym A til to molekyler CO 2. Denne prosessen er ledsaget av dannelsen av tre molekyler med redusert NAD, ett molekyl med redusert FAD og ett molekyl med høyenergifosfat - GTP.

Krebs-syklusen forekommer i mitokondriematrisen. Dette skyldes det faktum at det er her de fleste av enzymene befinner seg. Og bare et enkelt enzym, succinatdehydrogenase, er bygget inn i den indre mitokondriemembranen. De individuelle enzymene i trikarboksylsyresyklusen er kombinert til et funksjonelt multienzymkompleks (metabolon) assosiert med den indre overflaten av den indre mitokondriemembranen. Ved å kombinere enzymer til en metabolon, økes effektiviteten av funksjonen til denne metabolske banen betydelig, og ytterligere muligheter for finregulering vises.

Funksjoner ved reguleringen av trikarboksylsyresyklusen bestemmes i stor grad av dens betydning. Denne prosessen utfører følgende funksjoner:

1) energi. Krebs-syklusen er den kraftigste kilden til substrater (reduserte koenzymer - NAD og FAD) for vevsrespirasjon. I tillegg lagres energi i den i form av høyenergifosfat - GTP;

2) plast. Mellomprodukter fra Krebs-syklusen er forløpere for syntesen av forskjellige klasser av organiske stoffer - aminosyrer, monosakkarider, fettsyrer, etc.

Dermed utfører Krebs-syklusen en dobbel funksjon: på den ene siden er den en generell katabolismevei, som spiller en sentral rolle i energiforsyningen til cellen, og på den andre gir den biosyntetiske prosesser med substrater. Slike metabolske prosesser kalles amfibolske. Krebs-syklusen er en typisk amfibolisk syklus.

Reguleringen av metabolske prosesser i cellen er nært knyttet til eksistensen av "nøkkelenzymer". Nøkkelenzymene i prosessen er de som bestemmer hastigheten. Vanligvis er et av "nøkkelenzymene" i en prosess enzymet som katalyserer den første reaksjonen.

"Nøkkelenzymene" er preget av følgende egenskaper. Disse enzymene

· katalysere irreversible reaksjoner;

· ha minst aktivitet sammenlignet med andre enzymer involvert i prosessen;

· er allosteriske enzymer.

Nøkkelenzymene i Krebs-syklusen er citratsyntase og isocitratdehydrogenase. I likhet med nøkkelenzymer i andre metabolske veier, reguleres deres aktivitet av negativ tilbakemelding: den avtar når konsentrasjonen av Krebs-syklus-mellomprodukter i mitokondrier øker. Således virker sitronsyre og succinyl-koenzym A som sitratsyntasehemmere, og redusert NAD fungerer som isositratdehydrogenase.

ADP er en aktivator av isositratdehydrogenase. Under forhold med økende cellebehov for ATP som energikilde, når innholdet av nedbrytningsprodukter (ADP) øker i den, oppstår det forutsetninger for å øke hastigheten på redokstransformasjoner i Krebs-syklusen og følgelig øke nivået på energiforsyningen. .

TRIKARBOKSYLISK SYKLUS

TRIKARBOKSYLISKE SYKLUS - sitronsyresyklusen eller Krebs-syklusen er en bredt representert vei i organismer til dyr, planter og mikrober for oksidative transformasjoner av di- og trikarboksylsyrer dannet som mellomprodukter under nedbryting og syntese av proteiner, fett og karbohydrater. Oppdaget av H. Krebs og W. Johnson (1937). Denne syklusen er grunnlaget for metabolisme og utfører to viktige funksjoner - å forsyne kroppen med energi og integrere alle de viktigste metabolske strømmene, både katabolske (biologisk nedbrytning) og anabole (biosyntese).

Krebs-syklusen består av 8 stadier (mellomprodukter er uthevet i to stadier i diagrammet), der følgende skjer:

1) fullstendig oksidasjon av acetylresten til to CO2-molekyler,

2) det dannes tre molekyler med redusert nikotinamidadenindinukleotid (NADH) og ett redusert flavinadenindinukleotid (FADH2), som er hovedkilden til energi som produseres i syklusen og

3) ett molekyl guanosintrifosfat (GTP) dannes som et resultat av den såkalte substratoksidasjonen.

Generelt er banen energetisk gunstig (DG0" = –14,8 kcal.)

Krebs-syklusen, lokalisert i mitokondrier, begynner med sitronsyre (citrat) og slutter med dannelsen av oksaloeddiksyre (oksaloacetat - OA). Substratene til syklusen inkluderer trikarboksylsyrer - sitronsyre, cis-akonitsyre, isositrisk, oksalosuksinat (oksalosuksinat) og dikarboksylsyre - 2-ketoglutarsyre (KG), ravsyre, fumarsyre, eplesyre (malat) og oksaloeddiksyre. Substrater i Krebs-syklusen inkluderer også eddiksyre, som i sin aktive form (dvs. i form av acetylkoenzym A, acetyl-SCoA) deltar i kondensering med oksaloeddiksyre, noe som fører til dannelse av sitronsyre. Det er acetylresten som inngår i strukturen til sitronsyre som oksideres; karbonatomer oksideres til CO2, hydrogenatomer aksepteres delvis av koenzymer av dehydrogenaser, og går delvis over i løsning, det vil si til miljøet i protonert form.

Pyruvinsyre (pyruvat), som dannes under glykolyse og opptar et av de sentrale stedene i kryssende metabolske veier, er vanligvis indikert som startforbindelsen for dannelsen av acetyl-CoA. Under påvirkning av et enzym med kompleks struktur - pyruvatdehydrogenase (CP1.2.4.1 - PDHase), oksideres pyruvat til CO2 (første dekarboksylering), acetyl-CoA og reduseres med NAD (se diagram). Imidlertid er oksidasjon av pyruvat langt fra den eneste måten å danne acetyl-CoA på, som også er et karakteristisk produkt av oksidasjon av fettsyrer (tiolaseenzym eller fettsyresyntetase) og andre reaksjoner ved nedbrytning av karbohydrater og aminosyrer. Alle enzymer involvert i reaksjonene i Krebs-syklusen er lokalisert i mitokondrier, de fleste av dem er løselige, og succinatdehydrogenase (KF1.3.99.1) er tett assosiert med membranstrukturer.

Dannelsen av sitronsyre, med syntesen som den egentlige syklusen begynner, ved hjelp av sitratsyntase (EC4.1.3.7 - det kondenserende enzymet i diagrammet), er en endergonisk reaksjon (med energiabsorpsjon), og dens implementering er mulig på grunn av bruken av den energirike bindingen til acetylresten med KoA [CH3CO~SKoA]. Dette er hovedstadiet for regulering av hele syklusen. Dette etterfølges av isomerisering av sitronsyre til isositronsyre gjennom det mellomliggende stadiet av dannelsen av cis-akonitsyre (enzymet akonitase KF4.2.1.3, har absolutt stereospesifisitet - følsomhet for plasseringen av hydrogen). Produktet av videre transformasjon av isositronsyre under påvirkning av den tilsvarende dehydrogenase (isositratdehydrogenase KF1.1.1.41) er tilsynelatende oksaloravsyre, hvis dekarboksylering (det andre CO2-molekylet) fører til CG. Dette stadiet er også strengt regulert. I en rekke karakteristika (høy molekylvekt, kompleks flerkomponentstruktur, trinnvise reaksjoner, delvis de samme koenzymer, etc.) ligner KH-dehydrogenase (EC1.2.4.2) PDHase. Reaksjonsproduktene er CO2 (tredje dekarboksylering), H+ og succinyl-CoA. På dette stadiet aktiveres succinyl-CoA-syntetase, ellers kalt succinat-tiokinase (EC6.2.1.4), og katalyserer den reversible reaksjonen av dannelsen av fritt succinat: Succinyl-CoA + Pneorg + GDP = Succinat + KoA + GTP. Under denne reaksjonen skjer såkalt substratfosforylering, d.v.s. dannelse av energirikt guanosintrifosfat (GTP) på bekostning av guanosindifosfat (BNP) og mineralfosfat (Pneorg) ved bruk av energien til succinyl-CoA. Etter dannelsen av succinat trer succinatdehydrogenase (KF1.3.99.1), et flavoprotein, inn i handling, noe som fører til fumarsyre. FAD er knyttet til proteindelen av enzymet og er den metabolsk aktive formen av riboflavin (vitamin B2). Dette enzymet er også preget av absolutt stereospesifisitet i hydrogeneliminering. Fumarase (EC4.2.1.2) sikrer balansen mellom fumarsyre og eplesyre (også stereospesifikk), og eplesyredehydrogenase (malatdehydrogenase EC1.1.1.37, som krever koenzymet NAD +, er også stereospesifikk) fører til fullføringen av Krebs-syklusen, det vil si til dannelse av oksaloeddiksyre. Etter dette gjentas kondensasjonsreaksjonen av oksaloeddiksyre med acetyl-CoA, noe som fører til dannelse av sitronsyre, og syklusen gjenopptas.

Succinatdehydrogenase er en del av det mer komplekse succinatdehydrogenasekomplekset (kompleks II) i respirasjonskjeden, og tilfører reduserende ekvivalenter (NAD-H2) dannet under reaksjonen til respirasjonskjeden.

Ved å bruke eksemplet med PDHase kan du bli kjent med prinsippet om kaskaderegulering av metabolsk aktivitet på grunn av fosforylering-defosforylering av det tilsvarende enzymet med spesiell kinase og fosfatase PDHase. Begge er koblet til PDGase.

TRIKARBOKSYLISK SYKLUS

Det antas at katalysen av individuelle enzymatiske reaksjoner utføres som en del av et supramolekylært "superkompleks", det såkalte "metabolonet". Fordelene med en slik organisering av enzymer er at det ikke er noen diffusjon av kofaktorer (koenzymer og metallioner) og substrater, og dette bidrar til mer effektiv drift av syklusen.

Energieffektiviteten til prosessene som vurderes er lav, men 3 mol NADH og 1 mol FADH2 dannet under oksidasjonen av pyruvat og påfølgende reaksjoner i Krebs-syklusen er viktige produkter av oksidative transformasjoner. Deres videre oksidasjon utføres av enzymer i respirasjonskjeden også i mitokondrier og er assosiert med fosforylering, dvs. dannelsen av ATP på grunn av forestring (dannelse av organofosforestere) av mineralfosfat. Glykolyse, den enzymatiske virkningen av PDHase og Krebs-syklusen - totalt 19 reaksjoner - bestemmer den fullstendige oksidasjonen av ett molekyl glukose til 6 molekyler CO2 med dannelsen av 38 molekyler ATP - denne "energivalutaen" i cellen. Prosessen med oksidasjon av NADH og FADH2 av enzymer i respirasjonskjeden er energisk veldig effektiv, skjer ved bruk av atmosfærisk oksygen, fører til dannelse av vann og fungerer som hovedkilden til energiressurser i cellen (mer enn 90%). Imidlertid er enzymer fra Krebs-syklusen ikke involvert i dens direkte implementering. Hver menneskelig celle har fra 100 til 1000 mitokondrier, som gir vital energi.

Grunnlaget for den integrerende funksjonen til Krebs-syklusen i metabolismen er at karbohydrater, fett og aminosyrer fra proteiner til slutt kan omdannes til mellomprodukter (mellomprodukter) av denne syklusen eller syntetiseres fra dem. Fjerning av mellomprodukter fra syklusen under anabolisme må kombineres med fortsettelsen av den katabolske aktiviteten til syklusen for konstant dannelse av ATP som er nødvendig for biosyntese. Dermed må sløyfen utføre to funksjoner samtidig. Samtidig kan konsentrasjonen av mellomprodukter (spesielt OA) synke, noe som kan føre til en farlig nedgang i energiproduksjonen. For å forhindre dette finnes det "sikkerhetsventiler" kalt anaplerotiske reaksjoner (fra gresk "å fylle"). Den viktigste reaksjonen er syntesen av OA fra pyruvat, utført av pyruvatkarboksylase (EC6.4.1.1), også lokalisert i mitokondrier. Som et resultat akkumuleres en stor mengde OA, noe som sikrer syntesen av sitrat og andre mellomprodukter, noe som gjør at Krebs-syklusen kan fungere normalt og samtidig sørger for fjerning av mellomprodukter inn i cytoplasmaet for påfølgende biosyntese. Således, på nivået av Krebs-syklusen, skjer en effektivt koordinert integrasjon av prosessene for anabolisme og katabolisme under påvirkning av en rekke og subtile reguleringsmekanismer, inkludert hormonelle.

Under anaerobe forhold, i stedet for Krebs-syklusen, fungerer dens oksidative gren til KG (reaksjonene 1, 2, 3) og dens reduktive grenfunksjoner fra OA til succinat (reaksjonene 8®7®6). I dette tilfellet lagres ikke mye energi, og syklusen leverer kun mellomprodukter for cellulær syntese.

Når kroppen går over fra hvile til aktivitet, oppstår behovet for å mobilisere energi og metabolske prosesser. Dette oppnås spesielt hos dyr ved å shunte de langsomste reaksjonene (1–3) og dominerende oksidasjon av succinat. I dette tilfellet dannes KG, det første substratet til den forkortede Krebs-syklusen, i den raske transamineringsreaksjonen (amingruppeoverføring)

Glutamat + OA = CG + aspartat

En annen modifikasjon av Krebs-syklusen (den såkalte 4-aminobutyrat-shunten) er omdannelsen av KG til succinat gjennom glutamat, 4-aminobutyrat og rav-semialdehyd (3-formylpropionsyre). Denne modifikasjonen er viktig i hjernevev, hvor omtrent 10 % av glukosen brytes ned gjennom denne banen.

Den nære koblingen av Krebs-syklusen med respirasjonskjeden, spesielt i dyremitokondrier, samt hemming av de fleste enzymer i syklusen under påvirkning av ATP, bestemmer en reduksjon i aktiviteten til syklusen ved et høyt fosforylpotensial i celle, dvs. ved et høyt ATP/ADP-konsentrasjonsforhold. I de fleste planter, bakterier og mange sopp overvinnes den tette koblingen ved utvikling av ukoblede alternative oksidasjonsveier, som gjør at samtidig respirasjon og syklusaktivitet kan opprettholdes på et høyt nivå selv ved et høyt fosforylpotensial.

Igor Rapanovich

TRIKARBOKSYLISK SYKLUS

tidligere

← 1 2 3 neste

Litteratur

Strayer L. Biokjemi. Per. fra engelsk M., Mir, 1985

Bohinski R. Moderne syn i biokjemi. Oversatt fra engelsk, M., Mir, 1987

Knorre D.G., Myzina S.D. Biologisk kjemi. M., videregående skole, 2003

Kolman J., Rem K.-G. Visuell biokjemi. M., Mir, 2004

Kort historisk informasjon

Vår favorittsyklus er TCA-syklusen, eller trikarboksylsyresyklusen - livet på jorden og under jorden og i jorden... Stopp, generelt er dette den mest fantastiske mekanismen - den er universell, det er en måte å oksidere nedbrytningsprodukter av karbohydrater, fett, proteiner i cellene til levende organismer, som et resultat Vi får energi til aktivitetene til kroppen vår.

Denne prosessen ble oppdaget av Hans Krebs selv, som han fikk Nobelprisen for!

Han ble født 25. august - 1900 i den tyske byen Hildesheim. Han fikk medisinsk utdannelse fra Universitetet i Hamburg og fortsatte biokjemisk forskning under ledelse av Otto Warburg i Berlin.

I 1930 oppdaget han sammen med sin student prosessen med å nøytralisere ammoniakk i kroppen, som var til stede i mange representanter for den levende verden, inkludert mennesker. Denne syklusen er urea-syklusen, som også er kjent som Krebs-syklusen #1.

Da Hitler kom til makten, emigrerte Hans til Storbritannia, hvor han fortsetter å studere naturvitenskap ved universitetene i Cambridge og Sheffield. Han utviklet forskningen til den ungarske biokjemikeren Albert Szent-Györgyi, fikk et innblikk og laget den mest kjente Krebs-syklusen nr. 2, eller med andre ord "Szent-Györgyö – Krebs-syklusen" - 1937.

Forskningsresultatene sendes til tidsskriftet Nature, som nekter å publisere artikkelen. Så flyr teksten til magasinet «Enzymologia» i Holland. Krebs mottok Nobelprisen i 1953 i fysiologi eller medisin.

Oppdagelsen var overraskende: I 1935 fant Szent-Györgyi at ravsyre, oksaleddiksyre, fumarsyre og eplesyre (alle 4 syrer er naturlige kjemiske komponenter i dyreceller) forsterker oksidasjonsprosessen i brystmuskelen til duen. Som ble makulert.

Det er i det at metabolske prosesser skjer med høyeste hastighet.

F. Knoop og K. Martius fant i 1937 at sitronsyre omdannes til isositronsyre gjennom et mellomprodukt, cis - akonitsyre. I tillegg kan isositronsyre omdannes til a-ketoglutarsyre, og det til ravsyre.

Krebs la merke til effekten av syrer på absorpsjonen av O2 av brystmuskelen til en due og identifiserte en aktiverende effekt på oksidasjonen av PVC og dannelsen av acetyl-koenzym A. I tillegg ble prosessene i muskelen hemmet av malonsyre , som ligner på ravsyre og kan konkurrerende hemme enzymer hvis substrat er ravsyre .

Da Krebs tilsatte malonsyre til reaksjonsmediet, begynte akkumuleringen av a-ketoglutarsyre, sitronsyre og ravsyre. Dermed er det klart at den kombinerte virkningen av a-ketoglutarsyre og sitronsyre fører til dannelsen av ravsyre.

Hans undersøkte mer enn 20 andre stoffer, men de påvirket ikke oksidasjonen. Ved å sammenligne dataene som ble oppnådd, mottok Krebs en syklus. Helt i begynnelsen kunne forskeren ikke si sikkert om prosessen begynte med sitronsyre eller isositronsyre, så han kalte det "trikarboksylsyresyklusen."

Nå vet vi at den første er sitronsyre, så det riktige navnet er sitratsyklusen eller sitronsyresyklusen.

I eukaryoter forekommer TCA-syklusreaksjoner i mitokondrier, mens alle enzymer for katalyse, bortsett fra 1, er inneholdt i en fri tilstand i mitokondriematrisen; unntaket er succinatdehydrogenase, som er lokalisert på den indre membranen av mitokondriet og er innebygd i mitokondriet. lipid-dobbeltlaget. Hos prokaryoter skjer reaksjonene i syklusen i cytoplasmaet.

La oss møte deltakerne i syklusen:

2) PIKE – Oksaloacetat – Oksaleddiksyre:
ser ut til å bestå av to deler: oksalsyre og eddiksyre.

3-4) Sitronsyre og isositronsyre:

5) a-ketoglutarsyre:

6) Succinyl-koenzym A:

7) Ravsyre:

8) Fumarsyre:

9) Eplesyre:

Hvordan oppstår reaksjoner? Generelt er vi alle vant til utseendet til ringen, som er vist nedenfor på bildet. Nedenfor er alt beskrevet trinn for trinn:

1. Kondensering av acetylkoenzym A og oksaloeddiksyre ➙ sitronsyre.

Omdannelsen av acetylkoenzym A begynner med kondensering med oksaloeddiksyre, noe som resulterer i dannelse av sitronsyre.

Reaksjonen krever ikke forbruk av ATP, siden energien for denne prosessen tilveiebringes som et resultat av hydrolyse av tioeterbindingen med acetylkoenzym A, som er høyenergisk:

2. Sitronsyre går gjennom cis-akonitsyre til isositronsyre.

Isomerisering av sitronsyre til isositronsyre skjer. Konverteringsenzymet - aconitase - dehydrerer først sitronsyre for å danne cis-akonitsyre, og kobler deretter vann til dobbeltbindingen til metabolitten, og danner isositronsyre:

3. Isositronsyre dehydrogeneres for å danne α-ketoglutarsyre og CO2.

Isositronsyre oksideres av en spesifikk dehydrogenase, hvis koenzym er NAD.

Samtidig med oksidasjon skjer dekarboksylering av isositronsyre. Som et resultat av transformasjoner dannes α-ketoglutarsyre.

4. Alfa-ketoglutarsyre dehydrogeneres av ➙ succinyl-koenzym A og CO2.

Det neste trinnet er oksidativ dekarboksylering av α-ketoglutarsyre.

Katalysert av α-ketoglutarat dehydrogenase-komplekset, som i mekanisme, struktur og virkning ligner pyruvat-dehydrogenasekomplekset. Som et resultat dannes succinyl-CoA.

5. Succinylkoenzym A ➙ ravsyre.

Succinyl-CoA hydrolyseres til fri ravsyre, energien som frigjøres lagres ved dannelse av guanosintrifosfat. Dette stadiet er det eneste i syklusen der energi frigjøres direkte.

6. Ravsyre er dehydrogenert ➙ fumarsyre.

Dehydrogeneringen av ravsyre akselereres av succinatdehydrogenase, dens koenzym er FAD.

7. Fumarsyre er hydrert ➙ eplesyre.

Fumarsyre, som dannes ved dehydrogenering av ravsyre, hydreres og eplesyre dannes.

8. Eplesyre dehydrogeneres ➙ Oksal-eddiksyre - syklusen lukkes.

Den siste prosessen er dehydrogenering av eplesyre, katalysert av malatdehydrogenase;

Resultatet av stadiet er metabolitten som trikarboksylsyresyklusen begynner med - Oksal-eddiksyre.

I reaksjon 1 i neste syklus vil en annen mengde acetylkoenzym A komme inn.

Hvordan huske denne syklusen? Bare!

2) Nok et langt dikt:

PIKE spiste acetat, viser det seg citrat,
Gjennom cisaconitate vil det bli isositrat.
Etter å ha gitt opp hydrogen til NAD, mister den CO2,
Alpha-ketoglutarate er ekstremt glad for dette.
Oksidasjonen kommer - NAD har stjålet hydrogen,
TDP, koenzym A tar CO2.
Og energien dukket knapt opp i succinyl,
Umiddelbart ble ATP født og det som gjensto var succinat.
Nå kom han til FAD - han trenger hydrogen,
Fumaratet drakk av vannet og ble til malat.
Så kom NAD til å malate, skaffet seg hydrogen,
GJEDDEN dukket opp igjen og gjemte seg stille.

3) Det originale diktet - kort fortalt:

PIKE ACTYL LIMONIL,
Men hesten var redd for narcissus,
Han er over ham ISOLIMON
ALFA - KETOGLUTARASED.
SUKKINALISERT MED KOENSYM,
AMBER FUMAROVO,
Lagret opp noen EPLER for vinteren,
Forvandlet til en GJEDD igjen.