Осуществляется цикл трикарбоновых кислот в каком этапе. Цикл трикарбоновых кислот (цикл кребса). Пополнение пула метаболитов ЦТК из аминокислот

4. Цикл трикарбоновых кислот

Вторым компонентом общего пути катаболизма является ЦТК. Этот цикл был открыт в 1937 г. Кребсом и Джонсоном. В 1948 г. Кеннеди и Ленинджер доказали, что ферменты ЦТК локализованы в матриксе митохондрий.

4.1. Химизм цикла трикарбоновых кислот. Свободную уксусную кислоту невозможно окислить путем дегидрирования. Поэтому она в активной форме (ацетил-КоА) предварительно связывается с оксалоацетатом (ЩУК, щавелевоуксусной кислотой), в результате чего образуется цитрат.

1. Ацетил-КоА соединяется с оксалоацетатом в реакции альдольной конденсации, катализируемой цитратсинтазой . Образуется цитрил-КоА. Цитрил-КоА при участии воды гидролизуется до цитрата и НS -КоА.

2. Аконитат-гидратаза (аконитаза ) катализирует превращение цитрата в изоцитрат через стадию цис-аконитовой кислоты. Аконитаза по механизму действия одновременно гидратаза и изомераза.

3. Изоцитратдегидрогеназа катализирует дегидрирование изолимонной кислоты в оксалосукцинат (щавелевоянтарную кислоту), которая затем декарбоксилируется в 2-оксоглутарат (α-кетоглутарат). Коферментом является НАД + (в митохондриях) и НАДФ + (в цитозоле и митохондриях).

4. 2-Оксоглутаратдегидрогеназный комплекс (α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс) катализирует окислительное декарбоксилирование 2-оксоглутарата в сукцинил-КоА. Мультиферментный 2-оксоглутаратдегидрогеназный комплекс похож на пируватдегидрогеназный комплекс и процесс протекает аналогично окислительному декарбоксилированию пирувата.

5. Сукцинилтиокиназа катализирует расщепление сукцинил-КоА на янтарную кислоту и кофермент А. Энергия расщепления сукцинил-КоА накапливается в виде гуанозинтрифосфата (ГТФ). В сопряженной реакции перефосфорилирования АДФ фосфорилируется в АТФ, а освобождающиеся молекулы ГДФ могут вновь фосфорилироваться (субстратное фосфорилирование ). У растений фермент специфичен к АДФ и АТФ.

6. Сукцинатдегидрогеназа катализирует превращение сукцината в фумаровую кислоту. Фермент стереоспецифичен, является интегральным белком, так как вмонтирован во внутреннюю мембрану митохондрий и в качестве простетических групп содержит ФАД и железосерные белки. ФАДН 2 не отделяется от фермента, а два электрона далее передаются на кофермент Q цепи переноса электронов внутренней мембраны митохондрий.

7.Фумарат-гидратаза (фумараза) катализирует превращение фумаровой кислоты в яблочную (малат) с участием воды. Фермент стереоспецифичен, образует только L -малат.

8.Малатдегидрогеназа катализирует окисление яблочной кислоты в оксалоацетат. Кофермент малатдегидрогеназы - НАД + . Далее оксалоацетат вновь конденсируется с ацетил-КоА и цикл повторяется.

4.2. Биологическое значение и регуляция цикла трикарбоновых кислот. Цикл трикарбоновых кислот – компонент общего пути катаболизма, в котором происходит окисление топливных молекул углеводов, жирных кислот и аминокислот. Большинство топливных молекул поступают в ЦТК в виде ацетил-КоА (рис. 1). Все реакции ЦТК протекают согласованно в одном направлении. Суммарная величина D G 0 ¢ = -40 кДж/моль.

В среде врачей давно бытует крылатая фраза «Жиры горят в пламени углеводов». Ее надо понимать как окисление ацетил-КоА, основным источником которого является β-окисление жирных кислот, после конденсации с оксалоацетатом, образуемой, главным образом, из углеводов (при карбоксилировании пирувата). При нарушениях обмена углеводов или голодании создается дефицит оксалоацетата, ведущий к уменьшению окисления ацетил-КоА в ЦТК.

Рис.1. Роль ЦТК в клеточном дыхании. 1 стадия (ЦТК) извлечение из молекулы ацетил-КоА 8 электронов; 2 стадия (цепи переноса электронов) восстановление двух молекул кислорода и формирование протонного градиента (~36 Н +); 3 стадия (АТФ-синтаза) использование энергии протонного градиента для образования АТФ (~9 АТФ) (Berg J .M ., Tymoczko J .L ., Stryer L . Biochemistry . N -Y : W .H .Freeman and Company , 2002).

Основная метаболическая роль ЦТК может быть представлена в виде двух процессов: 1) серия окислительно-восстановительных реакций, в результате которых ацетильная группа окисляется до двух молекул СО 2 ; 2) четырехкратное дегидрирование, ведущее к образованию 3 молекул НАДН+Н + и 1 молекулы ФАДН 2 . Кислород необходим для функционирования ЦТК опосредованно как акцептор электронов в конце цепей переноса электронов и для регенерации НАД + и ФАД.

Основное значение для регуляции ЦТК имеет синтез и гидролиз АТФ.

1. Изоцитратдегидрогеназа аллостерически активируется АДФ путем повышения сродства фермента к субстрату. НАДН ингибирует этот фермент, замещая НАД + . АТФ также ингибирует изоцитратдегидрогеназу. Важно, что превращения метаболитов в ЦТК требуют на нескольких стадиях НАД + и ФАД, количество которых достаточно только в условиях низкого энергетического заряда.

2. Активность 2-оксоглутаратдегидрогеназного (α-кетоглутаратдегидрогеназного) комплекса регулируется аналогично регуляции пируватдегидрогеназного комплекса. Этот комплекс ингибируется сукцинил-КоА и НАДН (конечными продуктами превращений, катализируемых 2-оксоглутаратдегидрогеназным комплексом). Кроме того, 2-оксоглуттаратдегидрогеназный комплекс ингибируется высоким энергетическим зарядом клетки. Итак, скорость превращений в ЦТК уменьшается при достаточной обеспеченности клетки АТФ (рис. 11.2). У ряда бактерий цитратсинтаза аллостерически ингибируется АТФ посредством повышения Км для ацетил-КоА.

Схема регуляции общего пути катаболизма представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Регуляция общего пути катаболизма. Основными молекулами, регулирующими функционирование ЦТК являются АТФ и НАДН. Основными пунктами регуляции являются изоцитратдегидрогеназа и 2-оксоглутаратдегидрогеназный комплекс.

4.3. Энергетическая роль общего пути катаболизма

В общем пути катаболизма из 1 молекулы пировиноградной кислоты образуется 3 молекулы СО 2 в следующих реакциях: при окислительном декарбоксилировании пировиноградной кислоты, при декарбоксилировании изолимонной кислоты и при декарбоксилировании 2-оксоглутаровой кислоты. Всего при окислении 1 молекулы пировиноградной кислоты отнимается пять пар атомов водорода, из них одна пара – от сукцината и поступает на ФАД с образованием ФАДН 2 , а четыре пары – на 4 молекулы НАД + с образованием 4 молекул НАДН+Н + при окислительном декарбоксилировании пировиноградной, 2-оксоглутаровой кислот, дегидрировании изоцитрата и малата. В конечном итоге атомы водорода переносятся на кислород с образованием 5 молекул Н 2 О, а выделившаяся энергия аккумулируется в реакциях окислительного фосфорилирования в виде молекул АТФ.

Общий итог:

1. Окислительное декарбоксилирование пирувата ~ 2,5 АТФ.

2. В ЦТК и сопряженных дыхательных цепях ~ 9 АТФ.

3. В реакции субстратного фосфорилирования ЦТК ~ 1 АТФ.

В ЦТК и сопряженных реакциях окислительного фосфорилирования образуется примерно10 АТФ при окислении ацетильной группы одной молекулы ацетил-КоА

Итого в общем пути катаболизма в результате превращений 1 молекулы пировиноградной кислоты выделяется примерно 12,5 молекул АТФ.

Я рассказывал о том, что это вообще такое, для чего цикл Кребса нужен и какое место в метаболизме он занимает. Теперь давайте приступим к самим реакциям этого цикла.

Сразу оговорюсь — лично для меня заучивание реакций было совершенно бессмысленным занятием до того, пока я не разобрал вышеуказанные вопросы. Но если вы уже разобрались с теорией, предлагаю перейти к практике.

Вы можете увидеть множество способов написания цикла Кребса. Чаще всего встречаются варианты вроде этого:

Но мне удобнее всего показался способ написания реакций из старого доброго учебника по биохимии от авторов Берёзова Т.Т. и Коровкина Б.В.

Первая реакция

Уже знакомые нам Ацетил-КоА и Оксалоацетат соединяются и превращаются в цитрат, то есть в лимонную кислоту .

Вторая реакция

Теперь берём лимонную кислоту и превращаем её изолимонную кислоту . Другое название этого вещества — изоцитрат.

На самом деле, эта реакция идёт несколько сложнее, через промежуточную стадию — образование цис-аконитовой кислоты. Но я решил упростить, чтобы вы получше запомнили. При необходимости вы сможете добавить сюда недостающую ступень, если будете помнить всё остальное.

По сути, две функциональные группы просто поменялись местами.

Третья реакция

Итак, у нас получилась изолимонная кислота. Теперь её нужно декарбоксилировать (то есть отщипнуть COOH) и дегидрировать (то есть отщипнуть H) . Получившееся вещество — это a-кетоглутарат .

Эта реакция примечательна тем, что здесь образуется комплекс HAДH 2 . Это значит, что переносчик НАД подхватывает водород, чтобы запустить дыхательную цепь.

Мне нравится вариант реакций Цикла Кребса в учебнике Берёзова и Коровкина именно тем, что сразу отлично видно атомы и функциональные группы, которые участвуют в реакциях.

Четвёртая реакция

Снова как часы работает никотинАмидАденинДинуклеотид, то есть НАД . Это славный переносчик появляется здесь, как и в прошлом шаге, чтобы захватить водород и унести его в дыхательную цепь.

Кстати, получившееся вещество — сукцинил-КоА , не должно вас пугать. Сукцинат — это другое название янтарной кислоты, хорошо знакомой вам со времён биоорганической химии. Сукцинил-Коа — это соединение янтарной кислоты с коэнзимом-А. Можно сказать, что это эфир янтарной кислоты.

Пятая реакция

В прошлом шаге мы говорили, что сукцинил-КоА — это эфир янтарной кислоты. А теперь мы получим саму янтарную кислоту , то есть сукцинат, из сукцинила-КоА. Крайне важный момент: именно в этой реакции происходит субстратное фосфорилирование .

Фосфорилирование вообще (оно бывает окислительное и субстратное) — это добавление фосфорной группы PO 3 к ГДФ или АТФ, чтобы получить полноценный ГТФ , или соответственно, АТФ. Субстратное отличается тем, что эта самая фосфорная группа отрывается от какого-либо вещества, её содержащую. Ну проще говоря, она переносится с СУБСТРАТА на ГДФ или АДФ. Поэтому и называется — «субстратное фосфорилирование».

Ещё раз: на момент начала субстратного фосфорилирования у нас имеется дифосфатная молекула — гуанозинДифосфат или аденозинДифосфат. Фосфорилирование заключается в том, что молекула с двумя остатками фосфорной кислоты — ГДФ или АДФ «достраивается» до молекулы с тремя остатками фосфорной кислоты, чтобы получились гуанозинТРИфосфат или аденозинТРИфосфат. Этот процесс происходит во время превращения сукцинила-КоА в сукцинат (то есть, в янтарную кислоту).

На схеме вы можете увидеть буквы Ф (н). Это значит «неорганический фосфат». Неорганический фосфат переходит от субстрата на ГДФ, чтобы в продуктах реакции был хороший, полноценный ГТФ. Теперь давайте посмотрим на саму реакцию:

Шестая реакция

Следующее превращение. На сей раз янтарная кислота, которую мы получили в прошлом этапе, превратится в фумарат , обратите внимание на новую двойную связь.

На схеме отлично видно, как в реакции участвует ФАД : этот неутомимый переносчик протонов и электронов подхватывает водород и утаскивает его непосредственно в дыхательную цепь.

Седьмая реакция

Мы уже на финишной прямой. Предпоследняя стадия Цикла Кребса — это реакция превращения фумарата в L-малат. L-малат — это другое название L-яблочной кислоты , знакомой ещё с курса биоорганической химии.

Если вы посмотрите на саму реакцию, вы увидите, что, во-первых, она проходит в обе стороны, а во-вторых, её суть — гидратирование. То есть фумарат просто присоединяет к себе молекулу воды, в итоге получается L-яблочная кислота.

Восьмая реакция

Последняя реакция Цикла Кребса — это окисление L-яблочной кислоты до оксалоацетата, то есть до щавелевоуксусной кислоты . Как вы поняли, «оксалоацетат» и «щавелевоуксусная кислота» — это синонимы. Вы, наверное, помните, что щавелевоуксусная кислота является компонентом первой реакции цикла Кребса.

Здесь же отмечаем особенность реакции: образование НАДH 2 , который понесёт электроны в дыхательную цепь. Не забудьте также реакции 3,4 и 6, там также образуются переносчики электронов и протонов для дыхательной цепи.

Как видите, я специально выделил красным цветом реакции, в ходе которых образуются НАДH и ФАДH2. Это очень важные вещества для дыхательной цепи. Зелёным я выделил реакцию, в рамках которой происходит субстратное фосфорилирование, и получается ГТФ.

Как это всё запомнить?

На самом деле, не так уж и сложно. Полностью прочитав две моих статьи, а также ваш учебник и лекции, вам нужно просто потренироваться писать эти реакции. Я рекомендую запомнить цикл Кребса блоками по 4 реакции. Напишите эти 4 реакции несколько раз, для каждой подбирая ассоциацию, подходящую именно вашей памяти.

Например, мне сразу очень легко запомнилась вторая реакция, в которой из лимонной кислоты (она, думаю, всем знакома с детства) образуется изолимонная кислота.

Вы можете так же использовать мнемонические запоминалки, такие как: «Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед , что соответствует ряду - цитрат, цис -аконитат, изоцитрат, альфа-кетоглутарат, сукцинил-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат». Есть ещё куча подобных.

Но, если честно, мне не нравились такие стихи практически никогда. По-моему, проще запомнить саму последовательность реакций. Мне отлично помогло разделение цикла Кребса на две части, каждую из которых я тренировался писать по несколько раз в час. Как правило, это происходило на парах вроде психологии или биоэтики. Это весьма удобно — не отвлекаясь от лекции, вы можете потратить буквально минутку, написав реакции так, как вы их запомнили, а затем сверить с правильным вариантом.

Кстати, в некоторых вузах на зачётах и экзаменах по биохимии преподаватели не требуют знания самих реакций. Нужно знать только что такое цикл Кребса, где он происходит, в чём его особенности и значение, и, разумеется, саму цепочку превращений. Только цепочку можно называть без формул, используя лишь названия веществ. Такой подход не лишён смысла, на мой взгляд.

Надеюсь, моё руководство по циклу трикарбоновых кислот вам помогло. А я хочу напомнить, что эти две статьи не являются полноценной заменой вашим лекциям и учебникам. Я написал их лишь для того, чтобы вы примерно понимали, что такое цикл Кребса. Если вы вдруг увидели какую-то ошибку в моём руководстве, пожалуйста, отпишитесь о ней в комментариях. Спасибо за внимание!

Цикл трикарбоновых кислот был открыт в 1937 г. Г. Кребсом. В этой связи он получил название “цикл Кребса”. Данный процесс является цент-ральным путем метаболизма. Он происходит в клетках организмов, стоящих на разных ступенях эволюционного развития (микроорганизмы, растения, животные).

Исходным субстратом цикла трикарбоновых кислот является ацетил-коэнзим А. Этот метаболит представляет собой активную форму уксусной кислоты. Уксусная кислота выступает в качестве общего промежуточного продукта распада почти всех органических веществ, содержащихся в клетках живых организмов. Это связано с тем, что органические молекулы являются соединениями углерода, которые естественно могут распадаться до двухуглеродных фрагментов уксусной кислоты.

Свободная уксусная кислота обладает сравнительно слабой реакционной способностью. Ее превращения происходят в довольно жестких условиях, которые нереальны в живой клетке. Поэтому в клетках происходит активация уксусной кислоты путем ее соединения с коэнзимом А. В результате образуется метаболически активная форма уксусной кислоты – ацетил-коэнзим А.

Коэнзим А представляет собой низкомолекулярное соединение, которое состоит из фосфоаденозина, остатка пантотеновой кислоты (витамина В3) и тиоэтаноламина. Остаток уксусной кислоты присоединяется к сульфгидрильной группе тиоэтаноламина. При этом образуется тиоэфир – ацетил-коэнзим А, представляющий собой исходный субстрат цикла Кребса.

Ацетил-коэнзим А

Схема превращения промежуточных продуктов в цикле Кребса представлена на рис. 67. Процесс начинается с конденсации ацетил-коэнзима А с оксалоацетатом (щавелевоуксусной кислотой, ЩУК), в результате которой образуется лимонная кислота (цитрат). Реакция катализируется ферментом цитратсинтазой.

Рисунок 67 – Схема превращения промежуточных продуктов в цикле

трикарбоновых кислот

Далее под действием фермента аконитазы лимонная кислота превращается в изолимонную. Изолимонная кислота подвергается процессам окисления и декарбоксилирования. В этой реакции, катализируемой ферментом НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы, в качестве продуктов образуются углекислый газ, восстановленный НАД, а также a-кетоглутаровая кислота, которая затем вовлекается в процесс окислительного декарбоксилирования (рис. 68).

Рисунок 68 – Образование a-кетоглутаровой кислоты в цикле Кребса

Процесс окислительного декарбоксилирования a-кетоглутарата катализируется ферментами a-кетоглутаратдегидрогеназного мультиферментного комплекса. Этот комплекс состоит из трех различных ферментов Для его функционирования требуются коферменты. Коферменты a-кето-глутаратдегидрогеназного комплекса включают следующие водорастворимые витамины:

· витамин В 1 (тиамин) – тиаминпирофосфат;

· витамин В 2 (рибофлавин) – ФАД;

· витамин В 3 (пантотеновая кислота) – коэнзим А;

· витамин В 5 (никотинамид) – НАД;

· витаминоподобное вещество – липоевую кислоту.

Схематически процесс окислительного декарбоксилирования a-кето-глутаровой кислоты можно представить в виде следующего балансового уравнения реакции:

Продуктом этого процесса является тиоэфир остатка янтарной кис-лоты (сукцината) с коэнзимом А – сукцинил-коэнзим А. Тиоэфирная связь сукцинил-коэнзима А является макроэргической.

Следующая реакция цикла Кребса представляет собой процесс субстратного фосфорилирования. В ней происходит гидролиз тиоэфирной связи сукцинил-коэнзима А под действием фермента сукцинил-КоА-синтетазы с образованием янтарной кислоты (сукцината) и свободного коэнзима А. Этот процесс сопровождается освобождением энергии, которая тут же используется для фосфорилирования ГДФ, в результате которого образуется молекула макроэргического фосфата ГТФ. Субстратное фосфорилирование в цикле Кребса:

где Ф н – ортофосфорная кислота.

Образующийся в процессе окислительного фосфорилирования ГТФ может использоваться в качестве источника энергии в различных энергозависимых реакциях (в процессе биосинтеза белка, активации жирных кислот и др.). Помимо этого, ГТФ может использоваться для образования АТФ в нуклеозиддифосфаткиназной реакции

Продукт сукцинил-КоА-синтетазной реакции – сукцинат далее окисляется с участием фермента сукцинатдегидрогеназы. Этот энзим представляет собой флавиновую дегидрогеназу, в состав которой в качестве кофермента (простетической группы) входит молекула ФАД. В результате реакции янтарная кислота окисляется в фумаровую. Одновременно с этим происходит восстановление ФАД.

где Е – ФАД простетическая группа, связанная с полипептидной цепью фермента.

Образовавшаяся в сукцинатдегидрогеназной реакции фумаровая кислота, под действием фермента фумаразы (рис. 69), присоединяет молекулу воды и превращается в яблочную кислоту, которая затем окисляется в малатдегидрогеназной реакции в щавелево-уксусную кислоту (оксалоацетат). Последний может вновь использоваться в цитратсинтазной реакции для синтеза лимонной кислоты (рис. 67). За счет этого превращения в цикле Кребса имеют циклический характер.

Рисунок 69 – Метаболизм яблочной кислоты в цикле Кребса

Балансовое уравнение цикла Кребса может быть представлено в виде:

Из него видно, что в цикле происходит полное окисление ацетильного радикала остатка из ацетил-коэнзима А до двух молекул СО 2 . Этот процесс сопровождается образованием трех молекул восстановленного НАД, одной молекулы восстановленного ФАД и одной молекулы макроэргичес-кого фосфата – ГТФ.

Цикл Кребса происходит в матриксе митохондрий. Это связано с тем, что именно здесь находится большинство его ферментов. И только единственный фермент – сукцинатдегидрогеназа – встроен во внутреннюю митохондриальную мембрану. Отдельные энзимы цикла трикарбоновых кислот объединены в функциональный полиферментный комплекс (метаболон), связанный с внутренней поверхностью внутренней митохондриальной мембраны. За счет объединения ферментов в метаболон существенно повышается эффективность функционирования данного метаболического пути и появляются дополнительные возможности для его тонкой регуляции.

Особенности регуляции цикла трикарбоновых кислот во многом определяются его значением. Этот процесс выполняет следующие функции:

1) энергетическую. Цикл Кребса представляет собой наиболее мощный источник субстратов (восстановленных коферментов – НАД и ФАД) для тканевого дыхания. Помимо этого в нем происходит запасание энергии в форме макроэргического фосфата – ГТФ;

2) пластическую . Промежуточные продукты цикла Кребса являются предшественниками для синтеза различных классов органических веществ – аминокислот, моносахаридов, жирных кислот и т.д.

Таким образом, цикл Кребса выполняет двойственную функцию: с одной стороны, он является общим путем катаболизма, играющим центральную роль в энергетическом обеспечении клетки, а с другой, – обеспечивает биосинтетические процессы субстратами. Подобные обменные процессы получили название амфиболических. Цикл Кребса представляет собой типичный амфиболический цикл.

Регуляция обменных процессов в клетке тесно связана с существованием “ключевых” ферментов. Ключевыми являются те ферменты процесса, которые определяют его скорость. Как правило, одним из “ключевых” ферментов процесса является энзим, катализирующий его начальную реакцию.

Для “ключевых” ферментов характерны следующие особенности. Эти ферменты

· катализируют необратимые реакции;

· обладают наименьшей активностью по сравнению с другими энзимами, принимающими участие в процессе;

· представляют собой аллостерические ферменты.

Ключевыми ферментами цикла Кребса являются цитратсинтаза и изоцитратдегидрогеназа. Подобно ключевым ферментам других метаболических путей их активность регулируется по принципу отрицательной обратной связи: она снижается при повышении концентрации промежуточных продуктов цикла Кребса в митохондриях. Так, в качестве ингибиторов цитратсинтазы выступают лимонная кислота и сукцинил-коэнзим А, а в качестве изоцитратдегидрогеназы – восстановленный НАД.

АДФ является активатором изоцитратдегидрогеназы. В условиях повышения потребности клетки в АТФ как источника энергии, когда в ней увеличивается содержание продуктов распада (АДФ), возникают предпосылки для повышения скорости окислительно-восстановительных превращений в цикле Кребса и, следовательно, возрастания уровня ее энергетического обеспечения.

ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ ЦИКЛ

ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ ЦИКЛ – цикл лимонной кислоты или цикл Кребса – широко представленный в организмах животных, растений и микробов путь окислительных превращений ди- и трикарбоновых кислот, образующихся в качестве промежуточных продуктов при распаде и синтезе белков, жиров и углеводов. Открыт Х.Кребсом и У.Джонсоном (1937). Этот цикл является основой метаболизма и выполняет две важных функции – снабжения организма энергией и интеграции всех главных метаболических потоков, как катаболических (биорасщепление), так и анаболических (биосинтез).

Цикл Кребса состоит из 8 стадий (в двух стадиях на схеме выделены промежуточные продукты), в ходе которых происходит:

1) полное окисление ацетильного остатка до двух молекул СО2,

2) образуются три молекулы восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) и одна восстановленного флавинадениндинуклеотида (ФАДН2), что является главным источником энергии, производимой в цикле и

3) образуется одна молекула гуанозинтрифосфата (ГТФ) в результате так называемого субстратного окисления.

В целом, путь энергетически выгоден (DG0" = –14,8 ккал.)

Цикл Кребса, локализованный в митохондриях, начинается с лимонной кислоты (цитрат) и заканчивается образованием щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетата – ОА). К субстратам цикла относятся трикарбоновые кислоты – лимонная, цис-аконитовая, изолимонная, щавелевоянтарная (оксалосукцинат) и дикарбоновые кислоты – 2-кетоглутаровая (КГ), янтарная, фумаровая, яблочная (малат) и щавелевоуксусная. К субстратам цикла Кребса следует отнести и уксусную кислоту, которая в активной форме (т.е. в виде ацетилкофермента А, ацетил-SКоА) участвует в конденсации с щавелевоуксусной кислотой, приводящей к образованию лимонной кислоты. Окисляется именно ацетильный остаток, вошедший в структуру лимонной кислоты, подвергается окислению; атомы углерода окисляются до CO2, атомы водорода частично акцептируются коферментами дегидрогеназ, частично в протонированной форме переходят в раствор, то есть в окружающую среду.

Как исходное соединение для образования ацетил-КоА обычно указывается пировиноградная кислота (пируват), образующаяся при гликолизе и занимающая одно из центральных мест в перекрещивающихся путях обмена веществ. Под влиянием фермента сложной структуры – пируватдегидрогеназы (КФ1.2.4.1 – ПДГаза) пирувата окисляется с образованием CO2 (первое декарбоксилирование), ацетил-КоА и восстановливается НАД (см. схему). Однако окисление пирувата – далеко не единственный путь образования ацетил-КоА, который также является характерным продуктом окисления жирных кислот (фермент тиолаза или синтетаза жирных кислот) и других реакций разложения углеводов и аминокислот. Все ферменты, участвующие в реакциях цикла Кребса, локализованы в митохондриях, причем большинство из них растворимы, а сукцинатдегидрогеназа (КФ1.3.99.1) прочно связана с мембранными структурами.

Образование лимонной кислоты, с синтеза которой и начинается собственно цикл, при помощи цитратсинтазы (КФ4.1.3.7 – конденсирующий фермент на схеме), является реакцией эндергонической (с поглощением энергии), и ее реализация возможна благодаря использованию богатой энергией связи ацетильного остатка с KoA [СН3СО~SKoA]. Это главная стадия регуляции всего цикла. Далее следует изомеризация лимонной кислоты в изолимонную через промежуточную стадию образования цис-аконитовой кислоты (фермент аконитаза КФ4.2.1.3, обладает абсолютной стереоспецифичностью – чувствительностью к местоположению водорода). Продуктом дальнейшего превращения изолимонной кислоты под влиянием соответствующей дегидрогеназы (изоцитратдегидрогеназа КФ1.1.1.41) является, по-видимому, щавелевоянтарная кислота, декарбоксилирование которой (вторая молекула CO2) приводит к КГ. Эта стадия также строго регулируется. По ряду характеристик (высокая молекулярная масса, сложная многокомпонентная структура, ступенчатые реакции, частично те же коферменты и т.д.) КГдегидрогеназа (КФ1.2.4.2) напоминает ПДГазу. Продуктами реакции являются CO2 (третье декарбоксилирование), Н+ и сукцинил-КоА. На этой стадии включается сукцинил-КоА-синтетаза, иначе называемая сукцинаттиокиназой (КФ6.2.1.4), катализирующая обратимую реакцию образования свободного сукцината: Сукцинил-КоА + Рнеорг + ГДФ = Сукцинат + KoA + ГТФ. При этой реакции осуществляется так называемое субстратное фосфорилирование, т.е. образование богатого энергией гуанозинтрифосфата (ГТФ) за счет гуанозиндифосфата (ГДФ) и минерального фосфата (Рнеорг) с использованием энергии сукцинил-КоА. После образования сукцината вступает в действие сукцинатдегидрогеназа (КФ1.3.99.1) – флавопротеид, приводящий к фумаровой кислоте. ФАД соединен с белковой частью фермента и является метаболически активной формой рибофлавина (витамин В2). Этот фермент также характеризуется абсолютной стереоспецифичностью элиминирования водорода. Фумараза (КФ4.2.1.2) обеспечивает равновесие между фумаровой кислотой и яблочной (также стереоспецифична), а дегидрогеназа яблочной кислоты (малатдегидрогеназа КФ1.1.1.37, нуждающаяся в коферменте НАД+, также стереоспецифична) приводит к завершению цикла Кребса, то есть к образованию щавелевоуксусной кислоты. После этого повторяется реакция конденсации щавелевоуксусной кислотой с ацетил-КоА, приводящая к образованию лимонной кислоты, и цикл возобновляется.

Сукцинатдегидрогеназа входит в состав более сложного сукцинатдегидрогеназного комплекса (комплекса II) дыхательной цепи, поставляя восстановительные эквиваленты, (НАД-Н2), образующиеся прив реакции, в дыхательную цепь.

На примере ПДГазы можно познакомиться с принципом каскадной регуляции активности метаболизма за счет фосфорилирования-дефосфорилирования соответствующего фермента специальными киназой и фосфатазой ПДГазы. Обе они присоединены к ПДГазе.

ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ ЦИКЛ

Предполагается, что катализ индивидуальных ферментативных реакций осуществляется в составе надмолекулярного «сверхкомплекса», так называемого «метаболона». Преимущества такой организации ферментов состоят в том, что нет диффузии кофакторов (коферментов и ионов металлов)и субстратов, а это способствует более эффективной работе цикла.

Энергетическая эффективность рассмотренных процессов невелика, однако образующиеся при окислении пирувата и последующих реакциях цикла Кребса 3 моля НАДН и 1 моль ФАДН2 являются важными продуктами окислительных превращений. Дальнейшее их окисление осуществляется ферментами дыхательной цепи также в митохондриях и сопряжено с фосфорилированием, т.е. образованием АТФ за счет этерификации (образования фосфороорганических эфиров)минерального фосфата. Гликолиз, ферментное действие ПДГазы и цикл Кребса – всего в сумме 19 реакций – определяют полное окисление одной молекулы глюкозы до 6 молекул CO2 с образованием 38 молекул АТФ – этой разменной «энергетической валюты» клетки. Процесс окисления НАДН и ФАДН2 ферментами дыхательной цепи энергетически весьма эффективен, происходит с использованием кислорода воздуха, приводит к образованию воды и служит основным источником энергетических ресурсов клетки (более 90%). Однако в его непосредственной реализации ферменты цикла Кребса не участвуют. В каждой клетке человека есть от 100 до 1000 митохондрий, обеспечивающих жизнедеятельность энергией.

В основе интегрирующей функции цикла Кребса в метаболизме лежит то, что углеводы, жиры и аминокислоты из белков могут превращаться в конечном счете в интермедиаты (промежуточные соединения) этого цикла или синтезироваться из них. Выведение интермедиатов из цикла при анаболизме должно сочетаться с продолжением катаболической активности цикла для постоянного образования АТФ, необходимого для биосинтезов. Таким образом, цикл должен одновременно выполнять две функции. При этом концентрация интермедиатов (особенно ОА) может понижаться, что способно привести к опасному понижению производства энергии. Для предотвращения служат «предохранительные клапаны», называемые анаплеротическими реакциями (от греч. «наполнять»). Важнейшей является реакция синтеза ОА из пирувата, осуществляемая пируваткарбоксилазой (КФ6.4.1.1), также локализованной в митохондриях. В результате накапливается большое количество ОА, что обеспечивает синтез цитрата и др. интермедиатов, что позволяет циклу Кребса нормально функционировать и, вместе с тем, обеспечивать выведение интермедиатов в цитоплазму для последующих биосинтезов. Таким образом, на уровне цикла Кребса происходит эффективно скоординированная интеграция процессов анаболизма и катаболизма под действием многочисленных и тонких регуляторных механизмов, в том числе гормональных.

В анаэробных условиях вместо цикла Кребса функционируют его окислительная ветвь до КГ (реакции 1, 2, 3) и восстановительная – от ОА до сукцината (реакции 8®7®6). При этом много энергии не запасается и цикл поставляет только интермедиаты для клеточных синтезов.

При переходе организма от покоя к активности возникает потребность в мобилизации энергии и обменных процессов. Это, в частности, достигается у животных шунтированием наиболее медленных реакций (1–3) и преимущественным окислением сукцината. При этом КГ – исходный субстрат укороченного цикла Кребса – образуется в реакции быстрого переаминирования (переноса аминной группы)

Глутамат + ОА = КГ + аспартат

Другая модификация цикла Кребса (так называемый 4-аминобутиратный шунт) – это превращение КГ в сукцинат через глутамат, 4-аминобутират и янтарный семиальдегид (3-формилпропионовую кислоту). Эта модификация важна в ткани мозга, где около 10% глюкозы расщепляется по этому пути.

Тесное сопряжение цикла Кребса с дыхательной цепью, особенно в митохондриях животных, а также ингибирование большинства ферментов цикла под действием АТФ, предопределяют снижение активности цикла при высоком фосфорильном потенциале клетки, т.е. при высоком соотношении концентраций АТФ/АДФ. У большинства растений, бактерий и многих грибов тесное сопряжение преодолевается развитием несопряженных альтернативных путей окисления, позволяющих поддерживать одновременно дыхательную активность и активность цикла на высоком уровне даже при высоком фосфорильном потенциале.

Игорь Рапанович

ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ ЦИКЛ

предыдущая

← 1 2 3 следующая

Литература

Страйер Л. Биохимия. Пер. с англ. М., Мир, 1985

Бохински Р. Современные воззрения в биохимии. Пер с англ., М., Мир, 1987

Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. М., Высшая школа, 2003

Кольман Я., Рем К.-Г. Наглядная биохимия. М., Мир, 2004

Краткие исторические сведения

Наш любимый цикл – ЦТК, или Цикл трикарбоновых кислот – жизнь на Земле и под Землей и в Земле… Стоп, а вообще это самый удивительный механизм – он универсален, является путем окисления продуктов распада углеводов, жиров, белков в клетках живых организмов, в результате получаем энергию для деятельности нашего тела.

Открыл этот процесс собственно Кребс Ганс, за что и получил Нобелевскую премию!

Родился он в августе 25 - 1900 года в Германии город Хильдесхайм. Получил медицинское образование Гамбургского университета, продолжил биохимические исследования под руководством Отто Вaрбурга в Берлине.

В 1930 открыл вместе со студентом своим процесс обезвреживания аммиака в организме, который был у многих представителей живого мира, в том числе и человека. Этот цикл – цикл образования мочевины, который также известен под именем цикла Кребса №1.

Когда к власти пришел Гитлер, Ганс эмигрировал в Великобританию, где продолжает заниматься наукой в Кембриджском и Шеффилдском университетах. Развивая исследования биохимика из Венгрии Альберта Сент-Дьёрди, получает озарение и делает самый знаменитый цикл Кребса № 2, или по-другому "цикл Сент-Дьёрди – Кребса" - 1937.

Результаты исследований посылаются в журнал "Nature", который отказывает в напечатании статьи. Тогда текст перелетает в журнал "Enzymologia" в Голландии. Кребс получает Нобелевскую премию в 1953 по физиологии и медицине.

Открытие было удивительным: в 1935 Сент-Дьёрди находит, что янтарная, оксалоуксусная, фумаровая и яблочная кислоты (все 4 кислоты - естественные химические компоненты клеток животных) усиливают процесс окисления в грудной мышце голубя. Которая была измельчена.

Именно в ней процессы метаболические идут с наибольшей скоростью.

Ф. Кнооп и К.Мартиус в 1937 году находят, что лимонная кислота превращается в изолимонную через продукт промежуточный, цис – аконитовую кислоту. Кроме того изолимонная кислота могла превращаться в а-кетоглутаровую, а та – в янтарную.

Кребс заметил действие кислот на поглощение О2 грудной мышцей голубя и выявил из активирующее действие на окисление ПВК и образование Ацетил-Коэнзима А. Кроме того процессы в мышце угнетались малоновой кислотой, которая похожа на янтарную и могла конкурентно ингибировать ферменты, у которых субстрат – янтарная кислота.

Когда Кребс добавлял малоновую кислоту к среде реакции, то начиналось накопление а-кетоглутаровой, лимонной и янтарной кислот. Таким образом понятно, что действие совместное а-кетоглутаровой, лимонной кислот приводит к образованию янтарной.

Ганс исследовал еще более 20 веществ, но они не влияли на окисление. Сопоставив полученные данные, Кребс получил цикл. В самом начале исследователь не мог точно сказать начинается процесс с лимонно или изолимонной кислоты, поэтому назвал "цикл трикарбоновых кислот".

Сейчас мы знаем, что первой является лимонная кислота, поэтому правильно - цитратный цикл или цикл лимонной кислоты.

У эукариот реакции ЦТК протекают в митохондриях, при этом все ферменты для катализа, кроме 1, содержатся в свободном состоянии в матриксе митохондрии, исключение - сукцинатдегидрогеназа - локализуется на внутренней мембране митохондрии, встраивается в липидный бислой. У прокариот реакции цикла протекают в цитоплазме.

Познакомимся с участниками цикла:

2) ЩУК – Оксалоацетат - Щавелево-Уксусная кислота:
как бы состоит из двух частей: щавелевая и уксусная кислота.

3-4) Лимонная и Изолимонная кислоты:

5) а-Кетоглутаровая кислота:

6) Сукцинил-Коэнзим А:

7) Янтарная кислота:

8) Фумаровая кислота:

9) Яблочная кислота:

Как же происходят реакции? В целом мы все привыкли к виду кольца, что и представлено снизу на картинке. Еще ниже все расписано по этапам:

1. Конденсация Ацетил-Коэнзима А и Щавелево-Уксусной кислоты ➙ лимонная кислота.

Превращение Ацетил-Коэнзима А берут начало с конденсации со Щавелево-Уксусной кислотой, в результате образуется лимонная кислота.

Реакция не требует расхода АТФ, так как энергия для этого процесса обеспечивается в результате гидролиза тиоэфирной связи с Ацетил-Коэнзимом А, которая является макроэргической:

2. Лимонная кислота через цис-аконитовую переходит в изолимонную.

Происходит изомеризация лимонной кислоты в изолимонную. Фермент превращения - аконитаза - дегидратирует вначале лимонную кислоту с образованием цис-аконитовой кислоты, потом соединяет воду к двойной связи метаболита, образуя изолимонную кислоту:

3. Изолимонная дегидрируется с образованием а-кетоглутаровой и СО2.

Изолимонная кислота окисляется специфической дегидрогеназой, кофермент которой - НАД.

Одновременно с окислением идет декарбоксилирование изолимонной кислоты. В результате превращений образуется α-кетоглутаровая кислота.

4. Альфа-кетоглутаровая кислота дегидрируется ➙ сукцинил-коэнзим А и СО2.

Следующая стадия - окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты.

Катализируется α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, который аналогичен по механизму, структуре и действию пируватдегидрогеназному комплексу. В результате образуется сукцинил-КоА.

5. Сукцинил-коэнзим А ➙ янтарная кислота.

Сукцинил-КоА гидролизуется до свободной янтарной кислоты, выделяющаяся энергия сохраняется путем образования гуанозинтрифосфата. Эта стадия - единственная в цикле, прикоторой прямо выделится энергия.

6. Янтарная кислота дегидрируется ➙ фумаровая.

Дегидрирование янтарной кислоты ускоряется сукцинатдегидрогеназой, коферментом ее является ФАД.

7. Фумаровая гидратируется ➙ яблочная.

Фумаровая кислота, которая образуется при дегидрировании янтарной кислоты, гидратируется и образуется яблочная.

8. Яблочная кислота дегидрируется ➙ Щавелево-Уксусная - цикл замыкается.

Заключительный процесс - дегидрирование яблочной кислоты, катализируемое малатдегидрогеназой;

Результат стадии - метаболит, с которого начинается цикл трикарбоновых кислот - Щавелево-Уксусная кислота.

В 1 реакцию следующего цикла вступит другая м-ла Ацетил-Коэнзима А.

Как запомнить этот цикл? Просто!

2) Другое длинное стихотворение:

ЩУКа съела ацетат, получается цитрaт,
Через цисaконитaт будет он изоцитрaт.
Вoдoрoды отдaв НАД, oн теряет СО2,
Этoму безмернo рaд aльфa-кетоглутaрaт.
Окисление грядет - НАД похитил вoдoрoд,
ТДФ, коэнзим А забирают СО2.
А энергия едва в сукциниле пoявилась,
Сразу АТФ рoдилась и oстался сукцинат.
Вот дoбрался он дo ФАДа - вoдoрoды тому надo,
Фумарат воды напился, и в малат oн превратился.
Тут к малату НАД пришел, вoдoрoды приобрел,
ЩУКа снoва oбъявилась и тихoнькo затаилась.

3) Оригинальное стихотворение – покороче:

ЩУКу АЦЕТИЛ ЛИМOНил,
Нo нарЦИСсA КOНь боялся,
Oн над ним ИЗOЛИМOННо
AЛЬФA - КЕТOГЛУТAРался.
CУКЦИНИЛся КOЭНЗИМом,
ЯНТAРился ФУМАРOВo,
ЯБЛОЧек припаc на зиму,
Обернулcя ЩУКой снова.