Здійснюється цикл трикарбонових кислот у якомусь етапі. Цикл трикарбонових кислот (цикл кребсу). Поповнення пулу метаболітів ЦТК із амінокислот

4. Цикл трикарбонових кислот

Другим компонентом загального шляху катаболізму є ЦТК. Цей цикл було відкрито 1937 р. Кребсом і Джонсоном. У 1948 р. Кеннеді та Ленінджер довели, що ферменти ЦТК локалізовані в матриксі мітохондрій.

4.1. Хімізм циклу трикарбонових кислот.Вільну оцтову кислоту неможливо окислити шляхом дегідрування. Тому вона в активній формі (ацетил-КоА) попередньо зв'язується з оксалоацетатом (ЩУК, щавлевооцтовою кислотою), внаслідок чого утворюється цитрат.

1. Ацетил-КоА з'єднується з оксалоацетатом у реакції альдольної конденсації, що каталізується цитратсинтазою. Утворюється цитрил-КоА. Цитрил-КоА за участю води гідролізується до цитрату та НS-КоА.

2. Аконітат-гідратаза (а конітаза) каталізує перетворення цитрату на ізоцитрат через стадію цис-аконітової кислоти. Аконітаза за механізмом дії одночасно гідратаза та ізомеразу.

3. Ізоцитратдегідрогеназукаталізує дегідрування ізолімонної кислоти в оксалосукцинат (щавлевоеянтарну кислоту), яка потім декарбоксилюється в 2-оксоглутарат (α-кетоглутарат). Коферментом є НАД+ (у мітохондріях) та НАДФ+ (у цитозолі та мітохондріях).

4. 2-Оксоглутаратдегідрогеназний комплекс (α-кетоглутаратдегідрогеназний комплекс)каталізує окисне декарбоксилювання 2-оксоглутарату в сукциніл-КоА. Мультиферментний 2-оксоглутаратдегідрогеназнийкомплекс схожий на піруватдегідрогеназний комплекс і процес протікає аналогічно окислювальному декарбоксилювання пірувату.

5. Сукцинілтіокіназакаталізує розщеплення сукциніл-КоА на янтарну кислоту та кофермент А. Енергія розщеплення сукциніл-КоА накопичується у вигляді гуанозинтрифосфату (ГТФ). У сполученій реакції перефосфорилювання АДФ фосфорилюється в АТФ, а молекули ГДФ, що звільняються, можуть знову фосфорилуватися ( субстратне фосфорилювання). У рослин фермент специфічний до АДФ та АТФ.

6. Сукцинатдегідрогеназукаталізує перетворення сукцинату на фумарову кислоту. Фермент стереоспецифічний, є інтегральним білком, так як вмонтований у внутрішню мембрану мітохондрій і як простетичні групи містить ФАД і залізосерні білки. ФАДН 2 не відокремлюється від ферменту, а два електрони далі передаються на кофермент Q ланцюга перенесення електронів внутрішньої мембрани мітохондрій.

7.Фумарат-гідратаза (фумараза)каталізує перетворення фумарової кислоти на яблучну (малат) за участю води. Фермент стереоспецифічний, утворює лише L-малат.

8.Малатдегідрогеназакаталізує окиснення яблучної кислоти в оксалоацетат. Кофермент малатдегідрогенази - НАД+. Далі оксалоацетат знову конденсується з ацетил-КоА і повторюється цикл.

4.2. Біологічне значення та регуляція циклу трикарбонових кислот.Цикл трикарбонових кислот – компонент загального шляху катаболізму, у якому відбувається окислення паливних молекул вуглеводів, жирних кислот та амінокислот. Більшість паливних молекул надходять до ЦТК як ацетил-КоА (рис. 1). Всі реакції ЦТК протікають узгоджено в одному напрямку. Сумарна величина D G 0 ¢ = -40 кДж/моль.

Серед лікарів давно існує крилата фраза «Жири горять у полум'ї вуглеводів». Її треба розуміти як окислення ацетил-КоА, основним джерелом якого є β-окислення жирних кислот після конденсації з оксалоацетатом, що утворюється, головним чином, з вуглеводів (при карбоксилюванні пірувату). При порушеннях обміну вуглеводів чи голодуванні створюється дефіцит оксалоацетату, що веде до зменшення окислення ацетил-КоА у ЦТК.

Рис.1. Роль ЦТК у клітинному диханні. 1 стадія (ЦТК) вилучення з молекули ацетил-КоА 8 електронів; 2 стадія (ланцюги переносу електронів) відновлення двох молекул кисню та формування протонного градієнта (~36 Н+); 3 стадія (АТФ-синтазу) використання енергії протонного градієнта для утворення АТФ (~9 АТФ) (Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L. Biochemistry. N-Y: W.H. Freeman and Company, 2002 ).

Основна метаболічна роль ЦТК може бути представлена ​​у вигляді двох процесів: 1) серія окисно-відновних реакцій, в результаті яких ацетильна група окислюється до двох молекул 2; 2) чотириразове дегідрування, що веде до утворення 3 молекул НАДН+Н+ та 1 молекули ФАДН 2 . Кисень необхідний для функціонування ЦТК опосередковано як акцептор електронів у кінці ланцюгів перенесення електронів та для регенерації НАД+ та ФАД.

Основне значення для регуляції ЦТК має синтез та гідроліз АТФ.

1. Ізоцитратдегідрогеназу алостерично активується АДФ шляхом підвищення спорідненості ферменту до субстрату. НАДН пригнічує цей фермент, замінюючи НАД + . АТФ також інгібує ізоцитратдегідрогеназу. Важливо, що перетворення метаболітів у ЦТК вимагають на кількох стадіях НАД+ та ФАД, кількість яких є достатньо лише в умовах низького енергетичного заряду.

2. Активність 2-оксоглутаратдегідрогеназного (α-кетоглутаратдегідрогеназного) комплексу регулюється аналогічно регуляції піруватдегідрогеназного комплексу. . Цей комплекс інгібується сукциніл-КоА та НАДН (кінцевими продуктами перетворень, що каталізуються 2-оксоглутаратдегідрогеназним комплексом). Крім того, 2-оксоглуттаратдегідрогеназний комплекс інгібується високим енергетичним зарядом клітини. Отже, швидкість перетворень на ЦТК зменшується за достатньої забезпеченості клітини АТФ (рис. 11.2). У ряду бактерій цитратсинтазу алостерично інгібується АТФ за допомогою підвищення Км для ацетил-КоА.

Схема регуляції загального шляху катаболізму представлена ​​малюнку 2.

Мал. 2. Регулювання загального шляху катаболізму. Основними молекулами, що регулюють функціонування ЦТК є АТФ та НАДН. Основними пунктами регуляції є ізоцитратдегідрогеназу та 2-оксоглутаратдегідрогеназний комплекс.

4.3. Енергетична роль загального шляху катаболізму

У загальному шляху катаболізму з 1 молекули піровиноградної кислоти утворюється 3 молекули 2 у наступних реакціях: при окисному декарбоксилюванні піровиноградної кислоти, при декарбоксилюванні ізолімонної кислоти і при декарбоксилюванні 2-оксоглутарової кислоти. Всього при окисленні 1 молекули піровиноградної кислоти віднімається п'ять пар атомів водню, з них одна пара - від сукцинату і надходить на ФАД з утворенням ФАДН 2 , а чотири пари - на 4 молекули НАД + з утворенням 4 молекул НАДН + Н + при окислювальному декарбоксилювання піровиноградної , 2-оксоглутарової кислот, дегідрування ізоцитрату та малату Зрештою атоми водню переносяться на кисень з утворенням 5 молекул Н 2 Про, а енергія, що виділилася, акумулюється в реакціях окисного фосфорилювання у вигляді молекул АТФ.

Загальний висновок:

1. Окислювальне декарбоксилювання пірувату ~ 2,5 АТФ.

2. У ЦТК та сполучених дихальних ланцюгах ~ 9 АТФ.

3. У реакції субстратного фосфорилювання ЦТК ~ 1 АТФ.

У ЦТК та сполучених реакціях окисного фосфорилювання утворюється приблизно10 АТФ при окисленні ацетильної групи однієї молекули ацетил-КоА

Разом у загальному шляху катаболізму внаслідок перетворень 1 молекули піровіноградної кислоти виділяється приблизно 12,5 молекул АТФ.

Я розповідав про те, що це взагалі таке, для чого цикл Кребса потрібен і яке місце у метаболізмі він посідає. Тепер давайте приступимо до самих реакцій цього циклу.

Відразу обмовлюся — особисто для мене заучування реакцій було абсолютно безглуздим заняттям доти, доки я не розібрав вищезазначені питання. Але якщо ви вже зрозуміли теорію, пропоную перейти до практики.

Ви можете побачити багато способів написання циклу Кребса. Найчастіше зустрічаються варіанти на кшталт цього:

Але мені найзручніше здався спосіб написання реакцій зі старого доброго підручника з біохімії від авторів Березова Т.Т. та Коровкіна Б.В.

Перша реакція

Вже знайомі нам Ацетил-КоА та Оксалоацетат з'єднуються і перетворюються на цитрат, тобто в лимонну кислоту.

Друга реакція

Тепер беремо лимонну кислоту та перетворюємо її ізолімонну кислоту. Інша назва цієї речовини – ізоцитрат.

Насправді, ця реакція триває дещо складніше, через проміжну стадію — утворення цис-аконітової кислоти. Але я вирішив спростити, щоб ви краще запам'ятали. При необхідності ви зможете додати сюди ступінь, що бракує, якщо пам'ятатимете все інше.

Насправді, дві багатофункціональні групи просто змінилися місцями.

Третя реакція

Отже, у нас вийшла ізолімонна кислота. Тепер її потрібно декарбоксилювати (тобто відщипнути COOH) та дегідрувати (тобто відщипнути H). Речовина, що вийшла, — це a-кетоглутарат.

Ця реакція примітна тим, що тут утворюється комплекс HAДH2. Це означає, що переносник НАД підхоплює водень, щоб запустити дихальний ланцюг.

Мені подобається варіант реакцій Цикла Кребса у підручнику Березова та Коровкіна саме тим, що відразу чудово видно атоми та функціональні групи, які беруть участь у реакціях.

Четверта реакція

Знову як годинник працює нікотинАмідАденінДінуклеотид, тобто НАД. Це славетний переносник з'являється тут, як і минулого кроку, щоб захопити водень і віднести його в дихальний ланцюг.

До речі, речовина, що вийшла, — сукциніл-КоА, не повинно вас лякати. Сукцинат - це інша назва янтарної кислоти, добре знайомої вам з часів біоорганічної хімії. Сукциніл-Коа - це з'єднання янтарної кислоти з коензимом-А. Можна сміливо сказати, що це ефір бурштинової кислоти.

П'ята реакція

Минулого кроку ми говорили, що сукциніл-КоА – це ефір бурштинової кислоти. А тепер ми отримаємо саму бурштинову кислоту, тобто сукцинат, із сукциніла-КоА. Вкрай важливий момент: саме в цій реакції відбувається субстратне фосфорилювання.

Фосфорилювання взагалі (воно буває окислювальне та субстратне) - це додавання фосфорної групи PO 3 до ГДФ або АТФ, щоб отримати повноцінний ГТФ, або, відповідно, АТФ. Субстратне відрізняється тим, що ця сама фосфорна група відривається від будь-якої речовини, що її містить. Ну простіше кажучи, вона переноситься із субстрату на ГДФ або АДФ. Тому й називається «субстратне фосфорилювання».

Ще раз: на момент початку субстратного фосфорилювання ми маємо дифосфатну молекулу — гуанозинДіфосфат або аденозинДіфосфат. Фосфорилювання полягає в тому, що молекула з двома залишками фосфорної кислоти — ГДФ або АДФ «добудовується» до молекули з трьома залишками фосфорної кислоти, щоб вийшли гуанозинТРИфосфат або аденозинТРИфосфат. Цей процес відбувається під час перетворення сукциніла-КоА на сукцинат (тобто, на бурштинову кислоту).

На схемі можна побачити літери Ф (н). Це означає "неорганічний фосфат". Неорганічний фосфат переходить від субстрату на ГДФ, щоб продукти реакції був хороший, повноцінний ГТФ. Тепер давайте подивимося на реакцію:

Шоста реакція

Наступне перетворення. Цього разу бурштинова кислота, яку ми отримали в минулому етапі, перетвориться на фумарат, зверніть увагу на новий подвійний зв'язок.

На схемі добре видно, як у реакції бере участь ФАД: цей невтомний переносник протонів і електронів підхоплює водень і забирає його безпосередньо в дихальний ланцюг.

Сьома реакція

Ми вже на фінішній прямій. Передостання стадія циклу Кребса — це реакція перетворення фумарату на L-малат. L-малат - це інша назва L-яблучної кислоти, знайомий ще з курсу біоорганічної хімії

Якщо ви подивіться на реакцію, ви побачите, що, по-перше, вона проходить в обидві сторони, а по-друге, її суть — гідратування. Тобто фумарат легко приєднує до себе молекулу води, в результаті виходить L-яблучна кислота.

Восьма реакція

Остання реакція циклу Кребса - це окислення L-яблучної кислоти до оксалоацетату, тобто до щавлевооцтової кислоти. Як ви зрозуміли, «оксалоацетат» і «щавлевооцтова кислота» - це синоніми. Ви, напевно, пам'ятаєте, що щавлево-оцтова кислота є компонентом першої реакції циклу Кребса.

Тут же відзначаємо особливість реакції: освіта НАДH 2який понесе електрони в дихальний ланцюг. Не забудьте реакції 3,4 і 6, там також утворюються переносники електронів і протонів для дихального ланцюга.

Як бачите, я спеціально виділив червоним кольором реакції, у ході яких утворюються НАДH та ФАДH2. Це дуже важливі речовини для дихального ланцюга. Зеленим я виділив реакцію, в рамках якої відбувається субстратне фосфорилювання, і виходить ГТФ.

Як це все запам'ятати?

Насправді, не так уже й складно. Цілком прочитавши дві мої статті, а також ваш підручник і лекції, вам потрібно просто потренуватися писати ці реакції. Я рекомендую запам'ятати цикл Кребса блоками по 4 реакції. Напишіть ці 4 реакції кілька разів, для кожної підбираючи асоціацію, яка підходить саме вашій пам'яті.

Наприклад, мені відразу дуже легко запам'яталася друга реакція, в якій із лимонної кислоти (вона, думаю, всім знайома з дитинства) утворюється ізолімонна кислота.

Ви можете також використовувати менімонічні запам'ятовувачі, такі як: « Цілий Ананас І Шматок Суфле Сьогодні Фактично Мій Обідщо відповідає ряду - цитрат, цис-аконітат, ізоцитрат, альфа-кетоглутарат, сукциніл-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат». Є ще купа подібних.

Але, чесно кажучи, мені не подобалися такі вірші практично ніколи. На мою думку, простіше запам'ятати саму послідовність реакцій. Мені добре допоміг поділ циклу Кребса на дві частини, кожну з яких я тренувався писати кілька разів на годину. Як правило, це відбувалося на парах на кшталт психології чи біоетики. Це дуже зручно - не відволікаючись від лекції, ви можете витратити буквально хвилинку, написавши реакції так, як ви запам'ятали їх, а потім звірити з правильним варіантом.

До речі, у деяких вузах на заліках та іспитах з біохімії викладачі не вимагають знання самих реакцій. Потрібно знати тільки що таке цикл Кребса, де він відбувається, в чому його особливості та значення, і, зрозуміло, самий ланцюжок перетворень. Тільки ланцюжок можна називати без формул, використовуючи лише назви речовин. Такий підхід не позбавлений сенсу, як на мене.

Сподіваюся, мій посібник із циклу трикарбонових кислот вам допоміг. А я хочу нагадати, що ці дві статті не є повноцінною заміною вашим лекціям та підручникам. Я написав їх лише для того, щоб ви приблизно розуміли, що таке цикл Кребса. Якщо ви раптом побачили якусь помилку у моєму посібнику, будь ласка, відпишіться про неї у коментарях. Дякую за увагу!

Цикл трикарбонових кислот було відкрито 1937 р. Р. Кребсом. У зв'язку з цим він отримав назву "цикл Кребса". Цей процес є центральним шляхом метаболізму. Він відбувається в клітинах організмів, що стоять на різних щаблях еволюційного розвитку (мікроорганізми, рослини, тварини).

Вихідним субстратом циклу трикарбонових кислот є ацетил-коензим А. Цей метаболіт є активною формою оцтової кислоти. Оцтова кислота виступає як загальний проміжний продукт розпаду багатьох органічних речовин, що містяться в клітинах живих організмів. Це з тим, що органічні молекули є сполуками вуглецю, які природно можуть розпадатися до двовуглецевих фрагментів оцтової кислоти.

Вільна оцтова кислота має порівняно слабку реакційну здатність. Її перетворення відбуваються у досить жорстких умовах, які нереальні у живій клітині. Тому в клітинах відбувається активація оцтової кислоти шляхом її з'єднання з коензимом А. У результаті утворюється метаболічно активна форма оцтової кислоти – ацетил-коензим А.

Коензим А є низькомолекулярною сполукою, яка складається з фосфоаденозину, залишку пантотенової кислоти (вітаміну В3) і тіоетаноламіну. Залишок оцтової кислоти приєднується до сульфгідрильної групи тіоетаноламіну. При цьому утворюється тіоефір – ацетил-коензим А, що є вихідним субстратом циклу Кребса.

Ацетил-коензим А

Схема перетворення проміжних продуктів у циклі Кребса представлена ​​на рис. 67. Процес починається з конденсації ацетил-коензиму А з оксалоацетатом (щавлевооцтовою кислотою, ЩУК), в результаті якої утворюється лимонна кислота (цитрат). Реакція каталізується ферментом цитратсинтазою.

Рисунок 67 – Схема перетворення проміжних продуктів у циклі

трикарбонових кислот

Далі під дією ферменту аконітази лимонна кислота перетворюється на ізолімонну. Ізолімонна кислота піддається процесам окислення та декарбоксилювання. У цій реакції, що каталізується ферментом НАД-залежної ізоцитратдегідрогенази, як продукти утворюються вуглекислий газ, відновлений НАД, а також a-кетоглутарова кислота, яка потім залучається до процесу окисного декарбоксилювання (рис. 68).

Малюнок 68 – Освіта a-кетоглутарової кислоти у циклі Кребса

Процес окисного декарбоксилювання a-кетоглутарату каталізується ферментами a-кетоглутаратдегідрогеназного мультиферментного комплексу. Цей комплекс складається з трьох різних ферментів. Для його функціонування потрібні коферменти. Коферменти a-кето-глутаратдегідрогеназного комплексу включають такі водорозчинні вітаміни:

· вітамін В 1 (тіамін) - тіамінпірофосфат;

· Вітамін В 2 (рибофлавін) - ФАД;

· Вітамін В 3 (пантотенова кислота) - коензим А;

· вітамін В 5 (нікотинамід) - НАД;

· вітаміноподібна речовина – ліпоєву кислоту.

Схематично процес окисного декарбоксилювання a-кето-глутарової кислоти можна подати у вигляді наступного балансового рівняння реакції:

Продуктом цього процесу є тіоефір залишку бурштинової кис-лоти (сукцинату) з коензимом А – сукциніл-коензим А. Тіоефірний зв'язок сукциніл-коензиму А є макроергічним.

Наступна реакція циклу Кребса є процесом субстратного фосфорилювання. У ній відбувається гідроліз тіоефірного зв'язку сукциніл-коензиму А під дією ферменту сукциніл-КоА-синтетази з утворенням бурштинової кислоти (сукцинату) та вільного коензиму А. Цей процес супроводжується звільненням енергії, яка відразу використовується для фосфорилювання ГДФ, в результаті якого утворюється молекула макро фосфату ГТФ. Субстратне фосфорилювання у циклі Кребса:

де Ф н - ортофосфорна кислота.

Утворюється в процесі окисного фосфорилювання ГТФ може використовуватися як джерело енергії в різних енергозалежних реакціях (в процесі біосинтезу білка, активації жирних кислот та ін.). Крім цього, ГТФ може використовуватися для утворення АТФ в нуклеозиддіфосфаткіназної реакції

Продукт сукциніл-КоА-синтетазної реакції - сукцинат далі окислюється за участю ферменту сукцинатдегідрогенази. Цей ензим являє собою флавінову дегідрогеназу, до складу якої як кофермент (простетична група) входить молекула ФАД. В результаті реакції янтарна кислота окислюється у фумарову. Одночасно із цим відбувається відновлення ФАД.

де Е - ФАД простетична група, пов'язана з поліпептидним ланцюгом ферменту.

Фумарова кислота, що утворилася в сукцинатдегідрогеназній реакції, під дією ферменту фумарази (рис. 69), приєднує молекулу води і перетворюється на яблучну кислоту, яка потім окислюється в малатдегідрогеназної реакції в щавлево-оцтову кислоту (оксалоацетат). Останній може знову використовуватися в цитратсинтазної реакції для синтезу лимонної кислоти (рис. 67). За рахунок цього перетворення у циклі Кребса мають циклічний характер.

Малюнок 69 – Метаболізм яблучної кислоти у циклі Кребса

Балансове рівняння циклу Кребса може бути подане у вигляді:

З нього видно, що в циклі відбувається повне окислення ацетильного радикала залишку з ацетил-коензиму А до двох молекул 2 . Цей процес супроводжується утворенням трьох молекул відновленого НАД, однієї молекули відновленого ФАД та однієї молекули макроергічного фосфату - ГТФ.

Цикл Кребса відбувається у матриксі мітохондрій. Це з тим, що саме тут перебуває більшість його ферментів. І лише єдиний фермент – сукцинатдегідрогеназа – вбудований у внутрішню мітохондріальну мембрану. Окремі ензими циклу трикарбонових кислот об'єднані у функціональний поліферментний комплекс (метаболон), пов'язаний із внутрішньою поверхнею внутрішньої мітохондріальної мембрани. За рахунок об'єднання ферментів у метаболон суттєво підвищується ефективність функціонування даного метаболічного шляху та з'являються додаткові можливості для його тонкої регуляції.

Особливості регулювання циклу трикарбонових кислот багато в чому визначаються його значенням. Цей процес виконує такі функції:

1) енергетичну.Цикл Кребса є найпотужнішим джерелом субстратів (відновлених коферментів – НАД і ФАД) для тканинного дихання. Крім цього, у ньому відбувається запасання енергії у формі макроергічного фосфату – ГТФ;

2) пластичну. Проміжні продукти циклу Кребса є попередниками для синтезу різних класів органічних речовин – амінокислот, моносахаридів, жирних кислот тощо.

Таким чином, цикл Кребса виконує двоїсту функцію: з одного боку, він є загальним шляхом катаболізму, що відіграє центральну роль в енергетичному забезпеченні клітини, а з іншого – забезпечує біосинтетичні процеси субстратами. Подібні обмінні процеси отримали назву амфіболічних. Цикл Кребса є типовим амфіболічний цикл.

Регуляція обмінних процесів у клітині тісно пов'язані з існуванням “ключових” ферментів. Ключовими є ті ферменти процесу, що визначають його швидкість. Як правило, одним із “ключових” ферментів процесу є ензим, що каталізує його початкову реакцію.

Для “ключових” ферментів характерні такі особливості. Ці ферменти

· Каталізують незворотні реакції;

· мають найменшу активність у порівнянні з іншими ензимами, що беруть участь у процесі;

· Являють собою алостеричні ферменти.

Ключовими ферментами циклу Кребса є цитратсинтаза та ізоцитратдегідрогеназу. Подібно до ключових ферментів інших метаболічних шляхів їх активність регулюється за принципом негативного зворотного зв'язку: вона знижується при підвищенні концентрації проміжних продуктів циклу Кребса в мітохондріях. Так, як інгібітори цитратсинтази виступають лимонна кислота і сукциніл-коензим А, а як ізоцитратдегідрогенази – відновлений НАД.

АДФ є активатором ізоцитратдегідрогенази. В умовах підвищення потреби клітини в АТФ як джерела енергії, коли в ній збільшується вміст продуктів розпаду (АДФ), виникають передумови для підвищення швидкості окислювально-відновних перетворень у циклі Кребса і, отже, підвищення рівня її енергетичного забезпечення.

ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ ЦИКЛ

ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ ЦИКЛ - цикл лимонної кислоти або цикл Кребса - широко представлений в організмах тварин, рослин і мікробів шлях окисних перетворень ді-і трикарбонових кислот, що утворюються як проміжні продукти при розпаді та синтезі білків, жирів і вуглеводів. Відкритий Х.Кребсом та У.Джонсоном (1937). Цей цикл є основою метаболізму та виконує дві важливі функції – постачання організму енергією та інтеграції всіх головних метаболічних потоків, як катаболічних (біорозщеплення), так і анаболічних (біосинтез).

Цикл Кребса складається з 8 стадій (у двох стадіях на схемі виділено проміжні продукти), під час яких відбувається:

1) повне окислення ацетильного залишку до двох молекул СО2,

2) утворюються три молекули відновленого нікотинамідаденіндинуклеотиду (НАДН) і одна відновленого флавінаденіндинуклеотиду (ФАДН2), що є головним джерелом енергії, що виробляється в циклі та

3) утворюється одна молекула гуанозинтрифосфату (ГТФ) у результаті так званого субстратного окиснення.

Загалом шлях енергетично вигідний (DG0" = –14,8 ккал.)

Цикл Кребса, локалізований у мітохондріях, починається з лимонної кислоти (цитрат) і закінчується утворенням щавлевооцтової кислоти (оксалоацетату – ОА). До субстратів циклу відносяться трикарбонові кислоти – лимонна, цис-аконітова, ізолімонна, щавлевоеянтарна (оксалосукцинат) та дикарбонові кислоти – 2-кетоглутарова (КГ), янтарна, фумарова, яблучна (малат) та щавлевооцтова. До субстратів циклу Кребса слід віднести і оцтову кислоту, яка в активній формі (тобто у вигляді ацетилкоферменту А, ацетил-SКоА) бере участь у конденсації з щавлевооцтовою кислотою, що призводить до утворення лимонної кислоти. Окислюється саме ацетильний залишок, що увійшов до структури лимонної кислоти, піддається окисленню; атоми вуглецю окислюються до CO2, атоми водню частково акцептуються коферментами дегідрогеназ, частково в протонованій формі переходять у розчин, тобто в довкілля.

Як вихідне з'єднання для утворення ацетил-КоА зазвичай вказується піровиноградна кислота (піруват), що утворюється при гліколізі і займає одне з центральних місць у шляхах обміну речовин, що перехрещуються. Під впливом ферменту складної структури – піруватдегідрогенази (КФ1.2.4.1 – ПДГаза) пірувата окислюється з утворенням CO2 (перше декарбоксилювання), ацетил-КоА та відновлюється НАД (див. схему). Однак окислення пірувату - далеко не єдиний шлях утворення ацетил-КоА, який також є характерним продуктом окислення жирних кислот (фермент тіолазу або синтетазу жирних кислот) та інших реакцій розкладання вуглеводів та амінокислот. Усі ферменти, що у реакціях циклу Кребса, локалізовані в мітохондріях, причому більшість їх розчинні, а сукцинатдегидрогеназа (КФ1.3.99.1) міцно пов'язані з мембранними структурами.

Утворення лимонної кислоти, з синтезу якої і починається власне цикл, за допомогою цитратсинтази (КФ4.1.3.7 – конденсуючий фермент на схемі), є ендергонічною реакцією (з поглинанням енергії), і її реалізація можлива завдяки використанню багатої енергією зв'язку ацетильного залишку з KoA [СН3СО~SKoA]. Це головна стадія регулювання всього циклу. Далі слідує ізомеризація лимонної кислоти в ізолімонну через проміжну стадію утворення цис-аконітової кислоти (фермент аконітазу КФ4.2.1.3, має абсолютну стереоспецифічність – чутливість до розташування водню). Продуктом подальшого перетворення ізолімонної кислоти під впливом відповідної дегідрогенази (ізоцитратдегідрогеназу КФ1.1.1.41) є, мабуть, щавлевоеянтарна кислота, декарбоксилювання якої (друга молекула CO2) призводить до КГ. Ця стадія також суворо регулюється. За низкою характеристик (висока молекулярна маса, складна багатокомпонентна структура, ступінчасті реакції, частково ті ж коферменти тощо) КГдегідрогеназа (КФ1.2.4.2) нагадує ПДГазу. Продуктами реакції є CO2 (третє декарбоксилювання), Н+ та сукциніл-КоА. На цій стадії включається сукциніл-КоА-синтетаза, інакше звана сукцинаттіокіназою (КФ6.2.1.4), що каталізує оборотну реакцію утворення вільного сукцинату: Сукциніл-КоА + Рнеорг + ГДФ = Сукцинат + KoA + ГТФ. За цієї реакції здійснюється так зване субстратне фосфорилювання, тобто. утворення багатого енергією гуанозинтрифосфату (ГТФ) за рахунок гуанозиндифосфату (ГДФ) та мінерального фосфату (Рнеорг) з використанням енергії сукциніл-КоА. Після утворення сукцинату вступає в дію сукцинатдегідрогеназу (КФ1.3.99.1) – флавопротеїд, що призводить до фумарової кислоти. ФАД з'єднаний з білковою частиною ферменту і є метаболічно активною формою рибофлавіну (вітамін В2). Цей фермент також характеризується абсолютною стереоспецифічністю елімінування водню. Фумараза (КФ4.2.1.2) забезпечує рівновагу між фумаровою кислотою та яблучною (також стереоспецифічна), а дегідрогеназа яблучної кислоти (малатдегідрогеназа КФ1.1.1.37, яка потребує коферменту НАД+, також стереоспецифічна) утворенню щавлевооцтової кислоти. Після цього повторюється реакція конденсації щавлевооцтової кислоти з ацетил-КоА, що призводить до утворення лимонної кислоти, і відновлюється цикл.

Сукцинатдегідрогеназа входить до складу більш складного сукцинатдегідрогеназного комплексу (комплексу II) дихального ланцюга, поставляючи відновлювальні еквіваленти, (НАД-Н2), що утворюються при реакції, в дихальний ланцюг.

На прикладі ПДГази можна познайомитися з принципом каскадної регуляції активності метаболізму за рахунок фосфорилювання-дефосфорилування відповідного ферменту спеціальними кіназою та фосфатазою ПДГази. Обидві вони приєднані до ПДГази.

ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ ЦИКЛ

Передбачається, що каталіз індивідуальних ферментативних реакцій здійснюється у складі надмолекулярного надкомплексу, так званого метаболону. Переваги такої організації ферментів полягають у тому, що немає дифузії кофакторів (коферментів та іонів металів) та субстратів, а це сприяє більш ефективній роботі циклу.

Енергетична ефективність розглянутих процесів невелика, проте що утворюються при окисленні пірувату та наступних реакціях циклу Кребса 3 молячи НАДН і 1 моль ФАДН2 є важливими продуктами окисних перетворень. Подальше їх окислення здійснюється ферментами дихального ланцюга й у мітохондріях і з фосфорилированием, тобто. освітою АТФ за рахунок етерифікації (освіти фосфороорганічних ефірів) мінерального фосфату. Гліколіз, ферментна дія ПДГази та цикл Кребса – всього у сумі 19 реакцій – визначають повне окислення однієї молекули глюкози до 6 молекул CO2 з утворенням 38 молекул АТФ – цієї розмінної «енергетичної валюти» клітини. Процес окислення НАДН і ФАДН2 ферментами дихального ланцюга енергетично дуже ефективний, відбувається з використанням кисню повітря, призводить до утворення води і є основним джерелом енергетичних ресурсів клітини (понад 90%). Однак у його безпосередньої реалізації ферменти циклу Кребса не беруть участі. У кожній клітині людини є від 100 до 1000 мітохондрій, які забезпечують життєдіяльність енергією.

В основі інтегруючої функції циклу Кребса в метаболізмі лежить те, що вуглеводи, жири та амінокислоти з білків можуть перетворюватися в кінцевому рахунку на інтермедіати (проміжні сполуки) цього циклу або синтезуватися з них. Виведення інтермедіатів із циклу при анаболізмі має поєднуватися з продовженням катаболічної активності циклу для постійного утворення АТФ, необхідного для біосинтезів. Таким чином, цикл має одночасно виконувати дві функції. При цьому концентрація інтермедіатів (особливо ОА) може знижуватися, що може призвести до небезпечного зниження виробництва енергії. Для запобігання служать «запобіжні клапани», які називають анаплеротичними реакціями (від грецьк. «наповнювати»). Найважливішою є реакція синтезу ОА з пірувату, що здійснюється піруваткарбоксилазою (КФ6.4.1.1), також локалізованою в мітохондріях. В результаті накопичується велика кількість ОА, що забезпечує синтез цитрату та ін інтермедіатів, що дозволяє циклу Кребса нормально функціонувати і, разом з тим, забезпечувати виведення інтермедіатів в цитоплазму для подальших біосинтезів. Таким чином, на рівні циклу Кребса відбувається ефективно скоординована інтеграція процесів анаболізму та катаболізму під дією численних та тонких регуляторних механізмів, у тому числі гормональних.

В анаеробних умовах замість циклу Кребса функціонують його окислювальна гілка до КГ (реакції 1, 2, 3) та відновлювальна – від ОА до сукцинату (реакції 8 7 6). При цьому багато енергії не запасається і цикл постачає лише інтермедіати для клітинних синтезів.

При переході організму від спокою до активності виникає потреба у мобілізації енергії та обмінних процесів. Це, зокрема, досягається у тварин шунтуванням найбільш повільних реакцій (1-3) та переважним окисленням сукцинату. При цьому КГ – вихідний субстрат укороченого циклу Кребса – утворюється у реакції швидкого переамінування (перенесення амінної групи)

Глутамат + ОА = КГ + аспартат

Інша модифікація циклу Кребса (так званий 4-амінобутиратний шунт) – це перетворення КГ на сукцинат через глутамат, 4-амінобутират та бурштиновий семіальдегід (3-формілпропіонову кислоту). Ця модифікація важлива в тканині мозку, де близько 10% глюкози розщеплюється цим шляхом.

Тісне сполучення циклу Кребса з дихальним ланцюгом, особливо в мітохондріях тварин, а також інгібування більшості ферментів циклу під дією АТФ, визначають зниження активності циклу при високому фосфорильному потенціалі клітини, тобто. при високому співвідношенні концентрацій АТФ/АДФ. Більшість рослин, бактерій та багатьох грибів тісне сполучення долається розвитком несопряженных альтернативних шляхів окислення, дозволяють підтримувати одночасно дихальну активність і активність циклу високому рівні навіть за високому фосфорильному потенціалі.

Ігор Рапанович

ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ ЦИКЛ

попередня

← 1 2 3 наступна

Література

Страйєр Л. Біохімія. Пров. з англ. М., Світ, 1985

Бохінскі Р. Сучасні погляди на біохімії. Пер з англ., М., Світ, 1987

Кнорре Д.Г., Мизіна С.Д. Біологічна хімія М., Вища школа, 2003

Кольман Я., Рем До.-Г. Наочна біохімія. М., Світ, 2004

Короткі історичні відомості

Наш улюблений цикл – ЦТК, або Цикл трикарбонових кислот – життя на Землі та під Землею та в Землі… Стоп, а взагалі це найдивовижніший механізм – він універсальний, є шляхом окислення продуктів розпаду вуглеводів, жирів, білків у клітинах живих організмів, у результаті отримуємо енергію для діяльності нашого тіла.

Відкрив цей процес власне Кребс Ганс, за що отримав Нобелівську премію!

Народився він у серпні 25 – 1900 року в Німеччині місто Хільдесхайм. Здобув медичну освіту Гамбурзького університету, продовжив біохімічні дослідження під керівництвом Отто Варбурга в Берліні.

У 1930 році відкрив разом зі студентом своїм процес знешкодження аміаку в організмі, який був у багатьох представників живого світу, у тому числі й людини. Цей цикл – цикл утворення сечовини, який також відомий під назвою циклу Кребса №1.

Коли до влади прийшов Гітлер, Ганс емігрував до Великобританії, де продовжує займатися наукою в Кембриджському та Шефілдському університетах. Розвиваючи дослідження біохіміка з Угорщини Альберта Сент-Дьорді, отримує осяяння і робить найзнаменитіший цикл Кребса № 2, або по-іншому "цикл Сент-Дьорді - Кребса" – 1937.

Результати досліджень надсилаються до журналу "Nature", який відмовляє у надрукуванні статті. Тоді текст перелітає до журналу "Enzymologia" у Голландії. Кребс отримує Нобелівську премію в 1953 з фізіології та медицини.

Відкриття було дивним: у 1935 р. Сент-Дьорді знаходить, що бурштинова, оксалооцтова, фумарова та яблучна кислоти (усі 4 кислоти - природні хімічні компоненти клітин тварин) посилюють процес окислення в грудному м'язі голуба. Яка була подрібнена.

Саме в ній метаболічні процеси йдуть з найбільшою швидкістю.

Ф. Кнооп і К.Мартіус в 1937 знаходять, що лимонна кислота перетворюється на ізолімонну через продукт проміжний, цис - аконітову кислоту. Крім того ізолімонна кислота могла перетворюватися на а-кетоглутарову, а та – на бурштинову.

Кребс помітив дію кислот на поглинання О2 грудним м'язом голуба і виявив активну дію на окислення ПВК та утворення Ацетил-Коензиму А. Крім того процеси в м'язі пригнічувалися малоновою кислотою, яка схожа на бурштинову і могла конкурентно інгібувати ферменти, у яких субстрат – бурштинова .

Коли Кребс додавав малонову кислоту до середовища реакції, то починалося накопичення а-кетоглутарової, лимонної та янтарної кислот. Таким чином зрозуміло, що дія спільна а-кетоглутарової, лимонної кислот призводить до утворення бурштинової.

Ганс досліджував ще понад 20 речовин, але вони не впливали на окиснення. Зіставивши отримані дані, Кребс отримав цикл. На самому початку дослідник не міг точно сказати починається процес з лимонної або ізолімонної кислоти, тому назвав "цикл трикарбонових кислот".

Зараз ми знаємо, що першою є лимонна кислота, тому правильно – цитратний цикл чи цикл лимонної кислоти.

У еукаріотів реакції ЦТК протікають у мітохондріях, при цьому всі ферменти для каталізу, крім 1, містяться у вільному стані в матриксі мітохондрії, виняток - сукцинатдегідрогеназу - локалізується на внутрішній мембрані мітохондрії, вбудовується в ліпідний бішар. У прокаріотів реакції циклу протікають у цитоплазмі.

Познайомимося із учасниками циклу:

2) ЩУК – Оксалоацетат – Щавеліво-Оцтова кислота:
ніби складається з двох частин: щавлева та оцтова кислота.

3-4) Лимонна та Ізолімонна кислоти:

5) а-Кетоглутарова кислота:

6) Сукциніл-Коензим А:

7) Бурштинова кислота:

8) Фумарова кислота:

9) Яблучна кислота:

Які ж відбуваються реакції? Загалом ми всі звикли до виду кільця, що представлено знизу на картинці. Ще нижче все розписано за етапами:

1. Конденсація Ацетил-Коензиму А та Щавелево-Оцтової кислоти ➙ лимонна кислота.

Перетворення Ацетил-Коензиму А беруть початок з конденсації зі Щавелево-Оцтовою кислотою, у результаті утворюється лимонна кислота.

Реакція не потребує витрати АТФ, оскільки енергія для цього процесу забезпечується в результаті гідролізу тіоефірного зв'язку з Ацетил-Коензимом А, яка є макроергічною:

2. Лимонна кислота через цис-аконітову перетворюється на ізолімонну.

Відбувається ізомеризація лимонної кислоти в ізолімонну. Фермент перетворення - аконітазу - дегідратує спочатку лимонну кислоту з утворенням цис-аконітової кислоти, потім з'єднує воду до подвійного зв'язку метаболіту, утворюючи ізолімонну кислоту:

3. Ізолімонна дегідрується з утворенням а-кетоглутарової та СО2.

Ізолімонна кислота окислюється специфічною дегідрогеназою, кофермент якої – НАД.

Одночасно з окисленням йде декарбоксилювання ізолімонної кислоти. В результаті перетворень утворюється -кетоглутаровая кислота.

4. Альфа-кетоглутарова кислота дегідрується ➙ сукциніл-коензим А та СО2.

Наступна стадія - окисне декарбоксилювання α-кетоглутарової кислоти.

Каталізується α-кетоглутаратдегідрогеназним комплексом, який аналогічний за механізмом, структурою та дією піруватдегідрогеназного комплексу. В результаті утворюється сукциніл-КоА.

5. Сукциніл-коензим А ➙ янтарна кислота.

Сукциніл-КоА гідролізується до вільної бурштинової кислоти, енергія, що виділяється, зберігається шляхом утворення гуанозинтрифосфату. Ця стадія - єдина в циклі, на якій прямо виділиться енергія.

6. Бурштинова кислота дегідрується ➙ фумарова.

Дегідрування янтарної кислоти прискорюється сукцинатдегідрогеназою, коферментом її є ФАД.

7. Фумарова гідратується ➙ яблучна.

Фумарова кислота, яка утворюється при дегідруванні янтарної кислоти, гідратується та утворюється яблучна.

8. Яблучна кислота дегідрується ➙ Щавелево-Оцтова – цикл замикається.

Заключний процес - дегідрування яблучної кислоти, що каталізується малатдегідрогеназою;

Результат стадії – метаболіт, з якого починається цикл трикарбонових кислот – Щавелево-Оцтова кислота.

У 1 реакцію наступного циклу вступить інша м-ла Ацетил-Коензима А.

Як запам'ятати цей цикл? Просто!

2) Інший довгий вірш:

ЩУКа з'їла ацетат, виходить цитрaт,
Через цисаконітaт буде він ізоцитрaт.
Вороди віддавши НАД, він втрачає СО2,
Цьому безмірно ради альфа-кетоглутарат.
Окислення прийде - НАД викрав водень,
ТДФ, коензим А забирають СО2.
А енергія тільки в сукцинілі з'явилася,
Відразу АТФ народилася і залишився сукцинат.
Ось дібрався він до ФАДа - водники тому над,
Фумарат води напився, і на малат він перетворився.
Тут до малату НАД прийшов, водороди придбав,
ЩУКа знову з'явилася і тихенько причаїлася.

3) Оригінальний вірш – коротший:

ЩУКУ АЦЕТИЛ ЛІМОНІЛ,
Але нарЦИС КОНЬ боявся,
Він над ним ІЗОЛІМОННО
АЛЬФА - КЕТОГЛУТAРався.
CУКЦІНИЛСЯ КОЕНЗИМом,
ЯНТАРИВСЯ ФУМАРОВО,
Яблучок припас на зиму,
Обернувся ЩУКою знову.