V kateri fazi poteka cikel trikarboksilne kisline? Cikel trikarboksilnih kislin (Krebsov cikel). Polnjenje bazena metabolitov cikla TCA iz aminokislin

4. Cikel trikarboksilnih kislin

Druga komponenta splošne katabolne poti je cikel TCA. Ta cikel sta leta 1937 odkrila Krebs in Johnson. Leta 1948 sta Kennedy in Lehninger dokazala, da so encimi cikla TCA lokalizirani v mitohondrijskem matriksu.

4.1. Kemija cikla trikarboksilne kisline. Proste ocetne kisline ni mogoče oksidirati z dehidrogenacijo. Zato je v svoji aktivni obliki (acetil-CoA) predhodno vezan na oksaloacetat (OA, oksalocetna kislina), pri čemer nastane citrat.

1. Acetil-CoA se združi z oksaloacetatom v reakciji aldolne kondenzacije, ki jo katalizira citrat sintaza. Nastane citril-CoA. Citril-CoA se hidrolizira s sodelovanjem vode v citrat in HS-CoA.

2. Akonitat hidrataza (A conitasis) katalizira pretvorbo citrata v izocitrat skozi stopnjo cis-akonitne kisline. Mehanizem delovanja akonitaze je tako hidratazni kot izomerazni.

3. Izocitrat dehidrogenaza katalizira dehidrogenacijo izocitrične kisline v oksalosukcinat (oksalosukcinska kislina), ki se nato dekarboksilira v 2-oksoglutarat (α-ketoglutarat). Koencim je NAD+ (v mitohondrijih) in NADP+ (v citosolu in mitohondrijih).

4. 2-oksoglutarat dehidrogenazni kompleks (α-ketoglutarat dehidrogenazni kompleks) katalizira oksidativno dekarboksilacijo 2-oksoglutarata v sukcinil-CoA. Multiencim 2-oksoglutarat dehidrogenaza kompleks je podoben kompleksu piruvat dehidrogenaze in proces poteka podobno kot oksidativna dekarboksilacija piruvata.

5. sukciniltiokinaza katalizira cepitev sukcinil-CoA v jantarno kislino in koencim A. Energija iz cepitve sukcinil-CoA se shrani v obliki gvanozin trifosfata (GTP). V reakciji sklopljene refosforilacije se ADP fosforilira v ATP in sproščene molekule GDP se lahko ponovno fosforilirajo ( fosforilacija substrata). V rastlinah je encim specifičen za ADP in ATP.

6. Sukcinat dehidrogenaza katalizira pretvorbo sukcinata v fumarno kislino. Encim je stereospecifičen, je integralni protein, saj je vgrajen v notranjo membrano mitohondrijev in vsebuje FAD in železo-žveplove proteine ​​kot protetične skupine. FADN 2 ni ločen od encima, dva elektrona pa se nato preneseta na koencim Q transportne verige elektronov notranje mitohondrijske membrane.

7.Fumarat hidrataza (fumaraza) katalizira pretvorbo fumarne kisline v jabolčno kislino (malat) s sodelovanjem vode. Encim je stereospecifičen in proizvaja le L-malat.

8.Malat dehidrogenaza katalizira oksidacijo jabolčne kisline v oksaloacetat. Koencim malat dehidrogenaza - NAD +. Nato se oksaloacetat ponovno kondenzira z acetil-CoA in cikel se ponovi.

4.2. Biološki pomen in regulacija cikla trikarboksilnih kislin. Cikel trikarboksilne kisline je sestavni del splošne katabolne poti, v kateri pride do oksidacije gorivnih molekul ogljikovih hidratov, maščobnih kislin in aminokislin. Večina molekul goriva vstopi v cikel TCA v obliki acetil-CoA (slika 1). Vse reakcije cikla TCA potekajo dosledno v eno smer. Skupna vrednost D G 0 ¢ = -40 kJ/mol.

Med zdravniki že dolgo velja fraza: "Maščobe gorijo v plamenih ogljikovih hidratov." Razumeti ga je treba kot oksidacijo acetil-CoA, katere glavni vir je β-oksidacija maščobnih kislin, po kondenzaciji z oksaloacetatom, ki nastane predvsem iz ogljikovih hidratov (med karboksilacijo piruvata). V primeru motenj presnove ogljikovih hidratov ali stradanja nastane pomanjkanje oksaloacetata, kar povzroči zmanjšanje oksidacije acetil-CoA v ciklu TCA.

Slika 1. Vloga cikla TCA pri celičnem dihanju. 1. stopnja (TCA cikel) ekstrakcija 8 elektronov iz molekule acetil-CoA; 2. stopnja (prenosna veriga elektronov) redukcija dveh molekul kisika in tvorba protonskega gradienta (~36 H +); Stopnja 3 (ATP sintaza) uporablja energijo protonskega gradienta za tvorbo ATP (~9 ATP) (Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L. Biochemistry. N-Y: W.H. Freeman and Company, 2002).

Glavno presnovno vlogo cikla TCA lahko predstavimo v obliki dveh procesov: 1) serije redoks reakcij, zaradi katerih se acetilna skupina oksidira v dve molekuli CO 2; 2) štirikratna dehidrogenacija, ki vodi do tvorbe 3 molekul NADH + H + in 1 molekule FADH 2 . Kisik je potreben za delovanje cikla TCA posredno kot akceptor elektronov na koncu transportnih verig elektronov in za regeneracijo NAD + in FAD.

Sinteza in hidroliza ATP je bistvenega pomena za uravnavanje cikla TCA.

1. Izocitrat dehidrogenazo alosterično aktivira ADP s povečanjem afinitete encima za substrat. NADH zavira ta encim tako, da nadomesti NAD+. ATP zavira tudi izocitrat dehidrogenazo. Pomembno je, da transformacija metabolitov v cikel TCA zahteva NAD + in FAD v več fazah, katerih količina zadostuje le v pogojih nizkega energijskega naboja.

2. Aktivnost kompleksa 2-oksoglutarat dehidrogenaze (α-ketoglutarat dehidrogenaze) je regulirana podobno kot regulacija kompleksa piruvat dehidrogenaze. . Ta kompleks inhibirata sukcinil-CoA in NADH (končna produkta transformacij, kataliziranih s kompleksom 2-oksoglutarat dehidrogenaze). Poleg tega kompleks 2-oksoglutarat dehidrogenaze zavira visok energijski naboj celice. Torej se hitrost pretvorbe v cikel TCA zmanjša z zadostno oskrbo celice z ATP (slika 11.2). V številnih bakterijah citrat sintazo alosterično inhibira ATP s povečanjem Km za acetil-CoA.

Shema regulacije splošne katabolne poti je predstavljena na sliki 2.

riž. 2. Regulacija splošne poti katabolizma. Glavni molekuli, ki uravnavata delovanje cikla TCA sta ATP in NADH. Glavni točki regulacije sta izocitrat dehidrogenaza in 2-oksoglutarat dehidrogenazni kompleks.

4.3. Energijska vloga skupne katabolne poti

Na splošni poti katabolizma nastanejo 3 molekule CO 2 iz 1 molekule piruvične kisline v naslednjih reakcijah: pri oksidativni dekarboksilaciji piruvične kisline, pri dekarboksilaciji izocitrinske kisline in pri dekarboksilaciji 2-oksoglutarne kisline. Skupno se med oksidacijo 1 molekule piruvične kisline odstrani pet parov vodikovih atomov, od tega en par iz sukcinata in gre v FAD s tvorbo FADH 2, štirje pari pa se vzamejo v 4 molekule NAD + s tvorbo 4 molekul NADH + H + med oksidativno dekarboksilacijo piruvične kisline , 2-oksoglutarne kisline, dehidrogenacijo izocitrata in malata. Na koncu se atomi vodika prenesejo na kisik, da nastanejo 5 molekul H2O, sproščena energija pa se kopiči v reakcijah oksidativne fosforilacije v obliki molekul ATP.

Skupna vsota:

1. Oksidativna dekarboksilacija piruvata ~ 2,5 ATP.

2. V ciklu TCA in povezanih dihalnih verigah je ~9 ATP.

3. V reakciji fosforilacije substrata cikla TCA ~ 1 ATP.

V ciklu TCA in z njim povezanih reakcijah oksidativne fosforilacije nastane približno 10 ATP med oksidacijo acetilne skupine ene molekule acetil-CoA.

Skupno se na splošni poti katabolizma kot posledica transformacij 1 molekule piruvične kisline sprosti približno 12,5 molekul ATP.

Govoril sem o tem, kaj pravzaprav je, zakaj je Krebsov cikel potreben in kakšno mesto zavzema v metabolizmu. Zdaj pa se spustimo k samim reakcijam tega cikla.

Takoj rezerviram - zame osebno je bilo pomnjenje reakcij popolnoma nesmiselna dejavnost, dokler nisem rešil zgornjih vprašanj. Če pa ste že razumeli teorijo, predlagam, da preidete na prakso.

Vidite lahko veliko načinov za pisanje Krebsovega cikla. Najpogostejše možnosti so nekaj takega:

Najbolj primerna pa se mi je zdela metoda pisanja reakcij iz dobrega starega učbenika o biokemiji avtorjev T. T. Berezov. in Korovkina B.V.

Prva reakcija

Acetil-CoA in nam že znana oksaloacetat se združita in spremenita v citrat, tj. citronska kislina.

Druga reakcija

Zdaj vzamemo citronsko kislino in jo zavrtimo izocitrična kislina. Drugo ime za to snov je izocitrat.

Dejansko je ta reakcija nekoliko bolj zapletena, skozi vmesno stopnjo - nastanek cis-akonitne kisline. Vendar sem se odločil, da ga poenostavim, da si ga boste bolje zapomnili. Po potrebi lahko tukaj dodate manjkajoči korak, če se spomnite vsega drugega.

V bistvu sta funkcionalni skupini preprosto zamenjali mesti.

Tretja reakcija

Torej, imamo izocitrično kislino. Zdaj ga je treba dekarboksilirati (to pomeni odstraniti COOH) in dehidrogenirati (to pomeni odstraniti H). Nastala snov je a-ketoglutarat.

Ta reakcija je značilna za nastanek kompleksa HADH 2. To pomeni, da transporter NAD pobere vodik, da zažene dihalno verigo.

Všeč mi je različica reakcij Krebsovega cikla v učbeniku Berezova in Korovkina ravno zato, ker so atomi in funkcionalne skupine, ki sodelujejo v reakcijah, takoj jasno vidne.

Četrta reakcija

Spet nikotin Amid Adenin Dinukleotid deluje kot ura, torej NAD. Ta lep nosilec pride sem, tako kot v zadnjem koraku, da zgrabi vodik in ga prenese v dihalno verigo.

Mimogrede, nastala snov je sukcinil-CoA, naj vas ne prestraši. Sukcinat je drugo ime za jantarno kislino, ki vam je poznana iz časov bioorganske kemije. Sukcinil-Coa je spojina jantarne kisline s koencimom-A. Lahko rečemo, da je to ester jantarne kisline.

Peta reakcija

V prejšnjem koraku smo rekli, da je sukcinil-CoA ester jantarne kisline. In zdaj bomo dobili samega jantarna kislina, to je sukcinat, iz sukcinil-CoA. Izjemno pomembna točka: prav v tej reakciji je fosforilacija substrata.

Fosforilacija na splošno (lahko je oksidativna in substratna) je dodatek fosforjeve skupine PO 3 k GDP ali ATP, da dobimo popolno GTF, oziroma ATP. Substrat se razlikuje po tem, da je ta ista fosforna skupina odtrgana od katere koli snovi, ki jo vsebuje. No, preprosto povedano, prenese se iz PODLAGE na HDF ali ADP. Zato se imenuje "fosforilacija substrata."

Še enkrat: na začetku fosforilacije substrata imamo molekulo difosfata – gvanozin difosfat ali adenozin difosfat. Fosforilacija je sestavljena iz dejstva, da se molekula z dvema ostankoma fosforne kisline - HDP ali ADP - "dopolni" v molekulo s tremi ostanki fosforne kisline, da nastane gvanozin TRIfosfat ali adenozin TRIfosfat. Ta proces poteka med pretvorbo sukcinil-CoA v sukcinat (tj. jantarno kislino).

Na diagramu lahko vidite črke F (n). Pomeni "anorganski fosfat". Anorganski fosfat se prenese iz substrata v HDP, tako da reakcijski produkti vsebujejo dober, popoln GTP. Zdaj pa poglejmo samo reakcijo:

Šesta reakcija

Naslednja preobrazba. Tokrat se bo spremenila jantarna kislina, ki smo jo pridobili v zadnjem koraku fumarat, upoštevajte novo dvojno vez.

Diagram jasno prikazuje, kako sodeluje pri reakciji FAD: Ta neumorni prenašalec protonov in elektronov pobere vodik in ga vleče neposredno v dihalno verigo.

Sedma reakcija

Smo že na cilju. Predzadnja stopnja Krebsovega cikla je reakcija, ki pretvori fumarat v L-malat. L-malat je drugo ime L-jabolčna kislina, poznan iz predmeta bioorganska kemija.

Če pogledate samo reakcijo, boste videli, da je, prvič, obojestranska, in drugič, njeno bistvo je hidracija. To pomeni, da fumarat preprosto veže molekulo vode nase, kar povzroči L-jabolčno kislino.

Osma reakcija

Zadnja reakcija Krebsovega cikla je oksidacija L-jabolčne kisline v oksaloacetat, tj. oksaloocetna kislina. Kot razumete, sta "oksaloacetat" in "oksalocetna kislina" sinonima. Verjetno se spomnite, da je oksaloocetna kislina sestavni del prve reakcije Krebsovega cikla.

Tukaj opazimo posebnost reakcije: tvorba NADH 2, ki bo prenašal elektrone v dihalno verigo. Ne pozabite tudi na reakcije 3,4 in 6, tam nastajajo tudi nosilci elektronov in protonov za dihalno verigo.

Kot lahko vidite, sem z rdečo barvo posebej poudaril reakcije, med katerimi nastaneta NADH in FADH2. To so zelo pomembne snovi za dihalno verigo. Z zeleno sem označil reakcijo, pri kateri pride do fosforilacije substrata in nastane GTP.

Kako si vse to zapomniti?

Pravzaprav ni tako težko. Potem ko ste v celoti prebrali moja dva članka, pa tudi vaš učbenik in predavanja, morate le vaditi pisanje teh reakcij. Priporočam, da si zapomnite Krebsov cikel v blokih po 4 reakcije. Večkrat zapišite te 4 reakcije in za vsako izberite asociacijo, ki ustreza vašemu spominu.

Na primer, takoj sem se zelo zlahka spomnil druge reakcije, pri kateri nastane izocitrična kislina iz citronske kisline (ki je, mislim, vsem znana že od otroštva).

Uporabite lahko tudi mnemonike, kot je: " Cel ananas in kos sufleja sta pravzaprav moje današnje kosilo, kar ustreza seriji - citrat, cis- akonitat, izocitrat, alfa-ketoglutarat, sukcinil-CoA, sukcinat, fumarat, malat, oksaloacetat." Takšnih je še kup.

Ampak, če sem iskren, mi takšne pesmi skoraj nikoli niso bile všeč. Po moje si je lažje zapomniti samo zaporedje reakcij. Zelo mi je pomagalo, da sem Krebsov cikel razdelil na dva dela, v vsakem pa sem večkrat na uro vadil pisanje. Praviloma se je to dogajalo pri pouku psihologije ali bioetike. To je zelo priročno - ne da bi vas odvrnili od predavanja, lahko porabite dobesedno minuto za pisanje reakcij, kot se jih spomnite, in jih nato preverite s pravilno možnostjo.

Mimogrede, na nekaterih univerzah med testi in izpiti iz biokemije učitelji ne zahtevajo znanja o samih reakcijah. Vedeti morate le, kaj je Krebsov cikel, kje se pojavi, kakšne so njegove značilnosti in pomen ter seveda samo verigo transformacij. Samo verigo lahko poimenujemo brez formul, le z uporabo imen snovi. Ta pristop po mojem mnenju ni brez pomena.

Upam, da vam je bil moj vodnik po ciklu TCA v pomoč. In želim vas opozoriti, da ta dva članka nista popolna zamenjava za vaša predavanja in učbenike. Napisal sem jih samo zato, da približno razumete, kaj je Krebsov cikel. Če nenadoma opazite kakšno napako v mojem vodniku, o tem napišite v komentarjih. Hvala za vašo pozornost!

Cikel trikarboksilne kisline je leta 1937 odkril G. Krebs. V zvezi s tem so ga imenovali "Krebsov cikel". Ta proces je osrednja pot metabolizma. Pojavlja se v celicah organizmov na različnih stopnjah evolucijskega razvoja (mikroorganizmi, rastline, živali).

Začetni substrat cikla trikarboksilne kisline je acetil koencim A. Ta metabolit je aktivna oblika ocetne kisline. Ocetna kislina deluje kot običajen vmesni produkt razgradnje skoraj vseh organskih snovi, ki jih vsebujejo celice živih organizmov. To je zato, ker so organske molekule ogljikove spojine, ki se lahko naravno razgradijo v enote ocetne kisline z dvema ogljikoma.

Prosta ocetna kislina ima razmeroma šibko reaktivnost. Njegove transformacije se dogajajo v precej težkih pogojih, ki v živi celici niso realni. Zato se ocetna kislina v celicah aktivira tako, da se združi s koencimom A. Posledično nastane presnovno aktivna oblika ocetne kisline - acetil-koencim A.

Koencim A je nizkomolekularna spojina, ki jo sestavljajo fosfoadenozin, ostanek pantotenske kisline (vitamin B3) in tioetanolamin. Ostanek ocetne kisline se doda sulfhidrilni skupini tioetanolamina. V tem primeru nastane tioeter - acetil-koencim A, ki je začetni substrat Krebsovega cikla.

Acetil koencim A

Diagram pretvorbe vmesnih produktov v Krebsovem ciklu je prikazan na sl. 67. Proces se začne s kondenzacijo acetil koencima A z oksaloacetatom (oksaloocetna kislina, OCA), kar povzroči nastanek citronske kisline (citrata). Reakcijo katalizira encim citrat sintaza.

Slika 67 – Shema pretvorbe vmesnih produktov v ciklu

trikarboksilne kisline

Nadalje se citronska kislina pod delovanjem encima akonitaze pretvori v izocitrično kislino. Izocitrična kislina je podvržena procesom oksidacije in dekarboksilacije. Pri tej reakciji, ki jo katalizira encim NAD-odvisna izocitrat dehidrogenaza, so produkti ogljikov dioksid, reduciran NAD in a-ketoglutarna kislina, ki je nato vključena v proces oksidativne dekarboksilacije (slika 68).

Slika 68 – Tvorba a-ketoglutarne kisline v Krebsovem ciklu

Proces oksidativne dekarboksilacije a-ketoglutarata katalizirajo encimi multiencimskega kompleksa a-ketoglutarat dehidrogenaze. Ta kompleks je sestavljen iz treh različnih encimov, za delovanje pa so potrebni koencimi. Koencimi kompleksa a-keto-glutarat dehidrogenaze vključujejo naslednje vodotopne vitamine:

· vitamin B 1 (tiamin) – tiamin pirofosfat;

· vitamin B 2 (riboflavin) – FAD;

· vitamin B 3 (pantotenska kislina) – koencim A;

· vitamin B 5 (nikotinamid) – NAD;

· vitaminom podobna snov – lipoična kislina.

Shematično lahko proces oksidativne dekarboksilacije a-keto-glutarne kisline predstavimo kot naslednjo ravnotežno reakcijsko enačbo:

Produkt tega procesa je tioester ostanka jantarne kisline (sukcinat) s koencimom A - sukcinil-koencim A. Tioestrska vez sukcinil-koencima A je makroergična.

Naslednja reakcija Krebsovega cikla je proces fosforilacije substrata. V njem se tioestrska vez sukcinil-koencima A hidrolizira pod delovanjem encima sukcinil-CoA sintetaze s tvorbo jantarne kisline (sukcinata) in prostega koencima A. Ta proces spremlja sproščanje energije, ki se takoj uporablja za fosforilacijo HDP, kar ima za posledico tvorbo visokoenergijske molekule GTP fosfata. Substratna fosforilacija v Krebsovem ciklu:

kjer je Fn ortofosforna kislina.

GTP, ki nastane med oksidativno fosforilacijo, se lahko uporablja kot vir energije v različnih energijsko odvisnih reakcijah (v procesu biosinteze beljakovin, aktivacije maščobnih kislin itd.). Poleg tega lahko GTP uporabimo za ustvarjanje ATP v reakciji nukleozid difosfat kinaze

Produkt reakcije sukcinil-CoA sintetaze, sukcinat, se nadalje oksidira s sodelovanjem encima sukcinat dehidrogenaze. Ta encim je flavin dehidrogenaza, ki vsebuje molekulo FAD kot koencim (prostetična skupina). Kot rezultat reakcije se jantarna kislina oksidira v fumarno kislino. Hkrati se obnovi FAD.

kjer je E protetična skupina FAD, povezana s polipeptidno verigo encima.

Fumarna kislina, ki nastane v reakciji sukcinat dehidrogenaze, pod delovanjem encima fumaraze (slika 69) veže molekulo vode in se pretvori v jabolčno kislino, ki se nato v reakciji malat dehidrogenaze oksidira v oksaloocetno kislino (oksaloacetat). Slednjo lahko ponovno uporabimo v reakciji citrat sintaze za sintezo citronske kisline (slika 67). Zaradi tega so transformacije v Krebsovem ciklu ciklične narave.

Slika 69 – Metabolizem jabolčne kisline v Krebsovem ciklu

Ravnotežno enačbo Krebsovega cikla lahko predstavimo kot:

Kaže, da v ciklu pride do popolne oksidacije acetilnega radikala ostanka iz acetil-koencima A v dve molekuli CO 2. Ta proces spremlja tvorba treh molekul reduciranega NAD, ene molekule reduciranega FAD in ene molekule visokoenergetskega fosfata – GTP.

Krebsov cikel se pojavi v mitohondrijskem matriksu. To je posledica dejstva, da se tu nahaja večina njegovih encimov. In samo en encim, sukcinat dehidrogenaza, je vgrajen v notranjo mitohondrijsko membrano. Posamezni encimi cikla trikarboksilne kisline so združeni v funkcionalni večencimski kompleks (metabolon), povezan z notranjo površino notranje mitohondrijske membrane. Z združevanjem encimov v metabolon se bistveno poveča učinkovitost delovanja te presnovne poti in pojavijo se dodatne možnosti za njeno fino regulacijo.

Značilnosti regulacije cikla trikarboksilne kisline so v veliki meri določene z njegovim pomenom. Ta postopek opravlja naslednje funkcije:

1) energija. Krebsov cikel je najmočnejši vir substratov (reduciranih koencimov – NAD in FAD) za tkivno dihanje. Poleg tega je v njem shranjena energija v obliki visokoenergetskega fosfata – GTP;

2) plastika. Vmesni produkti Krebsovega cikla so predhodniki za sintezo različnih razredov organskih snovi - aminokislin, monosaharidov, maščobnih kislin itd.

Tako Krebsov cikel opravlja dvojno funkcijo: po eni strani je splošna pot katabolizma, ki igra osrednjo vlogo pri oskrbi celice z energijo, po drugi strani pa zagotavlja biosintetske procese s substrati. Takšni presnovni procesi se imenujejo amfibolični. Krebsov cikel je tipičen amfibolični cikel.

Regulacija presnovnih procesov v celici je tesno povezana z obstojem »ključnih« encimov. Ključni encimi v procesu so tisti, ki določajo njegovo hitrost. Običajno je eden od "ključnih" encimov v procesu encim, ki katalizira njegovo začetno reakcijo.

Za »ključne« encime so značilne naslednje lastnosti. Ti encimi

· katalizirajo ireverzibilne reakcije;

· imajo najmanjšo aktivnost v primerjavi z drugimi encimi, ki sodelujejo v procesu;

· so alosterični encimi.

Ključna encima Krebsovega cikla sta citrat sintaza in izocitrat dehidrogenaza. Tako kot ključne encime v drugih presnovnih poteh je njihova aktivnost regulirana z negativno povratno zvezo: zmanjšuje se, ko se koncentracija intermediatov Krebsovega cikla v mitohondrijih povečuje. Tako citronska kislina in sukcinil-koencim A delujeta kot inhibitorja citrat sintaze, zmanjšan NAD pa kot izocitrat dehidrogenaza.

ADP je aktivator izocitrat dehidrogenaze. V pogojih naraščajoče potrebe celice po ATP kot viru energije, ko se v njem poveča vsebnost razgradnih produktov (ADP), nastanejo predpogoji za povečanje stopnje redoks transformacij v Krebsovem ciklu in posledično za povečanje ravni njegove oskrbe z energijo. .

CIKLUS TRIKARBOKSILNIH KISLIN

CIKLES TRIKARBOKSILNIH KISLIN - cikel citronske kisline ali Krebsov cikel je široko zastopana pot v organizmih živali, rastlin in mikrobov za oksidativne transformacije di- in trikarboksilnih kislin, ki nastanejo kot vmesni produkti pri razgradnji in sintezi beljakovin, maščob in ogljikovi hidrati. Odkrila H. Krebs in W. Johnson (1937). Ta cikel je osnova metabolizma in opravlja dve pomembni funkciji – oskrbuje telo z energijo in povezuje vse glavne presnovne tokove, tako katabolne (biorazgradnja) kot anabolične (biosinteza).

Krebsov cikel je sestavljen iz 8 stopenj (vmesni produkti so na diagramu označeni v dveh stopnjah), med katerimi se zgodi naslednje:

1) popolna oksidacija acetilnega ostanka v dve molekuli CO2,

2) nastanejo tri molekule reduciranega nikotinamid adenin dinukleotida (NADH) in en reduciran flavin adenin dinukleotid (FADH2), ki je glavni vir energije, proizvedene v ciklu in

3) ena molekula gvanozin trifosfata (GTP) nastane kot posledica tako imenovane oksidacije substrata.

Na splošno je pot energijsko ugodna (DG0" = –14,8 kcal.)

Krebsov cikel, lokaliziran v mitohondrijih, se začne s citronsko kislino (citrat) in konča s tvorbo oksalocetne kisline (oksaloacetat - OA). Substrati cikla vključujejo trikarboksilne kisline - citronsko, cis-akonitno, izocitrično, oksalosukcinat (oksalosukcinat) in dikarboksilne kisline - 2-ketoglutarno (KG), jantarno, fumarno, jabolčno (malat) in oksaloocetno. Substrati Krebsovega cikla so tudi ocetna kislina, ki v svoji aktivni obliki (tj. v obliki acetil koencima A, acetil-SCoA) sodeluje pri kondenzaciji z oksaloocetno kislino, kar vodi do tvorbe citronske kisline. To je acetilni ostanek, vključen v strukturo citronske kisline, ki se oksidira; ogljikovi atomi se oksidirajo v CO2, vodikove atome delno sprejmejo koencimi dehidrogenaz, delno pa preidejo v raztopino, to je v okolje v protonirani obliki.

Kot izhodiščno spojino za tvorbo acetil-CoA običajno navajamo piruvično kislino (piruvat), ki nastaja pri glikolizi in zavzema eno osrednjih mest v križajočih se presnovnih poteh. Pod vplivom encima s kompleksno strukturo - piruvat dehidrogenaze (CP1.2.4.1 - PDHase) se piruvat oksidira v CO2 (prva dekarboksilacija), acetil-CoA in reducira z NAD (glej diagram). Vendar pa oksidacija piruvata še zdaleč ni edini način za nastanek acetil-CoA, ki je tudi značilen produkt oksidacije maščobnih kislin (encim tiolaza ali sintetaza maščobnih kislin) in drugih reakcij razgradnje ogljikovih hidratov in aminokislin. Vsi encimi, ki sodelujejo v reakcijah Krebsovega cikla, so lokalizirani v mitohondrijih, večina jih je topnih, sukcinat dehidrogenaza (KF1.3.99.1) pa je tesno povezana z membranskimi strukturami.

Tvorba citronske kisline, s sintezo katere se začne pravi cikel, s pomočjo citrat sintaze (EC4.1.3.7 – kondenzacijski encim v diagramu), je endergonska reakcija (z absorpcijo energije) in njeno izvajanje je možno zaradi uporabe energijsko bogate vezi acetilnega ostanka s KoA [CH3CO~SKoA]. To je glavna stopnja regulacije celotnega cikla. Sledi izomerizacija citronske kisline v izocitrično kislino skozi vmesno stopnjo tvorbe cis-akonitne kisline (encim akonitaza KF4.2.1.3, ima absolutno stereospecifičnost - občutljivost na lokacijo vodika). Produkt nadaljnje transformacije izocitrične kisline pod vplivom ustrezne dehidrogenaze (izocitrat dehidrogenaze KF1.1.1.41) je očitno oksalojantarna kislina, katere dekarboksilacija (druga molekula CO2) vodi do CG. Tudi ta stopnja je strogo regulirana. Po številnih značilnostih (visoka molekulska masa, kompleksna večkomponentna struktura, stopenjske reakcije, delno enaki koencimi itd.) KH dehidrogenaza (EC1.2.4.2) spominja na PDHazo. Produkti reakcije so CO2 (tretja dekarboksilacija), H+ in sukcinil-CoA. Na tej stopnji se aktivira sukcinil-CoA sintetaza, sicer imenovana sukcinat tiokinaza (EC6.2.1.4), ki katalizira reverzibilno reakcijo tvorbe prostega sukcinata: sukcinil-CoA + Pneorg + GDP = sukcinat + KoA + GTP. Med to reakcijo pride do tako imenovane fosforilacije substrata, tj. tvorba energijsko bogatega gvanozin trifosfata (GTP) na račun gvanozin difosfata (GDP) in mineralnega fosfata (Pneorg) z uporabo energije sukcinil-CoA. Po nastanku sukcinata začne delovati sukcinat dehidrogenaza (KF1.3.99.1), flavoprotein, ki vodi do fumarne kisline. FAD je povezan z beljakovinskim delom encima in je presnovno aktivna oblika riboflavina (vitamin B2). Za ta encim je značilna tudi absolutna stereospecifičnost pri izločanju vodika. Fumaraza (EC4.2.1.2) zagotavlja ravnovesje med fumarno kislino in jabolčno kislino (tudi stereospecifična), dehidrogenaza jabolčne kisline (malat dehidrogenaza EC1.1.1.37, ki zahteva koencim NAD +, je prav tako stereospecifična) vodi do dokončanja Krebsovega cikla, to je do tvorbe oksaloocetne kisline. Po tem se ponovi reakcija kondenzacije oksaloocetne kisline z acetil-CoA, kar vodi do tvorbe citronske kisline, in cikel se nadaljuje.

Sukcinat dehidrogenaza je del bolj zapletenega kompleksa sukcinat dehidrogenaze (kompleks II) dihalne verige, ki oskrbuje dihalno verigo z redukcijskimi ekvivalenti (NAD-H2), ki nastanejo med reakcijo.

Na primeru PDHase se lahko seznanite s principom kaskadne regulacije presnovne aktivnosti zaradi fosforilacije-defosforilacije ustreznega encima s posebno kinazo in fosfatazo PDHase. Oba sta povezana s PDGase.

CIKLUS TRIKARBOKSILNIH KISLIN

Predpostavlja se, da se kataliza posameznih encimskih reakcij izvaja v okviru supramolekularnega »superkompleksa«, tako imenovanega »metabolona«. Prednosti takšne organizacije encimov so, da ni difuzije kofaktorjev (koencimov in kovinskih ionov) in substratov, kar prispeva k učinkovitejšemu delovanju cikla.

Energetski izkoristek obravnavanih procesov je nizek, vendar sta pomembna produkta oksidativnih transformacij 3 mol NADH in 1 mol FADH2, ki nastaneta pri oksidaciji piruvata in kasnejših reakcijah Krebsovega cikla. Njihovo nadaljnjo oksidacijo izvajajo encimi dihalne verige tudi v mitohondrijih in je povezana s fosforilacijo, t.j. nastanek ATP zaradi esterifikacije (tvorba organofosforjevih estrov) mineralnega fosfata. Glikoliza, encimsko delovanje PDHase in Krebsov cikel - skupaj 19 reakcij - določajo popolno oksidacijo ene molekule glukoze v 6 molekul CO2 s tvorbo 38 molekul ATP - te "energijske valute" celice. Proces oksidacije NADH in FADH2 z encimi dihalne verige je energijsko zelo učinkovit, poteka z uporabo atmosferskega kisika, vodi do tvorbe vode in služi kot glavni vir energetskih virov celice (več kot 90%). Vendar pa encimi Krebsovega cikla niso vključeni v njegovo neposredno izvajanje. Vsaka človeška celica ima od 100 do 1000 mitohondrijev, ki zagotavljajo življenjsko energijo.

Osnova integrativne funkcije Krebsovega cikla v presnovi je, da se lahko ogljikovi hidrati, maščobe in aminokisline iz beljakovin na koncu pretvorijo v intermediate (vmesne produkte) tega cikla ali sintetizirajo iz njih. Odstranitev intermediatov iz cikla med anabolizmom je treba kombinirati z nadaljevanjem katabolne aktivnosti cikla za stalno tvorbo ATP, potrebnega za biosintezo. Tako mora zanka opravljati dve funkciji hkrati. Hkrati se lahko zmanjša koncentracija intermediatov (zlasti OA), kar lahko privede do nevarnega zmanjšanja proizvodnje energije. Da bi to preprečili, obstajajo "varnostni ventili", imenovani anaplerotične reakcije (iz grščine "napolniti"). Najpomembnejša reakcija je sinteza OA iz piruvata, ki jo izvaja piruvat karboksilaza (EC6.4.1.1), prav tako lokalizirana v mitohondrijih. Posledično se kopiči velika količina OA, ki zagotavlja sintezo citrata in drugih intermediatov, kar omogoča normalno delovanje Krebsovega cikla in hkrati zagotavlja odstranitev intermediatov v citoplazmo za nadaljnjo biosintezo. Tako na ravni Krebsovega cikla poteka učinkovito usklajena integracija procesov anabolizma in katabolizma pod vplivom številnih in subtilnih regulativnih mehanizmov, vključno s hormonskimi.

V anaerobnih pogojih namesto Krebsovega cikla njegova oksidativna veja deluje na KG (reakcije 1, 2, 3) in reduktivna veja deluje od OA na sukcinat (reakcije 8®7®6). V tem primeru se veliko energije ne shrani in cikel dobavlja le intermediate za celično sintezo.

Ko telo preide iz počitka v aktivnost, se pojavi potreba po mobilizaciji energije in presnovnih procesov. To se zlasti pri živalih doseže z ranžiranjem najpočasnejših reakcij (1–3) in pretežno oksidacijo sukcinata. V tem primeru KG, začetni substrat skrajšanega Krebsovega cikla, nastane v reakciji hitre transaminacije (prenos aminske skupine)

Glutamat + OA = CG + aspartat

Druga modifikacija Krebsovega cikla (tako imenovani 4-aminobutiratni šant) je pretvorba KG v sukcinat preko glutamata, 4-aminobutirata in jantarnega semialdehida (3-formilpropionske kisline). Ta sprememba je pomembna v možganskem tkivu, kjer se približno 10 % glukoze razgradi po tej poti.

Tesna povezanost Krebsovega cikla z dihalno verigo, zlasti v živalskih mitohondrijih, kot tudi inhibicija večine encimov cikla pod vplivom ATP določata zmanjšanje aktivnosti cikla pri visokem fosforilnem potencialu celica, tj. pri visokem razmerju koncentracije ATP/ADP. Pri večini rastlin, bakterij in številnih gliv je tesno spajanje premagano z razvojem nevezanih alternativnih oksidacijskih poti, ki omogočajo, da se hkratno dihanje in aktivnost cikla ohranjata na visoki ravni tudi pri visokem fosforilnem potencialu.

Igor Rapanovič

CIKLUS TRIKARBOKSILNIH KISLIN

prejšnji

← 1 2 3 naprej

Literatura

Strayer L. Biokemija. per. iz angleščine M., Mir, 1985

Bohinski R. Sodobni pogledi v biokemiji. Prevod iz angleščine, M., Mir, 1987

Knorre D.G., Myzina S.D. Biološka kemija. M., Višja šola, 2003

Kolman J., Rem K.-G. Vizualna biokemija. M., Mir, 2004

Kratki zgodovinski podatki

Naš najljubši cikel je cikel TCA ali cikel trikarboksilne kisline - življenje na Zemlji in pod Zemljo in v Zemlji ... Stop, na splošno je to najbolj neverjeten mehanizem - je univerzalen, je način oksidacije produkti razgradnje ogljikovih hidratov, maščob, beljakovin v celicah živih organizmov, posledično Dobimo energijo za dejavnosti našega telesa.

Ta proces je odkril sam Hans Krebs, za kar je prejel Nobelovo nagrado!

Rodil se je 25. avgusta - 1900 v nemškem mestu Hildesheim. Medicinsko izobrazbo je pridobil na Univerzi v Hamburgu in nadaljeval z biokemijskimi raziskavami pod vodstvom Otta Warburga v Berlinu.

Leta 1930 je skupaj s svojim učencem odkril proces nevtralizacije amoniaka v telesu, ki je bil prisoten v številnih predstavnikih živega sveta, tudi v človeku. Ta cikel je cikel sečnine, znan tudi kot Krebsov cikel #1.

Ko je Hitler prišel na oblast, je Hans emigriral v Veliko Britanijo, kjer nadaljuje študij znanosti na univerzah v Cambridgeu in Sheffieldu. Z razvojem raziskav madžarskega biokemika Alberta Szent-Györgyija je dobil vpogled in naredil najslavnejši Krebsov cikel št. 2 ali z drugimi besedami »Szent-Györgyö – Krebsov cikel« - 1937.

Rezultate raziskave pošljejo reviji Nature, ki pa članka noče objaviti. Nato besedilo odleti v revijo "Enzymologia" na Nizozemskem. Krebs je leta 1953 prejel Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino.

Odkritje je bilo presenetljivo: leta 1935 je Szent-Györgyi ugotovil, da jantarna, oksaloocetna, fumarna in jabolčna kislina (vse 4 kisline so naravne kemične sestavine živalskih celic) povečajo oksidacijski proces v prsni mišici goloba. Ki je bil razrezan.

V njem potekajo presnovni procesi z največjo hitrostjo.

F. Knoop in K. Martius sta leta 1937 ugotovila, da se citronska kislina pretvori v izocitrično kislino preko vmesnega produkta, cis-akonitne kisline. Poleg tega bi lahko izocitrično kislino pretvorili v a-ketoglutarno kislino in to v jantarno kislino.

Krebs je opazil učinek kislin na absorpcijo O2 v prsni mišici goloba in ugotovil aktivacijski učinek na oksidacijo PVC in tvorbo acetil-koencima A. Poleg tega je malonska kislina zavirala procese v mišici , ki je podoben jantarni kislini in lahko kompetitivno zavira encime, katerih substrat je jantarna kislina.

Ko je Krebs reakcijskemu mediju dodal malonsko kislino, se je začelo kopičenje a-ketoglutarne, citronske in jantarne kisline. Tako je jasno, da kombinirano delovanje a-ketoglutarne in citronske kisline povzroči nastanek jantarne kisline.

Hans je pregledal več kot 20 drugih snovi, ki pa niso vplivale na oksidacijo. S primerjavo pridobljenih podatkov je Krebs prejel cikel. Raziskovalec na samem začetku ni mogel z gotovostjo reči, ali se je proces začel s citronsko ali izocitrično kislino, zato ga je poimenoval "cikel trikarboksilne kisline".

Zdaj vemo, da je prva citronska kislina, zato je pravilno ime citratni cikel ali cikel citronske kisline.

Pri evkariontih se reakcije cikla TCA odvijajo v mitohondrijih, medtem ko so vsi encimi za katalizo, razen 1, v prostem stanju v mitohondrijskem matriksu, izjema je sukcinat dehidrogenaza, ki je lokalizirana na notranji membrani mitohondrija in je vgrajena v lipidni dvosloj. Pri prokariontih se reakcije cikla odvijajo v citoplazmi.

Spoznajmo udeležence cikla:

2) PIKE – Oksaloacetat – Oksalocetna kislina:
zdi se, da je sestavljen iz dveh delov: oksalne in ocetne kisline.

3-4) Citronska in izocitrična kislina:

5) a-ketoglutarna kislina:

6) sukcinil-koencim A:

7) Jantarna kislina:

8) Fumarna kislina:

9) Jabolčna kislina:

Kako nastanejo reakcije? Na splošno smo vsi navajeni na videz prstana, ki je prikazan spodaj na sliki. Spodaj je vse opisano korak za korakom:

1. Kondenzacija acetil koencima A in oksaloocetne kisline ➙ citronske kisline.

Transformacija acetil koencima A se začne s kondenzacijo z oksaloocetno kislino, kar povzroči nastanek citronske kisline.

Reakcija ne zahteva porabe ATP, saj je energija za ta proces zagotovljena kot posledica hidrolize tioetrske vezi z acetil koencimom A, ki je visokoenergetski:

2. Citronska kislina prehaja skozi cis-akonitno kislino v izocitrično kislino.

Pride do izomerizacije citronske kisline v izocitrično kislino. Pretvorbeni encim - akonitaza - najprej dehidrira citronsko kislino, da nastane cis-akonitna kislina, nato pa poveže vodo z dvojno vezjo metabolita in tvori izocitrično kislino:

3. Izocitrična kislina se dehidrogenira, da nastane α-ketoglutarna kislina in CO2.

Izocitrično kislino oksidira specifična dehidrogenaza, katere koencim je NAD.

Hkrati z oksidacijo poteka dekarboksilacija izocitrične kisline. Kot rezultat transformacij nastane α-ketoglutarna kislina.

4. Alfa-ketoglutarno kislino dehidrogenirata ➙ sukcinil-koencim A in CO2.

Naslednja stopnja je oksidativna dekarboksilacija α-ketoglutarne kisline.

Katalizira ga kompleks α-ketoglutarat dehidrogenaze, ki je po mehanizmu, strukturi in delovanju podoben kompleksu piruvat dehidrogenaze. Posledično nastane sukcinil-CoA.

5. Sukcinil koencim A ➙ jantarna kislina.

Sukcinil-CoA se hidrolizira v prosto jantarno kislino, sproščena energija se shrani s tvorbo gvanozin trifosfata. Ta stopnja je edina v ciklu, pri kateri se energija neposredno sprosti.

6. Jantarna kislina je dehidrogenirana ➙ fumarna kislina.

Dehidrogenacijo jantarne kisline pospeši sukcinat dehidrogenaza, njen koencim je FAD.

7. Fumarna kislina je hidratirana ➙ jabolčna kislina.

Fumarna kislina, ki nastane z dehidrogenacijo jantarne kisline, se hidrira in nastane jabolčna kislina.

8. Jabolčna kislina je dehidrogenirana ➙ Oksalno-ocetna kislina - krog se zapre.

Končni proces je dehidrogenacija jabolčne kisline, ki jo katalizira malat dehidrogenaza;

Rezultat faze je metabolit, s katerim se začne cikel trikarboksilne kisline - oksalno-ocetna kislina.

V reakciji 1 naslednjega cikla bo vstopila druga količina acetil koencima A.

Kako si zapomniti ta cikel? Samo!

2) Še ena dolga pesem:

PIKE je pojedel acetat, izkazalo se je citrat,
Skozi cisakonitat bo postal izocitrat.
Ko NAD preda vodik, izgubi CO2,
Alfa-ketoglutarat je tega izjemno vesel.
Prihaja oksidacija - NAD je ukradel vodik,
TDP, koencim A vzame CO2.
In energija se je komaj pojavila v sukcinilu,
Takoj se je rodil ATP in ostalo je sukcinat.
Zdaj je prišel do FAD - potrebuje vodik,
Fumarat se je izpil iz vode in spremenil v malat.
Potem je NAD prišel do malata, pridobil vodik,
Spet se je pokazala ŠČUKA in se tiho skrila.

3) Izvirna pesem - na kratko:

PIKE ACETYL LIMONIL,
Toda konj se je bal narcis,
Nad njim je ISOLIMON
ALFA - KETOGLUTARAZID.
SUKCINALIZIRAN S KOENCIMOM,
JANTAR FUMAROVO,
Shranili nekaj JABOLK za zimo,
Spet postal ŠČUKA.